DE69603197T2

DE69603197T2 - Verfahren zur regelung der helligkeit einer glimmentladung

Info

Publication number: DE69603197T2
Application number: DE69603197T
Authority: DE
Inventors: Philip Allen; Andrew Barnes; Steven Coe; Ian Gibb; Alan Sharp; Gregory Truman
Original assignee: Central Research Laboratories Ltd
Current assignee: Central Research Laboratories Ltd
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1996-10-14
Publication date: 2000-03-09
Anticipated expiration: 2016-10-15
Also published as: DE69603197D1; EP0856241B1; GB9521573D0; WO1997015172A1; EP0856241A1; US6087786A; GB2306810A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Regelung der Helligkeit einer Glimmentladung. Insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, betreffen die Verfahren Lichtquellen zur Hintergrundbeleuchtung von Flüssigkristall-Displays.
Glimmentladungs-Lichtquellen finden zunehmend als Hintergrundbeleuchtung für Flüssigkristall-Displays Verwendung. Solche Hintergrundbeleuchtungen müssen zu großer Helligkeit zur Benutzung bei direkter Sonneneinstrahlung fähig sein und finden Anwendung in Instrumentenanzeigen von Fahrzeugen, Flugzeug- Cockpits etc. Werden solche Displays bei schwachen Lichtverhältnissen verwendet, oder wenn der Betrachter zur Verbesserung der Nachtsicht eine Lichtverstärkungs-Brille trägt, so wird die große Helligkeit der Lichtquelle zum Nachteil. Aus diesem Grund wurde eine Anzahl von Verfahren zum Dimmen von LDC- Hintergrundbeleuchtungen entwickelt.
Ein Verfahren zur Regelung der Helligkeit einer Glimmentladungs-Lichtquelle liegt in der Verwendung einer Abfolge von Erregungsimpulsen und der Modifizierung der Dauer der Impulse. Dies ist als Impulsdauer-Modulation bekannt, und die Helligkeit der Lichtquelle kann proportional zur durchschnittlichen, der Lampe zugeführten Energie vermindert werden. Derartige Techniken weisen jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. So ist z. B. in US 5,349,273 offenbart, daß aufgrund einer erheblichen Ungleichmäßigkeit der Beleuchtung bei niedrigen Lampenströmen sowie auf grund einer Verminderung der Ausgangsspannung des Controllers mit der Folge der Nicht-Erregung der Entladung nur ein Dimmbereich von 20 : 1 möglich ist. Die meisten handelsüblichen Fluoreszenzlampen-Dimmer weisen einen Dimmbereich von weniger als 150 : 1 auf.
In der US 5,420,481 wird ein zusätzlicher Satz Elektroden dazu verwendet, eine Glimmentladung in einer Betriebsart mit niedriger Helligkeit auf eine andere Weise zu betreiben. Durch Umschalten von einem Satz Elektroden auf den anderen Satz ist es möglich, einen Dimmbereich von nahezu 10.000 : 1 (oder 80 dB) von 3000 cd m² bis 0,3 dc m² zu erzielen. Die maximale Helligkeit dieser Lampe ist jedoch nicht hoch genug für eine Anzeige mit gutem Kontrast bei direkter Sonneneinstrahlung, und das Vorsehen zusätzlicher Elektroden und Schaltungsmittel zum Umschalten erhöht die Kosten und vermindert die Zuverlässigkeit und Praktikabilität des Betriebs. Auch kann beim Umschalten von einem Elektrodensatz zu dem anderen Satz eine diskontinuierliche Änderung der Helligkeit auftreten.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung der Helligkeit einer Glimmentladung vorgesehen, welche in einem ersten Zustand mit einer ersten Helligkeit arbeiten kann sowie in einem weiteren Zustand mit einer anderen Helligkeit, wobei die Zustände in zueinander benachbarten Zeitperioden auftreten, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:
a) Zuführen von HF-Energie zu der Entladung als eine Abfolge von Impulsen, sowie
b) Regeln der Dauer der Impulse und damit Regeln des Verhältnisses der Zeit, in einer gegebenen Zeitperiode, die die Entladung in dem ersten Zustand verbringt, zu der Zeit, die die Entladung in dem weiteren Zustand verbringt, derart, daß jede Veränderung im Auslastungsgrad der Abfolge von Impulsen proportional geringer ist als die resultierende Veränderung in der Helligkeit der Entladung.
Dieses Verfahren kann eine Helligkeitsregelung bieten, welche über einen über den anderer bekannter Verfahren hinausgehenden Helligkeitsbereich kontinuierlich variabel ist, wobei der Helligkeitsbereich überraschenderweise größer ist als der Bereich der Veränderung im Auslastungsgrad.
