DE3539119C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruck-Entladungslampe der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 8 genannten Art. Ein solches Verfahren ist aus der US-PS 29 83 848 bekannt.

Bei dem bekannten Verfahren wird die Stromversorgung der Entladungslampe, der zum Zünden anfänglich ein niederfrequenter Wechselstrom zugeführt wurde, nach Erreichen des stationären Gleichgewichtszustandes auf Gleichstrom umgeschaltet.

In den Fig. 4A bis 4C der Zeichnung sind schematisch Zu­ stände in einer Hochdruck-Entladungslampe nach deren Zünden dargestellt.

Wenn die Entladungslampe richtig arbeitet, so werden, wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt, Lichtpunkte 2 an der gesamten Endfläche von Elektroden 1 ausgebildet, und es wird zwischen den Elektroden ein stabiles Entladungsplasma 3 aufrechterhalten.

Es hat sich nun jedoch herausgestellt, daß im stationären Betriebszustand der Lichtbogen der Lampe nicht immer auf der gesamten Endfläche der Elektroden brennt, sondern nur noch punktförmig, wie es in Fig. 4C dargestellt ist. Der Brenn- bzw. Lichtpunkt 2′ wandert dabei auf den Elektroden-Endflächen umher, was dazu führt, daß sich auch das Entladungsplasma 3′ bewegt, was zu Schwankungen in der abgegebenen Lichtmenge führt. Diese Schwankungen der Ausgangsleistung sind ein erheblicher Nachteil der herkömmlichen Hochdruck-Entladungslampen, insbesondere wenn sie für Meßzwecke verwendet werden sollen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das ein­ gangs genannte Verfahren zum Betreiben einer Hochdruck-Ent­ ladungslampe so auszugestalten, daß eine stabile Ausgangs­ leistung erhalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 bzw. 8 angegebenen Merkmalen dadurch ge­ löst, daß bereits vor dem Erreichen des stationären Betriebs­ zustandes der Lampe von der zum Zünden erforderlichen Nieder­ frequenz-Wechselspannung auf die Betriebs-Gleichspannung bzw. Hochfrequenz-Wechselspannung umgeschaltet wird.

Eine Einschnürung des Lichtbogens an der Elektrodenober­ fläche und das damit verbundene Hüpfen des Lichtbogens kann dabei zuverlässig unterbunden werden. Eine erfindungsgemäß be­ triebene Hochdruck-Entladungslampe ist daher auch für Meßzwecke mit hohen Anforderungen an die Stabilität des Lichtbogens und der Lichtausgangsleistung verwendbar.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Fig. 1 bis 3 der Zeichnung, die in Blockschaltbildern den Aufbau von Betriebsschaltungen für Hochdruck-Entladungslampen zeigen, näher erläutert.

Zunächst wird die Funktion einer Hochdruck- Entladungslampe erläutert.

Hochdruck-Entladungslampen wie z. B. eine Metall- Halogenid-Lampe benötigen nach dem Zünden der Entladung eine gewisse Zeit, typischer­ weise 2 bis 3 Minuten, zum Ansteigen der Temperatur in der Entladungsröhre, so daß das Füllmaterial den Druck eines vorgegebenen Wertes liefert. Die Formen der Lichtbogenflecken, die im Niederfrequenzbetrieb auf den Spitzen der Elektroden entstanden, wurden sorgfältig untersucht. Dabei ergaben sich die folgenden Ergebnisse: Zunächst erreicht der Licht­ bogenfleck in einem frühen Stadium des Niederfrequenzbe­ triebes, und insbesondere in einer 7 bis 8 Sekunden dauern­ den 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 Fig. 4C an, was zu einer instabilen Lichtausgangsleistung führt. Drittens zeigte sich, daß dann, wenn der Übergang von dem nieder­ frequenten Wechselstrombetrieb zu einem Gleichstrombe­ trieb oder einem Hochfrequenzbetrieb durchgeführt wird, während der Lichtbogenfleck die breite, normale Gestalt hat, diese normale Gestalt des Lichtbogenflecks auf­ rechterhalten wird. Aufgrund dieser Gegebenheiten ist es wichtig, den Niederfrequenz-Wechselstrombetrieb abzu­ schließen, bevor der Druck des Füllmaterials hoch wird, d. h. bevor die Entladungsröhre den stationären Betriebs­ zustand 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. Insbeson­ dere ist die vorliegende Betriebsschaltung für ein Hoch­ druck-Entladungslampe, die in einem frühen Betriebsab­ schnitt einen Niederfrequenz-Wechselstrombetrieb und danach während des stationären Betriebszustandes einen Hochfre­ quenz-Wechselstrombetrieb oder Gleichstrombetrieb aufweist, mit einer Vorrichtung versehen, um den Übergang von dem niederfrequenten Wechselstrombetrieb zu dem hoch­ frequenten Wechselstrombetrieb oder dem Gleichstrombetrieb entweder zu einer Zeit auszuführen, die um eine vorgegebe­ ne Zeitspanne nach dem Zünden der Entladung und vor dem Erreichen des stationären Betriebszustandes der Hochdruck- Entladungslampe liegt, oder nachdem wenigstens eine vorge­ gebene Eigenschaft der Lampe festgestellt wurde.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils Ausgestaltungen von Betriebsschal­ tungen einer Hochdruck-Entladungslampe gemäß einem ersten, einem zweiten und einem dritten Ausführungsbeispiel.

