DE3539119A1

DE3539119A1 - Betriebsschaltung fuer eine hochdruck-entladungslampe

Info

Publication number: DE3539119A1
Application number: DE19853539119
Authority: DE
Inventors: Yoji Ome Arai; Tsune Tokio/Tokyo Miyashita; Seiichi Kokubunji Murayama; Fuzio Katsuta Yamada; Makoto Kodaira Yasuda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-11-05
Filing date: 1985-11-04
Publication date: 1986-05-07
Also published as: JPH0520879B2; JPS61110996A; DE3539119C2; US4803406A

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Betriebsschaltung für eine Hochdruck-Entladungslampe, und insbesondere eine solche, bei der von einem Niederfrequenz-Wechselstrombetrieb zu einem Hochfrequenzbetrieb oder einem Gleichstrombetrieb übergegangen wird nachdem in einer frühen Stufe des Betriebes Lichtpunkte in ihrer normalen Stellung (d.h. die Spitzen der Elektroden) ausfindig gemacht worden sind.

Bei Hochdruck-Entladungslampen, die in wissenschaftliehen Instrumenten für Meßzwecke verwendet werden, ist es wünschenswert, daß weder Schwankungen noch Brumm im Lichtausgangssignal· enthalten sind. Zu diesem Zweck werden Entladungslampen häufig mit einer Hochfrequenz-Spannungsversorgung oder mit einer Gleichstromspannungs-Versorgung betrieben. Um Lichtbogenpunkte in ihrer normalen Stel^ng, was die Spitze der Elektroden ist, zu erzeugen, wurde hierbei ein Niederfrequenz-Wechselstrom-Betrieb in einer frühen Stufe des Betriebes ausgeführt, wie dies in der am 24. April 1984 eingereichten und anhängigen US Patentanmeldung, Serial No. 603,431 beschrieben ist. Wenn die Hochdruck-Entladungslampe richtig arbeitet, so werden, wie in der Figur 4A dargestellt ist, Lichtpunkte 2 jeweils an den Spitzen der Elektroden erzeugt oder ausgebildet und ein Entladungsplasma 3 wird zwischen ihnen in einem Entladungsrohr aufrechterhalten. Die Gestalt der Entladungsflecken, die in der vorgenannten Anmeldung nicht geschildert worden ist, ist so, daß die Lichtbogenflecken 2, wenn sie sauber ausgebildet sind, die gesamte Spitze der Elektroden 1 bedecken, wie dies die Figur 4B zeigt. Im richtigen Zustand ist das Entladungsplasma 3 stabil. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß es einen Fall gibt, bei dem winzige Lichtbogenflecken 2¹ auf Teilen der Spitzen der Elektroden 1 entsprechend der Figur 4C ausgebildet werden. Diese winzigen Lichtbogen-

flecken 2' wandern auf den Spitzen der Elektroden T umher, was dazu führt, daß das Entladungsplasma 3¹ sich ebenfalls bewegt, was zu Schwankungen in der Lichtausgangsleistung führt. Diese Schwankungen der Lichtausgangsleistung sind ein gefährlicher Fehler, wenn die Hochdruck-Entladungslampe im Gebiet der Meßtechnik eingesetzt werden soll, und dementsprechend sind Vorkehrungen zum Verhindern dieses Fehlers notwendig.

Dementsprechend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Betriebsschaltung für eine Hochdruck-Entladungslampe anzugeben, mit der eine hochstabile Lichtausgangsleistung erreicht werden kann, ohne eine Bewegung der Lichtbogenflecken und des Entladungsplasmas.

Diese Aufgabe wird mit einer Betriebsschaltung für eine Hochdruck-Entladungslampe nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 gelöst, die erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil dieses Anspruches angegebenen Weise ausgestaltet ist.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei einer Betriebsschaltung für eine Hochdruck-Entladungslampe, die in einem frühen Stadium des Betriebes einen Niederfrequenz-Wechselstrombetrieb ausführt und in einem Gleichgewichtsbetriebszustand einen Hochfrequenz-Wechselstrombetrieb oder einen Gleichstrombetrieb ausführt, eine Einrichtung vorhanden, um einen Übergang von dem niederfrequenten Wechselstrombetrieb zu dem hochfrequenten Wechselstrombetrieb oder dem Gleichstrombetrieb entweder zu einem Zeitpunkt bewirkt, der um eine vorgegebene Zeitspanne nach dem Zünden der Entladung und vor dem Erreichen des stationären Zustandes der Lampe liegt, oder zu einem Zeitpunkt, nach dem wenigstens eine der vorgegebenen Eigenschaften der Lampe, wie z.B. die Lampenspannung, Lichtintensität usw. festgestellt worden ist, wodurch eine stabile Lichtausgangsleistung erreicht wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben und näher erläutert.

