EP2526742B1 - Schaltungsanorndung und verfahren zum betreiben einer hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen leistung - Google Patents

Schaltungsanorndung und verfahren zum betreiben einer hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen leistung Download PDF

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EP2526742B1
EP2526742B1 EP11779370.3A EP11779370A EP2526742B1 EP 2526742 B1 EP2526742 B1 EP 2526742B1 EP 11779370 A EP11779370 A EP 11779370A EP 2526742 B1 EP2526742 B1 EP 2526742B1
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EP
European Patent Office
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current
threshold value
cycles
lamp
absolute value
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP11779370.3A
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English (en)
French (fr)
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EP2526742A1 (de
Inventor
Joachim MÜHLSCHLEGEL
Andreas Kloss
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Osram GmbH
Original Assignee
Osram GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Osram GmbH filed Critical Osram GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/36—Controlling
    • H05B41/38—Controlling the intensity of light
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/26—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc
    • H05B41/28—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters
    • H05B41/288—Circuit arrangements in which the lamp is fed by power derived from dc by means of a converter, e.g. by high-voltage dc using static converters with semiconductor devices and specially adapted for lamps without preheating electrodes, e.g. for high-intensity discharge lamps, high-pressure mercury or sodium lamps or low-pressure sodium lamps
    • H05B41/292—Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions
    • H05B41/2928—Arrangements for protecting lamps or circuits against abnormal operating conditions for protecting the lamp against abnormal operating conditions

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a high-pressure discharge lamp below its nominal power with an alternating voltage and an alternating current of a predetermined operating frequency.
  • the invention is based on a method for operating a high pressure discharge lamp below its nominal power with an alternating current of a predetermined operating frequency according to the preamble of the main claim.
  • high-pressure discharge lamps also referred to below as lamps
  • lamps are operated in dimmed fashion
  • various problems arise.
  • Virtually all standard high pressure discharge lamps are optimized for nominal power so that the plasma physical processes and the thermal budget of the lamp perform optimally at nominal lamp power and have the highest efficiency.
  • the nominal output of the high-pressure discharge lamp is considered below to be the power specified by the manufacturer for this lamp.
  • Due to the optimized plasma-physical processes and the likewise optimized thermal budget of the high-pressure discharge lamp the high-pressure discharge lamp has a good operating stability during operation with its nominal lamp power or rated power. When dimming high pressure discharge lamps, the operating stability suffers sometimes considerably, since the thermal budget of the burner with increasing dimming level must always work further away from its optimum.
  • a rectangular low-frequency operating current is used, which is also called “wobbly DC operation".
  • a substantially rectangular current with a frequency of usually 50 Hz up to a few kHz is applied to the lamp.
  • the lamp With each swing between positive and negative voltage, the lamp commutates, as the current direction reverses and the current thus briefly becomes zero. This operation ensures that the electrodes of the lamp are uniformly loaded despite a quasi-DC operation.
  • a projector which operates a high-pressure discharge lamp with a rectangular current form, wherein the projector can operate the Hochlichent charge lamp depending on their state (eg aging state) with a pent roof-shaped current form.
  • the bow approach to the electrodes is fundamentally problematic when operating a gas discharge lamp with alternating current.
  • the transition cathode-anode is inherently unproblematic, since the temperature the electrode has no influence on its anodic operation.
  • the ability of the electrode to supply a sufficiently high current depends on its temperature.
  • the arc changes during commutation, usually after the zero crossing, from a brief diffuse arc approach mode (so-called, diffuse-mode '), to a punctiform Bogenansatz istlus (so-called, spot-mode'). This change is sometimes accompanied by an often visible collapse of the light emission, which can be perceived as flickering.
  • the electrodes of the high-pressure discharge lamp become ever colder and, when the operating current is commutated, the lamp can start to flicker and become unstable. These instabilities in commutation sometimes cause significant electromagnetic interference.
  • behaves at the beginning of the half periods to the amount of current
  • 1: 1, 5 .. 1: 3, 0.
  • the upper limit is 120 Hz. This makes it possible to dimming commercially available lamps safely.
  • the upper limit is 80 Hz.
  • the upper limit is 1 Hz.
  • the predetermined operating frequency is usually 160Hz.
