EP1152645A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe Download PDF

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EP1152645A1
EP1152645A1 EP01000130A EP01000130A EP1152645A1 EP 1152645 A1 EP1152645 A1 EP 1152645A1 EP 01000130 A EP01000130 A EP 01000130A EP 01000130 A EP01000130 A EP 01000130A EP 1152645 A1 EP1152645 A1 EP 1152645A1
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EP
European Patent Office
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operating
frequency
lamp
gas discharge
discharge lamp
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EP01000130A
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Günther Derra
Ernst Fischer
Thomas KRÜCKEN
Holger Moench
Xaver Riederer
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Koninklijke Philips NV
Original Assignee
Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Philips Corporate Intellectual Property GmbH
Philips Patentverwaltung GmbH
Koninklijke Philips Electronics NV
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    • H05B41/388—Controlling the intensity of light during the transitional start-up phase for a transition from glow to arc

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for operating a AC voltage or AC-powered gas discharge lamp, being in certain Time intervals the instantaneous power of the lamp is increased (pulsed Business).
  • the invention relates to such lamps and devices provided devices as well as processing methods based on the operating method an electrode.
  • a device described with a power supply circuit for operating a gas discharge lamp wherein the power supply circuit is an AC voltage or an AC current predetermined period for feeding the gas discharge lamp with a provides predetermined power in such a way that with a reduction of the average Lamp power compared to the nominal power immediately before reversing the polarity of the AC voltage or an increase in the alternating current within half a period the current performance.
  • This brief increase in current performance before the polarity reversal process causes the necessary re-ignition voltage after the The polarity reversal process cannot be significantly increased compared to the voltage during nominal operation got to.
  • a method for operating a gas discharge lamp is known from the cited US document known with a short arc, in which the lamp determines an alternating current Period duration supplied and a short current pulse to the lamp current in each half period is superimposed on the same polarity as the lamp current in the respective half-period has what the constancy of the arc and the durability of the electrodes of the Gas discharge lamp significantly improved.
  • pulse operation or “pulsed operation”
  • Pulsed Operation and pulse operation here all forms of current and voltage curve denote by the time at which the operating current or operating voltage especially for the purpose of stabilizing the lamp arc additional current or Voltage pulses are superimposed (in some documents (see e.g. EP 0 865 210 A2, WO 97/247871 or US 5,428,408), however, is called “pulsed operation” understood only a lamp operating mode in which a lamp repeated quickly, is operated in very short periods of time and for a large part of the Time no light emits).
  • the constancy of the arc can be significantly improved
  • the service life is particularly high-pressure gas discharge lamps with a very short arc, e.g. with data and video projectors with LC or mirror displays (Deformable Mirror Device), but also with various other applications an important one? Play role, not yet satisfactory.
  • the shorter the required arcs the stronger a burning back of the lamp electrodes and the consequent extension of the arc that arises between the electrodes disadvantageously noticeable.
  • electrodes are preferred for cost reasons, which consist of an electrode rod (drawn tungsten wire) and a tungsten spiral pushed over it exist, although with such a construction the geometry and the internal structure of the electrodes, which ultimately determines the heat distribution, are less controllable.
  • the enormous thermal load on the electrodes leads to rapid transport of the electrode material (e.g. vaporization of tungsten), which can, for example, completely change the front face of the electrodes in a few hours in the case of high-pressure gas discharge lamps with an arc length of approximately 1 mm .
  • Even an ideally shaped electrode usually retains its original functional properties for less than 100 hours.
  • the object of the invention is a method and a device to operate a gas discharge lamp, which allow the transport processes taking place when operating a gas charge lamp advantageously for Forming the electrodes.
  • the object is achieved by a method of the type mentioned at the outset, in which the values of at least one operating date which changes over time Lamp can be measured continuously or discontinuously and the frequency of the AC voltage or alternating current (operating frequency) depending on the measured values is selected.
  • the operating frequency is expediently in Dependence on the measured values of at least one operating date from which the Total operating time of the lamp, the burning voltage, the delivered or received Performance, the arc length and the electrode spacing comprehensive group of operating data chosen, because all these data allow direct or indirect conclusions to be drawn State of the electrodes, in particular the distance between the electrodes (for example, from the operating time even for a new lamp with zero operating time based on Experience based on the approximate condition of the electrodes and thus on the Need to be closed for a certain operating frequency selection).
  • the invention is based on the new finding that the size of when operating with AC current or voltage on the structures growing on the electrodes and the operating frequency of the current or voltage are proportional to each other It has It has been shown that the diameter of the grown structures is the smaller, each the basic frequency of the operating current or the operating voltage is higher.
  • Typical Frequencies in high pressure gas discharge lamps are between approximately 40 and 600 Hz For lamps of a certain type (e.g. according to DE 38 13 421 A), e.g.
