TWI290808B - Method of and device for operating a gas discharge lamp - Google Patents

Description

1290808 坎、發明說明： 技術領域 本發明係關於一種操作一氣體放電燈之方法及裝置，其 中该亂體放電燈係饋以一交流電壓或一交流電流，而放電 k <目外間功率則係在一定時間内增加（操作之脈波模式）。本 發明亦關於配備有此一放電燈及裝置之設備，以及關於一 種根據孩操作模式來處理一電極之方法。 先前技術 此操作模式及裝置係習知的，例如，在國際專利第 96/174724號或美國專利第5,6〇8,294號所揭露者。所援引 參考I國際專利申請案係揭露一種裝置，其係具有一能量 供應電路，以操作一氣體放電燈，其中該能量供應電路係 在預足時間内提供一交流電壓或一交流電流，以將一預定 功率饋進至氣體放電燈，而使得當平均燈泡功率相對於公 私功率而降低時，其可以在交流電壓或交流電流極性反轉 <前的一半的時間週期内增加瞬間功率。此一在極性反轉 <前簡單地增加瞬間功率係可以確保，在極性反轉之後， 其所需要之重新觸發電壓相對於在正常操作模式下所需之 電壓而言，係不會增加的。 在援引參考之美國專利中係揭露一種操作一氣體放電燈 <万法，其中該燈泡係具有一短光弧；其中該燈泡係在一 定時間週期内接收_交流電流，且在每半個週期中將一簡 短電流脈波重疊在該燈泡電流上，其中該電流脈波在相關 的半個週期内係具有與該燈泡電流相同之極性，使得氣體

O:\85\85326.DOC 1290808 放電燈之光弧與電極的使用週期基本上係可以增進。 % >瓦密度或電塵之變化，如在上述援引專利中所揭露將 在下文中稱之為”脈波操作”或，，脈波模式，，者，係已證實其在 實務操作上會帶來極大的影響。在此應注意的是，本說明 書中所用之，，脈波操作，，及”脈波模式”一詞，係應解釋為在額 外電泥或電壓脈波重疊於操作電流或操作電壓時，該電流 強度或電壓之所有變化，此在針對用以穩定燈泡弧光之許 多又獻中皆有加以說明之（例如，歐洲專利第〇 865 21〇 A2 號、國際專利W0 97/247871號或美國專利5,428，號）， ;:、、而忒脈波知作一同係應嚴格解釋為一種燈泡操作模 弋其中燈泡操作係可以在極短的時間内迅速地重複進 行，且在大部份的時間内係不會輸出光線。 命仍無法令人滿意； 的例子中尤其重要， 雖然脈波操作係可以增進光弧的穩定性，然而其使用壽 ;這在具有極短光弧之高壓氣體放電燈

石英管中，且其在密封於石 在燈泡製成之後，其位置係

O:\85\8S326.DOC 1290808 會由原始的設定位置偏離，亦即，其在間隙與橫向對正方· 面皆會產生偏移。此一電極位置之裕度僅能花費相當大的· 成本來加以降低。 另一個在處理上具有極大困難度的問題係電極本身的幾 何形狀。假設可以由一實體材料切割出所需要之形狀，然 而由於成本的緣故，該電極最好係由一具有鎢螺旋滑件之 電極桿（抽引之鎢絲）所構成，雖然電極之幾何形狀及内部結 構最終會形成熱分散，然而在此一結構中係可以將此效應 降低至較低的程度。在具有短総㈣料，電極之極^ 的熱負載係會造成電極材料快速的變化（例如，鎢的蒸發）， 其在數小時之内，係可以在具有大約lmm纽長度之^壓 氣體放電燈中完全改變電極表面。在此一狀態下，甚至具 有理想外形之電極亦僅能在不到100個小時内保持其原來 的功能特性。 、上述白知技術的缺點，本發明之一目的係要提供 :::作氣體放電燈之方法及裝置，其係可以在操作一氣 月豆放黾燈期間利用谨於 運輸万法，以相當有利地構成電極。 發月〈目的係可以藉由如中請專利㈣第^項所述之 如中請專利範圍帛11項所述之裝置來達 龙固k點及貫施例則係揭露在中請專利㈣附屬項 =他之中請專利範圍則係與這些方法及裝置有關的處 埋万法及裝置。 本發明之目的係可以获+ L、 ’、 精由上述之方法來達成，其中燈泡

