EP2382846A2 - Verfahren und elektronisches betriebsgerät zum betreiben einer gasentladungslampe sowie projektor - Google Patents

Verfahren und elektronisches betriebsgerät zum betreiben einer gasentladungslampe sowie projektor

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Publication number
EP2382846A2
EP2382846A2 EP10700722A EP10700722A EP2382846A2 EP 2382846 A2 EP2382846 A2 EP 2382846A2 EP 10700722 A EP10700722 A EP 10700722A EP 10700722 A EP10700722 A EP 10700722A EP 2382846 A2 EP2382846 A2 EP 2382846A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
lamp
voltage
commutation
gas discharge
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10700722A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin BRÜCKEL
Bärbel Dierks
Peter Flesch
Josef KRÖLL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram GmbH filed Critical Osram GmbH
Publication of EP2382846A2 publication Critical patent/EP2382846A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters
    • H05B41/288—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices and specially adapted for lamps without preheating electrodes, e.g. for high-intensity discharge lamps, high-pressure mercury or sodium lamps or low-pressure sodium lamps
    • H05B41/292—Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions
    • H05B41/2928—Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions for protecting the lamp against abnormal operating conditions

Definitions

  • the invention relates to a method and an electronic operating device for operating a gas discharge lamp, wherein the gas discharge lamp is operated with a rectangular lamp current.
  • the invention also relates to a projector having such a control gear.
  • gas discharge lamps have increasingly been used instead of incandescent lamps because of their high efficiency.
  • high-pressure discharge lamps are more difficult to handle with respect to their operation than low-pressure discharge lamps, and the electronic control gear for these lamps are therefore more expensive.
  • Display systems such as DLP projectors (short for "digital light processing projector"), include a lighting device with a light source whose light is directed to a DMD chip (short for "digital mirror device chip”).
  • the DMD chip comprises microscopically small pivoting mirrors which either direct the light onto the projection surface if the associated pixel is to be switched on or direct the light away from the projection surface, for example onto an absorber if the associated pixel is to be switched off.
  • Each mirror thus acts as a light valve that controls the light flux of a pixel.
  • These light valves are called DMD light valves in the present case.
  • DMD light valves for color generation comprises a DLP Proj ector in the case of a lighting device that emits white light, such as a filter wheel, which is arranged between lighting device and DMD chip and filters of different colors, such as red, green and blue contains. With the aid of the filter wheel, light of the respectively desired color is let through sequentially from the white light of the illumination device.
  • the color temperature of such display systems is generally related to the color location of the light of the illumination device. This usually changes with the operating parameters of the light sources of the lighting device, such as voltage, current and temperature. Furthermore, depending on the light source used, the ratio between current intensity and luminous flux is not necessarily linear. This leads to a change in the current also to a change in the color location of the light of the light source and thus to a change in the color temperature of the display system.
  • the color depth of the display system is limited by the minimum duty cycle of a pixel.
  • dithering in which individual pixels are switched at a frequency lower than the regular frequency of 1/60 Hz.
  • this usually leads to a visible to the human observer noise.
  • the contrast ratio of the display system is defined by the ratio of maximum light flux with fully opened light valves to minimal light flux with fully closed light valves.
  • the minimum light flux can be further reduced with completely closed light valves by means of a mechanical diaphragm.
  • a mechanical shutter takes up space in the lighting device or display system, increases the weight of the lighting device or the display system, and also provides an additional potential source of noise.
  • High intensity discharge lamps as used in such display systems can also be dimmed but thrown the dimmed operation has problems with the electrode temperature and the arc approach of the high pressure discharge lamp. The bow approach is fundamentally problematic when operating a gas discharge lamp with alternating current.
  • commutation is considered to be the process in which the polarity of the voltage of the gas discharge lamp changes, and therefore, a large current or voltage change occurs.
  • the voltage or current zero crossing is detected. It should be noted that the voltage commutation usually always runs faster than the current commutation.
  • the inner end of the lamp electrode which is in the discharge space of the gas-discharge lamp burner, is referred to as the electrode end.
  • the electrode tip is a needle-shaped or hump-shaped elevation on the end of the electrode, the end of which serves as a starting point for the arc.
  • a major problem of high-pressure discharge lamps is the change or deformation of the electrodes over the entire service life.
  • the shape of the electrode changes away from the ideal shape towards a more and more fissured surface, especially at the inner end of the electrode.
  • the discharge arc always forms from electrode tip to electrode tip. If there are several electrode tips of equal size on an electrode, it can lead to a bow jump and thus to a flickering of the lamp.
  • Electrode tips which have not grown up in the center worsen the optical imaging since the optics of a projector or of a luminaire in which such a gas discharge lamp is used are designed for a specific position of the discharge arc and, in particular, adjusted to the initial state of the electrodes and of the discharge arc.
  • uneven growth of the electrode tips may occur so that the arc is no longer centered, but axial displaced in the burner vessel is arranged. This deteriorates the optical image of the entire system as well.
  • the fracture leads to an increase in the original electrode spacing and thus also influences the lamp voltage. Since this increases in proportion to the distance, a premature life shutdown can occur, as it usually responds when the lamp voltage exceeds a predetermined threshold. In summary, there is a reduction in the lamp life and the quality of the light emitted by the lamp.
  • the cited document proposes applying a current pulse to the electrodes in such a way that the grown-up electrode tips are thereby melted back. Thereby the distance between the electrodes can be increased again, the lamp voltage can be increased, and thus the required current can be lowered.
  • the present invention relates to the problem of providing a method in which the electrodes are kept as possible over the entire life of the gas discharge lamp in an optimal state in which the electrodes are at a distance from each other, as far as possible the original distance at a corresponds to new lamp, as well as to keep the surface of the electrode ends smooth with centrally grown tips, which form a defined starting point for the arc.
  • the method should also have the ability to be able to meet external constraints when synchronizing the commutation.
  • the teaching of WO 2007/045599 A1 therefore does not solve the abovementioned problem.
  • the solution of the object with respect to the method is carried out according to the invention with a method for operating a gas discharge lamp (LP), the gas discharge lamp (LP) is operated with a rectangular lamp current, and the lamp current over time has predetermined commutation, and on These commutation can be commutated to generate a Kommut réellesmusters.
  • LP gas discharge lamp
  • this commutation pattern is preferably so pronounced that the temporal mean value of the commutation pattern preferably corresponds to a predetermined frequency.
  • the gas discharge lamp can be operated at the optimum frequency for it.
  • the commutation pattern is generated by omitting the commutation points at which no commutation is to take place. This represents the simplest embodiment, which also offers a good operational safety, since only the commutations are carried out, which are absolutely necessary.
  • the commutation pattern is generated by the fact that at the commutation, where no commutation is to take place, yet a commutation ststtfindet, but this is reversed by an immediately following further commutation.
  • This procedure is also called double commutation.
  • the rectangular lamp current can be exactly synchronized with respect to a higher-level control, although a frequency which is optimal for the gas discharge lamp can be adjusted over the time average of the lamp current. It is thus possible to control the square-wave lamp current in its fundamental frequency and in its phase position with respect to a higher-level control, e.g. the video electronics of a projector to synchronize, and still produce any frequency necessary for the optimized operation of the gas discharge lamp.
  • 1 is a graph showing the relationship between the duration of a voltage applied to the gas discharge lamp DC voltage phase and the lamp voltage for a first embodiment of the operating method.
  • FIG. 2 is a graph illustrating a second embodiment of the method of operation
  • FIG. 3 is an illustration of a pair of electrodes before and after optimization by the method in the second embodiment
  • 5 shows the course of the lamp current in a mode of operation with maintenance pulses
  • 6a is a graph showing the relationship between the lamp voltage and the commutation frequency in a first embodiment of the third embodiment of the method of operation
  • Fig. 6b is a graph showing the relationship between the lamp voltage and the commutation frequency in a second embodiment of the third embodiment of the method of operation;
  • Fig. 6c is a waveform of the lamp current for the second embodiment of the third embodiment of the method of operation
  • FIG. 7 shows a signal flow graph for schematically illustrating a fourth embodiment of an operating method
  • FIG. 10 shows the state of the front part of the electrodes in the initial state (FIG. A)), after the overmelting (FIG. B)), and the growth of the electrode tips in the initial phase (FIG. C)) and in the state of completed regeneration (Fig. D));
  • Fig. 11 shows the time course of the lamp current and the lamp voltage when driven with asymmetric current duty cycle during the overmolding phase.
  • 12 is a schematic representation of an embodiment of a lighting device for carrying out the method
  • FIG. 13 is a schematic sectional view of a first embodiment of a display system
  • FIG. 14 is a schematic diagram of a light curve used in the first embodiment of the display system.
  • 15A-C are schematic diagrams of three exemplary light curves for operating a lighting device according to the operating method of the fifth embodiment
  • FIG. 16 shows a schematic diagram of an exemplary current intensity illuminance characteristic of a light source for operating a lighting device according to the invention.
  • FIG. 17 shows a schematic circuit diagram of an exemplary circuit arrangement for carrying out the method according to the invention.
  • Fig. 1 is a graph showing the relationship between the duration of a voltage applied to the gas discharge lamp DC voltage (curve VT), a distance between two DC voltage phases (curve OT), a voltage change in the DC voltage phase (curve VP) and the lamp voltage for a first embodiment of the operating method according to the invention.
  • the curve VT thus represents the length of the DC voltage phase as a function of the lamp voltage.
  • the curve OT represents the distance, also referred to below as the blocking time, between two DC voltage phases, ie the time until a DC voltage phase is again applied to the gas discharge lamp. Since, upon application of a DC voltage phase, the electrode melts more or less and the electrode spacing and thus also the lamp voltage increases, this is greater after the DC voltage phase than before the DC voltage phases.
  • the curve VT now shows the change in the lamp voltage during the DC voltage phase as a function of the lamp voltage.
  • the change may be quite large, in the present case up to 5V, since an increase in the electrode spacing is strongly desired.
  • the maximum change in lamp voltage should only be IV.
  • the inventive method ensures a defined distance of the electrode tips and a smooth as possible, little rugged form of the electrode ends over the entire life of the gas discharge lamp. This is achieved by DC clamping achieved on demand, which melt over the electrode ends as required and also promote electrode growth.
  • DC voltage phases consist of the omission of a few commutations. These omissions are placed so that the electrodes are always only mutually charged, that is, once the one electrode acts as an anode during a DC voltage phase, then acts after a break with normal lamp operation, the other electrode during a DC voltage phase as an anode. The frequency itself is not changed. In a positive DC voltage phase always only a first electrode of the gas discharge lamp is heated, in a negative DC voltage phase, only a second electrode of the gas discharge lamp is always heated.
  • the DC voltage phases are thus generated by the omission of commutations or by insertion of pseudo commutations. In the second variant, they are thus no DC voltage phases in the narrower sense, since in between the voltage and thus the current direction per pseudo-commutation is reversed twice, and quite a few pseudo-commutations per 'DC voltage phase' can occur.
  • a so-called maintenance pulse can accelerate the peak growth of the electrode tip, and preferably after a long DC phase applied to grow again on the oval or round electrode end an electrode tip, which produces a good arc starting point.
  • a maintenance pulse is a short current pulse which is applied to the gas discharge lamp shortly before or shortly after the commutation in order to heat the electrode.
  • the length of the maintenance pulse is between 50 ⁇ s and 1500 ⁇ s long, whereby the current level of the maintenance pulse is greater than in steady state operation. This achieves an overmelting of the outer end of the electrode tip whose thermal inertia has a time constant of approximately 100 ⁇ s.
  • the lamp is always applied at regular intervals with a DC voltage phase whose length depends on the lamp voltage.
  • the distances between two DC voltage phases are dependent on the lamp voltage.
  • the method now uses the characteristic curve VT according to FIG. 1 for the calculation of the length of the DC voltage phases which are applied to the gas discharge lamp.
  • the length of the DC voltage phases is in the preferred embodiment at 65V 40ms, the DC voltage phases become longer with decreasing voltage, and then reach a length of 200 ms at 60V.
  • the length of the DC voltage phases can vary between 5 ms and 500 ms depending on the lamp type.
  • the DC voltage phases are applied to the gas discharge lamp at regular intervals. The distances depend on the lamp voltage, but not shorter than 180s.
  • the duration between two DC voltage phases (OT blocking time) as shown in FIG. 1 (curve OT) is 200s at 60V lamp voltage, rising to 600s at 65V lamp voltage, then dropping back to 300s at HOV lamp voltage.
  • the duration between two DC voltage phases increases from 180s at 60V to 300s at 65V, then drops again to 180s at HOV lamp voltage.
  • the time span between two DC voltage phases can vary between 180s and 900s, depending on the lamp type. In summary, it can thus be said that at lower voltage, the DC voltage phases are more often applied to the gas discharge lamp and are also longer and thus more energy-rich.
  • the frequency of the DC voltage phases also increases again to reach 200ms again at HOV. Between the DC voltage phases is in the normal - I i
  • the frequency of the DC voltage phases is minimal in this area.
  • the length of the DC voltage phases is about 40 ms in the preferred embodiment.
  • the length of the DC voltage phases can be between 0 ms and 200 ms depending on the lamp type. For some lamp types, the DC voltage phases in this area can be completely dispensed with.
  • the duration of the DC voltage phases in the preferred embodiment varies from 40ms at 75V to 200ms at HOV lamp voltage of the gas discharge lamp burner. Depending on the lamp type, the duration of the DC voltage phases can vary from 2 ms to 500 ms.
  • the time span between two DC voltage phases in the present embodiment is 180 s at 60 V lamp voltage, then rises to 600 s at 65 V lamp voltage, and drops to 300 s at HOV lamp voltage.
  • the time span between two DC voltage phases can vary between 180s and 900s, depending on the lamp type. In summary, it can be said that the duration of the DC voltage phases increases with increasing lamp voltage, the DC voltage phases being applied more frequently to the gas discharge lamp with increasing lamp voltage and with very low lamp voltage.
  • the length of the DC voltage phases is not controlled by a characteristic, but the length of the DC voltage phases is controlled by the lamp voltage in the DC voltage phase itself.
