CN103535117A - 用于以可变功率驱动高压放电灯的方法 - Google Patents

用于以可变功率驱动高压放电灯的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于以可变功率驱动高压放电灯的方法，其中高压放电灯具有标称功率，并且以瞬时功率来驱动，其中瞬时功率位于相对的上部的和下部的功率极限之内，所述功率极限与平均功率相关，并且所述瞬时功率位于预设的绝对的下部的和上部的功率极限之内，其中由瞬时功率的单边滑动平均值或者预设长度的时间段的瞬时功率的指数平滑值确定平均功率。

Description

用于以可变功率驱动高压放电灯的方法
技术领域
本发明涉及一种用于以可变功率驱动高压放电灯的方法，所述方法例如能够使用在视频投影系统中。
背景技术
本发明涉及一种用于高压放电灯的驱动方法，所述方法例如能够使用在视频投影系统中，并且以可变功率驱动高压放电灯，以便使系统的能量消耗最小化并且提高例如要显示的图像的对比度。尤其在显示影片镜头时，图像亮度通常极其低（例如夜间场景）。因此，在此，为了提高动态对比度并且为了节约能量并且也为了通过以平均较低的功率驱动来提高灯的平均使用寿命，应当对灯动态地随着图像内容逐个图像地调整灯功率。尽管上述内容原则上是可行的，然而在这种情况下存在下述问题：当灯功率的瞬间的调制过强进而电极温度经受快速波动时，由于芯杆（Kernstift）和电极灯丝（Elektrodenwendeln）之间的热应变造成电极灯丝朝向弧的圆心的方向“展开”。上述内容极其快速地引起电极间距减小，这然后通过通常设置在驱动设备中的电流限制器引起：以过低的功率驱动灯进而不再在正常的工作范围中工作。上述内容显著地缩短高压放电灯的使用寿命。附加地，干扰投影系统的显像。
一个解决方案是强烈地限制所允许的调制范围，以至于不再出现或者缓慢地出现电极灯丝的“展开”，使得其由电极在工作持续期间的典型的回烧来补偿。
替选地，仅能够允许极其缓慢的调整，以至于仅存在少量短时间的功率变化，但是因此能够使用更大范围的调制深度。但是，这两个解决方案强烈地限制可通过调制功率获得的对比度，这是极其不期望的。
发明内容
本发明的目的是，提供一种用于以可变功率驱动高压放电灯的方法，所述方法不缩短高压放电灯的使用寿命并且同时不减少高压放电灯的动态范围。
根据本发明，借助用于以可变功率驱动高压放电灯的方法来实现所述目的，其中高压放电灯具有标称功率，并且以瞬时功率驱动，其中瞬时功率位于相对的上部的和下部的功率极限之内，所述功率极限与平均功率相关，并且所述瞬时功率位于预设的绝对的下部的和上部的功率极限之内，其中由瞬时功率的平均值确定平均功率。所述平均功率优选能够确定为瞬时功率的单边滑动平均值或者预设长度的时间段的瞬时功率的指数平滑值。借助该方法能够有效地防止电极灯丝的上面描述的“展开”，而不会过度限制高压放电灯的动态范围。
在一个优选的实施形式中，以规则的时间间隔来确定瞬时功率，并且平均功率由最后x个瞬时功率的单边滑动平均值组成。在另一优选的实施形式中，同样以规则的时间间隔确定瞬时功率，并且平均功率由最后x个瞬时功率的指数平滑值组成。
组成平均功率的最后x个瞬时功率的数值x在此优选位于10<x<600之间的范围内。借助该措施在动态足够的同时达到足够的平滑。
在此，相对的上部的和下部的功率极限优选与平均功率和高压放电灯的点燃电压UB相关。这在根据本发明的方法中是有利的，因为从所述参数能够尤其良好地导出调制深度，进而避免在功率过小或过大的情况下驱动高压放电灯。在此优选的是，相对的上部的和下部的极限之间的间距在点燃电压UB较小的情况下较小并且在点燃电压UB较大的情况下较大。也就是说，在点燃电压UB较大的情况下调制深度上升并且在点燃电压UB较小的情况下调制深度下降。由此，能够在电极间距过大的情况下促进电极尖端的生长，而在电极间距过小的情况下抑制生长。因此令人惊奇地显示出：大的调制深度引起尖端生长的提高，而小的调制深度对于尖端生长没有影响。