  • the pitched roof-shaped current form according to the invention at the end of the half periods is increased in a preferred embodiment, when a threshold value for the difference of the lamp voltages at the end and at the beginning of the half periods is not reached.
  • the threshold value for the difference of the lamp voltages is divided into a lower threshold value and an upper threshold value, and the magnitude of the current
  • the threshold value for the difference of the lamp voltages is divided into a lower threshold and an upper threshold, and the magnitude of the current
  • increases at the end of the half periods
  • the upper threshold value is exceeded, the magnitude of the current
  • the threshold value for the difference between the lamp voltages is preferably between 0.2 volts and 3 volts. Furthermore, the upper threshold is at most 0.5 volts greater than the lower threshold.
  • the current form of the alternating current at nominal power is preferably rectangular.
  • the current form of the alternating current at nominal power is preferably pentachelike, with the magnitude of the current
  • 1: 1 .. 1: 1, 2.
  • the solution of the problem with respect to the circuit arrangement is carried out with a circuit arrangement for operating a High pressure discharge lamp below its nominal power, wherein the high pressure discharge lamp is operated at nominal power with an alternating current of a predetermined operating frequency, and the circuit arrangement carries out the method described above.
  • the circuit arrangement can be constructed in a conventional manner.
  • the circuit may include a power factor correction circuit which supplies at its output an intermediate voltage circuit to which an inverter in the form of a full or half bridge is connected.
  • the circuit arrangement may include a pulse or a resonance ignition device in order to ignite the high-pressure discharge lamp.
  • the circuitry may include analog or digital control circuitry that controls the power factor correction circuit and the inverter.
  • the circuit arrangement preferably has a digital control circuit with a microcontroller.
  • Fig.1 shows a lamp voltage curve with very weak diffuse-spot transition at nominal power (curve 10) and strong diffuse-spot transition 122 in dimming mode (53% of the nominal power, curve 12) at a temporal resolution of 10 ⁇ s / div.
  • Fig. 2 shows the lamp current waveform of the signals Fig. 1 with very weak diffuse-spot transition at nominal power (curve 20) and pronounced diffuse-spot transition 221 in dimming mode (53% of nominal power, curve 22) with a temporal resolution of 10 ⁇ s / div.
  • the lamp current at the end of the half-period is twice as large as at the beginning of the half-period.
  • the lamp current is variable during the half periods and depends on the change of the lamp voltage during a half period.
  • depends on the lamp voltage and especially after the change of the lamp voltage, which is applied during the half-period.
  • the change in the lamp current in a half period is set so that the lamp voltage has increased by a previously calculated or a predetermined value ⁇ U 1 , ⁇ U 2 .
  • the threshold value for the voltage increase of the lamp voltage in the half-period is between 0.2V and 4V depending on the gas discharge lamp.
  • the threshold is preferably divided into a lower threshold and an upper threshold.
  • the voltage increase is calculated from the difference of the lamp voltage at the end of the half-period to the lamp voltage at the beginning of the half-period. If the threshold value for the lamp voltage rise is not reached within the half period, the ratio of starting current to final current for the next half cycle
  • increases when a lower threshold value for the voltage increase of the lamp voltage is exceeded in the half-period, and lowered when an upper threshold value for the voltage increase of the lamp voltage in the half-period is exceeded. If the increase of the lamp voltage lies in the range between the lower and the upper threshold, then the ratio of starting current to final current for the next half cycle
  • Fig. 3 shows the lamp current characteristics at 50 Hz
  • curve 30 shows the lamp current profile at 100% of the nominal power
  • curve 32 shows the lamp current profile at 55% of the nominal power with a method of operation according to the prior art
  • curve 34 shows the lamp current profile at 55% of the nominal power with the operating method according to the invention at a time resolution of 10 ms / div.
  • the pent roof-shaped current profile can be clearly seen in the curve 34, here the lamp current at the end of the half-period is twice as large as at the beginning of the half-period. However, this would not be enough to ensure stable operation of the high-pressure discharge lamp at low dimming levels.
  • the dimming operation the operating frequency is lowered below an upper limit to achieve this stable operation.
  • the upper limit is a maximum of 120Hz, preferably the operating frequency is lowered to a frequency around 50Hz to 60Hz.
