TWI309960B - Operating method and system for the resonant operation of high-pressure lamps in longitudinal mode - Google Patents

Description

1309960 玖、發明說明： 一、 發明所屬之技術領域： 如本發明申請專利範圍第1項之界中 〈界疋，本發明係關於一 種在縱向模式中之高壓燈諧振操作的操作方法及系統，特 別的是，本發明係關於一種具有陶瓷放電容器之高壓放電 燈，其形態比例最好爲最少1 . 5者。 二、 先前技術： 第WO 02/09480號案業已揭示縱向模式中之高壓燈諧振 操作的操作方法及系統。其重點係用於尋求第2縱向聲波 · 5皆振頻率之方法。兹假設’在含有縱向模式之頻率範圍的 連續掃描期間’則藉燈泡操作電壓之相對增加，或可發現 垂直操作位置中之諧振頻率。藉助此種方法，在垂直胃皆振 中’可發現用於分凝之弧光狀態（segregated arc state)的縱 向頻率’且之後加以保持。但是’依金屬鹵化物充塡之合 成物（compos iti on)及依掃掠（search)過程之終了的時序（timing) 等而定，因而所發現之頻率可成爲高頻，並因而，藉助上 述方法，在所發現頻率上之聲波諧振的激發，可產生不充 鲁 分之混合且不除去分凝滿意性（s e g 1· e g a t i ο n s a t i s f a c t ο 1· i t y) 。但是，其對於電子式鎭流器之（即安定器）器具而言，其 價格甚爲昂貴。 亏發明內容： 本發明之目的在於提供一種如申請專利範圍第1項之操 作方法，即使是垂直操作，亦可確保最適宜之混合。本發 明之另一目的係在各種操作位置中，均可確實的找出目標 -6- 1309960 之聲波S皆振（a c C 〇 U s t i c r e a s ο n a c e )。本發明之再一目的則在 於提供上述方法之相關系統。 根據申請專利範圍所界定之特徵，即可達成上述目的。 而其他之特徵及優點’則見諸於諸附屬請求項中之界定內 容。 根據本發明之操作方法係設計成，橫向操作位置之第2 縱向諧振，在連續操作之最先開始起，即經常作激發，因 爲在所有的金屬鹵化物之上方，充塡之成分可達成最適宜的 混合’即使是在非水平操作位置亦然。因而可大幅避免顔 色效應及顔色散射。此在遵行某一寬限期之後，系統上勢 非外加以一延遲之方式不可。此種過程之模式可確實的構 成爲最適當之諧振’特別的是，水平操作位置之第2縱向 聲波諧振f〇〇2。此方法係最適用於陶瓷高壓燈狀況，其形 態比率（長：直徑）爲1.5，而在高頻掃描動作時，最好爲>2 ，俾可抑制分凝（segregation)並可改善金屬鹵化物-弧光電 漿之混合。 此間顯示’在垂直位置，即或是水平位置，於加熱狀態 中’倘爲相同用於水平操作位置之諧振的諧振條件，即可 實現初始之激發，且在後者之狀況並未發生有分凝。 根據本發明，係提供一種改善之方法，較諸於第WO 02/ 〇94 8 0號案更爲確實，係更容易的實現並可降低電子鎭流 器（EBs)之成本者。 水平操作位置中之諧振f〇 02的位置，係作決定之第1步 驟。事先，或是在燈操作期間之在線（on-line)，均可用各 -Ί- 1309960 種方法實現之，例如以矩形電流注入，及以具有5〜；! 5%正 弦波成分（依正弦波頻率之變化而定）之振福成分的重疊性 正弦波信號，在燈操作時測量燈之阻抗等。 倘放電容器因受外形之限制而用於內部長度者，僅容許 爲一狹小之範圍時’則燈泡對應尺寸所界定之第2縱向聲 波諧振，必須加以激發，用以作弧光電漿之最適宜混合， 尤以在垂直操作位置爲然。 