Figuren 1 bis 3 zeigen in Blockschaltbildern den Aufbau der Betriebsschaltungen von Hochdruck-Entladungslampen nach einem ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
Figuren 4A bis sind schematische Darstellungen

4C einer Entladungsröhre für die Hochdruck-Entladungslampe, der Gestalt eines normalen Lichtbogenflecks in der Röhre, und die Gestalt eines winzigen Lichtbogenpunktes, der eine

instabile Lichtausgangsleistung liefert.

Zunächst wird die Theorie der Funktionsweise der vorliegenden Erfindung erläutert.

Hochdruck-Entladungslampen wie z.B. eine Metall-Halogenid-Lampe benötigen eine gewisse Zeit, typischerweise 2 bis 3 Minuten, zum Ansteigen der Temperatur in der Entladungsröhre nach dem Zünden der Entladung, so daß das Füllmaterial den Druck eines vorgegebenen Wertes liefert. Die Erfinder haben, nachdem die Lichtbogenflecken, die mit einem Niederfrequenzbetrieb erzeugt wurden, sich auf den Spitzen der Elektroden bewegt haben, die Formen der Lichtbogenflecken sorgfältig untersucht. Dabei ergaben ich die folgenden Ergebnisse. Zunächst erreicht der Lichtbogenfleck in einem frühen Stadium des Niederfrequenzbetriebes, und insbesondere in einer 7 bis 8 Sekunden dauernden und etwa 2 bis 3 Sekunden nach dem Zünden der Entladung beginnenden Periode, eine breite Gestalt, die die normale oder richtige Gestalt ist. Zweitens zeigte sich dann, wenn der Niederfrequenz-Wechselstrombetrieb für eine Zeitspanne,

die typischerweise 1 Minute dauert und etwa 2 Minuten nach dem Zünden beginnt, weiter aufrechterhalten wurde, eine Erhöhung der Temperatur der Entladungsröhre, so daß der Druck des Füllmaterials erhöht wird, was bedeutet, daß die Entladungsröhre den stationären Betriebszustand erreicht. In diesem Zustand nimmt der Lichtbogenfleck eine kleine Gestalt entsprechend der Figur 4C an, was zu einer instabilen Lichtausgangsleistung führt. Drittens zeigte sich, daß dann, wenn der Übergang von dem niederfrequenten Wechselstrombetrieb zu einem Gleichstrombetrieb oder einem Hochfrequenzbetrieb durchgeführt wird während der Lichtbogenfleck die breite, normale Gestalt annimmt, diese normale Gestalt des Lichtbogenflecks aufrechterhalten wird. Aufgrund dieser Gegebenheiten ist es wichtig, den Niederfrequenz-Wechselstrombetrieb abzuschließen bevor der Druck des Füllmaterials hoch wird, d.h. bevor die Entladungsröhre den stationären Betriebszustand erreicht. Der Aufbau einer Betriebsschaltung mit einem solchen Mechanismus erlaubt es, die normale Gestalt des Lichtbogenflecks aufrechtzuerhalten, so daß dadurch eine stabile Lichtausgangsleistung erzielt wird. Insbesondere ist die vorliegende Betriebsschaltung für eine Hochdruck-Entladungslampe, die in einem frühen Betriebsabschnitt einen Niederfrequenz-Wechselstrombetrieb und danach während des stationären Betriebszustandes einen Hochfrequenz-Wechselstrombetrieb oder Gleichstrombetrieb durchführt, mit einer Vorrichtung versehen, um den Übergang von dem niederfrequenten Wechselstrombetrieb zu dem hochfrequenten Wechselstrombetrieb oder dem Gleichstrombetrieb entweder zu einer Zeit auszuführen, die um eine vorgegebene Zeitspanne nach dem Zünden der Entladung und vor dem Erreichen des stationären Betriebszustandes der Hochdruck-Entladungslampe liegt, oder nachdem wenigstens eine vorgegebene Eigenschaft der Lampe festgestellt wurde, wodurch ein stabiler Lichtausgang erreicht wird.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Figuren 1 bis 3 zeigen jeweils Ausgestaltungen von Betriebsschaltungen einer Hochdruck-Entladungslampe gemäß einem ersten, einem zweiten, bzw. einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die in Figur 1 dargestellte erste Ausführungsform der Erfindung umfaßt eine Hauptgleichspannungsversorgungseinheit 11, eine Niederfrequenz-Wechselspannungsversorgungseinheit 12 mit einer 1 KHz nicht überschreitenden Frequenz wie z.B. einer kommerziellen Leistungsfrequenz, ein Relais 13, einen Zeitgeber 14 zum Betätigen des Relais 13 zu einer vorgegebenen Zeit, und eine Steuereinheit 15 zum Steuern der Hauptgleichspannungsversorgungseinheit 11, der Niederfrequenz-Wechselspannungsversorgungseinheit 1 2 und des Zeitgebers 14, so daß diese in ihre Betriebszustände versetzt werden. Die Hauptgleichspannungsversorgungseinheit 11 besteht im wesentlichen aus einer Gleichspannungsquelle und einer Strombegrenzerschaltung, vorzugsweise einer Stromregelschaltung. Das Bezugszeichen 16 bezeichnet eine Entladungsröhre der Metallhalogenidlampe.