  • the approximate diameter of the grown structures a / f1 / 2, where f the operating frequency in Hertz and a is a lamp-specific proportionality constant, which is typically between about 2000 and 5000 ⁇ m Hz1 / 2, so that at 100 Hz Basic frequency form structures with a diameter of approximately 200 to 500 ⁇ m. In general this constant can be between 1000 and 10,000 ⁇ m Hz1 / 2.
  • the resulting structures are usually smaller than their diameter and is usually about 0.4 to 0.8 times the diameter. The relationship can however, experience has shown that it varies between 0.2 and 1.2. This connection will exploited according to the invention in a controllable manner protruding electrode tips to generate during lamp operation.
  • the invention allows the electrode to be shaped during operation, within certain limits regardless of the production-related initial shape of the electrodes.
  • the one you want Electrode spacing or the desired operating voltage can be exploited by Transport operations can be set within certain limits.
  • Upon reaching the The conditioning process is interrupted and the lamp at the then current frequency operated.
  • a particular advantage of the method according to the invention is that during the Operating time of the lamp can be used again and again and so to speak "Regeneration" of the electrodes allowed, so that excellent results over a very long life can be achieved.
  • the electrode structures built up during operation are due to the physical laws of transport processes practically exactly opposite, so that no lateral offset occurs. If you start with sufficiently low frequencies, the structure is in the middle of the electrode.
  • the measured values are advantageous for fulfilling specified boundary conditions monitors and upon fulfillment of a first boundary condition (start condition) Lamp operated at a low operating frequency (start frequency) until a second Boundary condition is met, whereupon the operating frequency is increased.
  • start condition a first boundary condition
  • start frequency a low operating frequency
  • Such starting conditions can, for example, commission a new lamp for the first time or The required burning voltage increases beyond a predetermined limit his.
  • start frequencies Define start frequencies so that, for example, the first time Commissioning of a new lamp successive structures with diminishing Diameter can be built up on the electrodes, with a relative low start frequency is started, while it is only for electrodes whose shape should be changed slightly, it may be sufficient to immediately build very small structures and start with a relatively high start frequency.
  • the operating frequency can be increased continuously for the successive construction of the structures become. However, it has proven to be particularly advantageous to set the operating frequency in increment discrete steps until a predetermined termination condition is reached.
  • termination conditions can be: reaching a predetermined operating frequency (Maximum frequency), reaching a predetermined minimum burning voltage, constancy of the electrode gap over a predetermined period.
  • a gas discharge lamp are measuring devices for continuous or discontinuous Measuring the values of at least one operating date that changes over time Lamp and means for changing the frequency of the alternating voltage or alternating current (Operating frequency) depending on the measured values.
  • a Such a device can also be used for gas discharge lamps and gas discharge lamps that have already been produced all types of lighting devices used, such as projectors in particular, Automotive lighting systems, etc., easily applied or retrofitted.
  • the device has at least one Compact processor and control unit for controlling the microprocessor Operating frequency, the operating voltage and that supplied to the gas discharge lamp Alternating current and for evaluating and monitoring the measured values for the Fulfillment of predefined or predefinable boundary conditions, advantageously from the in existing devices for the pulsed operation of gas discharge lamps existing processors and units can be used.
  • the electrode can, according to the invention, increase slowly Frequencies are treated again until the tip structures of the electrodes are almost are completely rebuilt. After each such regeneration process, the Lamp operated for about 100 hours on the highest selected frequency.
  • the invention has the advantage that the light from the lamp can also be used during the regeneration phases.
  • the optical efficiency for example a decrease in the screen brightness in the case of video projection, which then increases again during the regeneration.
  • This system efficiency which fluctuates on a time scale of 100 hours, is in any case a great advantage over a continuously decreasing efficiency.
  • the need for renewed regeneration can easily be determined from the voltage increase in the lamp. If the burning voltage rises above a specified value, a new regeneration is started.
  • a first-time operation of the lamp is recognized by an operating hours counter, which at a lamp change is automatically reset. This is common with many on the market Projectors already realized.
  • the lamp is initially operated at the lowest possible frequency (e.g. 45 Hz). This operation can take place over a fixed period (e.g. 1 operating hour). Alternatively the frequency can also be held until there is no significant drop in voltage (which indicates the growth of structures) more can be observed. advantage This type of procedure is that individual differences are better taken into account than when operating for fixed periods.
  • the frequency is increased. It has been shown that increasing the Frequency approximately 1.2 to 1.8 times the previous frequency recommended is.
  • the operating time with the new frequency can then again be a fixed one Period of time or until there is no longer any noticeable drop in voltage is.
  • the frequency is increased until either a) a fixed frequency limit is reached, b) a set voltage has been reached, or c) nothing of note Growth can be observed after increasing the frequency.