Das Verfahren ist vorzugsweise derart ausgestaltet, daß in dem ersten Zustand die HF-Energie hauptsächlich ein mit der Entladung gekoppeltes elektrisches Feld und in dem weiteren Zustand die HF-Energie hauptsächlich ein mit der Entladung gekoppeltes Magnetfeld ist. Die HF-Energie ist vorteilhafterweise hauptsächlich ein mit der Entladung am Beginn eines gegebenen Impulses gekoppeltes elektrisches Feld.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung der Helligkeit einer Glimmentladung vorgesehen, welche in einem ersten Zustand mit einer ersten Helligkeit arbeiten kann sowie in einem weiteren Zustand mit einer anderen Helligkeit, wobei die Zustände in zueinander benachbarten Zeitperioden auftreten, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:
a) Zuführen von HF-Energie zu der Entladung als eine Mehrzahl von Impulssätzen, wobei jeder Satz eine andere Impuls-Zeitdauer aufweist, wobei wenigstens ein Satz eine Impuls-Zeitdauer aufweist, die ausreichend kurz ist, daß die Entladung für die Gesamtdauer eines jeden Impulses in dem wenigstens einen Satz in dem ersten Zustand ist, und wobei wenigstens ein weiterer Satz eine weitere Impulsdauer aufweist, die ausreichend lang ist, daß die Entladung während jedes Impulses in dem wenigstens einen weiteren Satz in beide Zustände übergeht, sowie
b) Regeln der Wiederholrate der Impulse mit dem wenigstens einen weiteren Impulssatz und damit Regeln des Verhältnisses der Zeit, die die Entladung in dem ersten Zustand verbringt, zu der Zeit, die die Entladung in dem zweiten Zustand verbringt, während einer gegebenen Zeitperiode.
Dieses Verfahren kann eine Mehrzahl von Helligkeitspegeln bieten, welche weniger anfällig auf Temperaturänderungen und andere Variablen sind, welche schwer zu kontrollieren sind.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Regelung der Helligkeit einer Glimmentladung vorgesehen, welche in einem ersten Zustand mit einer ersten Helligkeit arbeiten kann sowie in einem weiteren Zustand mit einer anderen Helligkeit, wobei die Zustände in zueinander benachbarten Zeitperioden auftreten, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:
a) Zuführen von HF-Energie zu der Entladung als eine Mehrzahl von Impulssätzen, wobei jeder Satz eine entsprechende Impulsdauer aufweist, wobei wenigstens ein Satz eine Impulsdauer aufweist, die ausreichend kurz ist, daß die Entladung während der gesamten Dauer eines jeden Impulses dieses wenigstens einen Satzes in dem ersten Zustand ist, sowie
b) Regeln der Dauer der Impulse in jedem der Sätze von Impulsen synchron mit den anderen Sätzen.
Auch dieses Verfahren kann eine Mehrzahl von Helligkeitspegeln bieten, welche weniger anfällig sind für Temperaturänderungen und andere Änderungen, welche schwer zu kontrollieren sind.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden diagrammatischen Zeichnungen beschrieben; darin zeigen:
Fig. 1 Abfolgen von Impulsen gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung.
Fig. 2 die Intensität des von der Entladung während der in Fig. 1 gezeigten Impulse emittierten Lichts.
Fig. 3 die Helligkeit einer Entladung als eine Funktion der Impulsdauer bei einer Impuls- Wiederholrate von 100 Hz.
Fig. 4 die Helligkeit einer Entladung als eine Funktion der Impulsdauer bei einer Impuls- Wiederholrate von 10.000 Hz.
Fig. 5 ein Blockdiagramm des zur Erlangung der in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten Resultate verwendeten Impuls-Controllers.
Fig. 6 Abfolgen von Impulsen gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung.
Fig. 7 eine Abfolge von Impulsen gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung.
Fig. 8 eine Abfolge von Impulsen gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung.
Flache, induktiv gekoppelte Entladungslampen wurden als Hochleistungs-Hintergrundbeleuchtungen für Flüssigkristall-Vorrichtungen entwickelt. Derartige Hintergrundbeleuchtungen wurden detailliert in der WO 9507545 beschrieben, welche durch Bezugnahme zum Gegenstand dieser Anmeldung gemacht wird. Eine Lampe des Typs, wie in WO 9507545 beschrieben, wird dazu verwendet, in den folgenden spezifischen Ausführungsformen einer Methode zur Regelung der Helligkeit einer Entladung die Entladung zu erzeugen. Die Lampe umfaßt eine versiegelte Quarzhülle, gefüllt mit einer Mischung von Quecksilber und Argon mit niedrigem Druck. Eine Oberfläche der Hülle trägt ein lumineszierendes Material, wie z. B. eine Phosphorschicht. Die Hülle ist benachbart zu einer spiralförmigen externen Ansteuer-Elektrode angeordnet, welcher HF-Energie mit 13,56 MHz in einer Abfolge von Impulsen zugeführt wird.
