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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer
Hochdruckgasentladungslampe (HID [high intensity discharge]-Lampe oder UHP [ultra
high performance]-Lampe) in der Weise, dass diese insbesondere zur Beleuchtung von
Projektionsdisplays wie zum Beispiel LCOS (liquid crystal on semiconductor) oder
SCR-DMD (sequential color recapture - digital micro mirror)-Farbdisplays geeignet ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Projektionssystem mit einem Projektionsdisplay,
einer Hochdruckgasentladungslampe und einer solchen Schaltungsanordnung.
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Ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer
Hochdruckgasentladungslampe ist in der US 5,608,294 offenbart. Gemäß dieser Druckschrift wird die
Lampe mit einem Wechselstrom betrieben, mit dem eine schnelle Erosion der Elektroden
verhindert und die Effizienz der Lampe gesteigert werden kann. Allerdings erhöht sich
bei einem Wechselstrom auch die Gefahr von instabilen Bogenentladungen, die zu einem
Flackern des abgegebenen Lichtstroms führen können. Dies beruht im wesentlichen
darauf, dass die Bogenentladung von der Temperatur und dem Zustand der Oberfläche
der Elektroden abhängig ist und sich darüber hinaus die zeitlichen Verläufe der
Elektrodentemperatur in den Phasen, in denen die Elektrode als Anode und als Kathode
wirkt, unterscheiden. Dies wiederum führt dazu, dass sich die Elektrodentemperatur
während einer Periode des Lampenstroms erheblich ändert. Zur weitgehenden
Beseitigung dieses Problems wird am Ende jeder halben Periode des Lampenstroms, d. h.
also vor einem Polaritätswechsel, ein Strompuls mit gleicher Polarität erzeugt und
dem Lampenstrom überlagert, so dass sich der Gesamtstrom erhöht und die
Elektrodentemperatur ansteigt. Dadurch kann die Stabilität der Bogenentladung
wesentlich verbessert werden.
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Diese Stromänderung hat aber auch zur Folge, dass die Lampe nun mit einem Lampen-
Wechselstrom betrieben wird, der mehr oder weniger stark ausgeprägte pulsförmige
Anteile enthält, die wiederum einen entsprechend pulsförmig erhöhten Lichtstrom
verursachen.
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Insbesondere bei der Anwendung einer solchen Lampe zur Beleuchtung eines
Projektionsdisplays mit einer sequentiellen Farbwiedergabe können dadurch jedoch
Artefakte entstehen.
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Dies betrifft zum Beispiel LCOS-Displays, bei denen die drei Grundfarben in Form von
Farbbalken sequentiell über das Display laufen (vgl. hierzu Shimizu: "Scrolling Color
LCOS for HDTV Rear Projection", in SID 01 Digest of Technical Papers, Vol. XXXII,
Seiten 1072 bis 1075, 2001). Jedesmal dann, wenn durch einen Strompuls der
Lichtstrom ansteigt, nimmt auch die Helligkeit der Farbbalken entsprechend zu. Somit
werden die Farben entsprechend der momentanen Position der Farbbalken in bestimmten
Bereichen des Displays stets mit einer größeren Helligkeit wiedergegeben, als in anderen
Bereichen des Displays. Zur Erzielung einer guten Bildqualität sollte jedoch die
Helligkeit der drei Farben in allen Bildbereichen jeweils gleich groß sein, insbesondere
wenn der Lampen-Wechselstrom zur Vermeidung von Schwebungen oder ähnlichen
Effekten mit der Bild-Wiederholfrequenz synchronisiert ist.
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Von den oben genannten Artefakten sind weiterhin auch die
SCR-DMD-Projektiondisplays betroffen (vgl. hierzu Dewald, Penn, Davis: "Sequential Color Recapture and
Dynamic Filtering: A Method of Scrolling Color" in SID 01 Digest of Technical Papers,
Vol. XXXII, Seiten 1076 bis 1079, 2001).
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Eine Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, besteht deshalb darin, ein Verfahren und
eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruckgasentladungslampe zu schaffen,
mit der ein besonders gleichmäßiger Lichtstrom - auch bei Mittelung des Lichtstroms
über eine relativ kurze Zeitperiode - erzeugt werden kann.
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Insbesondere soll ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer
Hochdruckgasentladungslampe mit einem gepulsten Lampenstrom geschaffen werden,
mit der insbesondere Projektionsdisplays so beleuchtet werden können, dass ein
weitgehend natürlicher Farbeindruck entsteht.