Die Betriebsschaltung für die Hochdruck-Entladungslampe arbeitet wie folgt. Zunächst versetzt die Steuereinheit 15 die Hauptgleichspannungsversorgungseinheit 11, die Niederfrequenz-Wechselspannungsversorgungseinheit 12 und den Zeitgeber 14 in ihren Betriebszustand. Sodann erzeugt ein Hochspannungsgenerator, der eine Entladungszündeinheit in der Niederfrequenz-Wechselspannungseinheit 12 ist, eine Hochspannung, um die Entladungsröhre 16 der Metallhalogenidlampe zu zünden und die Niederfrequenz-Wechselspannungsversorgungseinheit 12 führt eine niederfrequente Wechselstromentladung durch. Während dieser Periode, die typischerweise 7 bis 8 Sekunden dauert und 2 bis 3 Sekunden nach dem Zünden der Entladung liegt, werden die Lichtbogen-5 flecken in ihren Normalstellungen, d.h. über den gesamten spitzen Flächen der Elektroden erzeugt. Danach betätigt der

Zeitgeber 14 das Relais 13, um den übergang von der Spannungsversorgungsquelle 12 zu der Hauptgleichstromversorgungseinheit 11 zu bewirken, so daß der Strom von der letzteren fließt. Bei Hochdruck-Entladungslampen, die ein übliches Füllmaterial und eine übliche Gestalt der Entladungsröhre besitzen, wird allgemein die gleiche feste Zeit benötigt, damit das Füllmaterial den vorgegebenen Druck erreicht, so daß die Entladungsröhre den stationären Betriebszustand erreicht. Der Zeitgeber 14 wird auf eine Zeit eingestellt, die kürzer ist als diese feste Zeit. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel haben die erzeugten Lichtbogenflecken normale Gestalt und nehmen ihre normalen Positionen ein, so daß eine stabilisierte Entladung erreicht wird. Insbesondere für eine Anwendung der Lichtquelle zu Meßzwecken kann die Lichtausgangsleistung extrem stabilisiert werden. Obwohl die Entladungszündeinheit in der Niederfrequenz-Wechselspannungsversorgungseinheit 12 vorgesehen ist, kann sie alternativ dazu in der Hauptgleichspannungs-Versorgungseinheit vorgesehen sein. In diesem Fall verbindet das Relais 13 zuerst die Hauptgleichspannungsversorgungseinheit 11 mit der Entladungsröhre 16 der Metallhalogenidlampe und verbindet dann die Niederfrequenz-Wechselspannungsversorgungseinheit mit der Entladungsröhre nachdem die Entladung gezündet worden ist. Der anschließende Betriebsablauf verläuft in der oben erwähnten Weise. Anstelle des Relais 14 kann selbstverständlich auch eine geeignete elektronische Schaltung verwendet werden.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, deren Aufbau in der Figur 2 dargestellt ist, betätigt zunächst eine Steuereinheit 21 eine Gleichspannungsversorgungseinheit 22 und einen Hochspannungsgenerator 25 für die Zündung der Entladung. Wenn eine Entladungsröhre 26 der Metallhalogenidlampe gezündet ist, so wird eine Polaritätswechselschaltung 23 mit einer festen Frequenz,

