DE102010039221A1

DE102010039221A1 - Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe außerhalb ihres nominalen Leistungsbereiches

Info

Publication number: DE102010039221A1
Application number: DE102010039221A
Authority: DE
Inventors: Norbert Magg
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2010-08-11
Publication date: 2012-02-16
Also published as: US9204520B2; US20130134899A1; WO2012019935A1; EP2604098A1; JP2013533600A; CN103069927B; CN103069927A; JP5627786B2; EP2604098B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe außerhalb ihres nominalen Leistungsbereiches, wobei bei einer Lampenleistung kleiner 85% der Nominalleistung die Hochdruckentladungslampe mit einer Lampenfrequenz die etwa dem 1,3 fachen bis dem 5 fachen der Lampenfrequenz bei Nominalleistung entspricht, mit einer Kommutierungspulshöhe die dem 1,2 fachen bis dem 3 fachen der Kommutierungspulshöhe bei Nominalleistung entspricht, und mit einer Pulsbreite des Kommutierungspulses, die dem 1,2 fachen bis dem 3 fachen der Pulsbreite des Kommutierungspulses bei Nominalleistung entspricht, betrieben wird. Wenn die Lampenleistung größer 110% der Nominalleistung ist, wird die Hochdruckentladungslampe mit einer Lampenfrequenz die etwa dem 0,3 fachen bis dem 0,8 fachen der Lampenfrequenz bei Nominalleistung entspricht, mit einer Kommutierungspulshöhe die dem 0,3 fachen bis dem 0,8 fachen der Kommutierungspulshöhe bei Nominalleistung entspricht, und mit einer Pulsbreite des Kommutierungspulses, die dem 0,3 fachen bis dem 0,8 fachen der Pulsbreite des Kommutierungspulses bei Nominalleistung entspricht, betrieben.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Hochdruckentladungslampen, insbesondere von Hoch- und Höchstdruck-Entladungslampen, wie sie in Geräten zur Projektion von Bildern verwendet werden, außerhalb ihres nominalen Leistungsbereiches. Der Erfindung beschäftigt sich insbesondere mit dem Problem von Flickererscheinungen, die durch den Betrieb dieser Entladungslampen außerhalb ihres nominalen Leistungsbereiches verursacht werden.
Hintergrund
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe außerhalb ihres nominalen Leistungsbereiches nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Beim Betrieb von Entladungslampen, die im Folgenden auch kurz Lampen genannt werden, gibt es das Problem des stabilen Bogenansatzes des Entladungsbogens auf den Elektrodenspitzen. Unter gewissen Betriebsbedingungen springt der Entladungsbogen von einem Bogenansatzpunkt zu einem anderen. Dieses Springen des Entladungspunktes wird auch als Bogenspringen bezeichnet und äußert sich in einem Flackern der Lampe. Dies stört besonders, wenn das Licht der Lampe zur Projektion von Bildern benutzt wird.
Projektionsgeräte wie Videoprojektoren verwenden aufgrund der Vorraussetzungen für die optische Abbildung oft sogenannte Ultrakurzbogenlampen. Dies sind Hochdruckentladungslampen, die einen sehr kurzen Elektrodenabstand aufweisen, um eine gute optische Abbildung des Videoprojektors gewährleisten zu können. Aufgrund der hohen Leistung dieser Lampen und des kurzen Elektrodenabstandes werden die Elektroden sehr heiß. Daher können bei diesen Lampentypen keine einfachen Stift-Elektroden verwendet werden. Stattdessen kommen Elektroden mit einem sehr breiten Elektrodenkopf zum Einsatz, um deren thermische Masse zu erhöhen. Typischerweise ist der Kopfdurchmesser dabei größer als der Elektrodenabstand (z. B. Kopfdurchmesser von 1.5 mm bei einer Lampe mit einem Elektrodenabstand von 1.0 mm).
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.