  • the curve VP already described above describes the maximum voltage change of the lamp voltage in the DC voltage phase as a function of the lamp voltage. The voltage change is measured during the DC voltage phase.
  • the circuit implementing the method has a measuring device which can measure the lamp voltage before the DC voltage phase and above all the change of the lamp voltage during a DC voltage phase. The change in the lamp voltage during the DC voltage phase is evaluated in response to a termination criterion, and the DC voltage phase when the voltage is reached Abort criterion finished.
  • Fig. 2 is a graph illustrating the method of the second embodiment.
  • the gas discharge lamp is operated in normal operation without application of DC voltage phases. But leaves the lamp this voltage range, DC voltage phases are applied to the lamp.
  • the length of the DC voltage phases depends on the lamp voltage and above all on the change in the lamp voltage which is applied during the DC voltage phases.
  • the DC voltage phases are maintained until the lamp voltage has risen by a previously calculated or a predetermined value ⁇ Ui, ⁇ U2.
  • the voltage increase of the lamp voltage in the DC voltage phase is between 0.5V and 8V depending on the gas discharge lamp. In a preferred embodiment, the desired voltage rise is between 5V at 60V and IV at 65V.
  • the DC voltage phase is terminated so as not to damage the electrodes.
  • the process is carried out anew, that is, the lamp voltage is measured and another DC phase applied when the lamp voltage is outside the optimum range of 65- 75V. These steps are repeated periodically until the lamp voltage is again in the optimum range.
  • a DC phase which has always been a positive phase for the first electrode and a negative phase for the second electrode, has been divided into these two phases to treat different states of the two lamp electrodes.
  • the length of the DC phase is determined for the previously calculated voltage rise for the first electrode and applied to the second electrode in a subsequent inverse DC phase.
  • the length of the DC voltage phases for each electrode is calculated from the voltage increase during the DC voltage phases.
  • the magnitude of the voltage increase is the same for both DC voltage phases.
  • an individual electrode forming takes place for centering the arc in the burner axis.
  • the following method steps are carried out:
  • the duration or voltage increase of the DC phase for the desired displacement of the electrode center of gravity is calculated proportional to the individual length of the electrode tip: [40] For an asymmetric electrode geometry after the
  • T T DC phase first electrode + T DC phase second electrode '
  • the optical system can optimize and thus maximize its overall efficiency through a control loop that includes the electrode forming mechanisms.
  • a method is also conceivable that the first embodiment and the second embodiment use mixed to obtain the electrodes and the electrode tips in an optimum state.
  • An advantageous mixture could include that at lamp voltages below the lower lamp threshold, a method of the second embodiment is used wherein the length of the DC phase is determined by the lamp voltage change during this DC phase and at lamp voltages above the upper lamp threshold a method the first embodiment is used, in which the length of the DC phase is calculated or given by a characteristic.
  • FIG. 3 shows an illustration of a pair of electrodes before and after optimization of the method in the second embodiment.
  • FIG. 3a shows a pair of electrodes 52, 54 with the electrode ends 521, 541 and the electrode tips 523, 543 prior to the application of the method in the second embodiment.
  • the center 57 of the electrodes is not at the optimum center 58 of the torch vessel because the electrode tip 543 has grown much further than the electrode tip 523. Therefore, the method in its second embodiment is used to compensate for asymmetric electrode geometry.
  • the electrodes 52, 54 look as shown in FIG. 3b: both electrode tips 523, 543 are again of equal length, the center 57 between the electrode tips again lies in the burner center 58.
  • the discharge arc burns optimally again in the center of the burner vessel, and the optical efficiency of the overall system is maximized.
  • FIG. 4 shows the profile of the lamp voltage U D c and of the lamp current I D c during a DC voltage phase with different temporal resolution.
  • the two curves are shown in a low temporal resolution of 4ms / DIV. It is especially good to see on the stream that the positive as well as the negative DC phase is composed of 3 normal half-waves. This can be seen well on the 2 needle-shaped current pulses 61, 62, which divides the DC voltage phase into 3 areas. The pulses can also be seen in the lamp voltage.
  • the lower graph shows one of these pulses in a larger temporal resolution of 8 ⁇ s.
  • the double commutation is best seen, especially at the lamp voltage U DC , the voltage U DC jumps with a positive edge to its upper value and about 2 ⁇ s later with a negative edge to its lower value, where it remains until the next commutation .
  • the lamp current I DC wants to swing after the first commutation, but is too slow, so that only a small current collapse is recorded during the 2us. This is because the current commutation, as already mentioned, proceeds more slowly than the voltage commutation.
  • FIG. 5 shows a profile of the lamp current in which the gas discharge lamp is operated with the above-mentioned maintance pulses MP. It can also be seen clearly here that the DC voltage phase DCP is composed of two half-waves HW, since two maintenance pulses MP occur in the DC voltage phase. [47] Thus, the DC voltage phases are composed of half-waves of the normal operating frequency, so that the highest operating frequency is always an integer or fractionally rational multiple of the frequency of the DC voltage phases.
  • a continuous adjustment of the operating frequency takes place as a function of the lamp voltage.
  • the method can be operated in various forms.
  • the operating frequency is changed in discrete steps, depending on the lamp voltage. The higher the lamp voltage, the higher the frequency becomes. Since commutation can take place only at certain times due to various boundary conditions in the overall system, the operating frequency can only assume a limited number of frequency values. If the gas discharge lamp is e.g. operated in a video projector with a color wheel, the operating frequency of the gas discharge lamp can only be commutated when the color wheel is in a position in which is currently changing from one color segment to the next. Due to the uniform number of revolutions of the color wheel, which in turn depends on the frame rate of the video image, in principle, the frequency of commutation over a revolution of the color wheel is fixed.
  • Operating frequency to be driven In order to operate the gas discharge lamp optimally, but should always be a fixed at a certain lamp voltage Operating frequency to be driven.
  • a lamp current with an operating frequency of 100 Hz is applied to the gas discharge lamp. Since the operating frequency can only assume a few discrete frequency values due to the above boundary conditions, the adaptation of the operating frequency to the lamp voltage is quite rough.
  • the highest operating frequency is the frequency at which commutation is also performed at all possible commutation times. This frequency is the highest frequency that can be represented in the system.
  • the possible commutation times which are predetermined by the abovementioned boundary conditions, for example of a color wheel, are, as already mentioned above, also referred to as commutation points.
  • the operating frequency of the gas discharge lamp is adjusted continuously on the basis of a characteristic curve.
  • the characteristic curve of a preferred embodiment is shown in FIG. 6b. Up to a certain lamp voltage of here 50V, the operating frequency always remains equal to about 100Hz. From a lamp voltage above 50V, the operating frequency increases continuously up to a lamp voltage of 150V. Due to the above embodiments, not every operating frequency can be approached directly. Therefore, a method is used in which the inverter operates the gas discharge lamp at a series of discrete frequencies, all of which represent an integer or fractionally rational fraction of the highest operating frequency.
  • 6c shows an exemplary waveform with commutation points 31, 32, 33, 34, 35, in which, if necessary, a commutation can take place. If a commutation occurs at each of these points, the highest operating frequency is generated, and one half-wave is exactly one half-wave in each case. Also in this embodiment, there are again the possibilities to omit commutations really, or instead omit the commutation to execute two fast commutations in a row.
  • the method is also suitable if the possible commutation points per se are not always equally spaced.
  • the different color sectors of the color wheel are also different in width, so that the time intervals of the possible commutation sites are different. This is not a problem in the present method, since the higher-level control unit can take this into account and from the multiplicity of frequencies exhibiting the different shafts through the above-mentioned temporal frequency distribution the time average of the resulting frequency exactly to the predetermined operating frequency of the gas discharge lamp can adapt.
  • FIG. 7 shows a signal flow graph for a schematic representation of a fourth embodiment of the method. This begins in step 100 with the start, ie ignition of the lamp. Subsequently, it is checked in step 120 whether at least one parameter lies in a range of values that is correlated with the fact that the first and / or the second electrode is rugged. As this Parameter is preferably the lamp voltage or the operating time since the first commissioning or since the last time the process or the distance of the electrodes into consideration. If the question is answered in the negative, the gas discharge lamp is operated in step 150 in normal lamp operation. If the question is answered yes, the lamp is initially also operated in step 125 in normal lamp operation.
  • a start criterion for overmelting is fulfilled.
  • the starting criterion can be, for example, the achievement of a specific lamp voltage U B ss o ii.
  • no overmelting step is performed during normal lamp operation.
  • the overmelting of the electrodes is initiated in step 135.
  • Fig. 8 shows a schematic representation of the time course of the lamp voltage U B of a discharge lamp after its switching. As can be seen, the lamp is operated within the first 45 seconds with a power P less than the nominal power P nom .
  • This phase is referred to as start-up phase, while the current supplied to the lamp is limited in order not to overload the gas discharge lamp or the electronic control gear.
  • the lamp voltage U B has not risen to its continuous operating value in the region after 45 s, the lamp is already operated there at the nominal power P nom , ie there is no current limitation active there.
  • This phase is referred to as a power control phase, during which the lamp is operated at substantially its nominal power.
  • the normal lamp operation is thus composed of a start-up phase, which starts with the start of the lamp, and a power control phase, which adjoins the start-up phase and after a certain time in the stationary state, while the gas discharge lamp substantially with their nominal parameters is operated.
  • the startup phase after switching on until 45 s is particularly suitable for carrying out the method since the burner temperature there is still low and the user is not yet operating the lamp for the intended purpose.
  • FIG. 9 shows a schematic representation of the time curve of the ratio of the power P to the nominal power P nO m in percent and of the lamp voltage U B during the performance of a preferred exemplary embodiment of the method.
  • the discharge lamp is operated with the nominal power P nO m.
  • the power P is lowered to 30% of the nominal power. This leads to cooling of the discharge lamp, from which the advantages already mentioned in connection with FIG. 2 result.
  • the discharge lamp is operated with a lamp current I which amounts to between 150 and 200% of the nominal lamp current I no m for overmolding of the electrodes.
  • the lamp is operated at a power which is approximately 75% of the nominal power Pn o m. Thereafter, ie, from time t 4 , the power is increased in 5% increments, each lasting about 20 minutes, until the nominal power reaches P nom or even beyond, resulting in the growth of new electrode tips. As can be seen from the course of the lamp voltage U B , this decreases from a constant value, which has been set during operation of the discharge lamp with the power Pn o m, during operation at a lower power and then gradually increases again.
  • FIG. 10a) to d) show the state of the front parts of the electrodes at different stages of performing the method.
  • Fig. 4a) shows the state before carrying out the method.
  • the front parts of the electrodes are clearly fissured, the electrode tips are arranged off-center, the distance between the electrodes is d a .
  • the state shortly after the overmolding of the front parts of the electrodes is shown in Fig. 10b).
  • Clearly visible is the hemispherical shape of the front parts of the electrodes, which are in the Melting due to the surface tension results. Instead of the fractures now shows a smooth electrode surface. The distance has grown to d b .
  • Fig. 11 shows the time profile of the lamp current, above, and the lamp voltage U B , below, when driven with asymmetric current Dutycyle during the overmelt phase. It is easy to see that individual commutations are executed twice in succession.
  • the fifth embodiment relates to an operation method that can be carried out by an operating device to improve image quality in an illumination device besides electrode forming.
  • the illumination device 10 comprises a light source 1, in the present case a gas discharge lamp, which emits light with a color location in the white region of the CIE standard color plate.
  • a gas discharge lamp In the gas discharge lamp 1 is a point light source with a very small arc distance, which has a high energy density of 100 W / mm 3 to 500 W / mm ⁇ .
  • the illumination device 10 according to FIG. 12 comprises an operating device 2, such as a function generator, which can provide electrical signals with a power of 100 W to 500 W and carries out the method according to the invention.
  • the operating device 2 controls the light source 1 according to the invention. method according to the invention with an electric current signal, which follows a light curve 3. Light curves 3 will be explained later in connection with FIGS. 13 and 15A to 15C.
  • the light curve 3 in the embodiment according to FIG. 15A comprises a periodic sequence of three segments S R , S G , S B.
  • the first segment S B is associated with the color blue, the second segment S R with the color red and the third segment S G with the color green.
  • This light curve 3 can be stored, for example, as an alternative to the light curve 3 according to FIG. 14 in the operating device 2 of the lighting devices 10, 11 used in the display systems according to FIG.
  • the different segments of the light curve are assigned to different partial half-waves, from which there is the alternating current to be applied to the gas discharge lamp, so that the lamp current follows the stored light curve. Since the light output of the gas discharge lamp correlates with the lamp current, the light output of the gas discharge lamp follows the stored light curve.
  • the first segment S B of the light curve of FIG. 15A is assigned the color blue and has a duration t B of approximately 1300 ⁇ s. During this time interval t B , the luminous flux of the illumination device 10, 11 is approximately 108%.
  • the first segment S B is followed by a second segment S R , which is associated with the color red and has a duration of t R.
  • a first time interval t R i of the time interval t R the luminous flux of the illumination device 10, 11 is about 150% in the short term, while the light flux in a second time interval t R 2, which adjoins the first time interval t R i directly and forms with this the time interval t R , is about 105%.
  • the time interval t R i is significantly shorter than the time interval t R 2.
  • the time interval t R i in the present case is approximately 100 ⁇ s, while the time interval t R 2 in the present case amounts to approximately 1200 ⁇ s.
  • the second segment S R is followed by a third segment S G , which is associated with the color green and has a duration t G of likewise approximately 1300 ⁇ s.
  • the time interval t G is divided as the time interval t R in two time intervals t G i and t G 2, wherein the first time interval t G i is significantly longer than the second time interval t G 2.
  • the first time interval t G i is present about 1200 ⁇ s, while the second time interval t G 2 of the green segment has a duration of about 100 microseconds.
  • the light curve 3 has a constant value of approximately 85%, which is temporarily lowered for the time interval t G 2 to a value of approximately 45%.
  • Figure 15B shows two light curves 3.
  • the diagrams represent the illuminance and the color as a function of time. They each contain a full period of the light curve shape, as a rule between 16 and 20 ms.
