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Die
Erfindung betrifft ein Vorschaltgerät zum Zünden und Speisen einer Hochdruck-Gasentladungslampe,
welches Vorschaltgerät
Mittel zum Versorgen der Lampe während
einer Zünddauer
(ti) mit einer Wechselspannung bei einer
Zündfrequenz
(fi); Mittel zum Versorgen der Lampe mit
einer Wechselspannung bei einer Glimmfrequenz (fg) während einer
auf die Zünddauer
(ti) folgenden Glimmdauer (tg); Mittel,
um zumindest die Anlaufsequenz von Zünd- und Glimmdauern (ti, tg) zu wiederholen;
und Mittel zum Speisen der Lampe während einer auf eine letzte
Anlaufsequenz folgenden Gebrauchsdauer (tb) umfasst.
Hier werden eine Zünddauer
(ti) und eine nachfolgende Glimmdauer (tg) erwähnt,
aber dies sollte so verstanden werden, dass in der Praxis nicht immer
ein deutlicher Unterschied zwischen diesen beiden Dauern gemacht
werden kann, wobei die Zündfrequenz
(fi) und die Glimmfrequenz (fg)
variabel sein und allmählich
ineinander übergehen
können, oder
sogar einander gleich sein können.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine Projektionseinheit, die mit
einem derartigen Vorschaltgerät
versehen ist.
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Ein
derartiges Vorschaltgerät
wird in der internationalen Patentschrift WO-99/35890 beschrieben und kann zum Starten
oder Zünden
und Speisen einer Hochdruck-Quecksilberdampf-Gasentladungslampe
verwendet werden, mit beispielsweise einer Nennleistung von ungefähr 100 W,
die vorwiegend als (Dia-, Folien- oder LCD-Schirm-) Projektionslampe
verwendet wird. Eine solche Lampe umfasst einen Kolben oder eine
Röhre aus
Quarzglas als Entladungsgefäß, das an
zwei Seiten mit einer Elektrode versehen ist, die beispielsweise
aus Wolfram hergestellt ist und einen massiven Kern aufweist, um
dessen Endabschnitte ein Draht gewickelt ist. Das Entladungsgefäß enthält eine
Menge an Quecksilber. Während
der Zünddauer
(ti) wird mit Hilfe einer hochfrequenten
Spannungsquelle eine Spannung erzeugt, die zu einem Entladungsbogen
zwischen den Elektroden führt.
Während
der darauf folgenden Glimmdauer (tg) wird
die Frequenz herabgesetzt, sodass die Impedanz in der Schaltung
abnimmt und der durch die Lampe fließende Strom ansteigt. Daher heizen
sich die Elektroden schneller auf. Die Zunahme der Temperatur lässt das Quecksilber
verdampfen, sodass der erforderliche Quecksilberdampfdruck aufgebaut
wird. Wenn die Elektroden auf genügend hoher Temperatur sind,
geht das Vorschaltgerät
auf die stabile Gebrauchsdauer (tb) über, die
bei dem bekannten Vorschaltgerät
eine verhältnismäßig niedrige
Gebrauchsfrequenz (fb) aufweist. Wenn jedoch durch
Messungen detektiert wird, dass die Lampe nach dieser Anlaufsequenz
nicht brennt, dann wird die Anlaufsequenz (ti,
tg) automatisch wiederholt, bis die Lampe
brennt. Wenn die Lampe noch immer nicht brennt, nachdem die Anlaufsequenz
einige Male wiederholt worden ist, wird der Anlaufzyklus unterbrochen.
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Es
ist wünschenswert,
dass der Entladungsbogen sich entlang des kürzesten Weges zwischen den
zwei Elektroden aufbaut, damit sich die Elektroden vollkommen aufheizen.
Ein Problem beim Starten einer solchen Lampe ist, dass der Entladungsbogen
sich anfangs häufig
zwischen den Rückseiten beider
Elektroden aufbaut, wo kein Draht gewickelt ist, sodass der Querschnitt
der Elektrode an dieser Stelle kleiner ist. Das Quecksilber neigt
dazu, sich an diesem Teil niederzuschlagen, was zu einer besseren
Leitung führt
und damit die Bildung eines Entladungsbogens von dieser Stelle aus
fördert.