Aus der EP 1 152 645 ist ein Verfahren bekannt, das mittels Strompulsen, im Folgenden auch Maintenancepulse genannt, Elektrodenspitzen auf der Elektrode aufwachsen lässt. Diese aufgewachsenen Elektrodenspitzen haben zunächst den Vorteil, dass der Plasma-Bogen der in der Lampe erzeugten Bogenentladung einen stabilen Ansatzpunkt auf der Elektrode findet und nicht zwischen mehreren Ansatzpunkten springt. Entscheidend ist dabei die Fähigkeit der Elektrode, einen ausreichend hohen Strom liefern zu können, was entscheidend von deren Temperatur abhängt. Ist diese zu niedrig, ist die Spitze der Elektrode nicht flüssig, und der Bogenansatz ist auf einer nicht zumindest teilweise flüssigen Elektrodenspitze unbefriedigend. Eine zu kalte Spitze führt zu einem Erstarren des flüssigen Wolframs, daraufhin kontrahiert der Bogen, dass heißt es kommt zu einem punktförmigen Bogenansatz, weil hierdurch die Energiedichte erhöht wird. Dieser punktförmige Bogenansatz ist aber instabil und wandert gerne über die Elektrodenspitze, was in der Applikation als Flickern wahrgenommen werden kann. Außerdem führt ein wandernder Bogenansatz aufgrund der hohen Energiedichte zu ungewünschten Veränderungen im vorderen Bereich des Elektrodenkopfes.
Videoprojektoren benötigen häufig eine Lichtquelle die eine zeitliche Abfolge unterschiedlicher Farben aufweist. Wie in der Schrift US 5,917,558 (Stanton) beschrieben ist, kann dies zum Beispiel durch ein rotierendes Farbrad erreicht werden, das aus dem Licht der Lampe wechselnde Farben filtert. Die Zeitdauern während derer das Licht eine bestimmte Farbe annimmt, brauchen nicht zwangläufig gleich zu sein. Vielmehr kann über das Verhältnis dieser Zeitdauern zueinander eine gewünschte Farbtemperatur eingestellt werden, die sich für das projizierte Licht ergibt.
Üblicherweise wird die Lampe mit einem rechteckförmigen Lampenstrom betrieben. Als die Lampenfrequenz wird der Kehrwert der Periodendauer des rechteckförmigen Lampenstroms, wie in 1 dargestellt, verstanden. Als die Lampenfrequenz bei Nominalleistung wird der Kehrwert der Periodendauer des rechteckförmigen Lampenstroms im Betrieb der Lampe mit Nominalleistung verstanden. Die Nominalleistung ist die vom Lanpenhersteller spezifizierte Leistung, mit der die Lampe betrieben werden sollte. Bei Nominalleistung wird die Hochdruckentladungslampe üblicherweise mit einer vorbestimmten Frequenz betrieben. Der Lampenstrom wird im Stand der Technik aus einer Gleichstromquelle mit Hilfe einer Kommutierungseinrichtung erzeugt. Die Kommutierungseinrichtung besteht üblicherweise aus elektronischen Schaltern, die die Polarität der Gleichstromquelle im Takt des rechteckförmigen Lampenstroms kommutieren. Bei der Kommutierung sind Überschwinger in der Praxis nicht vollständig zu vermeiden. Deshalb wird im Stand der Technik der Zeitpunkt, zu dem eine Kommutierung stattfinden soll mit dem Zeitpunkt zu dem die Farbe des Lichts wechselt zusammengelegt, um die Überschwinger auszublenden. Dazu wird ein Sync-Signal bereitgestellt, das synchron zum o. g. Farbrad einen Sync-Impuls aufweist. Mit Hilfe des Sync-Signals werden der Farbwechsel und die Kommutierung des Lampenstroms synchronisiert. Bei fortgeschrittenen Projektionssystemen muss der Lampenstrom nicht immer eine Rechteckform zeigen, sondern die Stromhöhe kann in mehreren Stufen verlaufen. Dieser Stromverlauf über der Zeit wird im Folgenden auch als „Wellenform” bezeichnet. Eine Erläuterung des Begriffes findet sich weiter unten.