在此优选的是，相对的下部的功率极限在平均功率之下位于高压放电灯的标称功率的1%和30%之间，并且在此优选的是，相对的上部的功率极限在平均功率之上位于高压放电灯的标称功率的1%和30%之间。绝对的下部的功率极限优选位于高压放电灯的标称功率的30%和80%之间，并且绝对的上部的功率极限优选位于高压放电灯的标称功率的100%和130%之间。
在另一实施形式中，相对的下部的和上部的功率极限距平均功率的距离相等。但是还可能的是，极限彼此无关地形成并且为上部的功率极限距平均功率的间距选择更大的数值。当在应用时附加地还能够通过适当的附加措施（例如遮光器）减少光时，这是有利的。因此，灯的亮度能够更快地再次从较低的水平上升到更亮的水平上，相反，亮度下降能够更缓慢地进行。在亮度下降时，能够使用附加的措施以用于立即降低亮度。灯被缓慢地向下调节，但是这由于附加的措施而不再能够被察觉。然而反过来这是不可行的：当必须立即再次提供亮度时，灯必须，明显更快地达到目标亮度，这能够通过上部的功率极限距平均功率的更大的间距来实现。
根据本发明的另一方面，通过外部的控制单元来预设期望的瞬时功率，并且在每次功率变化时将相对的上部的和下部的功率极限向回传输返回至控制单元。由此，在高压放电灯的驱动设备和控制单元（例如视频电子装置）之间进行安全且有效的通信是可行的。在此，能够通过脉冲宽度调制信号或经由数字接口进行相对的上部的和下部的功率极限的向回传输。这两个变型形式能够借助于通常已经存在的微控制器简单且有效地实施。相对的上部的和下部的功率极限也能够以其他方法通过模拟电平信号或者频率信号来传输。
根据本发明的另一方面，控制单元将期望的灯功率与外部信号同步，所述外部信号例如是图像信号或者声音信号。
根据本发明的用于以可变功率驱动高压放电灯的方法的其他有利的改进形式和设计方案从另外的从属权利要求中和从下面的描述中得出。
附图说明
本发明的其他的优点、特征和细节借助于实施例的下面的描述以及根据附图得出，在所述附图中相同的或者功能相同的元件设有相同的附图标记。在此示出：
图1a示出用于图解说明根据本发明的用于以可变功率驱动高压放电灯的方法的图形，其中绘制出预设的绝对的下部的和上部的功率极限，以及绘制出作为曲线的平均功率和与平均功率相关的相对的下部的和上部的功率极限；
图1b示出用于图解说明根据本发明的用于以可变功率驱动高压放电灯的方法的图形，其中绘制出预设的绝对的下部的和上部的功率极限，以及绘制出作为曲线的平均功率和相对的下部的和上部的功率极限，在此，所述相对的下部的和上部的功率极限的相关性有时对于延长使用寿命的措施而言与平均功率脱耦；
图2示出根据本发明的方法的第一实施形式的一个示例，所述方法具有60%至100%的绝对的下部的和上部的功率极限和20%的调制深度Δa、以及平均功率，在10s内对所述平均功率的单边滑动平均值取平均值；
图3示出根据本发明的方法的第二实施形式的一个示例，所述方法具有30%至100%的绝对的下部的和上部的功率极限和5%的调制深度Δa，以及平均功率，在2s内对所述平均功率的单边滑动平均值取平均值；
图4示出具有简单测试序列的、根据本发明的方法的第一实施形式的图形；
图5示出具有与图4相同的简单测试序列的、根据本发明的方法的第二实施形式的图形；以及
图6示出根据用于驱动高压放电灯的根据本发明的方法的第三实施形式的高压放电灯的点燃电压UB的所允许的调制深度Δa（在相对的下部的和上部的功率极限之间的范围）的图形。
具体实施方式
在下面的实施方案中重复地应用应在此简短阐明的术语：
在此，由高压放电灯的制造商规定的用于连续运行的额定功率理解为高压放电灯的标称功率。用于投影目的的高压放电灯的标称功率例如能够为120W、150W或300W。
下面，将当前施加在高压放电灯上的功率视为瞬时功率。在投影应用中，能够以分散的间隔、即例如每个图像一次（也称作帧）来计算瞬时功率。但是，瞬时功率也能够被连续地计算。
下面，将在特定的时间段内取平均值的功率视为是平均功率PAV。仅对真正的瞬时功率取平均值，也就是说，将时间段延伸到过去。平均功率PAV能够作为单边滑动平均值来计算，其中平均周期从当前时间点起延伸到过去。用于单边滑动平均值的计算规则例如能够在于2011年5月4日检索到的维基百科条目“滑动平均值Gleitender Mittelwert”（http://de.wikipedia.org/wiki/Gleitender_Mittelwert#Einseitiger_gleitender_Mittelwert）中找出。
