CN1242652C - 稳定气体放电灯的运行 - Google Patents

Abstract

闪变现象在气体放电灯中是不希望有的，特别是在投影技术中。根据本发明，该问题通过设置不形成焦斑的灯运行被解决。包括级联结构和前馈控制的特殊的控制装置被提出用于实施这种运行。

Description

稳定气体放电灯的运行

技术领域

本发明涉及用于使气体放电灯运行的方法。此外，本发明还涉及用于使气体放电灯运行的平稳管。

背景技术

在气体放电灯(在下文也被称为灯)运行期间，放电根部在电极上的型式依赖于电极是发射电子(阴极)还是捕捉电子(阳极)。在阳极的情况下，放电按遍布电极大范围的方式被扎根，而在阴极的情况下，通常形成所谓的焦斑(热斑)，其结果是放电多少有些按斑点状的方式被扎根。焦斑所扎根的地点依赖于电极的几何形状、电极材料及电极上的温度分布。这些参数在运行期间易发生改变，以致焦斑扎根的地点会改变其位置，而这被表示为气体放电的不稳定性(电弧不稳定性)或闪变。这种闪变，特别是，出现在灯以交变电流运行的情况下，由于电极交替地形成阴极和阳极，因此，焦斑必定随阳极到阴极的每次改变而变换。

为了降低闪变，灯的所谓的方波运行例如从US 4,485,434被了解到。已显露出选择方波的灯电流替代正弦波的是有利于稳定高压气体放电灯的交流(AC)运行的。方波频率的通常值是50Hz到200Hz。方波运行，特别是，在光通量的恒定是重要的图象记录和投影技术的应用情况下已变成被确认的。尽可能迅速的换向目的是为了使光通量与方波振幅不对应的时间间隔能尽量短。

尽管按方波运行，放电的稳定性仍然是不满意的，特别是，在短电弧高压放电灯的情况下，这种放电比较适用于投影技术中，为了改进电弧的不稳定性，PCT申请WO 95/35645号提出在方波周期的终止时使灯电流脉冲式地升高。电流的升高伴随有对焦斑位置施加稳定影响的温度上升。只有关于脉冲的延续时间和高度以及工作频率的近似数据被给出。而且，该方法的模式或运行仅仅被指出。因而，该方法应用到与示范实施例中提到的灯相比不同的灯设计(例如具有不同的电极形状或不同的填充压强)上只有在广泛的实验工作之后才是可能的。

然而，不仅是确定电流曲线的合适形状的问题，而且，如在下文所述的，还有生成所期望的曲线形状的问题。用于运行放电灯装置的负载电路，特别包括能量存储器和灯，前者也可以是附加的而后者构成非线性负载。

能量存储器的电路网络形成能被非线性负载激发的谐振频率。特别是在短电弧高压灯的运行情况下，这在方波运行中灯电流换向以后引起持久的暂态现象。当然，这些振荡也将在光通量中被观察到。在要求光通量高恒定性的应用情况下(例如，电视图象投影)，因此需要保证暂态现象出现的时间间隔短于方波的周期。在有关的操纵装置中使用的控制器对暂态现象的延续时间有实质性的影响。构成灯功率量度并被与参考量度相比较的变量在通用的操纵装置中被生成用于该项应用。这个比较的结果为操纵装置的功率部分提供控制变量。对于按方波运行的光源的稳定时间能由从换向直到光通量已将其自身调节到设定值附近+/-5％范围内的时刻所经过的时间来确定。对于以上描述的通用控制器，这个稳定时间是250μs-300μs。由于稳定时间最多应是方波半周期的10％，从而对于随着通用控制器的方波最多为200Hz的频率能被实现。

发明内容

按照关于现有技术的讨论，本发明的目的分成两部分：第一，本发明是用来提供一种方法，它使得具有明确限定参数的气体放电灯的基本上无闪变的运行成为可能。第二，本发明在于提供借助其帮助上述方法能被实施的装置。