Fig. 1(a) zeigt schematisch eine erste Abfolge von Impulsen entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung. Fig. 1(b) zeigt eine zweite Abfolge von Impulsen entsprechend einem ersten Aspekt der Erfindung. In beiden Fällen ist die Zeit zwischen den Anfangspunkten der Impulse konstant, jedoch ist die Dauer der Impulse in den beiden Fällen unterschiedlich, wodurch sich ein unterschiedlicher Auslastungsgrad ergibt. Fig. 1(c) zeigt eine dritte Abfolge von Impulsen mit derselben Periode, aber wiederum einem anderen Auslastungsgrad. Bei jeder dieser Figuren ent spricht die x-Achse der Zeit. Die y-Achse ist in allen Fällen schematisch, derart, daß sie zwischen Impulsen von HF-Energie null ist und während aller Impulse von HF-Energie nicht null ist. Die Spitze eines jeden Impulses von HF-Energie wird oszillierend gezeigt, nur um es dem Leser zu erleichtern, zu erkennen, zu welchen Zeiten die HF-Energie zugeführt wird. Im Fall von Fig. 1(a) beträgt die Impulsdauer 4 ms und die Zeit zwischen den Impulsen 6 ms. Der Arbeitszyklus beträgt daher 40%, und die Frequenz der Impulse beträgt 100 Hz. Die Luminanz einer auf diese Weise durch HF-Energie mit 13,56 MHz erregten Entladungslampe würde typischerweise 4000 cd m² betragen.
Die Erfinder haben herausgefunden, daß während jedes Impulses die Helligkeit der Entladung einer Lampe des in WO 9507545 beschriebenen Typs nicht konstant ist. Insbesondere gibt es zwei eindeutige Zustände oder Betriebsarten, in welchen die Lampe während jedes Impulses arbeitet. In dem ersten Zustand (in Fig. 1 mit 4 bezeichnet), welcher generell der erste Zustand ist, wenn der Impuls von HF-Energie der Entladung zugeführt wird, ist die Helligkeit der Entladung ziemlich niedrig. Dieser Zustand hält für eine Zeitdauer 6, gezeigt in Fig. 1a, an. Danach schaltet die Entladung rasch in einen zweiten Zustand um, bezeichnet mit 5 in Fig. 1a, welcher eine Zeit 7 andauert, bis die HF- Energie der Entladung nicht mehr zugeführt wird. Die Helligkeit der Entladung in diesem zweiten Zustand ist üblicherweise 30 bis 100 mal heller als bei dem ersten Zustand. Die Intensität des von der Entladung mit der Zeit während der in Fig. 1a gezeigten Impulse emittierten Lichts ist schematisch in Fig. 2a dargestellt. Dieselben Zeitperioden und Zustände in den beiden Figuren sind mit den gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet.
Es wird angenommen, daß es dadurch zu den beiden Zuständen mit unterschiedlicher Helligkeit kommt, daß die HF-Energie über unterschiedliche Mechanismen mit der Glinunentladung gekoppelt wird. Bei HF-Leistungen mit hohen Spitzenwerten wird die Energie über ein durch die externe Spiralelektrode erzeugtes Magnetfeld mit der Glimmentladung gekoppelt. Dieses Kopplungsverfahren ist sehr effizient, jedoch benötigt die Glimmentladung eine endliche Zeit, um diesen Zustand zu erreichen.
Zum Beispiel könnte diese Verzögerung beim Starten einer magnetisch gekoppelten Entladung von 40 Watt 1,5 ms betragen. In der Zeit zwischen dem "Entzünden" der Glimmentladung und dem Einsetzen des vorstehend beschriebenen magnetfeldgekoppelten Zustands wird zuerst Energie über das zwischen benachbarten Spulen in der Spiralelektrode erzeugte elektrische Feld mit der Glimmentladung gekoppelt.