Beim Betrieb von Entladungslampen gibt es das Phänomen des Wachstums von Elektrodenspitzen, die wie oben erläutert eine wesentliche Voraussetzung für einen stabilen Bogenansatz darstellen. Material, das von den Elektroden an einer Stelle abdampft, wird an bevorzugten Stellen auf der Elektrode wieder abgeschieden und kann dabei zur Ausbildung von Elektrodenspitzen beitragen. Weiterhin wird durch das wiederholte Aufschmelzen und Erstarren des Wolframs an der Elektrodenspitze Wolframmaterial von weiter hinten liegenden Bereichen der Elektrode in die Spitze der Elektrode transportiert. Diese Transportphänomene hängen stark von der Temperatur der Elektrode, sowie den zeitlichen Änderungen dieser Temperatur und damit dem Betriebsmodus der Lampe ab. Das Wachstum der Elektrodenspitzen kann z. B. durch sogenannte „Maintenancepulse” verursacht werden, die im Folgenden auch als Kommutierungspulse bezeichnet werden. Dies sind kurze Strompulse, meist kurz vor der Kommutierung, die einen erhöhten Strombetrag aufweisen.
1 zeigt ein Beispiel eines solchen Kommutierungspulses in einer sehr einfachen Wellenform. Die Wellenform ist eingeteilt in ein Plateau und den Kommutierungspuls. Das Plateau ist durch eine Plateaulänge und eine Plateauhöhe, d. h. durch eine bestimmte Verweilzeit eines Strombetrages beschrieben. Der Kommutierungspuls ist ebenfalls durch eine Pulslänge und eine Pulshöhe, d. h. durch die Dauer des Pulses bei einem bestimmten Strombetrag beschrieben. Der Kommutierungspuls sorgt für ein stärkeres Aufschmelzen der Elektrode im vorderen Bereich, der dann durch die Oberflächenspannung des Wolframs zusammengezogen wird und anschließend nach dem Kommutierungspuls und der sich anschließenden Kommutierung wieder erkaltet. Wird dieses Verfahren mit entsprechenden Zeitabständen wiederholt, bildet sich langsam eine Spitze heraus. Der Kommutierungspuls sollte dabei für eine effektive Anwendung immer vor der Kommutierung liegen.
Die 2a zeigt ein weiteres Beispiel einer Wellenform, die neben dem Kommutierungspuls eine weitere Stromüberhöhung aufweist. Die Periodendauer der aufeinanderfolgenden Vollwellen ist dabei immer gleich groß. 2b zeigt ein drittes Beispiel einer Wellenform eines fortgeschrittenen Betriebsverfahrens, bei dem sich die Periodendauer von Vollwelle zu Vollwelle ändert und auch die Stromform von Halbwelle zu Halbwelle ändert. Der Stromverlauf ist in solchen Fällen komplexer und zeigt Stromüberhöhungen und treppenförmige Verläufe, die mit der Abfolge der einzelnen Farbsegmente des Farbrades synchronisiert sind. Bei solchen komplexen Stromformen ist es schwieriger, die Lampe optimal zu betreiben, dazu müssen einige grundlegende Designregeln beim Generieren einer Wellenform beachtet werden.
Für einen stabilen und flickerfreien Betrieb sollte die Temperatur der Elektrode immer in einem bestimmten Bereich liegen, so dass die Elektrodenspitze gerade eben flüssig ist. Damit hat die Elektrodenspitze die optimale Temparatur für einen stabilen Bogenansatz. Dies ist bei Betrieb der Lampe bei Nominalleistung grundsätzlich unproblematisch und mit den bekannten Betriebsverfahren durchführbar. Soll die Lampe jedoch stark gedimmt werden, also bei einer Leistung deutlich kleiner der Nominalleistung betrieben werden, so ergibt sich das Problem, dass aufgrund der reduzierten Lampenleistung die Temperatur der Elektroden sinkt, und es aufgrund der geringen Temperatur der Elektroden zu Flackern des Entladungsbogens kommt. Soll die Lampe mit höherer Leistung betrieben werden, so ergibt sich das Problem, dass die Elektroden zu heiß werden können und ein erhöhter Elektrodenrückbrand auftritt. Weiterhin können die gegenüber dem Normalbetrieb erhöhten Temperaturen eine Entglasung des Brennergefäßes zur Folge haben.
Aufgabe
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe außerhalb ihres nominalen Leistungsbereiches anzugeben, mittels dem die Lampe sicher betrieben werden kann und keinen Schaden nimmt.
Darstellung der Erfindung
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe außerhalb ihres nominalen Leistungsbereiches, wobei bei einer Lampenleistung kleiner 85% der Nominalleistung oder bei einer Lampenleistung größer 110% der Nominalleistung einer oder mehrere der Parameter