但是，平均功率PAV也能够借助于指数平滑值来计算，其中由最后的功率值和加权值形成加权平均。用于指数平滑值的计算规则例如能够在于2011年5月4日检索到的维基百科条目“指数平滑值exponentiellen
Figure BDA0000415404320000051
”（http://de.wikipedia.org/wiki/Exponentielle_
Figure BDA0000415404320000052
）中找出。
图1a示出用于图解说明根据本发明的用于以可变功率驱动高压放电灯的方法的图形，其中绘制出预设的绝对的下部的功率极限Pmin和预设的绝对的上部的功率极限Pmax。将平均功率PAV绘制为曲线，并且将与平均功率PAV相关的相对的下部的和上部的功率极限绘制为垂直的箭头。上部的和下部的相对功率极限之间的范围也称作调制深度Δa。
在一个优选的实施形式中，根据本发明的方法用于：通过将高压放电灯的瞬时功率匹配于当前的图像内容来提高视频应用中的对比度。为此，由例如为视频电子装置的外部的控制单元将期望的瞬时功率传输给驱动高压放电灯的驱动设备。在此，传输能够经由数字接口来进行。但是传输也能够通过经调制的信号来进行，将所述经调制的信号输入到驱动设备中。现在，驱动设备在瞬时允许的调制深度的范围内调节高压放电灯的期望的功率。用于短时间的逐个图像调制的调制深度Δa（典型地为50Hz至60Hz，对于3D内容而言加倍）被限制于预设的数值上，以至于不出现或者仅极其缓慢地出现电极灯丝的开始所描述的“展开”。因此，现在为了允许更宽的功率调制范围，引入附加的参数：在较长的时间段t内取平均值的平均功率PAV。因此，在具有总是在该平均功率PAV附近的预设的调制深度的允许的范围中可以进行短时间的调制。因此，围绕该平均值PAV存在上部的和下部的相对功率极限。因此，在接近上部的和下部的绝对功率极限（PMax，PMin）时保持在所述固定的极限之间的范围中进行调制是可行的。驱动设备在当前有效的相对极限的范围内实施高压放电灯的被控制单元期望的功率变化，进而将用于重新进行功率变化的相对的上部的和下部的功率极限向回传输给控制单元。在此，向回传输同样能够通过PWM信号或经由数字接口来进行。
在此，能够使期望的灯功率与外部的信号同步。特别地，控制单元能够使期望的灯功率与图像信号同步。但是，控制单元同样能够由声信号同步期望的灯功率。
图1b示出用于图解说明根据本发明的用于以可变功率驱动高压放电灯的方法的图形，其中绘制出预设的绝对的下部的和上部的功率极限，以及绘制出作为曲线的平均功率PAV。在此，相对的下部的和上部的功率极限的相关性有时对于延长使用寿命的措施而言与平均功率脱耦，如在该图形的右部中可见。此外，所允许的偏移和其初始值、所允许的范围的中点能够是时间相关的。如果当前存在的延迟使用寿命的措施应当需要以标称功率驱动灯或者仅在该情况下理想地作用，那么所允许的偏移的中点mf能够与平均功率PAV脱耦，连续地提升到PMax上，并且在该措施结束之后再次下降到期望的平均的目标功率PAV上。这在图1b的右部区域中示出。在此，平均功率PAV非强制性地跟随所允许的偏移的中点mf。
图2示出根据本发明的方法的第一实施形式的一个示例，所述方法具有为标称功率的60%的绝对的下部的功率极限PMin和为标称功率的100%的绝对的上部的功率极限PMax和为标称功率的20%的调制深度Δa。将平均功率PAV作为单边滑动平均值在10s内取平均值。因此，瞬时功率的最大范围确定为是标称功率的100%（PMax）至标称功率的60%（PMin）。瞬间的最大的逐个图像的调制、即调制深度Δa限制于标称功率的20%。平均功率PAV的单边滑动平均值如下确定：PAV=（P1+P2+P3+P4+……+Pn）/n，其中将n选择成使得在10s内取平均值，并且分别为图像确定瞬时功率P1至Pn。在例如60Hz的帧率的图像刷新率的情况下n=600。因此在任何时间进行短时间的亮度调节都是可行的。在图像亮度持续地低于最小允许功率的情况下，瞬时功率通过算法在大约15s之后下降到下部的允许功率PMin上。在此，平均值首先始于100%、即在标称功率处。