在垂直操作位置中’解混合（demixing)將造成聲波速度之 大幅變化’其效果爲’在燈泡業已運作後，聲波第2縱向 · 諧振（f002_vert)乃對應於水平操作位置（例如f0〇2_hor)而 明確的朝向較高之頻率作轉移。當進行之時間過後，於一 正確之操作模式期間’該諧振頻率即作改變，其可達成一 種漸進式之混合’直到其再次的對應於水平操作爲f002_h〇r 爲止。 因爲在垂直操作期間’主要係須作成分凝（segregati〇n) ’故須可見及達3 0 %、大部分約爲丨〇〜2 5 %之聲波有效速 度中的各種偏差（dveiation) ’該等百分比係比較在水平操鲁 作位置之混合狀態時’對應於較高之値者。例如，用於H g/Ar 緩衝氣體混合器之聲波速度中，約c a .丨5〜2 〇 %之偏差，和 混合之操作作比較即可發現之。與4 6 4 m / s作比較，具體所 測量之値爲5 5 0 m / s。 第1縱向聲波諧振之聲波諧振頻率，通常係設成如下： f〇〇i = ixcl/(2xL) i - 2 (弟2聲波諧振）時’則保持：f Q q 2 = c ] /乙 -δ" 1309960 掃描操作最好隨上升之頻率成傾斜方式實行之。在第！ 方位角與第1徑向之聲波諧振兩者間的中心位置，典型的 掃描率約爲1 0 0 s ·1〜1 0 0 0 s ·1。 以方位角聲波諧振而言，管半徑R及聲波之一有效（方位 有源）速度c a z，係保持下式關係： fi〇〇 = ai〇caz/(2x〇xR)，式中，ai()i=i，2，·..貝塞耳係數 (Bessel c o e f f i c i e n t) a i 〇 = 1 . 8 4 ； a2〇 = 3.0 5 ； a3 〇 = 4.2 等。 另，以徑向聲波諧振而言，管半徑R及聲波之一有效、 徑向有源速度C !·'係保持下式關係： f〇i〇 = a〇iCr/(2x〇xR)’式中，aojiM,〗，…貝塞耳係數 a〇i = 3‘83，a〇2 = 7.〇16 %=。 電功率變動型式可導致激發在封閉、約成圓柱體燈泡中 之該等聲波諧振。意即，以頻率f,之正弦電流波作激發時 ，功率頻率fp之頻率爲：fp = 2xfl。 則，第2縱向之諧振頻率乃爲：f〇 〇2 = cl/L，此狀況中， c 1係聲波速： c 1 =(RxkxT/M) 172 式中，R : —般之氣體常數，κ :壓縮係數，τ :平均電漿 溫度，M:電漿氣體之平均體積克分子質量；L:放電容器 之徑向長度。 本發明係自燈具應用之高頻範圍內的載波頻率，例如 5 0 Η z開始進行，在該頻率上，外加以一掃描頻率作爲頻率 調變（F Μ )，則其頻率値乃可由第1方位角至第]徑向諧振 之範圍內作選擇。此一頻率値，以在兩個諧振之平均値附 -9- 1309960 近的數値較佳，倘直接爲該平均値最佳。一參考點則係自 載波頻率作1 0 %之掃描偏差者。一般而言，掃描比率之範 圍爲100至1 0 0 0Hz。在遵行一寬限期間（燈之加熱期）之後 ，倘爲適當，乃可在上面外加以一振幅（幅高）調變（調幅） ，在水平操作位置上，其基本·頻率爲第2縱向諧振f002。 此間顯示，所使用之內燃器尺寸（一般爲1 2〜2 4 m m)中的 諧振頻率，在比較水平或混合之狀況下，可提高至5kHz 時，則所述之進行模式可確實的成爲所希操作之模式。 弧光電漿之最可能混合以及分凝之完全減除，可依多數 · 之實施例確實的予以實現之。在約0.9〜1 .ix(fi〇0 + f(H 0)/2 之掃描操作期間，於任何所希之操作位置中，用以產生其 對混合最具效果之第2水平縱向諧振的操作方法，將於以 下作陳述。該掃描範圍係約對應於5kHz(〜10%x(f 100 + f010)/2))上下之窗口（window)。 