DE69936708T2

DE69936708T2 - Verfahren und vorrichtung zur lampensteuerung

Info

Publication number: DE69936708T2
Application number: DE69936708T
Authority: DE
Inventors: Douglas A. Stanton
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1998-12-29
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2019-12-18
Also published as: DE69936708D1; EP1057379A1; JP4531264B2; US6215252B1; WO2000040061A1; EP1057379B1; JP2002534766A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben von Lampen und im Besonderen auf Lampensteuereinheiten (Controller) zur Aufrechterhaltung der Leistungscharakteristiken von Entladungslampen.
Hochleistungsbeleuchtungssysteme, welche Entladungslampen, die so ausgeführt sind, dass sie helles Licht aus einem kleinen Lichtbogen erzeugen, und Präzisionsreflektoren umfassen, sind vom Stand der Technik her bekannt. Solche Systeme umfassen HID-Lampen, wie z.B. Quecksilberhochdruck-Kurzbogenlampen, in Form eines sphärischen oder ovalen Quarzkolbens mit einer sehr kurzen Lichtbogenstrecke, typischerweise zwischen 1mm und 1,4mm, zwischen den Elektroden. Folglich zählen Bogenleuchtdichten zu den höchsten von sämtlichen Lampenarten. Der Hauptvorzug der Quecksilberkurzbogenlampe ist, dass sie eine nahe Punktlichtquelle sehr hoher Leuchtdichte bildet, welche diese ideal für Systeme macht, bei denen ein kritisch fokussiertes, optisches Lichtauffangsystem verwendet wird, welches zum Zwecke einer optimalen Leistung in der Regel von der Erhaltung einer sehr kleinen Lichtbogenlänge und genauen Lichtposition abhängig ist. Dieses macht es für Projektionszwecke, zum Beispiel ein TV-Projektionssystem oder eine LCD-Anzeigevorrichtung, ideal geeignet.
Diese Lampen werden in Verbindung mit Präzisionsreflektoren und -optik eingesetzt, um eine abgegebene, gleichmäßige, kollimierte Lichtmenge mit maximaler Sammlung von Licht zu erzeugen. Die Abbildungseigenschaften dieser Optik sind nicht kritisch, vielmehr ist es deren Funktion, den Großteil der von der Bogenlampe emittierten Energie im Wesentlichen aufzufangen und in einen Strahl mit einer minimalen Etendue oder geometrisch-optischen Größe zu leiten. Es ist für das optische Auffangsystem von Vorteil, einen Lichtstrahl kleinstmöglicher Größe zu erzeugen, um den Energieverbrauch zu reduzieren und die mit Projektionssystemen geringerer Größe und/oder Apertur verbundenen Herstellungskosten zu verringern.
Es bestehen mehrere mit diesem System verbundene Vorteile. Wie oben beschrieben, ist es wünschenswert, Licht aus einer kleinen Lichtbogenstrecke zu erzeugen, da je kleiner u.a. die Lichtbogenstrecke ist, desto geringer ist die Energie, die zur Erzeugung eines bestimmten Lichtstroms erforderlich ist. Ebenso sind die oben beschriebenen, optischen Auffangsysteme mit Reflektoren ausgestattet, welche einen stabilen Lichtbogen erforderlich machen und deren Auffangeffektivität stark reduziert wird, wenn sich der Lichtbogen signifikant bewegt. Zum Beispiel kann bei einigen Systemen eine Verschiebung des Lichtbogens von nur 1mm in einem Verlust von bis zu 50% des aufgefangenen Lichts resultieren.
Eigencharakteristiken der obigen Lampe sind Variationen der Lichtbogenstrecke zwischen den Elektroden. Bei Wechselstrombetrieb der Lampe ist der Entladungsbogen nicht stabil, da der Ausgangspunkt der Entladungsbögen sich sprunghaft zwischen zufälligen Stellen an der Spitze der Elektrode bewegt. Ebenso verdampft bei Lampenbetrieb Wolframmaterial (W) von der Elektrode selbst und setzt sich auf der Elektrodenspitze wieder ab.