Darüber hinaus
können
die Elektroden mit Salzen bedeckt sein, die dem Aufbau des gewünschten
Entladungsbogens entgegenwirken können. Daher kann zwischen den
Rückseiten
der Elektroden ein länglicher, gekrümmter Entladungsbogen
gebildet werden, der auch während
der stabilen Gebrauchsdauer bestehen bleiben kann, was nicht zu
optimalen Resultaten führt,
da die Elektrode nur teilweise, statt über das gesamte Volumen erhitzt
wird, weil nur der Teil der Elektrode erhitzt wird, durch den ein
Strom fließt.
Die Lampe kann während
der Anlaufzeit spontan verlöschen,
weil der Entladungsbogen zu lang und die Temperatur der Elektroden
zu niedrig ist, und in diesem Fall muss die Lampe von Hand erneut
eingeschaltet werden. Dieses Problem tritt insbesondere bei Lampen
mit hoher Nennleistung und schwereren Elektroden auf, weshalb diese
bisher noch nicht viel eingesetzt werden. Lampen mit einer solch
hohen Leistung umfassen eine Vielzahl von Schichten aus gewickeltem
Draht, was im Vergleich zu Lampen mit niedrigerer Leistung zu verhältnismäßig breiten
Elektrodenendabschnitten führt,
sodass die obigen Probleme eher auftreten. Es besteht jedoch ein
Bedarf an Projektionslampen mit so hoher Leistung, die für Projektionsvorführungen
unter Umgebungslichtbedingungen verwendet werden können.
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Der
Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, eine Maßnahme für ein Vorschaltgerät, das zum
Zünden
und Speisen einer Hochdruck-Gasentladungslampe verwendet werden
kann, zu verschaffen, welche Maßnahme
den oben genannten Nachteilen und Problemen entgegenwirkt.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe umfasst das Vorschaltgerät der eingangs erwähnten Art
zusätzlich Mittel
zum Unterbrechen der Stromversorgung der Lampe in einer Anlaufsequenz,
die nicht die letzte Anlaufsequenz ist, während einer auf die Glimmdauer
(tg) folgenden Unterbrechungsdauer (td). Die Erfindung enthält daher eine absichtliche
Unterbrechung der Stromversorgung während einer kurzen Zeitdauer.
Vorzugsweise ist die Unterbrechungsdauer (td) genügend lang,
um das in der Lampe enthaltende Gas zu entionisieren.
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Vorzugsweise
liegt die Unterbrechungsdauer (td) zwischen
50 ms und 500 ms, bevorzugter zwischen 250 ms und 350 ms. und am
liebsten ungefähr 300
ms. Indem die Stromversorgung zur Lampe für eine kurze Zeitdauer unterbrochen
wird, wird das in der Lampe vorhandene Gas nicht länger ionisiert
sein und der aufgebaute, eventuell suboptimale, längliche,
gekrümmte
Entladungsbogen wird verschwinden. Während der vorhergehenden Anlaufsequenz haben
sich jedoch die breiten Endabschnitte der Elektroden geringfügig aufgeheizt,
und sowohl die Salze als auch das Quecksilber sind von den Elektroden
entfernt worden. Dies führt
zu besseren Bedingungen für
den Aufbau eines kurzen, geraden Entladungsbogens zwischen den dicht
beieinander liegenden Endabschnitten der Elektroden während der
darauf folgenden Anlaufsequenz. Im Allgemeinen sorgt dies dafür, dass
die Lampe nach dieser zweiten Anlaufsequenz besser brennt.
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Vorzugsweise
ist die Glimmfrequenz (fg) kleiner als die
Zündfrequenz
(fi). Die niedrigere Frequenz lässt auch
die Impedanz in der Schaltung niedriger werden, sodass eine höhere Stromstärke erreicht wird
und die Elektroden sich schneller aufheizen.