  • Segments S ⁇ , S G , S M , S R , S 0 , S B together, which are assigned to the respective color.
  • the individual segments S ⁇ , S G , S M , S R , S 0 , S B are again assigned time intervals t ⁇ , t G , t M , t R , t c , t B , which can be divided into two or more three time intervals t Y i, t Y 2 t, G i, t G 2, TMI tM2 / TM3 / t R i, t R 2 t c i, t C2, t C 3, t B i, t B 2 split, each one of the time intervals is significantly longer than the others.
  • the values of the light flux in the long time intervals of the individual segments can be taken from the table in FIG. 15D in the "segment light level" row.
  • the yellow and the green segment S ⁇ , S G have a constant light flux of 80% during the long time interval.
  • the magenta and red segments S M , S R have a luminous flux of 120% during the long time interval, while the cyan segment S 0 has a luminous flux of 80% during the long time interval and the blue segment S B has a luminous flux of 120%. during the long time interval.
  • At the end of each segment is a short period of time during which the light level is lowered more than the long time interval.
  • the luminous flux is at 40%, at the magenta and at the red segment S M , S R to a value of 60%, lowered to a value of 40% in the case of cyan segment S c and to a value of 60% in the case of blue segment S B. Furthermore, at the end of magenta segment S M and at the end of the cyan segment S 0 a communication instead, which is symbolized by arrows and is each associated with a relative to the long time interval raised light flux.
  • segment sizes of the different colors are not identical, as can be seen in the table in FIG. 15D in the row "segment size", but amount to 60 ° at the yellow and the green segment S ⁇ , S G the magenta segment S M has a value of 40 °, the value of the red segment S R is 70 °, the cyan segment S c has a value of 62 °, and the blue segment S B has a value of 68 ° tuned to the light curve 3.
  • a filter wheel 6 with two red , two blue and two green filters application.
  • the filters are preferably arranged in the order of red, green, blue, red, green, blue.
  • the sizes of the individual color filter segments can be the same (60 ° for all six filters) or different, matched to the light curve used 3.
  • the filter wheel can alternatively consist of only one red, one blue and one green filter.
  • the light curve 3 according to FIG. 15E comprises a periodic sequence of a segment S B associated with the color blue, a segment S R associated with the color red and a segment S G which is associated with the color green.
  • Each segment S R , S G , S B has a duration of approximately 1500 ⁇ s.
  • the time interval t B , the time interval t R and the time interval t G which are assigned to the respective segment S R , S G , S B , therefore have the same length.
  • the light curve 3 in each case has a constant value.
  • the light curve 3 has a value of about 95%, during the time interval t R a value of about 100% and during the time interval t G a value of about 110%.
  • the light curve 3 according to FIG. 15F shows, by way of example, short time intervals t B 2, t B 3, t R 2, t G i, t G 2, t G 3 at the end of each segment S R , S G , S B , similar to those already described above in connection with FIG. 15A.
  • the light curve 3 is in turn composed of a periodic sequence of a segment S B , which is associated with the color blue, a segment S R , which is associated with the color red and a segment S G , which is associated with the color green together.
  • the time interval t B , t R , t G of each segment is divided here into three time intervals of a long time interval ti B , t iR , ti G at the beginning of each segment S R , S G , S B and two short time intervals t B 2, t B 3, t R 2, t G i, t G 2, t G 3 respectively to the end of each segment S R , S G , S B.
  • the short time intervals t B 2, t B 3, t R 2, t Gi, t G 2, t G 3 the light flux of the light curve 3 and thus the alternating current through the gas discharge lamp are lowered stepwise.
  • the segment S B associated with the color blue is described here.
  • the light curve 3 is a value of about 110%.
  • the light curve 3 is a value of about 55%, while the value of the light curve 3 in the subsequent to the time interval t B 2 time interval t B 3 to approx 30% is lowered.
  • the time interval t B i has a duration of approximately 1300 ⁇ s, while the time intervals t B 2 and T B 3 each have a duration of approximately 10 ⁇ s.
  • the remaining segments S R , S G of the light curve are constructed identically, as are the segment S B , that of the color blue assigned.
  • the lowering of the light curve 3 during the short time intervals t B2 , t B 3, t R 2, t G i, t G2 , t G 3 serves to improve the color depth of the display system in which the illumination device is used.
  • the light curve 3 according to FIG. 15G shows the two light curve shapes already explained with reference to FIGS. 15E and 15F together in a light curve 3, as can also be used in a lighting device.
  • 15F is here also for the short time intervals t B2, t B3, t R2, t G i, t G2, t G3 of FIG 15G valid, while the levels of the light curve 3 during the long time intervals t B i, t R2, t G 3 each segment S R, S G , S B corresponds to the value according to the light curve 3 of Figure 15E.
  • the amperage-illuminance characteristic of the embodiment of FIG. 16 is approximately linear. It indicates a current in percent on the y-axis and a light level in percent on the y-axis.
  • the amperage-illuminance characteristic curve which can also be stored in the operating device 2 of the lighting device 10, 11, it is possible that with changed lamp operating parameters, such as the current intensity, the brightness of the light source 1, IR, IG, IB of the illumination device 10, 11 is kept at the illumination level predetermined by the light curve 3. Due to the correlation over the characteristic curve, the specification in the light curve can be converted directly into an alternating current for the gas discharge lamp. The different plateuas of the light curve will be thereby converted into respective partial half-waves, wherein the
  • Synchronization specifications of video electronics in the lighting device 10 are selected.
  • the circuit shown in FIG. 17 represents an example of a circuit arrangement 21 for carrying out the method according to the invention, which forms part of the operating device 2.
  • This circuit arrangement 21 is subdivided into the following blocks: power supply SV, full bridge VB, ignition Z, and control section C.
  • the blocks SV, VB, C and Z can be constructed identically as corresponding blocks in conventional circuit arrangements.
  • the power supply regulates the power of the gas discharge lamp, whereby the lamp voltage adjusts.
  • the lamp power with the corresponding lamp voltage is applied to the full bridge, which generates a rectangular lamp power, which is applied to the gas discharge lamp.
  • the Gl is started by means of a Resosnanzzündung through the two lamp inductors L2 and L3 and the capacitor C2, which thus simultaneously form the ignition Z.
  • the embodiment in Fig. 17 is merely exemplary.
  • the control part C which controls the full bridge and the power supply, can be constructed as an analog control, but the control part C is preferably a digital controller, which particularly preferably has a microcontroller.

Landscapes

  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe, wobei die Gasentladungslampe mit einem rechteckf örmigen Lampenstrom betrieben wird, wobei der Lampenstrom im zeitlichen Verlauf vorbestimmte Kommutierungsstellen aufweist, und an diesen Kommutierungsstellen eine Kommutierung zur Erzeugung eines Kommutierungsmusters stattfinden kann Die Erfindung betrifft ebenfalls ein elektronisches Betriebsgerät, aufweisend ein Zündgerät, einen Wechselrichter und eine Steuerschaltung, wobei das elektronische Betriebsgerät dieses Verfahren ausführt. Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Projektor mit einem elektronischen Betriebsgerät, wobei der Projektor ausgelegt ist, während der Durchführung des Verfahrens ein Bild zu projizieren, ohne dass dem Bild die Durchführung des Verfahrens anzusehen ist.

Description

Beschreibung
[1] Verfahren und elektronisches Betriebsgerät zum Betreiben einer Gasentladungslampe sowie Projektor.
Technisches Gebiet
[2] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein elekt- ronisches Betriebsgerät zum Betreiben einer Gasentladungslampe, wobei die Gasentladungslampe mit einem recht- eckförmigen Lampenstrom betrieben wird. Die Erfindung betrifft ebenfalls einen Projektor, der ein solches Betriebsgerät aufweist.
Stand der Technik
[3] Gasentladungslampen werden in jüngerer Zeit aufgrund ihrer hohen Effizienz vermehrt anstelle von Glühlampen eingesetzt. Dabei sind Hochdruckentladungslampen bezüglich ihrer Betriebsweise schwieriger zu handhaben als Niederdruck-Entladungslampen, und die elektronischen Betriebsgeräte für diese Lampen sind daher aufwendiger.
[4] Üblicherweise werden Hochdruck-Entladungslampen mit einem niederfrequenten Rechteckstrom betrieben, was auch , wackelnder Gleichstrombetrieb' genannt wird. Dabei wird ein im Wesentlichen rechteckförmiger Strom mit einer Frequenz von üblicherweise 50Hz bis zu einigen kHz an die Lampe angelegt. Bei jedem Umschwingen zwischen positiver und negativer Spannung kommutiert die Lampe, da sich auch die Stromrichtung umkehrt und der Strom damit kurzzeitig zu null wird. Dieser Betrieb stellt sicher, dass die Elektroden der Lampe trotz eines Quasi- Gleichstrombetriebs gleichmäßig belastet werden.
[5] Gasentladungslampen werden z.B. für Displaysysteme erfolgreich eingesetzt, da sie eine hohe Leuchtdichte erzeugen können, die durch eine kostengünstige Optik weiterverarbeitet werden kann. Displaysysteme und deren Beleuchtungseinrichtungen sind beispielsweise in den Druckschriften US 5,633,755 und US 6,323,982 beschrieben. Displaysysteme, wie etwa DLP-Projektoren (kurz für „digital light processing projector"), umfassen eine Beleuchtungseinrichtung mit einer Lichtquelle, deren Licht auf einen DMD-Chip (kurz für „digital mirror device chip") gelenkt wird. Der DMD-Chip umfasst mikroskopisch kleine schwenkbare Spiegel, die das Licht entweder auf die Projektionsfläche lenken, wenn das zugehörige Pixel angeschaltet sein soll oder das Licht von der Projektionsfläche weg lenken, beispielsweise auf einen Absorber, wenn das zugehörige Pixel ausgeschaltet sein soll. Jeder Spiegel wirkt somit als Lichtventil, das den Lichtfluss eines Pixels steuert. Diese Lichtventile werden vorliegend DMD-Lichtventile genannt. Zur Farberzeugung umfasst ein DLP-Proj ektor im Falle einer Beleuchtungseinrichtung, die weißes Licht aussendet, beispielsweise ein Filterrad, das zwischen Beleuchtungseinrichtung und DMD-Chip angeordnet ist und Filter verschiedener Farben, beispielsweise Rot, Grün und Blau enthält. Mit Hilfe des Filterrades wird aus dem weißen Licht der Beleuchtungseinrichtung Licht der jeweils gewünschten Farbe sequenziell durchge- lassen.
[6] Die Farbtemperatur solcher Displaysysteme hängt in der Regel mit dem Farbort des Lichtes der Beleuchtungseinrichtung zusammen. Dieser ändert sich in der Regel mit den Betriebsparametern der Lichtquellen der Beleuchtungs- einrichtung, wie beispielsweise Spannung, Stromstärke und Temperatur. Weiterhin ist abhängig von den in der Be- leuchtungseinrichtung verwendeten Lichtquellen das Verhältnis zwischen Stromstärke und Lichtfluss nicht notwendigerweise linear. Dies führt bei Änderung der Stromstärke ebenfalls zu einer Änderung des Farbortes des Lichtes der Lichtquelle und damit zu einer Änderung der Farbtemperatur des Displaysystems.
[7] Weiterhin ist die Farbtiefe des Displaysystems durch die minimale Einschaltdauer eines Pixels begrenzt. Zur Erhöhung der Farbtiefe kann beispielsweise Dithering eingesetzt werden, bei dem einzelne Pixel mit einer geringeren Frequenz als der regulären Frequenz von 1/60 Hz geschalten werden. Hierbei kommt es allerdings in der Regel zu einem für den menschlichen Betrachter sichtbaren Rauschen .
[8] Das Kontrastverhältnis des Displaysystems ist durch das Verhältnis des maximalen Lichtflusses bei vollständig geöffneten Lichtventilen zu minimalen Lichtfluss bei vollständig geschlossenen Lichtventilen definiert. Zur Erhöhung des Kontrastverhältnisses eines Displaysystems kann beispielsweise der minimale Lichtfluss bei vollständig geschlossenen Lichtventilen mittels einer mechanischen Blende weiter verringert werden. Eine mechanische Blende beansprucht jedoch Platz in der Beleuchtungseinrichtung oder dem Displaysystem, erhöht das Gewicht der Beleuchtungseinrichtung oder des Displaysystems und stellt außerdem eine zusätzliche potentielle Quelle für Störungen dar. Hochdruckentladungslampen, wie sie in solchen Displaysystemen eingesetzt werden, können auch gedimmt betrieben werden, jedoch wirft die gedimmte Betriebsweise Probleme bezüglich der Elektrodentemperatur und des Bogenansatzes der Hochdruckentladungslampe auf. [9] Der Bogenansatz ist beim Betrieb einer Gasentladungslampe mit Wechselstrom grundsätzlich problematisch. Beim Betrieb mit Wechselstrom wird während einer Kommutierung der Betriebsspannung eine Kathode zur Anode und umgekehrt eine Anode zur Kathode. Der Übergang Kathode- Anode ist prinzipbedingt unproblematisch, da die Temperatur der Elektrode keinen Einfluss auf ihren anodischen Betrieb hat. Beim Übergang Anode-Kathode hängt die Fähigkeit der Elektrode, einen ausreichend hohen Strom liefern zu können, von deren Temperatur ab. Ist diese zu niedrig, wechselt der Lichtbogen während der Kommutierung, meistens nach dem Nulldurchgang, von einer punktförmigen Bogenansatzbetriebsweise in eine diffuse Bogenansatzbe- triebsweise. Dieser Wechsel geht mit einem oft sichtbaren Einbruch der Lichtemission einher, was als Flackern wahrgenommen werden kann.
[10] Sinnvollerweise wird die Lampe also in punktförmiger Bogenansatzbetriebsweise betrieben, da der Bogenansatz hier sehr klein und damit sehr heiß ist. Das hat zur Folge, dass hier aufgrund der höheren Temperatur am kleinen Ansatzpunkt weniger Spannung benötigt wird, um ausreichend Strom liefern zu können. Eine Elektrodenspitze, die eine gleichmäßige Form mit einer nicht zerklüfteten Oberfläche aufweist, unterstützt die punktförmige Bogenansatzbetriebsweise und damit einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Gasentladungslampe.