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Weiterhin soll ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer
Hochdruckgasentladungslampe mit einem gepulsten Lampenstrom geschaffen werden, mit der
insbesondere Projektionsdisplays ohne wesentliche sichtbare Artefakte oder andere
visuell in Erscheinung tretende Störungen beleuchtet werden können.
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Schließlich soll auch ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung geschaffen werden,
mit dem/der eine Hochdruckgasentladungslampe so betreibbar ist, dass damit nicht nur
eine Artefakt-freie Farbwiedergabe mittels eines Projektionsdisplays mit sequentieller
Farbdarstellung erzielt, sondern auch ein flackerfreier Lichtstrom mit einer stabilen
Bogenentladung erzeugt werden kann.
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Gelöst wird die Aufgabe gemäß Anspruch 1 mit einem Verfahren zum Betrieb einer
Hochdruckgasentladungslampe, bei dem die Lampe mit einem Lampenstrom gespeist
wird, dem erste Strompulse sowie mindestens ein jedem ersten Strompuls zugeordneter
zweiter Strompuls überlagert werden, wobei die ersten und zweiten Strompulse
Amplituden mit entgegengesetzten Richtungen und einen vorbestimmbaren zeitlichen
Abstand voneinander aufweisen, und wobei die Anzahl und/oder die Höhe der
Amplitude und/oder die zeitliche Länge der zweiten Strompulse so eingestellt wird,
dass sich die durch den ersten Strompuls sowie den mindestens einen zugeordneten
zweiten Strompuls verursachten Veränderungen des Lichtstroms zumindest im
wesentlichen kompensieren.
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Die Aufgabe wird ferner mit einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 6 gelöst.
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Dadurch, dass zum Beispiel ein durch einen ersten Strompuls erhöhter Lichtstrom mit
einem oder mehreren zweiten Strompulsen, die auf Grund ihrer entgegengesetzten
Richtung und Überlagerung mit dem Lampenstrom zu einer entsprechenden
Verminderung des Lichtstroms führen, kompensiert wird, kann insbesondere dann, wenn der
zeitliche Abstand zwischen den ersten und zweiten Strompulsen relativ gering ist, ein im
(kurzen) zeitlichen Mittel sehr gleichmäßiger Lichtstrom erzeugt werden.
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Eine Kompensation ist dabei dann als gegeben anzusehen, wenn - je nach Anwendung
der Lampe - die oben genannten Artefakte oder andere Störungen nicht mehr in
Erscheinung treten.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Der zeitliche Abstand zwischen den ersten und zweiten Strompulsen wird im Falle der
Anwendung der Lampe zur Beleuchtung eines Projektionsdisplays mit sequentieller
Farbwiedergabe vorzugsweise gemäß Anspruch 2 bzw. 7 gewählt. Ein besonderer Vorteil
dieser Lösungen besteht darin, dass damit auf relativ einfache Weise und für nahezu
beliebige Periodendauern der Grundfarben (Subframe-Frequenzen) eines
Projektionsdisplays Artefakte zuverlässig vermieden werden können, ohne dass nennenswerte
Einschränkungen im Hinblick auf eine für den Lampenbetrieb optimierte Stromform
hingenommen werden müssen.
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Die Ausführungen gemäß den Ansprüchen 3 und 4 haben im wesentlichen den Vorteil,
dass damit eine Hochdruckgasentladungslampe einerseits mit einem Lampenstrom
betrieben wird, der zum Beispiel im Hinblick auf eine gleichmäßige Elektrodenerosion
(Lampen-Wechselstrom) und einen flackerfreien Betrieb (zusätzliche Strompulse)
optimiert ist, wie er zum Beispiel in der US-PS 5.608.294 beschrieben ist, der
andererseits aber auch bei Anwendung der Lampe zur Beleuchtung von Displays mit
sequentieller Farbwiedergabe anwendbar ist, ohne dass durch die verschiedenen
Pulsanteile Artefakte verursacht werden.
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Gemäß Anspruch 5 ist eine besonders einfache Ausführung des Verfahrens möglich.
