DE69023680T2

DE69023680T2 - Steuerungsverfahren und Schaltung für Entladungslampen.

Info

Publication number: DE69023680T2
Application number: DE69023680T
Authority: DE
Inventors: Gary Robert Allen; Joseph Michael Allison; John Martin Davenport; Richard Lowell Hansler
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-03-08
Filing date: 1990-03-06
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2010-03-07
Also published as: HUT54847A; HU212358B; EP0386990A3; EP0386990A2; JPH02299197A; JPH0766866B2; DE69023680D1; EP0386990B1; HU901343D0; AU632094B2; AU5059190A; KR900015581A; KR970009072B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Arbeitsverfahren sowie eine Schaltung für Gasentladungslampen, wie z.B. eine Xenon-Metallhalogenid-Lampe. Spezieller wird hier ein Verfahrensnetzwerk sowie eine Schaltung für ein akustisches Betreiben einer Xenon-Metallhalogenid-Lampe beschrieben, insbesondere einer Xenon-Quecksilberhalogenid-Lampe mit einem hohen Druckanteil von Xenon, wodurch solch eine Lampe insbesondere geeignet für Anwendungen in Kraftfahrzeugen ist.
US-A-3 931 544 beschreibt einen elektronischen Vorschaltbzw. Ballastschaltkreis zur Reduzierung der Aufwärmzeit von Entladungslampen hoher Intensität.
Unsere GB-A-2 216 334 beschreibt eine insbesondere für Anwendungen in Kraftfahrzeugen geeignete Xenon-Metallhalogenid-Lampe. Die Xenon-Metallhalogenid-Lampe bietet relativ zu Glühlampen einen verbesserten Wirkungsgrad (Effizienz) und eine längere Lebensdauer, während ein hoher Gasdruck von Xenon in erster Linie eine sofortige Lichtbereitstellung liefert, was eine solche Lampe insbesondere für Anwendungen in Kraftfahrzeugen geeignet macht.
Unsere GB-A-2 216 350 beschreibt eine Vorschalt- bzw. Ballastschaltung zum Betrieb von Metallhalogenid-Lampen einschließlich der Xenon-Metallhalogenid-Lampen nach der GB-A- 2 216 334. Diese Schaltung betreibt die Metallhalogid-Lampen bei einer relativ hohen Arbeitsfreguenz von etwa 1 bis 10 kHz und legt an die Lampe einen rechteckförmigen Stromverlauf an. Der rechteckförmige Strom resultiert in einer rechteckförmigen Spannung, die mit dem Strom in Phase ist, so daß die Lampenleistung (Strom x Spannung) im Sinne eines vorteilhaften Betriebs der Lampe konstant ist. Die Arbeitsweise einer solchen Ballast- bzw. Vorschaltanordnung vermeidet jegliche akustischen Resonanzeffekte, da die Leistung zeitlich konstant ist. Das US-Patent 4 170 746 von Davenport beschreibt einen gegenüber der GB-A-2 216 350 ungleichen Schaltkreis zum Betrieb von Quecksilber-Metallhalogid-Lampen mit relativ kleinen Abmessungen, die eine Volumenkapazität von kleiner als einen Kubikzentimeter aufweisen. Ein solcher Ballastschaltkreis verwendet eine akustische Betriebsweise der Quecksilber-Metallhalogenid-Miniaturlampen ohne den hohen Xenon-Druck bei relativ schmalen Fenstern innerhalb der Frequenzbänder im Bereich von 10 bis 50 kHz.
In einer zur GB-A-2 216 350 ähnlichen Weise beschreiben die US-Patente 3 890 537 sowie 4 042 856 von Park et al bzw. von Steigerwald Schaltungen für Gasentladungslampen, die akustische Resonanzeffekte während des Betriebs dieser Lampen vermeiden.
Die verschiedenen oben angegebenen Gasentladungslampen und Ballastschaltungen weisen Einschränkungen hinsichtlich ihrer Anwendung in Kraftfahrzeugen auf. Von den verschiedenen Lampen ist die nach der GB-A-2 216 334 noch die eine am ehesten für Anwendungen in Kraftfahrzeugen geeignete Lampe, sie weist jedoch praktische Beschränkungen im Hinblick auf den Betrag des unmittelbar von ihr gelieferten Lichts auf, was in erster Linie durch den in der Lampe enthaltenen Xenon-Gasdruck bestimmt ist. Um bei solchen Lampen für Anwendungen im Kraftfahrzeug einen gewünschten hohen augenblicklichen Lichtpegel zu erhalten, ist ein Xenon-Gasdruck von mindestens vier Atmosphären erforderlich. Die Xenon-Metallhalogenid-Lampen mit einem Gasdruck von Xenon von mindestens vier (4) Atmosphären und die mit bekannten Ballastschaltungen betrieben werden, weisen nachteiligerweise starke Konvektionseffekte auf, die noch durch eine horizontale Anordnung der Lampe in einer Frontlampe eines Kraftfahrzeugs erhöht werden. Die unerwünschte Konvektion verursacht zumindest drei (3) Nachteile, nämlich: (1) eine starke Biegung des Lichtbogens solcher Lampen mit Elektrodenabständen, die größer als etwa zwei (2) mm sind; (2) eine reduzierte Lebensdauer solcher Lampen aufgrund der erhöhten Heißfleck-Temperaturen (hot-spot); und (3) eine verminderte Lampenwirksamkeit oder Lumen pro Watt aufgrund der verringerten Kaltfleck-Temperaturen (cold-spot). Es ist wünschenswert, Mittel wie z.B. eine Arbeitsschaltung bereitzustellen, die den Einsatz einer Hochdruck-Xenon-Metallhalogenid-Lampe erlauben, die bei Anwendungen im Kraftfahrzeug augenblicklich Licht bereitstellt, ohne die durch Konvektionseffekte erzeugten Nachteile zu erfahren.
Die US-A-4 373 146 beschreibt den Betrieb einer Entladungslampe hoher Intensität unter Verwendung einer Frequenzmodulation eines Trägersignals. Es beschreibt die nachteiligen Effekte der akustischen Resonanz innerhalb der Bogenröhre und stellt ein Verfahren zur Vermeidung solcher Resonanzen zur Verfügung.
Zusätzlich zu der augenblicklichen Lichtbereitstellung ist es erwünscht, daß die Lichtquelle für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen sowohl das Aufblend- wie auch das Abblendlicht liefert. Es ist wünschenswert, Mittel bereitzustellen, z.B. eine Arbeitsschaltung, die es erlaubt, daß die Hochdruck-Xenon-Metallhalogenid-Lampe sowohl als Lichtquelle fur die Aufblend- als auch für die Abblendbeleuchtungsmuster des Kraftfahrzeugs dienen kann.
Hierin beschrieben ist eine Betriebsschaltung oder ein Verfahren, das den Einsatz von unter hohem Druck stehenden Xenon-Gas innerhalb einer Xenon-Metallhalogenid-Lampe zur Abgabe eines hohen Pegels von augenblicklichem Licht erlaubt, welche Schaltung bzw. welches Verfahren insbesondere für Automobil- oder Kraftfahrzeuganwendungen geeignet ist. Insbesondere gestattet es, eine Hochdruck-Xenon-Metallhalogenid-Lampe als Lichtquelle für das Abblend- und Aufblend-Beleuchtungsmuster eines Fahrzeugs einzusetzen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung und ein Verfahren zum Betrieb einer Gasentladungslampe, z.B. einer Hochdruck-Xenon-Metallhalogenid-Lampe, die insbesondere für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen geeignet ist. Gegenwärtig ins Auge gefaßte Ausführungsformen:
Entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Miniatur-Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe eines Typs bereitgestellt, enthaltend einen Kolben, der einen Entladungsraum mit einem Volumen bildet, das etwa 1 Kubikzentimeter nicht überschreitet, zwei Elektroden in dem Kolben und die einen Bogenspalt bilden, und eine Füllung, die Quecksilber, Metallhalogenide und Xenongas enthält, gekennzeichnet durch: Zuführen eines Stroms mit einer Wechselkomponente, die augenblickliche Änderungen in der Eingangsleistung über dem Elektrodenspalt bewirkt, wobei die Leistungsänderungen bei einer Frequenz auftreten, die in einem bevorzugten Band innerhalb des Bereiches von 20 kHz bis 80 kHz gewählt ist, wobei das Band ein solches ist, in dem akustische Resonanz Bogen-begradigende Moden anregt, die die Wirkungen der durch Gravitation hervorgerufenen Konvektion in der Füllung verkleinern.
Entsprechend einem zweiten Aspekt der Erfindung wird bereitgestellt ein Miniatur-Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampensystem mit einer Lampe und einer zugeordneten Betriebseinrichtung, wobei die Lampe enthält: einen Kolben, der einen Entladungsraum mit einem Volumen bildet, das etwa 1 Kubikzentimeter nicht überschreitet, zwei Elektroden in dem Kolben und die einen Bogenspalt bilden, und eine Füllung, die Quecksilber, Metallhalogenide und Xenongas enthält, wobei die Betriebseinrichtung gekennzeichnet ist durch: eine Stromquelle, die mit den Elektroden verbunden ist und einen Strom mit einer Wechselkomponente liefern kann, die augenblickliche Änderungen in der Eingangsleistung über dem Elektrodenspalt herbeiführt, wobei die Leistungsänderungen bei einer Frequenz auftreten, die in einem bevorzugten Band in dem Bereich von 20 kHz bis 80 kHz gewählt ist, wobei das Band ein solches ist, in dem akustische Resonanz Bogen-stärkende Moden anregt, die die Wirkungen der durch Gravität hervorgerufenen Konvektion in der Füllung verkleinern.
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen in größerem Detail beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung der gegenseitigen Beziehung zwischen dem Xenon-Druck und dem Sofortlicht (instantaneous light), beides bezogen auf eine Xenon-Metallhalogenid- Lampe.
Fig. 2 die gegenseitige Beziehung zwischen dem Xenon-Druck und der mit einer Xenon-Metallhalogenid-Lampe verbundenen Heißfleck (hot-spot)-Temperatur für einen 60 Hz Rechtecksignalbetrieb sowie einer Hochfrequenzbetriebsweise entsprechend der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 die gegenseitige Beziehung zwischen der Wandaufladung (wall bading) und der Heißfleck-Temperatur sowie der Lumen-Wirksamkeit bei einer Xenon-Metallhalogenid-Lampe für einen Hochfrequenzbetrieb nach der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 bestehend aus den (Teil-)Figuren 4(a) und 4(b) die Frequenzbänder bezogen auf die Hochfrequenz-Betriebsweise sowie auf die Hochfrequenz-Betriebsweise mit Modulation, und zwar in beiden Fällen für eine Hochdruck-Xenon-Metallhalogenid-Lampe.
Fig. 5 bestehend aus den (Teil-)-Figuren 5(a) bzw. 5(b) bzw. 5(c) ein unmoduliertes Trägersignal, ein Modulationssignal sowie ein frequenzmoduliertes Signal, wobei sich alle Signale auf die Betriebsschaltung nach der vorliegenden Erfindung beziehen.
Fig. 6 das Frequenzspektrum des Signals nach der vorliegenden Erfindung für eine Xenon-Metallhalogenid-Lampe.
Figuren 7, 8, 9 und 10 Schaltbilder einer bevorzugten Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach der vorliegenden Erfindung zum Starten und zum Betreiben einer Hochdruck-Xenon-Metallhalogenid-Lampe.
Charakteristiken einer Xenon-Metallhalogenid-Lampe bezogen auf Anwendungen bei Kraftfahrzeugen
Eine hauptsächliche Einschränkung hinsichtlich des Betrages des von einer Xenon-Metallhalogenid-Lampe, die als Lichtquelle für Anwendungen in Kraftfahrzeugen oder Fahrzeugen verwendet wird, sofort abgegebenen Lichts liegt in dem Xenon-Gasdruck innerhalb der Lampe. Um eine für die Erfordernisse von Fahrzeuganwendungen ausreichende Sofortlicht- Tauglichkeit zu erhalten, ist es wünschenswert, mindestens einen Xenon-Gasdruck von vier (4) Atmosphären in typischer Weise 7 x 9 mm großen Bogenröhren in Form von gestreckten Rotationsellipsoiden zu haben, die als Xenon-Metallhalogenid-Lampen dienen. Wie bereits früher diskutiert wurde, erzeugt ein solcher Xenon-Druck unerwünschterweise eine sehr starke Konvektion innerhalb der Xenon-Metallhalogenid- Lampe. Um ein gewünschtes Bündelmuster für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen zu erhalten, ist es weiterhin wünschenswert, die Metallhalogenid-Lampe in einer horizontalen Weise zu orientieren, was auf der anderen Seite wiederum bewirkt, daß die starke Konvektion in nachteiliger Weise zu Problemen des Verbiegens des Lichtbogens beiträgt. Darüber hinaus ist es für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen zur Erzielung eines gewünschten (Licht-)Bündelmusters wünschenswert, eine relativ kleine Darstellung der Lichtquelle vorzusehen, so daß Abmessungen von kleiner als fünf Millimeter für den Abstand zwischen den Elektroden der Xenon-Metallhalogenid- Lampe gewählt werden. Verglichen mit einem großen Spalt reduziert ein kurzer Lichtbogenspalt das Biegen oder Wölben (bowing). Ein kürzerer Spalt erfordert jedoch einen höheren Quecksilber-Druck, der die Konvektion und das Biegen erhöht. Im Ergebnis vermindert ein kürzerer Spalt das Biegen selbst bei höherem Quecksilber-Druck.
Die Kombination aus dem hohen Xenon-Druck sowie dem Quecksilber-Druck innerhalb einer solchen Lampe erzeugt eine starke vertikale Konvektion in einer horizontal ausgerichteten Lampe, was in erhöhten Heißfleck(hot-spot)-Temperaturen an der Spitze der Lampe und kühleren Temperaturen am Boden einer solchen Lampe resultiert. Die erhöhten Heißfleck- sowie die erniedrigten Kaltfleck-Temperaturen führen zu einem Temperaturgefälle, das die Konvektion in der Lampe fördert, was auf der anderen Seite wiederum eine starke Biegung des Lichtbogens zwischen den Elektroden erzeugt, die mehr als etwa zwei (2) Millimeter voneinander beabstandet sind. Die erhöhte Heißfleck-Temperatur an der Spitze des Lampe vermindert oder verkürzt die Lebensdauer einer solchen Lampe, während die Kaltfleck-Temperatur am Boden der Lampe den Halogenid-Druck darin reduziert und damit die Lampenwirksamkeit oder Lumen pro Watt herabsetzt. Ferner verringert der gebogene Zustand des Lichtbogens, der durch den hohen Xenon-Gasdruck und den hohen Quecksilberdruck erzeugt wird, die optische Qualität des (Licht-)Bündelmusters hinsichtlich der Anwendungen bei Kraftfahrzeugen. Die von dem hohen Xenon-Gasdruck herbeigeführten Nachteile sollen weiter mit Hinblick auf Fig. 1 diskutiert werden.
