EP2499885A1 - Verfahren zum betrieb einer hochdruckentladungslampe auf der basis eines niederfrequenten rechteckbetriebs und einem teilweisen hochfrequenten betrieb zur bogenstabilisierung und zur farbdurchmischung - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer hochdruckentladungslampe auf der basis eines niederfrequenten rechteckbetriebs und einem teilweisen hochfrequenten betrieb zur bogenstabilisierung und zur farbdurchmischung

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EP2499885A1
EP2499885A1 EP11717533A EP11717533A EP2499885A1 EP 2499885 A1 EP2499885 A1 EP 2499885A1 EP 11717533 A EP11717533 A EP 11717533A EP 11717533 A EP11717533 A EP 11717533A EP 2499885 A1 EP2499885 A1 EP 2499885A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
lamp
pressure discharge
modulation
discharge lamp
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11717533A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Herbert Kästle
Marko KÄNING
Markus Berger
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Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a high-pressure discharge lamp.
  • the invention also relates to an operating device which carries out this method.
  • the invention is based on a method for operating a high pressure discharge lamp according to the preamble of the main claim.
  • HID lamps high-pressure discharge lamps
  • a relatively low-frequency rectangular lamp ⁇ power supply as shown in Fig. 1, used with rapid commutation.
  • This mode of operation applies in particular to the operation of
  • the current commutation serves to prevent the one-sided electrode wear and must be accomplished with sufficiently fast polarity reversal, so that the lamp does not go out during commutation.
  • the commutation time should typically be in the range
  • the commutation frequency is generally chosen so that, on the one hand, the short-term discontinuities during the commutation process do not appear in the light as flickering and, on the other hand, the acoustic emissions from both ECG as well as from the hot lamp as possible not fall into the audio range.
  • the commutation frequency should therefore be selected as far as possible in the range between 50Hz and 200Hz.
  • the commutation frequency should not be placed over the audio listening range> 20 kHz, so that the operation of the lamp, the acoustic resonances of the arc, which are in common lamp geometries yes between 20kHz and 150kHz, not be arbitrarily excited.
  • a resonant excitation of the arc would result in the masters ⁇ ten cases arc fluctuation and arc instabilities that can ultimately lead to extinction of the lamp or even destruction of the lamp.
  • Burning position due to buoyancy forces in the hot lamp itself, is systematically deflected out of its axial center upwards and thus forms arcuate between the electrodes.
  • Color segregation is understood to mean the uneven distribution of the filling components in the arc plasma in the lamp, which leads to different light parameters between the upper and the lower part of the lamp.
  • the color segregation occurs in particular in the vertical lamp burning position.
  • the simplest method for targeted excitation of a specific acoustic natural frequency in the lamp is not to operate the arc with the electronic control gear as usual in the low-frequency rectangular mode, but the arc already with an AC voltage or to operate an alternating current with the corresponding half frequency of the acoustic self-resonance.
  • Fig. 2a One known mode of operation that leads to arc stabilization via the 2A excitation, which does not allow color segregation, would be the simple square wave operation as shown in Fig. 2a, with simple sequential direct drive, in which an operating frequency is briefly removed from the rectangular mode in the direct drive from eg 40 kHz is set, with which the excitation of a certain acoustic self-resonance, e.g. to set the 2A resonance.
  • Fig. 2b shows a section of the direct drive with an operating frequency of 40 kHz.
  • the segregation of the filling components can be prevented by the targeted excitation of a special acoustic self-resonance in the discharge arc of the lamp with longitudinal mode character (2L excitation), since this mode leads in lamp burner vessel to form cross-flow ⁇ cells that counteract the segregation of the filling components.
  • 2L excitation longitudinal mode character
  • the targeted excitation of the 2L mode in the lamp must be done by the electrical operating device.
  • arc straightening Similar to colormixing, arc straightening also excites a specific acoustic self-resonance in the discharge arc (2A excitation), which, due to its modal characteristics, does not lead to the usual bow instabilities, but rather to increased stability of the arc Arc in the axial direction brings with it.
  • the natural resonances in question are usually those with an azimuthal mode structure.
  • the excitation can take place via a direct high-frequency operation (so-called direct drive), via an amplitude modulation to the low-frequency square-wave voltage or through a mixture of these operating modes.
  • direct drive a direct high-frequency operation
  • loading the high-frequency operation of a low-frequency right ⁇ wave voltage is combined for operating the gas discharge lamp agreed azimuthal resonance frequencies at the same time be ⁇ voted longitudinal resonance frequencies excited.
  • the excitation can be done either by a direct drive with two different frequencies in two different ones
  • a circuit arrangement for carrying out this method is known from WO2008 / 083852A1, the disclosure content of which is hereby incorporated by reference.
  • Fig.l a graph of a known rectangular
  • Fig. 2a is a graph of a known lamp operating voltage by means of arc straightening by excitation of an azimuthal mode by means of a direct drive in combination with a low-frequency rectangular operation according to the prior art.
