EP1152645B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe Download PDF

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EP1152645B1
EP1152645B1 EP01000130A EP01000130A EP1152645B1 EP 1152645 B1 EP1152645 B1 EP 1152645B1 EP 01000130 A EP01000130 A EP 01000130A EP 01000130 A EP01000130 A EP 01000130A EP 1152645 B1 EP1152645 B1 EP 1152645B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
operating
lamp
frequency
gas discharge
electrodes
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP01000130A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1152645A1 (de
Inventor
Günther Derra
Ernst Fischer
Thomas KRÜCKEN
Holger Moench
Xaver Riederer
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Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Koninklijke Philips Electronics NV
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Publication date
Application filed by Philips Intellectual Property and Standards GmbH, Koninklijke Philips Electronics NV filed Critical Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Publication of EP1152645A1 publication Critical patent/EP1152645A1/de
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Publication of EP1152645B1 publication Critical patent/EP1152645B1/de
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    • H05B41/382—Controlling the intensity of light during the transitional start-up phase
    • H05B41/388—Controlling the intensity of light during the transitional start-up phase for a transition from glow to arc

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for operating a gas discharge lamp fed with alternating voltage or alternating current, wherein the instantaneous power of the lamp is increased at certain time intervals (pulsed operation).
  • the invention relates to devices provided with such lamps and devices as well as methods based on the method of operation for processing an electrode.
  • Such operating methods and devices are known, for example from WO 96/14724 or US 5,608,294.
  • the WO patent specification describes a device having a power supply circuit for operating a gas discharge lamp, wherein the power supply circuit provides an AC voltage or an AC current of a predetermined period to supply the gas discharge lamp with a predetermined power such that when the average lamp power is reduced compared to the rated power before the polarity reversal of the AC voltage or the AC current within half a period an increase in the instantaneous power takes place.
  • This short-term increase in the instantaneous power before the polarity reversal process causes the necessary Wiederzündposition after Umpolvorgang must not be significantly increased compared to the voltage in rated operation.
  • pulsesed operation or “pulsed operation”
  • Pulsed operation designate here all forms of current intensity or voltage over time, in which the operating current or the operating voltage, in particular for the purpose of stabilizing the lamp arc superimposed additional current or voltage pulses
  • pulsesed operation is understood to mean exclusively a lamp operating mode in which a lamp is operated in rapidly repeated, very short time segments and does not emit light for much of the time).
  • electrodes are preferred which consist of an electrode rod (drawn tungsten wire) and a tungsten spiral pushed over it although in such a design the geometry and internal structure of the electrodes, which ultimately determines the heat distribution, is less controllable.
  • the enormous heat load of the electrodes 211 already causes a rapid transration of the electrode material (eg evaporation of tungsten), eg.
  • the electrode front surface can completely change in a few hours. Even an ideally shaped electrode retains its original functional properties usually for less than 100 hours.
  • the object of the invention is to specify a method and a device for operating a gas discharge lamp, which make it possible to use the transport processes taking place during operation of a gas discharge lamp advantageously for forming the electrodes.
  • the object is achieved by a method of the aforementioned type, in which the values of at least one operating time of the lamp changing over time are measured continuously or discontinuously and the frequency of the alternating voltage or of the alternating current (operating frequency) is selected as a function of the measured values becomes.
  • the operating frequency is expediently in Depending on the measured values of at least one operating datum from the group of operating times of the lamp, the burning voltage, the delivered or recorded power, the arc length and the electrode spacing comprising group of operating data, since all these data give direct or indirect conclusions about the condition of the electrodes, in particular the electrode spacing (for example, it can be concluded from the operating time even with a new lamp with operating time zero on the basis of empirical values on the approximate state of the electrodes and thus on the need for a specific operating frequency selection).
  • the invention is based on the new knowledge that the size of the structures growing on the electrodes during operation with alternating current or alternating voltage and the operating frequency of the current or voltage are proportional to one another. It has been shown that the diameter of the grown structures is all the smaller , the higher the fundamental frequency of the operating current or the operating voltage. Typical frequencies in high-pressure gas discharge lamps are between about 40 and 600 Hz For lamps of a certain type (for example, according to DE 38 13 421 A) applies, for example.
  • the relation approximate diameter of the grown structures a / 1 ⁇ 2
  • f is the operating frequency in Hertz
  • a is a lamp-specific proportionality constant, typically between about 2000 and 5000 ⁇ m Hz 1 ⁇ 2, so that at 100 Hz fundamental frequencies structures of about 200 to 500 ⁇ m Diameter form. In general, this constant can be in a range between 1000 and 10,000 ⁇ m Hz.