Die Beziehung zwischen dem Druck der Xenon-Füllung innerhalb der Lampe und dem für Anwendungen bei Kraftfahrzeugen gewünschten augenblicklich verfügbaren Licht ist in Fig. 1 gezeigt für eine Xenon-Metallhalogenid-Lampe, die eine Bogenröhre von 7 x 9 mm in Form eines gestreckten Rotationsellipsoids (prolate spheroid) mit einem Elektrodenabstand von ungefähr 4 mm aufweist und mit einem Strom von etwa 4,5 A gespeist wird. Die x-Achse in Fig. 1 gibt den Xenon-Fülldruck in der Lampe in Atmosphären an, während sich die y-Achse auf das in Lumen angegebene sofort verfügbare Licht bezieht, das sich von einer solchen Lampe erhalten läßt. Fig. 1 illustriert eine im Idealfall gerade Linie in Form der Kurve 10, die von mehreren Punkten 10A, 10B, ... und 10H gebildet wird. Wie in Fig. 1 gezeigt ist, muß der entsprechende Xenon-Fülldruck einen Wert von 7 Atmosphären aufweisen, um ein Sofortlicht von 1 500 Lumen abzugeben, was für eine Frontlampe eines Kraftfahrzeuges wünschenswert ist.
Für die Xenon-Metallhalogenid-Lampen nach der vorliegenden Erfindung wird dieser relativ hohe Druck noch weiter angehoben. Unter der Annahme einer Xenon-Quecksilber-Halogenid- Lampe wird der Spannungsabfall der Lampe, typisch etwa ein Wert von 40 V, in erster Linie bestimmt durch den Quecksilber-Arbeitsdruck, der für eine relativ kleine Abstandsdistanz von kleiner 4 mm zwischen den Elektroden bei Kfz-Anwendungen etwa 15 Atmosphären beträgt. Die hohe durchschnittliche Gastemperatur der Lampe im Betrieb erhöht oder addiert sich noch zu dem Xenon-Druck innerhalb der Xenon- Metallhalogenid-Lampe, so daß sich ein insgesamter Arbeitsdruck von etwa Atmosphären ergibt, der addiert zu den 15 Atmosphären des Quecksilber-Arbeitsdrucks zu starken Konvektionsproblemen bei den in horizontaler Lage brennenden Lampen führt, wie sie im allgemeinen in Kfz-Anwendungen zum Einsatz kommen. In dem Maße, wie der Xenon-Gasdruck zunimmt, nimmt die Geschwindigkeit der Aufwärts-Konvektion der heißen Gase zu, die zu der Biegung des Lichtbogens innerhalb der Bogenröhre beitragen, und die Temperatur der Birne oberhalb des Lichtbogens erhöht sich. Die Auswirkung einer solchen Zunahme soll mit Hinblick auf Fig. 2 diskutiert werden.
Fig. 2 weist eine x-Koordinate auf, die den Xenon-Druck innerhalb der Lampe in Atmosphären darstellt, sowie eine y- Koordinate, die die Heißfleck-Temperatur der Xenon-Metallhalogenid-Lampe in ºC angibt. Fig. 2 stellt ferner zwei gerade Linienzüge 12 bzw. 14 dar, welche den Betrieb einer Xenon-Metallhalogenid-Lampe mittels einer Rechteck-Ballastschaltung bei 60 Hz in einer in der GB-A-2 216 350 beschriebenen Weise wiedergeben, bzw. den Betrieb der Xenon- Metallhalogenid-Lampe über eine Hochfrequenz-Betriebsschalzung entsprechend der vorliegenden und nachfolgend zu beschreibenden Erfindung.
Aus der Kurve 12 von Fig. 2 ist ersichtlich, daß eine Heißfleck-Temperatur von etwa 1 000 ºC bei einem Xenon-Druck oberhalb etwa 2 Atmosphären überschritten wird, während die Heißfleck-Temperatur bei einem Bogen-begradigendem Betrieb bei Hochf requenz entsprechend der Kurve 14 bei dem gewünschten Xenon-Druck nicht die 1 000 ºC überschreitet. Der Betrieb einer Xenon-Metallhalogenid-Lampe oberhalb dieses 1 000 ºC-Zustandes bewirkt, daß das Quarzmaterial, das gewöhnlich in der entsprechenden Entladungsröhre enthalten ist, relativ schnell entartet. Der Betrieb einer Entladungsröhre bei einer Temperatur von weniger als 1 000 ºC soll weiter im Hinblick auf Fig. 3 diskutiert werden.
Fig. 3 zeigt den auf akustischem Wege Bogen-begradigten Betrieb nach der vorliegenden Erfindung einer 6 x 8,5 mm großen Entladungsröhre in Form eines gestreckten Rotationsellipsoids mit einem 3,4 mm betragenden Abstand zwischen den Elektroden sowie mit 10,3 Atmosphären Xe. Fig. 3 weist eine x-Koordinate mit der Wandbelastung (wall loading) in W/cm auf und gibt einen Hinweis auf die Entladungsleistung pro Flächeneinheit der Entladungsröhrenwandung der Lampe. Fig. 3 weist eine erste bzw. eine zweite y-Koordinate auf, welche die Heißfleck-Temperatur der Lampe in ºC sowie die Wirksamkeit oder Lumen pro Watt (LPW) bezogen auf die Xe non-Metallhalogenid-Lampe darstellen. Fig. 3 illustriert weiter eine erste Kurve 16 mit der Darstellung der Wirksamkeit gegenüber der Wandbelastung der Entladungsröhre sowie eine zweite Kurve 18 mit der Darstellung der Heißfleck-Temperatur gegenüber der Wandbelastung der Entladungsröhre.
Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die vorliegende Erfindung einen Betrieb der Entladungsröhre bei erhöhter Wandbelastung (Kurve 18) bietet, während die Heißfleck-Temperaturen kleiner als ungefähr 1 000 ºC gehalten werden, woraus sich eine zunehmende Wirksamkeit (Kurve 18) beim Betrieb der Entladungsröhre ergibt. Aus Fig. 3 ist beispielsweise zu ersehen, daß die Entladungsröhre bei 20 W/cm betrieben werden kann, was eine Wirksamkeit von 70 LPW ergibt, wobei das Ganze bei weniger als 1 000 ºC Heißfleck-Temperatur erfolgt.
Die Anwendung der vorliegenden Erfindung in einer besonderen Ausführungsform soll mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 sowie ebenfalls mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben werden. Aus Fig. 2 kann ersehen werden, daß bei einem Betrieb der Xenon-Metallhalogenid-Lampe bei hoher Frequenz entsprechend der Kurve 14 in einer Weise und mittels einer noch zu beschreibenden Schaltungsanordnung der Xenon-Gasfülldruck, der für die Erzeugung von 1 500 Lumen augenblicklichen Lichtes innerhalb der Xenon-Metallhalogenid-Lampe erforderlich ist, in eine Heißfleck-Temperatur unterhalb des kritischen Wertes von 1 000 ºC resultieren würde. Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Wandbelastung von 20 W/cm, was hinweist auf eine Xenon-Metallhalogenid-Lampe mit einer Wirksamkeit von ungefähr 70 LPW, erhalten wird, während die Heißfleck-Temperatur immer noch unterhalb des kritischen Wertes von 1 000 ºC gehalten wird. Aus Fig. 1 ist ersicht lich, daß ein Xenon-Fülldruck von 7 Atmosphären eine sofort verfügbare Lichtausbeute von mindestens 1 500 Lumen ergibt, welcher Betrag besonders geeignet ist für Anwendungen in Kraftfahrzeugen oder Fahrzeugen und die betreffenden Anforderungen mehr als erfüllt.