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Mit der Schaltungsanordnung gemäss Anspruch 8 kann die Realisierung des
erfindungsgemäßen Verfahrens relativ einfach und kostengünstig umgesetzt werden.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen anhand der Zeichnung. Es
zeigt:
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Fig. 1 eine Darstellung des zeitlichen Verlaufes der Farbaktivierung sowie eines
Lichtstroms in einer Zeile eines Displays;
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Fig. 2 eine erste Grundfunktion zur Kompensation eines erhöhten Lichtstroms;
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Fig. 3 eine zweite Grundfunktion zur Kompensation eines erhöhten Lichtstroms;
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Fig. 4 eine dritte Grundfunktion zur Kompensation eines erhöhten Lichtstroms;
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Fig. 5 einen zeitlichen Verlauf eines absoluten und eines relativen Lichtstroms gemäß
der ersten Grundfunktion;
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Fig. 6 einen zeitlichen Verlauf eines Lampen-Wechselstroms mit Kompensationspulsen
für den in Fig. 5 gezeigten Fall;
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Fig. 7 einen zeitlichen Verlauf eines relativen Lichtstroms bei einer Kombination von
drei der ersten Grundfunktionen;
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Fig. 8 einen zeitlichen Verlauf eines Lampen-Wechselstroms mit Kompensationspulsen
für den in Fig. 7 gezeigten Fall;
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Fig. 9 einen zeitlichen Verlauf eines relativen Lichtstroms bei einer Kombination von
zwei der zweiten Grundfunktionen;
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Fig. 10 einen zeitlichen Vorlauf eines Lampen-Wechselstroms mit Kompensationspulsen
für den in Fig. 9 gezeigten Fall;
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Fig. 11 ein Frequenzspektrum der Beleuchtung eines Displays für den in Fig. 10
gezeigten Lampen-Wechselstrom; und
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Fig. 12 eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines Lampen-Wechselstroms.
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Zur Verdeutlichung der Problematik seien zunächst folgende Betrachtungen angestellt.
Wenn ein Farbdisplay der oben genannten Art mit einer Lampe beleuchtet wird, deren
Versorgungsstrom mit Strompulsen überlagert ist, die zu einer entsprechenden
pulsartigen Erhöhung des abgegebenen Lichtstroms führen (im folgenden als erste
Strompulse bezeichnet), so kann sich eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung der
einzelnen Farben auf dem Display ergeben.
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Dies gilt insbesondere im Fall eines Lampen-Wechselstroms, wenn dieser zur
Vermeidung von Schwebungen in dem Bild mit der Wiederholungsrate der Grundfarben
(Farbbalken), d. h. der Subframe-Frequenz synchronisiert ist, da diese Synchronität dann
auch für die den Lampenstrom beaufschlagenden ersten Pulse gegeben ist.
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Ein pulsartig erhöhter Lichtstrom trifft somit jedesmal dann auf das Display, wenn die
drei Farbbalken jeweils die gleiche Position auf dem Display einnehmen, das heißt wenn
zum Beispiel der blaue Farbbalken im oberen Drittel, der grüne Farbbalken im mittleren
Drittel und der rote Farbbalken im unteren Drittel des Displays liegt. Dabei haben also
stets die blauen Farben im oberen Drittel, die grünen Farben im mittleren Drittel und die
roten Farben im unteren Drittel des Displays eine größere Helligkeit, als sie sie in den
jeweils übrigen Bereichen des Displays aufweisen.
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Mit der Erfindung sollen die auf diese Weise entstehenden Artefakte oder andere visuell
sichtbare Störungen vermieden und eine zumindest weitgehend natürliche
Farbwiedergabe erzielt werden.
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Ein wesentlicher Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die durch einen ersten
Strompuls der oben genannten Art erhöhte Farbhelligkeit eines Farbbalkens in den
betreffenden Bereichen des Displays dadurch zu kompensieren, dass dann, wenn die
Farbbalken in einer (oder mehreren) nächsten Subframe-Perioden jeweils wieder die
gleichen Display-Bereiche erreicht haben, deren Helligkeit entsprechend vermindert
wird. Dies wird dadurch erreicht, dass dem Lampenstrom zu dem oder den
entsprechenden Zeitpunkten ein Strompuls überlagert wird, der den Lampenstrom und
damit auch den abgegebenen Lichtstrom entsprechend vermindert (im folgenden als
zweiter Strompuls bezeichnet).
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Aufgrund der hohen Subframe-Frequenz, die mindestens das dreifache der
Wiederholungsrate des Bildes (Videofrequenz) ist, sind die alternierend unterschiedlichen
Helligkeiten einer Farbe in jeweils einem gleichen Bereich des Displays für das
menschliche Auge nicht erkennbar, sondern mitteln sich auf das Helligkeitsniveau
während derjenigen Phasen des Lampenstroms, in denen die genannten Pulse nicht
auftreten, das heißt auf das Helligkeitsniveau der jeweils gleichen Farbe in anderen
Bereichen des Displays aus.