– Lampenfrequenz,
– Lampenstrom in einem Kommutierungspuls,
– Länge des Kommutierungspulses, beziehungsweise
– das Kommutierschema

Das erfindungsgemäße Betriebsverfahren erlaubt es, Hochdruckentladungslampen, insbesondere für Projektionsanwendungen, in einem ausgeweiteten Leistungsbereich zu betreiben. Der aus dem Stand der Technik bisher typischerweise erreichbare Leistungsbereich für Projektionslampen liegt zwischen 70%–85% und 110%–115% der Nominalleistung der Lampe, für den die Elektroden dimensioniert wurden.
Durch die erfindungsgemäße Betriebsweise wird es möglich, Hochdruckentladungslampen, insbesondere für Projektionsanwendungen, im Leistungsbereich vorzugsweise zwischen 20% und 130% der Nominalleistung zu betreiben.
Prinzipiell sind hier zwei Fälle zu unterscheiden:

1) Ausweitung des Leistungsbereiches zu höheren Leistungen oberhalb der Nominalleistung der Lampe: Dieser Bereich wird limitiert durch das schnelle Zurückbrennen der Elektroden sowie die schneller einsetzende Entglasung des Gasentladungslampenbrenners. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ersteres Problem gelöst werden, das Entglasungsproblem besteht aber weiterhin. Dementsprechend wäre ein Betrieb im Leistungsbereich von 110% bis 130% nur für kurze Zeit zu erlauben, z. B. je nach Lampentyp maximal 50 h, da mit erhöhter Kühlung die Entglasung in der Regel nicht dauerhaft unterbunden werden kann.
2) Ausweitung des Leistungsbereiches zu niedrigeren Leistungen unterhalb der Nominalleistung der Lampe: Dieser Bereich wird hauptsächlich durch zu kalt betriebene Elektroden und dadurch auftretende Flicker-Probleme limitiert. Diese Probleme können mit der erfindungsgemäßen Betriebsweise gelöst werden. Um eine optimale Wirkung dieser Betriebsweise zu erzielen muss die Kühlung der Lampe an die Betriebsweise angepasst werden. In Videoprojektoren wird die Lampe durch einen Luftstrom gekühlt, die Kühlwirkung kann über den Luftdurchsatz respektive die Drehzahl des Lüfters eingestellt werden, was bei reduzierter Drehzahl des Lüfters im gedimmten Betrieb die Geräusche vermindert. Bei Videoprojektoren ist aus dem Stand der Technik ein sogenannter ,Eco-Modus' bekannt, bei dem die Lampe leicht gedimmt betrieben wird, um Strom zu sparen, und einen leiseren Betrieb des Projektors zu gewährleisten und die Lebensdauer der Lampe zu verlängern, wenn nicht die volle Lichtleistung benötigt wird. Mit den bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik konnte die Lampe aber nie unter 70% bis 85% gedimmt werden, da ein Flickern der Lampe mit den bekannten Verfahren nicht ausgeschlossen werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist aber ein wirklich stromsparender Betriebsmodus möglich, da die Lampe auf bis zu 20% ihrer Nominalleistung heruntergedimmt werden kann. Außerdem sinkt der Kühlbedarf weiter und erlaubt damit auch eine weitere Reduktion des störenden Geräuschpegels.

Für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren gibt es prinzipielle Abhängigkeiten: Will man die Leistung auf mehr als 110% der Nominalleistung ändern, werden die Elektroden thermisch überlastet. Dementsprechend muss die Energiemodulation reduziert werden. Dies lässt sich durch folgende Einzelmaßnahmen erreichen, die gegebenenfalls auch miteinander kombiniert werden können: Erniedrigen der Lampenfrequenz, Erniedrigen der Pulshöhe, Erniedrigen der Pulsbreite, sowie eine geeignete Anpassung des Kommutierschemas. Bei Änderung der Leistung auf unter 85% der Nominalleistung werden die Elektroden zu kalt und neigen zum Flickern. Die Leistung hängt vom Lampentyp ab, manche Lampentypen können auch mit den bekannten Methoden bis auf 70% der Nominalleistung gedimmt werden und das erfindungsgemäße Verfahren ist erst unter 70% der Nominalleistung notwendig. Dementsprechend muss die Energiemodulation erhöht werden. Dies lässt sich durch folgende Einzelmaßnahmen erreichen, die gegebenenfalls auch miteinander kombiniert werden können: Erhöhen der Lampenfrequenz, Erhöhen der Pulshöhe, Erhöhen der Pulsbreite, sowie eine geeignete Anpassung des Kommutierschemas.
Vorzugsweise gelten beispielsweise für die normierte Lampenfrequenz f_LN in Abhängigkeit von der normierten Lampenleistung P_LN folgende Beziehungen:
, wobei f_L die aktuelle Lampenfrequenz und f_nominal die Lampenfrequenz bei Nominalbetrieb ist. Analog ist P_L die aktuelle Lampenleistung und P_nominal die Leistung bei Nominalbetrieb. Nominalbetrieb bedeutet, dass die Hochdruckentladungslampe mit ihrer vom Lampenhersteller spezifizierten Leistung und innerhalb der vom Lampenhersteller spezifizierten Betriebsparameter betrieben wird. Mit dieser Maßnahme kann eine noch gleichmäßigere Elektrodentemperatur erreicht werden.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe außerhalb ihres nominalen Leistungsbereiches ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 eine einfache Wellenform mit einem Kommutierungspuls nach dem Stand der Technik,
2a eine Wellenform mit einem Kommutierungspuls und einer weiteren Stromüberhöhung und einer vorbestimmten Frequenz,
2b eine komplexere Wellenform mit wechselnden Frequenzabschnitten,
3a eine Wellenform für den Nominalbetrieb der Hochdruckentladungslampe,
3b eine Wellenform für den gedimmten Betrieb der Hochdruckentladungslampe,
4 ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe außerhalb ihres nominalen Leistungsbereiches,
5 ein Beispiel eines Betriebes einer Hochdruckentladungslampe mit 330 W Nominalleistung bei 200 W (= 60,6% der Nominalleistung) und bei zwei verschiedenen Betriebsmodi,
6 die Abhängigkeit der Lampenfrequenz von der Lampenleistung bezogen jeweils auf die Lampenfrequenz beziehungsweise die Lampenleistung im Nominalbetrieb.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine einfache Wellenform mit einem Kommutierungspuls nach dem Stand der Technik, wie sie zum Beispiel für LCD-Projektoren (LCD steht für Liquid Crystal Display) verwendet wird. Anhand dieser einfachen Wellenform werden im Folgenden einige Begriffe definiert, die für die Erläuterung der Erfindung notwendig sind.
Die Wellenform ist in Vollwellen und Halbwellen unterteilt, wobei sich die (mittlere) Länge einer Vollwelle als 1/(f_L) und die (mittlere) Länge einer Halbwelle als 1/(2·f_L) definiert, wobei f_L die (mittlere) Frequenz ist, mit der die Lampe betrieben wird, im Folgenden auch Lampenfrequenz genannt. Einfache symmetrische Wellenformen zeichnen sich durch eine einzige konstante Lampenfrequenz aus. Gleiches gilt für die Länge der Halb- beziehungsweise Vollwellen. Komplexen Wellenformen bestehen aus Halb- und Vollwellen unterschiedlicher Länge, so dass für diese nur eine mittlere Länge und damit eine mittlere Frequenz angegeben werden kann.
Die Wellenform weist einen Eingangs schon beschriebenen Kommutierungspuls auf, der hier mittels einer Pulslänge und einer Pulshöhe näher definiert ist. Die restliche Halbwelle, die nicht dem Kommutierungspuls zuzurechnen ist, wird als Plateau definiert, mit analoger Definition der Plateaulänge und Plateauhöhe.
Das Puls-Plateau-Verhältnis ist definiert als Quotient der Puls-Höhe zur Plateau-Höhe.
Ein Duty Cycle ist definiert als Quotient der Puls-Länge zur Länge einer Halbwelle. Der Duty Cycle bezieht sich hier somit auf eine Halbwelle und nicht auf eine Vollwelle. Damit gilt dann: Duty-Cycle = Puls-Länge·2·f_L.
2a zeigt eine komplexere Wellenform, wie sie in sogenannten DLP-Projektoren (DLP steht für Digital Light Processing) zur Anwendung kommen. Hier wird oftmals auch im Plateau der Halbwelle der Strom moduliert, wobei die Modulation eng auf das Farbrad im Projektor abgestimmt ist. Die Stromkurve sieht dementsprechend komplizierter aus als in der 1, die oben genannten Definitionen gelten prinzipiell aber weiterhin. Wegen der Strommodulation im Plateau wird zur Beschreibung des relativen Pulsniveaus im Allgemeinen nicht das Puls-Plateau-Verhältnis herangezogen, sondern das Verhältnis von Puls-Strom zu RMS-Strom.
I_RMS = P_L/U_L ist der thermische Strom oder RMS-Strom, der bei Regelung auf die Leistung P_L vom Betriebsgerät eingestellt wird, wenn die Lampe eine Spannung U_L aufweist.
2b zeigt einen weiteren komplexen Stromverlauf mit mehreren verschiedenen Stromhöhen im Plateaubereich. Hier gehen der Plateaubereich und der Kommutierungspuls schon fließend ineinander über, so dass eine Definition in manchen Halbwellen nicht ganz leicht fällt.