[11] Als Kommutierung wird im folgenden der Vorgang betrachtet, bei dem die Polarität der Spannung der Gasentladungslampe wechselt, und bei dem daher eine starke Strom- oder Spannungsänderung auftritt. Bei einer im wesentlichen symmetrischen Betriebsweise der Lampe befin- det sich bei der Mitte der Kommutierungszeit der Span- nungs- oder Stromnulldurchgang. Hierbei ist zu bemerken, dass die Spannungskommutierung üblicherweise immer schneller abläuft als die Stromkommutierung.
[12] Als Elektrodenende wird im Folgenden das innere, in den Entladungsraum des Gasentladungslampenbrenners stehende Ende der Lampenelektrode bezeichnet. Als Elektrodenspitze wird eine auf dem Elektrodenende sitzende Nadel- oder Höckerförmige Erhebung bezeichnet, deren Ende als Ansatzpunkt für den Lichtbogen dient.
[13] Ein großes Problem von Hochdruckentladungslampen stellt die Veränderung bzw. Verformung der Elektroden über die gesamte Lebensdauer dar. Dabei ändert sich die Form der Elektrode weg von der Idealform hin zu einer mehr und mehr zerklüfteten Oberfläche vor allem am inneren Ende der Elektrode. Überdies besteht die Gefahr, dass Elektrodenspitzen entstehen, die nicht in der Mitte der jeweiligen Elektrode angeordnet sind. Der Entladungsbogen bildet sich immer von Elektrodenspitze zu Elektrodenspit- ze. Gibt es mehrere etwa gleichberechtigte Elektrodenspitzen auf einer Elektrode, so kann es zu einem Bogen- springen und damit zu einem Flickern der Lampe kommen. Nicht mittig aufgewachsene Elektrodenspitzen verschlechtern die optische Abbildung, da die Optik eines Projek- tors oder einer Leuchte, in den/die eine derartige Gasentladungslampe eingesetzt ist, auf eine spezifische Lage des Entladungsbogens ausgelegt und insbesondere auf den Anfangszustand der Elektroden und des Entladungsbogens eingestellt ist. In bestimmten Fällen kann es zu einem ungleichmäßigem Aufwachsen der Elektrodenspitzen kommen, so dass der Lichtbogen nicht mehr mittig, sondern axial verschoben im Brennergefäß angeordnet ist. Dies verschlechtert die optische Abbildung des Gesamtsystems ebenso. Die Zerklüftung hingegen führt zu einer Vergrößerung des ursprünglichen Elektrodenabstands und beein- flusst damit auch die Lampenspannung. Da diese proportional zum Abstand steigt, kann es zu einer verfrühten Lebensdauerabschaltung kommen, da diese gewöhnlich anspricht, wenn die Lampenspannung einen vorgegebenen Schwellwert überschreitet. Zusammenfassend ergibt sich eine Reduktion der Lampenlebensdauer und der Qualität des von der Lampe emittierten Lichts.
[14] Aus dem Stand der Technik sind gegenwärtig keine Lösungen für diese Problematiken bekannt. Lediglich ergänzend wird verwiesen auf die WO 2007/045599 Al. Während die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problematik am Lampenlebensdauerende auftritt, befasst sich die genannte Druckschrift mit einer Problematik, die innerhalb der ersten dreihundert Betriebsstunden auftritt. Innerhalb dieses Zeitraums kann es zu einem Spit- zenwachstum kommen, das zu einer Reduktion des Elektrodenabstands führt. Dadurch sinkt die Lampenspannung, so dass der von einem elektronischen Betriebsgerät bereitzustellende Strom zum Erreichen einer konstanten Leistung erhöht werden muss. Da elektronische Betriebsgeräte naturgemäß für einen bestimmten Maximalstrom ausgelegt sind, führt dies zu Problemen. Um eine Anhebung der Stromauslegung für den Dauerbetrieb und damit die Entstehung zusätzlicher Kosten zu verhindern, schlägt die genannte Druckschrift vor, einen Strompuls an die Elekt- roden anzulegen dergestalt, dass dadurch die aufgewachsenen Elektrodenspitzen zurückgeschmolzen werden. Dadurch kann der Abstand der Elektroden wieder vergrößert, die Lampenspannung erhöht und damit der erforderliche Strom abgesenkt werden. Im Gegensatz hierzu betrifft jedoch die vorliegende Erfindung die Problematik, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Elektroden möglichst über die gesamte Lebensdauer der Gasentladungslampe in einem optimalen Zustand gehalten werden, bei dem die Elektroden in einem Abstand zueinander stehen, der möglichst dem ursprünglichen Abstand bei einer neuen Lampe entspricht, sowie die Oberfläche der Elektrodenenden glatt zu halten mit mittig aufgewachsenen Spitzen, die einen definierten Ansatzpunkt für den Bogen bilden. Das Verfahren sollte zudem die Fähigkeit aufweisen, äußere Randbedingungen bei der Synchronisierung der Kommutierung einhalten zu kön- nen. Die Lehre der WO 2007/045599 Al löst daher die oben genannte Problematik nicht.
Aufgabe
[15] Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein elektronisches Betriebsgerät zum Betreiben einer Gasent- ladungslampe anzugeben, wobei die Gasentladungslampe mit einem rechteckförmigen Lampenstrom betrieben wird, wobei das Verfahren die Elektroden einer Gasentladungslampe in möglichst optimalen Zustand erhält und wobei alle Randbedingungen, die von einem übergeordneten System vorgegeben werden, bei der Kommutierung der Gasentladungslampe eingehalten werden. Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung, ein elektronisches Betriebsgerät anzugeben, dass dieses Verfahren ausführt. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, einen Projektor mit einem elektronischen Betriebs- gerät anzugeben, der dieses Verfahren ausführt. Darstellung der Erfindung
[16] Die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe (LP) , wobei die Gasentladungs- lampe (LP) mit einem rechteckförmigen Lampenstrom betrieben wird, und der Lampenstrom im zeitlichen Verlauf vorbestimmte Kommutierungsstellen aufweist, und an diesen Kommutierungsstellen eine Kommutierung zur Erzeugung eines Kommutierungsmusters stattfinden kann.
[17] Dieses Kommutierungsmuster ist dabei bevorzugt derart ausgeprägt, dass der zeitliche Mittelwert des Kommutierungsmusters dabei bevorzugt einer vorbestimmten Frequenz entspricht. Dadurch kann die Gasentladungslampe mit der für sie optimalen Frequenz betrieben werden.
[18] Das Kommutierungsmuster wird dabei in einer ersten Ausbildung des Verfahrens dadurch erzeugt, dass an den Kommutierungsstellen, an denen keine Kommutierung stattfinden soll, diese ausgelassen wird. Dies stellt die einfachste Ausführungsform dar, die auch eine gute Be- triebssicherheit bietet, da nur die Kommutierungen durch- gefhrt werden, die unbedingt notwendig sind.
[19] In einer zweiten Ausbildung des Verfahrens wird das Kommutierungsmuster dadurch erzeugt, dass an den Kommutierungsstellen, an denen keine Kommutierung stattfinden soll, trotzdem eine Kommutierung ststtfindet, die aber durch eine gleich darauf folgende weitere Kommutierung wieder rückgängig gemacht wird. Diese Vorgehensweise wird auch als Doppelkommutierung bezeichnet. Diese Verfahrensweise bietet den Vorteil einer größtmöglichen Kompatibi- lität mit gängigen Schaltungstopologien, die aufgrund technischer Restriktionen die erste Ausbildung des Verfahrens nicht durchführen können.
[20] Für Grenzfälle ist es auch möglich, beide Ausbildungen des Verfahrens zu mischen um eine möglichst effizien- te Ausnutzung der verwendeten Schaltungstopologie zu ermöglichen. Durch die vorgegebenen Kommutierungsstellen kann der rechteckförmige Lampenstrom gegenüber einer übergeordneten Steuerung exakt synchronisiert werden, obwohl über den zeitlichen Mittelwert des Lampenstromes eine für die Gasentladungslampe optimale Frequenz einjustiert werden kann. Es ist somit möglich, den rechteckför- migen Lampenstrom in seiner Grundfrequenz und in seiner Phasenlage gegenüber einer übergeordneten Steuerung, z.B. der Videoelektronik eines Projektors, zu synchronisieren, und trotzdem jede für den optimierten Betrieb der Gasentladungslampe notwendige Frequenz zu erzeugen.
[21] Die Lösung der Aufgabe bezüglich des elektronischen Betriebsgerätes erfolgt mit einem elektronischen Betriebsgerät, welches ein Zündgerät, einen Wechselrichter und eine Steuerschaltung aufweist, wobei das elektronische Betriebsgerät das oben beschriebene Verfahren ausführt.
[22] Die Lösung der Aufgabe bezüglich des Projektors erfolgt mit einem Projektor mit einem elektronischen Betriebsgerät, wobei der Projektor ausgelegt ist, während der Durchführung des oben genannten Verfahrens ein Bild zu projizieren, ohne dass dem Bild die Durchführung des Verfahrens anzusehen ist. [23] Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen elektronischen Betriebsgerätes zum Betreiben einer Gasentladungslampe ergeben sich aus weiteren abhän- gigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)
[24] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnun- gen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen :
Fig. 1 einen Graphen zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Dauer einer an die Gasentladungslampe angelegten Gleichspannungsphase und der Lampenspannung für eine erste Ausführungsform des Betriebsverfahrens ;
Fig. 2 einen Graphen, der eine zweite Ausführungsform des BetriebsVerfahrens veranschaulicht;
Fig. 3 eine Darstellung eines Elektrodenpaares vor und nach der Optimierung durch das Verfahren in der zweiten Ausführungsform;
Fig. 4 Den Verlauf von Lampenspannung und Lampenstrom während einer Gleichspannungsphase mit unter- schiedlicher zeitlicher Auflösung;
Fig. 5 den Verlauf des Lampenstroms bei einer Betriebsweise mit Maintenancepulsen; Fig. 6a einen Graphen, bei dem der Zusammenhang zwischen der Lampenspannung und der Kommutierfrequenz in einer ersten Ausbildung der dritten Ausführungsform des Betriebsverfahrens dargestellt ist;
Fig. 6b einen Graphen, bei dem der Zusammenhang zwischen der Lampenspannung und der Kommutierfrequenz in einer zweiten Ausbildung der dritten Ausführungsform des Betriebsverfahrens dargestellt ist;
Fig. 6c eine Kurvenform des Lampenstroms für die zweite Ausbildung der dritten Ausführungsform des Betriebsverfahrens ;
Fig. 7 einen Signalflussgraphen zur schematischen Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Betriebsverfahrens ;
Fig. 8 den zeitlichen Verlauf der Lampenspannung nach dem Einschalten einer Entladungslampe;
Fig. 9 den zeitlichen Verlauf der Leistung P bezogen auf die nominelle Leistung Pnom während eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Betriebsver- fahrens;
Fig. 10 den Zustand des vorderen Teils der Elektroden im Ausgangszustand (Fig. a) ) , nach dem Überschmelzen (Fig. b) ) , sowie das Wachstum der Elektrodenspitzen in der Anfangsphase (Fig. c) ) und im Zu- stand abgeschlossener Regeneration (Fig. d) ) ; und
Fig. 11 den zeitlichen Verlauf des Lampenstroms und der Lampenspannung bei Ansteuerung mit asymmetrischem Strom-Dutycyle während der Überschmelzphase . Fig. 12 schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Beleuchtungseinrichtung zur Ausführung des Verfahrens,
Fig. 13, eine schematische Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Displaysystems,
Figur 14, ein schematisches Diagramm einer Lichtkurve, die bei dem ersten Ausführungsbeispiel des Displaysystems verwendet ist,
Fig. 15A-C schematische Diagramme von drei beispielhaften Lichtkurven zum Betrieb einer Beleuchtungseinrichtung gemäß dem Betriebsverfahren der fünften Ausführungsform,
Fig. 15D, eine tabellarische Darstellung der Lichtkurve aus Figur 15C, und
Fig. 15E-G, schematische Diagramme dreier weiterer beispielhaften Lichtkurven zur exemplarische Erläuterung des Aufbaus einer Lichtkurve,
Figur 16, ein schematisches Diagramm einer beispielhaften Stromstärken-Beleuchtungsstärken-Kennlinie einer Lichtquelle zum Betrieb einer Beleuchtungseinrichtung gemäß der Erfindung.
Fig. 17 einen schematischen Stromlaufplan einer beispielhaften Schaltungsanordnung zum Ausführen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens . Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Erste Ausführungsform
[25] Fig. 1 zeigt einen Graphen zur Darstellung des Zusammenhangs zwischen der Dauer einer an die Gasentladungslampe angelegten Gleichspannungsphase (Kurve VT) , einem Abstand zwischen zwei Gleichspannungsphasen (Kurve OT) , einer Spannungsänderung in der Gleichspannungsphase (Kurve VP) und der Lampenspannung für eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens. Die Kurve VT stellt also die Länge der Gleichspannungsphase in Abhängigkeit von der Lampenspannung dar. Die Kurve OT stellt den Abstand, im Folgenden auch Sperrzeit genannt, zwischen zwei Gleichspannungsphasen dar, also der Zeit bis wieder eine Gleichspannungsphase an die Gasentladungslampe angelegt wird. Da bei Anlegen einer Gleich- spannungsphase die Elektrode mehr oder weniger aufschmilzt und der Elektrodenabstand und damit auch die Lampenspannung steigt, ist diese nach der Gleichspannungsphase grösser als vor der Gleichspannungsphasen. Die Kurve VT zeigt nun die Änderung der Lampenspannung wäh- rend der Gleichspannungsphase in Abhängigkeit von der Lampenspannung. Bei sehr kleinem Elektrodenabstand darf die Änderung recht groß sein, im vorliegenden Fall bis zu 5V betragen, da eine Vergrößerung des Elektrodenabstandes stark erwünscht ist. Ab dem optimalen Lampenspannungsbe- reich von 65V bis 75V sollte die maximale Änderung in der Lampenspannung nur noch IV betragen. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt einen definierten Abstand der Elektrodenspitzen und eine möglichst glatte, wenig zerklüftete Form der Elektrodenenden über die gesamte Lebensdauer der Gasentladungslampe sicher. Dies wird durch Gleichspan- nungsphasen erreicht, die nach Bedarf die Elektrodenenden überschmelzen und auch ein Elektrodenwachstum fördern.