  • the frequency determined in this way is recorded and can be used for as long as this until the tension becomes significant again, e.g. has risen to the initial level.
  • the electrodes preferably become new even before they rise to the initial level "regenerates", which is why the lamp is operated again with the lowest possible frequency becomes.
  • the operating voltage and arc length or Significantly reduce the gap between electrodes in gas discharge lamps.
  • the lamp current I2 for controlling the Power was set and the pulse current I3 was 2.8 A, with an operating frequency sequence from 45, 65, 90 and 130 Hz the burning voltage from initially 85 V to 52 V and the arc length was reduced from 1.3 mm initially to 0.7 mm, this being astonishing Reduction, mind you, not in a separate machining process, but instead during the "normal" use of the lamp, for example in projection mode.

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  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)
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  • Manufacture Of Electron Tubes, Discharge Lamp Vessels, Lead-In Wires, And The Like (AREA)

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer mit Wechselspannung oder Wechselstrom gespeisten Gasentladungslampe, bei dem in bestimmten Zeitintervallen die Momentanleistung der Lampe erhöht wird soll hinsichtlich der Ausformung der Elektroden genutzt werden. Die Werte eines sich über die Zeit änderndes Betriebsdatum der Lampe werden kontinuierlich oder diskontinuierlich gemessen, wobei die Frequenz der Wechselspannung oder des Wechselstroms (Betriebsfrequenz) in Anhängigkeit von den gemessenen Werten gewählt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer mit Wechselspannung oder Wechselstrom gespeisten Gasentladungslampe, wobei in bestimmten Zeitintervallen die Momentanleistung der Lampe erhöht wird (gepulster Betrieb). Daneben betrifft die Erfindung mit solchen Lampen und Vorrichtungen versehene Geräte sowie auf dem Betriebsverfahren beruhende Verfahren zum Bearbeiten einer Elektrode.
Solche Betriebsverfahren und -vorrichtungen sind bekannt, beispielsweise aus der WO 96/174724 oder der US 5,608,294. In der genannten WO-Schrift wird eine Vorrichtung mit einer Energieversorgungsschaltung zum Betreiben einer Gasentladungslampe beschrieben, wobei die Energieversorgungsschaltung eine Wechselspannung oder einen Wechselstrom vorgegebener Periodendauer zur Speisung der Gasentladungslampe mit einer vorgegebenen Leistung derart bereitstellt, dass bei einer Reduzierung der mittleren Lampenleistung gegenüber der Nennleistung unmittelbar vor dem Umpolen der Wechselspannung oder des Wechselstroms innerhalb einer halben Periodendauer eine Erhöhung der momentanen Leistung erfolgt. Diese kurzzeitige Erhöhung der momentanen Leistung vor dem Umpolvorgang bewirkt, dass die notwendige Wiederzündspannung nach dem Umpolvorgang nicht wesentlich gegenüber der Spannung im Nennbetrieb erhöht werden muss.
Aus der genannten US-Schrift ist ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe mit kurzem Lichtbogen bekannt, bei welchem der Lampe ein Wechselstrom bestimmter Periodendauer zugeführt und in jeder Halbperiode dem Lampenstrom ein kurzer Strompuls überlagert wird, der dieselbe Polarität wie der Lampenstrom in der jeweiligen Halbperiode besitzt, was die Konstanz des Lichtbogens und die Haltbarkeit der Elektroden der Gasentladungslampe wesentlich verbessert.
Das aus den genannten Schriften bekannte Variieren der Stromstärke bzw. der Spannung, das im folgenden als "gepulster Betrieb" oder "Pulsbetrieb" bezeichnet wird, hat sich in der Praxis überaus bewährt. Dabei sei an dieser Stelle betont, dass die Begriffe "gepulster Betrieb" und "Pulsbetrieb" hier alle Formen des Stromstärken- bzw. Spannungsverlaufs über die Zeit bezeichnen, bei denen dem Betriebsstrom bzw. der Betriebsspannung insbesondere zwecks Stabilisierung des Lampenbogens zusätzliche Strom- oder Spannungspulse überlagert werden (in manchen Schriften (vgl. z.B. EP 0 865 210 A2, WO 97/247871 oder US 5,428,408) wird dagegen unter dem Begriff "gepulster Betrieb" ausschließlich eine Lampenbetriebsart verstanden, bei der eine Lampe in schnell wiederholten, sehr kurzen Zeitabschnitten betrieben wird und während eines großen Teils der Zeit kein licht abgibt).