爲此之各種預設條件爲，首先，在水平操作位置中，第 2縱向諧振頻率f002之位置的決定與儲存，係虛擬性的經 常已予混合之。爲了建立具有此一頻率之基本操作，幾何 ® 形狀/緩衝氣體組合必須對應於聲波諧振而予特性化並作 調查’則第1方位角諧振Π 〇〇及第1縱向諧振f〇丨〇或其 平均値’除了第2縱向諧振f 〇 〇 2之外，乃亦爲已知。 在第1實施例中可窺知，藉由以下之事實，遂行一種方 法可設定成最佳之混合操作狀態，亦即，在弧光放電之點 火後，振幅調變之基本頻率f A Μ値係設定爲丨.丨5〜1 . 2 5乘 以5¾頻率f 〇 〇 2 — h ο 1· ’惟在c a . > 6 〇〜c a . 1 5 0秒之一外加狀態 -10- 1309960 I (直至 定 疋調幅 or作比 度係設 〜2 5 %。 同之調 作位置 2 5%) 頻率轉 且不可 一具有 .75-150 提高爲 增加比 菱，可猝 別的爲 制。因 >，或作 內’須實行約3 0〜8 0秒，最好約爲6 0秒之加熱狀育 瞬間U )。可事先隨意作AM之選定，但最好預先設 f〇G2_h〇r。再次的，在〇〜25%之範圍內，可隨意設 度。外加狀態中，基本頻率之上升瞬間，與f002_h 較’上升約1 8〜20%之頻率在此例中爲可行，調幅; 定爲1 5〜3 0 %。此例中，調幅係設定爲調幅度之c a. 1 5， 外加狀態之另一種狀況爲，在基本頻率中，所連 幅度係依然爲恒定、或可匹配傾向於轉渡爲水平操 之激發頻率的連續操作條件（1 8〜3 0 %，最好爲2 0〜 時’一連續之頻率將移回f002_hor。基本頻率中之 移比率爲0.5〜15kHz，最好是爲典型的ikHz/sec， 快於 1 OkHz/sec。 在另一實施例中，用於水平操作位置之諧振，在 恒定保持在頻率點f〇〇2_hor之基本頻率，最好爲ca 秒之加熱狀態後，以步進方式或連續方式將調幅度 4 5 % ’亦可予以強迫成爲垂直操作位置。調幅度之 率不可超過上升之一特定値（典型的爲<40 %/sec)。 在連同一增加之調幅度的c a ·> 2 0 - 6 0秒外加狀態ί 然的把調幅度增加或減少至連續性操作狀態，特 c a . 2 0〜2 5 %。此一調幅度之設定並無任何比率之限 之，調幅度可作瞬間（〇· 1秒內）之改變（最好爲減小： 尚比率之改變。 藉此種方法，亦可同樣的迫使達成第2水平縱向之諧振。 本發明亦包括該兩種方法之組合，以及在鎭流器中遂行 1309960 該種方法。達到所述方法起始之時間變化’也就是說，複 數個頻率與調幅度中的有效改變，均是在起始狀態中之鎭 流器的電力聯結予以作決定。特定之時間周期，在啓動弧 光放電後’賦與一上升之功率即可縮短至5 0 %。倘應用之 燃燒器容器爲一種高熱能力時，時間狀態可予提升至2 0 0% 。又者’頻率及調幅度之改變循環可施行數次。 用於擬操作之高壓型燈具之啓動或切斷的判斷基準，可 藉燈具之操作電壓與阻抗之自動測量予以設定成所界定之 型式。 除了所述之方法外，本發明尙包括遂行該方法之鎭流器。 吗實施方式： 第1圖爲在通用之操作位置上，且特別者，爲藉啓動狀 態中之調幅頻率轉移之垂直位置上、用以建立改善狀態之 槪略操作方法。調幅之頻率f A Μ係在燈具打開（s w i t c h e d ο η) 之後，對時間作描繪之曲線。在第1實施例中，開燈之後 ’接著以一加熱狀態（直到瞬間tl)遂行弧光放電（t = 0)之點 火，即可實現最佳混合操作狀態之過程。該加熱狀態最多 爲7 5〜1 5 0秒’最好爲約6 0秒。在以下以c a」〜2分鐘期 間之外加狀態（自tl至t2)中’調幅（AM)之基本頻率 係設定爲1·15〜1_25乘以頻率f〇〇2_h〇r。在此之前，於加 熱狀態中’頻率fAM可恣意設定，但最好預設爲f〇〇2_h〇r 。