TW200829084A - Circuit arrangement and method to operate high pressure discharge lamp - Google Patents

Description

200829084 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及一種操作高壓放電燈用的電路配置，具有 一電子式安定器（ballast)，其須設計成可爲該高壓放電燈 提供一種交流供電信號，此交流供電信號之頻率至少是1 MHz。本發明另外亦涉及一種以一交流供電信號來操作高 壓放電燈的方法，此時此交流供電信號之頻率至少是1 MHz。 【先前技術】 例如，作爲視訊投影燈用的高壓放電燈通常具有二個 相同形式的電極，其大都形成棒形。在以交流電流來操作 此種高壓放電燈時，會造成一種干擾性很大的閃爍現象。 這是由於電極尖端上之火花之延伸點之交變的跳躍所造 成。此種現象是以一操作頻率使電極功能通常由陽極相位 (正極）變換至陰極相位（負極）來達成。此種火花延伸點的跳 躍現象特別是會影響該高壓放電燈在光學裝置（例如，投影 裝置、雷達探測器、顯微鏡照明裝置）中的應用且亦會造成 該高壓放電燈不能使用在上述光學裝置中。 由 US 5,60 8,294中已知一種高壓放電燈可在低頻 (50Hz至數百Hz)時操作，爲了使矩形的燈電流波形穩定， 即，爲了防止火花之延伸點的跳躍現象，則須在該燈電流 波形上重疊著短的同步脈波。依據上述文件，電流脈衝在 整流之前會在電極（主要是目前的陽極）上的火花之導引電 流用的延伸區上造成一種短時間的溫度升高現象。結果， 200829084 會形成一種材料沈積，即，由氣體迴轉過程所形成的電極 金屬鎢以鹵化鎢的形式沈積在電極上，且會在電極上形成 一種尖端’其可很有效地使放電和火花的延伸區獲致穩定。 由WO 03/098979 A1中已知以一種未調變之大於3MHz 的高頻信號來操作一種高壓放電燈。通常，高壓放電燈允 許一種由較燃料室中的聲頻共振頻率還高的頻率來開始的 有效的高頻操作。聲頻共振會在燃料室中造成一種大的電 流，其通常會對放電火花造成明顯的干擾。當然，該文件 中提出一些配件，其可藉由適當的供應電流使聲頻共振衰 減或完全防止聲頻共振的發生。 例如，可參考 DE 10 2005 028 417.5 和 DE 10 2005 059 763 7。 然而，該二文件中的解決方案大都很昂貴。 最後，請參閱DE 1 98 29 600 A1，其涉及一種高壓放 電燈之高頻（HF)操作。該文件同樣是特別涉及電極尖端上 的火花之延伸區之跳躍問題。該文件建議一種由先前技術 開始的解法，先前技術中該高壓放電燈以一種低於2KHz 的頻率來操作，該文件中以一種大於8 00 KHz之頻率來操 作該燈，較佳是大於1 MHz且特別佳時該操作頻率是介於2 和3MHz之間。在另一較佳的形式中，該操作頻率持續地 且可跳躍地以一種小於ΙΟΚΗζ(較佳是介於1和2KHz之間） 的調變頻率而振動。雖然此種措施對某些高壓放電燈可以 是一種解決方式，但此種措施在由本發明的發明人所探討 的高壓放電燈中已顯示是.無效的。 【發明內容】 200829084 上述的方 壓放電燈 之延伸區 特徵的電 方法來達 電信號受 種很有效 :了振幅提 :燈中可使 >。一種此 5,60 8,294 的尖端一 。換言之， =能在形成 [的固定而 I的高的光 i的、甚至 頻操作）而 :降。 本發明的目的是繼續形成上述的電路配置或 法，以便在一種給定的頻率範圍中，即，在該高 高頻操作之時，能可靠地防止電極尖端上的火花 的跳躍現象。 上述目的藉由一種具有申請專利範圍第1項 路配置或一種具有申請專利範圍第20項特徵的 成。