Durch den gepulsten Betrieb kann zwar die Konstanz des Lichtbogens wesentlich verbessert werden, jedoch ist die Lebensdauer insbesondere bei Hochdruck-Gasentladungs-lampen mit sehr kurzem Lichtbogen, wie sie z.B. bei Daten- und Videoprojektoren mit LC- oder Spiegel-Displays (Deformable Mirror Device), aber auch bei verschiedenen anderen Anwendungen eine wichtig? Rolle spielen, noch nicht befriedigend. Je kürzer der benötigte Lichtbogen, desto stärker macht sich ein Zurückbrennen der Lampenelektroden und die damit eingehende Verlängerung des zwischen den Elektroden entstehenden Lichtbogens nachteilig bemerkbar. So kommt es durch Zurückbrennen der Lampenelektroden bei Gasentladungslampen mit kurzen und sehr kurzen Lichtbögen nicht selten bereits in den ersten 100 Betriebsstunden zu einem Rückgang der Effizienz beispielsweise in einem Projektionssystem von 20%.
Zudem ist die Herstellung von Gasentladungslampen mit sehr kurzem Elektrodenabstand ausgesprochen schwierig, denn die Elektroden werden üblicherweise in einem Quarzrohr eingeschmolzen und vor der Einschmelzung in dem Rohr positioniert, so dass ihre Position nach Fertigstellung der Lampe herstellungsprozessbedingt von der ursprünglichen Justierung abwicht, und zwar sowohl hinsichtlich des Abstandes als auch der seitlichen Ausrichtung zueinander. Die Positionierungstoleranzen der Elektroden lassen sich nur mit erheblichem Kostenaufwand reduzieren.
Ein weiteres, nur mit großem Aufwand zu lösendes Problem ist die geometrische Form der Elektroden selbst. Es ist zwar durchaus möglich, gewünschte Elektrodengeometrien aus Vollmaterial herauszuschneiden, jedoch werden aus Kostengründen Elektroden bevorzugt, die aus einem Elektrodenstab (gezogener Wolframdraht) und einer darüber geschobenen Wolframspirale bestehen, wenngleich bei einer solche Konstruktion die Geometrie und die innere Struktur der Elektroden, die letztendlich die Wärmeverteilung bestimmt, schlechter kontrollierbar ist. Bei Lampen mit kurzem Lichtbogen kommt es ohnehin durch die enorme Wärmebelastung der Elektroden zu einem raschen Transport des Elektrodenmaterials (z.B. Abdampfung von Wolfram), der z.B. bei Hochdruck-Gasentladungslampen mit einer Bogenlänge von etwa 1 mm die Elektroden-Frontfläche in wenigen Stunden vollständig verändern kann. Auch eine ideal geformte Elektrode behält dabei ihre ursprünglichen Funktionseigenschaften in der Regel für weniger als 100 Stunden.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe anzugeben, welche es erlauben, die beim Betrieb einer Gagentladungslampe stattfindenden Transportprozesse vorteilhaft zur Formung der Elektroden auszunutzen.
Die Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. von einer Vorrichtung gemäß Anspruch 11. Vorteilhafte Durch- bzw. Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die nebengeordneten Ansprüche betreffen auf diesen Verfahren und Vorrichtungen basierende Bearbeitungsverfahren und Vorrichtungen.
Insbesondere wird die Aufgabe von einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem die Werte wenigstens eines sich über die Zeit ändernden Betriebsdatums der Lampe kontinuierlich oder diskontinuierlich gemessen werden und die Frequenz der Wechselspannung oder des Wechselstroms (Betriebsfrequenz) in Abhängigkeit von den gemessenen Werten gewählt wird. Dabei wird die Betriebsfrequenz zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von den gemessenen Werten wenigstens eines Betriebsdatums aus der die Gesamtbetriebsdauer der Lampe, die Brennspannung, die abgegebene oder aufgenommene Leistung, die Bogenlänge und den Elektrodenabstand umfassenden Gruppe von Betriebsdaten gewählt, denn alle diese Daten lassen direkte oder indirekte Rückschlüsse auf den Zustand der Elektroden, insbesondere den Elektrodenabstand zu (beispielsweise kann aus der Betriebsdauer selbst bei einer neuen Lampe mit Betriebsdauer null anhand von Erfahrungswerten auf den ungefähren Zustand der Elektroden und damit auf die Notwendigkeit einer bestimmten Betriebsfrequenzwahl geschlossen werden).
