DE3877250T2

DE3877250T2 - Stromversorgung.

Info

Publication number: DE3877250T2
Application number: DE8888304017T
Authority: DE
Inventors: Mark Alastair Mattingley-Scott
Original assignee: Thorn EMI PLC
Current assignee: TLG PLC
Priority date: 1987-05-12
Filing date: 1988-05-04
Publication date: 1993-07-15
Anticipated expiration: 2008-05-05
Also published as: US4920300A; AU1586388A; GB8711131D0; EP0291223A1; AU604887B2; JPS63285899A; EP0291223B1; DE3877250D1; CA1289184C; ATE84393T1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgung und insbesondere, aber nicht ausschließlich, auf eine Stromversorgung, die für eine Bogenentladungslampe geeignet ist.
Eine Bogenentladungslampe wird üblicherweise mit einer Frequenz betrieben, die beträchtlich über der Flackerschwelle des menschlichen Auges liegt, um die Verminderung der Größe der dem Vorschaltgerät zugeordneten Teile insgesamt zu erleichtern, und üblicherweise wird eine Frequenz oberhalb von 20 kHz verwendet. Es ist jedoch allgemein bekannt, daß bei diesen verhältnismäßig hohen Frequenzen in einer Bogenentladungsröhre longitudinale und laterale Akustikwellen auftreten können, und dieses Phänomen, das allgemein als "akustische Resonanz" bezeichnet wird, kann bei oder in der Nähe von bestimmten Resonanzfrequenzen FM immer dann auftreten, wenn der Lampe Strom zugeführt wird, wobei die Frequenzen auf die Lampengeometrie durch den Ausdruck
FM = MV/2L
bezogen ist. Hierin ist M eine ganze Zahl, die die Zahl der Harmonischen darstellt, L ist auf die Länge der Bogenröhre bezogen, und V ist die akustische Geschwindigkeit in der Bogenröhre.
Im allgemeinen können Bogenentladungslampen viele solcher Resonanzfrequenzen aufweisen, und da M, L und V von den Betriebseigenschaften der Lampe abhängen können, können diese Frequenzen sich während der Laufzeit und der Lebensdauer der Lampe ändern.
Die akustische Resonanz hat sich als besonders problematisch erwiesen, da die akustische Welle zu einer Instabilität in der Bogenentladung führen kann, so daß diese gedehnt wird oder umläuft und ohne Ausnahme erlischt. In einigen Fällen kann ein Schaden an der Bogenentladungsröhre verursacht werden.
Das Problem der akustischen Resonanz hat auf diesem Getiet Tätige viele Jahre lang in Anspruch genommen. Es sind Lösungen vorgeschlagen worden, die Wellenform der Stromversorgung umzuformen, die Bogenentladungsröhre speziell auszubilden und Quarzwolle in der Bogenentladungsröhre anzuordnen. Ein Beispiel dieser Art ist in der europäischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 0 066 927 offenbart. Keine der bisher vorgeschlagenen Lösungen scheint jedoch insgesamt erfolgreich zu sein, und in einigen Fällen kann die vorgeschlagene Lösung mit anderen Überlegungen für die Lampenentwicklung, z.B. Lebensdauer der Lampe, Wirksamkeit usw. in Konflikt stehen.
Es ist daher ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, eine Stromversorgung zu schaffen, die für eine Bogenentladungslampe geeignet ist, die wenigstens einige der zuvor angegebenen Probleme verringert.
Demzufolge ist eine für eine Bogenentladungslampe geeignete Stromversorgung mit einer Antriebsschaltung, um der Lampe eine Spannung zuzuführen, und mit Steuermitteln vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Anderung der Frequenz der Spannung gemäß einer pseudo-zufälligen Folge bewirkt wird, um eine akustische Resonanz in der Lampe zu vermindern oder zu beseitigen.
Die der Lampe zugeführte Spannung umfaßt ein Signal mit breitem Spektrum, bei dem die Leistung über einem Frequenzband gestreut ist, und der Erfinder hat gefunden, daß der resultierende Lampenbetrieb weitgehend frei von akustischer Resonanz ist.
Es sei bemerkt, daß jede Frequenz in der Folge von Frequenzen nur einmal oder statt dessen jede Frequenz auch mehr als einmal auftreten kann.