Bevorzugtes Verfahren zum Betrieb von Hochdruck-Xenon-Metallhalogenid-Lampen

Das bevorzugte Verfahren zum Betrieb einer Hochdruck-Xenon- Metallhalogenid-Lampe mit einem ausreichend hohen Xenon- Druck zur Erzeugung von sofort verfügbarem Licht für Kfz- Anwendungen enthält die Schritte des Zuführens eines besonderen Anregungssignals und weiterhin der Auswahl der Parameter für solch ein Signal. Die Gasentladungsröhre weist einen Mantel mit einem kolbenförmigen Bereich mit einem Volumen zwischen ungefähr 0,05 bis ungefähr 1,0 Kubikzentimeter auf. In ihrem kolbenförmigen Bereich kann die Lampe eine Füllung aus Xenongas mit einem Kaltdruck im Bereich von etwa 2 bis etwa 15 Atmosphären aufweisen, ferner Quecksilber mit einem Arbeitsdruck im Bereich von etwa 5 bis etwa 20 Atmosphären und mit einem Halogenid-Gemisch mit einem Betrag im Bereich von etwa 1 bis etwa 5 mg. Weiter enthält die Lampe ein Paar Elektroden, die jeweils an entgegengesetzten Enden des Kolbens angeordnet und voneinander durch eine Distanz von etwa 1,5 bis etwa 5 mm beabstandet sind. Den Elektroden wird ein ausreichender Strom zur Einleitung eines Punktmodus-Betriebs (spot mode operation) zugeführt, da ein Starten im Glimmodus (glow mode starting) bei dem hohen Xenon-Fülldruck nach der vorliegenden Erfindung schwierig ist. Die Strombedingungen für den Punktmodus-Betrieb zusammen mit einer allgemeinen Behandlung des Startens im Glimmodus sind im US-Patent 4 574 219 von Davenport et al vom 4. Mai 1986 erörtert.
Das Anregungssignal kann eine etwa sinusförmige, dreieckförmige, sägezahnartige oder exponentielle Kurvenform oder irgendeine zusammengesetzte Kurvenform aufweisen, deren augenblickliche an die Lampe abgegebene Leistung zeitlich variierend bei einer Frequenz im Bereich von 20 kHz bis 80 kHz ist. Das einfachste oder repräsentative Beispiel einer solchen Kurvenform ist eine sinusförmige Kurvenform, bei der das Signal V(t) dargestellt werden kann als:
V(t) = Vm sin[2*pi*CF*t + (DF/f)*sin(2*pi*f*t)] (1)
wobei Vm die Spitzenspannung ist;
CF ist die Trägerfrequenz;
DF ist die maximale Frequenzabweichung von der Trägerfrequenz und
f ist die Modulationsfrequenz.
Das Anregungssignal einer dreieckförmigen, sägezahnförmigen, exponentiellen oder zusammengesetzten Wellenform wird in ähnlicher Weise dargestellt als Funktion von CF, DF und f mit derselben Interpretation für jede Variable, die augenblickliche Spannung ändert sich jedoch in jeder betreffenden Situation linear oder in einer schrittförmigen Weise oder exponentiell oder in einer zusammengesetzten Weise.
Die Hochdruck-Xenon-Metallhalogenid-Lampe kann auf verschiedene Weisen entsprechend der vorliegenden Erfindung betrieben werden, und zwar bezogen auf die Auswahl der Parameter des Anregungssignals nach der Gleichung (1). Für das in der Gleichung (1) gegebene Signal kann die Größe f vorzugsweise im Bereich von etwa 0,01 x CF bis etwa 0,05 x CF liegen. In gleicher Weise kann die Größe DF einen Wert im Bereich von etwa 0,07 x CF bis etwa 0,20 x CF aufweisen. Weiter kann die Größe CF einen Wert im Bereich von etwa 20 kHz bis etwa 80 kHz haben. Falls gewünscht, kann die Xenon- Metallhalogenid-Lampe ohne Frequenzmodulation betrieben werden, indem man f und DF mit einem Wert von Null (0) und CF mit einem Wert im Bereich von etwa 20 kHz bis etwa 80 kHz wählt. Die verschiedenen Verfahren im Hinblick auf die vorliegende Erfindung sollen mit Bezug auf Fig. 4 näher beschrieben werden.
Fig. 4 weist eine x-Koordinate in kHz auf und gibt die Trägerfrequenz (CF) des Anregungssignals nach der Gleichung (1) an, das an die Hochdruck-Xenon-Metallhalogenid-Lampe angelegt ist. Fig. 4 ist in die (Einzel-)Figuren 4a bzw. 4b aufgeteilt, die einerseits einen Hochfrequenzbetrieb 20 mit Frequenzmodulation darstellen, d.h. die Größe DF der Gleichung (1) weist einen Wert in dem gewünschten vorher angegebenen Bereich auf, sowie andererseits einen Hochfrequenzbetrieb 22 veranschaulichen ohne Frequenzmodulation (DF = 0), wobei beide Betriebsweisen sich auf die Hochdruck-Xenon-Metallhalogenid-Lampe beziehen. Der Hochfrequenzbetrieb mit Frequenzmodulation ist aufgeteilt in Bereiche 20A, 20B und 20C, die repräsentativ sind für die Frequenzen des Anregungssignals nach Gleichung (1), für die der Lichtbogen der Xenon-Halogenid-Lampe instabil ist. Die Bereiche 20A, 20B und 20C repräsentieren die nicht stabilen Lichtbogenzustände des Flackerns und Sich-Verbiegens. Der Hochfrequenzbetrieb 22 ohne Modulation ist aufgeteilt in Bereiche 22A, 22B, 22C, 22D, 22E, 22F und 22G, die auf die Frequenzen für den instabilen Betrieb des Lichtbogens in der Xenon-Metallhalogenid-Lampe hinweisen. Die Bereiche 22A - 22F deuten auf Instabilitäten hin, die ein Auslöschen, Flackern oder Verbiegen des Lichtbogens verursachen. Die nicht von den Bereichen 20A - 20F umfaßten Frequenzen repräsentieren Frequenzbänder oder Fenster, bei denen der Lichtbogen in gerader und stabiler Weise auftritt.
Ein Vergleich zwischen den Figuren 4a und 4b ergibt, daß der Hochfrequnezbetrieb 20 mit Modulation nach Fig. 4a ein relativ großes Fenster für die Lichtbogenstabilität bietet, was durch den Abstand zwischen den Bereichen 20A und 20B für den stabilen Arbeitsbereich der Lampe repräsentiert wird, während Fig. 4b eine Vielzahl von Frequenzfenstern zeigt, wobei aber keines eine Breite wie das Fenster bei 20 aufweist.
Im Hinblick auf Fig. 4a haben wir gefunden, daß der Hochfrequenzbetrieb 20 der Xenon-Metallhalogenid-Lampe zu einer ausgeprägten Reduktion der durch Gravitation hervorgerufenen Konvektion führt, die normalerweise bei solchen Xenon- Metallhalogenid-Lampen mit einem Xenon-Fülldruck über zwei (2) Atmosphären hinaus angetroffen wird. Das Betriebsverhalten der Xenon-Metallhalogenid-Lampe von Fig. 4a unterscheidet sich erheblich von einer Metall-Halogenid-Lampe, die mit der Schaltung nach dem früher erwähnten US-Patent 4 170 746 betrieben wird. Der Effekt der in Fig. 4a gezeigten Betriebsweise liegt darin, die Xenon-Metallhalogenid-Lampe akustisch in einer solchen Weise zu betreiben, daß die oberen Wandtemperaturen der entsprechenden Lampen um etwa 200 ºC vermindert werden, und die Wirksamkeit (Effizienz) bei einem vorher mit Bezug auf Fig. 2 diskutierten 60 Hz Betrieb verdoppelt wird, während gleichzeitig die durch Gravitation hervorgerufene Konvektion wesentlich und sogar bis zu dem Punkt von Bogen-begradigenden Zuständen reduziert ist. Die Bogenbegradigung wird in erster Linie erzielt durch die Dominanz der akustischen Bewegung des Xenons und des Quecksilbers über die vertikale Konvektion, die ansonsten den Lichtbogen zwischen den Elektroden in einer aufwärts gerichteten Weise biegen würde. Das Frequenzfenster für den stabilen geraden Lichtbogen beim Betrieb 20 ent spricht dem Auftreten von akustischen Schwankungen des Gases, die den Lichtbogen symmetrisch zur Mitte der Lichtbogenröhre hin zwingen, anstatt asymmetrisch hin zur Wandung der Bogenröhre. Das breiteste stabile Band (SB) für einen Betrieb ohne Frequenzmodulation entsprechend Fig. 4(b) zwischen den Instabilitäten beträgt etwa 5 kHz oder etwa 10 % der Trägerfrequenz (CF) der Gleichung (1). Nach Fig. 4(a) bei Frequenzmodulation kann das stabile Betriebsband entsprechend dem Abstand zwischen den Bereichen 20A und 20B einen Wert SB/CF von zwischen 30 % bis 40 % aufweisen. Die akustische Betriebsweise einer Xenon-Metallhalogenid-Lampe mit Zuführung eines frequenzmodulierten Signals und durch den mit 20 gekennzeichneten Betrieb in Fig. 4(a) dargestellt, soll unter Bezugnahme auf Fig. 5 näher beschrieben werden.