Die Erfindung basiert auf der neuen Erkenntnis, dass die Größe der beim Betrieb mit Wechselstrom bzw. Wechselspannung auf den Elektroden aufwachsenden Strukturen und die Betriebsfrequenz des Stroms bzw. der Spannung zueinander proportional sind Es hat sich gezeigt, dass der Durchmesser der aufgewachsenen Strukturen um so kleiner ist, je höher die Grundfrequenz des Betriebsstroms bzw. der Betriebsspannung ist. Typische Frequenzen bei Hochdruck-Gasentladungslampen liegen zwischen etwa 40 und 600 Hz Für Lampen einer bestimmten Bauart (beispielsweise nach der DE 38 13 421 A) gilt z.B. die Bezehung ungefährer Durchmesser der aufgewachsenen Strukturen = a /f1/2, wobei f die Betriebsfrequenz in Hertz und a eine lampenspezifische Proportionalitätskonstante ist, die typischerweise zwischen etwa 2000 und 5000 µm Hz1/2 liegt, so dass sich bei 100 Hz Grundfrequenz Strukturen mit etwa 200 bis 500 µm Durchmesser bilden. Im allgemeinen kann diese Konstante in einem Rahmen zwischen 1000 und 10.000 µm Hz1/2 liegen. Die Höhe der entstehenden Strukturen ist üblicherweise kleiner als ihr Durchmesser und beträgt in der Regel etwa das 0,.4- bis 0,8- fache des Durchmessers. Das Verhältnis kann jedoch erfahrungsgemäß zwischen 0,2 und 1,2 variieren. Dieser Zusammenhang wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um in kontrollierbarer Weise hervorstehende Elektrodenspitzen während des Lampenbetriebs zu erzeugen.
Die Erfindung erlaubt es, die Elektrode im Betrieb zu formen, in gewissen Grenzen unabhängig von der fertigungsbedingten Ausgangsform der Elektroden. Der gewünschte Elektrodenabstand bzw. die gewünschte Brennspannung kann durch Ausnutzen der Transportvorgänge innerhalb gewisser Grenzen eingestellt werden. Bei Erreichen der Wunschspannung wird der Konditionierungsvorgang abgebrochen und die Lampe bei der dann aktuellen Frequenz betrieben.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es während der Betriebszeit der Lampe immer wieder angewandt werden kann und so gewissermaßen eine "Regenerierung" der Elektroden erlaubt, so dass hervorragende Resultate über eine sehr lange Lebensdauer erzielt werden können.
Die während des Betriebs aufgebauten Elektrodenstrukturen stehen sich auf Grund der physikalischen Gesetze der Transportvorgänge praktisch exakt gegenüber, so dass kein seitlicher Versatz vorkommt. Wenn mit hinreichend niedrigen Frequenzen gestartet wird, befindet sich die Struktur in der Elektrodenmitte.
Dazu werden vorteilhaft die gemessenen Werte auf das Erfüllen vorgegebener Randbedingungen überwacht und bei Erfüllung einer ersten Randbedingung (Startbedingung) die Lampe mit einer niedrigen Betriebsfrequenz (Startfrequenz) betrieben, bis eine zweite Randbedingung erfüllt ist, worauf die Betriebsfrequenz erhöht wird. Solche Startbedingungen können zum Beispiel das erstmalige Inbetriebnehmen einer neuen Lampe oder das Anwachsen der benötigten Brennspannung über einen vorgegebenen Grenzwert hinaus sein. Insbesondere ist es auch möglich, unterschiedliche Startbedingungen mit unterschiedlichen Startfrequenzen zu definieren, so dass beispielsweise beim erstmaligen Inbetriebnehmen einer neuen Lampe sukzessive Strukturen mit sich verkleinerndem Durchmesser auf den Elektroden aufgebaut werden können, wobei mit einer verhältnismäßig niedrigen Startfrequenz begonnen wird, während es bei Elektroden, deren Form nur geringfügig geändert werden soll, genügen kann, sofort sehr kleine Strukturen aufzubauen und mit einer relativ hohen Startfrequenz zu beginnen.
Zum sukzessiven Aufbau der Strukturen kann die Betriebsfrequenz kontinuierlich erhöht werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch erwiesen, die Betriebsfrequenz in diskreten Schritten zu erhöhen, bis eine vorgegebene Abbruchbedingung erreicht ist. Solche Abbruchbedingungen können sein: Erreichen einer vorbestimmte Betriebsfrequenz (Maximalfrequenz), Erreichen einer vorbestimmten minimalen Brennspannung, Konstanz des Elektrodenabstands über einen vorbestimmten Zeitraum.
Bei einer zur Lösung der genannten Aufgabe vorgesehenen Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe sind Messmittel zum kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Messen der Werte wenigstens eines sich über die Zeit ändernden Betriebsdatums der Lampe und Mittel zum Verändern der Frequenz der Wechselspannung oder des Wechselstroms (Betriebsfrequenz) in Abhängigkeit von den gemessenen Werten vorgesehen. Eine solche Vorrichtung kann auch bei bereits produzierten Gasentladungslampen und Gasentladungslampen verwendende Leuchtvorrichtungen aller Art, wie insbesondere Projektoren, Kfz-Beleuchtungsanlagen etc., leicht angewandt bzw. nachgerüstet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine wenigstens einen Mikroprozessor umfassende kompakte Auswerte- und Steuereinheit zur Steuerung der Betriebsfrequenz, der Brennspannung und des der Gasentladungslampe zugeführten Wechselstroms sowie zur Auswertung und Überwachung der gemessenen Werte auf das Erfüllen vorgegebener oder vorgebbarer Randbedingungen auf, wobei vorteilhaft von den bei bereits existierenden Vorrichtungen zum gepulsten Betrieb von Gasentladungslampen vorhandenen Prozessoren und Einheiten Gebrauch gemacht werden kann.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden rein beispielhaften und nicht-beschränkenden Beschreibung vorteilhafter Durchführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird.