Die Steuermittel können einen Frequenzgenerator enthalten, der einen Generator für eine pseudo-zufällige Folge umfaßt, der in Verbindung mit Frequenzteilermitteln arbeitet, und der Generator für die pseudo-zufällige Folge kann ein allgemein bekannter einfacher oder modularer Schieberegister-Generator sein. Es sei bemerkt, daß andere Arten von Generatoren für eine pseudozufällige Folge verwendet werden können, und durch Anwendung einer geeigneten Bemessung der Codefolge kann ihre Arbeitsweise so ausgelegt werden, daß sie verschiedene lineare und nichtlineare Folgen erzeugen.
Bei einer alternativen Anordnung gemäß der Erfindung können die Steuermittel Mittel zur Speicherung einer vorgewählten pseudo-zufälligen Folge von Zahlen und eine Frequenzteiler- Schaltung aufweisen, um die pseudo-zufällige Folge von Zahlen in die pseudo-zufällige Folge von Frequenzen zu übersetzen.
Unter diesen Umständen können die Steuermittel Mittel enthalten, um die vorgewählte pseudo-zufällige Folge von Zahlen wiederholt in die Frequenzteilungsmittel zu leiten. Die Speichermittel können eine Vielzahl von Speicherplätzen umfassen, von denen jeder eine entsprechende Zahl der vorgewählten pseudo-zufälligen Folge von Zahlen enthält, wobei die Speicherplätze aufeinanderfolgend gemäß einer zyklischen Operation adressierbar sind.
Die Steuermittel können ferner Mittel enthalten, um die Zahl der Zyklen bei jeder Folge von Frequenzen zu regulieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Stromversorgung mit einer Antriebsschaltung, die eine Halbbrücken- Konfiguration hat;
Fig. 2 eine Stromversorgung, die eine Antriebsschaltung mit einer Vollbrücken- Konfiguration hat;
Fig. 3a und 3b verschiedene Formen eines Generators zur Erzeugung einer pseudo-zufälligen Folge, der in der Stromversorgung gemäß Fig. 1 und 2 verwendet werden kann;
Fig. 4 einen bei einer Ausführungsform der Erfindung verwendeten Frequenzgenerator;
Fig. 5 eine Speicherschaltung, die den Generator zur Erzeugung einer pseudo-zufälligen Folge gemäß Fig. 4 ersetzt; und
Fig. 6 eine Stromversorgung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 der Zeichnungen zeigt eine Stromversorgung, die so ausgebildet ist, daß sie eine Hochdruck-Bogenentladungslampe 1 (z.B. eine Metall-Halogenid-HID-Lampe) betreiben kann.
Die Stromversorgung enthält eine Antriebsschaltung 10, die zwei individuell erregbare Festkörper-Schaltvorrichtungen in der Form von zwei Feldeffekt-Transistoren 2, 3 enthält, die in Reihe an die Gleichstrom-Versorgungsschienen 4, 5 angeschlossen sind. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden die Schalt- Vorrichtungen durch einen Frequenzgenerator 20 gesteuert, der die Antriebsschaltung mit einer Kette von Rechteckimpulsen mit einer Folge von Frequenzen versorgt. Eine der Schaltvorrichtungen (z.B. 2) wird leitend gemacht, wenn der Ausgang des Frequenzgenerators hoch liegt, während die andere Schaltvorrichtung (z.B. 3), die mit dem Frequenzgenerator über eine Inverterschaltung 6 verbunden ist, leitend gemacht wird, wenn der Ausgang des Generators niedrig liegt. Somit sind im Betrieb der Stromversorgungsschaltung die beiden Schaltvorrichtungen wirksam, um die Versorgungsschienen 4, 5 abwechselnd nur mit einem Ende der Lampe zu koppeln. Wie üblich, enthält die Stromversorgungsschaltung eine LC-Vorschaltanordnung, die mit ihrer Resonanzfrequenz oder einer Frequenz in deren Nähe angetrieben werden kann, um die Lampe zu zünden. Üblicherweise ist es möglich, bei Verwendung einer Induktivität L von 650 µH und einer Kapazität C von 200 nF eine Zündspannung von 2,5 kV zu erzeugen, indem die Lampe mit einer Frequenz betrieben wird, die nahe der Resonanzfrequenz von 51 kHz liegt. Nachdem die Lampe gezündet hat, fällt ihr elektrischer Widerstand, und dann kann eine wesentlich niedrigere Antriebsfrequenz im Bereich von 20 bis 40 kHz verwendet werden.
Fig. 1 zeigt eine Stromversorgungsschaltung mit einer sogenannten "Halbbrücken-Konfiguration", während Fig. 2 eine alternative Form einer Stromversorgungsschaltung mit einer "Vollbrücken-Konfiguration" zeigt. In diesem Fall steuert der Freqzenzgenerator 20 entsprechende Paare von Schaltvorrichtungen (2, 2', 3, 3'), die so angeordnet sind, daß sie die Versorgungsschienen abwechselnd mit gegenüberliegenden Enden der Lampe koppeln. Für auf diesem Gebiet tätige Personen ist ersichtlich, daß andere Schaltungs-Konfigurationen, die für die Versorgung der Lampe mit Gleich- oder Wechselstrom geeignet sind, verwendet werden können.