  • the height of the resulting structures is usually smaller than their diameter and is usually about 0, 4 to 0.8 times the diameter. However, experience has shown that the ratio may vary between 0.2 and 1.2. This relationship is exploited in the present invention to produce controllably protruding electrode tips during lamp operation.
  • the invention makes it possible to shape the electrode during operation, within certain limits, regardless of the production-related initial shape of the electrodes.
  • the desired electrode spacing or the desired burning voltage can be achieved by exploiting the Transport operations are set within certain limits.
  • a particular advantage of the method according to the invention is that it can be used again and again during the operating time of the lamp and so to speak allows a "regeneration" of the electrodes, so that excellent results over a very long life can be achieved.
  • the electrode structures constructed during operation are practically exactly opposite one another so that no lateral offset occurs.
  • the structure is in the center of the electrode.
  • the measured values are advantageously monitored for the fulfillment of predetermined boundary conditions, and the lamp is operated at a low operating frequency (start frequency) when a first boundary condition (start condition) is satisfied, until a second boundary condition is met, whereupon the operating frequency is increased.
  • start frequency a low operating frequency
  • start condition a first boundary condition
  • second boundary condition a second boundary condition
  • the operating frequency is increased.
  • Such starting conditions may be, for example, the first startup of a new lamp or the increase of the required burning voltage beyond a predetermined limit.
  • the operating frequency can be increased continuously.
  • termination conditions may be: reaching a predetermined operating frequency (maximum frequency), reaching a predetermined minimum burning voltage, constancy of the electrode spacing over a predetermined period of time.
  • measuring means are provided for continuously or discontinuously measuring the values of at least one operating time of the lamp varying over time and means for varying the frequency of the alternating voltage or frequency (operating frequency) in dependence on the measured values.
  • Such a device can be easily applied or retrofitted even with already-produced gas discharge lamps and gas discharge lamps using light devices of all kinds, in particular projectors, automotive lighting systems, etc.
  • the device has a compact evaluation and control unit comprising at least one microprocessor for controlling the operating frequency, the burning voltage and the alternating current supplied to the gas discharge lamp and for evaluating and monitoring the measured values to fulfill predetermined or specifiable boundary conditions, wherein advantageous use can be made of the existing existing devices for pulsed operation of gas discharge lamps processors and units
  • the lamp is operated starting from a low starting frequency in pulse mode with a slowly increasing frequency.
  • a low frequency at the beginning of the sequence provides a broad structure 1 as a basis, on which then at higher frequencies always a narrower structures 2 and 3 are built.
  • the transition can be continuous or in discrete stages. Practical results were eg. achieved in an operation of several hours duration with 45, 65, 90 and 130 Hz in this ascending order.
  • this mode of operation it was possible to reduce the electrode gap in a high-pressure gas discharge lamp of conventional design from 1.3 mm to 0.7 mm.
  • the electrodes then gradually burn back to the initial distance, which can easily be observed by an increase in the burning voltage.
  • the electrode can be treated again with slowly rising frequencies until the tip structures of the electrodes are almost completely rebuilt. After each such regeneration operation, the lamp can be operated for about 100 hours at the highest selected frequency.
  • the invention has the great advantage that even during the regeneration phases, the light of the lamp can be used. Overall, a decrease in the optical efficiency usually results with increasing electrode spacing (eg a decrease in the screen brightness during video projection, which then increases again during regeneration). This system efficiency, which fluctuates on a time scale of 100 hours, is in any case a great advantage over a continuously decreasing efficiency.
  • the need for renewed regeneration is easily determined from the voltage increase of the lamp. If the burning voltage rises above a predetermined value, a renewed regeneration is started.
  • a first operation of the lamp is detected by an operating hours counter, which is automatically reset when changing the lamp This is already implemented in many commercially available projectors.
  • the lamp is initially operated at the lowest possible frequency (e.g., 45 Hz). This operation can take place over a fixed period of time (eg 1 operating hour). Alternatively, the frequency can be held until no significant voltage drop (indicating growth of structures) is more observable.
  • the advantage of this type of procedure is that individual differences can be taken into account more easily than when operating over fixed periods of time.
  • the frequency is increased. It has been shown that increasing the frequency to about 1.2 to 1.8 times the respective previous frequency is recommended.
  • the operating time with the new frequency can in turn be carried out over a fixed period of time or until no appreciable voltage drop is more noticeable.