图3示出根据本发明的方法的第二实施形式的一个示例，所述方法具有30%的绝对的下部的功率极限和100%的绝对的上部的功率极限PMax。平均功率PAV的调制深度Δa在该实施方式中为5%。在第二实施形式中，仅对单边滑动平均值在2s内取平均值。因此，能够从标称功率的100%（PMax）至标称功率的30%（PMin）设定瞬时功率的最大范围。短时间的最大的逐个图像的调制、即调制深度（Δa）被限制于5%。平均功率通过单边滑动平均值如下确定：PAV=（P1+P2+P3+P4+……+Pn）/n，其中将n选择成使得在～2s内取平均值。然后，在60Hz的图像刷新率的情况下n等于120。短时间的匹配相对低，但是在图像亮度持续地低于最小允许功率PMin的情况下，所施加的功率通过算法在大约22s之后下降到下部的允许功率PMin上。平均值首先始于100%。
图4示出具有简单测试序列的、根据本发明的方法的第一实施形式的图形。测试序列51在此由100%的图像亮度到50%的图像亮度和从50%的图像亮度到100%的图像亮度的亮度阶跃组成。在图像编号之上绘制图像亮度。曲线PM是灯的所绘制的瞬时功率。能够良好识别的是，基于为标称功率的20%的所允许的调制深度Δa得出的从100%的标称功率到80%的标称功率的初始功率阶跃。曲线PAV表示平均功率PAV，所述平均功率由于单边滑动平均值计算而在一定时间之后才跟随瞬时功率PM。自瞬时功率阶跃到标称功率的80%起，瞬时功率保持于80%，直至平均功率PAV达到标称功率的90%。
然后，瞬时功率PM以与平均功率PAV相同的速率下降，然而具有的区别是，所述瞬时功率与平均功率PAV相比在所允许的范围内低10%。瞬时功率PM在亮度从高压放电的标称功率的60%阶跃到标称功率的100%时以类似的方式表现。在此在对应于大约15s的大约900个图像（在每秒60个图像）之后达到60%的最小图像亮度。
图5示出具有与图4相同的简单测试序列的、根据本发明的方法的第二实施形式的图形。为了更好的可比性，图像亮度的阶跃与图4的之前的示例相同。通过用于调制深度Δa的和用于单边滑动平均值的不同的参数，瞬时功率PM在此表现得与在第一实施形式中不同。在开始时，瞬时功率PM下降所允许的调制深度Δa的5%。在此，瞬时功率短暂地保持不变，以便然后随平均功率PAV进一步下降。因为在第二实施形式中，仅在2秒内对平均功率取平均值，所以所述平均功率以线性速率下降。在此，在对应于大约22s的大约1300个图像（在每秒60个图像）之后达到50%的最小图像亮度。
图6示出根据用于驱动高压放电灯的根据本发明的方法的第三实施形式的高压放电灯的点燃电压UB（60V-120V）的所允许的调制深度Δa（相对的下部的和上部的功率极限的范围）的图形。调制深度Δa类似于之前的实施形式，但是附加的是，调制深度Δa与高压放电灯的点燃电压UB相关。在例如60V的低的点燃电压的情况下，调制深度Δa较小，例如为5%，以便避免高压放电灯的电极生长在一起。在高的点燃电压的情况下，所允许的调制深度Δa较大，例如为30%，因为在此必要时甚至期望电极生长在一起。所允许的调制深度能够是线性的，但是或也能够是阶梯式的或任意曲线形状的。
根据本发明的解决方案的优点尤其是在可能的最大的短时间调制的情况下的大的可用功率范围。由此，能够在灯使用寿命较高的情况下实现更大的能量节约。此外，将操作模式与延长使用寿命的措施组合，其方式为：在高压放电灯的点燃电压较高的情况下，调制深度Δa能够表现得更高。附加地，操作方式是极其灵活的。根据灯的要求，能够个体地设定范围。附加地，调制深度Δa能够根据点燃电压UB来设定。高的调制引起电极结合在一起。在点燃电压高的情况下，这有时是期望的，而在点燃电压低的情况下，电极不应当进一步结合在一起。因此适宜的是，在点燃电压低的情况下允许小的调制深度Δa，并且在点燃电压高的情况下允许高的调制深度Δa，这在使用寿命期间引起整体上更低的点燃电压UB进而能够延长高压放电灯的使用寿命。
附图标记列表
55      图像亮度
PAV     平均功率