Es ist vom Stand der Technik her bekannt, Bogenlampenstromversorgungen vorzusehen, welche so ausgeführt sind, dass eine konstante Leistung für die Bogenlampe erzeugt wird. Bei Verwendung solcher Stromversorgungen wird die Leistung in dem Lichtbogen gemessen, und der Strom wird so eingestellt, dass eine gewünschte Leistung erreicht und aufrechterhalten wird. Wenn folglich der Lichtbogen hinter den Elektroden brennt, um einen längeren Lichtbogen zu erzeugen, oder der Lichtbogen aus irgendeinem Grund kürzer wird, werden geeignete Spannungs- und Stromänderungen aufgerufen, um die gewünschte, vorgegebene Leistung aufrechtzuerhalten. Jedoch besitzen diese Stromversorgungen keinen Mechanismus zur Messung und Steuerung der Lichtbogenstrecke der Lampe. Infolgedessen bleibt es der Lichtbogenstrecke überlassen, ihren eigenen natürlichen Größenumfang zu finden, während die Leistung aufrechterhalten wird. Somit kann die Lichtbogenstrecke schwanken oder inakzeptable Dimensionen erreichen.
Es wurden mehrere Möglichkeiten getestet, um die Gleichmäßigkeit und Zuverlässigkeit des Lampenbetriebs zu verbessern. Zum Beispiel offenbart US 5 608 294 von Derra et al, welches durch Nennung als hierin aufgenommen betrachtet wird, ein Verfahren zum Betreiben einer Lampe zur Reduzierung des durch die oben beschriebene, zufällige, sprungartige Bewegung des Entladungsbogens entstehenden Flimmerns. Das Verfahren offenbart darin die zusätzliche Verwendung eines Stabilisierungsstromimpulses, welcher in einem zuvor festgelegten Teil der Halbperioden des AC-Rechtecklampenstroms erzeugt wird. Der Stabilisierungsstromimpuls hat die gleiche Polarität wie der Lampenstrom und ist dem Lampenstrom in dem letzteren Teil der Halbperiode, in welcher er erzeugt wird, überlagert. Es hat sich gezeigt, dass bei Betreiben einer Hochdrucklampe gemäß dem Verfahren und der Vorrichtung von Derra et al ein Flimmern der Lampe wesentlich unterdrückt werden kann. Jedoch kann bei dieser Technik die Lichtbogenstrecke bei einigen kritischen Systemen, wie z.B. den oben beschriebenen Reflektoren sowie der oben beschriebenen Optik, über einen inakzeptablen Bereich variieren.
Aus US-A-5 481 162 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Entladungslampe bekannt, wobei der Lampe eine Folge von Leistungsimpulsen, die durch Halteimpulse getrennt sind, zugeführt wird. Eine Steuereinheit misst Lampenstrom und Lampenspannung und errechnet daraus den Quotienten. Um die Lampe mit einer gleichmäßigen Leistung zu betreiben, steuert die Steuereinheit die auf dem Quotienten basierende Energieabgabe an die Lampe durch Steuerung der Breite oder Anzahl von Leistungsimpulsen sowie der Länge der Halteimpulse.
Ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Entladungslampe mit einem Paar Elektroden ist in dem beigefügten Anspruch 9 offenbart.
Eine Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Entladungslampe, welche ein Paar Elektroden mit einer dazwischen vorgesehenen Lichtbogenstrecke aufweist, ist in Anspruch 1 offenbart.