  • the frequency is increased until either a) a fixed frequency limit is reached, b) a fixed voltage is reached or c) no appreciable growth after increasing the frequency is observed more.
  • the thus determined frequency is recorded and can for example be used until the voltage again significantly, eg. has risen to the initial level.
  • the electrodes are "regenerated” again before the rise to the initial level, for which purpose the lamp is again operated at the lowest possible frequency.
  • the burning voltage and arc length or electrode spacing in gas discharge lamps can be significantly reduced.
  • the lamp current I2 was set to control the power and the pulse current I3 was 2.8 A, with an operating frequency of 45, 65, 90 and 130 Hz the burning voltage is reduced from initially 85 V to 52 V and the arc length from initially 1.3 mm to 0.7 mm, this astonishing reduction, mind you, not in a separate machining process, but during the "normal" use of the lamp, for example in projection mode took place.

Landscapes

  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
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  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacture Of Electron Tubes, Discharge Lamp Vessels, Lead-In Wires, And The Like (AREA)

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer mit Wechselspannung oder Wechselstrom gespeisten Gasentladungslampe, wobei in bestimmten Zeitintervallen die Momentanleistung der Lampe erhöht wird (gepulster Betrieb). Daneben betrifft die Erfindung mit solchen Lampen und Vorrichtungen versehene Geräte sowie auf dem Betriebsverfahren beruhende Verfahren zum Bearbeiten einer Elektrode.
  • Solche Betriebsverfahren und -vorrichtungen sind bekannt, beispielsweise aus der WO 96/14724 oder der US 5,608,294. In der genannten WO-Schrift wird eine Vorrichtung mit einer Energieversorgungsschaltung zum Betreiben einer Gasentladungslampe beschrieben, wobei die Energieversorgungsschaltung eine Wechselspannung oder einen Wechselstrom vorgegebener Periodendauer zur Speisung der Gasentladungslampe mit einer vorgegebenen Leistung derart bereitstellt, dass bei einer Reduzierung der mittleren Lampenleistung gegenüber der Nennleistung unmittelbar vor dem Umpolen der Wechselspannung oder des Wechselstroms innerhalb einer halben Periodendauer eine Erhöhung der momentanen Leistung erfolgt. Diese kurzzeitige Erhöhung der momentanen Leistung vor dem Umpolvorgang bewirkt, dass die notwendige Wiederzündspannung nach dem Umpolvorgang nicht wesentlich gegenüber der Spannung im Nennbetrieb erhöht werden muss.
  • Aus der genannten US-Schrift ist ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe mit kurzem Lichtbogen bekannt, bei welchem der Lampe ein Wechselstrom bestimmter Periodendauer zugeführt und in jeder Halbperiode dem Lampenstrom ein kurzer Strompuls überlagert wird, der dieselbe Polarität wie der Lampenstrom in der jeweiligen Halbperiode besitzt, was die Konstanz des Lichtbogens und die Haltbarkeit der Elektroden der Gasentladungslampe wesentlich verbessert.
  • Das aus den genannten Schriften bekannte Variieren der Stromstärke bzw. der Spannung, das im folgenden als "gepulster Betrieb" oder "Pulsbetrieb" bezeichnet wird, hat sich in der Praxis überaus bewährt. Dabei sei an dieser Stelle betont, dass die Begriffe "gepulster Betrieb" und "Pulsbetrieb" hier alle Formen des Stromstärken- bzw. Spannungsverlaufs über die Zeit bezeichnen, bei denen dem Betriebsstrom bzw der Betriebsspannung insbesondere zwecks Stabilisierung des Lampenbogens zusätzliche Strom- oder Spannungapulse überlagert werden (in manchen Schriften (vgl. zB. EP 0 865 210 A2, WO 97/247871 oder US 5,428,408) wird dagegen unter dem Begriff" gepulster Betrieb" ausschließlich eine Lampenbetreibsart verstanden, bei der eine Lampe in schnell wiederholten, sehr kurzen Zeitabschnitten betrieben wird und während eines großen Teils der Zeit kein Licht abgibt).
  • Durch den gepulsten Betrieb kann zwar die Konstanz des Lichtbogens wesentlich verbessert werden, jedoch ist die Lebensdauer insbesondere bei Hochdruck-Gasentladungslampen mit sehr kurzem Lichtbogen, wie sie z.B. bei Daten- und Videoprojektoren mit LC- oder Spiegel-Displays (Deformable Mirror Device), aber auch bei vershiedenen anderen Anwendungen eine wichtige Rolle spielen, noch nicht befriedigend. Je kürzer der benötigte Lichtbogen, desto stärker macht sich ein Zurückbrennen der Lampenelekhoden und die damit eingehende Verlängerung des zwischen den Elektroden entstehenden Lichtbogens nachteilig bemerkbar. So kommt es durch Zurückbrennen der Lampenelektroden bei Gasentladungslampen mit kurzen und sehr kurzen Lichtbögen nicht selten bereits in den ersten 100 Betriebsstunden zu einem Rückgang der Effizienz beispielsweise in einem Projektionssystem von 20%.