Bei entsprechend niedrigen HF-Leistungen ist nur die elektrische Feldkopplung zu beobachten. Bei höheren Leistungen jedoch schaltet die elektrisch gekoppelte Initialentladung nach einer kurzen Verzögerung in die effizientere magnetisch gekoppelte Entladung um. Diese Verzögerungszeit hängt von einer Reihe von Faktoren ab, wie z. B. der Temperatur der Lampe, der Geometrie der Elektrode und der Eingangsleistung. Bei gegebenen Randbedingungen ist jedoch die Verzögerungszeit wohl definiert. Die Folge ist, daß man durch Auswahl einer geeigneten Modulationsfrequenz (wie etwa ein paar 100 Hz) die HF-Impulsdauer (und damit den Auslastungsgrad) kontrolliert vermindern kann, so daß ein weicher Übergang von der elektrischen Feldkopplung gefolgt von der magnetischen Feldkopplung zur alleinigen elektrischen Feldkopplung stattfindet.
Die Wirkung der Verminderung der Impulsdauer ist in Fig. 1(b) und 1(c) gezeigt. In Fig. 1(b) wurde die Frequenz bei 100 Hz konstant gehalten, jedoch die Impulsdauer (17) von 4 ms (in Fig. 1(a)) auf 3 ms vermindert und die Zeit zwischen den Impulsen (18) erhöht auf 7 ms. Mit steigender Impulsbreite erhöht sich der Anteil der Zeit, den die Entladung in dem ersten Zustand (Kopplung über elektrisches Feld) verbringt, wodurch sich die Helligkeit der Lampe vermindert. Schließlich, bei weiter verminderter Impulsdauer, ist der Impuls von HF-Energie nicht mehr lang genug, um es der Lampe zu erlauben, in den zweiten Zustand umzuschalten. Diese Situation ist in Fig. 1(c) dargestellt, wo die Impulsdauer (19) auf weniger als 1,5 ms vermindert und die Zeit zwischen den Impulsen (23) erhöht wurde, so daß noch immer eine Impuls-Wiederholrate von 100 Hz vorliegt.
Die Intensität des von der Lampe emittierten Lichtes im Betrieb wie in Fig. 1(b) und (c) ist schematisch in Fig. 2(b) bzw. (c) gezeigt. Wiederum werden gleiche Merkmale in den betreffenden Figuren durch gleiche Bezugszahlen gekennzeichnet. Die durchschnittliche Luminanz oder Helligkeit der Entladung in Fig. 2a, b und c ist jeweils proportional zu dem Bereich unter dem Graphen.
Man erkennt, daß die durchschnittliche Luminanz oder Helligkeit der Entladung mit abnehmender Impulsbreite abnimmt; man erkennt aber auch, daß diese Abnahme proportional viel größer ist als die Abnahme im Auslastungsgrad der Impulsfolge, aufgrund der großen Differenz in der Helligkeit oder Luminanz der ersten und zweiten Zustände der Entladung.
Fig. 3 und 4 zeigen wie sich die Luminanz einer typischen erfindungsgemäßen Entladung mit dem Auslastungsgrad verändert. In den Figuren entsprechen die y-Achsen der Luminanz, ausgedrückt in cd m&supmin;², während x-Achsen die Impulsdauer bezeichnen. Fig. 4 zeigt, wie sich die Entladung bei einer Impuls- Wiederholrate von 10 kHz verhält, während Fig. 3 das Verhalten bei 100 Hz zeigt. Die x-Achsen sind linear, während die y-Achsen logarithmisch sind.
In Fig. 4 wurden die mit einem Dreieck markierten Datenwerte bei steigender Impulsdauer gemessen, während die mit einem Quadrat markierten Datenwerte bei abnehmender Impulsdauer gemessen wurden. Die Tatsache, daß die beiden Sätze von Datenwerten nicht auf derselben Kurve liegen, ist ein Hinweis darauf, daß bei hohen Wiederholraten (und entsprechend kurzen Impulsdauern) Hysterese wichtig wird.
Dies liegt höchstwahrscheinlich an der Möglichkeit, den ersten (elektrischen Feld-Kopplungs)-Zustand zu umgehen, wenn die Zeit, die verstrichen ist, seitdem die Entladung zuletzt in dem zweiten (Magnetfeld-Kopplungs)-Zustand war, kürzer ist als eine charakteristische Entspannungszeit der Glimmentladung. Ist die Zeit zwischen dem Ende eines magnetfeldgekoppelten HF-Energie- Impulses und dem Beginn eines nachfolgenden Impulses ausreichend kurz, daß Populationen von Elektronen, Ionen und Radikalen in der Lampe keine Zeit hatten, sich wieder auf die Werte zu entspannen, die während der elektrischen Feldkopplung oder vor Beginn der Erregung vorlagen, so kann der nachfolgende Impuls sofort ohne Durchlaufen des ersten Zustandes in den zweiten (magnetfeldgekoppelten) Zustand eintreten. Aufgrund der in Fig. 4 gezeigten experimentellen Ergebnisse kann dies für die in Fig. 4 gezeigte bestimmte Lampe und Eingangsleistung rechnerisch mit ungefähr 80 us bestimmt werden.