加熱狀態中之調幅度亦可在〇〜2 5 %範圍內任意設定。之 後，在瞬間11 ’基本頻率即倏然增加，此狀況中，增加之 頻率値最好爲較諸f〇〇2 —hor增加〗8〜2〇%。外加狀態中， 1309960 基本頻率之增加瞬間，調幅度係設定爲1 5〜3 0 %。此狀況 中，調幅最好係設定爲ca. 15〜25%，而調幅度爲20〜25%。 外加狀態之另一種狀況中，基本頻率fAM係連同一仍爲 恒定、或匹配傾向於轉渡爲水平操作位置激發頻率之連續 操作（18〜30% ’最好爲20〜2 5%)狀況的調幅度，一倂低下 而返回f〇〇2 —hor。基本頻率中之頻率轉移（M/dt)爲0.5〜1.5 kHz/秒，最好爲1 kHz/秒，不可快於1 0kHz/秒。 第2圖爲關於一通用操作位置，特別者，係倂同一在啓 動狀態時改變調幅度之垂直位置，用以設定一改善之混合 ® 狀態的另一種方法槪圖。以在其調幅度少於3 0 %之頻率點 f〇02_hor(或全未有振幅調變）上保持爲恒定之基本頻率，令 加熱狀態直到瞬間11 (最好爲c a . 7 5〜1 5 0秒）之後，用於水 平操作位置之諧振，亦藉階段式或連續式增加調幅度至 45 %，而被強迫成爲垂直操作位置。調幅指標（AM index) 之增加率，不可超過1 5 % /秒（一般爲1 〇 % /秒）。 倂同一增加之調幅度的外加狀態，整個經過2 0〜6 〇秒後 ’調幅度可猝然的予以設定爲連續操作之狀態，特別者， ® 爲c a.2 0〜25%。此一調幅度之設定並無任何比率之限定， 故該調幅度可作瞬間（0 . 1秒內）之變化（最好爲減少）或作高 比率之變化。 藉該種方法，同樣的亦可迫使達成第2水平縱向諧振。 在燈具之第1代表性實施例中，該燈具具有一陶瓷放電 容器，其內充塡有鈉之碘化物、鈽、鈣，其配比爲N a I: c e 13: C a 12 = 7 0 : : 2 0 m ο 1 % ’全部質量爲5 m g，且充塡4.5 m g之汞。 1309960 放電容器之內部尺寸（內部長度）爲IL=19.2mm，內徑ID 爲4mm，且實質上成圓柱形，與電極之間距爲EA=l 5mm。 燈具之使用功率爲70W。在垂直操作期間，點火之後，燈 具以8 5 Hz之掃描率，於4 5〜5 5 kHz間之掃描模式操作約 9 0秒。經加熱狀態後，在c a . 3 0 k Η z之頻率處，外加以c a. 2 0 % 調幅度之振幅調變。而在時間之另一狀況中，頻率係在 c a. 1 k Η z /秒之變化比率上，轉移爲諧振頻率，其係預先在 一連同有恒定調幅度之24.4kHz第2縱向聲波自然振盪的 水平位置中心予以決定者。此一過程之時間爲ca. 5 . 6秒。 Φ 調幅之頻率點及調幅度係保留供其他之操作。該種混合，產 生了 43 7 〇K至3〗5〇Κ之色溫變化，且燈具燈光效率之變化 率，則爲95至1 25 lm/W。 在第2實施例中，第1實施例之相同燈具係不同的調諧 成第2縱向諧振。再一次的經9 0秒之加熱狀態後，於8秒 內，把調幅度在每秒c a · 5 %之値中’以5 %作步進式的增加 至：用於第2水平諧振頻率、與水平操作位置相關'頻率 爲24.4kHz並保持ca.l5〜20秒之特定頻率點上的4〇%準位調 ® 幅度。此一狀態過後，此一調幅度即猝然（〇 . 1秒內）降至2 0 % 。此過程期間爲ca.23〜28秒。 此燈具之特性在第2實施例之連續操作狀況並無不同。 第3圖爲對應之鎭流器（安定器）之方塊圖，其組件如下： 計時器/定時器：用以監視時序圖型（timing pattern)，而 可控制加熱狀態之時間週期’並在點燃高壓燈暨產生弧光 後，初始外加狀態。又者，用以穩定燈具弧光之掃描率亦 -14- 1309960 在此作控制。 功率段：具有限流元件，且一般爲頻率響應之全電橋或 半電橋。