DE60125567T2

DE60125567T2 - System und verfahren zum pulsbreitenmodulation einstellen für die reduktion von vertikalfarbtrennung in entladungslampen

Info

Publication number: DE60125567T2
Application number: DE60125567T
Authority: DE
Inventors: A. David CAMMACK
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2021-09-27
Also published as: CN1401208A; US6680582B1; JP2004511071A; EP1327382B1; EP1327382A2; WO2002030162A2; WO2002030162A3; DE60125567D1; CN100452942C

Description

Diese Erfindung betrifft ein System zum Ansteuern einer Gasentladungslampe und insbesondere ein System, das sich zum Reduzieren von Farbtrennung in Hochdruckgasentladungslampen Pulsbreitenmodulation bedient.
Hochdruckentladungslampen (HID) werden auf Grund ihrer zahlreichen Vorteile, beispielsweise Wirkungsgrad und Lichtintensität, immer beliebter. Diese HID-Lampen werden entweder durch ein elektronisches Hochfrequenzvorschaltgerät, das konfiguriert ist, um Ansteuerstromsignale im Bereich über 20 kHz zu erzeugen, oder durch ein elektronisches Niederfrequenzvorschaltgerät mit Ansteuerstromsignalen im 100 Hz-Bereich angesteuert.
Ein der Verwendung von elektronischen Hochfrequenzvorschaltgeräten für HID-Lampen entgegenstehendes großes Hindernis sind jedoch die akustischen Resonanzen/Lichtbogeninstabilitäten, welche beim Hochfrequenzbetrieb auftreten können. Akustische Resonanzen können in vielen Fällen ein Flackern des Lichtbogens verursachen, was für Menschen überaus lästig ist. Ferner kann akustische Resonanz bewirken, dass der Entladungslichtbogen erlischt oder, was noch schlimmer ist, permanent gegen die Wand der Entladungslampe abgelenkt bleibt und diese beschädigt.
Vor kurzem wurde eine neue Klasse von Hochdruckentladungslampen entwickelt, die sich Kolben aus Keramik (polykristallinem Aluminiumoxid) bedienen. Der Entladungskolben ist bei dieser Klasse von Lampen von zylindrischer Gestalt, und das Aspektverhältnis, d.h. die innere Länge dividiert durch den Innendurchmesser ist beinahe Eins oder in manchen Fällen größer als Eins. Derartige Lampen weisen die erstrebenswerte Eigenschaft höherer Leistungsfähigkeit auf, sind jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass sie im vertikalen und im horizontalen Betrieb unterschiedliche Farbeigenschaften aufweisen. Insbesondere kommt es beim vertikalen Betrieb zu Farbtrennung.
Die Farbtrennung kann durch Projizieren eines Bildes des Lichtbogens auf einen Schirm, welches zeigt, dass der untere Teil des Lichtbogens rosafarben erscheint, während der obere Teil blau oder grün erscheint, beobachtet werden. Dies wird durch das Fehlen von kompletter Durchmischung der Metalladditive in der Entladung verursacht. Im oberen Teil der Entladung liegt übermäßige Thalliumemission und ungenügende Natriumemission vor. Dieses Phänomen führt zu hoher Farbtemperatur und verringerter Leistungsfähigkeit.
Die US-Anmeldung mit der Seriennr. 09/335,020 und dem Titel „Reduction of Vertical Segregation In a Discharge Lamp", eingereicht am 17. Juni 1999, lehrt ein Verfahren, um akustische Resonanz und Farbtrennung durch Bereitstellen eines Stromsignalfrequenzdurchlaufs innerhalb einer Durchlaufzeit in Kombination mit einem amplitudenmodulierten Signal, das eine Frequenz aufweist, die als zweite Longitudinalmodusfrequenz bezeichnet wird, zu beseitigen oder wesentlich zu reduzieren. Die typischen Parameter für einen derartigen Vorgang sind ein Stromfrequenzdurchlauf von 45 bis 55 kHz innerhalb einer Durchlaufzeit von 10 Millisekunden, eine konstante Amplitudenmodulationsfrequenz von 24,5 kHz und ein Modulationsindex von 0,24.
Der Modulationsindex ist definiert als (V_max - V_min)/(V_max + V_min), wobei V_max die maximale Spitze-Spitze-Spannung der amplitudenmodulierten Hüllkurve und V_min die minimale Spitze-Spitze-Spannung der amplitudenmodulierten Hüllkurve ist. Der Frequenzbereich von 45 bis 55 KHz liegt zwischen dem ersten azimutalen akustischen Resonanzmodus und dem ersten radialen akustischen Resonanzmodus. Der zweite Longitudinalmodus kann mathematisch abgeleitet werden, wobei die Leistungsfrequenz des n-ten Longitudinalmodus gleich n·C₁/2L ist, wobei n die Modusnummer, C₁ die Durchschnittsgeschwindigkeit des Schalls in der axialen Ebene der Lampe und L die innere Länge der Lampe ist.
Was nun das Einrichten eines Lampenansteuersystems betrifft, so ist es relativ zweckmäßig, in einer Laborumgebung eine Anordnung aus Signalgeneratoren bereitzustellen, um das gewünschte Wellenformsignal zu erzeugen, welches Amplitudenmodulation mit der zweiten Longitudinalmodusfrequenz und der Stromsignaldurchlauffrequenz umfasst. Allerdings besteht ein Bedarf an einer praktischen Ansteuervorrichtungskonfiguration in einem Lampenleistungsumformer, welche der Lampe das erforderliche Ansteuersignal auf zweckmäßige und effiziente Weise bereitstellt.