  • Zudem ist die Herstellung von Gasentladungslampen mit sehr kurzem Elektrodenabstand ausgesprochen schwierig, denn die Elektroden werden üblicherweise in einem Quarzrohr eingeschmolzen und vor der Einschmelzung in dem Rohr Postioniert, so dass ihre Position nach Fertigstellung der Lampe herstellungsprozessbedingt von der ursprünglichen Justierung abweicht, und zwar sowohl hinsichtlich des Abstandes als auch der seitlichen Ausrichtung zueinander. Die Postionierungstoleranzen der Elektroden lassen sich nur mit erheblichem Kostenaufwand reduzieren.
    Ein weiteres, nur mit großem Aufwand zu lösendes Problem ist die geometrische Form der Elektroden selbst. Es ist zwar durchaus möglich, gewünschte Elektrodengeometnen aus Vollmaterial herauszuschneiden, jedoch werden aus Kostengründen Elektroden bevorzugt, die aus einem Elektrodenstab (gezogener Wolframdraht) und einer darüber geschobenen Wolframspirale bestehen, wenngleich bei einer solche Konstruktion die Geometrie und die innere Struktur der Elektroden, die letztendlich die Wärmeverteilung bestimmt, schlechter kontrollierbar ist. Bei Lampen mit kurzem Lichtbogen kommt es ohnehin durch die enorme Wärmebelastung der Elektroden 211 einem raschen Transrort des Elektrodenmaterials (z.B. Abdampfung von Wolfram), der zB. bei Hochdruck-Gasentladungslampen mit einer Bogenlänge von etwa 1 mm die Elektroden-Frontfläche in wenigen Stunden vollständig verändern kann. Auch eine ideal geformte Elektrode behält dabei ihre ursprünglichen Funktionseigenschaften in der Regel für weniger als 100 Stunden.
  • Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe anzugeben, welche es edauben, die beim Betrieb einer Gasentladungslampe stattfindenden Transportprozesse vorteilhaft zur Formung der Elektroden auszunutzen.
  • Die Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw von einer Vorrichtung gemäß Anspruch 13. Vorteilhafte Durch- bzw Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Insbesondere wird die Aufgabe von einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem die Werte wenigstens eines sich über die Zeit ändernden Betriebsdatums der Lampe kontinuierlich oder diskontinuierlich gemessen werden und die Frequenz der Wechselspannung oder des Wechselstroms (Betriebsfrequenz) in Abhängigkeit von den gemessenen Werten gewählt wird. Dabei wird die Betriebsfrequenz zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von den gemessenen Werten wenigstens eines Betriebsdatums aus der die Gesamtbetriebsdauer der Lampe, die Brennspannung, die abgegebene oder aufgenommene Leistung, die Bogenlänge und den Elektrodenabstand umfassenden Gruppe von Betriebsdaten gewählt, denn alle diese Daten lassen direkte oder indirekte Rückschlüsse auf den Zustand der Elektroden, insbesondere den Elektrodenabstand zu (beispielsweise kann aus der Betriebsdauer selbst bei einer neuen Lampe mit Betriebsdauer null anhand von Erfahrungswerten auf den ungefähren Zustand der Elektroden und damit auf die Notwendigkeit einer bestimmten Betriebsfrequenzwahl geschlossen werden).