本發明基於下述的認知，即：當一種交流供 到振幅調變時，則在高頻操作時可使火花達成一 的穩定性。其原因目前仍不完全清楚，此乃因除 高之外，振幅減小亦可實現本發明且在高壓放電 放電火花（特別是電漿火花）之閃爍現象不會發生 處所用的指標（i n d e X )是指：類似於以上述之U S 中所預設的電路配置來操作時所形成的穩定用 樣，該穩定用的尖端只有在數小時之後才會形成 這表示：本發明的解法所需的特定的解釋同樣不 尖端時被發現。就該放電火花之時間常數和位濯 言可達成一種穩定性，其能滿足多種投影燈所霍 學需求。 相對於低頻操作而言，高頻操作可使用簡 單級的安定器。這相對於目前的現有技術（低 言，可使安定器大幅縮小且因此可使成本大幅Τ 在一種較佳的實施形式中，振幅調變是表示一種脈波 調變。因此，特別是在聲頻共振較強的區域之外部可藉由 200829084 該交流供電信號之脈波形式的、周期式重複的振幅調變而 使火花穩定。該脈波調變具有一種由100HZ至100KHZ之 重複頻率，較佳是由1 〇〇 HZ至2 KHz。該脈波調變的任務 周期（duty cycle)較佳是位於1%和50%之間，更佳是位於 3 %和20%之間。視訊投影應用之觀點已證實該任務周期是 很有利的，其中各調變脈波只採用很短的時間，特別是較 圖像的黑暗間隙還短。 該交流供電信號之振幅調變在頻率固定時進行，但亦 可隨著頻率的變化而發生。於是，已改變的頻率位於該交 流供電信號之頻率之-50%至+100%之範圍中，較佳是位於 -10%至+10%之範圍中。如上所述，脈波調變的特徵是：使 振幅相對於未調變的交流供電信號而提高。就火花之穩定 而言，特別良好的結果出現於振幅增加率介於未調變的交 流供電信號之振幅的2 0 %和1 0 0 0 %之間時，較佳是振幅增 加率介於20%和200%之間時。 同樣，如上所述，脈波調變之特徵是：使振幅相對於 未調變的交流供電信號而減少。於此，振幅減少率介於未 調變的交流供電信號之振幅的-5 %和-9 0 %之間。 預先假設：在脈波調變的一周期內，未調變的交流供 電信號之成份至少佔5 0 %，則此脈波調變的特徵可以是一 系列增大的振幅、一系列減小的振幅以及一系列增大的振 幅和減小的振幅，其互相交替地變化。於此，各種不同的 變異形已顯示是有效的：振幅的增大及/或振幅的減小通常 可對未調變的交流供電信號之正的振幅或負的振幅來進 200829084 行或交替地對正的振幅和負的振幅來進行或同時對正的振 幅或負的振幅來進行。於是，由熱學的觀點來看，一系列 增大的振幅及直接在其後的已減小的振幅或以相反的順序 所形成/的振幅已顯示是特別有利的。本發明的成效已顯現 在最不相同的脈波形式中，特別是出現在方波、三角波、 半弦波、隨著指數形式而上升的方波或鋸齒波的脈波形式 中 〇 爲了製成本發明的電路配置，電子式安定器較佳是具 有以下的形式：一輸入端，其用來導入一輸入電壓；一輸 出端，其用來提供一種交流供電信號至該高壓放電燈上； 以及一種配置在該輸入端和該輸出端之間的串聯電路，其 由一反用整流器和一負載網路所構成。該反用整流器提供 一輸出電壓至該負載網路，該輸出電壓具有一可預設的頻 率，一可預設的振幅和一可預設的任務周期。 爲了對該交流供電信號進行振幅調變，較佳是使該反 用整流器輸出電壓之該可預設的頻率及/或該可預設的振 幅改變。該負載網路較佳是具有至少一變壓器，其配置在 該負載網路之輸入端上及/或輸出端上及/或配置在該輸入 端和該輸出端之間。這樣在很低或很高的操作電壓時或在 需要一種可靠的電鍍隔離時（例如，在考慮使用2 kV供電 之軌道時）已顯示是特別有效的。 較佳是須對該負載網路進行設計，以便藉由該反用整 流器輸出電壓之該可預設的頻率之改變而造成共振，於是 可產生該點燃電壓以點燃該高壓放電燈。因此，不需設置 200829084 各別的點燃裝置。 該高壓放電燈較佳是具有一種1〇〇至500巴（bar)之操 作壓力。 其它有利的實施形式描述在申請專利範圍各附屬項 中。 以下，將參考各附圖來描述本發明的電路配置之一實 施例。 【實施方式】 • 第1圖顯示本發明之電路配置之構造。一輸入電壓Ue 特別是可表示所謂中間電路電壓，其傳送至一高頻反用整 流器1 〇，其輸出信號之特徵是一可預設的振幅’一可預設 的頻率以及一可預設的任務周期。這些可預設的數値可經 " 由一介面（未顯示）而設定在該反用整流器10上。