O:\85\85326.DOC 1290808 至少-隨時間變化之操作資料值連續或不連續地加以測 量，且交流電壓或交流電流之頻率（操作頻率）係依照上述測 量值來加以選擇。該操作頻率係依照以下操作資料所測量 得到之至少-測量值來加以選擇，其中該操作資料係包 含：燈泡之總使用壽命、操作電壓、電源耗量或發散量、 光旅長度以及電極間隙’且由於所有此類資料係與電極狀 態有關之直接或間接資料，尤其係電極間隙（舉例來說，甚 至在具有使用壽命之新燈泡的例子中，電極之理想近似狀 態以及選擇-給定操作頻率之必要’係可以根據實驗值而 由使用壽命本身推論得出）。 本發明係根據-種新發現，亦即，在以交流電壓或交流 電流操作期間，在電極上成長之結構係正比於電流或電壓 之操作頻率。已經發現，隨著操作電流或操作電壓之基本 頻率愈高，則所成長之結構之直徑便愈小。一般而言，在 高壓氣體放電燈中之頻率係介於大約4〇至6〇〇 Η?之間。 針對給定類型之燈泡而言（例如，與德國專利第38 13 421 A號中所揭露之燈泡），以下之關係式係成立的，亦即，結 構成長之直徑—a/fi/2，其中f係操作頻率（Hz)，而&係燈泡 特疋比例常數，其係介於大約2〇〇〇及5〇〇〇微米Η/、所 以在基本操作頻率100 Hz的情況下，其係具有大約200至 微米直徑之結構體。大體而言，此一常數係可介於大約 A及10000微米Ηζι/2之間。所形成之結構體之高度通 苇係】於其直徑，且根據常理，通常係直徑之0.4至0.8倍。 ;、二而此比例係具有〇·2及1.2之間的變化範圍。本發明

O:\8S\85326.DOC 1290808 φ 係採用此關係式，而在燈泡操作期間一 门以種可控制之方式 來形成突伸之電極尖端。 本發明係可以在操作期間來形成電極， ^而不論製程所形 成之電極的基本形狀為何(在給定限度内）。適當的電極間 隙，或者係適當的操作電壓係可以藉由利用運輸方法而在 給定之限度内來加以調整。當達到所需要之電壓值時，咳 條件製程便會中止’且燈泡便會以在該瞬間所具有之= 來操作。 "… 依照本發明之-優點係在於’其可以在燈泡之使用壽命 期間再次應用時間，藉此使電極可以有某些程度上的 ，’，而使得其可以在一極長的使用壽命期間持續具有此一突 出效果。 由於運輸方法之物理定律，在操作期間㈣成之電極結 構實際上係可以相當精確地彼此相對成型，而不會有任何 橫向錯位的情況產生。當操作係以極低頻率來開料，該 結構體便會適當地定位在電極中央。 為此’測量值係可以相當具有優點地加以測^，以檢測 其是否有収預定的二次條件’且當第—個二次條件滿足 時（起始條件），該燈泡便以極低的操作頻率來加以操作（起 始頻率），直到第二個二次條件滿足為止，之後，便開始增 加:操作頻率。舉例來說，此—起始狀態可以係第一次使 用—新的燈泡，或者係所需要之操作電壓超過一給定的極 限值。其亦可以定義具有不同起始頻率之不同的起始條 件’使得當第-次使用-新的燈泡時，直徑漸縮之連續結

O:\85\8S326.DOC -10- I29〇8〇8 構體可以形成在電極上，尤 . 係以較低的起始頻率來操 ’其中在電極之形狀僅須略做調整之例子中，並可以立. 刻形成相當小的結構體，並且以較高的起始頻率來操作。 处^頻率係可以連續地增加，以相當具有優點地形成該 =姐。然而’已經發現相當具有優點的是，其亦可在分 :”驟中來增加頻率直到頻率到達預定之中止條件為 。此-中止條件可以係：到達預定的操作頻率（最大頻 丰）、到達預定之最小操作電壓、在經過一預定時間後，該 電極間隙係保持一定。 在-又冲成可以達成上述操作一氣體放電燈之目標之裝 置中’其係具有測量裝置，用以連續地或不連續地測量燈 j至y Ik 0争間變化之操作資料值，以及具有依照上述測 量值來改變交流電壓或交流電流之頻率（操作頻率）的裝 置此裝置亦可以使用在剛製成之氣體放電燈中，以及