Es zeigen:
Fig. 1
einen typischen zeitlichen Verlauf des einer Gasentladungslampe beim gepulsten Betrieb zugeführten Betriebsstroms
Fig. 2
eine schematische Darstellung des seitlichen Profils einer mit einem erfindungsge mäßen Betriebsverfahren geformten Elektrode.
In der bereits genannten US 5,608,294 ist ein elektronisches Vorschaltgerät beschrieben, mittels welchem eine Stromform gemäß Fig. 1 mit einem Extra-Strompuls der Höhe I3 und der Dauer tp am Ende der jeweiligen Halbwelle der Gesamtdauer t1/2 und der Grundhöhe I2 erzeugt werden kann. Vorzugsweise wird dies durch ein mikroprozessor-ge-steuertes Vorschaltgerät realisiert, das auch die Lampen-Betriebsfrequenz steuern kann. Dieses kann auch einen Datenträger umfassen, der ein Steuerprogramm zur Ausführung der nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte enthält. Ebenso kann eine Lesevorrichtung vorgesehen sein, mittels welcher ein maschinenlesbarer Datenträger gelesen und die Daten zu dem Vorschaltgerät übermittelt werden können.
Zum Aufbau einer Elektrode mit der gewünschten, in Fig 2 im Profil gezeigten Form wird die Lampe ausgehend von einer niedrigen Startfrequenzen im Pulsbetrieb mit langsam steigender Frequenz betrieben. Eine niedrige Frequenz am Beginn der Sequenz sorgt für eine breite Struktur 1 als Basis, auf der dann bei höheren Frequenzen immer eine schmalere Strukturen 2 und 3 aufgebaut werden. Der Übergang kann kontinuierlich oder in diskreten Stufen erfolgen. Praktische Ergebnisse wurden z.B. bei einem Betrieb von jeweils einigen Stunden Dauer mit 45, 65, 90 und 130 Hz in dieser aufsteigenden Reihenfolge erzielt. Mit dieser Betriebsart war es möglich, den Elektrodenabstand bei einer Hochdruck-Gasentladungslampe üblicher Bauart von 1,3 mm auf 0,7 mm zu verringern. Bei längerem Betrieb (einige 100 Stunden) der so konditionierten Lampe mit der höchsten Frequenz brennen die Elektroden dann allmählich wieder in den Ausgangsabstand zurück, was durch einen Anstieg der Brennspannung leicht beobachtet werden kann.
Steigt die Brennspannung, kann erfindungsgemäß die Elektrode mit langsam aufsteigenden Frequenzen erneut behandelt werden, bis die Spitzenstrukturen der Elektroden fast vollständig wieder aufgebaut sind. Nach jedem solchen Regenerationsvorgang kann die Lampe für ca. 100 Stunden auf der höchsten gewählten Frequenz betrieben werden.
Dabei hat die Erfindung den Vorteil, dass auch während der Regenerationsphasen das Licht der Lampe benutzt werden kann. Insgesamt ergibt sich bei steigendem Elektrodenabstand in der Regel ein Absinken der optischen Effizienz (z.B. ein Absinken der Schirmhelligkeit bei Videoprojektion, die dann bei der Regeneration wieder ansteigt). Diese auf einer Zeitskala von 100 Stunden schwankende Systemeffizienz ist in jedem Fall ein großer Vorteil gegenüber einer kontinuierlich absinkenden Effizienz.
Die Notwendigkeit einer erneuten Regeneration ist leicht aus dem Spannungsanstieg der Lampe ermittelbar. Steigt die Brennspannung über einen vorgegeben Wert, wird eine erneute Regeneration gestartet.
Beispielhaft wird im folgenden erläutert, wie das erfindungsgemäße Verfahren beim Betrieb einer Gasentladungslampe eines Videoprojektors ablaufen kann:
Ein erstmaliger Betrieb der Lampe wird über einen Betriebsstundenzähler erkannt, der bei einem Lampenwechsel automatisch zurückgesetzt wird. Dies ist bei vielen marktüblichen Projektoren bereits realisiert.