  • Die Erfindung basiert auf der neuen Erkenntnis, dass die Größe der beim Betrieb mit Wechselstrom bzw Wechselspannung auf den Elektroden aufwachsenden Strukturen und die Betriebsfrequenz des Stroms bzw. der Spannung zueinander proportional sind Es hat sich gezeigt, dass der Durchmesser der aufgewachsenen Strukturen um so kleiner ist, je höher die Grundfrequenz des Betriebsstroms bzw der Betriebsspannung ist. Typische Frequenzen bei Hochdruck-Gasentladungslampen liegen zwischen etwa 40 und 600 Hz Für Lampen einer bestimmten Bauart (beispielsweise nach der DE 38 13 421 A) gilt zB. die Beziehung ungefährer Durchmesser der aufgewachsenen Strukturen = a / ½ wobei f die Betriebsfrequenz in Hertz und a eine lampenapezifische Proportionalitätskonstante ist, die typischerweise zwischen etwa 2000 und 5000 µm Hz ½ liegt, so dass sich bei 100 Hz Grundfrequenz Strukturen mit etwa 200 bis 500 µm Durchmesser bilden. Im allgemeinen kann diese Konstante in einem Rahmen zwischen 1000 und 10.000 µm Hz½liegen. Die Höhe der entstehenden Strukturen ist üblicherweise kleiner als ihr Durchmesser und beträgt in der Regel etwa das 0,.4- bis 0,8- fache des Durchmessers. Das Verhältnis kann jedoch erfahrungsgemäß zwischen 0,2 und 1,2 variieren. Dieser Zusammenhang wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um in kontrollierbarer Weise hervorstehende Elektrodenspitzen während des Lampenbetriebs zu erzeugen.
  • Die Erfindung erlaubt es, die Elektrode im Betrieb zu formen, in gewissen Grenzen unabhängig von der fertigungsbedingten Ausgangsform der Elektroden. Der gewünschte Elektrodenabstand bzw die gewünschte Brennspannung kann durch Ausnutzen der Transportvorgänge innerhalb gewisser Grenzen eingestellt werden. Bei Erreichen der Wunschspannung wird der Konditionierungsvorgang abgebrochen und die Lampe bei der dann aktuellen Frequenz betrieben.
  • Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es während der Betriebszeit der Lampe immer wieder angewandt werden kann und so gewissermaßen eine "Regenerierung" der Elektroden erlaubt, so dass hervorragende Resultate über eine sehr lange Lebensdauer erzielt werden können.
  • Die während des Betriebs aufgebauten Elektrodenstrukturen stehen sich auf Grund der physikalischen Gesetze der Transportvorgänge praktisch exakt gegenüber, so dass kein seitlicher Versatz vorkommt. Wenn mit hinreichend niedrigen Frequenzen gestartet wird, befindet sich die Struktur in der Elektrodenmitte.
  • Dazu werden vorteilhaft die gemessenen Werte auf das Erfüllen vorgegebener Randbedingungen überwacht und bei Erfüllung einer ersten Randbedingung (Startbedingung) die Lampe mit einer niedrigen Betriebsfrequenz (Startfrequenz) betrieben, bis eine zweite Randbedingung erfüllt ist, worauf die Betriebsfrequenz erhöht wird. Solche Startbedingungen können zum Beispiel das erstmalige Inbetriebnehmen einer neuen Lampe oder das Anwachsen der benötigten Brennspannung über einen vorgegebenen Grenzwert hinaus sein. Insbesondere ist es auch möglich, unterschiedliche Startbedingungen mit unterschiedlichen Startfrequenzen zu definieren, so dass beispielsweise beim erstmaligen Inbetriebnehmen einer neuen Lampe sukzessive Strukturen mit sich verkleinerndem Durchmesser auf den Elektroden aufgebaut werden können, wobei mit einer verhältnismäßig niedrigen Startfrequenz begonnen wird, während es bei Elektroden, deren Form nur geringfügig geändert werden soll, genügen kann, sofort sehr kleine Strukturen aufzubauen und mit einer relativ hohen Startfrequenz zu beginnen.
  • Zum sukzessiven Aufbau der Strukturen kann die Betriebsfrequenz kontinuierlich erhöht werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch erwiesen, die Betriebsfrequenz in diskreten Schritten zu erhöhen, bis eine vorgegebene Abbruchbedingung erreicht ist. Solche Abbruchbedingungen können sein: Erreichen einer vorbestimmte Betriebsfrequenz (Maximalfrequenz), Erreichen einer vorbestimmten minimalen Brennspannung, Konstanz des Elektrodenabstands über einen vorbestimmten Zeitraum.