Die in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsform umfaßt eine Hauptgleichspannungsversorgungsein­ heit 11, eine Niederfrequenz-Wechselspannungsversorgungs­ einheit 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 12 und des Zeitgebers 14, so daß diese in ihre Betriebszustän­ de versetzt werden. Die Hauptgleichspannungsversorgungs­ einheit 11 besteht im wesentlichen aus einer Gleichspannungs­ quelle 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 Nieder­ frequenz-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 Metallhalogenid­ lampe zu zünden und die Niederfrequenz-Wechselspannungs­ versorgungseinheit 12 führt eine niederfrequente Wechsel­ stromentladung durch. Während dieser Periode, die typischer­ weise 7 bis 8 Sekunden dauert und 2 bis 3 Sekunden nach dem Zünden der Entladung liegt, werden die Lichtbogen­ flecken in ihrer normalen Form d. h. über den gesamten Endflächen der Elektroden erzeugt. Danach betätigt der Zeitgeber 14 das Relais 13, um den Übergang von der Spannungsversorgungsquelle 12 zu der Hauptgleichstrom­ versorgungseinheit 11 zu bewirken, so daß der Strom von der letzteren fließt. Bei Hochdruck-Entladungs­ lampen, die ein übliches Füllmaterial und eine übliche Gestalt der Entladungsröhre besitzen, wird allgemein die gleiche feste Zeit benötigt, damit das Füllmaterial den vorgegebenen Druck und damit die Entladungs­ röhre den stationären Betriebszustand erreicht. Der Zeitgeber 14 wird auf eine Zeit eingestellt, die kürzer ist als diese feste Zeit. Gemäß diesem Ausführungsbei­ spiel haben die erzeugten Lichtbogenflecken normale Gestalt und nehmen ihre normalen Positionen ein, so daß eine stabilisierte Entladung erreicht wird. Insbeson­ dere für eine Anwendung der Lichtquelle zu Meßzwecken kann die Lichtausgangsleistung extrem stabilisiert wer­ den. Obwohl die Entladungszündeinheit in der Niederfre­ quenz-Wechselspannungsversorgungseinheit 12 vorgesehen ist, kann sie alternativ dazu in der Hauptgleichspannungs­ versorgungseinheit vorgesehen sein. In diesem Fall ver­ bindet das Relais 13 zuerst die Hauptgleichspannungsver­ sorgungseinheit 11 mit der Entladungsröhre 16 der Metall­ halogenidlampe und verbindet dann die Niederfrequenz- Wechselspannungsversorgungseinheit mit der Entladungs­ röhre, nachdem die Entladung gezündet worden ist. Der an­ schließende Betrieb verläuft in der obenerwähnten Weise. Anstelle des Relais 13 kann selbstverständlich auch eine geeignete elektronische Schaltung verwendet werden.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, deren Aufbau in der Fig. 2 dargestellt ist, betätigt zunächst eine Steuereinheit 21 eine Gleichspannungsver­ sorgungseinheit 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, durch ein Signal betätigt, das von der Steuereinheit 21 zugeführt wird, so da die Entladungsröhre 26 im Niederfrequenz-Wechselstrombetrieb arbeitet. 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 Polaritätswechsel­ schaltung 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 Gleichspannungsver­ sorgungquelle gespeisten Entladungsröhre 26 geliefert wird.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel, dessen Aufbau in der Fig. 3 dargestellt ist, betätigt zuerst die Steuereinheit 21 die Gleichstromversorgungs­ einheit 22 und den Hochspannungsgenerator 25 für die Zündung. Wenn die Entladungsröhre 26 der Metallhalogenidlampe gezündet ist, so wird die Polari­ tätswechselschaltung 23 mit einer vorgegebenen Frequenz, beispielsweise einer 1 kHz nicht überschreitenden Fre­ quenz, durch das von der Steuereinheit 21 gelieferte Signal betätigt, so daß die Entladungsröhre 26 durch die Nieder­ frequenz-Wechselspannungsquelle gezündet wird. Nach der Zündung der Entladung wird, während das Füllmaterials in der Entladungsröhre 26 ver­ dampft, die Intensität des emittierten Lichtes allmäh­ lich verstärkt und erreicht einen stationären Zustand, wenn typischerweise 2 bis 3 Minuten seit dem Zünden der Entladung vergangen sind. Die Licht­ intensität der Entladungsröhre 26 wird über eine Linse 27 durch einen Lichtempfänger 28 wie z. B. eine Photo­ diode überwacht. Wenn der Lichtempfänger 28 feststellt, daß die Lichtintensität eine feste Größe erreicht hat, die niedriger als die Lichtintensität des statio­ nären Zustandes ist, so wird ein Signal der Steuerschal­ tung 21 zugeführt und nachfolgend wird durch die Steuer­ einheit 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 Lichtbogen­ flecken normale Formen an ihren normalen Stellungen ein­ nehmen.