Ein wichtiger Aspekt der Erfindung ist die Erkenntnis, dass der Energiegehalt eines, der Lampenstromwellenform überlagerten, schmalen, hochenergetischen Stromimpulses durch Steuerung der Amplitude des Stromimpulses über die Länge des Lichtbogens einen signifikanten Einfluss ausübt, während die Elektrodenspannung, welche ein genaues Analogon zu der Länge der Lichtbogenstrecke darstellt, überwacht wird. Die Energie des hochenergetischen Stromimpulses kann durch Überwachen der Länge der Lichtbogenstrecke zwischen den Lampenelektroden mit Hilfe einer Mikroprozessor-Rückkopplungsschleife auf eine Weise gesteuert werden, dass die Länge der Lichtbogenstrecke über einen langen Zeitraum im Wesentlichen konstant gehalten wird. Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Feststellung, dass die Lichtbogenstrecke gegenüber dem Energiegehalt des hochenergetischen Stromimpulses sehr empfindlich, wesentlich mehr als gegenüber der Energie in der Lampenstromwellenform, ist.
Während des Betriebs der Entladungslampe ist es üblich, dass die Länge der Lichtbogenstrecke zwischen den Lampenelektroden im Laufe der Zeit zunimmt. Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht die Möglichkeit, dass der hochenergetische Strompuls automatisch eingestellt wird, um die Länge der Lichtbogenstrecke so nachzustellen, dass diese in ihre ursprüngliche Länge zurückversetzt wird. Wenn gewünscht, kann die Lichtbogenstrecke mit der Zeit automatisch eingestellt werden, um die Größe der Lichtbogenstrecke auf diese unterhalb ihrer ursprünglichen Länge zu reduzieren. Ebenso ist der entgegengesetzte Effekt, d.h. die Länge der Lichtbogenstrecke bei neuer Lampe über ihre ursprüngliche Länge hinaus zu erhöhen, möglich.
Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist, dass man die Lichtbogenstrecke als eine Funktion der Bogenspannung beschreiben und diese Funktion in dem Mikroprozessor-Controller speichern kann.
Die vorliegende Erfindung bietet die Möglichkeit, ein Ladungslampenvorschaltgerät mit einem hohen, schmalen Stromimpuls zu entwickeln, dessen Amplitude während des Betriebs der Entladungslampe automatisch eingestellt werden kann. Die Impulshöhe (Amplitude) des schmalen Stromimpulses (hochenergetischen Impulses) kann gemäß einem Algorithmus eingestellt werden, welcher die Bogenspannung konstant hält. Wenn zum Beispiel der Lichtbogen hinter den Elektroden brennt, um die Bogenlänge und folglich die Bogenspannung zu erhöhen, kann die Höhe des hochenergetischen Stromimpulses verringert werden, und wenn die Bogenspannung (Lichtbogenstrecke) reduziert wird, kann die Impulshöhe erhöht werden, um die Bogenspannung und folglich die Lichtbogenstrecke konstant zu halten.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sehen die Messmittel das Messen der Lichtbogenstrecke, vorzugsweise durch Messen der Spannung an der Lichtbogenstrecke, und das Einstellen der Amplitude des hochenergetischen Stromimpulses vor, um die Lichtbogenstrecke im Wesentlichen konstant zu halten.
Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung ist, dass die Lichtbogenlänge der elektrischen Entladungslampe aufrechterhalten wird.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung ist, dass die Auffangeffektivität des Gesamtsystems aufrechterhalten wird.
Diese und weitere Vorteile werden in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung erläutert.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung (nicht maßstabsgetreu) dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 – ein Blockschaltbild des Systems;
2 – einen Seitenaufriss einer konventionellen Bogenlampe zur Verwendung in dem System von 1, welcher die Elektrodenkonfiguration und Lichtbogenstrecke zeigt;
3 – eine graphische Darstellung der Lampenstromwellenform als eine Zeitfunktion; sowie
4 – eine weitere graphische Darstellung der Lampenstromwellenform als eine Zeitfunktion.
Im Folgenden wird das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben. In diesem Ausführungsbeispiel wird die vorliegende Erfindung auf ein Beleuchtungssystem angewandt. Das neuartige Beleuchtungssystem steuert die Lichtbogenstrecke der Lampe aktiv durch eine Regelung mit Rückführung unter Verwendung eines mikroprozessorgesteuerten Lampentreibers, welcher die Lichtbogenstreckenlänge als eine Funktion der Bogenspannung überwacht. Diese Informationen werden von dem Mikroprozessor verarbeitet, um die geeignete Amplitude des schmalen Impulses hoher Amplitude und dessen Verhältnis zu dem langen Impuls der Lampenstromwellenform mit niedriger Amplitude abzuleiten. Das Beleuchtungssystem 10 umfasst eine Lampeneinheit 12, einen Lampentreiber oder eine Stromversorgung 14 sowie einen Controller 16.