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Fig. 1 zeigt den einfachsten Fall dieser Kompensation für eine Zeile eines Displays. Auf
der vertikalen Achse ist zum einen das Transmissionsvermögen der einzelnen
Farbsegmente rot (I) grün (II) und blau (III) aufgetragen, die zeitlich nacheinander jeweils
rotes, grünes und blaues Licht hindurchlassen. Zum anderen ist in diese Figur der
zeitliche Verlauf des mit Pulsen beaufschlagten Lichtstroms (IV) (absoluter Lichtstrom)
eingezeichnet. Ein erster, den Lichtstrom vergrößernder Puls (IVa) führt dazu, dass das
zu diesem Zeitpunkt gerade aktivierte rote Farbsegment besonders intensiv leuchtet.
Diese erhöhte Farbhelligkeit wird durch einen zweiten Puls (IVb), der zu einem
entsprechend niedrigeren Lichtstrom der Lampe führt und während der nächsten Phase,
in der das rote Farbsegmente aktiviert ist, erzeugt wird, kompensiert. Dadurch wird eine
im zeitlichen Mittel homogene Beleuchtung des Displays mit den verschiedenen Farben
erzielt, ohne dass Artefakte oder andere visuell sichtbare Störungen auftreten.
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Bei der Dimensionierung einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines
entsprechenden Lampenstroms und zum Betrieb einer Entladungslampe sind zur
Optimierung der Bildqualität folgende Anforderungen und Parameter zu berücksichtigen:
Die zeitliche Länge der zur Kompensation erzeugten zweiten (Strom-)Pulse sollte gleich
der Länge der ersten (Strom-)Pulse sein. Die Frequenz und damit die zeitliche
Verschiebung der zweiten Pulse sollte der Subframe-Frequenz bzw. der Subframe-Periode
(oder einem Vielfachen davon) entsprechend, mit der gleiche Farben jeweils an gleichen
Orten des Displays aktiviert werden.
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Es ist auch zu berücksichtigen, dass ein zweiter Strompuls im Hinblick auf seine
Amplitude nicht die Höhe des Lampenstroms während der pulsfreien Phasen
überschreiten kann. Wenn unter bestimmten Betriebsbedingungen der Lampenstrom während
des ersten Strompulses höher ist, als das Doppelte des Lampenstroms während der
pulsfreien Phasen, so müssen zur Kompensation mehrere zweite Strompulse mit jeweils
ausreichender Amplitude und mit dem oben genannten zeitlichen Abstand erzeugt
werden (sofern der Lampenstrom während des ersten Pulses nicht entsprechend begrenzt
werden kann).
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Weiterhin wird gefordert, dass in dem Fall, in dem die Lampe zur Vermeidung einer
schnellen und ungleichmäßigen Erosion der Elektroden oder aus anderen Gründen mit
einem Lampenstrom mit wechselnder Polarität betrieben wird, die zeitliche Abstimmung
mit den Strompulsen so erfolgt, dass vor einem Wechsel der Polarität des Lampenstroms
stets ein erster Strompuls erzeugt wird, der die gleiche Polarität aufweist wie der
momentane Lampenstrom und diesen somit erhöht. Damit können Instabilitäten der
Bogenentladung und ein damit verbundenes Flackern vermieden werden.
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Auch sollte darauf geachtet werden, dass auf dem Display keine niedrigen
Frequenzkomponenten dargestellt werden, die sich mit den Pulsfrequenzen überlagern und
Störungen hervorrufen können. Schließlich sind im Hinblick auf die Höhe der
Pulsfrequenzen auch die Grenzfrequenz der Lampe und des gesamten Projektionssystems
einschließlich des Displays zu berücksichtigen.
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In den Fig. 2 bis 4 sind drei verschiedene Möglichkeiten der Kompensation
(Grundfunktionen) eines durch einen ersten Puls erhöhten Lichtstroms dargestellt. Auf den
vertikalen Achsen ist dabei im Gegensatz zu der Darstellung in Fig. 1 nur die
Veränderung des Lichtstroms (relativer Lichtstrom) durch die Pulse (d. h. die Differenz
zwischen dem durch die Pulse und dem nicht gepulsten Lampenstrom erzeugte
Helligkeit) aufgetragen. Die horizontale Achse ist jeweils auf die Anzahl von vollständigen
Durchläufen aller Farbbalken auf dem Display, d. h. die Subframe-Frequenz normiert.