  • FIG. 2b shows a detailed view of the direct drive of the lamp voltage ⁇ to excite the azimuthal modes of Fig. 2a
  • FIG. 3a is a graph of the lamp operating voltage of a first embodiment of the method according to the invention with arc straightening with dual sequential direct drive in combination with a low-frequency rectangular operation for excitation of the azimuthal and longitudinal modes
  • Fig. 3b is a detail view of the first high-frequency
  • Fig. 3c is a detail view of the second high-frequency
  • 4a is a graph of the lamp operating voltage of a second embodiment of the method according to the invention with arc straightening with sequential direct drive for excitation of the azimuthal modes and the low-frequency voltage alsmo ⁇ dulierter high-frequency voltage for exciting the longitudinal modes,
  • FIG. 4b is a detail view of the Direct drives of the lamps ⁇ voltage for excitation of the azimuthal modes from Fig. 4a,
  • Fig. 4c is a detailed view of the Amplitudenmodulationsfre acid sequence of the lamp voltage of the lamp voltage for excitation of the longitudinal modes from Fig. 4a,
  • 5a shows a graph of the lamp operating voltage of a third embodiment of the method according to the invention with arc straightening with sequential tiellem direct drive for excitation of the azimuthal modes and on the low-frequency voltage and the voltage of the direct drives modulated high-frequency voltage for excitation of the longitudinal modes
  • Fig. 5b is a detail view of the amplitude modulated
  • Fig. 5c is a detailed view of the Amplitudenmodulationsfre acid sequence of the lamp voltage for excitation of the longitudinal modes from FIG. 5a,
  • FIG. 6a is a graph of the lamp operating voltage of a fourth embodiment of the method according to the invention with an arc straightening with sequentially alsmodulier ⁇ ter to the low-voltage high-frequency voltage for exciting the longitudinal and azimuthal modes,
  • FIG. 6b shows a detailed view of the two sequential amplitude modulation frequencies of the lamp voltage for excitation of the azimuthal and longitudinal modes from FIG. 6a.
  • the position of the azimuthal natural frequencies active for arc straightening depends on the one hand on the geometry of the lamp (length, aspect ratio) but also on the general operating parameters of the lamp, such as pressure, temperature,
  • the azimuthal eigenmodes are in the range between 20 kHz to 150 kHz, typically around 80 kHz.
  • the effective longitudinal natural frequencies are also dependent on the geometry of the lamp (length, aspect ratio) and also from the general operating parameters of the lamp, such as pressure, temperature, fill gas, charge components, power, etc.
  • the longitudinal eigenmodes are in the range between 20 kHz to 60 kHz, typically about 26 kHz.
  • the electronic operating device must operate the lamp exactly at half the operating frequency at 30 kHz in a sinusoidal manner. If you want to stimulate an azimuthal mode in the lamp at 80KHz, the electronic control gear must operate the lamp exactly sinusoidal at half the operating Wech ⁇ frequency at 40kHz.
  • This supply current would have a singular frequency component at 30kHz or at 40kHz, and the corresponding power spectrum, ie the spectrum of the product of current and voltage would be a singular frequency line will have exactly in the double ⁇ th frequency, ie at 60 kHz or at 80kHz, with the then the corresponding acoustic mode is excited in the lamp.
  • the disadvantage of the Direct-Drive is that it is ⁇ rig relatively Schwiering to control the excitation intensity of the desired acoustic eigenmode because the direct drive of Naturalmodula ⁇ tion degree always being 100% and the two degrees of freedom, the size of the sweep range, so the Frequency range, the is exceeded periodically or the Sweepwiederholfrequenz, can be varied only conditionally.
  • the size of the sweep range can not be arbitrarily broadened, since usually in the immediate vicinity of the targeted and Bogenogenradrading active resonance more natural acoustic frequencies are that should not be taken gefof ⁇ fen, as this then disadvantageous when excited with their negative effects on the sheet stability would do.
  • the sweep repetition rate or the sweep repetition frequency can generally not be lowered arbitrarily, since unavoidable power fluctuations occur during the
  • the sweeping process can only be compensated accurately with high outlay, and these power fluctuations would be noticeable as fluctuation in the light, especially at frequencies ⁇ 50 Hz.
  • the corresponding frequency component In low-frequency rectangular operation, the corresponding frequency component must be additively set as an amplitude modulation to the rectangular lamp supply for the electrical excitation of a special natural lamp frequency.
  • the modulated frequency component coincides in magnitude with the value of the actual target natural frequency in the lamp, and the modulated frequency component appears directly in the power spectrum of the square wave signal.
  • the frequency doubling as with the direct drive does not take place here.
  • the modulated frequency component must also be at 26kHz.
  • Self-resonance can be set clearly on the depth of the modulation or the degree of modulation, which would allow even an on ⁇ adjustment to individual lamps.
  • the degree of modulation of the Amplitudenmodula ⁇ tion is for effective modulation between 5% and 30%, typically 10%.
  • FIG. 3a shows a graph of the lamp operating voltage of a first embodiment of the method according to the invention with arc straightening with dual sequential direct drive in combination with a neutral square wave signal for excitation of the azimuthal and longitudinal modes.
  • This mode of operation is the dual sequential direct drive in combination with a neutral rectangular signal in which two different time slices each two different operating frequencies are impressed, with which then two different acoustic Eigenreso ⁇ nanzen can be excited with adjustable strength wherein the basic operation of the lamp on the rectangular mode, as shown in Fig.l is done.
  • the excitation of the 2nd azimuthal self-resonance for the purpose of arc straightening (the arc Staightenings), as shown in Fig. 3b, is carried out sequentially on the short-term operation of the lamp in the direct drive mode at 40kHz, via the setting of the temporal duty cycle of Rectangle mode and direct drive mode, the absolute excitation power for the acoustic self-resonance can be set.
  • a modulation depth of 10% can be achieved with a direct drive time slice of lmsec.
  • the excitation of the 2nd longitudinal mode resonance (2L resonance) 3c ge ⁇ shows for the purpose of Colormixings, as shown in Fig., Is performed sequentially over the short-term operation of the lamp in the direct drive mode at 13kHz, wherein terminating the temporal duty cycle Rectangle mode and direct drive mode, the absolute excitation power for the acoustic self-resonance can be set.
  • a modulation depth of 12% can be realized with a direct-drive time slice of 1.2 ms.
  • FIG. 4a shows a graph of the lamp operating voltage of a second embodiment of the method according to the invention with arc straightening with sequential direct drive for excitation of the azimuthal modes and high-frequency voltage modulated on the low-frequency voltage for excitation of the longitudinal modes.