  • Bei einer zur Lösung der genannten Aufgabe vorgesehenen Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe sind Messmittel zum kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Messen der Werte wenigstens eines sich über die Zeit ändernden Betriebsdatums der Lampe und Mittel zum Verändern der Frequenz der Wechelspanning oder des Wechselstroms (Betriebsfrequenz) in Abhängigkeit von den gemessenen Werten vorgesehen. Eine solche Vorrichtung kann auch bei bereits produzierten Gasentladungslampen und Gasentladungslampen verwendende Leuchtvorrichtungen aller Art, wie insbesondere Projektoren, Kfz-Beleuchtungsanlagen etc., leicht angewandt bzw nachgerüstet werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine wenigstens einen Mikroprozessor umfassende kompakte Auswerte- und Steuereinheit zur Steuerung der Betriebsfrequenz, der Brennspannung und des der Gasentladungslampe zugeführten Wechselstroms sowie zur Auswertung und Überwachung der gemessenen Werte auf das Erfüllen vorgegebener oder vorgebbarer Randbedingungen auf, wobei vorteilhaft von den bei bereits existierenden Vorrichtungen zum gepulsten Betrieb von Gasentladungslampen vorhandenen Prozessoren und Einheiten Gebrauch gemacht werden kann
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung vorteilhafter Durchführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird.
    Es zeigen:
    • Fig 1
    einen typischen zeitlichen Verlauf des einer Gasentladungslampe beim gepulsten Betrieb zugeführten Betriebsstroms
    Fig. 2
    eine schematische Darstellung des seitlichen Profils einer mit einem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren geformten Elektrode.
  • In der bereits genannten US 5,608,294 ist ein elektronisches Vorschaltgerät beschrieben, mittels welchem eine Stromform gemäß Fig 1 mit einem Extra-Strompuls der Höhe 13 und der Dauer tp am Ende der jeweiligen Halbwelle der Gesamtdauer t1/2 und der Grundhöhe I2 erzeugt werden kann Vorzugsweise wird dies durch ein mikroprozessor-gesteuertes Vorschaltgerät realisiert, das auch die Lampen- Betriebsfrequenz steuern kann Dieses kann auch einen Datenträger umfassen, der ein Steuerprogramm zur Ausführung der nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte enthält. Ebenso kann eine Lesevorrichtung vorgesehen sein, mittels welcher ein maschinenlesbarer Datenträger gelesen und die Daten zu dem Vorschaltgerät übermittelt werden können.
  • Zum Aufbau einer Elektrode mit der gewünschten, in Fig 2 im Profil gezeigten Fonn wird die Lampe ausgehend von einer niedrigen Startfrequenzen im Pulsbetrieb mit langsam steigender Frequenz betrieben. Eine niedrige Frequenz am Beginn der Sequenz sorgt für eine breite Struktur 1 als Basis, auf der dann bei höheren Frequenzen immer eine schmalere Strukturen 2 und 3 aufgebaut werden. Der Übergang kann kontinuierlich oder in diskreten Stufen erfolgen. Praktische Ergebnisse wurden zB. bei einem Betrieb von jeweils einigen Stunden Dauer mit 45, 65, 90 und 130 Hz in dieser aufsteigenden Reihenfolge erzielt. Mit dieser Betriebsart war es möglich, den Elektrodenabstand bei einer Hochdruck-Gasentladungslampe üblicher Bauart von 1,3 mm auf 0,7 mm zu verringern. Bei längerem Betrieb (einige 100 Stunden) der so konditionierten Lampe mit der höchsten Frequenz brennen die Elektroden dann allmählich wieder in den Ausgangsabstand zurück, was durch einen Anstieg der Brennspannung leicht beobachtet werden kann.
  • Steigt die Brennspannung, kann erfindungsgemäß die Elektrode mit langsam aufsteigenden Frequenzen erneut behandelt werden, bis die Spitzenstrukturen der Elektroden fast vollständig wieder aufgebaut sind. Nach jedem solchen Regenerationsvorgang kann die Lampe für ca. 100 Stunden auf der höchsten gewählten Frequenz betrieben werden.
  • Dabei hat die Erfindung den großen Vorteil, dass auch während der Regenerationsphasen das Licht der Lampe benutzt werden kann. Insgesamt ergibt sich bei steigendem Elektrodenabstand in der Regel ein Absinken der optischen Effizienz (z.B. ein Absinken der Schirmhelligkeit bei Videoprojektion, die dann bei der Regeneration wieder ansteigt). Diese auf einer Zeitskala von 100 Stunden schwankende Systemeffizienz ist in jedem Fall ein großer Vorteil gegenüber einer kontinuierlich absinkenden Effizienz.
    Die Notwendigkeit einer erneuten Regeneration ist leicht aus dem Spannungsanstieg der Lampe ermittelbar. Steigt die Brennspannung über einen vorgegeben Wert, wird eine erneute Regeneration gestartet.
  • Beispielhaft wird im folgenden erläutert, wie das erfindungsgemäße Verfahren beim Betrieb einer Gasentladungslampe eines Videoprojektors ablaufen kann:
  • Ein erstmaliger Betrieb der Lampe wird über einen Betriebsstundenzähler erkannt, der bei einem Lampenwechsel automatisch zurückgesetzt wird Dies ist bei vielen marktüblichen Projektoren bereits realisiert.