Die in den Fig. 2 bis 4 dargestellten Grundfunktionen können auch miteinander
kombiniert werden.
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Im einzelnen wird im Fall der Fig. 2 ein erster Puls durch einen zweiten Puls gleicher
Amplitude und Länge in dem folgenden Subframe an gleicher Stelle kompensiert. Bei der
Darstellung in Fig. 3 wird ein erster Puls durch zwei zweite Pulse mit gleicher Länge
und halber Amplitude in den beiden folgenden Subframes kompensiert. Im Fall der Fig.
4 wird schließlich ein erster Puls durch drei zweite Pulse mit gleicher Länge und einem
Drittel der Amplitude des ersten Pulses in den drei folgenden Subframes kompensiert.
Die Amplituden der zweiten Pulse haben stets eine zu der Amplitude des ersten Pulses
entgegengesetzte Richtung
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Es können auch mehr als drei zweite Pulse zur Kompensation verwendet werden. Da
dadurch auch der Anteil von niedrigen Frequenzkomponenten der Lichtabstrahlung
steigt, vergrößert sich dadurch allerdings auch das Risiko des Entstehens von sichtbaren
Artefakten.
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Weiterhin können die einzelnen Pulse innerhalb eines Subframe im wesentlichen an
beliebiger Stelle erzeugt werden. Entscheidend ist nur der Zeitabstand der Pulse
zueinander, der möglichst genau der zeitlichen Dauer eines Subframe (oder eines
Vielfachen davon) entsprechen sollte. Somit wäre es auch denkbar, eine Kompensation
durch Erzeugung eines zweiten Pulses erst in dem übernächsten Subframe vorzunehmen.
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In Fig. 5 ist noch einmal der zeitliche Verlauf des absoluten (I) und des relativen (II)
Lichtstroms für die in den Fig. 1 und 2 gezeigte erste Grundfunktion dargestellt,
während in Fig. 6 der zeitliche Verlauf eines entsprechender Lampen-Wechselstroms
zur Realisierung dieser Kompensation gezeigt ist. Bei gegebener Subframe-Frequenz ist
die Periodendauer des Lampen-Wechselstroms und dessen Phasenlage zur
Gewährleistung der Stabilität der Bogenentladung vorzugsweise so festgelegt und
synchronisiert, dass vor einem Wechsel der Polarität stets ein erster Puls mit der momentan
gleichen Polarität wie der Lampenstrom erzeugt wird.
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Wenn die Frequenz des Lampen-Wechselstroms relativ zu der Subframe-Frequenz erhöht
werden soll, so sind zusätzliche erste Pulse einzufügen, mit denen, wie oben erwähnt, die
Stabilität der Bogenentladung sichergestellt wird.
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Dabei ist allerdings zu beachten, dass der sich daraus ergebende Lampenstrom unter
Umständen Gleichstromanteile enthalten kann. Kombiniert man beispielsweise zwei
Pulsfolgen gemäß Fig. 2, so folgen stets zwei erste Pulse und zwei zweite Pulse
aufeinander. Da es für den Lampenbetrieb vorteilhaft ist, jeweils nach einem ersten Puls
die Stromrichtung zu invertieren, ergäbe sich hieraus eine Gleichstromkomponente im
Lampenstrom. Durch die Kombination von drei Pulsfolgen gemäß Fig. 2 oder durch
Kombination von zwei Pulsfolgen gemäß Fig. 3 kann eine Gleichstromkomponente
vermieden werden.
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Fig. 7 zeigt den relativen Lichtstrom bei einer Kombination von drei Grundfunktionen
der in Fig. 2 gezeigten Art, die eine Phasenverschiebung von jeweils etwa 2/3
Subframes aufweisen, so dass innerhalb eines Subframe ein erster und zwei zweite und in
dem folgenden Subframe zwei erste und ein zweiter Puls vorhanden sind. Fig. 8 zeigt
den entsprechenden Verlauf des Lampen-Wechselstroms. Bei einer Subframe-Frequenz
von 180 Hz ergibt sich eine Lampenfrequenz von 135 Hz.