  • the excitation of the 2nd azimuthal self-resonance for the purpose of arc straightening (the arc Staightenings), as in Fig. 4b is shown sequentially on the short-term operation of the lamp in the direct drive mode at 40kHz, where the excitation strength for the acoustic self-resonance can be set by setting the temporal duty cycle of the rectangular mode and direct drive mode.
  • a modulation depth of 10% can be achieved with a direct drive time slice of lmsec.
  • the excitation of the 2nd longitudinal mode resonance (2L resonance) for the purpose of Colormixings as ge ⁇ shows in Fig. 4c, via which an imprint of a Amplitudenmodula ⁇ tion to the amplitudes of the rectangle.
  • the AM modulation frequency is 26kHz.
  • the adjustable AM modulation depth determines the excitation intensity for the 2L colormixing resonance.
  • the amplitude modulation can optionally during the entire period, ie during the pure rectangular fashion phase and the direct-drive phase activated (see. The Ausstateun ⁇ gen to the third embodiment) or only during the pure rectangle phase be enabled and during considerablezeiti ⁇ be switched off Direct Drive phase.
  • Fig. 4b shows a graph of the lamp voltage during the time slice in which the direct drive is active.
  • Fig. 4c shows a graph of the lamp voltage during the time slice in which the lamp is operated with a modulated low frequency voltage.
  • FIG. 5a shows a graph of the lamp operating voltage of the third embodiment of the method according to the invention with arc straightening sequential direct drive to excite the azimuthal modes and to the low frequency voltage and to the voltage of the direct drive modulated high frequency voltage to excite the longitudinal modes.
  • amplitude modulation for color mixing is modulated not only on the low-frequency rectangle, but also on the high-frequency sinusoidal voltage for arc straightening.
  • Fig. 5b shows the modulated sinusoidal voltage in the direct drive, which is modulated with an amplitude modulation at 26 kHz.
  • FIG. 5 c shows a section of the rectangular voltage, which is likewise modulated with an amplitude modulation at 26 kHz.
  • FIG. 6a shows a graph of the lamp operating voltage of a fourth embodiment of the method according to the invention with arc straightening with a high-frequency voltage modulated onto the low-frequency voltage for excitation of the longitudinal and azimuthal modes.
  • This mode of operation would be in the rectangular mode of the dual sequential AM operation, in which the amplitude modulation is operated in two different time slices each with two different frequencies.
  • the excitation intensity of the two targeted acoustic self-resonances can be adjusted via the corresponding associated AM depth.
  • FIG. 6b shows a detailed view of the lamp voltage for exciting the azimuthal and longitudinal modes of FIG. 6a. The section was chosen so that the change between the two modes is visible.

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  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit folgenden Schritten: a) an die Hochdruckentladungslampe wird während einer ersten Zeitscheibe eine Spannung mit einer ersten Frequenz angelegt, und diese mit einer zweiten Frequenz und einem ersten Modulationsgrad moduliert, b) an die Hochdruckentladungslampe wird während einer zweiten Zeitscheibe eine Spannung mit einer dritten Frequenz angelegt, und diese mit einer vierten Frequenz und einem zweiten Modulationsgrad moduliert, c) an die Hochdruckentladungslampe wird während einer dritten Zeitscheibe eine Spannung einer fünften Frequenz angelegt. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Betriebsgerät zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe, dass obiges Verfahren ausführt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betrieb einer Hochdruckentladungslampe auf der Basis eines niederfrequenten Rechteckbetriebs und einem teilweisen hochfrequenten Betrieb zur Bogenstabilisierung und zur Farbdurchmischung .
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe. Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Betriebsgerät, welches dieses Verfahren ausführt.
Hintergrund
Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe nach der Gattung des Haupt- anspruchs .
Zum Betrieb von Hochdruckentladungslampen (HID-Lampen) wird meist eine relativ niederfrequente rechteckförmige Lampen¬ stromversorgung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, mit schneller Kommutierung verwendet.
Diese Betriebsweise gilt insbesondere für den Betrieb von
Standard-HCI-Lampen, bedingt kann sie aber auch zum Betrieb von quecksilberfreien molekularstrahlungsdominierten Lampen herangezogen werden.
Die Stromkommutierung dient dabei zur Verhinderung der einseitigen Elektrodenabnutzung und muss mit hinreichend schneller Umpolung bewerkstelligt werden, damit die Lampe während der Kommutierung nicht erlöscht.
Die Kommutierungszeit sollte typischerweise im Bereich
<100usec erfolgen.
Die Kommutierungsfrequenz wird im allgemeinen so gewählt, dass einerseits die kurzzeitigen Diskontinuitäten während des Kommutierungsvorgangs sich im Licht nicht als Flackern zeigen und anderseits die akustischen Emissionen sowohl vom EVG als auch von der heißen Lampe möglichst nicht in den Audiobereich fallen.
Die Kommutierungsfrequenz sollte also möglichst im Bereich zwischen 50Hz und 200Hz gewählt werden.
Die besten Ergebnisse erzielt man, wenn man die Kommutie¬ rungsfrequenz bei 100Hz auf das Netz synchronisiert, wo¬ durch die niederfrequenten und leicht sichtbaren Mischungsmoden zwischen den Schwankungen während den Kommutierungsübergängen und dem allfälligem Ripple der Netzversorgung unterdrückt werden.
Die Kommutierungsfrequenz sollte aber auch nicht über den Audiohörbereich bei >20 kHz gelegt werden, damit beim Betrieb der Lampe die akustischen Eigenresonanzen des Entladungsbogens, die bei gängigen Lampengeometrien ja zwischen 20kHz und 150kHz liegen, nicht willkürlich angeregt werden. Eine resonante Anregung des Lichtbogens würde in den meis¬ ten Fällen zu Bogenfluktuation und Bogeninstabilitäten führen, die letztlich zum Erlöschen der Lampe oder gar zur Zerstörung der Lampe führen können.