Bei jedem Ausführungsbeispiel wird somit der Niederfrequenz-Wechselstrombetrieb beendet, während der Lichtbogenfleck eine breite, normale Form hat und sich über die gesamte Endfläche 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 mög­ lich, die Temperatur der Entladungsröhre zu überwachen, so daß dann, wenn die Temperatur der Entladungs­ röhre einen vorgegebenen Wert erreicht hat, der niedri­ ger als der Wert für den stationären Zustand der Ent­ ladungsröhre liegt, die Niederfrequenz-Wechselstrom- Betriebsweise beendet wird und zu der Gleichstrombetriebs­ weise übergegangen wird.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt ist, daß in einem frühen Betriebsstadium einer Hochdruck-Ent­ ladungslampe ein Niederfrequenz-Wechselstrombetrieb durch­ geführt wird und er beendet wird, während die Lichtbogen­ flecken normale Formen haben. Daher wird die nachfolgende Betriebsweise nicht auf einen Gleichstrombetrieb mit kon­ stantem Betriebsstrom beschränkt, sonern es ist ebenfalls eine Pulsbetriebsweise oder eine Hochfrequenz-Wechselstrom- Betriebsart, bei der z. B. vorzugsweise eine Frequenz ober­ halb von 10 kHz verwendet wird, möglich.

Claims (9)

1. Verfahren zum Betreiben einer Hochdruck-Entladungslampe, bei dem die Lampe nach dem Zünden der Entladung mit nieder­ frequentem Wechselstrom und nach Erreichen eines vorbestimmten Betriebszustandes mit Gleichstrom versorgt wird, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zu einem Zeitpunkt, zu dem wenigstens eine der charakteristischen Eigenschaften der Lampe einen vorgegebenen, gegenüber dem Gleichgewichtsbetriebszustand der Lampe geringeren Wert angenommen hat und der Lichtbogen der Lampe die gesamte Fläche der Elektrodenspitzen bedeckt, auf die Versorgung mit Gleichstrom übergegangen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Übergangszeitpunktes als charakteristische Eigen­ schaft der Entladungslampe deren Temperatur überwacht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Übergangszeitpunktes als charakteristische Eigen­ schaft der Entladungslampe deren Lichtintensität überwacht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung des Übergangszeitpunktes als charakteristische Eigen­ schaft der Entladungslampe die Lampenspannung überwacht wird.

5. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Gleichstrom­ versorgung (22), eine nachgeschaltete Polaritätswechselschaltung (23), an deren Ausgang die Entladungslampe (26) angeschlossen ist, und eine Steuereinheit (21), die bis zum Übergangszeitpunkt die Polaritätswechselschaltung (23) mit einer niedrigen Frequenz betätigt, so daß die Entladungslampe bis zum Übergangszeitpunkt mit niederfrequentem Wechselstrom und anschließend mit Gleich­ strom versorgt wird (Fig. 2 und 3).

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereinheit (21) das Ausgangssignal eines Lampenspannungs­ detektors (24) zugeführt wird (Fig. 2).

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuereinheit (21) das Ausgangssignal eines Lichtintensi­ tätsdetektors (28) zugeführt wird (Fig. 3).

8. Verfahren zum Betreiben einer Hochdruck-Entladungslampe, bei dem die Lampe nach dem Zünden der Entladung bis zum Er­ reichen eines vorbestimmten Betriebszustandes mit niederfre­ quentem Wechselstrom versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zu einem Zeitpunkt, zu dem wenigstens eine der charakteristi­ schen Eigenschaften der Lampe einen vorgegebenen, gegenüber dem Gleichgewichtsbetriebszustand der Lampe geringeren Wert ange­ nommen hat und der Lichtbogen der Lampe die gesamte Fläche der Elektrodenspitzen bedeckt, auf eine Versorgung mit hochfre­ quentem Wechselstrom umgeschaltet wird.

9. Verwendung einer Vorrichtung mit einer Niederfrequenz- Stromversorgung (12), einer Hauptstromversorgung (11), einem Relais (13) und einem Zeitgeber (14), der nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit mittels des Relais (13) die Entladungslampe (16) von der Niederfrequenz-Stromversorgung (12) auf die Hauptstromversorgung (11) umschaltet, bei der Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 7 zum Umschalten auf eine Hauptstrom­ versorgung, die hochfrequenten Wechselstrom liefert (Fig. 1).