[26] Im Folgenden wird erläutert, was eine Gleichspannungsphase ist: Gleichspannungsphasen bestehen aus dem Auslassen von wenigen Kommutierungen. Diese Auslassungen werden so platziert, dass die Elektroden jeweils immer nur wechselseitig belastet werden, dass heißt einmal wirkt die eine Elektrode während einer Gleichspannungsphase als Anode, dann wirkt nach einer Pause mit normalem Lampenbetrieb die andere Elektrode während einer Gleichspannungsphase als Anode. Die Frequenz an sich wird nicht verändert. Bei einer positiven Gleichspannungsphase wird immer nur eine erste Elektrode der Gasentladungslampe aufgeheizt, bei einer negativen Gleichspannungsphase wird immer nur eine zweite Elektrode der Gasentladungslampe aufgeheizt. Da eine positive Gleichspannungsphase immer nur auf die erste Elektrode und eine negative Gleichspannungsphasen immer nur auf die zweite Elektrode der Gasentladungslampe wirkt, können je nach Vorgehensweise verschiedene Zustände der Gasentladungslampenelektroden verändert werden. In einem alternativen Verfahren werden genau genommen keine Kommutierungen ausgelassen, sondern jede „normale" Kommutierung durch eine gleich auf sie folgende weitere Kommutierung „rückgängig" gemacht. Es werden also durch dieses Betriebsschema Pseudokommutie- rungen erzeugt, die im Prinzip eine Auslassung einer Kommutierung nachbilden, aber real zwei schnell hintereinander ausgeführte Kommutierungen darstellen. Dies ist aus technischen Gründen manchmal notwendig, um die das erfindungsgemäße Verfahren ausführende Schaltungsanordnung einfacher gestalten zu können. Je nach Länge und den daraus resultierenden Energieeintrag der Gleichspannungsphasen können verschiedene physikalische Prozesse im Gasentladungslampenbrenner forciert werden. Die Gleichspannungsphasen werden also durch das Auslassen von Kommutierungen beziehungsweise durch Einfügen von Pseudo- kommutierungen erzeugt. In der zweiten Variante sind sie somit keine Gleichspannungsphasen im engeren Sinne, da zwischendurch die Spannung und somit die Stromrichtung pro Pseudokommutierung zwei mal umgepolt wird, und durch- aus einige Pseudokommutierungen pro , Gleichspannungsphase' auftreten können.
[27] Sehr lange Gleichspannungsphasen mit hohem Energieeintrag schmelzen das gesamte Ende der betreffenden Elektrode für kurze Zeit auf. Während der kurzen Zeitdau- er, in der das Elektrodenende flüssig ist, formt sich durch die Oberflächenspannung des Elektrodenmaterials das Ende kugelförmig oder oval ein. Die Elektrodenspitzen schmelzen ab und werden durch die Oberflächenspannung des Elektrodenmaterials neutralisiert. Daraus resultiert eine geringe Vergrößerung der Bogenlänge und damit der Lampenspannung durch die Rückbildung der Elektrodenspitzen.
[28] Kurze Gleichspannungsphasen bewirken lediglich ein Überschmelzen der Elektrodenspitzen, so dass die Form der Elektrodenspitzen beeinflusst werden kann. Dies wird dazu benutzt, die Elektrodenspitzen über die gesamte Brenndauer in möglichst optimaler Form zu halten, und eine definierte mittig ansetzende Spitze zu Erzeugen.
[29] Ein sogenannter Maintenancepuls kann das Spitzenwachstum der Elektrodenspitze beschleunigen, und wird vorzugsweise nach einer langen Gleichspannungsphase angewandt, um auf das ovale oder runde Elektrodenende wieder eine Elektrodenspitze aufwachsen zu lassen, die einen guten Bogenansatzpunkt erzeugt. Als Maintenancepuls wird in diesem Zusammenhang ein kurzer Strompuls bezeich- net, der kurz vor oder kurz nach der Kommutierung an die Gasentladungslampe angelegt wird, um die Elektrode zu heizen. Die Länge des Maintenancepulses ist zwischen 50 μs und 1500 μs lang, wobei die Stromhöhe des Maintenancepulses größer ist als im stationären Betrieb. Damit wird ein Überschmelzen des äußeren Endes der Elektrodenspitze erreicht, deren thermische Trägheit eine Zeitkonstante von ca. 100 μs aufweist.
[30] In einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Lampe in regelmäßigen Abständen immer mit einer Gleichspannungsphase beaufschlagt, deren Länge von der Lampenspannung abhängt. Auch die Abstände zwischen zwei Gleichspannungsphasen sind abhängig von der Lampenspannung. Das Verfahren verwendet nun die Kennlinie VT nach Fig. 1 für die Berechnung der Länge der Gleich- Spannungsphasen, die an die Gasentladungslampe angelegt werden .
[31] Bei einer sehr geringen Lampenspannung, die normalerweise bei einer neuen Gasentladungslampe auftritt, und die den linken Teil der Kennlinie VT betrifft, werden verlängerte Gleichspannungsphasen an die Gasentladungslampe angelegt, um die aufwachsenden Elektrodenspitzen abzuschmelzen und den Elektrodenabstand nicht zu klein werden zu lassen. Je kleiner die Lampenspannung ist, desto länger sind die Gleichspannungsphasen. Die Gleich- Spannungsphasen werden unterhalb einer minimalen Lampenspannung an die Lampe angelegt. Der Bereich der minimalen Lampenspannung variiert je nach Lampentyp zwischen 45V- 85V, insbesondere zwischen 55V-75V. Bei der Gasentladungslampe der vorliegenden Ausführungsform liegt die Minimalspannung bei 65V. Unterhalb 65V Lampenspannung werden also längere Gleichspannungsphasen an den Gasentladungslampenbrenner angelegt. Die Länge der Gleichspannungsphasen beträgt in der bevorzugten Ausführungsform bei 65V 40ms, wobei die Gleichspannungsphasen mit sinkender Spannung länger werden, um dann bei 60V eine Länge von 200ms zu erreichen. Die Länge der Gleichspannungsphasen kann je nach Lampentyp zwischen 5 ms und 500 ms variieren. Die Gleichspannungsphasen werden in regelmäßigen Abständen an die Gasentladungslampe angelegt. Die Abstände sind abhängig von der Lampenspannung, nicht jedoch kürzer als 180s. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Dauer zwischen zwei Gleichspannungsphasen (Sperrzeit OT) wie in Fig 1 gezeigt (Kurve OT) 200s bei 60V Lampenspannung, wobei sie bis auf 600s bei 65V Lampenspannung ansteigt, um dann bei HOV Lampenspannung wieder auf 300s abzufallen. In einer anderen, nicht gezeigten Auslegung steigt die Dauer zwischen zwei Gleichspannungsphasen von 180s bei 60 V auf 300s bei 65V, um dann bei HOV Lampenspannung wieder auf 180s abzufallen. Grundsätzlich kann die Zeitspanne zwischen zwei Gleichspannungsphasen je nach Lampentyp zwischen 180s und 900s variieren. Zusammenfassend kann also gesagt werden, dass bei niedrigerer Spannung die Gleichspannungsphasen öfter an die Gasentladungslampe angelegt werden und auch länger und somit Energiereicher sind. Bei hoher Lampen- Spannung steigt die Häufigkeit der Gleichspannungsphasen ebenfalls wieder an, um bei HOV wieder 200ms zu erreichen. Zwischen den Gleichspannungsphasen wird im normalen - I i
Betrieb immer mit einem Maintenancepuls gearbeitet, um das mittige Wachstum von Elektrodenspitzen auf dem Elektrodenende zu fördern.
[32] Bei einer optimalen Lampenspannung im mittleren Bereich der Kennlinie VT werden nur sehr kurze Gleichspannungsphasen an die Gasentladungslampe angelegt, die lediglich die Elektrodenspitzen kurz Anschmelzen und damit in Form halten. Die Häufigkeit der Gleichspannungsphasen ist in diesem Bereich minimal. Die Länge der Gleichspannungsphasen beträgt in der bevorzugten Ausführungsform etwa 40ms. Die Länge der Gleichspannungsphasen kann je nach Lampentyp zwischen 0 ms und 200 ms liegen. Bei manchen Lampentypen kann auf die Gleichspannungsphasen in diesem Bereich auch ganz verzichtet werden.
[33] Wird die Gasentladungslampe älter, so steigt die Lampenspannung an, bedingt durch den Rückbrand der Elektroden und den damit längeren Lichtbogen. Bei älteren Lampen ist die Gefahr groß, dass das Elektrodenende zerklüftet ist, und die Elektrodenspitzen nicht mehr mittig aufwachsen können. Daher werden lange und energiereiche Gleichspannungsphasen an den Gasentladungslampenbrenner angelegt, die die Elektrodenenden leicht Überschmelzen und damit eine möglichst glatte Elektrodenoberfläche erzeugen. Dies kann als ein Polieren der Form des Elektrodenendes angesehen werden. Die Gleichspannungsphasen werden mit zunehmender Lampenspannung auch immer häufiger an die Gasentladungslampe angelegt, wie der Kurve OT zu entnehmen ist. Ab einer oberen Spannungsschwelle können die Parameter konstant gehalten werden. Die Dauer der Gleichspannungsphasen variiert in der bevorzugten Ausführungsform von 40ms bei 75V bis zu 200ms bei HOV Lampenspannung des Gasentladungslampenbrenners. Die Dauer der Gleichspannungsphasen kann dabei je nach Lampentyp von 2ms bis zu 500ms variieren. Die Zeitspanne zwischen zwei Gleichspannungsphasen beträgt in der vor- liegenden Ausführungsform 180s bei 60V lampenspannung, steigt dann auf 600s bei 65V Lampenspannung, und sinkt auf 300s bei HOV Lampenspannung. Die Zeitspanne zwischen zwei Gleichspannungsphasen kann je nach Lampentyp zwischen 180s und 900s variieren. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Dauer der Gleichspannungsphasen bei zunehmender Lampenspannung steigt, wobei die Gleichspannungsphasen mit zunehmender Lampenspannung und bei sehr geringer Lampenspannung häufiger an die Gasentladungslampe angelegt werden.
Zweite Ausführungsform
[34] In einer zweiten Ausführungsform des Verfahrens wird die Länge der Gleichspannungsphasen nicht über eine Kennlinie gesteuert, sondern die Länge der Gleichspannungsphasen wird über die Lampenspannung in der Gleich- spannungsphase selbst geregelt. Die oben schon beschriebene Kurve VP beschreibt die maximale Spannungsänderung der Lampenspannung in der Gleichspannungsphase in Abhängigkeit von der Lampenspannung. Die Spannungsänderung wird während der Gleichspannungsphase gemessen. Dazu weist die das Verfahren ausführende Schaltungsanordnung eine Messeinrichtung auf, die die Lampenspannung vor der Gleichspannungsphase und vor allem die Änderung der Lampenspannung während einer Gleichspannungsphase messen kann. Die Änderung der Lampenspannung während der Gleich- spannungsphase wird auf ein Abbruchkriterium hin ausgewertet, und die Gleichspannungsphase bei Erreichen des Abbruchkriteriums beendet. Fig. 2 zeigt einen Graphen, der das Verfahren der zweiten Ausführungsform veranschaulicht. Es gibt zwei Schwellwerte, bei deren Unter- beziehungsweise Überschreitung das Verfahren der zweiten Ausführungsform ausgeführt wird. Solange die Lampenspannung innerhalb des optimalen Bereiches zwischen den Schwellwerten von 65V und 75V liegt, wird die Gasentladungslampe im Normalbetrieb ohne Anlegen von Gleichspannungsphasen betrieben. Verlässt die Lampe aber diesen Spannungsbereich, so werden Gleichspannungsphasen an die Lampe angelegt. Die Länge der Gleichspannungsphasen richtet sich nach der Lampenspannung und vor allem nach der Änderung der Lampenspannung, die während der Gleichspannungsphasen anliegt. Die Gleichspannungsphasen werden solange beibehalten, bis die Lampenspannung um einen zuvor berechneten oder einem vorgegebenen Wert ΔUi, ΔU2 angestiegen ist. Der Spannungsanstieg der Lampenspannung in der Gleichspannungsphase beträgt je nach Gasentladungslampe zwischen 0,5V und 8V. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der gewünschte Spannungsanstieg zwischen 5V bei 60V und IV bei 65V. Wird der Lampenspannungsanstieg innerhalb einer vorgegebenen Maximalzeit nicht erreicht, so wird die Gleichspannungsphase beendet, um die Elektroden nicht zu schädigen. Nach einer Sperr- zeit gemäß der Kurve OT, in der keine Gleichspannungsphasen angelegt werden dürfen, wird das Verfahren von neuem ausgeführt, d.h. es wird die Lampenspannung gemessen und eine weitere Gleichspannungsphase angelegt, wenn die Lampenspannung außerhalb des optimalen Bereiches von 65- 75V liegt. Diese Schritte werden periodisch so oft wiederholt, bis die Lampenspannung wieder im optimalen Bereich liegt. [35] In den im folgenden beschriebenen Verfahren wird eine Gleichspannungsphase, die bisher immer aus einer positiven Phase für die erste Elektrode und einer negativen Phase für die zweite Elektrode bestand, in diese zwei Phasen aufgeteilt, um unterschiedliche Zustände der beiden Lampenelektroden zu behandeln. In einer ersten Ausbildung der zweiten Ausführungsform, die zum Ausgleichen einer asymmetrischen Elektrodengeometrie geeignet ist, wird die Länge der Gleichspannungsphase für den zuvor berechneten Spannungsanstieg für die erste Elektrode bestimmt, und in einer darauffolgenden inversen Gleichspannungsphase auf die zweite Elektrode angewandt.