Fig. 5 ist aufgeteilt in die Figuren 5(a), 5(b) bzw. 5(c), die darstellen: (a) die in Gleichung (1) angegebene unmodulierte Trägerfrequenz CF als ein sinusförmiges Signal, das jedoch aus Gründen der Vereinfachung als dreieckförmige Kurve dargestellt ist, (b) das ebenfalls in Gleichung (1) angegebene Modulationssignal mit der Frequenz f und (c) das frequenzmodulierte Signal entsprechend dem Ausdruck V(t) der Gleichung 1. Die Perioden des unmodulierten Trägers CF und des Modulationssignals f sind in den Figuren 5(a), 5(b) und 5(c) als 1/CF und 1/f dargestellt. Fig. 5(c) zeigt weiterhin die Wellenform bei ihrem Durchgang durch das Maximum (CF + DF), die Mitte (CF) sowie durch das Minimum (CF - DF) der resultierenden Frequenz.
Ein bevorzugtes Verfahren nach der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Anregungssignal wie in Gleichung (1) mit einer sinusförmigen, dreieckförmigen, sägezahnartigen oder zusammengesetzten Wellenform auszuwählen und sodann weiter einen bevorzugten Bereich für DF und für f zu wählen, so daß der Lichtbogen der Xenon-Metallhalogenid-Lampe relativ gerade wird. Der bevorzugte Bereich der Größe DF ist in dem nachfolgend gegebenen Ausdruck (2) angegeben, während der bevorzugte Bereich für die Größe f in dem nachfolgenden Ausdruck (3) angegeben ist:
0,07 < DF/CF < 0,20 (2)
0,01 < f/CF < 0,05 (3)
Der Hochfrequenz-Modulationsbetrieb 20, insbesondere eine Frequenz f von 0,7 kHz und eine Größe DF von 4,2 kHz, wurden verwendet zum Betrieb einer Bogenröhre in Form eines gestreckten Rotationsellipsoids mit einem kleineren Innendurchmesser von 5,8 mm und einem größeren Innendurchmesser von 10,0 mm. Der Betrieb resultierte in einem geraden stabilen Lichtbogen über einer Trägerfrequenz CF im Bereich von 32 kHz bis 48 kHz.
Der Frequenz-Modulationsbetrieb 20 der vorliegenden Betriebsweise soll weiter mit Hinblick auf Fig. 6 beschrieben werden, in der das Frequenzspektrum eines Anregungssignals nach dem Ausdruck (1) dargestellt ist, welches Signal an die Hochdruck-Xenon-Metallhalogenid-Lampe angelegt werden kann. Fig. 6 mit einer x-Achse für die Frequenz und einer y-Achse für den Logarithmus der Leistung zeigt die akustische Leistung in ihrer Verteilung über viele diskrete Frequenzen F über einen Bereich von (CF - DF) < F < (CF + DF). Die diskreten Frequenzkomponenten weisen voneinander einen Abstand f auf und die halbe Breite bei den Punkten des halben Maximums (3dB) des Spektrums gleichen in etwa DF, wenn DF/f viel größer als 1 ist. Wenn die meiste Leistung bei stabilen Frequenzen an die Lampe abgegeben wird, wie in Fig. 4(a) gezeigt ist, dann werden Instabilitäten des Lichtbogens vermieden. Um die akustische Leistung signifikant zu verbreitern, sollte die Breite 2 x DF des Frequenzspektrums die Breite des instabilen Frequenzbandes (typisch mit einem Wert von wenigen kHz) überschreiten, sie darf jedoch nicht die Breite des Bereichs übersteigen, in dem ein gerader stabiler Betrieb vorgefunden wird (typisch 10 bis 20 kHz breit). Darüber hinaus gilt, daß, wenn das Frequenzmodulationssignal f zu groß ist, dann dort zu wenige Frequenzkomponenten und eine zu große Leistung in jeder (potentiell instabilen) Komponente vorhanden sein werden. Je kleiner der Wert von f ist, desto größer ist die Anzahl der Frequenzkomponenten, die akustische Leistung liefern, und desto weniger wahrscheinlich ist es, daß eine Instabilität angeregt wird. Der bevorzugte Wert für f liegt in dem im Ausdruck (3) angegebenen Bereich. Die Auswahl der unteren Grenze von f soll weiter mit Hinblick auf Fig. 5 diskutiert werden.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 5(b) und 5(c) und mit der Annahme einer Frequenz F entsprechend dem Anregungssignal nach dem Ausdruck (1), ist ersichtlich (Fig. 5(c)), daß die angelegte Frequenz F von (CF - DF) zu (CF + DF) innerhalb einer Zeitdauer von ein halb 1/f (Fig. 5(b)) wechselt. Wenn die angelegte Frequenz F von einem stabilen Frequenzband (vgl. Fig. 4(a) zwischen 20A und 20B) ein unstabiles Band der Breite UB überstreicht, wird die Instabilität für eine Zeit T = UB/4f x DF angeregt. Unter "Anregen der Instabilität" ist zu verstehen, daß eine unerwünschte Bewegung, z.B. entweder eine Verbiegung oder ein Flackern, erzeugt oder "eingeschaltet" wird und über eine Zeit T größer werden kann. Damit die Instabilität zu einer entsprechenden Amplitude zur Erzeugung einer unerwünschten Betriebsbedingung anwachsen kann, z.B. zu einem gebogenen, flackernden oder ausgelöschten Lichtbogen, muß die Lampe über viele Schwingungsperioden (der Länge 1/F) derart angeregt werden, daß F x T viel größer als 10 wird. Typischerweise weist UB einen Wert von etwa 2 kHz auf, F einen Wert von ungefähr 0,7 kHz, DF einen Wert von etwa 4,2 Hz und einen Wert von ungefähr 40 kHz, so daß die Größe F x T ungefähr 6 beträgt. Aufgrund der relativen Geschwindigkeit, mit der F durch das instabile Band verläuft, kann die Instabilität lediglich für ungefähr sechs Schwingungen anwachsen, bei diesem Beispiel für die vorher gegebenen Werte von UB, f, DF und F, und die Amplitude der Instabilität bleibt unwahrnehmbar. Aus unserer Untersuchung geht hervor, daß, wenn die Veränderungsgeschwindigkeit (sweep rate), d.h. die Größe f x DF zu klein wird, die Frequenz für eine zu lange Zeiz in den instabilen Bändern (vgl. Fig. 4(a), 20A, 20B und 20C) verweilen kann. Daher gibt es eine untere Grenze für f von einigen hundert Hertz. Wie wir weiterhin experimentell beobachtet haben, sind dreieckförmige oder sägezahnförmige Kurvenformen für die Frequenzmodulation bei der Frequenz f der sinusförmigen Kurvenform vorzuziehen, da dann die Frequenz der dreieckfirmigen und sägezahnförmigen Kurvenformen nicht bei den maximalen und minimalen Frequenzen entsprechend (CF + DF) und (CF - DF) von Fig. 5(c) liegen, was andererseits Wachstumszeiten bei potentiell instabilen Frequenzen zulassen würde.
Alle Frequenzen (CF, DF und f) verhalten sich dabei maßstäblich in einem umgekehrten Verhältnis zu den linearen Abmessungen der Bogenröhre, die als Xenon-Metallhalogenid Lampe dient, wobei höhere Frequenzen für kleine Bogenröhren erforderlich sind und umgekehrt, das breite stabile Band (SB/CF ungefähr 30 % bis 50 %) wird jedoch für Miniatur-Xenon-Metallhalogenid-Lampen erhalten mit Bogenröhren mit einer Volumenkapazität von weniger als 0,3 Kubikzentimetern und mit allen untersuchten geometrischen Formtypen einschließlich Kugeln, gestreckten Rotationsellipsoiden und Zylindern.
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist schematisch in den Figuren 7, 8, 9 und 10 dargestellt für eine Schaltung zum Betrieb einer Gasentladung 60, die von einer in erster Linie in Fig. 7 dargestellten Starterschaltung eingeleitet wird. Die Figuren 7, 8, 9 und 10 sind aus verschiedenen Komponenten mit jeweils einem in der Tabelle 1 angegebenen typischen Wert oder Typ zusammengesetzt. Tabelle 1 Bezeichnung Beschreibung Hersteller Diode mit schneller Erholzeit Hochgeschwindigkeitsschalter Vergleicher Operationsverstärker Flipflop Dual cmos Zeitglied Analogschalter Impulsbreitenmodulator MOTOROLA UNITRODE DIODES INC. INTERSIL N-Kanal HEXFET Transistor Zener-Diode Potentiometer MOTOROLA BOURNS Potentiometer Elektrolyt-Kondensator Scheiben-Kondensator Kondensator BOURNS SPRAGUE PANASONIC SFE TECHNOLOGIES nicht keramisch Kondensator SFE TECHNOLOGIES Widerstand Kohlenstoffschicht Ohm Widerstand Kohlenstoffschicht Ohm Widerstand Kohlenstoffschicht Transformator/Drossel Windungen Viererwicklung. 60 µH pro Windung Stift kleine Spule grün gelb rot Alle Stifte auf 0,2 Zoll Raster außer 1-2 auf 0,15 Zoll Raster Impulstransformator Stromtransformator Toggle-Schalter PULSE ENGINEER INC. SIGNAL TRANSFORMER MCGILL Ohm Potentiometer Zener-Diode und Dioden Vergleicher