  • Die Lampe wird anfangs bei einer möglichst niedrigen Frequenz (z.B. 45 Hz) betrieben. Dieser Betrieb kann über einen festen Zeitraum (zB. 1 Betriebsstunde) erfolgen. Alternativ kann die Frequenz auch so lange festgehalten werden, bis kein nennenswerter Spannungsrückgang (was ein Aufwachsen von Strukturen anzeigt) mehr zu beobachten ist. Vorteil dieser Verfahrensart ist, dass individuelle Unterschiede beseer berücksichtigt werden können, als beim Betrieb über feste Zeiträume.
  • Anschließend wird die Frequenz erhöht. Dabei hat sich gezeigt, dass ein Erhöhen der Frequenz auf das etwa 1,2- bis 1,8-fache der jeweils vorangehenden Frequenz empfehlenswert ist. Die Betriebsdauer mit der neuen Frequenz kann dann wiederum über einen festen Zeitraum oder solange erfolgen, bis kein nennenswerter Spannungsrückgang mehr festzustellen ist.
  • Insgesamt wird die Frequenz so lange erhöht, bis entweder a) ein festgesetztes Frequenzlimit erreicht ist, b) eine festgesetzte Spannung erreicht ist oder c) kein nennenswertes Wachstum nach Erhöhung der Frequenz mehr zu beobachten ist.
  • Die so ermittelte Frequenz wird festgehalten und kann beispielsweise so lange benutzt werden, bis die Spannung wieder erheblich, zB. bis auf das Anfangsniveau, angestiegen ist. Vorzugsweise werden die Elektroden aber bereits vor Anstieg auf das Ausgangsniveau neu "regeneriert", wozu die Lampe wieder mit einer möglichst niedrigen Frequenz betrieben wird.
  • Mit den erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Brennspannung und Bogenlänge bzw. Elektrodenabstand bei Gasentladungslampen erheblich reduzieren. Beispielsweise konnte bei einer Gasentladungslampe üblicher Bauart mit Elektroden der eingangs beschriebenen einfachen und kostengünstigen Bauart, bei der der Lampenstrom I2 zur Regelung der Leistung eingestellt wurde und der Pulsstrom I3 2,8 A betrug, mit einer Betriebsfrequenzfolge von 45, 65, 90 und 130 Hz die Brennspannung von anfänglich 85 V auf 52 V und die Bogenlänge von anfänglich 1,3 mm auf 0,7 mm reduziert werden, wobei diese erstaunliche Reduzierung wohlgemerkt nicht in einem separaten Bearbeitungsprozess, sondem während der "normalen" Nutzung der Lampe zum Beispiel im Projektionsbetrieb erfolgte.
  • Im Rahmen des Erfinchungsgedankens sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen möglich, die sich zum Beispiel auf die Randbedingungen, bei denen die Betriebsfrequenzen erhöht oder erniedrigt werden, oder die Wahl der Betribsfrequenzen beziehen. Wesentlich ist, dass das Verfahren eine Bearbeitung der Elektroden beim Betrieb der Gasentladungslampe dadurch ermöglicht, das durch kontrolliertes Verändern der Betriebsfrequenz Transportphänomene zum Anlagern von Material auf den Elektroden genutzt werden.