Demnach wird gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eine Hochdruckentladungslampe durch ein elektronisches Vorschaltgerät angesteuert, welches eine Vorschaltgerätbrückeneinheit umfasst, die eine Vollbrücken- oder eine Halbbrücken konfiguration aufweist, welche durch einen Pulsbreitenmodulationssignalgenerator (PWM-Signalgenerator) gesteuert wird. Der Pulsbreitenmodulationssignalgenerator stellt ein pulsbreitenmoduliertes Signal bereit, das von einer Lampenansteuerspannungswellenform abgeleitet wurde, welche die gewünschten Eigenschaften aufweist, die zum Beseitigen von Farbtrennung in der Lampe erforderlich sind. Dieses Signal steuert den Betrieb der Brücke. Das Ausgangssignal, welches durch die Vorschaltgerätbrückeeinheit bereitgestellt wird, wird dann einem Tiefpassfilter zugeführt, das verwendet wird, um die unerwünschten Frequenzkomponenten, die durch das pulsbreitenmodulierte Signal erzeugt werden, herauszufiltern sowie die Lampe mit einem Vorschaltgerät zu kompensieren.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Steuerungsmodul verwendet, um zunächst die zweite Longitudinalmodusfrequenz zu bestimmen, die dem zweiten Longitudinalmodus der Entladungslampe entspricht, und dann das pulsbreitenmodulierte Signal bereitzustellen, welches durch den Pulsbreitenmodulationssignalgenerator bereitgestellt wird. Das Steuerungsmodul umfasst einen Mikroprozessor, der konfiguriert ist, um Rückkopplungsspannungs- und -stromsignale von der angesteuerten Hochdruckentladungslampe zu empfangen. Die Steuerung umfasst auch einen AM/FM-Signalgenerator, der die gewünschte Lampenansteuerspannungswellenform bereitstellt. Wie zuvor beschrieben wurde, umfasst die Lampenansteuerspannungswellenform ein amplitudenmoduliertes Signal, das eine Frequenz aufweist, die gleich der zweiten Longitudinalmodusfrequenz der Entladungslampe ist, in Kombination mit einem Frequenzdurchlaufsignal.
Die durch den AM/FM-Signalgenerator bereitgestellte Lampenansteuerspannungswellenform wird dann dem Pulsbreitenmodulationssignalgenerator zugeführt. Beim Betrieb im symmetrischen Modus stellt der Pulsbreitenmodulationssignalgenerator ein symmetrisches dreieckiges Pulsmodulationssignal bereit, das über einen Komparator mit der Ansteuerspannungswellenform verglichen wird. Beim Betrieb im asymmetrischen Modus stellt der Pulsbreitenmodulationssignalgenerator ein dreieckiges Signal mit einer einseitigen Rampe bereit. Der Ausgangsport des Pulsbreitenmodulationssignalgenerators stellt ein Gate-Ansteuersignal, um das Brückenmodul zu betreiben, bereit.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind alle Komponenten des Steuerungsmoduls in analogen und/oder digitalen Schaltungskonfigurationen implementiert. Das pulsbreitenmodulierte Signal, welches durch die Brückenschaltung bereitgestellt wird, steuert die Lampe über eine Tiefpassfilterschaltung an. Vorteilhafter weise fällt die Resonanzfrequenz des Tiefpassfilters in einen Bereich über jedweder der Frequenzkomponenten des Spannungsspektrums der gewünschten Lampenansteuerwellenform, und ein Drittel der Resonanzfrequenz fällt zwischen den Durchlauffrequenzbereich und den gesamten Bereich des möglichen zweiten Longitudinalmodusfrequenzbereichs.
Festgehalten wird, dass EP-0,837,620 ein System gemäß Oberbegriff von Anspruch 1 offenbart. Dieses Dokument betrifft allerdings nicht das Problem der Trennung und schlägt keine Maßnahmen zur Reduktion der Farbtrennung vor.