Die Lampe wird anfangs bei einer möglichst niedrigen Frequenz (z.B. 45 Hz) betrieben. Dieser Betrieb kann über einen festen Zeitraum (z.B. 1 Betriebsstunde) erfolgen. Altemativ kann die Frequenz auch so lange festgehalten werden, bis kein nennenswerter Spannungsrückgang (was ein Aufwachsen von Strukturen anzeigt) mehr zu beobachten ist. Vorteil dieser Verfahrensart ist, dass individuelle Unterschiede besser berücksichtigt werden können, als beim Betrieb über feste Zeiträume.
Anschließend wird die Frequenz erhöht. Dabei hat sich gezeigt, dass ein Erhöhen der Frequenz auf das etwa 1,2- bis 1,8-fache der jeweils vorangehenden Frequenz empfehlenswert ist. Die Betriebsdauer mit der neuen Frequenz kann dann wiederum über einen festen Zeitraum oder solange erfolgen, bis kein nennenswerter Spannungsrückgang mehr festzustellen ist.
Insgesamt wird die Frequenz so lange erhöht, bis entweder a) ein festgesetztes Frequenzlimit erreicht ist, b) eine festgesetzte Spannung erreicht ist oder c) kein nennenswertes Wachstum nach Erhöhung der Frequenz mehr zu beobachten ist.
Die so ermittelte Frequenz wird festgehalten und kann beispielsweise so lange benutzt werden, bis die Spannung wieder erheblich, z.B. bis auf das Anfangsniveau, angestiegen ist. Vorzugsweise werden die Elektroden aber bereits vor Anstieg auf das Ausgangsniveau neu "regeneriert", wozu die Lampe wieder mit einer möglichst niedrigen Frequenz betrieben wird.
Mit den erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Brennspannung und Bogenlänge bzw. Elektrodenabstand bei Gasentladungslampen erheblich reduzieren. Beispielsweise konnte bei einer Gasentladungslampe üblicher Bauart mit Elektroden der eingangs beschriebenen einfachen und kostengünstigen Bauart, bei der der Lampenstrom I2 zur Regelung der Leistung eingestellt wurde und der Pulsstrom I3 2,8 A betrug, mit einer Betriebsfrequenzfolge von 45, 65, 90 und 130 Hz die Brennspannung von anfänglich 85 V auf 52 V und die Bogenlänge von anfänglich 1,3 mm auf 0,7 mm reduziert werden, wobei diese erstaunliche Reduzierung wohlgemerkt nicht in einem separaten Bearbeitungsprozess, sondern während der "normalen" Nutzung der Lampe zum Beispiel im Projektionsbetrieb erfolgte.
Im Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen möglich, die sich zum Beispiel auf die Randbedingungen, bei denen die Betriebsfrequenzen erhöht oder erniedrigt werden, oder die Wahl der Betriebsfrequenzen beziehen. Wesentlich ist, dass das Verfahren eine Bearbeitung der Elektroden beim Betrieb der Gasentladungslampe dadurch ermöglicht, dass durch kontrolliertes Verändern der Betriebsfrequenz Transportphänomene zum Anlagern von Material auf den Elektroden genutzt werden.

Claims (26)

  1. Verfahren zum Betreiben einer mit Wechselspannung oder Wechselstrom gespeisten Gasentladungslampe, wobei in bestimmten Zeitintervallen die Momentanleistung der Lampe erhöht wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Werte wenigstens eines sich über die Zeit ändernden Betriebsdatums der Lampe kontinuierlich oder diskontinuierlich gemessen werden und
    die Frequenz der Wechselspannung oder des Wechselstroms (Betiriebsfrequenz) in Abhängigkeit von den gemessenen Werten gewählt wird
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsfrequenz in Abhängigkeit von den gemessenen Werten wenigstens eines Betriebsdatums aus der folgenden Gruppe von Betriebsdaten gewählt wird:
    Gesamtbetriebsdauer der Lampe, Brennspannung, abgegebene oder aufgenommene Leistung Bogenlänge, Elektrodenabstand.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen Werte auf das Erfüllen vorgegebener Randbedingungen überwacht werden und dass bei Erfüllung einer ersten Randbedingung (Startbedingung) die Lampe mit einer niedrigen Betriebsfrequenz (Startfrequenz) betrieben wird, bis eine zweite Randbedingung erfüllt ist, worauf die Betriebsfrequenz erhöht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsfrequenz nach Erfüllen der Startbedingung ausgehend von der Startfrequenz kontinuierlich oder vorzugsweise in diskreten Schritten erhöht wird, bis eine vorgegebene dritte Randbedingung (Abbruchbedingung) erreicht ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Startbedingung als erfüllt angesehen wird, wenn eine bestimmte Betriebsdauer vorliegt oder erreicht ist und/oder die notwendige Brennspannung auf einen vorbestimmten Wert angestiegen ist und/oder der Elektroabstand sich auf einen vorbestimmten Wert vergrößert hat.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Randbedingung als erfüllt angesehen wird, wenn die Lampe mit der Startfrequenz eine bestimmte Zeitdauer betrieben wurde oder wenn bei der direkten oder indirekten Messung des Elektrodenabstands über einen vorbestimmten Zeitraum keine Änderung mehr feststellbar ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Abbruchbedingung als erfüllt angesehen wird, wenn eine vorbestimmte Betriebsfrequenz (Maximalfrequenz) erreicht ist oder wenn die notwendige Brennspannung auf einen vorbestimmten Minimalwert abgesunken ist oder wenn bei der direkten oder indirekten Messung des Elektrodenabstands über einen vorbestimmten Zeitraum keine Änderung mehr feststellbar ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Startbedingung und Startfrequenz betriebszustandsabhängig gewählt wird
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass die gewählten Betriebsfrequenzen zwischen etwa 40 und 600 Hz liegen.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Betriebsfrequenz in diskreten Schritten erhöht wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz jeweils um etwa das 1,2- und 1,8-fache erhöht wird.