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Die
Zündfrequenz
(fi) liegt vorzugsweise zwischen 30 kHz
und 120 kHz liegt und die Zünddauer (ti) vorzugsweise zwischen 0,25 und 5 Sekunden.
Bevorzugter beträgt
die Zündfrequenz
(fi) ungefähr 62,5 kHz und die Zünddauer
(ti) ungefähr 0,5 Sekunden.
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Die
Glimmfrequenz (fg) liegt zwischen 10 kHz und
40 kHz, und die Glimmdauer (tg) vorzugsweise zwischen
0,4 s und 1,7 s. Bevorzugter beträgt die Glimmfrequenz (fg) ungefähr
20 kHz, und die Glimmdauer (tg) ungefähr 0,85
Sekunden.
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Vorzugsweise
umfasst das Vorschaltgerät zusätzlich Mittel,
die nach der Glimmdauer (tg) der letzten
Anlaufsequenz während
einer Endglimmdauer (tg) die Lampe bei einer
Endglimmfrequenz (fge), die kleiner ist
als die Glimmfrequenz (fg), speisen kön nen. Diese
Endglimmdauer dient dazu, durch weitere Verringerung des Widerstandes
der Elektroden die Stromstärke
noch mehr zu erhöhen.
Die Endglimmfrequenz (fge) liegt vorzugsweise
zwischen 8 kHz und 30 kHz und die Endglimmdauer (tge)
liegt vorzugsweise zwischen 0,25 und 1 Sekunde. Bevorzugter beträgt die Endglimmfrequenz
ungefähr
15,5 kHz und die Endglimmdauer ungefähr 0,5 s.
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Die
Gebrauchsfrequenz (fb) liegt vorzugsweise zwischen 50 Hz und 200
Hz, bevorzugter beträgt
die Gebrauchsfrequenz ungefähr
90 Hz.
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Diese
und andere Aspekte der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele im Folgenden
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 schematisch
ein erfindungsgemäßes Vorschaltgerät zum Zünden und
Speisen einer Gasentladungslampe;
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2 schematisch
eine Elektrode für
eine Hochdruck-Quecksilberdampf-Gasentladungslampe mit
einer verhältnismäßig niedrigen
Leistung bzw. eine Elektrode für
eine Hochdruck-Quecksilberdampf-Gasentladungslampe mit einer verhältnismäßig hohen
Leistung;
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3 schematisch
eine Hochdruck-Quecksilberdampf-Gasentladungslampe, in der ein suboptimaler
Entladungsbogen aufrechterhalten wird;
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4 schematisch
eine Hochdruck-Quecksilberdampf-Gasentladungslampe, in der ein optimaler
Entladungsbogen aufrechterhalten wird; und
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5 als
Beispiel eine graphische Darstellung der Stromstärke durch die Lampe, aufgetragen als
Funktion der Zeit, gemäß der Erfindung.
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1 zeigt
ein Vorschaltgerät 1 zum
Speisen und Zünden
einer Hochdruck-Entladungslampe 3,
die hierzu an eine Wechselspannungsquelle 2, wie z.B. das
Elektrizitätsnetz,
angeschlossen ist. Das Vorschaltgerät umfasst Mittel zum Zünden der
Lampe gemäß der Erfindung
und anschließenden
Speisen der Lampe. Die angeschlossene Lampe ist beispielsweise eine
Hochdruck-Quecksilberdampf-Gasentladungslampe. Ausgangsklemmen des
Vorschaltgerätes 1 sind
mit Elektroden 4 der Lampe 3 verbunden.
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Gemäß 2 umfassen
die Elektroden 4, 4' für eine Hochdruck-Quecksilberdampf-Gasentladungslampe,
die besonders gut für
Projektionszwecke verwendet werden kann, einen zentralen leitfähigen massiven
Kern 5, um dessen Endabschnitte ein leitfä higer Metalldraht 6 schraubenförmig gewickelt ist.