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Wie bereits oben erwähnt wurde, kann es vorkommen, dass ein erster Puls nicht mit nur
einem zweiten Puls kompensiert werden kann. In diesem Fall ist mindestens eine der in
Fig. 3 oder 4 gezeigten (zweiten bzw. dritten) Grundfunktion anzuwenden.
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Bei der Verwendung nur einer solcher Grundfunktion ergibt sich allerdings eine relativ
niedrige Lampenfrequenz. Zum Beispiel tritt bei der in Fig. 3 gezeigten Kompensation
innerhalb von drei Subframes nur ein erster Puls auf, so dass sich bei einer Subframe-
Frequenz von 180 Hz eine Lampenfrequenz von nur 30 Hz ergibt. Aus diesem Grund ist
eine lineare Kombination der Grundfunktionen vorzuziehen.
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Fig. 9 zeigt den relativen Lichtstrom bei einer Kombination von zwei (zweiten)
Grundfunktionen der in Fig. 3 gezeigten Art, die zueinander eine Phasenverschiebung
von 1,5 Subframes aufweisen. Damit ergibt sich ein zeitlicher Verlauf des Lampenstroms,
wie er in Fig. 10 dargestellt ist.
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Die Amplituden der verschiedenen Frequenzanteile, die bei der Beleuchtung eines
Displays mit einer Lampe mit dem in Fig. 10 gezeigten Lampenstrom auftreten, sind in
Fig. 11 gezeigt. In dieser Figur sind zum einen mit Kreissymbolen die durch die
Modulation des Gleichanteils der Display-Beleuchtung mit den durchlaufenden
Farbbalken verursachten Frequenzkomponenten, sowie zum anderen mit
Dreiecksymbolen die durch die ersten und zweiten Pulse verursachten Frequenzkomponenten
dargestellt. Da sich in diesem Fall die Periode des Lichtstroms über drei Subframes
erstreckt und die Subframe-Frequenz mit 180 Hz angenommen wurde, liegt die
niedrigste Frequenzkomponente der Pulse bei 60 Hz.
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Fig. 12 zeigt schließlich ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung
der oben beschriebenen Lampenströme. Die Schaltungsanordnung umfasst im
wesentlichen einen an sich bekannten Konverter 10 (Buck-Konverter) zur Erzeugung eines
Gleichstroms aus der von einer Gleichspannungsquelle 11 zugeführten
Versorgungsspannung, eine Steuereinrichtung 20 zur Steuerung des Konverters 10 in der Weise, dass
der Gleichstrom einen wie oben beschriebenen Verlauf erhält, sowie einen Kommutator
30 zur Umwandlung des Gleichstroms des Konverters 10 in einen entsprechenden
Lampen-Wechselstrom, sowie gegebenenfalls zur Erzeugung einer Zündspannung für
eine angeschlossene Lampe 31.
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Im einzelnen beinhaltet der Konverter 10 eine seriell geschaltete Induktivität 102 sowie
an ihrem Ausgang eine parallel geschaltete Kapazität 103. Mit einem Wechselschalter
101 (im allgemeinen mit einem Transistor und einer Diode realisiert) wird die
Induktivität 102 in einer ersten Schaltstellung mit einem Pol der Gleichspannungsquelle
11 verbunden. In einer zweiten Schaltstellung ist die Induktivität 102 der Kapazität 103
parallel geschaltet. Weiterhin ist eine Strommesseinrichtung 104 vorgesehen, mit der ein
Stromsignal erzeugt wird, das die Höhe des durch die Induktivität 102 fließenden Stroms
darstellt.
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Die Steuereinrichtung 20 beinhaltet im wesentlichen einen Mikrocontroller 201 und eine
Schalteinheit 202.
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An einem Eingang des Mikrocontrollers 201 liegt ein von dem Ausgang des Konverters
10 abgezweigtes Spannungssignal an. Der Mikrocontroller 201 erzeugt an einem ersten
Ausgang ein Vergleichssignal (Sollwert des Lampenstroms), das der Schalteinheit 202
zugeführt wird, sowie an einem zweiten Ausgang ein Stromrichtungssignal, das an dem
Kommutator 30 anliegt und mit dem die Kommutierung des Lampenstroms in
synchronisierter Weise bewirkt wird.