In Fig. 3 wurden die Datenwerte bei einer Wiederholfrequenz von 100 Hz ermittelt, so daß die Zeitdauer zwischen den Impulsen stets größer war als 100 us, so daß keine Hysterese zu beobachten ist.
In Fig. 4 beobachtet man, daß zwischen der Betriebsart, in welcher die elektrische Feld-Kopplung den alleinigen Kopplungsmechanismus darstellt und der Betriebsart, bei der magnetische Feld-Kopplung auftritt, ein signifikanter Helligkeitsschritt auftritt. Eine derartige "Helligkeitslücke" ist für Anwendungen wie die Hintergrundbeleuchtung von Displays unerwünscht. Im Fall von Fig. 4, wenn die Impuls-Wiederholrate niedriger ist, ist die "Helligkeitslücke" weniger ausgeprägt. Die Gründe hierfür sind nicht ganz klar. Ein Effekt, welchen man dazu verwenden kann, diese Lücke in der Helligkeit zu überwinden, liegt in der Veränderung der in jedem Impuls abgegebenen HF-Leistung. Man beobachtet, daß die Zeitdauer des ersten (elektisch feldgekoppelten) Zustands von der der Entladung zugeführten Leistung abhängt. Ist die Leistung hoch, so ist die Zeit bis zum Umschalten der Entladung in ihren zweiten Zustand kurz. Wird die Leistung vermindert, so verlängert sich die Zeit bis zum Umschalten der Entladung in ihren zweiten Zustand. Es gibt einen kritischen Leistungspegel, unterhalb dessen der zweite Zustand niemals auftritt. Durch Kombinieren der Variierung des Arbeitszyklus mit der Variierung der während aller Impulse zugeführten HF-Leistung ist es möglich, den Nachteil einer Helligkeitslücke zu vermindern.
Fig. 5 zeigt ein Blockdiagramm des Systems, das die Impulsdauer steuert. An Eingangsklemmen 39 und 40 ist ein 14 Volt- Gleichstrom-Netzteil vorgesehen. Dieses versorgt ein Funktionsgenerator-IC NE566 (32). Diese Schaltung liefert eine dreieckige Ausgangs-Wellenform an Ausgang 34. Die Wiederholrate dieser Wellenform wird über ein RC-Netzwerk (33) reguliert, welches auf einem benachbarten Teil einer gemeinsamen Flachbau-Gruppe (PCB) vorgesehen ist. Im normalen Betrieb wird die Frequenz nicht geregelt. Die dreieckige Ausgangs-Wellenform wird als ein Eingang (35) einem Komparator-IC LM311 (37) zugeführt. Der andere Eingang des Komparators wird mit einem von einem regelbaren Potentiometer (36) eingestellten Gleichstrompegel versorgt. Der Gleichstrompegel wirkt so, daß er den Komparator zweimal je Zyklus triggert, wenn die dreieckige Wellenform einen vorbestimmten Pegel durchläuft, während des Ansteigens und wiederum während des Abfallens. Das Ausgangssignal des Komparators (38) liegt damit als Rechteckwelle vor, wobei die Dauer eines jeden Impulses von dem am Potentiometer eingestellten Gleichstrompegel bestimmt wird. Eine Veränderung des Gleichstrompegels durch Einstellen des Potentiometers verändert die Impulsdauer der Rechteckwelle an den Ausgangsklemmen 41 und 42, ohne die Wiederholrate der Impulse zu verändern.
Der zweite Aspekt der Erfindung sieht ein Verfahren zum Regeln der Helligkeit einer Glimmentladung vor, welches den oben beschriebenen Nachteil der "Helligkeitslücke" vermindert.