Bei dieser Ausführungsform ist der Frequenzgenerator 20 so ausgebildet, daß er eine Folge von Frequenzen - sogenannte "Spot"- oder "Hop"-Frequenzen - erzeugt, die gemäß einer pseudozufälligen Folge ausgewählt sind, und insoweit verkörpert der Frequenzgenerator einen Generator zur Erzeugung einer pseudozufälligen Folge.
Fig. 3a veranschaulicht beispielsweise eine Form eines Folgegenerators, der als "einfacher Schieberegister-Generator" (SSRG) bekannt ist, der ein n-stufiges Schieberegister 21 umfaßt, das in Verbindung mit einer Rückkopplungsschaltung 22 arbeitet. Das Schieberegister erzeugt aufeinanderfolgend 2n-1 n-Bit-Binärzahlen, wobei der nte Bit, darstellt als λn, in der Rückkopplungsschaltung mit einem oder mehreren Bits, z.B. λp kombiniert wird, der bzw. die von einer bzw. mehreren ausgewählten Schieberegisterstufen abgeleitet wird bzw. werden, um dadurch ein Rückkopplungs-Bit zu erzeugen, das λo darstellt. Im Fall von n = 8 erzeugt der Folgegenerator 255 8-Bit-Binärzahlen, die in pseudozufälliger Reihenfolge aufeinanderfolgen, an den Ausgängen O/P der Schieberegisterstufen (S 1 , S2 . . . S8).
Es sei bemerkt, daß der Rückkopplungs-Bit durch Verwendung irgendeines Kodierungsformats aus einer großen Anzahl von dem Fachmann bekannten verschiedenen Kodierungsformaten ermittelt werden kann. Es wird ferner verständlich sein, daß der in Fig. 3a gezeigte Generator für die zufällige Folge nur ein Beispiel darstellt. Andere bekannte Konfigurationen eines Generators für eine zufällige Folge können statt dessen verwendet werden, z.B. auch der als "modularer Schieberegister-Generator" (MSRG) bekannte, in Fig. 3b dargestellte Generator.
Der Frequenzgenerator 20 übersetzt eine pseudo-zufällige Folge von m ganzen Zahlen 1 bis 2n-1, die von dem Folgegenerator erzeugt werden, in eine entsprechende pseudo-zufällige Folge von m Frequenzen, die einen gewünschten Frequenzbereich von f&sub1; ... f&sub2; überspannen. Dies wird dadurch bewirkt, daß eine verhältnismäßig große Festfrequenz fc durch m aufeinanderfolgende ganze Zahlen n&sub2;+p geteilt wird, wobei p die von dem Generator für die pseudo-zufällige Folge erzeugte ganze Zahl und n&sub2; eine versetzte ganze Zahl ist, die die obere Grenze f&sub2; des gewünschten Frequenzbereichs definiert, d.h. f&sub2; = fc/n&sub2;.
Es kann gezeigt werden, daß
ist, und bei einem typischen Beispiel ist m = 255, f&sub1; = 20 kHz und f&sub2; = 24 kHz. Unter diesen Umständen sollte die Festfrequenz fc wenigstens 30,6 mHz sein, und in der Praxis ist eine Frequenz von 32 mHz verwendet worden.
Der als Blockschaltbild in Fig. 4 dargestellte Generator für pseudo-zufällige Frequenzen enthält einen Generator 20 für eine pseudo-zufällige Folge mit einem Schieberegister 21 und einer Rückkopplungsschaltung 22 wie zuvor anhand von Fig. 3a beschrieben wurde. Eine von dem Folgegenerator erzeugte 8-Bit- Binärzahl wird einem arithmetischen Prozessor 23 zugeführt, wo sie einer versetzten Zahl n&sub2; hinzugefügt wird, die die gewünschte obere Frequenzgrenze f&sub2; definiert. Die resultierende Summe wird dann über einen Multiplexer 24 einem ersten Zähler 25 zugeleitet, der Impulse mit einer Festfrequenz zählt, die von einem 32-mHz- Oszillator 26 erzeugt werden. Wenn der Zählwert und die Summe gleich sind, erzeugt der erste Zähler einen Ausgangsimpuls und wird zurückgestellt. Praktisch teilt der erste Zähler daher die 32-mHz-Festfrequenz durch einen geeigneten Faktor, um an einem
Ausgang (OUT) ein Antriebssignal für die Lampe mit einer Frequenz zu erzeugen, die innerhalb eines gewünschten Frequenzbandes liegt und dem laufenden Wert einer ganzen Zahl entspricht, die von dem Folgegenerator 20 erzeugt wird.
Eine vorkonditionierte Steuerschaltung 27 bestimmt die Zahl von Zyklen, die bei jeder Frequenz in der pseudo-zufälligen Folge erzeugt wird, und ein zweiter Zähler 28, der den Ausgang des ersten Zählers 25 überwacht, leitet einen Taktimpuls CK zum Schieberegister 21 des Folgegenerators 20, wenn die erforderliche Anzahl von Zyklen festgestellt worden ist. Jeder Taktimpuls CK löst die Erzeugung der nächsten Zahl in der pseudo-zufälligen Folge aus.