Die in den Figuren 7, 8, 9 und 10 gezeigten Schaltungsanordnungen erzeugen allgemein eine frequenzmodulierte Hochfrequenzspannung zum Betreiben der vorher beschriebenen Xenon-Metallhalogenid-Lampe 60. Die Schaltungsanordnungen der Figuren 7 bis 10 beziehen sich auf die Versorgung der Lampe 60 mit einer zusammengesetzten Wellenform, die ähnlich zu einer sinusförmigen oder dreieckförmigen Wellenform ist und beschrieben werden kann als eine etwa exponentielle Form aufweisend. Die Frequenz liegt im Bereich von 10 kHz bis 200 kHz. Die Frequenzmodulation (DF/CF) beträgt etwa 10 % und die Modulationsrate ist derart, daß sie es der Frequenz erlaubt, in dem vorher diskutierten stabilen Band zu bleiben. Die Wellenform ist weiter charakterisiert dadurch, daß sie einen stabilen Betrieb erzielt, indem sie kontinuier lich ist, keine nennenswerten Zeiten bei einer Null-Leistung aufweist und bei der der Scheitelfaktor (Verhältnis von Spitzen- zu Effektivwert, PEAK/RMS) weniger als 2:1 beträgt. Die Schaltungsanordnungen der Figuren 7, 8, 9 und 10 liefern genügend Spannung und Strom, um augenblicklich, selbst im heißen Zustand, die Lampe 60 zu zünden (break down) und in einen Zustand mit dauerhaftem Lichtbogen zu überführen.
Für eine Ausführungsform ist die Betriebsschaltung der Figuren 7 bis 10 zum Anschluß an eine Quelle mit Wechselstromanregung 52 ausgelegt, die typisch einen Wert von 120 V bei einer Frequenz von 60 Hz aufweist. Für eine andere Ausführungsform kann die Betriebsschaltung direkt mit einer Gleichstromquelle verbunden werden, wodurch die Notwendigkeit der zugehörigen Gleichrichterkomponenten entfällt.
Die Schaltungsanordnungen der Figuren 7 bis 10 bilden einen Ballast (Vorschaltanordnung) für die Lampe 60, der nach einer Ausführungsform einen zwei-stufigen Leistungskonverter umfaßt. Die Eingangsstufe in der Ballastschaltung ist ein Gleichstrom-Gleichstrom Booster-Konverter, während die Ausgangsstufe ein Gleichstrom-Wechselstrom-Inverter ist. Der eingangsseitige Booster-Konverter wird gesteuert, während der Ausgangsinverter ungesteuert ist. Die Lampenspannung und der Strom werden auf den eingangsseitigen Booster-Konverter rückgeführt, um die Lampenleistung zu regeln. Der Ausgangsinverter ist frequenzmoduliert. Der in der Lampe 60 fließende Strom wird über eine lineare Ballast-Drossel auf einer augenblicklichen Basis begrenzt, während die durchschnittliche Leistung von einer gesteuerten Gleichstrom- Verbindungsspannung (link voltage) geregelt wird.
Die Hauptkomponenten des eingangsseitigen Booster-Konverters sind in Tabelle 2 angegeben und werden miteinander in der in den zugehörigen Figuren gezeigten Weise miteinander verbunden, wobei die Figuren in der Tabelle 2 ebenfalls mit angegeben sind. Tabelle 2 - Eingangskonverter Hauptkomponenten Zugehörige Figur Transformatoren T1 und T5 Transistor Diode PWM-Steuerung
Die Komponenten der Tabelle 2 und ihre in Fig. 7 und 8 angegebene zugehörige Verschaltung umfassen einen stromgesteuerten Gleichstrom-Gleichstrom Booster-Konverter mit einer Drosselspule mit Anzapfungen. Für Anwendungen in Fahrzeugen ist der Eingangskonverter derart gesteuert, daß die Gasentladungslampe 60 augenblicklich Licht bereitstellt. Eine unmittelbare Lichtbereitstellung wird dadurch erreicht, daß der Eingangskonverter eine relativ hohe Wattzahl (Spannung x Strom) beim Einschalten in einer rampenförmigen Weise an die Lampe 60 liefert und die Leistung dann in dem Maße absenkt, wie sich die Lampe aufwärmt. Das Einschalten der Lampe bei relativ niedriger Impedanz erfolgt, nachdem die Lampe in einer noch zu beschreibenden Weise gestartet wird, während die Aufwärmphase der Lampe auftritt, nachdem die Lampe für eine ausreichende Zeitdauer eingeschaltet ist, so daß sie einen relativ hohen Impedanzwert annehmen kann.
Die in Fig. 10 gezeigte Timerschaltung liefert mittels der Widerstände R22 und R23 einen rampenförmigen Strom in den Summenknoten (Stift 2) des PWM-Fehlerverstärkers U10. Dieser rampenförmige Strom ist eine Komponente des Referenzsignals, das Teil des Rückführungs-Steuerungssystems für die Regelung der Lampenleistung ist. Im Betrieb werden skalierte Werte für den Lampenstrom und die Spannung miteinander multipliziert und in den oben erwähnten Summierknoten eingespeist. Ein Gegenkopplungs-Steuersystem arbeitet im Sinne einer Ausbalancierung des skalierten Lampenspan nungs/Strom-Produkts, wobei die Referenzrampe von der Anordnung in Fig. 10 erzeugt wird. Nach dem Aufwärmvorgang der Lampe 60 bleibt die Referenz für den PWR-Fehlerverstärker konstant, um so eine konstante Arbeits- oder Betriebsspannung in der Lampe aufrecht zu erhalten. Eine Wicklung (T2-D) im Transformator T2 liefert den Wert der Lampenspannung, und der Stromwandler T3 liefert eine skalierte Entsprechung des Lampenstromes. Diese beiden Signale werden unter Verwendung der Schaltungskomponenten Q6, U3, U6-A, U9 und ihre zugehörigen in Fig. 8 gezeigten Komponenten miteinander multipliziert.
Der Timer von Fig. 10, der das Referenzsignal an die Leistungsregelschleife von Fig. 8 mit rampenförmigen Eigenschaften liefert, weist bezüglich der vorliegenden Erfindung zwei wichtige Charakteristiken auf:
1) Die ausgangseitige Stromrampe weist ein Verzögerungsmerkmal auf. D.h. die Rampenfunktion setzt ein nach einer anfänglichen Zeit, in der der Timer-Ausgang sich in einem Pegelzustand (level condition) befindet. Dieses Ver zögerungsmerkmal verbessert die augenblickliche Lichtleistung der Lampe 60 insbesondere, wenn die an die Ballastschaltung der Figuren 7 bis 10 angeschlossene Wechselstromquelle eine Unterbrechung erfährt;
2) die Kondensatoren C41 und C42, die die Verzögerungszeit sowie die Rampengeschwindigkeit bestimmen, entladen sich relativ langsam, nachdem alle Energie vom Schaltkreis entfernt ist. Wird die Energie abgeschaltet und dann unmittelbar wieder angelegt, bleiben die Kondensatorspannungen in den meisten Fällen unverändert. Dieses Merkmal vermeidet den "Lichtimpuls", der anderenfalls auftreten würde. Das langsame Entladen der Kondensatoren in der Timerschaltung wird in erster Linie erreicht durch die Stromanordnung der vorliegenden Erfindung, die vorzugsweise integrierte Schaltkreise mit isoliertem Gate benutzt, welche nicht die üblichen Substratdioden an ihren Eingängen aufweisen.
Die Hauptkomponenten des Ausgangskonverters sind in Tabelle 3 angegeben und werden miteinander in der in den zugehörigen Figuren gezeigten Weise verbunden, welche Figuren ebenfalls in Tabelle 3 mit angegeben sind. Tabelle 3 - Ausgangsinverter Hauptkomponenten Zugehörige Figur Transistoren Q2 und Q3 Treiber-Logik ICs und
Der Ausgangsinverter enthält das Frequenz-Modulationsmerkmal der vorliegenden Erfindung mit einer Trägerfrequenz, die etwa 55 kHz betragen kann und vom Timer U8 in Fig. 9 erzeugt wird. Der Timer U8 weist an seinem Eingang 3 eine Modulationsfrequenz von ungefähr 700 Hz auf, die vom Timer U7 in Fig. 9 erzeugt wird. Der Timer U8 besitzt ferner einen Schalter S1, der zusammen mit einem an seinem Eingangsstift 7 angeschlossenen Widerstand 150 bewirkt, daß ein schrittförmiger Wechsel der Trägerfrequenz erfolgt, der insbesondere für Anwendungen bei der Frontbeleuchtung von Kraftfahrzeugen geeignet ist.
Die vorliegende Ausführungsform liefert die Möglichkeit, verschiedene Formen oder Bedingungen für den Lichtbogen zwischen den Elektroden der Xenon-Metallhalogenid-Lampe zu erzeugen, um für verschiedene Anwendungen eine konzentrierte Lichtquelle zu bilden. Die Möglichkeit wird durch einen Schalter (S1) bereitgestellt, der die Position des Lichtbogens der Lampe 60 umschaltet von einem gebogenen oder leicht gebogenen Lichtbogen hin zu einem im wesentlichen perfekt geraden Lichtbogen. Dies läßt sich auf der anderen Seite dazu benutzen, das von einem Reflektor einer Frontlampe, in der die Lampe 60 untergebracht ist, ausge sandte Lichtbündelmuster umzuschalten von einer ersten oder Abblendbeleuchtung zu einer zweiten oder Aufblendbeleuchtung, indem man lediglich die Trägerfrequenz der Anordnung in Fig. 9 um einen bestimmten Betrag ändert, z.B. von 45 kHz auf 55 kHz. Andere geeignete Frequenzverschiebungen, ]e nach den Abmessungen und stabilen (Frequenz-)Fenstern, wie oben diskutiert, können ebenfalls für die Lampe 60 verwendet werden. Für eine Ausführungsform bewirkt die Frequenzverschiebung, daß der Lichtbogen innerhalb der Lampe sich von einem geraden Zustand zu einem gebogenen oder geneigten Zustand ändert und dabei die primäre mit dem Lichtbogen verbundene Lichtkonzentration von einer ersten Position innerhalb des Reflektors, entsprechend dem mit dem Aufblendlicht verbundenen Punkt, zu einer zweiten Position innerhalb des Reflektors bewegt, die dem Brennpunkt bezogen auf die Abblendbeleuchtung entspricht bzw. umgekehrt.
