CN1336783B - 操作气体放电灯的方法和设备 - Google Patents

Abstract

操作气体放电灯的方法和设备，其中气体放电灯被输入交流电压或交流电流，并且在给定的时间间隔，其中灯的瞬时功率增加，该方法和设备用于形成电极。灯的工作数据值随时间改变，连续或不连续地测量灯的工作数据值，并且根据该测量值选择交流电压或交流电流的频率(工作频率)。

Description

操作气体放电灯的方法和设备 

技术领域

本发明涉及操作气体放电灯的方法和设备，其中气体放电灯被输入交流电压或交流电流，在给定的时间间隔，灯的瞬时功率(脉冲模式的工作)增加。本发明还涉及装备有这样的灯和设备的装置，还涉及处理电极的方法，其中电极基于所述模式的操作。 

背景技术

例如，从WO96/14724或US5,608,294中对这样模式的操作和装置已有描述。引用的WO专利文献揭示了具有电源电路的设备，其中电源电路用于操作气体放电灯，电源电路提供了预定周期的交流电压或交流电流，将预定的功率以这样的方式输给气体放电灯，即相对于正常功率，当平均灯功率减小时，在直接先于交流电压或交流电流极性变换之前的半周期内，瞬时功率增加。先于极性变换之前瞬时电压的短暂增加保证了相对于普通模式工作的电压，极性变换之后所需的再启动电压实质上不必增加。 

引用的美国专利描述了以短电弧操作气体放电灯的方法；这里，灯接收给定周期的交流电流，并且在每个半周期中，短暂的电流脉冲叠加在灯电流上，这个电流脉冲具有的极性，与相关半周期中的灯电流相同，使气体放电灯的电弧稳定性和电极寿命得到显著改善。 

电流密度或电压从引用的文献中已知，并且此后被称为“脉冲操作”或“脉冲模式”，电流密度或电压的改变，在实际中已经证明非常有效。应该注意，本文中的“脉冲操作”或“脉冲模式”应该被理解为，在附加的电流或电压脉冲叠加在工作电流或工作电压上时，两个词覆盖了所有的电流强度或电压的改变。明显用于电弧稳定性的目的(然而，在很多专利中(例如，见EP0 865 210 A2，WO97/247871或US5,428,408)，“脉冲模式”被理解为不包括灯模式的操作，其中灯在快速重复的、非常短的时间段内工作，并且在大部分时间内不输出光)。 

尽管脉冲操作可以显著提高电弧的稳定性，其寿命也不令人满意；在具有 非常短的电弧的高压气体放电灯的情况下，工作寿命显然是特别重要的，例如在具有LC或反射镜的显示器(变形镜设备)的数据和视频投影仪中，使用了这样的高压气体放电灯，但也用于其它方面。需要的电弧越短，灯电极烧掉的情况越严重，并且伴随的电极之间的电弧延伸越严重。在前100小时工作中，具有短的、并且是非常短的电弧的气体放电灯，它的灯电极的烧掉，在例如投影系统中已经减小了20％的效率，这并不少见。 

而且，由于电极正常地封装在石英管中，并且在封装之前，以这样的方式定位，即由于生产过程，在灯完成后，电极位置从原始的设置位置偏离，也就是，原始设置位置不仅涉及间隙，而且涉及电极彼此的对齐，因此非常难于生产具有很短电极间隙的气体放电灯。电极的定位公差只可以以巨大的代价减小。 

非常难于解决的进一步的问题，是由电极本身的几何形状造成。假定能够从固体金属中切割出所需的电极几何形状，但由于成本的原因，电极最好包括电极棒(钨丝)，使钨螺旋形地挠制，尽管最终确定散热的电极的几何形状和内部结构，可以被控制，但在这方面较少提出。在具有短电弧的灯中，电极大量的热负载已经使电极材料(例如，钨蒸汽)快速消蚀，在几个小时内，钨蒸汽可以完全改变高压气体放电灯中的电极前端，其中高压气体放电灯具有大约1mm的电弧长度。在这样的环境下，甚至理想形状电极，也通常只能使其原始功能特性保持不多于100小时。 