[36] In einer zweiten Ausbildung, die symmetrisch auf beide Elektroden wirkt, wird die Länge der Gleichspan- nungsphasen für jede Elektrode aus dem Spannungsanstieg während der Gleichspannungsphasen berechnet. Die Höhe des Spannungsanstiegs ist hierbei für beide Gleichspannungsphasen gleich.
[37] In einer dritten Ausbildung findet eine individuelle Elektrodenformung zur Zentrierung des Lichtbogens in der Brennerachse statt. In der dritten Ausbildung werden folgende Verfahrensschritte ausgeführt:
[38] Im ersten Schritt wird die Länge der Elektrodenspit¬
ze gemäß der Relation: 1' Elektrodenψltze ∞ DC-phase berechnet.
-* DC-Phase
[39] In einem zweiten Schritt wird die Dauer oder der Spannungsanstieg der Gleichspannungsphase für die gewünschte Verschiebung des Elektrodenschwerpunktes proportional zur individuellen Länge der Elektrodenspitze berechnet : [40] Für eine asymmetrische Elektrodengeometrie nach der
ersten Ausbildung gilt : Gleichspannungsphase _ ersteElektrode -* ersteElektrode
Gleichspannungsphase _zweιteElektrode zweiteElektrode
i-iw Gleιchspannungsphase_ersteElektrode ^* ^ Gleichspannungsphase _ zweiteElektrode *
[41 ] Für eine symmetrische Elektrodengeometrie nach der
. . .. . . .. . . .. T Gleichspannungsphase ersteElektro T zwe i ten Ausbi ldung gi l t : — — de _ -*- z zwweeiuteecFlieenktrroodaee
T Gleichspannungsphase _ ∑weiteElektrode I ersteElektrode
T = T Gleichspannungsphase ersteElektrode + T Gleichspannungsphase zweiteElektrode '
[42] Durch die dritte Ausbildung der zweiten Ausführungsform des Verfahrens ergeben sich neue Vorteile, die die bisherigen Verfahren nach dem Stand der Technik nicht leisten können. Durch die Möglichkeit des asymmetrischen Einbringens von Energie in die jeweiligen Elektroden ergibt sich die Möglichkeit, den Elektrodensystemschwer- punkt zu zentrieren und in seiner zentrierten Lage über die Lebensdauer zu halten. Durch die zentrierte Lage des Elektrodenschwerpunkts innerhalb des Brennergefäßes ergibt sich eine stabilere und effektivere Lichtausbeute durch das optische System, das auf eine definierte Elektrodenlage hin berechnet wurde. Der Entladungsbogen bleibt die ganze Lebensdauer der Lampe über im Fokus. Dadurch, dass die Bogenansatzpunkte sich immer mittig auf der Elektrode befinden, ergibt sich ein durchschnittlicher Maximaler Abstand des Entladungsbogens von der Brennergefäßwand über die gesamte Lebensdauer, der eine Entglasung des Brennergefäßes wirksam vermindert. In einem fortge- schrittenen optischen System wäre es auch denkbar, dass das optische System seinen Gesamtwirkungsgrad durch eine Regelschleife, die die Elektrodenformungsmechanismen mit umfasst, optimieren und damit maximieren kann. [43] Natürlich ist auch ein Verfahren denkbar, dass die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform gemischt verwendet, um die Elektroden und die Elektrodenspitzen in optimalem Zustand zu erhalten. Eine Vorteil- hafte Mischung könnte umfassen, dass bei Lampenspannungen unterhalb der unteren Lampenspannungsschwelle ein Verfahren der zweiten Ausführungsform verwendet wird, bei dem die Länge der Gleichspannungsphase durch die Lampenspannungsänderung während dieser Gleichspannungsphase be- stimmt wird, und dass bei Lampenspannungen oberhalb der oberen Lampenspannungsschwelle ein Verfahren der ersten Ausführungsform verwendet wird, bei dem die Länge der Gleichspannungsphase berechnet oder durch eine Kennlinie vorgegeben wird.
[44] Fig. 3 zeigt eine Darstellung eines Elektrodenpaares vor und nach der Optimierung des Verfahrens in der zweiten Ausführungsform. In der Fig. 3a ist ein Elektrodenpaar 52, 54 mit den Elektrodenenden 521, 541 und den Elektrodenspitzen 523, 543 vor der Anwendung des Verfah- rens in der zweiten Ausführungsform zu sehen. Der Mittelpunkt 57 der Elektroden liegt nicht im optimalen Mittelpunkt 58 des Brennergefäßes, da die Elektrodenspitze 543 wesentlich weiter aufgewachsen ist als die Elektrodenspitze 523. Daher wird das Verfahren in seiner zweiten Ausführungsform mit der Ausbildung zum Ausgleichen einer asymmetrischen Elektrodengeometrie angewandt. Nach der Durchführung des Verfahrens, sehen die Elektroden 52, 54 aus wie in Fig. 3b dargestellt: beide Elektrodenspitzen 523, 543 sind wieder gleich lang, der Mittelpunkt 57 zwischen den Elektrodenspitzen liegt wieder im Brennermittelpunkt 58. Der Entladungsbogen brennt wieder optimal im Mittelpunkt des Brennergefäßes, und der optische Wirkungsgrad des Gesamtsystems ist maximiert.
[45] Fig. 4 zeigt den Verlauf der Lampenspannung UDc und des Lampenstroms IDc während einer Gleichspannungsphase mit unterschiedlicher zeitlicher Auflösung. Im oberen Graphen sind die beiden Kurven in einer geringen zeitlichen Auflösung von 4ms/DIV dargestellt. Es ist vor allem am Strom gut zu sehen, dass die positive wie die negative Gleichspannungsphase jeweils aus 3 normalen Halbwellen zusammengesetzt ist. Dies ist gut an den 2 nadeiförmigen Stromimpulsen 61, 62 zu erkennen, die die Gleichspannungsphase in 3 Bereiche aufteilt. Auch in der Lampenspannung sind diese Pulse zu sehen. Der untere Graph zeigt einen dieser Pulse in einer größeren zeitlichen Auflösung von 8μs . Hier ist vor allem an der Lampenspannung UDC gut die Doppelkommutierung zu sehen, die Spannung UDC springt mit einer positiven Flanke auf ihren oberen Wert und etwa 2μs später wieder mit einer negativen Flanke auf ihren unteren Wert, bei dem sie bis zur nächsten Kommutierungsstelle bleibt. Der Lampenstrom IDC will nach der ersten Kommutierung umschwingen, ist aber zu langsam, so dass nur ein geringer Stromeinbruch während der 2us zu verzeichnen ist. Dies kommt daher, weil die Stromkommutierung wie Eingangs schon erwähnt langsamer abläuft als die Spannungskommutierung.
[46] Fig. 5 zeigt einen Verlauf des Lampenstroms, bei dem die Gasentladungslampe mit den oben erwähnten Maintenan- cepulsen MP betrieben wird. Auch hier ist deutlich zu sehen, dass die Gleichspannungsphase DCP aus zwei HaIb- wellen HW zusammengesetzt ist, da zwei Maintenancepulse MP in der Gleichspannungsphase auftreten. [47] Die Gleichspannungsphasen werden also aus Halbwellen der normalen Betriebsfrequenz zusammengesetzt, so dass die höchste Betriebsfrequenz immer ein ganzzahliges oder gebrochenrationales Vielfaches der Frequenz der Gleich- Spannungsphasen beträgt.
Dritte Ausführungsform
[48] In einer dritten Ausführungsform des Verfahrens findet eine kontinuierliche Anpassung der Betriebsfrequenz in Abhängigkeit von der Lampenspannung statt. Dabei kann das Verfahren in verschiedenen Ausbildungen betrieben werden. In einer ersten Ausbildung der dritten Ausführungsform, die in Fig. 6a dargestellt ist, wird die Betriebsfrequenz in diskreten Schritten, abhängig von der Lampenspannung verändert. Dabei wird die Frequenz höher, je größer die Lampenspannung ist. Da aufgrund verschiedener Randbedingungen im Gesamtsystem nur zu bestimmten Zeiten eine Kommutierung stattfinden kann, kann die Betriebsfrequenz nur eine beschränkte Anzahl an Frequenzwerten annehmen. Wird die Gasentladungslampe z.B. in einem Videoprojektor mit einem Farbrad betrieben, so kann die Betriebsfrequenz der Gasentladungslampe nur dann kommutiert werden, wenn das Farbrad in einer Stellung ist, bei der gerade von einem Farbsegment auf das nächste gewechselt wird. Durch die gleichmäßige Umdrehungszahl des Farbrades, die wiederum von der Bildwiederholfrequenz des Videobildes abhängt, ist grundsätzlich die Frequenz der Kommutierungen über einen Umlauf des Farbrades fest vorgegeben .
[49] Um die Gasentladungslampe optimal zu betreiben, soll aber bei einer bestimmten Lampenspannung immer eine feste Betriebsfrequenz gefahren werden. Im vorliegenden Beispiel wird z.B. bei einer Lampenspannung zwischen OV und 50V ein Lampenstrom mit einer Betriebsfrequenz von 100Hz an die Gasentladungslampe angelegt. Da die Betriebsfre- quenz aber aufgrund obiger Randbedingungen nur einige diskrete Frequenzwerte annehmen kann, ist die Anpassung der Betriebsfrequenz an die Lampenspannung recht grob. Die höchste Betriebsfrequenz ist die Frequenz, bei der zu allen möglichen Kommutierungszeitpunkten auch eine Kommu- tierung durchgeführt wird. Diese Frequenz ist die höchste im System darstellbare Frequenz. Die möglichen Kommutierungszeitpunkte, die durch die oben erwähnten Randbedingungen z.B. eines Farbrades vorgegeben sind, werden wie oben schon erwähnt auch als Kommutierungsstellen bezeich- net.
[50] In einer zweiten Ausbildung der dritten Ausführungsform des Verfahrens wird die Betriebsfrequenz der Gasentladungslampe anhand einer Kennlinie kontinuierlich ange- passt. Die Kennlinie einer bevorzugten Ausführungsform ist in Fig. 6b dargestellt. Bis zu einer gewissen Lampenspannung von hier 50V bleibt die Betriebsfrequenz immer gleich bei etwa 100Hz. Ab einer Lampenspannung über 50V steigt die Betriebsfrequenz kontinuierlich bis zu einer Lampenspannung von 150V an. Aufgrund der obigen Ausfüh- rungen kann nicht jede Betriebsfrequenz direkt angefahren werden. Es wird daher mit einem Verfahren gearbeitet, bei dem der Wechselrichter die Gasentladungslampe mit einer Abfolge von diskreten Frequenzen betreibt, die alle einen ganzzahligen oder gebrochenrationalen Bruchteil der höchsten Betriebsfrequenz darstellen. Um diese niedrigeren Frequenzen darzustellen, wird nicht an jeder Kommu- tierungsstelle wirklich kommutiert, sondern es werden jeweils zwei oder mehr Teilhalbwellen zu einer resultierenden Halbwelle HW zusammengefasst, so dass die Periodendauer der resultierenden Halbwelle ein ganzzahliger oder gebrochenrationaler Faktor der ursprünglichen Teilhalbwelle ist, wie in Fig. 5 dargestellt. Dadurch wird ein Kommutierungsmuster erzeugt, dass im zeitlichen Verlauf ein sehr unregelmäßiges Erscheinungsbild zeigen kann. Das Kommutierungsmuster besteht aus einer Hinter- einanderschaltung von Halbwellen verschiedener diskreter Frequenzen. Eine das Verfahren ausführende Steuerung mixt nun diese diskreten Frequenzen in ihrer Häufigkeit so, dass der zeitliche Mittelwert der Frequenzen der gewünschten einzustellenden Betriebsfrequenz der Gasentla- dungslampe entspricht. Fig. 6c zeigt eine beispielhafte Kurvenform mit Kommutierungsstellen 31, 32, 33, 34, 35, bei denen Bedarfsweise eine Kommutierung erfolgen kann. Erfolgt bei jedem dieser Punkte eine Kommutierung, so wird die höchste Betriebsfrequenz erzeugt, und eine Halbwelle ist jeweils genau eine Teilhalbwelle lang. Auch bei dieser Ausführungsform gibt es wieder die Möglichkeiten, Kommutierungen wirklich auszulassen, oder anstatt die Kommutierung auszulassen, zwei schnelle Kommutierungen hintereinander auszuführen. Dadurch, dass die Kommu- tierungen nur nach Bedarf ausgeführt werden, und dadurch mindestens zwei verschiedene grob abgestufte Frequenzen erzeugt werden, wobei diese dann durch ihre Häufigkeit des Auftretens auf eine sehr fein einstellbare resultierende mittlere Frequenz eingestellt werden können, können alle Randbedingungen eingehalten werden und trotzdem die Gasentladungslampe im zeitlichen Mittel mit der optimalen Frequenz betrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass die vorgegebenen Kommutierungsstellen, die oft von Videoprojektionssystemen, bei denen der Hersteller des Videoprojektionssystems eine feste Frequenz vorgibt, um die Synchronisation mit dem Videosignal sowie mit einer im optischen System befindlichen Farbwechseleinheit bewerkstelligen zu können, benötigt werden, immer eingehalten werden, und das Verfahren damit auch bei Anwendungen durchführbar ist, bei denen durch die Kommutierungsstellen eine feste Frequenz vorgegeben ist. Wie in dieser Figur zu erkennen ist, ist das Verfahren auch dann geeignet, wenn die möglichen Kommutierungsstellen an sich nicht immer gleich beabstandet sind. Bei vielen fortschrittlichen Videoprojektionssystemen sind die verschiedenen Farbsektoren des Farbrades auch verschieden breit, so dass die zeitlichen Abstände der möglichen Kommutierungsstellen unterschiedlich sind. Dies ist bei dem vorliegenden Verfahren kein Problem, da die übergeordnete Steuereinheit dies berücksichtigen kann und aus der Vielzahl an Frequenzen, die die unterschiedlichen HaIb- wellen aufweisen, durch die oben erwähnte zeitliche Häufigkeitsverteilung den zeitlichen Mittelwert der resultierenden Frequenz exakt an die vorgegebene Betriebsfrequenz der Gasentladungslampe anpassen kann.