Es sei bemerkt, daß die Zahl der erzeugten Zyklen nicht notwendigerweise für jede Frequenz in der pseudo-zufälligen Folge gleich sein muß. Tatsächlich kann die Zahl der bei jeder Frequenz erzeugten Zyklen so zugeschnitten werden, daß sie für eine bestimmte Lampe oder Betriebsart paßt.
Um die Lampe zu zünden, leitet der Multiplexer 24 einen vorgegebenen Zündzählwert von einem Speicher 29 zur ersten Zählschaltung 25. Wie zuvor zählt die Schaltung 25 eine erforderliche Anzahl von Festfrequenzimpulsen, die von dem Oszillator 26 erzeugt werden, wobei der Zündzählwert so gewählt wird, daß er einer einzelnen Zündfrequenz entspricht, und die Steuerschaltung 27 wird so ausgelegt, daß eine Zahl von Zündzyklen erzeugt wird, die ausreicht, um die Zündung der Lampe zu bewirken.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung wird der Generator 20 von Fig. 4 für die pseudo-zufällige Folge durch eine auf einem Speicher beruhende Schaltung der allgemein in Fig. 5 dargestellten Form ersetzt.
Bei dieser Anordnung wird eine vorgewählte pseudo-zufällige Folge von ganzen Zahlen in einem Speicher 40 gespeichert, wobei aufeinanderfolgende genze Zahlen ihrerseits dem arithmetischen Prozessor 23 in Fig. 4 zugänglich gemacht werden. Zu diesem Zweck ist eine weitere Zählschaltung 41 vorgesehen, um einen entsprechenden Speicherplatz des Speichers 40 in Abhängigkeit von jedem nachfolgenden, von der Zählschaltung 28 erzeugten Taktimpuls zu adressieren. Am Ende der Folge wird die Zählschaltung 41 zurückgestellt, und dieselbe Folge wird wiederholt.
Es sei bemerkt, daß eine pseudo-zufällige Folge von Frequenzen, die in der zuvor beschriebenen Weise erzeugt wird, gegebenenfalls eine Frequenz mehr als einmal enthalten kann, und auf diese Weise kann die spektrale Dichte des Antriebssignals passend für eine bestimmten Lampen-Konfiguration zurechtgeschnitten werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 6 dargestellt ist, wird ein Generator für eine pseudo-zufällige Folge der anhand von Fig. 3a beschriebenen Art so ausgebildet, daß er eine pseudo-zufällige Folge von binären Bits erzeugt - eine direkte Folge - die unmittelbar einer Antriebsschaltung zugeführt wird, die beispielsweise in Fig. 1 mit 10 bezeichnet ist, und in Abhängigkeit davon führt die Antriebsschaltung eine Folge von Spannungsimpulsen der Lampe zu, wobei die Dauer jedes Impulses gemäß der pseudo-zufälligen Folge ausgewählt wird. Wiederum wäre es statt dessen möglich, eine auf einem Speicher beruhende Schaltung mit einem Speicher zur Speicherung der pseudozufälligen binären Folge zu verwenden.
Es sei bemerkt, daß eine Stromversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung, egal ob sie mit einer Folge von "Spot"-Frequenzen wie anhand der Fig. 1 bis 5 beschrieben oder unter Verwendung einer "direkten Folge" wie anhand von Fig. 6 beschrieben arbeitet, der Lampe ein Signal mit gespreiztem Spektrum zuführt, indem die Leistung über ein Band von Frequenzen verstreut ist, und der Erfinder hat gefunden, daß der resultierende Lampenbetrieb weitgehend frei von akustischer Resonanz ist.
Während die zuvor beschriebene Schaltung in verdrahteter Form ausgeführt werden kann, kann für die Schaltung statt dessen auch die bekannte VLSI-Technik (VLSI = Very-Large-Scale Integration) verwendet werden. Ferner könnte der Erfinder sich vorstellen, daß die Komponenten der Stromversorgung (gegebenenfalls einschließlich der Zündschaltung) auf einem einzelnen Chip hergestellt werden. Sicherlich würde eine Stromversorgung auf Siliziumbasis, die ein verhältnismäßig geringes Gewicht hätte und kompakt wäre, beträchtliche Vorteile gegenüber bisher bekannten Schaltungen haben.
Es sei bemerkt, daß eine Stromversorgung gemäß der vorliegenden Erfindung auch für die Stromversorgung von anderen elektrisch betriebenen Geräten, die einen Betrieb mit hohen Frequenzen erfordern, verwendet werden könnte.