beispielsweise einer 1 KHz nicht überschreitenden Frequenz wie z.B. eine kommerzielle Leistungsfrequenz, mit einem Signal betätigt, das von der Steuereinheit 21 zugeführt wird, so daß die Entladungsröhre 26 im Niederfrequenz-Wechselstrombetrieb entladen wird. Wenn ein Lampen-Spannungsdetektor 24 feststellt, daß die Lampenspannung eine feste Spannung erreicht hat, die niedriger ist als die Lampenspannung im stationären Zustand, so wird die Tätigkeit der Polaritätswechselschaltung 23 durch die Steuereinheit 21 beendet. Danach wird die Entladungsröhre 26 in einem Betriebszustand gehalten, in dem eine stabile Lichtausgangsleistung kontinuierlich von der durch die Gleichspannungsversorgungsquelle gespeisten Entladungsröhre 26 geliefert wird.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, dessen Aufbau in der Figur 3 dargestellt ist, betätigt zuerst die Steuereinheit 21 die Gleichstromversorgungseinheit 22 und den Hochspannungsgenerator 25 für die Entladungszündung. Wenn die Entladungsröhre 26 der Metallhalogenidlampe gezündet ist, so wird die Polaritätswechselschaltung 23 mit einer vorgegebenen Frequenz, beispielsweise einer 1 KHz nicht überschreitenden Frequenz, wie z.B. einer kommerziellen Leistungsfrequenz, durch das von der Steuereinheit 21 gelieferte Signal betätigt, so daß die Entladungsröhre 26 durch die Niederfrequenz-Wechselspannungsquelle gezündet wird. Nach der Zündung der Entladung wird, weil Licht emittiert wird während das Filmmaterial in der Entladungsröhre 26 verdampft, die Intensität des emittierten Lichtes allmählich verstärkt und erreicht den stationären Zustand der Lichtintensität, wenn typischerweise 2 bis 3 Minuten seit dem Zünden der Entladung vergangen sind. Die Lichtintensität der Entladungsröhre 26 wird über eine Linse 27 durch einen Lichtempfänger 28 wie z.B. eine Photodiode überwacht. Wenn der Lichtempfänger 28 feststellt,

daß die Lichtintensität eine feste Intensität erreicht hat, die niedriger als die Lichtintensität des stationären Zustandes ist, so wird ein Signal der Steuerschaltung 21 zugeführt und nachfolgend wird durch die Steuereinheit 21 der Betrieb der Polaritäts-Wechselschaltung 23 beendet. Auf diese Weise wird die Entladungsröhre 26 in einem Betriebszustand gehalten, bei dem eine stabile Lichtausgangsleistung erzeugt wird, wobei die Lichtbogenflecken normale Formen an ihren normalen Stellungen ein-ο nehmen.

Bei jedem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Beenden der Niederfrequenz-Wechselstrombetriebsweise ausgeführt, während der Lichtbogenfleck eine breite, normale Form hat und sich auf die gesamte Spitze einer jeden Elektrode erstreckt, so daß das Entladungsplasma seine Position nicht verändert, was eine kontinuierliche stabile Lichtausgangsleistung liefert. Weiter ist es zusätzlich zu den obigen Ausführungsbeispielen auch möglich die Temperatur der Entladungsröhre zu überwachen, so daß dann, wenn die überwachte Temperatur der Entladungsröhre eine vorgegebene Temperatur erreicht hat, die niedriger als die Temperatur des stationären Zustandes der Entladungsröhre liegt, die Niederfrequenz-Wechselstrom-Betriebsweise beendet wird und zu der Gleichstrombestriebsweise übergegangen wird.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung ist, daß in einem frühen Betriebsstadium einer Hochdruck-Entladungslampe ein Niederfrequenz-Wechselstrombetrieb durchgeführt wird und er beendet wird, während die Lichtbogenflecken normale Formen haben. Daher wird die nachfolgende Betriebsweise nicht auf einen Gleichstrombetrieb mit konstantem Betriebsstrom beschränkt, sondern es ist ebenfalls eine Pulsbetriebsweise oder eine Hochfrequenz-Wechselstrom-Betriebsart bei der z.B. vorzugsweise eine Frequenz ober-5 halb von 10 KHz verwendet wird, möglich.