☆用所有潁型氣體放電燈之照明裝置中，尤其係投影機、 卡車的照明系統等等。 該裝置之一較佳實施例係包括一小型計算及控制裝置， 八係包括至少一微處理器，以控制供應至氣體放電燈之操 作頻率、操作電壓及交流電流，並且計算及監視測量值是 否有滿足預足或選擇之二次條件；接著在針對氣體放電燈 之脈波k作所提供之既有裝置中便可以採用該處理器及裝 置。 實施方式 上述援引參考之美國專利第5,608,294號係揭露一種電

O:\85\85326 DOC -11- 1290808 子壓艙裝置，其係可以產生如圖丨所示之電流型式，且具 有一咼度13 <額外電流脈波，且該電流脈波之持續期間卬 係在整個半波週期tl/2之末端，且該基準高度為12。最好， 泫壓艙裝置係以微處理器控制之壓艙裝置來實現，其亦可 以控制燈泡操作頻率。其亦包括—資料載體，該載體係包 含一控制程式，以進行稍後將說明之步驟。其亦可以提供 一讀取裝置，藉此可以讀取—機器可讀取之資料，以將該 資料傳送至壓搶裝置。

為了形成具有如圖2所示形狀之電極，該燈泡係以脈波 模式而以極緩慢增加之頻率來加以操作，且由一較低的起 乂、率開始在開始時以低頻率來操作係可以提供一較寬 的結構1以做為基部，而在該基部上可以以較高頻率而連 續形成較窄結構2及3。此-轉變可以係連續的，或者係以 分離之步驟來形成。舉例來說，在數小時的操作期間以45、 、及130 ΡΙζ之增加順序，便可以得到實際的效果。 利用此-操作模式，已經發現其可以在習知高壓氣體放電 燈t:電極間隙由降低至0.7 mm。在如此條件下 取问々率而延長操作期間（數百小時），電極便會逐漸燒毁 U起L狀‘& ’此可以由操作電壓之增加而輕易地 W $冢作電壓知η去 /、 、，、 争’依照本發明之電極便會再次以缓慢 :17:率：加以處理，直到電極之尖端結構幾乎再次完 :在母’人進仃此類再生操作之後，燈泡便能以最高 選疋頻率而再使用達大約100個小時。

O:\85\85326.DOC -12- 1290808 本發明所提供之主要優點係在於，在重新再生狀態期間 亦可以使用該燈泡之光線。整體而言，光學效率通常係會 隨著電極間隙增加而減少（舉例來說，在影像投影機的例子 中’螢光幕亮度係會降低；此一亮度係會藉由再生而增 加）。此一糸統效率，經過1 〇〇個小時之變動率，在任何狀 態下係會構成一主要的優點，這係遠比連續遞減之效率還 來得重要。

重新再生之需求係可以輕易地由燈泡的電壓上升而得知 。當操作電壓增加超過一預定值時，重新再生便啟動。 以下將舉例來說明本發明之方法，係如何在一影像投影 機之氣體放電燈操作期間來實施。 k泡之第一次操作係由一小時的操作計數器來啟動，： 中孩計數器係在燈泡更換時會自動重新設定。這在目前] 面上的許多投影機中已經有此設計。 燈泡一開始係以儘可能較低之頻率（例如45 Hz)來逢

作ϋ作可以在—固定時間間隔中來進行⑽如，一」 時的操作時間）。或者，該頻 πη π J J以延長，直到看不到3 月k的電壓降（表示結構的成 於π i s ^ 知作万法的優點係名 ;個別差異性可以列入考慮 還佳。 U疋時間間隔的操作方^ 以將頻率由前一頻率 針對新的頻率的操作 ’或者係不再觀察到 接著，便將頻率增加。已經發現可 之大约1.2倍增加至18倍係較佳的。 時間可以係在一固定時間間隔内進行 有明顯的電壓降為止。

O:\85\85326.DOC -13- 1290808 整體而言，頻率係可以持續增加，直到a)到達-固定的 頻率極限值，或者b)達到—固定之電壓，或者在頻率 增加之後，已無法觀察到結構有明顯地成長為止。 如此决疋〈頻率係確定可以採用，直到電壓再次有明顯 增加為止’例如，回復到起始數值。然而，該電極最好係 在電壓回復到起始數值之前便重新"再生"；為此，燈泡便 再次以儘可能低之頻率來操作。 本發明之方法係可以實質降低在氣體放電燈中之操作電 壓及光派長度或電極間隙。舉例來說，在習知結構之氣體 放電燈中’其係具有前述簡單且具成本效益之電極，且在 具有燈、泡電流12存在讀制電源以及具有—脈波電流η 而達2.8 A，且同時採用45、65、9〇及i3〇Hz之頻率順序 ^況下操作電壓係可能由一開始的85 V降低U v，且 光藏長度料—_的U毫米耗至0.7 €米’·在此應注 思的是二此-驚人的降幅係分離式步驟所無法達到的，但 在投影模式之燈泡”正常”使用期間係可達到的。 在本發明之範圍内，仍有許多變化方式及其他的細部結 構’舉例來說’此類變化係可以針對操作頻率增加或降低 《一次條件’或係有關於操作頻率的選擇。本發明之主要 特徵係在於該方法係可以在氣體放電燈操作期間來處理電 :::藉由控制操作頻率之變化，其係可利用運輸現象 而將材料沉積在電極上。 圖式簡單說明 本發明之其他細節與優點，將可以由以下非限制性說明