Mit dem oben beschriebenen einfachen Rechteckbetrieb können in der Regel die meisten standardisierten HID-Lampen betrieben werden, ohne dass es dabei zu nennenswerten Boge- ninstabilititäten und Bogenauslenkungen kommt.
Anders verhält es sich hingegen bei speziellen Lampengeo- metrien mit hohen Aspektverhältnissen, d.h. Lampen mit hohem Verhältnis zwischen Lampengefäßlänge und Lampengefäß- durchmesser, bzw. Bogenlänge zu Bogendurchmesser, oder auch bei Lampen mit speziellen Füllungssystemen, die auf der molekülstrahlungsdominierten Abstrahlung beruhen, was in der Regel zur erhöhten Bogeneinschnürung und der damit verbunden erhöhten Empfindlichkeit auf akustische Resonan¬ zen führt.
In diesen Fällen tritt neben der Möglichkeit der Anregung stabilitätsmindernder akustischer Eigenresonanzen auch die Möglichkeit auf, dass der Lichtbogen in Abhängigkeit von seiner Orientierung, wie vertikaler oder horizontaler
Brennlage, infolge von Auftriebskräften in der heißen Lampe selbst, systematisch aus seinem axialen Zentrum heraus nach oben hin ausgelenkt wird und sich damit bogenförmig zwischen den Elektroden ausbildet.
Diese bogenförmigen Auslenkungen führen im allgemeinen wegen der Änderung der effektiven Bogenlänge zur Änderung der elektrischen Plasmabetriebsparameter, wie der Brennspannung oder der Lage der akustischen Eigenresonanzen, welche aber für den stabilen Betrieb des Bogens mit einem elektrischen Betriebsgerät (EVG) von eminenter Wichtigkeit sind.
Eine derartige systematische Bogenauslenkung führt also in der Regel zu Problemen beim elektrischen Betrieb der Lampe. Zur Vermeidung dieser meist auftriebsbedingten Bogenauslen- kungen in der Lampe und zur allgemeinen Stabilisierung von Entladungsbögen mit hohem Aspektverhältnis können die Be¬ triebsmethoden der Bogenbegradigung bzw. des Arc- Straightenings angewandt werden.
Neben der Bogenauslenkung muss bei HID-Lampen mit hohen Aspektverhältnissen, wie sie bei hocheffizienten Lampen bzw. bei molekularstrahlungsdominierten Lampen verwendet werden, zusätzlich noch die sogenannte Farbsegregation unterdrückt werden.
Unter Farbsegregation versteht man die ungleichmäßige Verteilung der Füllungskomponenten im Bogenplasma in der Lam- pe, was zu unterschiedlichen Lichtparametern zwischen dem oberen und dem unteren Teil der Lampe führt.
Die Farbsegregation tritt insbesondere in vertikaler Lam- penbrennlage auf.
Um dies zu verhindern, können besondere akustische Eigen- frequenzen des Lampenbrenners angeregt werden. Man spricht hier von der Anregung einer 2A-Resonanz.
Die einfachste Methode zur gezielten Anregung einer spezieller akustischer Eigenfrequenz in der Lampe ist, den Lichtbogen mit dem elektronischen Betriebsgerät nicht wie üblich im niederfrequenten Rechteckmode zu betreiben, sondern den Lichtbogen bereits mit einer Wechselspannung bzw. einem Wechselstrom mit der entsprechenden halben Frequenz der akustischen Eigenresonanz zu betreiben.
Im Gegensatz zum Rechteckbetrieb spricht man hier von einem Hochfrequenzbetrieb, im Folgenden auch als Direct-Drive bezeichnet. Der folgende Absatz beschreibt die dosierte Anregung einer 2A-Mode zur Unterdrückung der Bogenauslen- kung, bzw. zur Stablisierung des Bogens per Arc- Straighning .
Eine bekannte Betriebsweise, die über die2A-Anregung zur Bogenstabilisierung führt, die keine Farbsegregation zu- lässt wäre der einfache Rechteckbetrieb wie in Fig. 2a dargestellt, mit einfachem sequentielle Direct-Drive, bei dem kurzzeitig aus dem Rechteckmode heraus im Direct-Drive eine Betriebsfrequenz von z.B. 40kHz eingestellt wird, mit der sich dann über die Länge der Zeitscheibe die Anregung einer bestimmte akustischen Eigenresonanz z.B. der 2A- Resonanz einstellen lässt. Fig. 2b zeigt einen Ausschnitt des Direct-Drives mit einer Betriebsfrequenz von 40 kHz.
Aus der US 6437517B1 und der EP 1434471 sind Betriebsver- fahren bekannt, die die Gasentladungslampe mit sequentiel¬ lem Direct-Drive betreiben. Dazu werden zwei verschiedene Frequenzen zur Anregung zweier verschiedener akustischer Resonanzen an die Lampe angelegt. Durch den Dauerbetrieb im Direct-Drive kann aber die Modulation beider Frequenzen bezüglich ihrer Modulationstiefe nur im Verhältnis zueinan¬ der verändert werden, die absoluten Modulationstiefen der beiden Frequenzen lassen sich dagegen nicht unabhängig voneinander einstellen. Diese Betriebsverfahren sind daher nicht auf alle Lampentypen sicher anzuwenden und technisch teilweise schwierig zu implementieren.
Aufgabe
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Hochdruckentladungslampe anzugeben, bei dem der Ent- ladungsbogen begradigt wird und in allen Brennlagen eine erhöhte Betriebsstabilität zeigt (2A-Anregung) als auch die Farbsegregation durch Colormixing unterdrückt wird (2L- Anregung) , wobei die absolute Modulationstiefe der beiden hochfrequenten Anregungen unabhängig voneinander einstellbar sind. Zusammenfassung
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Zur Vermeidung der Entmischung der Füllungskomponenten müssen die Betriebsmethoden des Colormixings angewandt werden.