  • Lower frequencies can be problematic because at an operating frequency below 50Hz, the human eye exhibits increased flicker sensitivity on the dimming operation has a negative effect. Only below a hertz decreases the flicker sensitivity of the human eye, so that even very low operating frequencies are possible.
  • the particularly preferred operating frequency of the invention is thus at 50Hz to 60Hz, at very low dimming levels below 1Hz.
  • Fig. 4 shows a section of the commutation of the lamp current waveforms at 50 Hz Fig. 3 in higher time resolution
  • curve 40 the lamp current profile at 100% of the nominal power
  • curve 42 the lamp current profile at 55% of the nominal power with a method of operation according to the prior art
  • curve 44 the lamp current profile at 55% of the nominal power with the inventive method.
  • the time resolution is no longer 10ms / div, but only 10 ⁇ s / div. Shown in particular is the commutation of the lamp current. It can clearly be seen that significantly fewer disturbances occur in the operating method according to the invention (curve 44) than in a method of operation according to the prior art (curve 42). With the operating method according to the invention occur virtually no disturbances in the commutation of the lamp current more, and a circuit arrangement that performs the operating method according to the invention is significantly easier to suppress interference, and thus also significantly cheaper to produce.

Landscapes

  • Circuit Arrangements For Discharge Lamps (AREA)

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen Leistung mit einer Wechselspannung und einem Wechselstrom einer vorbestimmten Betriebsfrequenz.
    • Hintergrund
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen Leistung mit einem Wechselstrom einer vorbestimmten Betriebsfrequenz nach der Gattung des Hauptanspruchs.
  • Sollen Hochdruckentladungslampen, im Folgenden auch Lampe genannt, gedimmt betrieben werden, so treten verschiedene Probleme auf. Praktisch alle marktgängigen Hochdruckentladungslampen sind auf ihre nominale Leistung hin optimiert, so dass die plasmaphysikalischen Prozesse und der thermische Haushalt der Lampe bei der nominalen Lampenleistung optimal ablaufen und die höchste Effizienz haben. Als nominale Leistung der Hochdruckentladungslampe, wird im Folgenden die vom Hersteller für diese Lampe spezifizierte Leistung angesehen. Durch die optimierten plasmaphysikalischen Prozesse und den ebenfalls optimierten thermischen Haushalt der Hochdruckentladungslampe weist die Hochdruckentladungslampe beim Betrieb mit ihrer nominalen Lampenleistung oder Nennleistung eine gute Betriebsstabilität auf. Beim Dimmen von Hochdruckentladungslampen leidet die Betriebsstabilität mitunter erheblich, da der thermische Haushalt des Brenners mit zunehmender Dimmstufe immer weiter von seinem Optimum entfernt arbeiten muss. Ein Großteil der marktgängigen Hochdruckentladungslampen wird mit Wechselstrom betrieben. Dabei kommt meistens ein rechteckförmiger Betriebsstrom niedriger Frequenz zum Einsatz, was auch ,wackelnder Gleichstrombetrieb' genannt wird. Dabei wird ein im Wesentlichen rechteckförmiger Strom mit einer Frequenz von üblicherweise 50Hz bis zu einigen kHz an die Lampe angelegt. Bei jedem Umschwingen zwischen positiver und negativer Spannung kommutiert die Lampe, da sich auch die Stromrichtung umkehrt und der Strom damit kurzzeitig zu null wird. Dieser Betrieb stellt sicher, dass die Elektroden der Lampe trotz eines Quasi-Gleichstrombetriebs gleichmäßig belastet werden.
  • Aus der EP 1 418 795 A2 ist ein Betriebsverfahren für eine Hochdruckentladungslampe bekannt, bei dem die Hochdruckentladungslampe abhängig von der aktuellen Lampenspannung und ob die Hochdruckentladungslampe sich im Leistungssparmodus befindet, mit verschiedenen Frequenzen betrieben wird.
  • Aus der US 2007/0024207 ist eine Schaltungsanordnung bekannt, die ein Springen des Bogenansatzes detektiert und daraufhin ein eventuelles flackern der Lampe vermeidet.