Fig. 6(a), (b) und (c) zeigen drei verschiedene Impulsfolgen entsprechend diesem zweiten Aspekt der Erfindung. In dieser Figur, wie in Fig. 1, entsprechen die x-Achsen der Zeit und die y- Achsen der Anwesenheit oder Abwesenheit von HF-Energie. In jedem Fall umfaßt die Impulsfolge eine Mehrzahl von Impuls-Gruppen (zwei Gruppen im vorliegenden Beispiel), wobei die Impuls- Gruppen unterschiedliche Wiederholraten und unterschiedliche Impulsdauern aufweisen. Die Dauer der ersten Gruppe von Impulsen (30) ist so gewählt, daß die Glimmentladung immer im ersten Zustand ist. Dies bedeutet, sie wird hauptsächlich elektrisch feldgekoppelt sein, während der gesamten Dauer aller Impulse in der Gruppe. Im vorliegenden Fall besitzt jeder Impuls in der ersten Gruppe eine Dauer von 0,2 ms und eine Lücke von 0,3 ms. In Fig. 6 (a) ist jeder 15. Impuls in der Impulsfolge so ausgelegt, daß er eine Dauer von 1,6 ms besitzt, wodurch eine weitere Gruppe (31) von Impulsen gebildet wird, die eine geringere Wiederholrate und eine andere Dauer aufweisen. Die Zeitspanne der längeren Impulse beträgt (0,5 ms · 14 + 1,6 ms) oder 8,6 ms, wodurch sich eine Wiederholrate von etwas über 116 Hz ergibt. In Fig. 6 (b) ist jeder zwölfte Impuls in der Impulsfolge so ausgelegt, daß er eine Dauer von 1,6 ms aufweist. Die Zeitdauer der Gruppe von längeren Impulsen ist in diesem Fall (0,5 ms · 11 + 1,6 ms) oder 7,1 ms. In Fig. 6(c) besitzt jeder 9. Impuls in der Impulsfolge eine Dauer von 1,6 ms, wodurch sich eine Zeitdauer von (0,6 ms · 8 + 1,6 ms) oder 5,6 ms ergibt.
Auf diese Weise wird die Wiederholrate der weiteren Gruppe von Impulsen (d. h. längere Impulse im vorliegenden Beispiel) erhöht, während die Wiederholrate der Gruppe von kürzeren Impulsen gleich bleibt. Vergleicht man die durchschnittliche Helligkeit der in jedem Fall produzierten Glimmentladung, zeigt sich, daß "Graustufen" verschiedener durchschnittlicher Helligkeitspegel erzeugt wurden. Die "Helligkeitslücke" zwischen den Graustufen ist nicht so groß wie die von den Impulsabfolgen in Fig. 1 er zeugte, da nicht bei allen Impulsen in der Abfolge die Dauer zur selben Zeit erhöht wurde.
Zum Vergleich der Helligkeitspegel der in Fig. 6 gezeigten Beispiele muß man für jeden Fall die durchschnittliche Helligkeit berechnen. Nimmt man z. B. an, daß die Luminanz im ersten Zustand gleich 1 ist und diejenige im zweiten Zustand gleich 50 (in willkürlich gewählten Einheiten), und daß das Umschalten von einem Zustand auf den anderen nach einer Impulsdauer von 1,5 ms erfolgt, so beträgt die durchschnittliche Helligkeit in dem Beispiel der Fig. 6 (a) (1 · 0,2 ms · 14 + 50 (1,6 - 1,5)) · 116 Hz oder 905 zufällig gewählte Einheiten. Fig. 6(b) beträgt (1 · 0,2 ms · 11 + 50 (1,6 - 1,5)) · 141 Hz oder 1014 willkürliche Einheiten, und für Fig. 6 (c) gilt (1 · 0,2 ms · 8 + 50 (1, 6 - 1, 5 ms)) · 179 Hz oder 1179 willkürliche Einheiten. Würden nur kurze Impulse verwendet, so betrüge die durchschnittliche Helligkeit 1 · 0,2 · 2 kHz = 400 willkürliche Einheiten. Helligkeit unterhalb von 905 willkürlichen Einheiten kann erzeugt werden, indem man die Anzahl kurzer Impulse zwischen langen Impulsen über die in Fig. 6(a) gezeigten 15 erhöht.
Da es jedoch unerwünscht wäre, ein sichtbar flackerndes Licht zu erhalten, ist es wichtig, die Wiederholrate oberhalb der kritischen Fusionsfrequenz für einen Betrachter (typischerweise 70-90 Hz) zu halten. Würde man Helligkeiten unterhalb von 400 willkürlichen Einheiten benötigen, so können bekannte Impulszeit-Modulationstechniken nur an den kürzeren Impulsen verwendet werden.
In dem Beispiel der Fig. 6 liegt der hellstmögliche Zustand vor, wenn jedesmal ein langer Impuls auftritt, in diesem Beispiel mit einer Lücke von 0,3 ms zwischen den Impulsen.
Es ist wichtig, die Lücke zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen ausreichend lang zu halten, so daß der nächste Impuls nicht schon in dem weiteren (magnetfeldgekoppelten) Zustand zu glimmen beginnt und hierdurch den ersten Zustand vollkommen umgeht.