Der als die Erfindung betrachtete Gegenstand wird in dem abschließenden Abschnitt dieses Dokuments konkret dargelegt und klar und deutlich beansprucht. Die Erfindung kann jedoch, sowohl in Bezug auf Organisation als auch auf Betriebsverfahren, gemeinsam mit ihren Merkmalen, Aufgaben und Vorteilen am besten durch Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung in Zusammenschau mit den beiliegenden Zeichnungen verstanden werden. Es zeigen:
1 eine elektronische Vorschaltgerätschaltung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2a, 2b und 2c das Frequenzspektrum für ein amplitudenmoduliertes Signal, welches durch das System bereitgestellt wird, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ein Blockdiagramm eines Vorschaltgerätsystems, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 eine Anordnung einer Vollbrückenschaltung in Kombination mit einem Filter/einer Zündeinrichtung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5 ein Kurvendiagramm einer asymmetrischen Pulsbreitenmodulationsanordnung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ein Kurvendiagramm einer symmetrischen Pulsbreitenmodulationsanordnung, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
7 Signalkurven, die einer symmetrischen Pulsbreitenmodulationsanordnung zur Amplitudenmodulation entsprechen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ein normiertes Spannungsspektrum, wobei der 45-55 kHz-Durchlauf durch feste 50 kHz bei 250 kHz-Brückenbetrieb dargestellt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
9 ein normiertes Spannungsspektrum, wobei der 45-55 kHz Durchlauf durch feste 50 kHz bei 500 kHz-Brückenbetrieb dargestellt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
10 einen Vergleich von Impulssignalen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
11 einen Vergleich von analogen mit digitalen Impulssignalen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
12 ein normiertes Leistungsspektrum, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
1 zeigt eine elektronische Vorschaltgerätschaltung 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Eine Hauptstromversorgung 12 liefert ein Ws-Leistungssignal zu einem Hoch- und Niederspannungs-Versorgungsbus V_Bus, welches letztendlich verwendet wird, um die Lampe 14 anzusteuern. Die Vorschaltgerätschaltung 10 umfasst einen Präkonditionierer und Aufwärtswandler 16, der konfiguriert ist, um eine gleichgerichtete Version des Hauptstromversorgungssignals zu empfangen und den Vorschaltgeräteversorgungsstrom, der auch als Netzstrom bezeichnet wird, für die Leistungsfaktorkorrektur zu formen. Vorteilhafterweise umfasst der Präkonditionierer und Aufwärtswandler 16 einen Hochsetzsteller (nicht dargestellt), dessen Betrieb Fachleuten bestens bekannt ist.
Eine Vorschaltgerätbrückeneinheit 18 ist konfiguriert, um das Signal zu empfangen, welches durch die Präkonditionierer- und Aufwärtswandlereinheit 16 bereitgestellt wird. Die Vorschaltgerätbrückeneinheit 18 dient als Kommutator, der die Polarität des Spannungssignals, welches der Lampe 14 über die Filterschaltung 86 bereitgestellt wird, alterniert. Die Vorschaltgerätbrückeneinheit 18 umfasst vier MOSFET-Transistoren, die geschaltet werden, um alternierende Signalwege für das Signal bereitzustellen, welches im Leistungssignal durch die Spannungsversorgungsbusse V_BUS geführt wird.
Die Vorschaltgerätbrückeneinheit 18 wird durch eine Steuerung 20 gesteuert, die den Gates der MOSFETS in der Vorschaltgerätbrückeneinheit entsprechende Signale über eine Signalleitung 21 zuführt. Der Ausgangsport der Vorschaltgerätbrücken einheit ist an eine Hochdruckentladungs(HID)-Lampe 14 gekoppelt, und zwar über die Filterschaltung 86, die einen Kondensator 22, einen Induktor 24, der in Serie an einen Kondensator 26 gekoppelt ist, welcher parallel an die Lampe 14 gekoppelt ist, umfasst. Eine Rückkopplungsspannungs- und -stromsignalleitung 23 ist von der Lampe 14 zur Steuerung 20 vorgesehen.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Hochdruckentladungslampe 14 durch einen Stromfrequenzdurchlauf innerhalb einer Durchlaufzeit in Kombination mit einem amplitudenmodulierten Signal, das eine zweite Longitudinalmodusfrequenz aufweist, welche dem zweiten longitudinalen akustischen Resonanzmodus der Entladungslampe entspricht, betrieben. Die zweite Longitudinalmodusfrequenz W_m wird abgeleitet, indem zunächst eine zweite Longitudinalmodus-Untergrenzenfrequenz w_L und eine zweite Longitudinalmodus-Obergrenzenfrequenz w_H eingestellt wird. Die Gasentladungslampe wird dann mit einem Stromsignal versorgt, welches einen Frequenzdurchlauf aufweist, der den Bereich zwischen der ersten azimutalen akustischen Resonanzmodusfrequenz und der ersten radialen akustischen Resonanzmodusfrequenz umspannt, welche dem ersten azimutalen akustischen Resonanzmodus der Lampe bzw. dem ersten radial akustischen Resonanzmodus der Lampe entsprechen.
Das Frequenzdurchlaufstromsignal wird dann mit einem amplitudenmodulierten Signal gemischt, welches eine Modulationsfrequenz W_m und einen spezifizierten Modulationsindex m (typisch 0,09) aufweist. Ziel ist es, eine Spannungswellenform an der Lampe bereitzustellen, welche definiert ist als V(t) = A(1 + mCosWmt)CosWc(t)twobei m der Modulationsindex, W_m die Modulationsfrequenz, W_c(t) die Trägerfrequenz und A eine Amplitude ist. Die Modulationsfrequenz fällt in einen Bereich von 20-30 kHz, während die Trägerfrequenz typischerweise bei etwa 50 kHz zentriert ist und etwa + oder – 5 kHz durchläuft, mit einer Rate, die verglichen mit entweder der Trägerfrequenz oder der Modulationsfrequenz äußerst langsam ist. Dann wird die Lampenspannung gemessen. Die amplitudenmodulierte Frequenz w_H wird dann um eine spezifizierte Menge Δf verringert und dann wieder mit dem Frequenzdurchlaufstromsignal gemischt. Die Lampenspannung wird wiederholt gemessen, bis die Frequenz des amplitudenmodulierten Signals w_L erreicht. Eine Frequenz/Spannungs-Kurve wird von w_H bis w_Y erzeugt. Das Maximum in der Lampenspannung entspricht der Frequenz w_max, welche dann zum Farbmischen verwendet wird, das heißt, wenn W_m auf w_max gestellt wurde.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird jedes Mal, wenn das Frequenzdurchlaufssignal mit dem amplitudenmodulierten Signal gemischt wird und eine Spannungsmessung vorgenommen wird, das amplitudenmodulierte Signal bis zu der folgenden Spannungsmessung „ausgeschaltet".