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Die Schalteinheit 202 umfasst ein erstes logisches Gatter 2021, an dessen erstem
Eingang das Stromsignal und an dessen zweitem Eingang das von dem Mikrocontroller
201 erzeugte Vergleichssignal anliegt, sowie ein zweites logisches Gatter 2022, dem
ebenfalls das Stromsignal zugeführt wird. Die Schalteinheit 202 umfasst weiterhin ein
Schaltelement 2023 mit einem Set-Eingang, der mit dem Ausgang des zweiten logischen
Gatters 2022 verbunden ist, sowie einem Reset-Eingang, an dem der Ausgang des ersten
logischen Gatters 2021 anliegt. Ein Ausgang Q des Schaltelementes 2023 ist schließlich
mit dem Wechselschalter 101 verbunden und schaltet diesen zwischen seinen
Schaltstellungen um.
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Die Schaltungsanordnung arbeitet im wesentlichen wie folgt, wobei die das Zünden und
Hochfahren der Lampe betreffenden Schrittfolgen im Stand der Technik bekannt sind
und hier im einzelnen nicht erläutert werden sollen.
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Zu Beginn eines Schaltzyklusses des Konverters 10 befindet sich der Wechselschalter
101 zunächst in der ersten (oberen) Schaltstellung, in der er den positiven Pol der
Gleichspannungsquelle 11 mit der Induktivität 102 verbindet. Dadurch fließt der Strom
durch die Induktivität 102 und steigt an, bis dessen über das Stromsignal erfasste Höhe
das an dem zweiten Eingang des ersten logischen Gatters 2021 anliegende
Vergleichssignal (Sollwert des Stroms) übersteigt. Wenn dies der Fall ist, erzeugt das erste logische
Gatter 2021 ein Signal an dem Reset-Eingang des Schaltelementes 2023, so dass dieses
den Wechselschalter 101 in die in der Fig. 12 gezeigte zweite (untere) Schaltstellung
umschaltet. Dadurch wird die Induktivität 102 von der Gleichspannungsquelle 11
getrennt und gleichzeitig der Kapazität 103 parallel geschaltet, so dass in dem dadurch
gebildeten Kreis nun ein abklingender Strom fließt. Wenn dieser Strom den Wert 0
erreicht hat, erzeugt das zweite logische Gatter 2022 ein Signal an dem Set-Eingang des
Schaltelementes 2023, so dass dieses den Wechselschalter 101 wieder in die erste
Schaltstellung umschaltet und der Vorgang erneut beginnt.
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Die Frequenz des Schaltens des Wechselschalters ist im wesentlichen durch die
Dimensionierung der Induktivität 102 bestimmt und liegt im allgemeinen zwischen etwa
20 kHz und einigen 100 kHz. Die Kapazität 103 ist so dimensioniert, dass die an dem
Konverter 10 anliegende Ausgangsspannung im wesentlichen konstant bleibt, so dass
auch der durch den Kommutator 30 und die Lampe 31 fließende Strom im wesentlichen
konstant und im Idealfall halb so groß ist, wie der durch den Mikrocontroller 201
vorgegebene Vergleichswert. Umgekehrt muss also der Mikrocontroller 201 an seinem
ersten Ausgang ein Strom-Vergleichssignal erzeugen, das doppelt so groß ist, wie der
gewünschte Lampenstrom.
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Der Verlauf des Lampenstroms wird zum einem durch dessen Frequenz und zum anderen
dadurch bestimmt, dass gemäß obiger Erläuterung vor jedem Polaritätswechsel ein erster
Strompuls mit gleicher Polarität zu erzeugen ist. In Abhängigkeit von den ersten
Strompulsen sind ferner die zweiten Strompulse zu erzeugen und dem Lampenstrom
entsprechend zu überlagern. Die Länge der Strompulse und die maximale Höhe des
Gesamtstroms, der während eines Strompulses durch die Lampe fließt, sind im
wesentlichen über die Lampeneigenschaften festgelegt. Alle diese Parameter sind in dem
Mikrocontroller 201 (bzw. einem Speicher) gespeichert, so dass dieser das Strom-
Vergleichssignal mit dem entsprechenden Verlauf erzeugen kann.
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Das Zeitraster zur Synchronisation der Strompulse mit der Bildwiedergabe auf dem
Display kann variabel oder konstant sein. Im folgenden sollen die Abläufe für ein
konstantes, festgelegtes Zeitraster beschrieben werden.