其係藉一供應軌（4 5 0 V，直流）連接於電源。 回授環路：燈具模式檢知’倘燈具參數，例如燈具電流 及燈具電壓等作適當之回授時，可用以設定各項控制參數 ’並使加熱狀態' 外加狀態固定，或以其他之調諧參數重 複外加狀態。 燈具：高壓放電燈（HID燈具）。 調頻（FM)調變：高功率調頻。 φ 調幅（AM)調變器：一種高功率之調變器，具有可同時調 變頻率與調幅度IAM之能力。 調幅（AM)信號產生器：一種數位或電壓控制式之振盪器。 調幅（FM)信號產生器：一種數位或電壓控制式之振盪器。 電源：軌道電壓產生器。 控制器：所有單元之中央控制。 £圖式簡單說明： 本發明將佐以如下之附圖說明複數個代表性實施例而得 ® 更爲顯見，其中： 第1圖爲一高壓燈啓動之槪略循環（cycle)圖。 第2圖爲用於一槪略循環之另一代表性實施例。 第3圖爲用於驅動電路之原理的代表性實施例。 主要部分之代表符號說明： 無

Claims (1)

1309960 拾、申請專利範圍： 1 · 一種在縱向模式中用於高壓燈之諧振操作的操作方法， 係利用以一掃信號產生器作頻率調變（調頻）之高頻載波 頻率’該掃描信號之頻率係導自第1方位角（a z i m u t h a 1) 與徑向（radial)之模式’並可同時作振幅調變（調幅），一 控制器係用以設定調幅信號之基本頻率，調幅之基本頻 率係導自第2縱向之模式，其特徵爲： 燈泡點火後，係順序性的循經以下3種操作狀態： a) —加熱狀態’其中係選擇f002_hor作爲調幅之基本 頻率，或將調幅一起分送； b) —外加狀態’係藉暫時改變來自連續操作之狀況的 調幅偏差並具有不同於零之調幅度而作區別；及 c) 一具有調幅之恒定狀況的連續操作，其狀況中，頻 率係達於f002_hor而作爲調幅之基本頻率，且調幅度爲 2 0〜2 5 %者〇 2 .如申請專利範圍第1項之操作方法，其中掃描頻率在操 作期間係保持爲恒定’且係在第1方位角與徑向模式兩 者之間的範圍內者。 3 ·如申請專利範圍第1項之操作方法，其中該加熱狀態係 約3 0〜8 0秒後終止，同時，該外加狀態則約6 〇〜〗5 〇秒 後終止者。 4 ·如申請專利範圍第1項之操作方法，其中在外加狀態期 間’調幅之基本頻率係猝然的上升]5〜2 5 %，且之後， 連續的回復至原始値f00 2__h〇r，改變之比率爲0.5〜is k H z / s e c 者。 1309960 5. 如申請專利範圍第4項之操作方法，其中調幅度係設定 成1 5〜3 0 %之範圍者。 6. 如申請專利範圍第5項之操作方法，其中基本頻率之改 變幅度與調幅度係選擇成相等考。 7 .如申阳專利範圍第i項之操作方法，其中於外加狀態期 間，在比較連續操作之調幅度下，其調幅度係階段式的 上升至50〜15〇%，改變之比率最多爲每秒15%，之後即 保持所選擇的最高値直到外加狀態終了，同時，特別的 是’基本頻率仍未有改變者。 · 8 .如申請專利範圍第7項之操作方法，其中維持該狀態約 2 0〜4 0秒方終止者。 9 .如申請專利範圍第7項之操作方法，其中隨後傳送於連 續操作係以猝然之方式遂行之，最好在〇.丨秒以內者。 10 ·—種由—高壓放電燈與一電子鎭流器所構成之系統，具 有一容納金屬鹵化物之放電容器，其特徵爲放電容器之 形態比率係大於1 . 5，而該電子鎭流器可適當的用以實 行如申請專利範圍第1項之操作方法者。 ® 1 1 ·—種用於一高壓放電燈之高頻操作的電子鎭流器，具有 ―掃描信號產生器、一振幅信號產生器、一用於該兩個 產生器之混合器，且如適當，並可具有一控制器，用以 調節調幅信號之基本頻率’其特徵爲在燈之操作期間， 該等產生器可適當的提供如申請專利範圍第1項之加熱 狀態、外加狀態及連續操作者。 -17-