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Hintergrundsubtraktionsmechanismus verwendet. Zu diesem Zweck werden die Lampenspannungsmessungen durchgeführt, derart, dass die Lampenspannungssignalwerte mit „ausgeschalteter" Amplitudenmodulation vor und nach dem Mischen des amplitudenmodulierten Signals mit dem Durchlauffrequenzsignal gemittelt und von der Lampenspannung mit "eingeschaltetem" Amplitudenmodulationsmischen subtrahiert werden.
Sobald die Farbmischfrequenz w_max ermittelt wurde, wird das Frequenzdurchlaufsignal mit einem amplitudenmodulierten Signal gemischt, das wieder eine Frequenz w_H aufweist. Die Amplitudenmodulationsfrequenz wird dann auf die Frequenz w_max reduziert, und der Modulationsindex m wird auf m_mix erhöht, wobei es sich um einen Modulationsindex handelt, der im Farbmischmodus zu verwenden ist (typisch 0,24).
2a und 2b zeigen das Frequenzspektrum für ein amplitudenmoduliertes Signal, welches von System 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bereitgestellt wird. Demnach zeigt 2a ein Schaubild der Spannungsfrequenz in Abhängigkeit von der relativen Spannung des amplitudenmodulierten Signals. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sieht der Wobbelgenerator 12 ein Frequenzdurchlaufsignal im Bereich von 45 bis 55 kHz vor, wie in 2a dargestellt ist. Das Amplitudenmodulationssignal, welches durch den Generator 94 bereitgestellt wird, weist eine Frequenz von 24 kHz und einen Modulationsindex von 0,24 auf. Als solches weist das resultierende Signal am Ausgangsport der Brücke 18 eine Spannungsfrequenzkennlinie wie in 2a dargestellt auf, wobei eine Mittenverteilung zwischen 45-55 kHz und zwei Seitenbänder bei 26 kHz und 74 kHz existieren.
2b zeigt die Leistungsfrequenzverteilung, wobei eine Mittenverteilung von 90 kHz bis 110 kHz reicht und zwei Seitenbänder bei 76 kHz und bei 124 kHz existieren, entlang einer festen Leistungsfrequenz auf der zweiten Longitudinalmodusfrequenz von 24 kHz. 2c stellt dieselben Informationen, welche in 2c dargestellt werden, dar, mit einem Hauptaugenmerk auf dem Frequenzbereich von 40 kHz–160 kHz.
3 zeigt ein Blockdiagramm eines Vorschaltgerätesystems 80 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Wie mit Bezugnahme auf 1 erläutert wurde, wird die Lampenansteuerwellenform durch Verwendung der Vollbrückenschaltung 18 erzeugt, welche das Ansteuersignal der Lampe 14 über eine Filter/Zündeinrichtungs-Schaltung 86 bereitstellt. Die MOSFETS, welche in der Vollbrückenschaltung 18 enthalten sind, werden durch Steuersignale, die durch die Steuerung 20 erzeugt und über die Gate-Ansteuerschaltung 90 bereitgestellt werden, angesteuert. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dient die Gate-Ansteuerschaltung 90 als Schnittstelle zwischen Steuerung 20 und Vollbrückenschaltung 18.
Die Steuerung 20 umfasst einen Mikroprozessor 96, der konfiguriert ist, um an seinem Eingangsport Spannungs- und Strommesssignale zu empfangen, die den Spannungs- und Stromsignalen entsprechen, welche der Lampe 14 zugeführt werden. Der Mikroprozessor 96 führt den oben in Bezug auf 1 und 2 besprochenen Farbmischalgorithmus aus. Zu diesem Zweck ist ein Ausgangsport des Mikroprozessors 96 an einen Eingangsport eines AM/FM-Signalgenerators 94 gekoppelt, um die erforderlichen Signale für geeignetes Farbmischen während des Betriebs der Lampe bereitzustellen. Der AM/FM-Signalgenerator 94 ist konfiguriert, um eine kleine Signalversion der in Gleichung (1) oben definierten Wellenform bereitzustellen. Ein Ausgangsport des Signalgenerators 94 ist an einen Eingangsport eines Pulsbreitenmodulationsmoduls 92 gekoppelt. Das Pulsbreitenmodulationsmodul 92 ist konfiguriert, um ein Impulssignal zu erzeugen, welches dem Wellenformsignal entspricht, das durch den Generator 94 bereitgestellt wird. Der Ausgangsport des Pulsbreitenmodulationsmoduls 92 ist an die Gate-Ansteuerschaltung 90 gekoppelt.