Die Entmischung der Füllungskomponenten lässt sich durch die gezielte Anregung einer speziellen akustischen Eigenresonanz im Entladungsbogen der Lampe mit longitudinalem Modencharakter (2L-Anregung) verhindern, da diese Mode in Lampenbrennergefäß zur Ausbildung übergreifender Strömungs¬ zellen führt, die der Entmischung der Füllkomponenten entgegenwirken .
Man spricht von der Anregung der 2. longitudinalen akustischen Mode zum Zwecke der Farbsegregationsunterdrückung bzw. zum Zwecke des Colormixing.
Die gezielte Anregung der 2L-Mode in der Lampe muss durch das elektrische Betriebsgerät erfolgen.
Ähnlich wie beim Colormixing wird beim Arc-Straightening ebenfalls durch das elektrische Betriebsgerät gezielt im Entladungsbogen eine spezielle akustische Eigenresonanz angeregt (2A-Anregung) , die ebenfalls infolge ihrer modalen Eigenschaften nicht zu den allgemein üblichen Bogeninstabi- litäten führt, sondern vielmehr eine erhöhten Stabilität des Bogens in axialer Richtung mit sich bringt.
Die hierzu in Frage kommenden Eigenresonanzen sind meist die mit azimutaler Modenstruktur.
Man spricht von der Anregung der 2. azimutalen akustischen Mode zum Zwecke der Bogenbegradigung bzw. von Arc- Straightening . Die Anregung kann über einen direkten Hochfrequenzbetrieb (sog. Direct-Drive) , über eine Amplitudenmodulation auf die niederfrequente Rechteckspannung oder durch eine Mischung dieser Betriebsarten erfolgen. Erfindungsgemäß werden be- stimmte azimutale Resonanzfrequenzen gleichzeitig mit be¬ stimmten longitudinalen Resonanzfrequenzen angeregt, wobei der hochfrequente Betrieb mit einer niederfrequenten Recht¬ eckspannung zum Betrieb der Gasentladungslampe kombiniert wird. Die Anregung kann entweder durch einen Direct-Drive mit zwei verschiedenen Frequenzen in zwei verschiedenen
Zeitscheiben oder einer Kombination zweier unterschiedlicher Direct-Drive in zwei verschiedenen Zeitscheiben und zwei verschiedenen Frequenzen mit einem niederfrequenten Rechteckbetrieb oder durch Kombination eines Direct-Drive mit einer Frequenz mit einem niederfrequenten Rechteckbetrieb, der mit einer anderen hohen Frequenz amplitudenmoduliert wird, erfolgen. Eine Schaltungsanordnung zur Ausführung dieses Verfahrens ist aus der WO2008/083852A1 bekannt, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme einge- schlössen wird.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung .
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identi¬ schen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
Fig.l einen Graphen einer bekannten rechteckförmigen
Lampenbetriebsspannung nach dem Stand der Tech- nik, Fig. 2a einen Graphen einer bekannten Lampenbetriebsspannung mittels einer Bogenbegradigung durch Anregung einer azimutalen Moden mittels eines Direct Drive in Kombination mit einem niederfrequenten Rechteckbetrieb nach dem Stand der Technik.
Fig. 2b eine Detailansicht des Direct-Drives der Lampen¬ spannung zur Anregung der azimutalen Moden aus der Fig. 2a
Fig. 3a einen Graphen der Lampenbetriebsspannung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Bogenbegradigung mit dualem sequentiellem direct drive in Kombination mit einem niederfrequenten Rechteckbetrieb zur Anregung der azimutalen und der longitudinalen Moden, Fig. 3b eine Detailansicht des ersten hochfrequenten
Direct-Drives der Lampenspannung zur Anregung der azimutalen Moden aus der Fig. 3a,
Fig. 3c eine Detailansicht des zweiten hochfrequenten
Direct-Drives der Lampenspannung zur Anregung der longitudinalen Moden aus der Fig. 3a,
Fig. 4a einen Graphen der Lampenbetriebsspannung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Bogenbegradigung mit sequentiellem Direct Drive zur Anregung der azimutalen Moden und auf die niederfrequente Spannung aufmo¬ dulierter hochfrequenter Spannung zur Anregung der longitudinalen Moden,
Fig. 4b eine Detailansicht des Direct-Drives der Lampen¬ spannung zur Anregung der azimutalen Moden aus der Fig. 4a,
Fig. 4c eine Detailansicht der Amplitudenmodulationsfre¬ quenz der Lampenspannung der Lampenspannung zur Anregung der longitudinalen Moden aus der Fig. 4a,
Fig 5a einen Graphen der Lampenbetriebsspannung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Bogenbegradigung mit sequen- tiellem direct drive zur Anregung der azimutalen Moden und auf die niederfrequente Spannung und auf die Spannung des direct drives aufmodulierter hochfrequenter Spannung zur Anregung der longitu- dinalen Moden,
Fig. 5b eine Detailansicht des amplitudenmodulierten
Direct-Drives der Lampenspannung zur Anregung der azimutalen und longitudinalen Moden aus der Fig. 5a,
Fig. 5c eine Detailansicht der Amplitudenmodulationsfre¬ quenz der Lampenspannung zur Anregung der longitudinalen Moden aus der Fig. 5a,
Fig. 6a einen Graphen der Lampenbetriebsspannung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäße Ver- fahrens mit einer Bogenbegradigung mit auf die niederfrequente Spannung sequentiell aufmodulier¬ ter hochfrequenter Spannung zur Anregung der longitudinalen und der azimutalen Moden,
Fig. 6b eine Detailansicht der beiden sequentiellen Amp- litudenmodulationsfrequenzen der Lampenspannung zur Anregung der azimutalen und der longitudinalen Moden aus der Fig. 6a.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die Lage der für die Bogenbegradigung aktiven azimutalen Eigenfrequenzen hängt einerseits von der Geometrie der Lampe (Länge, Aspektverhältnis) aber auch von den allgemei- nen Betriebsparametern der Lampe, wie Druck, Temperatur,
Füllgas, Füllungskomponenten, Leistung etc. ab. Bei vorliegenden Lampen liegen die azimutalen Eigenmoden im Bereich zwischen 20kHz bis 150kHz, typischerweise bei etwa 80kHz.