該反用整 流器10之輸出信號Ua傳送至一負載網路12,其輸出端上 的一種燈電流IL提供至高壓放電燈1 4。因此，該負載網路 1 2由該反用整流器1 0之輸出電壓Ua來形成近似於弦波的 ® 燈電流U且同時用來限制電流。依據該負載網路1 2之特 性，該燈電流可與該反用整流器之輸出電壓之頻率和振幅 有關。爲了產生該燈電流U之所期望的振幅調變，則須改 變該輸出電壓U#之頻率及/或振幅。此外，較佳是須形成 該負載網路12，使其可藉由該反用整流器之輸出電壓Ua 之可預設的頻率之改變而共振，以便因此產生該高壓放電 燈所需的點燃電壓。 第2圖顯示一適當的負載網路之各種不同的實施形 -10- 200829084 式。此處須指出，在第2a和2d圖之實施形式中’電容器 C2可設計成不同：一方面可造成共振網路，另一方面只造 成直流電壓的隔離。在該負載網路12之輸入端或輸出端或 輸入端和輸出端之間若加入至少一變壓器，則特別是可確 保一種電鍍上的隔離。除了所示的T-配置形式的負載網路 之外，亦可使用由LC元件所構成的純串聯電路以及使用π-配置形式的電路。就像此行的專家所知悉者一樣，本發明 的目的亦能以較高階（order)的負載網路來達成。 第3圖顯示第2a圖所示的負載網路中該燈電流U之 轉移（transfer)函數相對於該輸入電壓 Ue之頻率 f之關 係。圖中顯示二個操作點AP 1和AP2，將在第8圖中再說 明。 第4圖和第5圖顯示反用整流器1 〇之例子，其適合用 在第1圖之電路配置中。第4圖顯示一種負載已去除的E 類（Class E)轉換器。第5圖顯示負載已去除之零電壓切換 (ZVS，Zero Voltage Switching)半橋式電路。由於第4圖和 第5圖之反用整流器已爲此行的專家所知悉，此處因此不 再詳述。 爲了產生本發明之燈電流IL之時間曲線圖，最簡單的 情況下須對各切換電晶體之控制頻率（第4圖之S 1或第5 圖之S1和S2)進行頻率調變。於此，可同時使用一種電壓 受控制的' 且頻率可變的振盪器，其通常用來調整電流或 調整功率。 第6圖顯示第5圖之反用整流器之控制信號的產生方 -11- 200829084 式。於此，一種脈波信號P加至現有的控制信號Q以便在 加法器1 6中操作。此控制信號傳送至VCO 1 8，其將此控 制信號傳送至脈波形成器20。脈波形成器20中通常亦設 有驅動電路。脈波形成器20之輸出端上提供該反用整流器 1 〇之開關S 1、S2所需的控制信號。該反用整流器之開關 之此種控制之形式中該燈電流U之時間曲線顯示在第8圖 中。由圖中明顯可知，該操作點由AP 1向八下2之偏移是與 頻率之改變有關。該操作點 AP2中的頻率小於該操作點 • AP 1中的頻率。然而，燈電流IL在該操作點AP2時所具有 的振幅大於在該操作點AP 1時的振幅。 另外或同時地，該調變可藉由該反用整流器1 0之輸入 電壓之振幅之變化來進行。藉由脈波期間電壓之提高，則 同樣可達成一種較局的燈電流II，請參閱第7圖之燈電流 U的時間曲線圖，其中在該操作點人？1時的振幅大於在該 操作點AP2時的振幅，但頻率則保持不變。這可特別有利 地以一種預先連接的、可快速地受到控制的DC/DC轉換器 •—來實現。 【圖式簡單說明】 第1圖本發明之電路配置的構造的圖解。 第2圖是第1圖之電路配置之負載網路的不同實施形 式之各種選擇。 第3圖是第2 a圖的負載網路中該燈電流之轉移函數 和該負載網路之輸入端上的電壓之頻率的關係圖。 第4圖是第1圖之電路配置之反用整流器之第一實施 -12- 200829084 形式。 第5圖是第1圖之電路配置之反用整流器之第二實施 形式。 第6圖在使用一種電壓控制振盪器（VCO)之情況下產 生一種脈波調變用的電路原理的圖解。 第Ί 線的圖解 圖未進行頻率調變時的交流供電信號之時間曲 〇 第8 圖在脈波調變之脈波期間另外對頻率進行調變 ® 時該交流 -供電信號之時間曲線的圖解。 【主要元件符號說明

Ue 輸入電壓 II 燈電流 Ua 輸出信號 API、AP2 操作點 SI、S2 切換電晶體 • -13-

Claims (1)