4 zeigt eine Anordnung der Vollbrückenschaltung 18 in Kombination mit dem Filter/der Zündeinrichtung 86, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. MOSFETS 104 bis 110 sind miteinander gekoppelt, um eine Vollbrückenschaltung zu bilden, wie im Stand der Technik gemeinhin bekannt ist. Der Induktor 24 weist eine Induktanz L auf, und die Kondensatoren 22 und 26 weisen Kapazitäten Cs bzw. C auf. Das Ausgangssignal, welches durch die Vollbrückenschaltung 18 bereitgestellt wird, ist eine Näherung der gewünschten Wellenform zusätzlich zu höherfrequenten Komponenten. Demnach ist eine Voraussetzung für das Filter, dass es die unerwünschten höherfrequenten Komponenten ausreichend dämpft. Darüber hinaus kompensiert das Filter vorzugsweise den negativen differenziellen Widerstand der Lampe.
Die Impulssignale, die an dem Ausgangsport des Pulsbreitenmodulationsmoduls 92 erzeugt werden, steuern die Transistoren an, welche in der Vollbrückenschaltung 18 enthalten sind, welche bemerkenswerterweise bewirken, dass die Vollbrückenschaltung die gewünschte Wellenform erzeugt, die durch die Farbmischanordnungen, welche oben in Bezug auf 1 und 2 beschrieben wurden, benötigt wird. Gemäß zwei Ausführungsformen der Erfindung werden zwei Arten von Pulsbreitenmodulationsverfahren in Betracht gezogen, wenngleich die Erfindung nicht vom Umfang her bezüglich des Typs der vom PWM-Modul 92 verwendeten Pulsbreitenmodulation eingeschränkt ist. Die zwei Modulationstypen sind vorzugsweise eine symmetrische und eine asymmetrische Pulsbreitenmodulationsanordnung. In jedem der beiden Fälle ist das Spannungssignal, welches dem PWM-Modul 92 bereitgestellt wird, eine Niederspannungsversion der gewünschten Lampenansteuerwellenform. Das Ausgangssignal des PWM-Moduls 92 ist ein pulsbreitenmoduliertes Gate-Ansteuersignal, welches die Vollbrückenschaltung 18 betreibt.
5 zeigt ein Kurvendiagramm einer asymmetrischen Pulsbreitenmodulationsanordnung. Die Signalkurve 142 ist ein asymmetrisches Rampensignal, welches intern durch das Pulsbreitenmodulations(PWM)-Modul 92 erzeugt wird. Die Signalkurve 140 ist das Spannungssignal, welches dem Eingangsport des PWM-Moduls 92 zugeführt wird, wobei es sich um die gewünschte Farbmischwellenform mit einem hinzugefügten Gs-Pegel, der gleich der Hälfte der Spitzenspannung des Rampensignals ist, handelt. Wie zu sehen ist, geht das PWM-Modulausgangssignal 144 während jedes Zyklus der Rampe auf „hoch", wenn die Rampe zuerst gleich dem Eingangssignal ist, und wird am Ende jedes PWM-Zyklus rückgesetzt, wenn das Rampensignal rückgesetzt wird, wodurch das resultierende Ausgangsimpulssignal 144 bereitgestellt wird. Das durch die Brückenschaltung 18 erzeugte Ausgangssignal ist im Idealfall dasselbe wie das Impulssignal 144 mit entferntem Gs-Pegel und erhöhter Amplitude. 6 zeigt ein Kurvendiagramm einer symmetrischen Pulsbreitenmodulationsanordnung. Die Signalkurve 162 ist ein symmetrisches Rampensignal, welches intern durch das Pulsbreitenmodulations(PWM)-Modul 92 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung erzeugt wird. Die Signalkurve 160 ist das dem Eingangsport des PWM-Moduls 92 zugeführte Spannungssignal, welches die gewünschte Farbmischwellenform mit einem hinzugefügten Gs-Pegel gleich der Hälfte der Dreiecks-Spitzenspannung ist, so dass die durchschnittliche Impulsbreite annähernd 50% der PWM-Periode ist und das Brückenausgangssignal keine Gs-Signalkomponenten enthält. Wie dargestellt ist, ist das symmetrische Rampensignal 162 dreiecksförmig gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Während jeder Periode der dreieckigen Wellenform geht der Ausgang des PWM-Moduls 92 auf „hoch", wenn das Dreieck zuerst über das Eingangssignal hinausgeht, und geht hernach auf tief, wenn das Eingangssignal zuerst über das Dreieck hinausgeht, was anhand der Ausgangskurve 164 zu ersehen ist. Die erzeugte Mindestpulsbreite wird durch den maximalen Wert der Eingangswellenform bestimmt. Demnach bestimmt die Amplitude des Eingangssignals 160 den Bereich der verwendeten Pulsbreiten. Während eine ideale Brückenschaltung mit 0-100% Pulsbreitenmodulation betrieben werden kann, ist in der Praxis eine Modulation von 10%-90% der bevorzugte Betriebsbereich.
Das PWM-Modul 92 verwendet vorteilhafterweise eine symmetrische Pulsbreitenmodulationanordnung, welche mit Bezugnahme auf 6 besprochen wurde, als bevorzugte Betriebsart. Das symmetrische Verfahren bedient sich Informationen über das Eingangswellenformsignal sowohl für Tief-auf-Hoch- als auch für Hoch-auf-Tief-Ausgangsübergänge, wohingegen das asymmetrische Verfahren nur Eingangsinformationen für den Tief-auf-Hoch-Übergang verwendet, wobei die Hoch-auf-Tief-Übergänge am Ende eines PWM-Zyklus stattfinden.