O:\85\85326.DOC -14- 1290808 内容並且春昭- · 明仿昭士〜W例性圖式’而獲得更深入之瞭解，其中說 明依照本發明方法之各種優點。其中： ， 圖1係_ + , . ^ 操作電流隨ϋ 操作期間供應至一氣體放電燈之 崐哼間變化的情況；及 圖2係圖示诗 ^ 廊。 '精由本發明方法所形成之電極之橫向輪 圖式元件符號說明

較寬結構 較窄結構 較窄結構

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Claims (1)

1290808 ‘ s -； · 拾、申請專利範圍： 1. 一種投影機，其具有一種氣體放電燈，其係包括兩電極 ，其特徵在於： 該電極係以步階方式增加該燈泡操作電流或燈泡操 作電壓來加以處理。 2. —種交通工具之發光系統，該發光系統包含一種氣體放 電燈，其係包括兩電極，其特徵在於： 該電極係以步階方式增加該燈泡操作電流或燈泡操 作電壓來加以處理。 3. —種投影機，其係具有一種操作氣體放電燈之裝置，其 中該氣體放電燈係具有交流電壓或交流電流，而使得燈 泡之瞬間功率係可以在一給定的時間間隔内增加之，其 特徵在於： 具有測量裝置，其係用以連續地或不連續地測量燈泡 至少一隨時間變化之操作資料值，以及具有依照上述測 量值來改變交流電壓或交流電流之頻率（操作頻率）的裝 置。 4. 一種交通工具之發光系統，該發光系統包含一種操作氣 體放電燈之裝置，其中該氣體放電燈係具有交流電壓或 交流電流，而使得燈泡之瞬間功率係可以在一給定的時 間間隔内增加之，其特徵在於： 具有測量裝置，其係用以連續地或不連續地測量燈泡 至少一隨時間變化之操作資料值，以及具有依照上述測 量值來改變交流電壓或交流電流之頻率（操作頻率）的裝 O:\85\85326.DOC 1290808 置。 5. —種在一氣體放電燈之脈波操作期間用來處理電極之 方法’該方法包括· 藉由提供一交流電流至該放電燈以在該電極上產生 一成長結構， 經由改變該交流電流之頻率f，以控制該成長結構之 直徑趨近於D，而其關係式如下： D=a/f1/2，其中a為燈泡之特定常數（單位為米Hz1/2) ，其與電極材料及電極之幾何形狀相關，f為頻率，其 單位為Hz。 6. —種在具有可調整電極間隙之氣體放電燈之脈波操作 期間處理電極之方法，包含下列之步驟： 提供一交流電流給該氣體放電燈； 藉由改變該交流電流之頻率，以根據下列關係式來控 制電極上成長結構之生成及調整電極間之電極間隙， D=a/f1/2，其中 D為脈波操作期間，生成在電極上之結構之直徑，a 為燈泡之特定常數（單位為米Hz1/2)，其與電極材料及電 極之幾何形狀相關，f為頻率，其單位為Hz。 7. —種機器可讀取之資料載體，其特別是一種可擦除可程 式規劃僅讀記憶器（EPROM)，其係具有一控制程式來控 制一裝置，及其特別是在控制一微處理器上來控制一鎮 流裝置，用來控制一氣體放電燈，其中該程式係包含機 器可讀取之指令，以執行操作一種氣體放電燈之方法， O:\85\85326.DOC 1290808 其中係以交流電壓或交流電流饋給至該氣體放電燈，而 使仔燈泡《瞬間功率係可以在一給定的時間間隔内增 加之，其特徵在於： 將燈泡至少-p遺時間變化之操作資料值連續或不連 續地加以測量，以及 交流電践交流電流之頻率（操作鮮）絲照上述測 量值來加以選擇。 O:\85\85326.DOC