1. 200829084 十、申請專利範圍： 1 . 一種操作高壓放電燈（1 4)的電路配置，此高壓放電燈包括 一電子式安定器，其設計成可對此高壓放電燈（14)提供一 種交流供電信號，此交流供電信號之頻率至少是1 MHz， 其特徵爲： 該電子式安定器另外設計成可對此交流供電信號作振 幅調變。 2 ·如申請專利範圍第1項之電路配置，其中該振幅調變是 _ 一種脈波調變。 3 .如申請專利範圍第2項之電路配置，其中該脈波調變具 有一種由100Hz至1 OOKHz之重複頻率，較佳是1 00Hz • 至 2KHz。 - 4 .如申請專利範圍第2或3項之電路配置，其中該脈波調 變具有一種介於1%至50%之任務周期。 5 .如申請專利範圍第2至4項中任一項之電路配置’其中 該脈波調變是隨著頻率的改變而進行。 φ 6 ·如申請專利範圍第5項之電路配置，其中該已改變的頻 率位於該交流供電信號之頻率之-5 〇 %至+ 1 〇 0 %之範圍 中，較佳是位於-10%至+10%之範圍中。 7.如申請專利範圍第2至6項中任一項之電路配置’其中 該脈波調變相對於未調變的交流供電信號而言具有一振 幅增大値。 8 ·如申請專利範圍第7項之電路配置，其中該振幅增大値 介於該未調變的交流供電信號之振幅之20%至1 000%之 間，較佳是介於20%至200%之間。 -14- 200829084 9.如申請專利範圍第2至8項中任一項之電路配置，其中 該脈波調變相對於未調變的交流供電信號而言具有一振 幅減小値。 1 〇 .如申請專利範圍第9項之電路配置，其中該振幅減小値 介於該未調變的交流供電信號之振幅之-5 %至-9 0 %之間。 1 1 .如申請專利範圍第7至1 0項中任一項之電路配置，其中 在該脈波調變之一周期之內該未調變的交流供電信號之 成份至少佔50%。 • 1 2.如申請專利範圍第1 1項之電路配置，其中該脈波調變之 特徵是’· ——系列的已增大的振幅； -系列的已減小的振幅； ^ -一系列的互相交替之已增大的振幅和已減小的振幅。 1 3 .如申請專利範圍第1 2項之電路配置，其中該振幅的增大 及/或振幅的減小通常可對未調變的交流供電信號之正的 振幅或負的振幅來進行或交替地對正的振幅和負的振幅 Φ 來進行或同時對正的振幅或負的振幅來進行。 1 4.如申請專利範圍第2至8項中任一項之電路配置，其中 該脈波形式是方波、三角波、半弦波、隨著指數形式而 上升的方波或鋸齒波的形式。 1 5 .如申請專利範圍第1至1 4項中任一項之電路配置，其中 該電子式安定器具有： -一輸入端，其用來導入一輸入電壓（Ue); ——輸出端，其用來提供一種交流供電信號至該高壓放 電燈（14)上；以及 200829084 ——種配置在該輸入端和該輸出端之間的串聯電路，其 由一反用整流器（1〇)和一負載網路（12)所構成，該反用 整流器（10)提供一輸出電壓（Ua)至該負載網路（12)，該 輸出電壓具有一可預設的頻率、——可預設的振幅和一 可預設的任務周期。 16·如申請專利範圍第15項之電路配置，其中須設計該反用 整流器（10)，使該反用整流器輸出電壓（U a)之該可預設的 頻率及/或該可預設的振幅改變，以便對該交流供電信號 . 進行振幅調變。 1 7 .如申請專利範圍第〗5或1 6項之電路配置，其中該負載 網路（12)具有至少一變壓器，其配置在該負載網路（12)之 輸入端上及/或輸出端上及/或配置在該輸入端和該輸出 ^ 端之間。 1 8 ·如申請專利範圍第1 5至1 7項中任一項之電路配置，其 中對該負載網路（12)進行設計，以便藉由該反用整流器輸 0 出電壓（Ua)之該可預設的頻率之改變而造成共振，於是 可產生一種點燃電壓以點燃該高壓放電燈（1 4)。 1 9 ·如申請專利範圍第1 5至1 8項中任一項之電路配置，其 中該高壓放電燈（14)具有一種由100至5 00bai:之操作壓 力。 20·—種以交流供電信號來操作高壓放電燈（14)的方法，該交 流-供電信號之頻率至少是1 Μ Η z， 其特徵爲： 對該交流供電信號進行振幅調變。 -1 6 -