Sowohl der Kern 5 als auch der Draht 6 sind vorzugsweise
aus Wolfram hergestellt. Die schraubenförmigen Windungen des Metalldrahtes 6 der
Elektrode 4 sind mit dem Kern 5 verschmolzen.
Auf der linken Seite der Figur ist eine Elektrode 4' dargestellt, die
gut in Lampen mit einer Leistung im Bereich zwischen 100 W und 150
W eingesetzt werden kann, während
auf der rechten Seite der Figur in gleichem Maßstab eine Elektrode 4 dargestellt
wird, die gut in Lampen mit einer Leistung von 200 W und mehr verwendet
werden kann. Um die Temperatur beim Betrieb bei einer so hohen Leistung
zu optimieren, sind die Flächen
des Querschnitts sowohl des Kerns 5 als auch des Drahtes 6 vergrößert, wobei
der Draht 6 auch in mehr Schichten um den Kern gewickelt
wird. Daher haben die Elektroden 4 zur Verwendung in der Lampe
mit der hohen Leistung wesentlich größere Abmessungen als die in
einer herkömmlichen
Lampe verwendeten Elektroden 4', und sie haben zusätzlich insbesondere
einen verhältnismäßig breiten
Endabschnitt.
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Gemäß 3 und 4 umfasst
eine Hochdruck-Quecksilberdampf-Gasentladungslampe einen gasdichten
röhrenförmigen Kolben 7 aus
Quarzglas als Entladungsgefäß, in dem
eine Elektrode 4 an beiden Enden eingeschmolzen ist. Die
breiten Endabschnitte der Elektroden 4 liegen einander
gegenüber,
während
die aus dem Kolben 7 hervorstehenden Abschnitte mit den
Polen des Vorschaltgeräts 1 verbunden
sind, das die Lampe speist. Die Quecksilberkügelchen 8, die beim
Gebrauch für
den erforderlichen Quecksilberdampfdruck sorgen, liegen hier am Boden
des Kolbens 7, jedoch hat das Quecksilber beim Abkühlen der
Lampe häufig
die Neigung, sich auch an der engeren Rückseite der Elektroden 4 niederzuschlagen.
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3 zeigt
einen Entladungsbogen 9, der sich häufig während des Startens der Lampe
aufbaut. Der Weg, dem der Strom innerhalb der Elektrode 4 folgt
und wo daher die Elektrode 4 stark erhitzt wird, wird schematisch
in Schwarz dargestellt. Wegen des Quecksilbers, das sich an der
Rückseite
der Elektroden 4 niedergeschlagen hat, wird die Entladung,
die die Linie des geringsten Widerstandes wählt, die Elektrode 4 von
dem Gebiet 10 aus verlassen und in einem suboptimalen,
gekrümmten
Weg zur gegenüber
liegenden Elektrode 4 verlaufen. Dieser Effekt wird noch
durch die Tatsache verstärkt,
dass der verhältnismäßig enge
Abschnitt der Elektrode 4 sich, im Vergleich zu der breiten
Vorderseite, schneller aufheizt, was zu einer besseren Leitung an
dieser Stelle führt.
Auch das Vorhandensein eines Salzniederschlages auf und zwischen
den Windungen des Drahtes 6 der Elektrode 4 verhindert
eine gute Leitung an dieser Stelle, wodurch die Bildung des dargestellten,
suboptimalen Entladungsbogens 9 gefördert wird.
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4 zeigt
einen angestrebten, optimalen Entladungsbogen 9 zwischen
den Elektroden 4, wobei das Gebiet 10, wo der
Strom die Elektrode 4 verlässt, an der breiten Vorderseite
liegt und der Bogen 9 dem kürzesten Weg zwischen den zwei
Elektroden 4 folgt.