  • Aus der EP 2 043 409 A2 ist ein Projektor bekannt, der eine Hochdruckentladungslampe mit einer Rechteckförmigen Stromform betreibt, wobei der Projektor die Hochdruckent ladungslampe abhängig von ihrem Zustand (zB Alterungszustand) auch mit einer pultdachförmigen Stromform betreiben kann.
  • Der Bogenansatz auf den Elektroden ist beim Betrieb einer Gasentladungslampe mit Wechselstrom grundsätzlich problematisch. Beim Betrieb mit Wechselstrom wird während einer Kommutierung der Betriebsspannung eine Kathode zur Anode und umgekehrt eine Anode zur Kathode. Der Übergang Kathode-Anode ist prinzipbedingt unproblematisch, da die Temperatur der Elektrode keinen Einfluss auf ihren anodischen Betrieb hat. Beim Übergang Anode-Kathode hängt die Fähigkeit der Elektrode, einen ausreichend hohen Strom liefern zu können, von deren Temperatur ab. Ist diese zu niedrig, wechselt der Lichtbogen während der Kommutierung, meistens nach dem Nulldurchgang, von einer kurzzeitigen diffusen Bogenansatzbetriebsweise (sog. ,diffuse-mode'), zu einer punktförmigen Bogenansatzbetriebsweise (sogenannter ,spot-mode'). Dieser Wechsel geht manchmal mit einem oft sichtbaren Einbruch der Lichtemission einher, was als Flackern wahrgenommen werden kann.
  • Im Dimmbetrieb werden die Elektroden der Hochdruckentladungslampe immer kälter und bei der Kommutierung des Betriebsstromes kann die Lampe beginnen zu flackern und instabil zu werden. Diese Instabilitäten bei der Kommutierung verursachen mitunter erhebliche elektromagnetische Störungen.
    • Aufgabe
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen Leistung mit einem Wechselstrom einer vorbestimmten Betriebsfrequenz anzugeben, welches weniger elektromagnetische Störungen verursacht.
    • Darstellung der Erfindung
  • Die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen Leistung, wobei die Hochdruckentladungslampe bei Nominalleistung mit einem Wechselstrom einer vorbestimmten Betriebsfrequenz betrieben wird, und die Lampenspannung während einer Halbperiode zumindest am Anfang einer Halbperiode und am Ende einer Halbperiode gemessen wird, mit folgenden Schritten:
    • Absenken der aktuellen Betriebsfrequenz unter eine Obergrenze,
    • Ändern der Stromform des Wechselstroms auf eine pultdachförmige Stromform, die abhängig von der Differenz der Lampenspannungen am Ende und am Anfang der Halbperiode ist, bei der sich der Betrag des Stromes |Istart| zu Beginn der Halbperioden zu dem Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden verhält wie |Istart| : |Iend| = 1:1,2 .. 1:3,0. Durch die pultdachförmige Stromform wird der Gasentladungslampenbrenner bis zur Kommutierung soweit aufgeheizt, dass diese ohne Probleme und ohne die oben beschriebenen elektromagnetischen Störungen aufgrund einer hochfrequenten Stromschwingung kurz nach der Kommutierung durchgeführt werden kann.
  • Bevorzugt verhält sich der Betrag des Stromes |Istart| zu Beginn der Halbperioden zu dem Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden wie |Istart| : |Iend| = 1 : 1, 5 .. 1 : 3, 0 . Diese Werte stellen eine saubere Kommutierung auch bei schwierigen Lampen sicher.
  • In einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens beträgt die Obergrenze 120Hz. Damit lassen sich handelsübliche Lampen sicher dimmen.
  • In einer zweiten Ausgestaltung des Verfahrens beträgt die Obergrenze 80Hz. Damit sind als schwierig geltende handelsübliche Lampen sicher dimmbar.
  • In einer dritten Ausgestaltung des Verfahrens beträgt die Obergrenze 1Hz. Mit dieser Variante können auch sehr schwierig zu dimmende Speziallampen gut gedimmt werden.
  • Die vorbestimmte Betriebsfrequenz beträgt dabei üblicherweise 160Hz.
  • Der Betrag des Stromes |Iend| der erfindungsgemäßen Pultdachförmigen Stromform am Ende der Halbperioden wird in einer bevorzugten Ausführungsform erhöht, wenn ein Schwellwert für die Differenz der Lampenspannungen am Ende und am Anfang der Halbperioden nicht erreicht wird.