7 zeigt Signalkurven, die einer symmetrischen Pulsbreitenmodulationsanordnung zur Amplitudenmodulation eines Trägerfrequenzsignals, das auf 50 kHz (kein Durchlauf) fixiert ist, entsprechen. Der Eingangsmodulationsindex ist auf 0,25 eingestellt, und die AM-Frequenz ist auf 24 kHz eingestellt. Die Amplitude der Eingangswellenform 180 relativ zu der Dreiecksamplitude des Rampensignals 182 ist eingestellt, um eine Pulsbreitenmodulation von 10-90% zu ergeben. Das Ausgangssignal wird durch die Kurve 184 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der PWM-Bereich durch den Maximal- und den Minimalwert des „Eingangs"-Signals relativ zu der Amplitude des „Dreieck"-Signals bestimmt wird. Aus Gleichung (1) folgt, dass das Maximum A(1 + m) und das Minimum – A(1 + m) ist, wobei A die Amplitude der Trägerfrequenz und m der Modulationsindex für Amplitudenmodulation ist. Der Wert von A, der einem bestimmten PWM-Bereich zugeordnet ist, ist demnach eine Funktion des Modulationsindex m. Die PWM-Rate für das in 7 dargestellte Beispiel ist auf 250 kHz eingestellt.
8 zeigt das normierte Spannungsspektrum der resultierenden Ausgangssignal-(Gate-Ansteuer-)Wellenform abzüglich der Gs-Komponente und ohne den Frequenzdurchlauf. Wie aus 8 hervorgeht, ist die Reproduktion des gewünschten Spektrums im Bereich von 0-100 kHz sehr zufriedenstellend. Die Seitenbandamplituden sind gleich innerhalb besser als 0,1%. Das Verhältnis der Seitenbandamplitude zur Träger amplitude beträgt 0,122 verglichen mit einem Eingangswert von 0,125, ein Fehler von etwa -2,4%. Es gibt unerwünschte Frequenzkomponenten, mit welchen das Filter 86 fertig werden muss. Beispielsweise jene Komponenten, die bei rund 150 kHz zentriert sind, müssen gedämpft werden, liegen jedoch relativ nahe bei Frequenzkomponenten, die nicht gedämpft werden sollten.
9 zeigt ein Frequenzspektrum für eine Anordnung, bei welcher die Pulsbreitenmodulationsfrequenz auf 500 kHz angestiegen ist. Das Verhältnis von Seitenband zu Trägeramplitude ist nun bis auf drei Stellen genau, d.h. 0,125. Die unerwünschten Frequenzkomponenten wurden in wesentlich höhere Frequenzbereiche verschoben. Dadurch werden die Anforderungen für das Filter auf Kosten erhöhter Betriebsbeanspruchung der Vollbrücke 18 verringert. Demnach ist in Bezugnahme auf die Frequenzbereiche, die oben in Bezug auf 2 besprochen wurden und einer Farbmischanordnung der vorliegenden Erfindung entsprechen, die bevorzugte Pulsbreitenmodulationsfrequenz für eine symmetrische Pulsbreitenmodulationsanordnung etwa 250 kHz oder höher. Für eine asymmetrische Anordnung ist die Frequenz der Pulsbreitenmodulation vorzugsweise etwa 325 kHz oder höher, damit das Spannungsfrequenzspektrum der gewünschten Wellenform in Anbetracht der Überlegungen zum Filter 18, die oben in Bezug auf 7 und 8 besprochen wurden, annehmbare Eigenschaften aufweist.
Wie oben festgehalten wurde, umfassen die Komponenten, die in der Steuerung 20 enthalten sind, gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung digitale Hardware an Stelle von analoger Hardware. Demnach bedient sich der AM/FM-Signalgenerator 94 eines digitalen Signalprozessors, der einen Wert der Eingangswellenform während jedes PWM-Zyklus berechnet. Dieser Wert entspricht der Amplitude der analogen Eingangswellenform 200 zu Beginn des PWM-Zyklus. Dies ist in 10 dargestellt, wobei eine Pulsbreitenmodulationsfrequenz von 500 kHz verwendet wird, mit einem Modulationsindex von 0,25 und einer Pulsbreitenmodulationsbreite von 10-90%. Das resultierende digitale Eingangssignal ist durch Kurve 220 dargestellt. Das Rampensignal ist durch Kurve 210 dargestellt. 11 zeigt einen Vergleich der Impulssignale, die durch das PWM-Modul 92 erzeugt werden, für digitale 240 und analoge 250 Anordnungen. Für die oben in Bezug auf 2, 7 und 8 besprochenen Betriebswerte liefert eine Pulsbreitenmodulationsrate im Bereich von 325 kHz bis 500 kHz ein zufriedenstellendes Resultat für die meisten Anwendungen. Die Konstruktion des Filters 86 wird in der Folge gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung besprochen. Im stationären Betrieb wird ein Frequenzdurchlauf von 45-55 kHz mit einem 24 kHz AM-Signal verwendet. Im Spannungsfrequenzspektrum resultiert dies in der höchsten Frequenz von 79 kHz (55 kHz + 24 kHz) und einer tiefsten Frequenz von 21 kHz (45 minus 24). Der Farbmischalgorithmus ermöglicht den Betrieb mit AM-Frequenzen von 20-30 kHz und somit einen Gesamtfrequenzbereich von etwa 15 kHz (45 minus 30) bis 85 kHz (55 plus 30). Die unerwünschten Frequenzkomponenten treten bei Frequenzen auf, die etwa 100 kHz tief sein können, was unter anderem von dem PWM-Schema und der PWM-Frequenz abhängt. Demnach weist das Filter 86 vorzugsweise einen flachen Frequenzgang von 15 kHz bis 85 kHz auf und ist bei 100 kHz stark dämpfend. Das Filter ist vorzugsweise von niedriger Ordnung ohne relativ große magnetische Komponenten.