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Im Unterschied zu den üblichen Hochdruck-Entladungslampen (HID High Intensity Discharge) werden bei der HF-Plasmabeleuchtung keine zusätzlichen Elektroden in der Röhre benötigt. Der Verzicht auf Elektroden führt zu einer sehr langen Lebensdauer, denn es kommt weder zu einer Kontamination noch zu einer Erosion des Metalls mit der daraus resultierenden Verringerung der Lichtausbeute und dem langfristigen Ausfall des Leuchtmittels. Das HF-Leuchtmittel hält bis zu 50.000 Stunden und hat dann immer noch 50 % seiner anfänglichen Lichterzeugung. Gängige HID-Lampen bringen es verglichen damit nur auf eine Lebensdauer von 20.000 Stunden. Eine weitere Stärke der Plasmalampen ist ihr hoher Wirkungsgrad, wird doch eine HF-Leistung von 1 W in einen Lichtstrom von 130 bis 140 lm umgesetzt. Es können somit äußerst kompakte und helle Lampen hergestellt werden, die weißes Licht von 10.000 bis 20.000 lm und einer dem Sonnenlicht ähnlichen Farbwiedergabe erzeugen.

Kleine, elektrodenlosen Leuchtröhre aus Quarz

Sämtliche Plasma-Lichtquellen basieren auf einer kleinen, elektrodenlosen Leuchtröhre aus Quarz, die ein Gemisch aus Argon und Metalldampf enthält. Aktiviert wird diese Röhre durch direkte Hochfrequenzstrahlung, die das Gasgemisch zündet und ein hell leuchtendes Plasma entstehen lässt, dessen Farbe durch die Zusammensetzung des Gemisches variiert werden kann.

Der entscheidende Wegbereiter dieser HF-Leuchtmittel ist Hochfrequenz-Technologie auf der Basis von LDMOS-HF-Leistungstransistoren aus Silizium. Mit 28 V betriebene LDMOS-Transistoren sind die führende HF-Leistungstechnologie in Mobilfunk-Basisstationen oder den Endstufen von Sendeverstärkern für Frequenzen im Bereich von einigen Megahertz bis 3,8 GHz.

Das neueste Mitglied der LDMOS-Familie, der 50-V-LDMOS-Transistor, erreicht bis zu 1200 W pro Bauelement, verbunden mit hoher Robustheit, Verstärkung und Wirkungsgrad bei Frequenzen bis zu 1,5 GHz.

Beleuchtungstechnologien im Vergleich

Die Tabelle 1 liefert eine Gegenüberstellung verschiedener derzeit verfügbarer Technologien, mit denen sich auf mehr oder weniger effiziente Weise helles Licht erzeugen lässt. Zu den wichtigen Eckdaten gehören die Lebensdauer, der Lichtstrom, die Leuchtstärke, der Farbwiedergabeindex (CRI), die Farbtemperatur, die Dauer der Startphase und die Zeit, die nach dem Abschalten bis zum erneuten Einschalten gewartet werden muss (Re-Strike-Zeit).

Plasma-Leuchtmittel gehören zu den hellsten und effizientesten Lichtquellen, die es bisher gibt und erreichen eine sehr hohe Lebensdauer. Hervorzuheben ist die auffallend große Helligkeit pro Röhre, die beispielsweise wesentlich über der von LEDs liegt. Mehrere LEDs sind deshalb nötig, um den Lichtstrom einer Plasma-Lichtquelle zu erreichen. LED-Leuchtmittel für Straßenbeleuchtungen sind aus diesem Grund deutlich größer als Plasma-Leuchtmittel.

Auswirkungen auf die HF-Schaltungen

Obwohl HF-Plasmaleuchtmittel mit unterschiedlichen Frequenzen betrieben werden können, wird bei den ersten Anwendungen vorwiegend eine Frequenz von einigen hundert MHz verwendet. In diesem Frequenzbereich kommt die 28-V- und die 50-V-LDMOS-Technik in Frage, die Wirkungsgrade zwischen 70 und mehr als 80 % und eine geringe Wärmeentwicklung ermöglicht und damit die Konstruktion kompakter Plasmalampen erlaubt.

Per Hochfrequenz angeregte Plasmalampen sind ein Beispiel für neuartige Applikationen im ISM-Bereich, die mit HF-Energie betrieben werden können. Etablierte Technologien nutzen HF zum Pumpen einer Gasentladung in einer Laserkavität. Derartige Gasentladungs-Applikationen sowie der Großteil der ISM-Applikationen stellen HF-Lasten mit einem hohen Grad an Fehlanpassung dar – zumindest während eines gewissen Teils des Nutzungszyklus. Im Fall von Gasentladungen etwa wirkt die Gaskavität während des Einschaltvorgangs wie ein offener Stromkreis. Ohne Schutzmaßnahmen wird hier die gesamte eingeleitete HF-Leistung an die Endstufe des Verstärkers reflektiert. Sie muss dort direkt in den Transistoren abgeführt werden und hat zwangsläufig deren Zerstörung zur Folge, wenn dieser Zustand zu lange anhält. Sobald die Entladung einsetzt, stellt sich dagegen ein angepasster Zustand ein, und der Transistor treibt eine Last, die als unbedenklich eingestuft werden kann. Bei jedem „Einschalten“ des Plasmas kommt es somit zu dieser Fehlanpassung mit der daraus resultierenden Belastung für die Endstufen. LDMOS-Transistoren aber sind sehr robust und verkraften diese Fehlanpassung.

Steven Theeuwen

: Steven Theeuwen, Device Physicist, Device & Technology Innovation, NXP Semiconductors

(jj)

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