In der folgenden Tabelle sind die zu optimierenden Betriebsparameter mit ihren wirksamen Minimal- und Maximalwerten angegeben, als Vielfaches des Wertes bei Nominalleistung: z. B. ergäbe eine Frequenz von 60 Hz bei Nominalleistung für den Fall „Dimmen auf Leistung P < 85% der Nominalleistung” eine Anpassung der Frequenz innerhalb der Grenzen 1,3·60 Hz = 78 Hz und 5·60 Hz = 300 Hz. In der letzten Zeile ist weiterhin angegeben, wie man eine geeignete Anpassung des Kommutierschemas erreichen kann.

Optimierungs-Parameter	Parameter für P < 85% der Nominalleistung	Parameter für P > 110% der Nominalleistung
Frequenz f_L	x 1,3–5	x 0,3–0,8
Pulshöhe	x 1,2–3	x 0,3–0,8
Pulsbreite	x 1,2–3	x 0,3–0,8
Kommutierschema	Kommutierung von kleinen Pulsen auf große Pulse verschieben	Kommutierung von großen Pulsen auf kleine Pulse verschieben oder sogar auf Bereiche der Stromkurve ohne Puls

Je kleiner also die Lampenleistung ist, desto größer sollte die Lampenfrequenz und gegebenenfalls die Pulshöhe beziehungsweise die Pulsbreite des Kommutierungspulses sein. Die Kommutierung sollte vorzugsweise kurz nach einem solchen Kommutierungspuls sein, da zu diesem Zeitpunkt die Elektrode heiß genug ist, um eine saubere und flickerfreie Kommutierung gewährleisten zu können. Je größer dagegen die Lampenleistung ist, umso kleiner sollte die Lampenfrequenz und gegebenenfalls die Pulshöhe beziehungsweise die Pulsbreite des Kommutierungspulses sein. Die Kommutierung sollte in Bereichen der Stromkurve geschehen, in denen nur kleine, gegebenenfalls sogar gar keine Pulse an die Hochdruckentladungslampe angelegt werden, damit die Elektroden bei der Kommutierung nicht zu heiß sind.
Ein Beispiel für eine Optimierung der Wellenform im Hinblick auf das Kommutierschema für einen gedimmten Betrieb der Hochdruckentladungslampe zeigen die 3a und 3b. In 3a, die eine Wellenform für den Nominalbetrieb der Hochdruckentladungslampe zeigt, weist die Wellenform eine Stromüberhöhung 110 im Plateau und einen Kommutierungspuls 111 kurz vor der Kommutierung auf. Für einen gedimmten Betrieb unter 85% der Nominalleistung ist der Kommutierungspuls 111 zu klein, er sollte die Kriterien gemäß obiger Tabelle erfüllen. Er kann aber auch nicht beliebig vergrößert werden, ohne die Farbwiedergabe der Lampe in ungewünschter Weise zu verändern. Daher wird, wie in 3b gezeigt, die Kommutierung verschoben: die Stromüberhöhung 110 in der Wellenform der 3a wird also zum Kommutierungspuls 110 in 3b, und der bisherige Kommutierpuls 111 in 3a ist dann lediglich eine Stromüberhöhung 111 in 3b, nach welcher nicht kommutiert wird. Damit bleiben die wesentlichen Parameter für die Lampe gleich, aber die Elektroden werden vor der Kommutierung in geeigneter Weise aufgeheizt so dass die Kommutierung selbst unproblematisch wird. Genau so kann auch bei Überleistung verfahren werden. Hier wird die Kommutierung von Bereichen hohen Stroms auf Bereiche mit niedrigerem Lampenstrom verschoben, um ein zu starkes Aufschmelzen der Elektrodenspitzen und gegebenenfalls auch eine Schwärzung des Lampenkolbens durch den Materialabtrag auf der Elektrode aufgrund des hohen Stromes zu vermeiden.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe außerhalb ihres nominalen Leistungsbereiches. Am Startpunkt wird im Schritt 10 die Lampenleistung auf einen entsprechenden Bereich kleiner 85% oder größer 110% der nominalen Lampenleistung eingestellt. Dann wird im Schritt 20 geprüft, ob die Lampe zum Flickern neigt oder einen zu starken Elektrodenrückbrand zeigt. Dies kann ein das erfindungsgemäße Verfahren ausführendes Betriebsgerät z. B. anhand der Veränderung der Lampenspannung beurteilen. Zeigt die Lampenspannung keine Auffälligkeiten, so wird die normale Wellenform für den nominalen Betrieb im Schritt 60 weiter beibehalten.
Zeigen sich Auffälligkeiten so werden, ausgehend von der Standardwellenform der Optimierungsparameter n im Schritt 30 schrittweise abgeändert und ein zweites mal im Schritt 40 geprüft, ob die Lampe zum Flickern oder die Elektroden zum Zurückbrennen neigen. Ist dies der Fall, so wird in Schritt 50 geprüft, ob der Parameter schon außerhalb des Bereiches gemäß obiger Tabelle ist. Ist dies nicht der Fall, so wird zurück zu Schritt 30 gesprungen und die Parameter dort weiter verändert. Ist dies der Fall, so wird dieser Parameter nicht weiter verändert. Der Parameterzähler n wird um eins hochgezählt und es wird zu Schritt 30 gesprungen, in dem dann der nächste Parameter schrittweise verändert wird. Werden im Schritt 40 keine Anomalitäten gemessen, so wird die Lampe im Schritt 70 mit diesem Parametersatz betrieben.

Die der Reihe nach abzuarbeitenden Optimierungsparameter sind in folgender Tabelle angegeben:

Optimierungs-Parameter n (Reihenfolge)	LCD-Applikation	Zusätzliche Einschränkungen (LCD)	DLP-Applikation	Zusätzliche Einschränkungen (DLP)
1	Frequenz f_L	i. a. keine	Frequenz f_L	Z. B. Kommutierungen nur bei Farbwechsel, eventuell Kommutierung im Weiß-Segment des Farbrades möglich.
2	Pulshöhe	i. a. keine	Kommutier-Schema	i. a. keine
3	Pulsbreite	i. a. keine	Pulshöhe	Z. B. bei Pulsen in Farbsegmenten Einfluß auf die Farbmischung: ggfs. Anpassung in der Applikation nötig, kein Problem im Weißsegment.
4	Kommutierschema	i. a. keine	Pulsbreite	Z. B. nur Ausdehnen auf ein komplettes benachbartes Farbsegment. Damit Einfluss auf Farbmischung in der Applikation, ggfs. Anpassung nötig.