Die wirksamen longitudinalen Eigenfrequenzen hängen eben- falls von der Geometrie der Lampe (Länge, Aspektverhältnis) und auch von den allgemeinen Betriebsparametern der Lampe, wie Druck, Temperatur, Füllgas, Füllungskomponenten, Leistung etc. ab. Bei vorliegenden Lampen liegen die longitudi- nalen Eigenmoden im Bereich zwischen 20kHz bis 60kHz, typi- scherweise bei etwa 26kHz.
Will man z.B. mit dem elektronischen Betriebsgerät im Di- rect-Drive gezielt eine azimutale Mode in der Lampe bei 60KHz anregen, so muss das elektronische Betriebsgerät die Lampe genau mit der halben Betriebswechselfrequenz bei 30kHz sinusförmig betreiben. Will man eine azimutale Mode in der Lampe bei 80KHz anregen, so muss das elektronische Betriebsgerät die Lampe genau mit der halben Betriebswech¬ selfrequenz bei 40kHz sinusförmig betreiben.
Das Amplitudenspektrum dieser Versorgungsspannung bzw.
dieses Versorgungsstroms würde bei 30kHz beziehungsweise bei 40kHz eine singuläre Frequenzkomponente aufweisen, und das zugehörige Leistungsspektrum, also das Spektrum des Produkts aus Strom und Spannung würde genau bei der doppel¬ ten Frequenz, also bei 60kHz beziehungsweise bei 80kHz eine singuläre Frequenzlinie aufweisen wird, mit der dann die entsprechende akustische Mode in der Lampe angeregt wird.
Zusätzlich zu der Frequenzlinie bei 80kHz weist das Leis¬ tungsspektrum im Allgemeinen auch noch eine Komponente bei f=0Hz auf, die der mittleren umgesetzten Leistung in der Lampe entspricht.
Der Vorteil des Direct-Drives ist der, dass er mit den einfachen Schaltanordnungen in einer Halbbrücke realisieren werden kann und das EVG damit mit relativ geringem elektro¬ nischen Aufwand aufgebaut werden kann.
Der Nachteil des Direct-Drives ist, dass es relativ schwie¬ rig ist, die Anregungsstärke der gewünschten akustischen Eigenmode zu steuern, da beim Direct-Drive der Durchmodula¬ tionsgrad stets 100% beträgt und die beiden Freiheitsgrade, die Größe des Sweepbereichs , also des Frequenzbereichs, der periodisch überfahren wird oder die Sweepwiederholfrequenz , nur bedingt variiert werden können.
Die Größe des Sweepbereichs lässt sich nicht beliebig verbreitern, da meist in unmittelbarer Nähe der angezielten und bogenbegradigungsaktiven Resonanz sich weitere akustische Eigenfrequenzen befinden, die möglichst nicht getrof¬ fen werden sollten, da sich diese dann bei Anregung mit ihren negativen Auswirkungen auf die Bogenstabilität nachteilig bemerkbar machen würden.
Die Sweepwiederholungsrate bzw. die Sweepwiederholfrequenz lässt sich in der Regel auch nicht beliebig erniedrigen, da unvermeidliche Leistungsschwankungen sich während des
Sweepvorgangs regelungstechnisch nur mit hohem Aufwand exakt kompensieren lassen und diese Leistungsschwankungen sich gerade bei Frequenzen <50Hz als Fluktuation im Licht bemerkbar machen würden.
Eine alternative Methode zur gezielten und dosierten Anre¬ gung einer speziellen akustischen Eigenfrequenz des Entladungsbogens mittels des Betriebsgeräts lässt sich dagegen mit dem Rechteckbetrieb erreichen.
Man spricht von der Rechteck-AM-Modulation .
Im niederfrequenten Rechteckbetrieb muss zur elektrischen Anregung einer speziellen Lampeneigenfrequenz die entsprechende Frequenzkomponente als Amplitudenmodulation auf die rechteckförmige Lampenversorgung additiv aufgesetzt werden.
Bei dieser Modulationsmethode deckt sich die aufmodulierte Frequenzkomponente betragsmäßig mit dem Wert der tatsächli¬ chen angezielten Eigenfrequenz in der Lampe und die aufmodulierte Frequenzkomponente erscheint direkt im Leistungs- spektrum des Rechtecksignals.
Die Frequenzverdopplung wie beim Direct-Drive findet hierbei nicht statt. Liegt beispielsweise die tatsächliche angezielte Eigenfre¬ quenz in der Lampe bei 26kHz, so muss die aufmodulierte Frequenzkomponente ebenfalls bei 26kHz liegen.
Der Vorteil der aufgesetzten Amplitudenmodulation ist der, dass sich der Anregungsgrad der anvisierten akustischen
Eigenresonanz eindeutig über die Tiefe der Modulation bzw. dem Modulationsgrad einstellen lässt, was selbst eine An¬ passung auf individuelle Lampen ermöglichen würde.
Ein Nachteil der Amplitudenmodulation im Rechteckbetrieb ist aber im allgemeinen deren aufwändige technische Reali¬ sierung im EVG, weshalb sie bislang in der Regel selten umgesetzt wurde. Der Modulationsgrad der Amplitudenmodula¬ tion liegt für eine wirksame Modulation zwischen 5% und 30%, typischerweise bei 10%.