发明内容

考虑前面所述的问题，本发明的目的是提供操作气体放电灯的方法和设备，其中能够利用气体放电灯的操作过程中发生的迁移过程，而有利地形成电极。 

本发明通过操作气体放电灯的方法，并且通过使用交流电压或交流电流操作气体放电灯的设备，来实现这个目的。在实施例中，揭示了先进的模型和实施方式。附加的特征涉及的处理方法和设备基于这些方法和设备。 

可通过陈述的这类方法实现这个目的，其中气体放电灯被输入交流电压或交流电流，在给定的时间间隔，灯的瞬时功率增加，其特征在于，灯的至少一个工作数据值随时间变化连续地或不连续地被测量，以及根据测量的值选择交流电压或交流电流的频率(工作预率)，用于考虑使用在灯工作期间发生的电极材料的迁移。然后，根据工作数据组的至少一个工作数据测量值，有利地选 择工作频率，其中工作数据组包括灯的整个寿命、工作电压、吸收或释放的功率、电弧长度和电极间隙，由于所有这些数据提供了关于电极状态，特别是关于电极间隙的直接或间接信息(例如，即使在具有完全寿命的新灯情况下，也可以根据实验值，从它本身的寿命中获得电极的大约状态的概念，和这样选择给定工作频率必要性)。 

本发明基于新的内涵，即在交流电流或交流电压的操作中，电极上生长的结构量级，与电流或电压的工作频率成比例。已经发现，当工作电流或工作电压的基本频率较高时，生长结构的直径较小。高压气体放电灯的典型频率介于大约40到600Hz之间。对于给定类型的灯(例如，参见DE 3813421A)，例如，后面的关系保持：生长结构大约的直径＝a/f^1/2，其中f是以赫兹为单位的工作频率，而a是灯特定的比例常数，并且典型地位于大约2000和5000μmHz^1/2 之间，使具有大约200到500μm直径的结构，在100Hz基础频率的情况下形成。一般来说，这个常数可以位于1000到10,000μmHz1/2的狭长区域内。形成结构的高度小于它们的直径，并且作为规则，相当于大约0.4到0.8倍的直径。然而，发现比例在0.2到1.2之间的改变。根据本发明使用这个关系，在灯的操作中，以可控制的方式形成突起的电极末端。 

本发明能够在工作期间形成电极，而与电极的基本形状(在给定的限制内)，如生产过程所用的电极形状无关。在给定的限制内，可以利用迁移过程调整所需电极间隙或所需工作电压。当达到所需电压时，修复过程被中断，灯在主要为恒定频率下工作。 

根据本发明方法的特别优点是，能够在灯的寿命中一再地发挥作用，这样，在某种程度上可使电极“再生”，因而可以达到显著的效果—非常长的寿命。 

因为迁移过程的物理定律，操作中形成的电极结构实际上彼此准确地相对定位，不发生横向偏移。当以足够低的频率开始工作时，该结构将位于电极中心。 

为此，为满足预定的次要条件，而有利地监视测量值，当第一次要条件(开始条件)满足时，以低的工作频率(开始频率)操作灯，直到满足第二次要工作条件为止，此后工作频率增加。例如，这样的开始条件可以是首次使新灯进行工作，或建立必要的工作电压，而超过给定的限制值。能够显著地定义具有不同开始频率的不同开始条件，当新灯首次工作时，可以在电极上建立例如直 径连续递减的结构，由此在电极形状轻微调整的情况下，能够立即建立小结构，并且能够满足以高的开始频率启动。 

为连续地建立结构，可以连续地增加工作频率。然而发现，以离散步骤增加工作频率，直到达到预定的中断条件，实际上是有利的。这样的中断条件可以是：到达预定的工作频率(最大频率)，到达预定的最小工作电压，超过预定周期的电极间隙的恒定性。 