Die in Fig. 6(a) gezeigten Abfolgen von Impulsen können von einem Impulsgenerator erzeugt werden, der computergesteuert entsprechend dem folgenden Algorithmus angesteuert wird:
1. Setze Impulszähl-Schieberegister zurück auf null.
2. Erzeuge einen Impuls der Dauer 0,2 ms.
3. Erhöhe Zahl im Impulszähl-Schieberegister um Wert 1.
4. Warte 0,3 ms.
5. Wenn nicht Impulszähl-Schieberegister Wert "24", dann gehe zu 2.
6. Wenn Impulszähl-Schieberegister gleich Wert "14", dann fahre fort.
7. Erzeuge einen Impuls der Dauer 1,6 ms.
8. Warte 0,3 ms.
9. Gehe zu 1.
Zur Regelung der Helligkeit der Entladung würde man die ganze Zahl "14" in Verfahrensschritten 5 und 6 verändern. Sie kann z. B. auf "11" verändert werden, um die Impulsfolge nach Fig. 6(b) zu erhalten, oder auf "8", um die Impulsfolge nach Fig. 6(c) zu erhalten. Die Erzeugung der Impulse in Verfahrensschrit ten 2 und 7 kann durch unterschiedliche Impulsgeneratoren erfolgen. Das verwendete Impulszeit-Steuermittel kann im Rahmen des Umfangs der vorliegenden Erfindung vielfältige Formen besitzen. Fachleute für Impulssteuerung können viele Schaltungen konstruieren, welche die Impulsabfolgen nach Fig. 6 erzeugen können.
Der dritte Aspekt der Erfindung sieht eine weitere Methode zum Steuern oder Regeln der Helligkeit einer Glimmentladung vor, welche ebenfalls die oben beschriebenen Nachteile der Helligkeitslücke und der Auswirkungen von Temperaturänderungen vermindert.
Fig. 7 zeigt eine Impulsfolge entsprechend diesem dritten Aspekt der Erfindung. Die Impulsfolge umfaßt eine Sequenz von 6 Impulsen, wobei jeder Impuls eine unterschiedliche Dauer aufweist. Die Folge von 6 Impulsen wird wiederholt, um eine kontinuierliche Abfolge von Impulsen zu erhalten. Die Folge von Impulsen umfaßt daher letztlich 6 Gruppen von Impulsen, wobei jede Gruppe dieselbe Wiederholrate, jedoch unterschiedliche Dauer aufweist. In dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel sind die Impulsdauern wie folgt: -2 ms (50), 1,2 ms (51), 1,8 ms (52), 1,4 ms (53) und 1,6 ms (54).
Zwischen allen Impulsen besteht eine Lücke von 0,5 ms (55). Die Helligkeits-Steuerung gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird erreicht, indem man die Dauer aller Impulse ändert, jedoch das Verhältnis der Impulsdauer von Gruppe zu Gruppe konstant hält. Die Dauer der Impulse wird damit 2 · d, 1,2 · d, 1,8 · d, 1,4 · d und 1,6 · d, wobei d zur Einstellung der Helligkeit der Glimmentladung variiert wird.
Mit der Variierung von d hat jedesmal eine unterschiedliche Anzahl der Impulse in einer gegebenen Zeitperiode eine Dauer, die lang genug ist, die Glimmentladung in den zweiten (magnetfeldgekoppelten) Zustand mit höherer Helligkeit zu erregen. So ergeben sich also effektiv eine Mehrzahl von "Graustufen", je nachdem, wieviele der Gruppen von Impulsen eine Dauer aufweisen, die größer als eine kritische Dauer (in dem vorliegenden Beispiel 1,5 ms) ist. Die beschriebene Ausführungsform würde 6 Graustufen ergeben, doch kann man mit anderen Anzahlen von Gruppen von Impulsen mehr oder weniger Stufen vorsehen.
Fig. 8(a) und 8(b) zeigen jeweils eine Impulsfolge entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung. Das Verfahren wird verwendet zum Steuern eines zweidimensionalen Arrays bestehend aus zwei Entladungen wie vorstehend beschrieben wurde. Die Entladungen sind räumlich einander benachbart. Eine wird mit einer wie in Fig. 8(a) gezeigten Abfolge von Impulsen versorgt und die andere mit der Impulsfolge wie in 8(b) gezeigt. Benachbarte Entladungen werden also zu unterschiedlichen Zeitintervallen mit HF-Energie versorgt. Die Folge ist, daß eine verminderte Interferenz besteht, die dadurch bedingt ist, daß eine Mehrzahl von elektromagnetischen Feldern gleichzeitig mit einer gegebenen Entladung gekoppelt sind. Bei zwei unmittelbar benachbarten Entladungen ist dies möglich, wenn der Auslastungsgrad einer jeden Impulsfolge geringer als 50% ist. Bei einem quadratischen Array mit vier unmittelbaren Nachbarn würde ein Auslastungsgrad von weniger als 25% für jede der Mehrzahl von Impulsfolgen ermöglichen, daß alle räumlich benachbarten Entladungen während unterschiedlicher Zeitperioden erregt werden können. Allgemein ist ein Auslastungsgrad von weniger als 100 /u % erforderlich für ein Array mit u unmittelbaren Nachbarn.