Vierte Ausführungsform
[51] Fig. 7 zeigt einen Signalflussgraphen zur schematischen Darstellung einer vierten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses beginnt im Schritt 100 mit dem Starten, d.h. Zünden der Lampe. Anschließend wird im Schritt 120 geprüft, ob mindestens ein Parameter in einem Werte- bereich liegt, der damit korreliert ist, dass die erste und/oder die zweite Elektrode zerklüftet ist. Als dieser Parameter kommt bevorzugt die Lampenspannung oder die Betriebsdauer seit der ersten Inbetriebnahme oder seit der letzten Durchführung des Verfahrens oder der Abstand der Elektroden in Betracht. Wird die Frage mit Nein beantwortet, wird die Gasentladungslampe im Schritt 150 weiter im normalen Lampenbetrieb betrieben. Wird die Frage mit ja beantwortet, so wird die Lampe zunächst ebenfalls im Schritt 125 im normalen Lampenbetrieb betrieben. Während dieser Zeit wird aber regelmäßig über- prüft, ob ein Startkriterium für das Überschmelzen erfüllt ist. Das Startkriterium kann z.B. das erreichen einer bestimmten Lampenspannung UBssoii sein. Während dieser Zeit wird im normalen Lampenbetrieb kein Über- schmelzschritt vorgenommen. Sobald das Startkriterium erfüllt ist, wird im Schritt 135 das Überschmelzen der Elektroden initiiert. Bevorzugt in äquidistanten Zeitabständen wird im Schritt 140 geprüft, ob ein Abbruchkriterium für das Ende der Überschmelzphase erfüllt ist. Dies kann bevorzugt dann sein, wenn die Lampenspannung über einen Sollwert UBASOII angestiegen ist. Wird dies verneint, wird Schritt 135 fortgesetzt und anschließend wieder im Schritt 140 die Abfrage vorgenommen. Diese Wiederholung der Schritte 135, 140 erfolgt so lange, bis im Schritt 140 die Frage bejaht wird, wonach das Verfahren weiter- geht zu Schritt 150 wo während des normalen Lampenbetriebs im stationären Zustand neue Elektrodenspitzen auf dem vorderen Teil der Elektroden aufgewachsen werden. Während dieser Zeit wird in regelmäßigen Abständen zu Schritt 120 verzweigt, um eine kontinuierliche Regel- schleife zu gewährleisten, die die Elektroden der Gasentladungslampe immer in möglichst optimalen Zustand erhält. [52] Fig. 8 zeigt in schematischer Darstellung den zeitlichen Verlauf der Lampenspannung UB einer Entladungslampe nach ihrem Einschalten. Wie zu erkennen ist, wird die Lampe innerhalb der ersten 45 s mit einer Leistung P betrieben, die kleiner als die nominelle Leistung Pnom ist. Diese Phase wird als Hochlaufphase bezeichnet, während der der Lampe zugeführte Strom begrenzt wird, um die Gasentladungslampe beziehungsweise das elektronische Betriebsgerät nicht zu überlasten. Im Bereich nach 45s ist zwar die Lampenspannung UB noch nicht auf ihren Dauerbetriebswert angestiegen, jedoch wird dort die Lampe bereits mit der nominellen Leistung Pnom betrieben, d.h. dass dort keine Strombegrenzung mehr aktiv ist. Diese Phase wird als Leistungsregelungsphase bezeichnet, wäh- rend der die Lampe im wesentlichen mit ihrer nominalen Leistung betrieben wird. Der normale Lampenbetrieb setzt sich somit zusammen aus einer Hochlaufphase, die mit dem Start der Lampe beginnt, und einer Leistungsregelungsphase, die sich an die Hochlaufphase anschließt und nach einer gewissen Zeit in den stationären Zustand übergeht, während dem die Gasentladungslampe im wesentlichen mit ihren nominellen Parametern betrieben wird. Besonders die Hochlaufphase nach dem Einschalten bis 45s ist zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignet, da dort die Brennertemperatur noch niedrig ist und der Benutzer die Lampe noch nicht zum vorgesehenen Zweck betreibt.
[53] Fig. 9 zeigt in schematischer Darstellung den zeitlichen Verlauf des Verhältnisses der Leistung P zur nominellen Leistung PnOm in Prozent sowie der Lampenspan- nung UB während der Durchführung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Verfahrens. Zunächst, d.h. im normalen Betrieb und vorliegend bis zum Zeitpunkt ti, wird die Entladungslampe mit der nominellen Leistung PnOm betrieben. Anschließend wird die Leistung P abgesenkt auf 30% der nominellen Leistung. Dies führt zur Abkühlung der Entladungslampe, aus der sich die bereits im Zusammenhang mit Fig. 2 erwähnten Vorteile ergeben. Anschließend, d.h. zum Zeitpunkt t2, wird zum Überschmelzen der Elektroden die Entladungslampe mit einem Lampenstrom I betrieben, der zwischen 150 und 200% des nominellen Lampenstroms Inom beträgt. Ab dem Zeitpunkt t3 wird die Lampe mit einer Leistung betrieben, die circa 75% der nominellen Leistung Pnom beträgt. Daran anschließend, d.h. ab dem Zeitpunkt t4, wird die Leistung in 5%-Schritten, die jeweils circa 20 Minuten dauern, bis zum Erreichen der nominellen Leistung Pnom oder sogar darüber hinaus erhöht, was zum Aufwachsen neuer Elektrodenspitzen führt. Wie sich aus dem Verlauf der Lampenspannung UB erkennen lässt, sinkt diese ausgehend von einem konstanten Wert, der sich während des Betriebs der Entladungslampe mit der Leistung Pnom eingestellt hat, während des Betriebs mit geringerer Leistung ab und steigt danach allmählich wieder an.
[54] Fign. 10a) bis d) zeigen den Zustand der vorderen Teile der Elektroden in unterschiedlichen Stadien der Durchführung des Verfahrens. Fig. 4a) zeigt den Zustand vor der Durchführung des Verfahrens. Die vorderen Teile der Elektroden sind deutlich zerklüftet, die Elektrodenspitzen sind außermittig angeordnet, der Abstand der Elektroden beträgt da. Der Zustand kurz nach dem Überschmelzen der vorderen Teile der Elektroden ist in Fig. 10b) wiedergegeben. Deutlich erkennbar ist die Halbkugelform der vorderen Teile der Elektroden, die sich beim Überschmelzen aufgrund der Oberflächenspannung ergibt. Anstelle der Zerklüftungen zeigt sich nunmehr eine glatte Elektrodenoberfläche. Der Abstand ist angewachsen auf db. In diesem Zustand genügen kleine Unregelmäßigkeiten auf den Elektroden, um ein Hüpfen der Bogenansatzpunkte zu ermöglichen, was in einem Flickern der Entladungslampe resultieren würde. Deshalb wird im in Fig. c) dargestellten Schritt begonnen, Elektrodenspitzen auf die vorderen Teile der Elektroden aufzuwachsen. Durch das Aufwachsen der Elektroden verkürzt sich der Abstand. Er beträgt nunmehr dc, wobei gilt: da < dc < db. Fig. 4d) schließlich zeigt den Zustand nach der abgeschlossenen Regeneration, d.h. nach dem Schritt des Aufwachsens der Elektrodenspitzen. Die Oberfläche der Vorderseite der Elektroden ist nach wie vor unzerklüftet, wobei jedoch Elektrodenspitzen aufgewachsen sind, wodurch sich der Abstand dd gegenüber der Darstellung von Fig. c) verringert hat. Es gilt: dd ≤ da < dc < db • Im Vergleich mit Fig. 4a fällt auch die größere Lichtausbeute auf.
[55] Während eine bevorzugte Anwendung von Entladungslampen und damit des Verfahrens Projektoren sind, betrifft das Verfahren jedoch alle Arten von Entladungslampen, insbesondere beispielsweise auch Xenon-Autolampen. Es sei noch einmal darauf hingewiesen, dass für die Durchführung des Verfahrens die bisher zum Betreiben einer Entladungslampe verwendeten elektronischen Betriebsgeräte nicht auf eine höhere Belastung ausgelegt werden müssen, da das Strom-Zeit-Integral entscheidend ist, weshalb gegebenenfalls ein niedrigerer Strom einfach etwas länger angelegt wird. [56] Fig. 11 zeigt den zeitlichen Verlauf des Lampenstroms, oben, und der Lampenspannung UB, unten, bei Ansteuerung mit asymmetrischem Strom-Dutycyle während der Überschmelzphase . Gut zu erkennen ist, dass einzelne Kommutierungen unmittelbar hintereinander doppelt ausgeführt werden. Zwei unmittelbar hintereinander ausgeführte Kommutierungen sind unter dem Begriff sog. „Dummy- Kommutierungen" bekannt. Dadurch wird eine beabsichtigte Unsymmetrie bzw. ein DC-Anteil im Lampenstrom erzeugt. Wie ebenfalls zu erkennen ist, nimmt die Lampenspannung UB, wie gewünscht, zu. Alternativ können auch einzelne Kommutierungen ausgelassen werden.
Fünfte Ausführungsform
[57] Die fünfte Ausführungsform bezieht sich auf ein Betriebsverfahren, das mir einem Betriebsgerät ausgeführt werden kann um in einer Beleuchtungseinrichtung neben der Elektrodenformung auch die Bildqualität zu verbessern. Die Beleuchtungseinrichtung 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 12 umfasst eine Lichtquelle 1, vorliegend eine Gasentladungslampe, die Licht mit einem Farbort im weißen Bereich der CIE-Normfarbtafel aussendet. Bei der Gasentladungslampe 1 handelt es sich um eine Punktlichtquelle mit einem sehr kleinen Bogenabstand, die eine hohe Energiedichte von 100 W/mm3 bis 500 W/mm^ aufweist.
[58] Weiterhin umfasst die Beleuchtungseinrichtung 10 gemäß der Figur 12 ein Betriebsgerät 2, wie beispielsweise einen Funktionsgenerator, der elektrische Signale mit einer Leistung von 100 W bis 500 W bereitstellen kann, und das erfindungsgemäße Verfahren ausführt. Das Be- triebsgerät 2 steuert die Lichtquelle 1 nach dem erfin- dungsgemäßen Verfahren mit einem elektrischen Stromstärkesignal an, das einer Lichtkurve 3 folgt. Lichtkurven 3 werden später in Zusammenhang mit den Figuren 13 und 15A bis 15C näher erläutert.
[59] Die Lichtkurve 3 bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 15A umfasst eine periodische Abfolge von jeweils drei Segmenten SR, SG, SB. Das erste Segment SB ist der Farbe Blau zugeordnet, das zweite Segment SR der Farbe Rot und das dritte Segment SG der Farbe Grün. Diese Lichtkurve 3 kann beispielsweise alternativ zu der Lichtkurve 3 gemäß der Figur 14 in dem Betriebsgerät 2 der Beleuchtungseinrichtungen 10, 11 abgespeichert sein, die in den Displaysystemen gemäß der Figur 13 verwendet ist. Die verschiedenen Segmente der Lichtkurve sind dabei verschiedenen Teilhalbwellen zugeordnet, aus denen der an die Gasentladungslampe anzulegende Wechselstrom besteht, damit folgt der Lampenstrom der abgespeicherten Lichtkurve. Da die Lichtabgabe der Gasentladungslampe mit dem Lampenstrom korreliert, folgt die Lichtabgabe der Gasent- ladungslampe der abgespeicherten Lichtkurve.
[60] Das erste Segment SB der Lichtkurve der Figur 15A ist der Farbe Blau zugeordnet und weist eine Dauer tB von ca. 1300 μs auf. Während dieses Zeitintervalls tB beträgt der Lichtfluss der Beleuchtungseinrichtung 10, 11 ca. 108 %.
[61] An das erste Segment SB schließt sich ein zweites Segment SR an, das der Farbe Rot zugeordnet ist und eine Dauer von tR aufweist. Während eines ersten Zeitintervalls tRi des Zeitintervalls tR beträgt der Lichtfluss der Beleuchtungseinrichtung 10, 11 kurzfristig ca. 150 %, während der Lichtfluss in einem zweiten Zeitintervall tR2, das sich an das erste Zeitintervall tRi direkt anschließt und mit diesem das Zeitintervall tR ausbildet, ca. 105 % beträgt. Das Zeitintervall tRi ist hierbei deutlich kürzer als das Zeitintervall tR2. Das Zeitintervall tRi beträgt vorliegend ca. 100 μs, während das Zeitintervall tR2 vorliegend ca. 1200 μs beträgt.
[62] An das zweite Segment SR schließt sich ein drittes Segment SG an, das der Farbe Grün zugeordnet ist und eine Dauer tG von ebenfalls ca. 1300 μs aufweist. Auch das Zeitintervall tG teilt sich wie das Zeitintervall tR in zwei Zeitintervalle tGi und tG2 auf, wobei das erste Zeitintervall tGi deutlich länger ist als das zweite Zeitintervall tG2. Das erste Zeitintervall tGi beträgt vorliegend ca. 1200 μs, während das zweite Zeitintervall tG2 des grünen Segmentes eine Dauer von ca. 100 μs aufweist. Während des ersten Zeitintervalls tGi weist die Lichtkurve 3 einen konstanten Wert von ca. 85% auf, der für das Zeitintervall tG2 kurzfristig auf einen Wert von ca. 45% abgesenkt ist.
[63] Nach Ablauf dieser drei Segmente SR, SG, SB erfolgt eine im Wesentlichen periodische Wiederholung dieser drei Segmente SR, SG, SB, wobei die Anordnung der kurzen Zeitintervalle tRi, tG2 innerhalb der Segmente, in denen der Lichtfluss gegenüber dem restlichen Segment SR, SG deutlich angehoben oder abgesenkt ist von der Periodizität abweicht. Die kurzen Zeitintervalle der Lichtkurve 3, in denen die Beleuchtungsstärke stark abgesenkt ist, dienen der Erhöhung der Farbtiefe wie bereits im allgemeinen Beschreibungsteil beschrieben. Die kurzen Segmente innerhalb derer die Beleuchtungsstärke stark angehoben sind, sind Maintenancepulse, die wie oben schon beschrieben zur Stabilisierung der Elektroden der Gasentladungslampen dienen .