  • Besonders bevorzugt wird der Schwellwert für die Differenz der Lampenspannungen in einen unteren Schwellwert und einen oberen Schwellwert aufgeteilt, und der Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden wird erhöht, wenn der untere Schwellwert unterschritten wird, und der Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden wird reduziert, wenn der obere Schwellwert überschritten wird.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Schwellwert für die Differenz der Lampenspannungen in einen unteren Schwellwert und einen oberen Schwellwert aufgeteilt, und der Betrag des Stromes |Istart| am Anfang der Halbperioden wird erhöht, wenn der untere Schwellwert unterschritten wird, und der Betrag Stromes |Istart| am Anfang der Halbperioden wird reduziert, wenn der obere Schwellwert überschritten wird.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform wird bei unterschreiten des unteren Schwellwertes der Betrag des Stromes |Istart| am Anfang der Halbperioden und der Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden erhöht, und bei überschreiten des oberen Schwellwertes wird der Betrag des Stromes |Istart| am Anfang der Halbperioden und der Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden reduziert.
  • Der Schwellwert für die Differenz der Lampenspannungen liegt dabei bevorzugt zwischen 0,2 Volt und 3 Volt. Weiterhin ist der obere Schwellwert maximal 0,5Volt größer als der untere Schwellwert.
  • Die Stromform des Wechselstroms bei Nominalleistung ist bevorzugt rechteckförmig.
  • Bei Lampen mit einem ungünstigen Verhältnis von Elektrodendurchmesser zu Nominalleistung ist die Stromform des Wechselstroms bei Nominalleistung bevorzugt pultdachförmig, wobei sich der Betrag des Stromes |Istart| zu Beginn der Halbperioden zu dem Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden verhält wie |Istart| : |Iend| = 1: 1 .. 1 : 1, 2 .
  • Die Lösung der Aufgabe bezüglich der Schaltungsanordnung erfolgt mit einer Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen Leistung, wobei die Hochdruckentladungslampe bei Nominalleistung mit einem Wechselstrom einer vorbestimmten Betriebsfrequenz betrieben wird, und die Schaltungsanordnung dabei das oben beschriebene Verfahren ausführt.
  • Die Schaltungsanordnung kann dabei in an sich bekannter Weise aufgebaut sein. Die Schaltungsanordnung kann eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung beinhalten, die an ihrem Ausgang einen Zwischenspannungskreis speist, an dem ein Wechselrichter in Form einer Voll- oder einer Halbbrücke angeschlossen ist. Die Schaltungsanordnung kann ein Impulsoder ein Resonanzzündgerät beinhalten, um die Hochdruckentladungslampe zünden zu können. Die Schaltungsanordnung kann eine analoge oder eine digitale Steuerschaltung beinhalten, die die Leistungsfaktorkorrekturschaltung und den Wechselrichter steuert. Bevorzugt weist die Schaltungsanordnung eine digitale Steuerschaltung mit einem Mikrocontroller auf.
  • Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen Leistung ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 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 identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
    • Fig.1
    einen Lampenspannungsverlauf mit sehr schwach ausgeprägtem diffus-spot-Übergang bei Nominalleistung (Kurve 10) und stark ausgeprägtem diffus-spot-Übergang im Dimmbetrieb (53 % der Nominalleistung, Kurve 12),
    Fig. 2
    einen Lampenstromverlauf bei sehr schwach ausgeprägtem diffus-spot-Übergang bei Nominalleistung (Kurve 20) und stark ausgeprägtem diffus-spot-Übergang im Dimmbetrieb (53 % der Nominalleistung, Kurve 22),
    Fig. 3
    mehrere Lampenstromverläufe bei 50 Hz, Kurve 30 einen Lampenstromverlauf bei 100 % der Nominalleistung, Kurve 32 einen Lampenstromverlauf bei 55 % der Nominalleistung mit einem Betriebsverfahren nach dem Stand der Technik, Kurve 34 einen Lampenstromverlauf bei 55 % der Nominalleistung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren,
    Fig. 4
    einen Ausschnitt der Kommutierung der Lampenstromverläufe bei 50 Hz aus Fig. 3 in höherer Zeitauflösung, Kurve 40 den Lampenstromverlauf bei 100 % der Nominalleistung, Kurve 42 den Lampenstromverlauf bei 55 % der Nominalleistung mit einem Betriebsverfahren nach dem Stand der Technik, Kurve 44 den Lampenstromverlauf bei 55 % der Nominalleistung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
    Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Fig.1 zeigt einen Lampenspannungsverlauf mit sehr schwach ausgeprägtem diffus-spot-Übergang bei Nominalleistung (Kurve 10) und stark ausgeprägtem diffus-spot-Übergang 122 im Dimmbetrieb (53 % der Nominalleistung, Kurve 12) bei einer zeitlichen Auflösung von 10µs/Div.