PMax    绝对的上部的功率极限
PMin    绝对的下部的功率极限
Δa     调制深度
mf      中点
ΦB     图像亮度
PM      瞬时功率
UB      高压放电灯的点燃电压

Claims (15)

1.一种用于以可变功率驱动高压放电灯的方法，其中所述高压放电灯具有标称功率，并且以瞬时功率来驱动，其中所述瞬时功率
-位于相对的上部的和下部的功率极限之内，所述功率极限与平均功率（PAV）相关，并且
-位于预设的绝对的下部的和上部的功率极限（Pmax，Pmin）之内，其中由所述瞬时功率的单边滑动平均值或者预设的长度的时间段的所述瞬时功率的指数平滑值确定所述平均功率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以规则的时间间隔确定所述瞬时功率，并且所述平均功率由最后x个所述瞬时功率的所述单边滑动平均值组成。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，以规则的时间间隔确定所述瞬时功率，并且所述平均功率由最后x个所述瞬时功率的指数平滑值组成。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，x位于下述范围内：10<x<600。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，相对的上部的和下部的所述功率极限与所述平均功率且与所述高压放电灯的点燃电压（UB）相关。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，相对的上部的和下部的极限之间的间距在点燃电压（UB）较小的情况下较小，并且在点燃电压（UB）较大的情况下较大。
7.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，相对的下部的所述功率极限在所述平均功率之下位于所述标称功率的1%和30%之间，并且相对的上部的所述功率极限在所述平均功率之上位于所述标称功率的1%和30%之间。
8.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，相对的下部的所述功率极限距所述平均功率（PAV）的间距与所述平均功率（PAV）距相对的上部的所述功率极限的间距一样大。
9.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，相对的下部的所述功率极限距所述平均功率（PAV）的间距与所述平均功率（PAV）距相对的上部的所述功率极限的间距相比不一样大，并且尤其更小。
10.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，绝对的下部的所述功率极限位于所述标称功率的30%和80%之间，并且绝对的上部的所述功率极限位于所述标称功率的100%和130%之间。
11.根据上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过外部的控制单元来预设期望的所述瞬时功率（PAV），并且在每次功率变化时将相对的上部的和下部的所述功率极限向回传输返回至所述控制单元。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过脉冲宽度调制信号、模拟电平信号、频率或数字信号进行向回传输。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述控制单元将期望的灯功率与外部信号同步。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述控制单元将所述期望的灯功率与图像信号同步。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述控制单元从声信号中同步所述期望的灯功率。
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