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Filter ohne einen flachen Frequenzgang verwendet, welches dennoch ein Leistungsfrequenzspektrum liefert, das die Lampenspezifikation für geeignetes Farbmischen erfüllt. Der Serienkondensator 22 wird als Gs-Sperrkondensator verwendet. Demnach weist bei einem Beispiel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung der Induktor 24 eine Induktanz L = 1,6 mH auf, der Kondensator 26 eine Kapazität C = 1,2 nF auf, der Kondensator 22 eine Kapazität Cs = 2,2 μF auf und der Ersatzwiderstand von Lampe 14 beträgt R = 533Ω. Demnach ist das Filter derart ausgebildet, dass die unbelastete Resonanzfrequenz (115 kHz) über jedweder der Frequenzkomponenten des Spannungsfrequenzspektrums der gewünschten Lampenansteuerwellenform liegt. Ferner ist ein Drittel der Resonanzfrequenz (38,3 kHz) in einem unbenutzten Abschnitt des Frequenzspektrums angeordnet, zwischen der Durchlaufträgerfrequenz (45 kHz–55 kHz) und dem vollen Bereich des unteren AM-Seitenbandes während des Farbmischbetriebs (15 kHz–35 kHz).
12 zeigt das Leistungsspektrum auf eine Gs-Komponente von „Eins" normiert. Mit dieser Normierung und einem Eingabe-m-Wert von 0,25 sollte die Amplitude der auf 24 kHz fixierten Frequenzkomponente 0,242 gewesen sein, wie durch m/(1 + m²/2) abgeleitet wurde. Die Verzerrung im Spannungsspektrum hat einen Fehler von kleiner als 1% im m-Wert verursacht. Da die feste Frequenzkomponente von 20 kHz bis 30 kHz variiert wird, variiert die Ausgangsamplitude auf der festen Frequenz von 0,242 bei 20 kHz bis 0,239 bei 30 kHz, insgesamt etwa 1,3%. Die Leistung variiert über den Frequenzdurchlauf um etwa +/-6,5%. Diese Leistungsschwankung kann zu einem sichtbaren Flackern führen, was gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durch Vorsehen einer kompensierenden Amplitudensteigerung mit zunehmender Frequenz über den Frequenz durchlauf korrigiert wird. Ferner ist es gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, wenn eine Erhöhung der Leistung zur Lampe 14 gewünscht wird, möglich, die Busspannung in der Brückenschaltung 18 zu erhöhen, während der Modulationsindex m ebenfalls erhöht wird. Beispielsweise würde für einen Leistungsbedarf von 75 W eine Busspannung von etwa 527 V und ein Modulationsindex m = 0,3 zu geeigneten Filtereigenschaften und einer zufriedenstellenden Farbmischanordnung führen.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Resonanzfrequenz auf etwa 87,7 kHz eingestellt und ein Drittel der Resonanzfrequenz auf 29,2 kHz. Dies liefert unter anderem drei erwünschte Resultate. Erstens nimmt die Transferfunktion im Frequenzbereich von etwa 50 kHz einen hohen Wert an, beispielsweise größer als Eins. Dies führt zu einer niedrigeren erforderlichen Busspannung V_bus in der Brückenschaltung. Zweitens ist die Transferfunktion in diesem Bereich relativ flach. Drittens ist die Dämpfung unerwünschter höherfrequenter Komponenten verglichen mit der in Bezug auf 11 besprochenen Bauart relativ effektiv bei niedrigeren Busspannungen und Modulationsindexwerten. Beispielsweise erfordert eine Ausgangsleistung von 75 W eine Busspannung von 407 V und einen Modulationsindex m = 0,28.
Demnach wird gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ein System und ein Verfahren zum Bereitstellen eines Impulssignals für eine Vollbrückenschaltung verwendet, welche für eine annehmbare Farbmischanordnung in einer Hochdruckentladungslampe sorgen. Text in der Zeichnung Fig. 1
Fig. 2a
Fig. 2b
Fig. 3
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 10
Fig. 11
Fig. 12

Claims

System (10) zum Ansteuern einer Gasentladungslampe (14), wobei das System umfasst: eine Brückenschaltung (18) mit einem Eingang zum Empfangen einer Versorgungsspannung (V_BUS) und mit einem Brückenausgang zum Bereitstellen eines Ausgangsspannungssignals für die Gasentladungslampe (14); eine Tiefpassfilterschaltung (86), die an den Brückenausgang gekoppelt ist, zum Filtern des Ausgangsspannungssignals; eine Steuerung (20), die an die Brückenschaltung (18) gekoppelt ist, zum Steuern der Brückenschaltung (18), wobei die Steuerung (20) einen Signalgenerator (94) umfasst, der zum Erzeugen eines Zielsignals (140; 160) mit einer gewünschten Wellenform mit einer Zielsignalfrequenz und einer Zielsignalamplitude konfiguriert ist; dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (20) ein Pulsbreitenmodulationsmodul (92), welches an den Signalgenerator (94) gekoppelt ist, zum Empfangen des Zielsignals (140; 160) umfasst und konfiguriert ist, um ein pulsbreitenmoduliertes Ansteuersignal (144; 164) für die Brückenschaltung (18) auf der Basis des Zielsignals (140; 160) zu erzeugen; wobei der Signalgenerator (94) konfiguriert ist, um die Zielsignalfrequenz in einem Frequenzdurchlaufbereich zwischen einer ersten azimutalen akustischen Resonanzmodusfrequenz der Gasentladungslampe (14) und einer ersten radialen akustischen Resonanzmodusfrequenz der Gasentladungslampe (14) in einer Durchlaufzeit zu durchlaufen; und wobei der Signalgenerator (94) konfiguriert ist, um die Zielsignalamplitude auf einer festen Amplitudenmodulationsfrequenz zu modulieren.