Die in dem System 10 verwendete Lampeneinheit 12 umfasst vorzugsweise eine Entladungslampe 18, einen Reflektor 20 und eine Optik 22. Lampe 18 ist vorzugsweise eine Kurzbogen-Hochdruckentladungslampe, zum Beispiel eine von Philips Electronics hergestellte CS 100W 2 Lampe, deren technische Daten durch Nennung als hierin aufgenommen betrachtet werden. Lampe 18 ist typischerweise mit einem dicht verschlossenen Quarzglaskolben versehen und mit einer ionisierbaren Füllung aus in erster Linie Quecksilber sowie geringen Mengen Iodiden und Seltenerdmetallen gefüllt. Lampe 18 weist ein Paar Wolfram-(W)-Elektroden 24 auf, wobei zwischen diesen eine kleine Lichtbogenstrecke 26, typischerweise in dem Bereich von 1mm bis 1,4mm, ausgebildet ist. Lampe 18 ist eine wechselstromgesteuerte Lampe, so dass die Wärmebelastung durch beide Elektroden geteilt wird. Die Stromversorgung gibt zur Speisung der Lampe typischerweise einen Rechteckwechselstrom ab.
Die Lampe 18 wird in Verbindung mit einem Präzisionsreflektor 20, wie oben beschrieben, verwendet. Reflektor 20 ist so ausgeführt, dass er eine maximale Auffangeffektivität vorsieht, wofür es erforderlich ist, dass während des Betriebs eine sehr geringe Verschiebung des Lichtbogens 26 (2) stattfindet. Eine solche Bewegung des Lichtbogens kann in signifikanten Verlusten des Lichtstroms resultieren. Darüber hinaus ist die Lampeneinheit 12 mit zusätzlichen optischen Elementen 22 versehen, um den Lichtstrom in z.B. eine kollimierte, abgegebene Lichtmenge zu optimieren. Der kleine Lichtbogen und das optische System bieten die Möglichkeit, einen schmalen Lichtstrahl hoher Intensität auf eine kleine Fläche, wie z.B. ein Element einer Flüssigkristallanzeige-(LCD)-Vorrichtung, zu fokussieren.
Der Lampeneinheit 12 werden mit Hilfe der Stromversorgung 14 Spannung und Strom zugeführt. Vorzugsweise ist die Stromversorgung 14 eine Walker „Safe Arc" Stromversorgung, die den Elektroden 24 der Lampe 18 über Anschlussleitungen 28 Energie (Spannung und Strom) zuführt. Lampenstrom wird in der Stromversorgung (14) gemessen und über Verbindungsleitung 32 den Stromsensoreingangsanschlüssen des Mikroprozessor-Controllers 16 zugeführt. Die Lampenelektrodenspannung wird über Verbindungsleitungen 34 an Spannungserfassungseingangsanschlüsse des Controllers 16 angelegt.
Der Controller 16 kann durch einen 68011 Motorola-Mikroprozessor dargestellt sein, welcher die Bogenspannung empfängt und diese dem Mikroprozessor zur Verarbeitung zuführt. Der Controller verarbeitet die Bogenspannungs- und Lampenstrominformationen und gibt über Ausgabesteuerleitungen 38 ein Steuersignal ab, durch welches die Stromversorgung 14 die Höhe (Amplitude) des schmalen, hochenergetischen Stromimpulses einstellt, um die Länge der Lichtbogenstrecke 26 über die Zeit konstant zu halten. Der Controller kann eine Verweistabelle umfassen, welche die Bogenspannung zu dem Strompegel des hochenergetischen Stabilisierungsstromimpulses 40 (3) in Beziehung setzt.