在操作气体放电灯时，安排实现上述目的的使用交流电压或交流电流操作气体放电灯的设备，其中在给定的时间间隔，灯的瞬时功率增加，其特征在于，该设备设有测量装置，用于连续或不连续地测量灯的至少一个随时间改变的工作数据值；并且设有一种装置，用于根据该测量值来改变交流电压或交流电流的频率(工作频率)，用于考虑使用在灯工作期间发生的电极材料的迁移。这样的设备可以简单地用于或提供在已经生产的气体放电灯中，和用于所有类型气体放电灯的照明设备中，典型地如投影仪、卡车的照明系统等。 

这种设备的优选实施例包括紧凑的估算和控制单元，它至少包括一个微处理器，用于控制加在气体放电灯上的工作频率、工作电压和交流电流，以及为满足预定的或可选的次要条件，估算并监视测量值；然后由已设在现有设备中的处理器和单元，进行有利的使用，用于气体放电灯的脉冲操作。 

附图说明

从以下结合附图根据本发明方法的先进模型的非限定性的描述中，本发明进一步的细节和优点将变得明显，并且只通过例子给出。其中： 

图1显示了在脉冲操作中加在气体放电灯上的工作电流随时间的典型变化曲线，而 

图2以图示显示了电极的横向轮廓，其中电极由根据本发明的方法形成。 

具体实施方式

引用的US 5,608,294描述了电子镇流设备，它能够以高度为I3的附加电流脉冲、在整个周期t1/2相关半周末端的周期tp和基本高度I2，产生如图1所示的电流形式。最好地，这通过微处理器控制的镇流设备实现，其中微处理器控制的镇流设备也能够控制灯的工作频率。它还包括数据载体，数据载体包含控制程序，用于执行此后描述的步骤。也可以提供读取设备，来读取机器可读的数据载体，而将它的数据传送给镇流器设备。 

为了建立具有图2中的轮廓显示的所需形状的电极，在脉冲模式中，灯以慢速增加的频率，从低的开始频率开始。顺序开始时的低频率提供了宽的结构1作为基础，基于此可以在较高的频率建立连续变窄的结构2和3。变化可以是连续的，或者以离散的步骤发生。例如以45、60、90和130Hz这样增加的顺序，以每次几个小时的操作周期得到实际结果。使用这个模式的操作，在传统的高压气体放电灯中，发现能够将电极间隙从1.3mm减小到0.7mm。因此在这样的最高频率条件下，灯长期工作(几百小时)，然后电极再次逐渐烧掉而到初始状态，如根据工作电压的增加而可以轻易检测到的。 

当工作电压增加时，根据本发明的电极可以再次以缓慢增加的频率处理，直到电极的末端结构几乎完整地再次重建为止。在每次这种类型的再生操作后，灯可以以最高的选择频率再次工作大约100个小时。 

本发明主要的优点是，在再生过程中也可以使灯发光。整体地，当电极间隙增加时，光效率通常减小(例如，在视频投影仪的情况下，荧光屏的亮度降低；这个亮度通过再生增加)。这样的系统效率在100小时的时间量级上波动，在任何情况下，该系统效率成为主要的优点，它优于连续减小的效率。 

从灯电压的增加中，可以轻易地推断更新再生的必要性。当工作电压增加而超出预定值时，更新再生开始。 

以下将通过例子，具体描述在视频投影仪的气体放电灯操作中，如何执行本发明的方法。 

通过操作计数器一小时，识别灯的第一次工作，当替换灯时，自动更新操作计数器。这已经在很多市售的投影仪中采用。 

灯初始在尽可能低的频率上工作(例如45Hz)。这样的操作可以在固定的时间间隔发生(例如一个小时的操作)。可选地，也可以保持频率，直到不再检测到显著的电压减小(指示结构的生长)。这种模式的操作是有利的，其中与固定周期时间的操作情况相比，可以更好地考虑个体独立单元的差异。 

结果，频率增加。已经发现，频率增加到前面各自频率的大约1.2到1.8倍，频率的增加是合理的。对于固定周期的时间，新频率的工作可以再次发生，或直到不再检测到显著的电压减小为止。 