该目的的第一部分借助具有本发明的特征的方法被实现。特别有益的改进在本发明的优选实施例中将被发现。

如在关于现有技术的讨论中所阐明的，灯闪变的原因是基于构成气体放电在阴极上根部的焦斑连续地改变其位置的事实。更精密的分析显示在电极换向为阴极之后并没有直接形成焦斑。相反地，首先发现是面积宽的放电根部。只有在热的不均匀性在阴极上已经被生成之后，放电才变得收缩并形成焦斑。根据本发明，灯的闪变能通过在放电形成焦斑之前使灯电流换向而被大大地降低。相对于时间急剧升降的电流边缘对于电极尽量快的从阴极改变到阳极是需要的，由于这个原因该方法能借助方波的电流特性被非常有效地实现。由于无闪变运行是重要的，特别是，对于在投影技术中的应用，该方法对于方波用于这种应用情况下的灯特别重要。这些主要是高压及超高压放电灯并且，由于光学成象的质量，特别是那些具有短放电弧的高压及超高压放电灯。为了满足根据本发明的教导对于这样的灯，方波灯电流的频率应该至少为300Hz。

如果该方法第一次被应用到样灯，或者如果灯同时被使用不同的方法运行，则可能不顾根据本发明方法的应用让闪变现象在灯进入运行之后出现短时间。其原因是电极结构便于在不同的位置迅速形成焦斑。然而，根据本发明方法的应用，电极被按这样的方式定形以对放电弧施加稳定的影响。借助根据本发明的方法，这在短时间之后产生实质上无闪变的运行。

如以上所描述的，在超高压短电弧灯的情况下实施根据本发明的方法对方波的灯电流要求至少300Hz的频率，而借助包括通用控制器结构的操纵装置最高能实现200Hz的频率。本发明的任务的第二部分是合拢这个间隙。它借助于具有本发明特征的操纵装置被完成。特别有益的改进将优选实施例中被发现。

在用于气体放电灯的操纵装置中通常从恒定的所谓中间电路电压UO。借助定时的直流-直流(DC/DC)转换器生成输出电压UA。该输出电压是直流(DC)电压，它能借助控制变量Us被设置。DC/DC转换器可以是不同类型的，例如，升压的、降压的或逆转换器。借助这些转换器，控制变量Us改变包含在转换器中的断路器的脉冲占空因数。灯的方波运行大多凭借着输出电压UA的极性通过用于方波的具有所期望频率的全桥式电路而被反向的事实而被实现。

操纵装置的控制变量是灯的功率(Pist)。在灯功率只能昂贵地确定，而且操纵装置的功率损耗被充分精确地了解的情况下，DC/DC转换器的输入功率也能被用作控制变量。在通用操纵装置中，Pist被与设定值Psoll相比较，并且控制变量Us从那里直接地或在由控制特性[P，PI，I，PID]加权之后被确定，而不需要另外的被测量变量的帮助。然而，借助于这种结构在灯电流变换之后不可能有短暂的稳定时间。

根据本发明，问题借助于两个措施被解决：级联控制和前馈控制。级联控制，如原则上也被应用在交换型电源中所谓的电流型的情况下，根据本发明在操纵装置中凭借着这一事实，即来自Pist和Psoll的加权控制差别并不确定控制变量Us的数值，而是为灯电流确定设定值Isoll。被实现Isoll与构成对灯电流量度的数值Iist相比较，形成灯电流的一个测量值，并且就是这个比较的结果首先直接或在由控制特性(P，PI，I，PID)加权后确定控制变量Us。根据本发明前馈控制在控制装置中如下被实施：在灯端待测量的输出电压UA对灯功率也是决定因数。辅助电路(例如点火电路)和馈电装置能导致在输出电压UA中的波动。在UA中的波动干扰控制过程，特别是在灯电流换向之后暂态反应的情况中。从而，根据本发明Isoll不仅由Pist和Psoll的控制差别确定，而且还依赖于输出电压UA。这也能借助用控制特性加权被完成，为了强调UA中的波动，最好选择差分特性。