3 zeigt die Lampenstromwellenform als eine Zeitfunktion. Die gestrichelte Linie 42 zeigt den Pegel des hochenergetischen Stromimpulses 40 für die Nennleistung der Lampe, während die Pfeilspitzen die Einstellung der Höhe des Impulses 40 zeigen, um die Lichtbogenstrecke konstant zu halten. Dieses wird durch die durch den Controller 16 vorgesehene Rückkopplungssteuerung erreicht, welche die Länge der Lichtbogenstrecke 26 durch Messen der Bogenspannung überwacht, wobei letztere eine Funktion der Lichtbogenstrecke darstellt. Während die Lichtbogenstrecke zuzunehmen beginnt, steigt ebenfalls die gemessene Bogenspannung, und der Controller spricht an, um ein Steuersignal für die Stromversorgung 14 zu erzeugen, mit dem diese angewiesen wird, die Höhe des Energieimpulses 40 für einen gesteuerten Zeitraum neu einzustellen, um die Lichtbogenstrecke in ihre ursprüngliche Größe zurückzuversetzen. Sollte die Lichtbogenstrecke die Tendenz haben abzunehmen, wird der entgegengesetzte Effekt durch die aktive Rückkopplungssteuerung erzeugt. Somit überwacht der Controller die Länge der Lichtbogenstrecke als eine Funktion der Bogenspannung, verarbeitet diese Informationen und weist die Stromversorgung an, die Amplitude des kurzen Impulses 40 hoher Amplitude und dadurch dessen Verhältnis zu dem Impuls 44 niedrigerer Amplitude einzustellen. Wenn somit der Lichtbogen hinter den Elektroden brennt, um die Lichtbogenstrecke und damit die Bogenspannung zu erhöhen, verringern der Controller und die Stromversorgung die Höhe von Stabilisierungsimpuls 40, um die Bogenspannung und folglich die Lichtbogenstrecke konstant zu halten.
In 3 tritt der Kurzzeitimpuls 40 in abwechselnden positiven und negativen Halbperioden des Lampenstroms auf, wobei diese jedoch selbstverständlich auch in aufeinander folgenden Halbperioden auftreten und eingestellt werden können. Die Stromimpulse 40 können ebenfalls periodisch, zum Beispiel in jeder dritten, jeder fünften usw. Halbperiode des Lampenstroms, oder in Stößen erzeugt werden.
4 zeigt ein alternatives Merkmals der Erfindung, wobei der Controller die Amplitude des Stromimpulses 44 niedriger Amplitude sowie die Amplitude des Stabilisierungsstromimpulses 40 einstellen kann. Der Impuls 44 wird so eingestellt, dass er im Verhältnis zu einer Änderung des Impulses 40 zunimmt oder abnimmt, um dadurch die Leistung konstant zu halten, während die zeitliche Energieverteilung der Lampensteuerung gesteuert wird. Die Erfindung ermöglicht damit eine in hohem Maße verbesserte Steuerung von sowohl der Lichtbogenlänge als auch der Lichtbogenposition.