Claims

1. Stromversorgung, die für eine Bogenentladungslampe (1) geeignet ist, mit einer Antriebsschaltung (10), um der Lampe (1) eine Spannung zuzuführen, und mit Steuermitteln (20), dadurch gekennzeichnet, daß eine Anderung der Frequenz der Spannung gemäß einer pseudo-zufälligen Folge bewirkt wird, um eine akustische Resonanz in der Lampe (1) zu vermindern oder zu beseitigen.

2. Stromversorgung nach Anspruch 1, bei der die Antriebsschaltung (10) und die Steuermittel (20) zusammenwirken, um die Spannung mit einer Reihenfolge von Frequenzen innerhalb der pseudo-zufälligen Folge zuzuführen, wobei die Reihenfolge innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite liegt.

3. Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuermittel (20) einen Frequenzgenerator enthalten, der einen Generator für eine pseudo-zufällige Folge umfaßt, der in Verbindung mit Frequenzteilermitteln arbeitet.

4. Stromversorgung nach Anspruch 3, bei der der Generator für die pseudo-zufällige Folge aus einem einfachen Schieberegister-Generator besteht.

5. Stromversorgung nach Anspruch 3, bei der der Generator für die pseudo-zufällige Folge aus einem modularen Schieberegister-Generator (21) besteht.

6. Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuermittel Mittel zur Speicherung einer vorgewählten pseudo-zufälligen Folge von Zahlen und eine Frequenzteiler-Schaltung aufweist, um die pseudo-zufällige Folge von Zahlen in die pseudo-zufällige Folge von Frequenzen zu übersetzen.

7. Stromversorgung nach Anspruch 6, bei der die Steuermittel Mittel enthalten, um die vorgewählte pseudo-zufällige Folge von Zahlen wiederholt in die Frequenzteilermittel zu leiten.

8. Stromversorgung nach Anspruch 7, bei der die Speichermittel eine Vielzahl von Speicherplätzen umfassen, von denen jeder eine entsprechende Zahl der vorgewählten pseudo-zufälligen Folge von Zahlen enthält, wobei die Speicherplätze aufeinanderfolgend gemäß einer zyklischen Operation adressierbar sind.

9. Stromversorgung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die weitere Mittel enthält, um die Zahl der Zyklen bei jeder aufeinanderfolgenden Frequenz zu regulieren.