[64] Die Figur 15B zeigt zwei Lichtkurven 3. Die Diagram- me stellen die Beleuchtungsstärke und die Farbe in Abhängigkeit der Zeit dar. Sie enthalten jeweils eine volle Periode der Lichtkurvenform, in der Regel mit einer Dauer zwischen 16 und 20 ms.
[65] Die Lichtkurve des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 15C ist auf ein Filterrad 6 mit sechs verschiedenen
Filtern mit den Farben Gelb, Grün, Magenta, Rot, Cyan und
Blau ausgelegt. Dementsprechend setzt sich die Lichtkurve
3 aus einer periodischen Abfolge sechs verschiedener
Segmente Sγ, SG, SM, SR, S0, SB zusammen, die der jeweili- gen Farbe zugeordnet sind. Die Segmente Sγ, SG, SM, SR,
Sc, SB werden in Folgenden mit der Farbe bezeichnet, der sie zugeordnet sind. Jedes Segment Sγ, SG, SM, SR, S0, SB der Lichtkurve 3 weist hierbei einen konstanten Wert des
Lichtflusses während dem größten Teil der Dauer des jeweiligen Segmentes auf.
[66] Den einzelnen Segmenten Sγ, SG, SM, SR, S0, SB sind wieder Zeitintervalle tγ, tG, tM, tR, tc, tB zugeordnet, die sich in zwei oder drei Zeitintervalle tYi, tY2, tGi, tG2, tMi, tM2/ tM3/ tRi, tR2 , tci , tC2 , tC3 , tBi , tB2 aufteilen, wobei jeweils eines der Zeitintervalle deutlich länger ist als die anderen. Diese Zeitintervalle werden im Folgenden als „lange Zeitintervalle" bezeichnet. Die Werte des Lichtflusse in den langen Zeitintervallen der einzelnen Segmente sind der Tabelle in Figur 15D in der Zeile „segment light level" zu entnehmen. Das gelbe und das grüne Segment Sγ, SG weisen einen konstanten Licht- fluss von 80% während des langen Zeitintervalls auf. Das magentafarbene und das rote Segment SM, SR weisen einen Lichtfluss von 120% während des langen Zeitintervalls auf, während das cyanfarbene Segment S0 einen Lichtfluss von 80% während des langen Zeitintervalls aufweist und das blaue Segment SB einen Lichtfluss von 120% während des langen Zeitintervalls. Am Ende eines jeden Segmentes befindet sich eine kurze Zeitdauer, während derer das Lichtniveau gegenüber dem langen Zeitintervall stärker abgesenkt ist. Diese Werte sind der Tabelle in Figur 15D unter der Zeile „negative pulse light level" zu entnehmen. Bei dem gelben und bei dem grünen Segment Sγ, SG ist der Lichtfluss auf einen Wert von 40%, bei dem magenta- farbenen und dem roten Segment SM, SR auf einen Wert von 60 %, bei dem cyanfarbenen Segment Sc , auf einen Wert von 40 % und bei dem blauen Segment SB auf einen Wert von 60 % abgesenkt. Weiterhin findet am Ende des magentafarbenen Segmentes SM und am Ende des cyanfarbenen Segmentes S0 eine Kommunikation statt, die mit Pfeilen symbolisiert ist und jeweils mit einem gegenüber dem langen Zeitintervall angehobenen Lichtfluss verknüpft ist.
[67] Die Segmentgrößen der unterschiedlichen Farben sind, wie der Tabelle in Figur 15D in der Zeile „segment size" zu entnehmen, nicht identisch, sondern betragen bei dem gelben und dem grünen Segment Sγ, SG einen Wert von 60°, bei dem magentafarbenen Segment SM einen Wert von 40°, bei dem roten Segment SR einen Wert von 70°, bei dem cyanfarbenen Segment Sc einen Wert von 62° und bei dem blauen Segment SB einen Wert von 68°. Diese Werte sind auf die Lichtkurve 3 abgestimmt. [68] In Verbindung mit einer Lichtkurve 3, deren Segmente SR, SG, SB den Farben Rot, Grün und Blau zugeordnet sind, wie beispielsweise in den Figuren 14 und 15A gezeigt, findet in der Regel ein Filterrad 6 mit zwei roten, zwei blauen und zwei grünen Filtern Anwendung. Die Filter sind hierbei bevorzugt in der Reihenfolge, Rot, Grün, Blau, Rot, Grün, Blau angeordnet. Die Größen der einzelnen Farbfiltersegmente können hierbei gleich sein (60° für alle sechs Filter) oder unterschiedlich, abgestimmt auf die verwendete Lichtkurve 3. Das Filterrad kann alternativ auch aus jeweils nur einem roten, einem blauen und einem grünen Filter bestehen.
[69] Im Folgenden werden anhand der Figuren 15E, 15F und
15G die Funktionen der einzelnen Zeitintervalle innerhalb der Segmente SR, SG, SB beispielhaft näher erläutert.
[70] Die Lichtkurve 3 gemäß der Figur 15E umfasst wie die Lichtkurve 3 gemäß der Figur 15A eine periodisches Abfolge eines Segmentes SB, das der Farbe blau zugeordnet ist, eines Segmentes SR, das der Farbe Rot zugeordnet ist und eines Segmentes SG, das der Farbe Grün zugeordnet ist. Jedes Segment SR, SG, SB weist eine Dauer von ca. 1500 μs auf. Das Zeitintervall tB, das Zeitintervall tR und das Zeitintervall tG, die dem jeweiligen Segment SR, SG, SB zugeordnet sind, weisen daher gleiche Länge auf. Inner- halb eines Segmentes SR, SG, SB weist die Lichtkurve 3 jeweils einen konstanten Wert auf. Während des Zeitintervalls tB weist die Lichtkurve 3 einen Wert von ca. 95% auf, während des Zeitintervalls tR einen Wert von ca. 100% und während des Zeitintervalls tG einen Wert von ca. 110%. Mittels der unterschiedlichen Niveaus der Lichtkurve 3 wird der Lichtfluss der Beleuchtungseinrichtung derart angepasst, dass ein Displaysystem mit dieser Beleuchtungseinrichtung eine gewünschte Farbtemperatur aufweist .
[71] Die Lichtkurve 3 gemäß der Figur 15F zeigt exempla- risch kurze Zeitintervalle tB2, tB3, tR2, t Gi, tG2, tG3 zum Ende jedes Segmentes SR, SG, SB, ähnlich wie sie bereits oben in Verbindung mit Figur 15A beschrieben wurden. Die Lichtkurve 3 setzt sich wiederum aus einer periodischen Abfolge eines Segmentes SB, das der Farbe Blau zugeordnet ist, eines Segmentes SR, das der Farbe Rot zugeordnet ist und eines Segmentes SG, das der Farbe Grün zugeordnet ist, zusammen. Das Zeitintervall tB, tR, tG jedes Segmentes unterteilt sich vorliegend in drei Zeitintervalle eines langen Zeitintervalls tiB, tiR, tiG zu Beginn jeden Segmentes SR, SG, SB und zweier kurzer Zeitintervalle tB2, tB3, tR2, t Gi, tG2, tG3 jeweils zum Ende jedes Segmentes SR, SG, SB. Während der kurzen Zeitintervalle tB2, tB3, tR2, t Gi, tG2, tG3 ist der Lichtfluss der Lichtkurve 3 und somit der Wechselstrom durch die Gasentladungslampe stufenwei- se abgesenkt. Beispielhaft sei hier das Segment SB, das der Farbe Blau zugeordnet ist, beschrieben. Während dem Zeitintervall tBi beträgt die Lichtkurve 3 einen Wert von ca. 110%. In dem Zeitintervall tB2, das direkt auf das Zeitintervall tBi folgt, beträgt die Lichtkurve 3 einen Wert von ca. 55%, während der Wert der Lichtkurve 3 in dem an das Zeitintervall tB2 anschließenden Zeitintervall tB3 auf ca. 30% abgesenkt ist. Das Zeitintervall tBi weist eine Dauer von ca. 1300 μs auf, während die Zeitintervalle tB2 und tB3 jeweils eine Dauer von ca. 10 μs aufweisen. Die restlichen Segmente SR, SG der Lichtkurve sind identisch aufgebaut, wie das Segment SB, das der Farbe Blau zugeordnet ist. Die Absenkung der Lichtkurve 3 während der kurzen Zeitintervalle tB2, tB3, tR2, t Gi, tG2, tG3 dient dazu, die Farbtiefe des Displaysystems, in dem die Beleuchtungseinrichtung Verwendung findet, zu verbessern.
[72] Die Lichtkurve 3 gemäß der Figur 15G zeigt die beiden anhand der Figuren 15E und 15F bereits erläuterten Lichtkurvenformen gemeinsam in einer Lichtkurve 3, wie sie auch in einer Beleuchtungseinrichtung Anwendung finden kann. Die Beschreibung der kurzen Segmente tB2, tB3, tR2, t Gi, tG2, tG3 zum Ende jedes Segmentes SR, SG, SB der Figur 15F ist hierbei auch für die kurzen Zeitintervalle tB2, tB3, tR2, t Gi, tG2, tG3 der Figur 15G gültig, während die Niveaus der Lichtkurve 3 während des langen Zeitintervallen tBi, tR2, tG3 jedes Segmentes SR, SG, SB dem Wert gemäß der Lichtkurve 3 der Figur 15E entspricht.
[73] Die Stromstärke-Beleuchtungsstärke-Kennlinie des Ausführungsbeispiels gemäß der Figur 16 ist annähernd linear. Sie gibt auf der y-Achse eine Stromstärke in Prozent an und auf der y-Achse ein Lichtlevel in Prozent.
[74] Mittels der Stromstärke-Beleuchtungsstärke- Kennlinie, die ebenfalls in dem Betriebsgerät 2 der Beleuchtungseinrichtung 10, 11 gespeichert sein kann, ist es möglich, dass bei veränderten Lampenbetriebsparametern, wie etwa der Stromstärke, die Helligkeit der Licht- quelle 1, IR, IG, IB der Beleuchtungseinrichtung 10, 11 auf der von der Lichtkurve 3 vorgegebenen Beleuchtungsstärke gehalten wird. Durch die Korrelation über die Kennlinie kann die Vorgabe in der Lichtkurve direkt in einen Wechselstrom für die Gasentladungslampe umgewandelt werden. Die verschiedenen Plateuas der Lichtkurve werden dabei in jeweilige Teilhalbwellen umgewandelt, wobei die
Kommutierungsstellen von dem Betriebsgerät 2 anhand von
Synchronisationsvorgaben einer Videoelektronik in der Beleuchtungsvorrichtung 10 ausgewählt werden.
[75] Die in Fig. 17 dargestellte Schaltung stellt ein Beispiel für eine Schaltungsanordnung 21 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar, die einen Teil des Betriebsgerätes 2 bildet. Diese Schaltungsanordnung 21 gliedert sich in die folgenden Blöcke: Spannungsversor- gung SV, Vollbrücke VB, Zündung Z, und Steuerungsteil C. Die Blöcke SV, VB, C und Z können identisch wie entsprechende Blöcke in herkömmlichen Schaltungsanordnungen aufgebaut sein. Die Spannungsversorgung regelt die Leistung der Gasentladungslampe, wobei sich hierüber die Lampenspannung einstellt. Die Lampenleistung mit der entsprechenden Lampenspannung wird an die Vollbrücke angelegt, die daraus eine rechteckförmige Lampenleistung erzeugt, die an die Gasentladungslampe angelegt wird. Gestartet wird die Gl mittels einer Resosnanzzündung durch die beiden Lampendrosseln L2 und L3 und den Kondensator C2, die damit gleichzeitig die Zündeinheit Z bilden. Die Ausführung in Fig. 17 ist lediglich Beispielhaft. Der Steuerungsteil C, der die Vollbrücke und die Spannungsversorgung ansteuert, kann als analoge Steuerung aufgebaut sein, bevorzugt ist der Steuerungsteil C jedoch ein digitaler Regler, der besonders bevorzugt einen MikroController aufweist.
[76] Das Schaltbild ist lediglich Schematisch und es sind nicht alle Steuer- und Sensorleitungen gezeigt. [77] Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombina- tion von Merkmalen in den Patentansprüche beinhaltet auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe (LP) mit folgenden Merkmalen:
- die Gasentladungslampe (LP) wird mit einem ab- schnittsweise konstanten Lampenstrom betrieben, dessen zeitlicher Mittelwert der Frequenz durch die Lampenspannung der Gasentladungslampe im eingeschwungenen Zustand vorgegeben ist, wobei
- der Lampenstrom im zeitlichen Verlauf vorbestimmte Kommutierungsstellen (31, 32, 33, 34, 35) aufweist, und
- an diesen Kommutierungsstellen (31, 32, 33, 34, 35) eine Kommutierung zur Erzeugung eines Kommutierungsmusters stattfinden kann, wobei - durch eine Variation des Kommutierungsmusters der zeitliche Mittelwert der Frequenz des Lampenstroms eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommutierungsmuster dadurch erzeugt wird, dass an Kommutierungsstellen (31, 32, 33, 34, 35), an denen keine Kommutierung stattfinden soll, diese ausgelassen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommutierungsmuster dadurch erzeugt wird, dass an Kommutierungsstellen (31, 32, 33, 34, 35), an denen keine Kommutierung stattfinden soll, eine Doppelkommutierung erzeugt wird. - A A -
4. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kommutierungsmuster dadurch erzeugt wird, dass die beiden Verfahren der Ansprüche 2 und 3 gemischt werden.
5. Elektronisches Betriebsgerät, aufweisend ein Zündgerät (Z) , einen Wechselrichter (VB) und eine Steuerschaltung (C) , dadurch gekennzeichnet, dass es ein
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4 ausführt .
6. Projektor mit einem elektronischen Betriebsgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor ausgelegt ist, während der Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ein Bild zu projizieren, ohne dass dem Bild die Durchführung des Verfahrens anzusehen ist.
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