Claims

Vorrichtung zum Betreiben einer elektrischen Entladungslampe (18) mit einem Paar Elektroden (24), wobei eine Lichtbogenstrecke (26) eine Länge zwischen diesen aufweist, sowie zur Steuerung der Länge der Lichtbogenstrecke, um die Länge konstant zu halten, wobei die Vorrichtung aufweist: – eine Stromversorgung (14), um dem Paar Elektroden der elektrischen Entladungslampe Betriebsspannung und -strom zuzuführen, wobei der Lampenstrom während eines spezifischen, zeitlichen Abschnitts der Lampenstromwellenform mit einem hochenergetischen Impuls (40) versehen wird, sowie – einen Controller (16), welcher auf ein die Elektrodenbogenspannung (z.B. Lichtbogen V) der Entladungslampe darstellendes Signal anspricht, um ein der Stromversorgung zuzuführendes Ausgangssteuersignal (38) abzuleiten, wobei der Controller Mittel aufweist, um die Elektrodenbogenspannung mit einem entsprechenden, gewünschten Wert zu vergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass diese ebenfalls Mittel (16) zum Messen der Länge der Lichtbogenstrecke durch einen, die Elektrodenbogenspannung der elektrischen Entladungslampe darstellenden, elektrischen Lampenparameter aufweist, und dass die Stromversorgung in Reaktion auf das Ausgangssteuersignal des Controllers die Amplitude des hochenergetischen Stromimpulses einstellt, um dadurch eine Abweichung der Elektrodenbogenspannung von dem entsprechenden, gewünschten Wert auszugleichen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Stromversorgung in Reaktion auf das modifizierte Steuersignal des Controllers die Amplitude des hochenergetischen Stromimpulses einstellt, um die Länge der Elektrodenlichtbogenstrecke konstant zu halten.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stromversorgung in Reaktion auf das modifizierte Steuersignal des Controllers die Amplitude des hochenergetischen Stromimpulses einstellt, so dass bei Ansteigen der Bogenspannung die Amplitude des hochenergetischen Stromimpulse abnimmt und umgekehrt, um dadurch die Bogenspannung konstant zu halten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Stromversorgung den Lampenelektroden eine AC-Stromwellenform zuführt, die aus einem relativ breiten Rechteckstromimpuls (44) besteht, wobei der schmale, hochenergetische Stromimpuls (40) diesem überlagert ist, und wobei das Ausgangssteuersignal des Controllers die Stromversorgung anweist, die Amplitude des breiten Rechteckstromimpulses als eine Funktion einer Änderung der Amplitude des schmalen, hochenergetischen Stromimpulses so einzustellen, dass die Lampenleistung konstant gehalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Controller einen Mikroprozessor aufweist, welche eine Verweistabelle umfasst, die Daten speichert, welche die Relation zwischen der Bogenspannung und dem Lampenstrom definieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Stromversorgung eine Wechselstromwellenform erzeugt, wobei ein hochenergetischer Stromimpuls der gleichen Polarität dem letzteren Teil der Lampenperiode des Lampenstroms, in welchem dieser erzeugt wird, überlagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Stromversorgung den hochenergetischen Stromimpuls in jeder Halbperiode des Lampenstroms erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Stromversorgung hochenergetische Stromimpulse in nicht aufeinander folgenden Halbperioden des Lampenwechselstroms erzeugt.
Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Entladungslampe, welche ein Paar Elektroden aufweist und wobei zwischen diesen eine Lichtbogenstrecke konstant gehalten wird, wonach – den Lampenelektroden von einer Stromversorgung eine Spannung und ein Strom zugeführt werden, wobei der Strom während eines spezifischen, zeitlichen Abschnitts der Stromwellenform mit einem hochenergetischen Stromimpuls (40) versehen wird, – ein Controller vorgesehen ist, welcher Mittel zum Messen der Betriebsparameter der Lampe sowie Mittel zum Konfigurieren des der elektrischen Lampe von der Stromversorgung zugeführten Lampenstroms aufweist, – ein Lampenbetriebsparameter gemessen wird, – der gemessene Parameter mit einem entsprechenden, gewünschten Wert verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der gemessene Parameter des Lampenbetriebs so ausgewählt wird, dass er die Elektrodenbogenspannung als ein genaues Analogon zu der Lichtbogenstrecke darstellt, und der Lampenstrom als Folge des Vergleichsschrittes zur Einstellung der Amplitude des hochenergetischen Stromimpulses, welcher der Lampenstromwellenform in einem spezifischen, zeitlichen Abschnitt der Lampenstromwellenform überlagert ist, eingestellt wird, um die Bogenspannung und folglich die Lichtbogenstrecke konstant zu halten.
Betriebsverfahren nach Anspruch 9, wobei die Stromversorgung den Lampenelektroden einen Lampenwechselstrom zuführt, und wobei der hochenergetische Stromimpuls die gleiche Polarität wie der Lampenwechselstrom aufweist.