根据本发明，提供用于使高压或超高压放电灯AC运行的镇流器，放电灯具有导通灯电流的电极，其中该镇流器具有下列部件：

-用于提供直流(DC)电压输出电压(UA)的装置，

-用于提供灯功率(Pist)量度的电学量的装置，

-用于提供灯功率设定值(Psoll)量度的电学量的装置，

-用于提供灯电流(Iist)量度的电学量的装置，

-用于控制电学量的装置，

其特征在于控制系统，作为量的量度灯功率(Pist)、灯功率设定值(Psoll)及输出电压(UA)的函数，使量度灯电流设定值(Isoll)的量固定，并且通过与量度灯电流(Iist)比较来设置灯电流。

附图说明

本发明借助下列附图被说明。

根据本发明的控制器装置的优选实施例，以及随即在气体放电灯运行期间能获得的结果在以下将参照附图被更详细地阐明，其中：

图1示出闪变的放电，

图2示出无闪变的放电，

图3示出控制器装置的方框图，

图4示出优选的示范性实施例的电路图。

具体实施方式

图1示出正好在灯电流换向之前短电弧高压灯的放电。所形成的焦斑待观察。这样的放电并不符合本发明的教导，并因此会产生闪变现象。

图2也示出紧接在灯电流换向之前短电弧高压灯的放电。然而，灯方波电流的频率现在是如此高以致没有焦斑被形成。这符合本发明的教导，由于这个原因这种放电只显示出可忽略的闪变现象。

图3示出根据本发明的控制器装置的方框图。由于目标是在主控制回路中控制灯功率，第一步是在第一个减法点S1形成来自Pist与Psoll的控制差别并且借助控制特性RC1将它加权。控制特性RC1可以是P，PI，I或PID特性。加权的信号被馈送到第二个减法点S2。借助于控制特性RC2被加权的输出电压UA被减掉。控制特性RC2在图3中被表示为被优选的差分特性(DT1)，但是它根本上也能具有不同的特性(例如P，PI，I，或PID)。在描述部分所提到的前馈控制在第二个减法点S2被实施。

第二个减法点S2的输出构成在描述部分所提到的级联控制的内部控制回路的设定值Isoll。Isoll在第三个减法点S3被与对应于灯电流数值的变量比较。这个比较的结果在用控制特性RC3加权后变为控制变量US。控制特性RC3可以是P，PI或PID特性。

图4示出其中图3所示标准装置被实施的电路。在下文中，用R继之以数字表示的组件是电阻器，用C继之以数字表示的组件是电容器，而用T继之以数字表示的组件是晶体管。中央的模块是从Unitrode公司可买到的电流型控制器UCC3800。这个集成电路(IC)包括第一个(S1)和可能确定控制特性RC3的第三个(S3)减法点，以及作为时钟信号用于驱动在描述部分中提到的DC/DC转换器的断路器而生成控制变量US的电路。断路器一般是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，它被接通的时间借助栅极的信号而改变。这个信号在UCC3800的引脚6(输出)可得到。内部振荡器被要求去生成该信号。如果振荡器是自由振荡，它的频率可用R108及C103被设置。在这种情况下，DC/DC转换器按所谓的连续模式运行。R108和C103是串联的。约束点被连接到引脚8(参考)及5V的参考电压。R108的另一端被连接到引脚4(电阻电容)，而C103的另一端被连接到底座。

在与本发明不直接相关的特定运行条件下，DC/DC转换器借助包括组件C6、R1、R2、R107、T100、R106、C101、R105、D102、R104及C102的电路部分被处于不连续模式。这个电路部分由上述MOSFET漏极处的电压控制。C6、R1、R2及R107的串联电路被放置在漏极与10.5V的工作电压之间。电阻器R107的一端同时被连接到工作电压及T100的发射极。另一端被连接到T100的基极。R106和C101被连接到T100的收集极。R106的另一端被连接到底座，而C101的另一端被连接到R105和连接到D102的阳极。R105的另一端被连接到底座，而D102的阴极被连接到R104及C102。R104的另一端被连接到底座，而C102的另一端被连接到UCC 3800的引脚4(电阻电容)。