  11. Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe mit Wechselspannung oder Wechselstrom derart, dass in bestimmten Zeitintervallen die Momentanleistung der Lampe erhöht wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass Messmittel zum kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Messen der Werte wenigstens eines sich über die Zeit ändernden Betriebsdatums der Lampe und Mittel zum Verändern der Frequenz der Wechselspannung oder des Wechselstroms (Betriebsfrequenz) in Abhängigkeit von den gemessenen Werten vorgesehen sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel zur Messung der Werte wenigstens eines Betriebsdatums aus der folgenden Gruppe von Betriebsdaten ausgebildet sind: Gesamtbetriebsdauer der Lampe, Brennspannung, abgegebene oder aufgenommene Leistung, Bogenlänge, Elektrodenabstand.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine mit den Mitteln zum Verändern der Betriebsfrequenz gekoppelte Überwachungseinheit zur Überwachung der gemessenen Werte auf das Erfüllen vorgegebener oder vorgebbarer Randbedingungen vorgesehen ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch einem der Ansprüche 11 bis 13,
    dadurch gekennzeichnet, dass eine wenigstens einen Mikroprozessor aufweisende kompakte Auswerte- und Steuereinheit zur Steuerung der Betriebsfrequenz, der Brennspannung und des der Gasentladungslampe zugeführten Wechselstroms sowie zur Auswertung und Überwachung der gemessenen Werte auf das Erfüllen vorgegebener oder vorgebbarer Randbedingungen vorgesehen ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
    dadurch gekennzeichnet, dass zwischen etwa 40 und 600 Hz liegende Betriebsfrequenzen erzeugbar sind.
  16. Verfahren zum Bearbeiten der Elektroden einer Gasentladungslampe während des Betriebs der Lampe, wobei die Lampe mit Wechselspannung oder Wechselstrom betrieben und in bestimmten Zeitintervallen die Momentanleistung der Lampe erhöht wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Wechselspannung oder des Wechselstroms (Betriebsfrequenz) zur gezielten Ausnutzung des beim Betrieb der Lampe auftretenden Transports von Elektrodenmaterial verändert wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 16,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsfrequenz ausgehend von einer bestimmten Startfrequenz kontinuierlich oder vorzugsweise in diskreten Schritten erhöht wird, bis eine vorgegebene Randbedingung erfüllt ist.
  18. Verfahren nach einem der Anspruch 16 oder 17,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsfrequenzen zwischen etwa 40 und 600 Hz liegen.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsfrequenz in diskreten Schritten vorzugsweise um jeweils etwa das 1,2- und 1,8-fache erhöht wird.
  20. Gasentladungslampe mit zwei Elektroden,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden durch schrittweises Erhöhen der Frequenz des Lampenbetriebsstroms oder der Lampenbetriebsspannung bearbeitet wurden.
  21. Projektor mit einer Gasentladungslampe nach Anspruch 20.
  22. Fahrzeug mit einer Gasentladungslampe nach Anspruch 20.
  23. Projektor mit einer Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe nach einem der Ansprüche 11 bis 15.
  24. Fahrzeug mit einer Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe nach einem der Ansprüche 11 bis 15.
  25. Verwendung der Beziehung D = a /f1/2 zum Bearbeiten einer Elektrode einer Gasentladungslampe während des gepulsten Betriebs der Lampe mit einer Wechselstrom der Frequenz f, wobei D der ungefähre Durchmesser einer auf der Elektrode beim gepulsten Betrieb aufwachsenden Struktur, a eine lampenspezifische, insbesondere von Elektrodenmaterial- und geometrieabhängige Konstante der Einheit [Meter Hertzl /2] und f die Frequenz in Hertz ist.
  26. Maschinenlesbarer Datenträger mit einem Steuerprogramm zur Steuerung einer Vorrichtung zum einer Betreiben einer Gasentladungslampe enthaltend maschinenlesbare Anweisungen zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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