Dabei wird zwischen den verschiedenen Technologien LCD und DLP bei Videoprojektoren unterschieden.
Bei LCD-Videoprojektoren wird das weiße Licht der Lampe durch dichroitische Spiegel in die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zerlegt. Anschließend wird das Licht durch die LCD Panels geleitet, die für jeden einzelnen Bildpixel festlegen, ob das Licht passieren kann oder absorbiert wird. Schließlich wird das Licht über ein Prisma wieder zusammengesetzt. Der Vorteil dieser Technologie ist, dass alle relevanten Betriebsparameter in weiten Bereichen einstellbar sind, da jede Änderung gleichzeitig alle drei Farben betrifft. Somit bleibt die Balance zwischen den Farben erhalten.
Bei DLP-Videoprojektoren wird das weiße Licht der Lampen durch ein Farbrad nacheinander in die einzelnen Grundfarben Rot, Grün und Blau zerlegt. Anschließend wird vom DMD (Digital Mirror Device) über bewegliche Spiegel jeder einzelne Pixel angesteuert. Bei diesem System gibt es deutlich mehr Einschränkungen für das erfindungsgemäße Betriebsverfahren: Eine erste Einschränkung ist, dass die Lampe mit dem Farbrad synchron laufen muss. Deshalb sind Änderungen der Frequenz nur eingeschränkt möglich z. B. vielfache oder ganzzahlige Bruchteile der Farbradfrequenz, Kommutierungen nur im Spoke (an der Grenze) zwischen den Farbsegmenten. Die zweite Einschränkung ist die sequentielle Verarbeitung des Lichts. Wird z. B. im roten Farbradsegment ein Strompuls in einer erfindungsgemäßen Wellenform gefahren, um den Rotanteil im Licht anzuheben dann muss das in der Steuerung der Farbbalance entsprechend eingerechnet werden. Dies wird oftmals im Rahmen der Steuersoftware für den DMD-Chip getätigt. Wenn jetzt dieser Puls im roten erhöht wird oder verbreitert wird, so stimmt die Farbabstimmung nicht mehr und das Bild bekommt einen Rotstich. Deshalb ist solch eine Änderung des Betriebsschemas nur sinnvoll, wenn gleichzeitig mit der Änderung des Pulses auch eine Änderung der Farbabstimmung im DMD stattfände.
Technisch fortgeschrittene DLP-Systeme besitzen drei DMD Bausteine, für jede Grundfarbe einen. 3-Chip Geräte funktionieren damit ähnlich wie LCD-Geräte, im Sinne, dass alle drei Grundfarben parallel verarbeitet werden.
5 zeigt den Betrieb einer Hochdruckentladungslampe mit 330 W Nominalleistung bei 200 W, entsprechend 60,6% der Nominalleistung der Hochdruckentladungslampe. Die 330 W Hochdruckentladungslampe wird kontinuierlich bei 200 W betrieben, allerdings im Wechsel zwischen zwei verschiedenen Betriebsmodi: In Modus 1, in 4 mit dem Bezugszeichen 510 versehen, wird die Hochdruckentladungslampe mit dem gleichen Schema betrieben wie bei Nominalleistung, nur jedoch mit 200 W anstatt mit 330 W. Hier erstarrt die bei Nominalleistung leicht aufgeschmolzene Spitze und kann deshalb nur noch eingeschränkt Elektronen freisetzten. Dementsprechend ist die Spannung um ca. 30 V höher gegenüber dem Modus 2, mit den Bezugszeichen 511, bei dem Frequenz und Pulshöhe mit dem oben beschriebenen Verfahren angepasst wurden. Im Modus 1 ist neben einer insgesamt, um ca. 30 V höheren Spannung auch ein deutlich sichtbares Schwanken der Brennspannung zu sehen. Dieses deutlich sichtbare Schwanken der Brennspannung zeigt sich optisch in Flickern der Hochdruckentladungslampe als Reaktion auf die erstarrte Elektrodenspitze.
Eine Flickerdetektion kann also bei starkem Dimmen kleiner 85% der Nominalleistung über die Brennspannung der Lampe erfolgen. Zusätzlich kann eine direkte Beobachtung des Bogenansatzes mittels einer geeigneten Projektionsoptik sinnvoll sein.
6 zeigt die Abhängigkeit der Lampenfrequenz von der Lampenleistung bezogen jeweils auf die Lampenfrequenz beziehungsweise die Lampenleistung im Nominalbetrieb. Diese Abhängigkeit ist in einem Bereich zwischen einer Kurve 610 für die obere Grenze und einer Kurve 611 für die untere Grenze sinnvoll. Der Bereich innerhalb dieser zwei Kurven kann also zur Optimierung der Lampenfrequenz genutzt werden. Eine beispielhafte Dimensionierung für die Lampenfrequenz f_L in Abhängigkeit von der Lampenleistung P_L ist z. B. folgende Eingangs schon erwähnte Beziehung: 1,48–0,91 P_LN ≤ f_LN ≤ 5,76–3,82 P_LN; wobei f_LN die normierte Lampenfrequenz und P_LN die normierte Leistung sind. Es ist aber auch jede andere Beziehung, die innerhalb der Kurve 611 für die untere Grenze und der Kurve 610 für die obere Grenze liegt, denkbar.
Bezugszeichenliste