System nach Anspruch 1, wobei der Frequenzdurchlaufbereich von etwa 45 kHz bis etwa 55 kHz reicht.
System nach Anspruch 1, wobei die feste Amplitudenmodulationsfrequenz im Bereich von 20 kHz bis 30 kHz ausgewählt wird, wobei die feste Amplitudenmodulationsfrequenz vorzugsweise gleich etwa 24 kHz ist.
System nach Anspruch 1, wobei der Signalgenerator eine digitale Signalverarbeitungsvorrichtung ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Pulsbreitenmodulationsmodul auf der Basis einer symmetrischen Dreiecksignalanordnung (162) betrieben wird.
System nach Anspruch 1, wobei das Pulsbreitenmodulationsmodul auf der Basis einer asymmetrischen Dreiecksignalanordnung (142) betrieben wird.
System nach Anspruch 1, wobei die Steuerung ferner einen Mikroprozessor (96) umfasst, der konfiguriert ist, um Messsignale zu empfangen, die Strom- und Spannungssignalen entsprechen, welche der Gasentladungslampe bereitgestellt wurden.
System nach Anspruch 7, wobei der Signalgenerator ein Signal bereitstellt, welches A(1 + mCosWmt)CosWc(t)tentspricht, wobei m der Modulationsindex des Modulationssignals, W_m die Modulationsfrequenz, W_c(t) die Trägerfrequenz und A eine Amplitude des Modulationssignals ist.
System nach Anspruch 8, wobei der Mikroprozessor Werte für die Parameter A, m, W_m und W_c(t) bereitstellt.
System nach Anspruch 1, wobei die Filterschaltung als Tiefpassfilter konfiguriert ist, derart, dass eine Resonanzfrequenz des Filters größer als Frequenzkomponenten des Spannungsspektrums der gewünschten Lampenansteuerwellenform ist und ein Drittel der Resonanzfrequenz in einem unbenutzten Bereich des Spannungsspektrums angeordnet ist.
Verfahren zum Ansteuern einer Gasentladungslampe (14), wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Zielsignals (140; 160) mit einer gewünschten Wellenform mit einer Zielsignalfrequenz und einer Zielsignalamplitude; Durchlaufen der Zielsignalfrequenz in einem Frequenzdurchlaufbereich zwischen einer ersten azimutalen akustischen Resonanzmodusfrequenz der Gasentladungslampe (14) und einer ersten radialen akustischen Resonanzmodusfrequenz der Gasentladungslampe (14) in einer Durchlaufzeit; Modulieren der Zielsignalamplitude mit einer festen Amplitudenmodulationsfrequenz; Bereitstellen eines pulsbreitenmodulierten Ansteuersignals (144; 164) auf der Basis des Zielsignals (140; 160); Bereitstellen eines Impulsspannungssignals zum Ansteuern der Gasentladungslampe (14), wobei das Impulsspannungssignal durch Verwendung des pulsbreitenmodulierten Ansteuersignals (144; 164) bereitgestellt wird; Filtern des Impulsspannungssignals und Bereitstellen der gefilterten Impulsspannung für die Gasentladungslampe (14).
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend den Schritt des: Erzeugens des Signals mit der gewünschten Wellenform mittels einer digitalen Signalverarbeitungsvorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend den Schritt des Betreibens des Pulsbreitenmodulationsmoduls auf der Basis einer symmetrischen Rampensignalanordnung.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend den Schritt des Betreibens des Pulsbreitenmodulationsmoduls auf der Basis einer asymmetrischen Rampensignalanordnung.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend den Schritt des Empfangens von Messsignalen, die Strom- und Spannungssignalen entsprechen, welche für die Gasentladungslampe bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, ferner umfassend den Schritt des Erzeugens eines Signals, welches A(1 + mCosWmt)CosWc(t)tentspricht, wobei m der Modulationsindex des Modulationssignals, W_m die Modulationsfrequenz, W_c(t) die Trägerfrequenz und A eine Amplitude des Modulationssignals ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Schritt des Filterns ferner den Schritt des Einstellens einer Resonanzfrequenz einer Filterschaltung (86) umfasst, derart, dass diese größer als Frequenzkomponenten des Spannungsspektrums der gewünschten Lampenansteuerwellenform ist und ein Drittel der Resonanzfrequenz in einem unbenutzten Bereich des Spannungsspektrums angeordnet ist.