Claims (20)

  1. Verfahren zum Betreiben einer mit Wechselspannung oder Wechselstrom gespeisten Gasentladungslampe, bei dem insbesondere in bestimmten Zeitintervallen die Momentanleistung der Lampe erhöht wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Werte wenigstens eines einen Rückschluss auf den Zustand der Elektroden, insbesondere den Elektrodenabstand, zulassenden Betriebsdatums der Lampe kontinuierlich oder diskontinuierlich gemessen werden und
    - die Frequenz der Wechselspannung oder des Wechselstroms (Betriebsfrequenz) in Abhängigkeit von den gemessenen Werten so gewählt wird, dass ein gewünschter Zustand der Elektroden hinsichtlich deren Abstand oder Form erreicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Betriebsfrequenz in Abhängigkeit von den gemessenen Werten wenigstens eines Betriebsdatums aus der folgenden Gruppe von Betriebsdaten gewählt wird: Gesamtbetriebsdauer der Lampe, Brennspannung, abgegebene oder aufgenommene Leistung, Bogenlänge, Elektrodenabstand.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die gemessenen Werte auf das Erfüllen vorgegebener Randbedingungen überwacht werden und dass bei Erfüllung einer ersten Randbedingung (Startbedingung) die Lampe mit einer niedrigen Betriebsfrequenz (Startfrequenz) betrieben wird, bis eine zweite Randbedingung erfüllt ist, worauf die Betriebsfrequenz erhöht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Betriebsfrequenz nach Erfüllen der Startbedingung ausgehend von der Startfrequenz kontinuierlich oder vorzugsweise in diskreten Schritten erhöht wird, bis eine vorgegebene dritre Randbedingung (Abbruchbedingung) erreicht ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Startbedingung als erfüllt angesehen wird, wenn eine bestimmte Betriebsdauer vorliegt oder erreicht ist und/oder die notwendige Brennspannung auf einen vorbestimmten Wert angestiegen ist und/oder der Elektrodenabstand sich auf einen vorbestimmten Wert vergrößert hat.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die zweite Randbedingung als erfüllt angesehen wird, wenn die Lampe mit der Startfrequenz eine bestimmte Zeitdauer betrieben wurde oder wenn bei der direkten oder indirekten Messung des Elektrodenabstands über einen vorbestimmten Zeitraum keine Änderung mehr feststellbar ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Abbruchbedingung als erfüllt angesehen wird, wenn eine vorbestimmte Betriebsfrequenz (Maximalfrequenz) erreicht ist oder wenn die notwendige Brennspannung auf einen vorbestimmten Minimalwert abgesunken ist oder wenn bei der direkten oder indirekten Messung des Elektrodenabstands über einen vorbestimmten Zeitraum keine Änderung mehr feststellbar ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Startbedingung und Startfrequenz betriebszustandsabhängig gewählt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die gewählten Betriebsfrequenzen zwischen etwa 40 und 600 Hz liegen.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Betriebsfrequenz in diskreten Schritten jeweils um etwa das 1,2- und 1,8-fache erhöht wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zur Erzielung von auf den Elektroden aufgewachsenen Strukturen mit einem Durchmesser D die Betriebsfrequenz f gemäß der Beziehung D = a / f½ gewählt wird, wobei a eine lampenspezifische, insbesondere von Elektrodenmaterial und -geometrie abhängige Konstante der Einheit [Meter * Hertz½] und f die Frequenz in Hertz ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass es zum Bearbeiten der Elektroden der Lampe während des Betriebes der Lampe bei Erfüllung der ersten Randbedingung aktiviert wird.
  13. Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe mit Wechselspannung oder Wechselstrom derart, dass in bestimmten Zeitintervallen die Momentanleistung der Lampe erhöht wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - Messmittel zum kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Messen der Werte wenigstens eines einen Rückschluss auf den Zustand der Elektroden, insbesondere den Elektrodenabstand, zulassenden Betriebsdatums der Lampe und
    - Mittel zum Verändern der Frequenz der Wechselspannung oder des Wechselstroms (Betriebsfrequenz) in Abhängigkeit von den gemessenen Werten in der Weise vorgesehen sind, dass ein gewünschter Zustand der Etektroden hinsichtlich deren Abstand oder Form erreicht wird.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Messmittel zur Messung der Werte wenigstens eines Betriebsdatums aus der folgenden Gruppe von Betriebsdaten ausgebildet sind: Gesamtbetriebsdauer der Lampe, Brennspannung, abgegebene oder aufgenommene Leistung, Bogenlänge, Elektrodenabstand.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass wenigstens eine mit den Mitteln zum Verändern der Betriebsfrequenz gekoppelte Überwachungseinheit zur Überwachung der gemessenen Werte auf das Erfüllen vorgegebener oder vorgebbarer Randbedingungen vorgesehen ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine wenigstens einen Mikroprozessor aufweisende kompakte Auswerte- und Steuereinheit zur Steuerung der Betriebsfrequenz, der Brennspannung und des der Gasentladungslampe zugeführten Wechselstroms sowie zur Auswertung und Überwachung der gemessenen Werte auf das Erfüllen vorgegebener oder vorgebbarer Randbedingungen vorgesehen ist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen etwa 40 und 600 Hz liegende Betriebsfrequenzen erzeugbar sind.
  18. Verwendung einer Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe nach einem der Ansprüche 13 bis 17 in einem Projektor.
  19. Verwendung einer Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe nach einem der Ansprüche 13 bis 17 in einem Fahrzeug.
  20. Maschinenlesbarer Datenträger mit einem Steuerprogramm zur Steuerung einer Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe enthaltend maschinenlesbare Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
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