  • Fig. 2 zeigt den Lampenstromverlauf der Signale der Fig. 1 bei sehr schwach ausgeprägtem diffus-spot-Übergang bei Nominalleistung (Kurve 20) und stark ausgeprägtem diffus-spot-Übergang 221 im Dimmbetrieb (53 % der Nominalleistung, Kurve 22) bei einer zeitlichen Auflösung von 10µs/Div. Diese beiden Figuren machen die der Erfindung zugrundeliegende Problematik deutlich. Im Dimmbetrieb werden die Elektroden zu kalt, und bei jeder Kommutierung ergeben sich Probleme beim Übergang von der diffusen Bogenansatzbetriebsweise zur punktförmigen Bogenansatzbetriebsweise, eben dem oben schon erwähnten diffus-spot-Übergang 121, bzw 221. Dies ist deutlich in den Kurven 12 beziehungsweise 22 zu sehen, wo es bei diesem Übergang zu starkem Aufschwingen beim diffus-spot-Übergang 121, 221 kommt, was sich als hochfrequente Störung im Spektrum bemerkbar macht. Um mit einer solchen Betriebsweise die Grenzwerte für die elektromagnetische Verträglichkeit einhalten zu können sind große und teure Filterbauteile notwendig. Außerdem machen sich diese Instabilitäten bei der Kommutierung als Flackern im Betrieb bemerkbar. Daher wird für den gedimmten Betrieb ein erfindungsgemäßer Pultdachförmiger Lampenstrom vorgeschlagen, dessen Betrag |Istart| sich zu Beginn der Halbperioden zu dem Betrag |Iend| am Ende der Halbperioden verhält wie |Istart| : |Iend| = 1:1.2 bis 1:3.0. Besonders bevorzugt ist der Lampenstrom am Ende der Halbperiode im Mittel doppelt so groß wie zu Beginn der Halbperiode. Erfindungsgemäß ist der Lampenstrom während der Halbperioden variabel und hängt ab von der Änderung der Lampenspannung während einer Halbperiode. Die Höhe des Lampenstromanstiegs während einer Halbperiode, also das Verhältnis von Startstrom zu Endstrom |Istart| : |Iend| richtet sich nach der Lampenspannung und vor allem nach der Änderung der Lampenspannung, die während der Halbperiode anliegt. Die Änderung des Lampenstroms in einer Halbperiode wird so eingestellt, dass die Lampenspannung um einen zuvor berechneten oder einem vorgegebenen Wert ΔU1, ΔU2 angestiegen ist. Der Schwellwert für den Spannungsanstieg der Lampenspannung in der Halbperiode beträgt je nach Gasentladungslampe zwischen 0,2V und 4V. Der Schwellwert ist bevorzugt in einen unteren Schwellwert und einen oberen schwellwert aufgeteilt. Der Spannungsanstieg berechnet sich aus der Differenz der Lampenspannung am Ende der Halbperiode zur Lampenspannung am Beginn der Halbperiode. Wird der Schwellwert für den Lampenspannungsanstieg innerhalb der Halbperiode nicht erreicht, so wird das Verhältnis von Startstrom zu Endstrom für die nächste Halbperiode |Istart| : |Iend| erhöht, um die Kathode mehr Aufzuheizen und einen ausgeprägten diffus-spot-Übergang bei der Kommutierung möglichst zu vermeiden. Um eine robuste Regelcharakteristik zu erreichen, wird das Verhältnis von Startstrom zu Endstrom für die nächste Halbperiode |Istart| : |Iend| erhöht, wenn ein unterer Schwellwert für den Spannungsanstieg der Lampenspannung in der Halbperiode unterschritten wird, und erniedrigt, wenn ein oberer Schwellwert für den Spannungsanstieg der Lampenspannung in der Halbperiode überschritten wird. Liegt der Anstieg der Lampenspannung im Bereich zwischen unterem und oberem Schwellwert, so wird das Verhältnis von Startstrom zu Endstrom für die nächste Halbperiode |Istart| : |Iend| beibehalten.