整体地，频率增加，直到或者a)到达固定频率限制值，或者b)到达固定电压，或者c)频率增加后，不再检测到显著的增长为止。 

这样确定的频率被保持，并可以被使用，例如，直到电压显著地再次增加到，例如初始电平为止。然而最好是，在已经上升到初始电平前，电极再次“再生”；由于这个目的，灯在尽可能低的频率下再次工作。 

根据本发明的方法能够显著减小工作电压和电弧长度，或气体放电灯中的电极间隙。例如，在传统结构的气体放电灯中，其中它的电极具有前面描述的简单和经济的结构，当使用45、65、90和130Hz工作频率的顺序时，在用于控制功率的灯电流I2出现时，并且脉冲电流I3相当于2.8A的情况下，工作电压可以从初始85V减小到52V，而弧光长度可以从初始1.3mm减小到0.7mm；应注意，在分离过程中没有这种显著的减小，但在灯的“正常”使用中，例如在投影模式中，有这种减小。 

在本发明的领域内，很多可选的模型和进一步的改进是可行的；例如，这样的选择涉及例如次要条件，其中工作频率增加或减小，或者涉及工作频率的选择。最基本的方面是，在气体放电灯的操作中，该方法能够处理电极，其中通过控制工作频率的改变，使迁移现象用于在电极上沉积材料。 

Claims (12)

1.用于操作气体放电灯的方法，所述气体放电灯被输入交流电压或交流电流，其中在给定的时间间隔，灯的瞬时功率增加，

其特征在于

-连续地或不连续地测量灯的至少一个工作数据值，其中所述至少一个工作数据值是从一组提供关于电极的状态的直接或间接信息的工作数据中选择的；以及

-根据测量的值选择交流电压或交流电流的频率，使得达到希望的电极间隙或者电极末端形状。

2.根据权利要求1的方法，

其特征在于

根据下列的工作数据组中至少一个工作数据的测量值，选择交流电压或交流电流的频率：

灯的整个寿命、工作电压、吸收或释放的功率、电弧长度和电极间隙。

3.根据权利要求1或2的方法，

其特征在于

监视所述至少一个工作数据的测量值，并且当满足开始条件形式的所述至少一个工作数据的第一次要条件时，灯以交流电压或交流电流的开始频率工作，直到满足预定的或选择的所述至少一个工作数据的第二次要条件为止，此后交流电压或交流电流的频率增加。

4.根据权利要求3的方法，

其特征在于

交流电压或交流电流的频率连续地、或者在离散步骤中增加，直到到达预定的中断条件形式的第三次要条件为止。

5.根据权利要求3的方法，

其特征在于

当给定寿命出现或已经到达时，并且/或者必要的工作电压已经增加到预定值时，并且/或者电极间隙已经增加到预定值时，视为满足开始条件形式的第一次要条件。

6.根据权利要求3的方法，

其特征在于

当灯以交流电压或交流电流的开始频率已经工作了给定周期的时间时，或当在整个预定周期的时间内，电极间隙的直接或间接测量中不再检测到改变时，视为满足预定的或选择的第二次要条件。

7.根据权利要求4的方法，

其特征在于

当已经到达交流电压或交流电流的预定最大频率时，或当必要的工作电压已经减小到预定的最小值时，或在整个预定周期的时间内，电极间隙的直接或间接测量中不再检测到改变时，视为满足中断条件形式的第三次要条件。

8.根据权利要求3的方法，

其特征在于

根据工作状态选择开始条件形式的第一次要条件和交流电压或交流电流的开始频率。

9.根据权利要求1的方法，

其特征在于

选择的交流电压或交流电流的频率在40到600Hz之间。

10.根据权利要求1的方法，

其特征在于

交流电压或交流电流的频率每次离散地增加1.2到1.8倍。

11.根据权利要求1的方法，

其特征在于

根据公式D＝a/f^1/2选择交流电压或交流电流的频率f，以取得在电极上生长的具有直径D的结构，其中a是灯特定常数，单位为米*赫兹^1/2，它依赖于电极材料和电极的几何形状。

12.根据权利要求1的方法，

其特征在于，该方法在灯的工作期间启动，用于处理灯的电极。