Dieser Ansatz zur Verschiebung der Position des Lichtbogens ist einer magnetischen Ablenkung des Lichtbogens aus mindestens zwei Gründen vorzuziehen: a) eine magnetische Ablenkung kann zusätzliche Schaltkreise und Hardware erfordern und b) ein akustischer Betrieb, selbst in der geringfügig gebogenen Konfiguration des Lichtbogens, arbeitet immer noch bei einer reduzierten Heißfleck-Temperatur, wie vorher besprochen worden ist.
Dieser Ansatz zur Erzielung der Biegung wird weiterhin durch eine Anpassung der Kurvenform derart erreicht, daß sie die richtige Mischung von einem Biege-Modus (akustische Grundfrequenz) und einem begradigenden Modus (erste gerade Harmonische) aufweist. Dies erlaubt, den Lichtbogen zu begradigen, zu biegen oder irgendeinen Zwischenzustand davon, um eine große Breite von Anwendungen zu haben.
Die für die anfängliche Zündung (break down) sowie für die heiße Wiederzündung (hot restrike) des Lichtbogens erforderliche relativ hohe Spannung wird erzeugt von der Schaltungsanordnung in Fig. 7; diese verwendet ein Funkenstrecken-Bauelement und enthält einen fünf-stufigen Dioden-Kondensator-Spannungsvervielfacher zusammen mit einer Aufwärtsspule, die die Leerlauf-Ausgangsspannung des Inverters benutzt. Die Komponenten der Zündschaltung sind D14 bis D18, C8 bis C12 und die Aufwärtsspule ist L2.
Die Ballastschaltung in den Figuren 7 bis 10 entwickelt ein erstes Signal, das als unmoduliertes Signal (vgl. Fig. 5A) dient und eine wählbare Trägerfrequenz (CF) aufweist. Die Schaltung entwickelt ferner ein zweites Signal, das als ein Modulationssignal (vgl. Fig. 5B) dient. Weiter entwickelt die Schaltung nach den Figuren 7 bis 10 durch eine Kombination der ersten und zweiten Signale das Anregungssignal entsprechend dem Ausdruck (1), das an die Gasentladungs lampe 60 angelegt wird. Die Ballastschaltung der Figuren 7 bis 10 entwickelt das Anregungssignal nach dem Ausdruck (1) innerhalb seiner vorher diskutierten Parameterbereiche durch entsprechende Auswahl der zugehörigen Schaltungskomponenten.
Es sollte damit nun erkennbar sein, daß wir gezeigt haben, wie die vorliegende Erfindung in Schaltungsanordnungen praktiziert werden kann, um die Anregung für die Hochdruck- Xenon-Metallhalogenid-Lampe bereitzustellen. Die Schaltungsanordnungen erlauben den Einsatz von Xenongas mit einem hohem Druck innerhalb der Xenon-Metallhalogenid-Lampe, um damit einen hohen Pegel von augenblicklich verfügbarem Licht zu liefern, was insbesondere für Anwendungen in Kraftfahrzeugen und Fahrzeugen geeignet ist. Die Xenon-Metallhalogenid-Lampen arbeiten bei einem erheblich hoheren Druck (sowohl aufgrund des Xenons als auch des Quecksilbers) als bei normalen Metall-Halogenid-Lampen und mit erheblich höherer Wandbelastung als normalerweise benutzt. Zusätzlich sind für Anwendungen in einigen optischen Systemen sehr kurze Lichtbogenspalte, d.h. Elektrodenabstände, wünschenswert, die zur Erreichung vernünftiger Lampenspannungen einen noch höheren Quecksilber-Druck erfordern als Entladungslampen mit normalen Lichtbogenlängen. Eine Hochfrequenzanregung mit Frequenzmodulation wird vorgezogen, um die außerordentlich hohen Konvektionskräfte aufgrund der hohen Drucke zu überwinden. Dies resultiert in einer noch mehr annähernd isothermen Lampe, die wiederum wünschenswert ist, um Gebrauch von der sehr hohen Wandbelastung machen zu können, die ihrerseits die ausnehmend hohe Wirksamkeit mit sich bringt, die normalerweise mit kompakten Quecksilber- Metallhalogenid-Entladungslampen, die nicht Xenon enthalten und die im US-Patent 4 170 746 beschrieben sind, nicht möglich ist. Würde eine Xenon-Metallhalogenid-Lampe mit niederfrequenter Leistung betrieben, würde der Lichtbogen sich gegen die Wandung bewegen und es träte ein Ausbeulen der Bogenröhre auf, was in einem Fehler der Lampe resultieren würde. Daruber hinaus können durch eine Frequenzmodulation der hohen Frequenz die akustischen Frequenzfenster aufgeweitet werden, um ein praktisches Design der Xenon-Metallhalogenid-Lampe zu erleichtern. Der nach der vorliegenden Erfindung vorgesehene Xenon-Druck ist ausreichend hoch, damit augenblicklich adequates Licht für Anwendungen, wie z.B. die Front-Beleuchtung bei Kraftfahrzeugen, erzeugt wird. Die Form und Größe der Birne sowie die Frequenz und Frequenzmodulation werden in Kombination miteinander gewählt, um die für die bestimmte Anwendung erforderliche Lichtausbeute und Entladungsgröße zu erzielen, sowie ferner derart, daß mit dem begradigten Lichtbogen eine optimale Kolbentemperatur erzielt wird, so daß der gewünschte Betrag des Halogenids verdampft, und wobei gleichzeitig die maximale Kolbentemperatur niedrig genug gehalten wird, um die ausgelegte Lebensdauer zu erreichen.
Es sollte ferner ersichtlich sein, daß die vorliegende Erfindung zur Bereitstellung eines optischen Systems mit einer Hochdruck-Xenon-Metallhalogenid-Lampe sowie einer Ballastschaltung benutzt werden kann, bei der die Gegenwart eines geraden Lichtbogens und eine symmetrische Entladung resultiert aus der Überwindung der extremen Konvektionseffekte, die mit dem außerordentlich hohen Druck verbunden sind. Diese Effekte werden durch eine gesteuerte akustische Resonanz überwunden, die ein gleichförmiges Lichtfeld erzeugt, das in verschiedenen Typen von Projektions- und Bildgebungssystemen nützlich ist. In Frontlampen von Kraftfahrzeugen, auf die sich die vorliegende Erfindung hauptsächlich bezieht, in denen das Licht erzeugt wird durch eine Hochdruck-Xenon-Metallhalogenid-Lampe, die über einen frequenzmodulierten Hochfrequenzballastschaltkreis betrieben wird, resultiert die überlegene Leistungsfähigkeit aus dem augenblicklich verfügbaren Licht aufgrund des Vorhandenseins von Xenon unter hohem Druck. Die geringe Größe sowie die gestreckte Ausführung der Lichtquelle innerhalb der Optik der Frontlampe, die von der geringen Größe und dem stärker isothermen Charakter der Lampe herrühren, resultieren aus der Überwindung der sehr schnellen Konvektion aufgrund der akustischen Resonanz, die ihrerseits durch die Modulation der Hochfrequenz gesteuert wird sowie durch die Steuerung der Wellenformen entsprechend der bevorzugten Ausführung der Erfindung.
Darüber hinaus kann in einer Ausführungsform die Frequenz des Anregungssignals für die Xenon-Metallhalogenid-Lampe verschoben werden, um so einen Wechsel des Lichtbogens innerhalb der Lampe von einem gestreckten Zustand zu einem gebogenen oder gewölbten Zustand zu bewirken und dabei die primäre Lichtkonzentration des Lichtbogens von einer ersten zu einer zweiten Position zu verschieben.
Diese ersten und zweiten Positionen werden so gewählt, daß sie den Punkten für die zugehörige Aufblend- und Abblendbeleuchtung eines Fahrzeugs entsprechen.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben einer Miniatur-Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampe eines Typs, der enthält: einen Kolben, der einen Entladungsraum mit einem Volumen bildet, das etwa 1 Kubikzentimeter nicht überschreitet,