  • Fig. 3 zeigt die Lampenstromverläufe bei 50 Hz, Kurve 30 zeigt den Lampenstromverlauf bei 100 % der Nominalleistung, Kurve 32 zeigt den Lampenstromverlauf bei 55 % der Nominalleistung mit einem Betriebsverfahren nach dem Stand der Technik, Kurve 34 zeigt den Lampenstromverlauf bei 55 % der Nominalleistung mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren bei einer zeitlichen Auflösung von 10ms/Div. Der Pultdachförmige Stromverlauf ist in der Kurve 34 gut zu sehen, hier ist der Lampenstrom am Ende der Halbperiode doppelt so groß wie zu Beginn der Halbperiode. Dies würde aber nicht genügen, um einen stabilen Betrieb der Hochdruckentladungslampe bei niedrigen Dimmstufen sicherzustellen. Erstaunlicherweise hat sich gezeigt, dass ein sicherer Betrieb der Hochdruckentladungslampe damit erreicht werden kann, indem die pultdachförmige Stromform mit einem sehr niederfrequenten Betrieb kombiniert wird. Dies lässt sich daraus erklären, dass durch den kurzzeitigen Quasi-Gleichstrombetrieb immer die Elektrode aufgeheizt wird, die bei der nächsten Kommutierung von der Anode zur Kathode wird, da die hohe Betriebstemperatur der Elektrode ja nur für ihren kathodischen Betrieb notwendig ist. Die andere Elektrode kühlt in dieser Phase natürlich stärker aus, dies ist aber für die nächste Kommutierung unproblematisch, da die Elektrode dann ja einen Wechsel von der Kathode zur Anode durchläuft, und die Temperatur für den anodischen Betrieb der Elektrode nicht relevant ist. Nach dieser Kommutierung wird sie aber im anodischen Betrieb wieder ebenso lange Aufgeheizt, um dann eine genügend hohe Temperatur für den Übergang Anode-Kathode aufzuweisen. Erfindungsgemäß wird daher im Dimmbetrieb die Betriebsfrequenz unter eine Obergrenze abgesenkt, um diesen Stabilen Betrieb zu Erreichen. Die Obergrenze liegt bei maximal 120Hz, bevorzugt wird die Betriebsfrequenz auf eine Frequenz um die 50Hz bis 60Hz abgesenkt. Niedrigere Frequenzen können problematisch werden, da das menschliche Auge bei einer Betriebsfrequenz unterhalb 50Hz eine erhöhte Flickersensitivität zeigt, die sich auf den Dimmbetrieb negativ auswirkt. Erst unterhalb einem Hertz nimmt die Flickersensitivität des menschlichen Auges wieder ab, so dass auch sehr niedrige Betriebsfrequenzen möglich sind. Bei sehr niedrigen Dimmleveln kann ein erstaunlich stabiler Betrieb der Hochdruckentladungslampe bei sehr niedrigen Betriebsfrequenzen unterhalb einem Hertz erreicht werden. Die besonders bevorzugte erfindungsgemäße Betriebsfrequenz liegt also bei 50Hz bis 60Hz, bei sehr niedrigen Dimmleveln bei unter 1Hz. Auch hier wird erfindungsgemäß wieder der Anstieg der Lampenspannung in einer Halbperiode gemessen und das Verhältnis von Startstrom zu Endstrom |Istart| : |Iend| für die nächste Halbperiode entsprechend dem Spannungsanstieg in der aktuellen Halbperiode angepasst.
  • Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt der Kommutierung der Lampenstromverläufe bei 50 Hz aus Fig. 3 in höherer Zeitauflösung, Kurve 40 den Lampenstromverlauf bei 100 % der Nominalleistung, Kurve 42 den Lampenstromverlauf bei 55 % der Nominalleistung mit einem Betriebsverfahren nach dem Stand der Technik, Kurve 44 den Lampenstromverlauf bei 55 % der Nominalleistung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Die Zeitauflösung beträgt hier nicht mehr 10ms/Div, sonder nur noch 10µs/Div. Dargestellt ist insbesondere die Kommutierung des Lampenstromes. Gut zu sehen ist, dass bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren (Kurve 44) signifikant weniger Störungen auftreten als bei einem Betriebsverfahren gemäß dem Stand der Technik (Kurve 42). Mit dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren treten praktisch keine Störungen bei der Kommutierung des Lampenstromes mehr auf, und eine Schaltungsanordnung, die das erfindungsgemäße Betriebsverfahren ausführt, ist signifikant einfacher zu entstören, und damit auch wesentlich kostengünstiger herzustellen.

Claims (15)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen Leistung, wobei die Hochdruckentladungslampe bei Nominalleistung mit einem Wechselstrom einer vorbestimmten Betriebsfrequenz betrieben wird, und die Lampenspannung während einer Halbperiode zumindest am Anfang einer Halbperiode und am Ende einer Halbperiode gemessen wird, mit folgenden Schritten:
    - Absenken der aktuellen Betriebsfrequenz ausgehend von der vorbestimmten Betriebsfrequenz unter eine Obergrenze, und
    - Ändern der Stromform des Wechselstroms auf eine pultdachförmige Stromform, die abhängig von der Differenz der Lampenspannungen am Ende und am Anfang der Halbperiode ist, bei der sich der Betrag des Stromes |Istart| zu Beginn der Halbperioden zu dem Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden verhält wie |Istart| : |Iend| = 1:1,2 .. 1:3,0.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Betrag des Stromes |Istart| zu Beginn der Halbperioden zu dem Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden verhält wie |Istart| : |Iend| = 1:1,5 .. 1:3,0.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Obergrenze der aktuellen Betriebsfrequenz 120Hz beträgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Obergrenze der aktuellen Betriebsfrequenz 80Hz beträgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Obergrenze der aktuellen Betriebsfrequenz 1Hz beträgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Betriebsfrequenz 160Hz beträgt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden erhöht wird, wenn ein Schwellwert für die Differenz der Lampenspannungen am Ende und am Anfang der Halbperioden nicht erreicht wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert für die Differenz der Lampenspannungen in einen unteren Schwellwert und einen oberen Schwellwert aufgeteilt ist, und der Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden erhöht wird, wenn der untere Schwellwert unterschritten wird, und der Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden reduziert wird, wenn der obere Schwellwert überschritten wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert für die Differenz der Lampenspannungen in einen unteren Schwellwert und einen oberen Schwellwert aufgeteilt ist, und der Betrag des Stromes |Istart| am Anfang der Halbperioden erhöht wird, wenn der untere Schwellwert unterschritten wird, und der Betrag Stromes |Istart| am Anfang der Halbperioden reduziert wird, wenn der obere Schwellwert überschritten wird.
  10. Verfahren nach beiden vorhergehenden Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei unterschreiten des unteren Schwellwertes der Betrag des Stromes |Istart| am Anfang der Halbperioden und der Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden erhöht wird, und bei überschreiten des oberen Schwellwertes der Betrag des Stromes |Istart| am Anfang der Halbperioden und der Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden reduziert wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert für die Differenz der Lampenspannungen zwischen 0,2 Volt und 3 Volt liegt.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Schwellwert maximal 0,5Volt größer ist als der untere Schwellwert.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromform des Wechselstroms bei Nominalleistung rechteckförmig ist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromform des Wechselstroms bei Nominalleistung pultdachförmig ist, wobei sich der Betrag des Stromes |Istart| zu Beginn der Halbperioden zu dem Betrag des Stromes |Iend| am Ende der Halbperioden verhält wie |Istart| : |Iend| = 1:1 .. 1:1,2.
  15. Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe unterhalb ihrer nominalen Leistung, wobei die Hochdruckentladungslampe bei Nominalleistung mit einem Wechselstrom einer vorbestimmten Betriebsfrequenz betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgelegt ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen.
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