Im folgendem wird nun das erfindungsgemäße Verfahren zum
Betrieb einer quecksilberfreien und molekularstrahlungsdo- minierten Hochdruckentladungslampe (HID-Lampe) erläutert, die gezielte akustische Anregungen sowohl für das Arc- Straightening als auch die gezielte akustische Anregungen zur Unterdrückung der Farbsegregation benötigt.
Hierbei ist es, infolge der akustischen Eigenschaften dieses Lampentyps erforderlich, dass bei beiden Frequenzeintragungen die Anregungsstärke gezielt und unabhängig von¬ einander auf einem reduzierten Level eingestellt werden kann.
Um dies zu bewerkstelligen, werden folgende erfindungsgemä¬ ße Betriebsverfahren vorgeschlagen:
Fig. 3a zeigt einen Graphen der Lampenbetriebsspannung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäße Verfah- rens mit einer Bogenbegradigung mit dualem sequentiellem direct drive in Kombination mit einem neutralen Rechtecksignal zur Anregung der azimutalen und der longitudinalen Moden. Diese Betriebsweise ist der duale sequentielle Di- rect-Drive in Kombination mit einem neutralen Rechtecksig- nal, bei dem in zwei unterschiedlichen Zeitscheiben jeweils zwei unterschiedliche Betriebsfrequenzen eingeprägt werden, mit denen dann zwei unterschiedlich akustische Eigenreso¬ nanzen mit einstellbarer Stärke angeregt werden können wobei der Grundbetrieb der Lampe über den Rechteckmode, wie er in Fig.l dargestellt ist erfolgt.
Die Anregung der 2. azimutalen Eigenresonanz zum Zwecke der Bogenbegradigung (des Arc-Staightenings) , wie in Fig. 3b gezeigt, erfolgt sequentiell über den kurzzeitigen Betrieb der Lampe im Direct-Drive-Mode bei 40kHz, wobei über die Einstellung des zeitlichen Tastverhältnisses von Rechteckmode und Direct-Drive-Mode die absolute Anregungsstärke für die akustische Eigenresonanz festgelegt werden kann.
Beträgt die Periodendauer des Rechteckbetriebs z.B. 10msec, so lässt sich mit einer Direct-Drive-Zeitscheibe von lmsec eine Modulationstiefe von 10% realisieren.
Die Anregung der 2. longitudinalen Eigenresonanz (2L- Resonanz) zum Zwecke des Colormixings , wie in Fig. 3c ge¬ zeigt, erfolgt sequentiell über den kurzzeitigen Betrieb der Lampe im Direct-Drive-Mode bei 13kHz, wobei über die Einstellung des zeitlichen Tastverhältnisses von Rechteckmode und Direct-Drive-Mode die absolute Anregungsstärke für die akustische Eigenresonanz festgelegt werden kann.
Beträgt die Periodendauer des Rechteckbetriebs z.B. 10msec, so lässt sich mit einer Direct-Drive-Zeitscheibe von 1,2 ms eine Modulationstiefe von 12% realisieren.
Fig. 4a zeigt einen Graphen der Lampenbetriebsspannung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäße Verfahrens mit einer Bogenbegradigung mit sequentiellem direct drive zur Anregung der azimutalen Moden und auf die niederfrequente Spannung aufmodulierter hochfrequenter Spannung zur Anregung der longitudinalen Moden.
Die Anregung der 2. azimutalen Eigenresonanz zum Zwecke der Bogenbegradigung (des Arc-Staightenings) , wie in Fig. 4b gezeigt, erfolgt sequentiell über den kurzzeitigen Betrieb der Lampe im Direct-Drive-Mode bei 40kHz, wobei über die Einstellung des zeitlichen Tastverhältnisses von Rechteckmode und Direct-Drive-Mode die Anregungsstärke für die akustische Eigenresonanz festgelegt werden kann.
Beträgt die Periodendauer des Rechteckbetriebs z.B. 10msec, so lässt sich mit einer Direct-Drive-Zeitscheibe von lmsec eine Modulationstiefe von 10% realisieren.
Die Anregung der 2. longitudinalen Eigenresonanz (2L- Resonanz) zum Zwecke des Colormixings , wie in Fig. 4c ge¬ zeigt, erfolgt über die Aufprägung einer Amplitudenmodula¬ tion auf die Amplituden des Rechtecks. Die AM- Modulationsfrequenz beträgt 26kHz. Die einstellbare AM- Modulationstiefe bestimmt die Anregungsstärke für die 2L- Colormixing-Resonanz .
Die Amplitudenmodulation kann optional während der gesamten Periode, also während der reinen Rechteckmodephase als auch der Direct-Drive-Phase aktiviert sein (vgl. die Ausführun¬ gen zur dritten Ausführungsform) oder nur während der rei- nen Rechteckphase aktiviert sein und während der kurzzeiti¬ gen Direct-Drive-Phase abgeschaltet sein. Fig. 4b zeigt einen Graphen der Lampenspannung während der Zeitscheibe, in der der Direct-Drive aktiv ist. Fig. 4c zeigt einen Graphen der Lampenspannung während der Zeitscheibe in der die Lampe mit einer modulierten niederfrequenten Spannung betrieben wird. Bei dieser Ausführungsform ist es von Vorteil, dass im Anregungsspektrum infolge der abgeschaltenen Amplitudenmodulation während der Direct-Drive-Phase um die Direct-Drive-Linie selbst keine Seitenbänder entstehen, die in der Lampe in unkontrollierter Weise zu Anregung ungewünschter akustischer Resonanzen führen könnten.
Eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens zeigt Fig. 5. Fig 5a zeigt einen Graphen der Lampenbetriebsspannung der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Bogenbegradigung mit sequentiellem Direct Drive zur Anregung der azimutalen Moden und auf die niederfrequente Spannung und auf die Spannung des Direct Drives aufmodulierter hochfrequenter Spannung zur Anregung der longitudinalen Moden. Dies ist eine Variante des oben Beschriebenen Verfahrens in seiner zweiten Ausführungsform. Hier wird die Amplitudenmodulation für das Colormixing nicht nur auf den niederfrequenten Rechteck aufmoduliert, sondern auch auf die hochfrequente sinusförmige Spannung für die Bogenbegradigung. Fig. 5b zeigt die modulierte sinusförmige Spannung im Direct-Drive, die mit einer Amplitudenmodulation mit 26 kHz moduliert ist. Fig. 5c zeigt einen Ausschnitt aus der rechteckförmi- gen Spannung, die ebenfalls mit einer Amplitudenmodulation mit 26 kHz moduliert ist.
Fig. 6a zeigt einen Graphen der Lampenbetriebsspannung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäße Verfahrens mit einer Bogenbegradigung mit auf die niederfrequente Spannung aufmodulierter hochfrequenter Spannung zur Anregung der longitudinalen und der azimutalen Moden. Diese Betriebsweise wäre im Rechteckmode der Duale Sequentielle AM-Betrieb, bei dem in zwei unterschiedlichen Zeitscheiben die Amplitudenmodulation jeweils mit zwei verschiedenen Frequenzen betrieben wird. Die Anregungsstärke der beiden anvisierten akustischen Eigenresonanzen lassen sich dabei über die entsprechende dazugehörige AM-Tiefe einstellen. Fig. 6b zeigt eine Detailansicht der Lampenspannung zur Anregung der azimutalen und der longitudinalen Moden aus der Fig. 6a. Der Ausschnitt wurde so gewählt, dass der Wechsel zwischen den beiden Moden sichtbar ist.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) an die Hochdruckentladungslampe wird während einer ersten Zeitscheibe eine Spannung mit einer ersten Frequenz angelegt, und diese mit einer zweiten Frequenz und einem ersten Modulationsgrad moduliert,
b) an die Hochdruckentladungslampe wird während einer zweiten Zeitscheibe eine Spannung mit einer dritten Frequenz angelegt, und diese mit einer vierten Fre¬ quenz und einem zweiten Modulationsgrad moduliert, c) an die Hochdruckentladungslampe wird während einer dritten Zeitscheibe eine Spannung einer fünften Frequenz angelegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenz eine niedrige Frequenz im Be¬ rech zwischen 50Hz und 200Hz ist, der erste Modulationsgrad 0 ist, die dritte Frequenz eine hohe Frequenz im Bereich zwischen 20kHz und 150kHz ist, vorzugsweise 40kHz ist, der zweite Modulationsgrad 0 ist und die fünfte Frequenz eine hohe Frequenz im Bereich zwischen 10kHz und 30kHz, vorzugsweise 13kHz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenz eine niedrige Frequenz im Be¬ rech zwischen 50Hz und 200Hz ist, der erste Modulationsgrad zwischen 5% und 30%, vorzugsweise bei 10% liegt, die zweite Frequenz eine hohe Frequenz im Be¬ reich zwischen 20kHz und 60kHz, vorzugsweise 26kHz ist, die dritte Frequenz eine hohe Frequenz im Bereich zwischen 20kHz und 150kHz, vorzugsweise 40kHz ist, der zweite Modulationsgrad 0 ist und die Länge der dritten Zeitscheibe 0 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenz eine niedrige Frequenz im Be- rech zwischen 50Hz und 200Hz ist, der erste Modulationsgrad zwischen 5% und 30%, vorzugsweise bei 10% liegt, die zweite Frequenz eine hohe Frequenz im Be¬ reich zwischen 20kHz und 60kHz, vorzugsweise 26kHz ist, die dritte Frequenz eine hohe Frequenz im Bereich zwischen 20kHz und 150kHz, vorzugsweise 40kHz ist, der zweite Modulationsgrad zwischen 5% und 30 ~6 , Vorzugs weise bei 10% liegt, die vierte Frequenz eine hohe Frequenz im Bereich zwischen 20kHz und 60kHz, vorzugsweise 26kHz ist, und die Länge der dritten Zeitscheibe 0 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenz eine niedrige Frequenz im Be¬ rech zwischen 50Hz und 200Hz ist, der erste Modulationsgrad zwischen 5% und 30%, vorzugsweise bei 10% liegt, die zweite Frequenz eine hohe Frequenz im Be¬ reich zwischen 10kHz und 30kHz, vorzugsweise 13kHz ist, die dritte Frequenz eine hohe Frequenz im Bereich zwischen 20kHz und 150kHz, vorzugsweise 80kHz ist, der zweite Modulationsgrad 0 ist, und die fünfte Frequenz eine hohe Frequenz im Bereich zwischen 10kHz und
30kHz, vorzugsweise 13kHz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Frequenz eine niedrige Frequenz im Be¬ rech zwischen 50Hz und 200Hz ist, der erste Modulationsgrad zwischen 5% und 30%, vorzugsweise bei 10% liegt, die zweite Frequenz für einen ersten Teil der ersten Zeitscheibe eine hohe Frequenz im Bereich zwischen 20kHz und 60kHz, vorzugsweise 26kHz ist, und für einen zweiten Teil der ersten Zeitscheibe eine hohe Frequenz im Bereich zwischen 20kHz und 150kHz, vorzugsweise 80kHz ist, die Länge der zweiten Zeitscheibe 0 ist, und die Länge der dritten Zeitscheibe 0 ist.
7. Betriebsgerät zum Betreiben einer Hochdruckentladungs¬ lampe, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausführt.
8. Betriebsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckentladungslampe eine quecksilber¬ freie, molekularstrahlungsdominierte Hochdruckentla¬ dungslampe ist.
9. Betriebsgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruckentladungslampe eine hohes Längen zu Durchmesserverhältnis seines Brenngefäßes aufweist .
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