Wie oben in Zusammenhang mit der Erfindung erläutert wurde, ist bei einer Betriebsschaltung einer Hochdruck-Entladungslampe zum Ausführen eines Niederfrequenz-Wechselstrombetriebes in einem frühen Stadium des Betriebs und zum Ausführen einer Hochfrequenz-Wechselstrom-Betriebsweise oder Gleichstrombetriebsweise im stationären Betriebszustand eine Einrichtung vorgesehen, um den Übergang von der Niederfrequenz-Wechselstrom-Betriebsart zu der Hochfrequenz-Wechselstrom-Betriebsart oder der Gleichstrom-Betriebsart zu einem Zeitpunkt auszuführen, der nach einer vorgegebenen Zeitperiode nach dem Zünden der Entladung und vor dem Erreichen des stationären Zustandes der Hochdruck-Entladungslampe liegt, oder zu einem Zeitpunkt nach dem wenigstens eine der vorgegeben Lampeneigenschaften festgestellt wurde, so daß die Lichtbogenflecken immer ihre normale Gestalt und ihre normale Stellung einnehmen, so daß ein Betriebszustand erreicht wird, in dem eine stabile Lichtausgangsleistung erzeugt wird. Dementsprechend wird die Zuverlässigkeit einer Hochdruck-Entladungslampe wie z.B. einer Metallhalogenidlampe verbessert, und die Effizienz von Meßinstrumenten, die mit einer solchen Lichtquelle ausgerüstet sind, wird ebenfalls verbessert.

RS/JG

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Claims

PATENTANWALT!·:

STREHL SCHÜBEL-HOPF SCHULZ 3539119

WIDENMAYERSTRASSE 17. D-8000 MÜNCHEN 22

HITACHI, LTD.
DEA-27 375

4. November 1985

Betriebsschaltung für eine Hochdruck-Entladungslampe

PATENTANSPRÜCHE^.

, t? -(1. Betriebsschaltung für eine Hochdruck-Entladungslampe,

gekennzeichnet durch

eine Entladungszündvorrichtung (25) zum Zünden der Entladung zwischen Hauptelektroden (1) einer Entladungsröhre (16);

einer ersten Stromversorgungseinrichtung (12) zum Zuführen von Niederfrequenz-Wechselstromleistung zu der Entladungsröhre, um einen Lichtbogenfleck an der gewünschten Stellung auf jeder der beiden Hauptelektroden zu bringen, nachdem die Entladungsröhre gezündet worden ist;

eine zweite Stromversorgungseinrichtung (11, 22) zum Zuführen von Leistung zu der Entladungsröhre, welche eine Gleichstromversorgungsquelle oder eine Hochfrequenz-Wechselstromversorgungsquelle ist;

eine Leistungs-Umschaltvorrichtung (23), um die der Entladungsröhre von der ersten Stromversorgungsvorrichtung (12) zugeführte Leistung auf die zweite Stromversorgungsvorrichtung (11, 22) umzuschalten, nachdem der Lichtbogenfleck an der gewünschten Stellung einer jeden der beiden Hauptelektroden ausgebildet worden ist und bevor die Entladungsröhre ihren stationären Betriebszustand erreicht; und durch

eine Steuereinrichtung (15, 21), um die Entladungszündvorrichtung, die erste und die zweite Stromversorgungseinrichtung und die Leistungsumschaltvorrichtung zu steuern.

2. Betriebsschaltung für eine Hochdruck-Entladungslampe nach Anspruch 1, dadurch gekennz eichnet, daß die Leistungsumschaltvorrichtung (23) eine Detektorvorrichtung zum Feststellen des stationären Betriebszustandes der Entladungsröhre und eine Schaltvorrichtung aufweist, die durch ein Ausgangssignal der Detektorvorrichtung gesteuert wirü.

3. Betriebsschaltung nach Anspruch 2, dadurch

gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung einen Zeitgeber (14) aufweist und daß die Schaltvorrichtung ein Relais umfaßt.

4. Betriebsschaltung nach Anspruch 2, dadurch

ge ken η ζ eichnet, daß die Detektorvorrichtung einen Lampenspannungsdetektor (24) aufweist und daß die Schaltvorrichtung eine Polaritäts-Wechselschaltung (23) umfaßt.

5. Betriebsschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung eine Lichtintensitätsüberwachungsvorrichtung (27, 28) aufweist, und daß die Schaltvorrichtung eine Polaritäts-Wechselschaltung (23) aufweist.