UCC 3800在引脚7(电压控制晶体)和引脚5(地)被连接到工作电压(10.5V)和底座。Psoll通过引脚8(参考)被输入；在这种情况下，参考电压为5V。

Pist的提供由包含组件R11、R28、R29、R31、R117、R24、R25、IC11-B、R101、C13、C12、R20、R22及IC11-A的电路部分承担。而IC11-A和IC11-B是运算放大器。在IC11-A的输出端(引脚1)，电路部分提供正比于DC/DC转换器输入功率的电压。为此，中间电路电压UO通过端点UA1被馈送到包含组件R11、R28、R25、R24及IC11-B的反相放大器。R11和R28形成在UA1与底座之间的分压器。在R11和R28的连点的信号被馈送到IC11-B的反相输入(引脚6)。IC11-B的非反相输入(引脚5)被连接到2.5V的参考电压。反馈电阻器R25被放置在IC11-B的输出(引脚4)与IC11-B的反相输入之间。IC11-B的输出通过R24及R101的串联电路被连接到IC11-A的反相输入(引脚2)。

电阻器R31、R29及R117被连接到R24与R101的连接点。R29的另一端被连接到底座，R117的另一端被连接到5V的参考电压，而R31的另一端通向端点Poti。电势计能通过端点Poti被连接到底座，而灯的功率能由此被设置。

组件R101、R22、C13、R20、C12及IC11-A形成加法器，在其中被放大的电压信号UA1与通过端电源被馈送并且为输入电流的量度的信号被相加。

来自端电源的信号通过R22被馈送到IC11-A的非反相输入(引脚3)。C13被放置在IC11-A的非反相输入与底座之间。C12和R20的串联电路被放置在IC11-A的反相输入与IC11-A的输出之间。

在工作点的相加构成了相乘的近似，作为其结果在IC11-A的引脚1出现其电压值是DC/DC转换器输入功率量度的信号。借助于C12，加法器同步生成控制特性RC1，在这种情况是PI特性。加权的Pist信号因此可在IC11-A的引脚1处获得。

以通过端电源所馈送信号为量度的输入电流，同时是由恒定的被控制的输入功率和恒定的中间电路电压UO给定的灯电流Iist的量度。因此，为了实现级联控制的内部控制回路，端电源的信号通过R114被馈送到引脚3(控制信号)，并从而馈送到被集成在UCC 3800中的第三个减法点S3。

级联控制的外部控制回路通过连接IC11-A的输出及UCC 3800的引脚2(反馈)的R112被闭合。UCC 3800的引脚2(反馈)同步形成信号Isoll及第二个减法点S2。DC/DC转换器的输出电压UA出现在端点UA。通过C100和R111的串联电路它被馈送到UCC 3800的引脚2(反馈)，而所描述的前馈控制由此被实现。C100和R111形成控制特性RC2，在这种情况是DT1特性

控制特性RC3，在这种情况是PI特性，能由被并联的组件C104和R109确定，它们被连接在UCC 3800的引脚1(COMP)与引脚2(FB馈)之间。

在括号内给定的UCC 3800的引脚的命名与厂商，UNITRODE，Merrimack，USA，的说明书相关。

Claims (3)

1.用于一个或多个高压或超高压短电弧放电灯交流运行的镇流器，该短电弧放电灯具有导通灯电流的电极，该灯电流的频率值高于300Hz，且灯电流是矩形的，该镇流器具有下列部件：

-用于提供直流输出电压的装置，该直流电压在灯端子上测量；

-用于提供灯功率量度的电学变量的装置，

-用于提供灯功率期望值量度的电学变量的装置，

-用于提供灯电流量度的电学变量的装置，和

-用于控制上述电学变量的控制器，

所述控制器定义作为灯功率量度的电学变量、灯功率期望值量度的电学变量及输出电压的函数的一个变量，该变量是灯电流期望值的量度，并且通过与灯电流量度的电学变量比较来设置灯电流，其中输出电压借助于差分控制特性来求值。

2.根据权利要求1所述用于一个或多个高压或超高压短电弧放电灯交流运行的镇流器，其特征在于灯功率量度的电学变量和灯功率期望值量度的电学变量借助于比例和/或积分和/或差分控制特性被求值。

3.根据权利要求1所述用于一个或多个高压或超高压短电弧放电灯交流运行的镇流器，其特征在于灯电流量度的电学变量和灯电流期望值量度的电学变量使用比例和/或积分和/或差分控制特性被求值。

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