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Das
in 1 gezeigte Vorschaltgerät 1 umfasst ein an
sich bekanntes Schaltnetzteil zur Spannungserzeugung, in dem ein
Tiefsetzsteller (auch als Buck-Wandler bezeichnet), eine Brückenschaltung, die
für eine
Wechselspannung mit einer mikrocontroller-einstellbaren Frequenz
sorgt, und ein Resonanzkreis mit zumindest einer Spule L und einem
Kondensator C aufgenommen sind, das für das Verstärken und Stabilisieren der
Spannung und des durch die Lampe fließenden Stroms verantwortlich
ist. In dieser Hinsicht sind die Höhe der Spannung und damit die Stromstärke auch
von dem einstellbaren Wert der Frequenz der Brückenschaltung abhängig, wobei diese
Abhängigkeit
auch durch die für
die Komponenten des Resonanzkreises gewählten Abmessungen bestimmt
wird.
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Mit
Hilfe der in 5 gezeigten graphischen Darstellung
wird erläutert,
wie der angestrebte, optimale Entladungsbogen 5 von 4 erhalten
wird. Die graphische Darstellung ist das Ergebnis einer praktischen
Messung und zeigt die Stärke
des durch die Lampe fließenden
Wechselstroms I, aufgetragen gegen die Zeit t. Die Lampe wird gezündet, indem man
das Schaltnetzteil während
einer ersten Zünddauer
ti von 0,5 s bei einer verhältnismäßig hohen Frequenz
fi von 62,5 kHz arbeiten lasst, was eine hohe
Spannung von ungefähr
25 kV ergibt und dazu führt,
dass ein Entladungsbogen 9 erzeugt wird. Aus weiter oben
beschriebenen Gründen
besteht ein erhebliches Risiko, dass dieser Bogen die in 3 gezeigte
Form annimmt. Anschließend
wird die Frequenz der Stromversorgung während einer Glimmdauer tg vom 0,85 s auf eine Glimmfrequenz fg von 20 kHz herabgesetzt, wodurch die Stromstärke ansteigt, da
die Impedanz des Schaltkreises bei geringerer Frequenz abnimmt.
Während
dieser Glimmdauer werden die Elektroden 4 stark erhitzt
und verdampft das Quecksilber aus den Elektroden 4. Während dieser
Glimmdauer werden auch eventuelle Salze von den Elektroden 4 entfernt.
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Um
die Form des Entladungsbogens 9 von der in 3 gezeigten
Form in die von 4 zu verändern, wird die Stromversorgung
für eine
Unterbrechungsdauer (oder "Totzeit") td von
300 ms unterbrochen, sodass der Entladungsbogen 9 eine
kurze Zeitdauer vollständig
verschwindet, und die Temperatur in der Elektrode sich ausgleicht.
Anschlie ßend
wird die Anlaufsequenz ti, tg wiederholt.
Da die Elektroden 4 jetzt frei von Quecksilber und Salzen
sind und auf einer gleichmäßigen, hohen
Temperatur liegen, wird ein optimaler Entladungsbogen 9 gebildet,
so wie in 4 gezeigt wird. Um die Stromstärke durch
die Lampe weiter zu erhöhen
und einen hohen Lichtstrom zu erhalten, wird die Glimmdauer um einer Endglimmdauer
tge von 0,5 s verlängert, wobei die Endglimmfrequenz
fg 15,5 kHz beträgt und die Spule L des Resonanzkreises
kurzgeschlossen wird.
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Nach
dieser letzten Anlaufsequenz geht die Stromversorgung auf die kontinuierliche
Gebrauchsdauer tb über, wobei die Gebrauchsfrequenz
fb der Stromversorgung 90 Hz beträgt. In diesem
Stadium benötigt
die Lampe ungefähr
30 bis 60 Sekunden, um sich vollständig aufzuheizen, wobei die
Lichtstärke
in dieser Zeitdauer einen weiteren Anstieg aufweist.
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Experimentell
wurde festgestellt, dass die in der Beschreibung und in den Ansprüchen erwähnten Werte
den einwandfreien Betrieb des Vorschaltgerätes und der Lampe fördern, wobei
der Betrieb der Lampe nach ungefähr
3,5 s stabil ist.