110, 111: Stromüberhöhung/Kommutierungspuls
510: Betriebsmodus 1 mit herkömmlichen Werten für die Betriebsparameter Lampenfrequenz und Lampenpulshöhe
511: Betriebsmodus 2 mit erfindungsgemäß angepassten Betriebsparametern Lampenfrequenz und Lampenpulshöhe
610: Kurve für die obere Frequenz-Grenze
611: Kurve für die untere Frequenz-Grenze

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1152645 [0006]
US 5917558 [0007]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe außerhalb ihres nominalen Leistungsbereiches, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lampenleistung (P_L) kleiner 85% der Nominalleistung (P_nominal) oder bei einer Lampenleistung größer 110% der Nominalleistung (P_nominal) einer oder mehrere der Parameter – Lampenfrequenz, – Lampenstrom in einem Kommutierungspuls, – Länge des Kommutierungspulses, beziehungsweise – das Kommutierschema gegenüber dem Betrieb bei nominaler Leistung verändert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lampenleistung (P_L) kleiner 85% der Nominalleistung (P_nominal) die Hochdruckentladungslampe mit einer Lampenfrequenz (f_L) die dem 1,3 fachen bis dem 5 fachen der Lampenfrequenz (f_nominal) bei Nominalleistung entspricht, betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lampenleistung (P_L) zwischen 20% und 60% der Nominalleistung (P_nominal) die Hochdruckentladungslampe mit einer Lampenfrequenz (f_L) die dem 1,3 fachen bis dem 3,5 fachen der Lampenfrequenz (f_nominal) bei Nominalleistung entspricht, betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lampenleistung (P_L) kleiner 85% der Nominalleistung (P_nominal) die Hochdruckentladungslampe mit einer Kommutierungspulshöhe die dem 1,2 fachen bis dem 3 fachen der Kommutierungspulshöhe bei Nominalleistung (P_nominal) entspricht, betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lampenleistung (P_L) zwischen 20% und 60% der Nominalleistung (P_nominal) die Hochdruckentladungslampe mit einer Kommutierungspulshöhe die dem 1,2 fachen bis dem 2 fachen der Kommutierungspulshöhe bei Nominalleistung (P_nominal) entspricht, betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lampenleistung (P_L) kleiner 85% der Nominalleistung (P_nominal) die Hochdruckentladungslampe mit einer Pulsbreite des Kommutierungspulses, die dem 1,2 fachen bis dem 3 fachen der Pulsbreite des Kommutierungspulses bei Nominalleistung (P_nominal) entspricht, betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lampenleistung (P_L) zwischen 20% und 60% der Nominalleistung (P_nominal) die Hochdruckentladungslampe mit einer Pulsbreite des Kommutierungspulses, die dem 1,2 fachen bis dem 2 fachen der Pulsbreite des Kommutierungspulses bei Nominalleistung (P_nominal) entspricht, betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lampenleistung (P_L) kleiner 85% der Nominalleistung (P_nominal) die Kommutierung des Lampenstromes (i_L) der Hochdruckentladungslampe derart verschoben wird, dass sie nach energiereicheren Strompulsen stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lampenleistung (P_L) größer 110% der Nominalleistung (P_nominal) die Hochdruckentladungslampe mit einer Lampenfrequenz (f_L) die etwa dem 0,3 fachen bis dem 0,8 fachen der Lampenfrequenz (f_nominal) bei Nominalleistung entspricht, betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lampenleistung (P_L) größer 110% der Nominalleistung (P_nominal) die Hochdruckentladungslampe mit einer Kommutierungspulshöhe die dem 0,3 fachen bis dem 0,8 fachen der Kommutierungspulshöhe bei Nominalleistung (P_nominal) entspricht, betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lampenleistung (P_L) größer 110% der Nominalleistung (P_nominal) die Hochdruckentladungslampe mit einer Pulsbreite des Kommutierungspulses, die dem 0,3 fachen bis dem 0,8 fachen der Pulsbreite des Kommutierungspulses bei Nominalleistung (P_nominal) entspricht, betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Lampenleistung (P_L) größer als 110% der Nominalleistung (P_nominal) die Kommutierung des Lampenstromes der Hochdruckentladungslampe von Bereichen hohen Lampenstroms auf Bereiche mit niedrigerem Lampenstrom verschoben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Lampenfrequenz f_L in Abhängigkeit von der Lampenleistung P_L folgende Beziehung gilt:
f_L die aktuelle Lampenfrequenz, P_L die aktuelle Lampenleistung, f_nominal die Lampenfrequenz und P_nominal die Leistung bei Nominalbetrieb ist.