Mikrowellenangeregte Gasentladungslampen. Christoph Kaiser. Mikrowellenangeregte Gasentladungslampen Kaiser 2009

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1 Mikrowellenangeregte Gasentladungslampen Christoph Kaiser

2 Ein Blick zurück.. Nicolas Teslas 1891: elektrodenlose HF Lampe Vorgeführt vor dem American Institute of Electrical Engineers, Columbia College, N.Y., 20. Mai 20, 1891: Vergleich: Edisson: 1881 Einführung des Wolframdrahtes: 1906

3 Überblick Definitionen Definition Mikrowelle Grenzen der Lichtausbeute Lampentechnologie Entwicklung der Lampentechnik Vorteile von elektrodenlosen Lampen Entwicklung von Mikrowellenangeregten Lampen Historie am Lichttechnischen Institut Heutiger Stand Ein Blick ins Labor Effiziente Lampen als Gesamtkonzept

4 Definition Mikrowelle Mikrowelle als Teilbereich der Hochfrequenztechnik Eingliederung der Hochfrequenztechnik in Bänder Mobilfunk: 500 MHz 2.2 GHz WIMAX: 2.5 GHz 3.8 GHz WLAN bis 5.6 GHz Mikrowelle: ab VHF Band größer 100MHz (3m)

5 Grenzen der Lichtausbeute Für weißes Licht: lm/w 600 maximal 400 V phot (λ) (lm W -1 ) 0.3xL CN (Wm -2 nm -1 ) ΒΒ 300 lm/w λ (nm) Waymouth, ALITE-95

6 Überblick Definitionen Definition Mikrowelle Grenzen der Lichtausbeute Lampentechnologie Entwicklung der Lampentechnik Vorteile von elektrodenlosen Lampen Entwicklung von Mikrowellenangeregten Lampen Historie am Lichttechnischen Institut Heutiger Stand Ein Blick ins Labor Effiziente Lampen als Gesamtkonzept

7 Entwicklung der Lampentechnik Traditionelles Gebiet der Elektrotechnik Fast 150-jährige Tradition

8 Vorteile elektrodenloser Lampen Leistungsverluste in elektrodenbehafteten Lampen (Bsp. Keramik HID) 1/3 Leistungseinsparung bei elektrodenlosen Lampen 100 W HID Metall Halogen Lampe 9 W Elektroden 17 W IR 28 W Infrarot 52 W Entladung 83 W Thermische Leitung 16 W Sichtbares Licht 36 W UV 3 W

9 Überblick Definitionen Definition Mikrowelle Grenzen der Lichtausbeute Lampentechnologie Entwicklung der Lampentechnik Vorteile von elektrodenlosen Lampen Entwicklung von Mikrowellenangeregten Lampen Historie am Lichttechnischen Institut Heutiger Stand Ein Blick ins Labor Effiziente Lampen als Gesamtkonzept

10 Historie am Lichttechnischen Institut 80er Jahre Untersuchungen an mikrowellenangeregten Excimer Lasern 90er Jahre Übertrag der gewonnenen Erkenntnisse auf die Lampentechnik Anregung von Hochdrucklampen mittels Mikrowelle Untersuchungen von Füllungen Entwicklung erster geeigneter Kopplerstrukturen Ende der 90er Jahre Füllungsoptimierung bringt eine Lichtausbeute von 130 lm/w Allerdings damals keine effizienten Vorschaltgeräte zu erwarten

11 Heutiger Stand Verbesserung der Vorschaltgeräte Klassische Anregung durch Magnetrons Neue Möglichkeiten durch Mobilfunk Hohe Leistung bei geringen Kosten Geringe Lebensdauer Halbleiterverstärker sinken im Preis LDMOS bis zu 75% Effizienz

12 Ein Blick ins Labor Füllungsverbesserung im Resonatortopf Plasmauntersuchungen Frei brennendes Ar- Plasma Hq- Plasma

13 Überblick Definitionen Definition Mikrowelle Grenzen der Lichtausbeute Lampentechnologie Entwicklung der Lampentechnik Vorteile von elektrodenlosen Lampen Entwicklung von Mikrowellenangeregten Lampen Historie am Lichttechnischen Institut Heutiger Stand Ein Blick ins Labor Effiziente Lampen als Gesamtkonzept

14 Effiziente Lampen als Gesamtkonzept Nicolas Teslas elektrodenlose HF Lampe: US Patent 1891 EXPERIMENTS WITH ALTERNATE CURRENTS OF VERY HIGH FREQUENCY AND THEIR APPLICATION TO METHODS OF ARTIFICIAL ILLUMINATION

15 Effiziente Lampen als Gesamtkonzept Entwicklung effizienter Füllungen Z.B.: YbCl 3 /CaCl 3 /InJ dotiertes Ar Löst in konventionellen Lampen die Elektroden Allerdings höchste Effizienzen durch Mikrowellenanregung (130 lm/w) Entwicklung effizienter Vorschaltgeräte Sinkender Preis in modernen Halbleiterbauteilen Hocheffiziente HF-Transistoren LDMOS, HEMT GaN, GaAs FET, SiC MESFET Entwicklung effizienter Einkoppelstrukturen Finite Elemente Simulationen im HF-Bereich Comsol Multiphysics (RF-Module) Physikalische Kopplung der Mikrowelle mit dem Plasma Bestimmung von Plasmaparametern im Betrieb Beschreibung der Kopplung der Mikrowelle mit dem Plasma

16 Fazit Lampe als Gesamtkonzept zu betrachten Zusammenspiel vieler wissenschaftlichen Disziplinen Elektronik Elektrotechnik Physik Chemie Biologie Mikrosystemtechnik