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Zunächst berechnet der Mikrocontroller 201 mit einer ersten Schrittfolge aus der am
Ausgang des Konverters 10 gemessenen und als Spannungssignal zugeführten Spannung
Umess den benötigten mittleren Stromwert sowie den Stromwert während der zweiten
Pulse, wobei in diesem Beispiel die zweiten Pulse genau so lang sind, wie die ersten
Pulse. Diese erste Schrittfolge wird vorzugsweise in regelmäßigen Abständen wiederholt.
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Der Mikrocontroller 201 fragt demnach zunächst ab, ob der gemessene Spannungswert
Umess zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert liegt. Wenn dies der Fall ist,
berechnet der Mikrocontroller 201 aus diesem Spannungswert Umess und der
Lampenleistung P den benötigten mittleren Stromwert IAGV = P/Umess. Anschließend wird daraus
sowie anhand der gespeicherten Höhe (Stromwert) der ersten Pulse (IPuls) sowie der
gespeicherten Anzahl nkomp von zweiten Pulsen der erforderliche Stromwert (Ikomp) für die
zweiten Pulse berechnet:
Ikomp = IAGV - ΔIPuls/nkomp, wobei ΔIPuls = IPuls - IAGV
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Mit einer zweiten Schrittfolge wird anhand dieser drei Stromwerte (IAGV, IPuls und Ikomp)
das Vergleichssignal an dem ersten Ausgang sowie ferner das Stromrichtungssignal an
dem zweiten Ausgang des Mikrocontrollers 201 entsprechend der gewünschten Periode
des Lampen-Wechselstroms wiederholt erzeugt, wobei die erforderlichen Schaltzeiten
dem Speicher entnommen werden. Dabei brauchen jeweils nur die Werte einer halben
Periode ermittelt zu werden, da die andere halbe Periode jeweils den gleichen Verlauf
(mit umgekehrter Polarität) hat. In dem Regelfall einer gleichmäßigen zeitlichen
Verteilung der ersten und zweiten Strompulse werden ferner nur zwei Zeitwerte benötigt,
nämlich die Zeitdauer zwischen zwei Strompulsen tconst und die Zeitdauer tPuls der
Strompulse.
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Im einzelnen wird zunächst das Vergleichssignal auf das Doppelte des mittleren
Stromwertes IAVG gesetzt, so dass sich, wie oben erwähnt wurde, der in den pulsfreien
Phasen gewünschte Lampenstrom einstellt. Nach Ablauf der Zeit tconst wird dann das
Vergleichssignal auf das Doppelte des für den zweiten Strompuls erforderlichen
Stromwertes Ikomp gesetzt, so dass sich der Lampenstrom entsprechend der Höhe des
zweiten Strompulses vermindert. Nach Ablauf der Pulsdauer tPuls wird in dem Fall, in
dem mehrere (n) zweite Strompulse zur Kompensationen eines der ersten Strompulse
erzeugt werden sollen, dieser Vorgang n mal wiederholt.
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Sofern nur ein zweiter Strompuls erzeugt werden soll, wird mit einem nächsten Schritt
nun das Vergleichssignal ebenfalls wieder auf das Doppelte des mittleren Stromwertes
IAVC gesetzt. Nach Ablauf der Zeit tconst wird dann das Vergleichssignal auf das Doppelte
des für den nächsten ersten Strompuls erforderlichen Stromwertes IPuls eingestellt, so
dass sich der Lampenstrom entsprechend dem ersten Strompuls erhöht. Nach Ablauf der
Pulsdauer tPuls wird dann schließlich an dem zweiten Ausgang des Mikrocontrollers 201
das Stromrichtungssignal erzeugt, so dass der Kommutator 30 die Stromrichtung des
Lampenstroms umschaltet und auf diese Weise die zweite halbe Periode des Lampen-
Wechselstroms gemäß der oben beschriebenen ersten und zweiten Schrittfolgen erzeugt
wird.
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Bei den obigen Berechnungen wurde davon ausgegangen, dass der von der Lampe
abgegebene Lichtstrom weitgehend linear von dem Lampenstrom abhängig ist. Diese Annahme
kann für die meisten Hochdruckgasentladungslampe getroffen werden. Bei anderen
Lampen ist gegebenenfalls der Strom während der zweiten Strompulse mit einem
zusätzlichen Korrekturfaktor zu berechnen, so dass der Betrag, um den der Lichtstrom während
eines der ersten Strompulse erhöht ist, wieder gleich dem Betrag ist, um den der
Lichtstrom während des zugeordneten zweiten Strompulses (bzw. der zugeordneten zweiten
Strompulse insgesamt) vermindert ist.