zwei Elektroden in dem Kolben, die einen Bogenspalt bilden, und eine Füllung, die Quecksilber, Metallhalogenide und Xenongas enthält,

gekennzeichnet durch:

Zuführen eines Stroms mit einer Wechselkomponente, die augenblickliche Änderungen in der Eingangsleistung über dem Elektrodenspalt bewirkt,

wobei die Leistungsänderungen bei einer Frequenz auftreten, die in einem bevorzugten Band innerhalb des Bereiches von 20 kHz bis 80 kHz gewählt ist,

wobei das Band ein solches ist, in dem akustische Resonanz Bogen-begradigende Moden anregt, die die Wirkungen der durch Gravitation hervorgerufenen Konvektion in der Füllung verkleinern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das bevorzugte Band ein solches ist, in dem akustische Resonanz eine Mode anregt, die durch Gravitation hervorgerufene Biegung des Lichtbogens verkleinert.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Strom mit einer Wellenform wechselt, die Zeitfluktuationen der Eingangsleistung bei der gewählten Frequenz sicherstellt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Wechselkomponente des Stroms durch die Lampe bei der gewählten Frequenz frequenzmoduliert wird, um die Breite des Frequenzbandes zu verbreitern, in dem ein gerader und stabiler Lichtbogen erhalten wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Wechselkomponente in der Frequenz zwischen zwei Bändern verschoben werden kann, wobei das eine Band ein Bogen begradigendes Band ist und das andere Band eine gewisse Bogenbiegung mit einer begleitenden räumlichen Verschiebung der Lichtkonzentration in der Lampe gestattet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Änderungen in der Leistung bei einer Frequenz F auftreten, die als eine Mittenfrequenz in dem bevorzugten Band gewählt ist,

die Mittenfrequenz F frequenzmoduliert wird, um die Breite des Bandes zu verbreitern,

wobei die Frequenzmodulation mit einer Frequenzabweichung DF bei einer modulierenden Frequenz f auftritt, wobei DF und f so gewählt werden, daß die Breite des Bandes maximiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Frequenzabweichung von 7 bis 20% der Mittenfrequenz F beträgt und die modulierende Frequenz von 1 bis 5% der Mittenfrequenz F beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Frequenzabweichung von 7 bis 20% der Mittenfrequenz F beträgt, die modulierende Frequenz von bis 5% der Mittenfrequenz F beträgt und die Kurvenform der Hüllkurve der modulierenden Frequenz abgeschrägt ist zu dreieckförmig oder sägezahnförmig anstatt sinusförmig.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ausgeführt bei einem Lampentyp, bei dem die Elektroden einen horizontalen Bogenspalt parallel zur Hauptachse bilden.

10. Miniatur-Hochdruck-Metalldampf-Entladungslampensystem mit einer Lampe und einer zugeordneten Betriebseinrichtung, wobei die Lampe enthält:

einen Kolben, der einen Entladungsraum mit einem Volumen bildet, das etwa 1 Kubikzentimeter nicht überschreitet,

zwei Elektroden in dem Kolben, die einen Bogenspalt bilden, und eine Füllung, die Quecksilber, Metallhalogenide und Xenongas enthält, wobei die Betriebseinrichtung gekennzeichnet ist durch:

eine Stromquelle, die mit den Elektroden verbunden ist und einen Strom mit einer Wechselkomponente liefern kann, die augenblickliche Änderungen in der Eingangsleistung über dem Elektrodenspalt herbeiführt,

wobei die Leistungsänderungen bei einer Frequenz auftreten, die in einem bevorzugten Band in dem Bereich von 20 kHz bis 80 kHz gewählt ist,

wobei das Band ein solches ist, in dem akustische Resonanz Bogen-begradigende Moden anregt, die die Wirkungen der durch Gravität hervorgerufenen Konvektion in der Füllung verkleinern.

11. Lampensystem nach Anspruch 10, wobei das bevorzugte Band ein solches ist, in dem akustische Resonanz eine Mode anregt, die durch Gravität hervorgerufenes Biegen des Lichtbogens verkleinert.

12. Lampensystem nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Elektroden einen horizontalen Bogenspalt parallel zur Hauptachse bilden.

13. Lampensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Stromquelle Wechselstrom mit einer Kurvenform liefern kann, die Zeitfluktuationen der Eingangsleistung bei der gewählten Frequenz sicherstellt.

14. Lampensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die Wechselkomponente des Stroms durch die Lampe, die Leistungsänderungen bei der gewählten Frequenz herbeiführt, frequenzmoduliert ist, um die Breite des Frequenzbandes zu verbreitern, in dem ein gerader und stabiler Lichtbogen erhalten wird.

15. Lampensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei der Kolben der Lampe einen Entladungsraum in Form eines im allgemeinen gestreckten Rotationsellipsoid und die Elektroden einen horizontalen Lichtbogenspalt parallel zu der Hauptachse bilden.

16. Lampensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei der Lampenspalt horizontal ist und

die Leistungsänderungen bei einer Frequenz F auftreten, die als eine Mittenfrequenz in dem bevorzugten Band gewählt ist,

die Mittenfrequenz F frequenzmoduliert ist, um die Breite des Bandes zu verbreitern,

wobei die Frequenzmodulation mit einer Frequenzabweichung DF bei einer modulierenden Frequenz f auftritt, wobei DF und f so gewählt sind, daß die Breite des Bandes maximiert ist.

17. Lampensystem nach Anspruch 16, wobei die Frequenzabweichung DF von 7 bis 20% der Mittenfrequenz F beträgt und die modulierende Frequenz f von 1 bis 5% der Mittenfrequenz F beträgt.

18. Lampensystem nach Anspruch 16 oder 17, wobei die Frequenzabweichung von 1 bis 20% der Mittenfrequenz F beträgt, die modulierende Frequenz f von 1 bis 5% der Mittenfrequenz F beträgt und die Kurvenform der Hüllkurve der modulierenden Frequenz abgeschrägt ist zu dreieckförmig oder sägezahnförmig anstatt sinusförmig.

19. Lampensystem nach einem der Ansprüche 16 bis 18, enthaltend einen Frontlampenreflektor, in dem die Lampe angeordnet ist, und eine Schalteinrichtung zum schrittweisen Verschieben der Trägerfrequenz von einem gesteuerten Bogen-biegenden Bereich zu einem Bogen-begradigenden Band, um dadurch die Lichtkonzentration in der Lampe physikalisch zu verschieben, um ein Bündelumschalten herbeizuführen.