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Helligkeit einer Glimmentladung, welche in einem ersten Zustand (4) mit einer ersten Helligkeit arbeiten kann sowie in einem weiteren Zustand (5) mit einer anderen Helligkeit, wobei die Zustände in zueinander benachbarten Zeitperioden auftreten, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:

c) Zuführen von HF-Energie zu der Entladung als eine Abfolge von Impulsen (112, 3), sowie

d) Regeln der Dauer der Impulse und damit Regeln des Verhältnisses der Zeit, in einer gegebenen Zeitperiode, die die Entladung in dem ersten Zustand verbringt, zu der Zeit, die die Entladung in dem weiteren Zustand verbringt, derart, daß jede Veränderung im Auslastungsgrad der Abfolge von Impulsen proportional geringer ist als die resultierende Veränderung in der Helligkeit der Entladung.

2. Verfahren zur Regelung der Helligkeit einer Glimmentladung, welche in einem ersten Zustand (4) mit einer ersten Helligkeit arbeiten kann sowie in einem weiteren Zustand (5) mit einer anderen Helligkeit, wobei die Zustände in zueinander benachbarten Zeitperioden auftreten, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:

c) Zuführen von HF-Energie zu der Entladung als eine Mehrzahl von Impulssätzen (30, 31), wobei jeder Satz eine andere Impuls-Zeitdauer aufweist, wobei wenigstens ein Satz (30) eine Impuls-Zeitdauer aufweist; die ausreichend kurz ist, daß die Entladung für die Gesamtdauer eines jeden Impulses in dem wenigstens einen Satz in dem ersten Zustand ist, und wobei wenigstens ein weiterer Satz (31) eine weitere Impulsdauer aufweist, die ausreichend lang ist, daß die Entladung während jedes Impulses in dem wenigstens einen weiteren Satz in beide Zustände übergeht, sowie

d) Regeln der Wiederholrate der Impulse mit dem wenigstens einen weiteren Impulssatz und damit Regeln des Verhältnisses der Zeit, die die Entladung in dem ersten Zustand verbringt, zu der Zeit, die die Entladung in dem zweiten Zustand verbringt, während einer gegebenen Zeitperiode.

3. Verfahren zur Regelung der Helligkeit einer Glimmentladung, welche in einem ersten Zustand (4) mit einer ersten Helligkeit arbeiten kann sowie in einem weiteren Zustand (5) mit einer anderen Helligkeit, wobei die Zustände in zueinander benachbarten Zeitperioden auftreten, wobei das Verfahren folgendes umfaßt:

c) Zuführen von HF-Energie zu der Entladung als eine Mehrzahl von Impulssätzen (50, 51, 52, 53, 54), wobei jeder Satz eine entsprechende Impulsdauer aufweist, wobei wenigstens ein Satz (51) eine Impulsdauer aufweist, die ausreichend kurz ist, daß die Entladung während der ge samten Dauer eines jeden Impulses dieses wenigstens einen Satzes in dem ersten Zustand ist, sowie

d) Regeln der Dauer der Impulse in jedem der Sätze von Impulsen synchron mit den anderen Sätzen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei aufeinanderfolgende Impulse von unterschiedlicher Dauer sind. '

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in dem ersten Zustand HF-Energie hauptsächlich ein beim Start eines gegebenen Impulses mit der Entladung gekoppeltes elektrisches Feld ist.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in dem weiteren Zustand HF-Energie hauptsächlich ein mit der Entladung gekoppeltes Magnetfeld ist.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Auslastungsgrad der Abfolge von Impulsen geringer als 50% ist.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Impuls-Wiederholrate größer ist als die kritische Verschmelzungsfrequenz bei einem Betrachter.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Impuls-Wiederholrate geringer ist als die Frequenz der zugeführten HF-Energie.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei HF- Energie einer Gruppierung (Array) von Glimmentladungen in einer Abfolge von Impulsen zugeführt wird, derart, daß räumlich benachbarte Glimmentladungen in einer anderen Zeitperiode mit einem Impuls versorgt werden.