專利名稱：穩(wěn)定氣體放電燈的運行的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分用于使氣體放電燈運行的方法。此外，本發(fā)明還涉及根據(jù)權(quán)利要求6的開端用于使氣體放電燈運行的平穩(wěn)管。
在氣體放電燈(在下文也被稱為燈)運行期間，放電根部在電極上的型式依賴于電極是發(fā)射電子(陰極)還是捕捉電子(陽極)。在陽極的情況下，放電按遍布電極大范圍的方式被扎根，而在陰極的情況下，通常形成所謂的焦斑(熱斑)，其結(jié)果是放電多少有些按斑點狀的方式被扎根。焦斑所扎根的地點依賴于電極的幾何形狀、電極材料及電極上的溫度分布。這些參數(shù)在運行期間易發(fā)生改變，以致焦斑扎根的地點會改變其位置，而這被表示為氣體放電的不穩(wěn)定性(電弧不穩(wěn)定性)或閃變。這種閃變，特別是，出現(xiàn)在燈以交變電流運行的情況下，由于電極交替地形成陰極和陽極，因此，焦斑必定隨陽極到陰極的每次改變而變換。
為了降低閃變，燈的所謂的方波運行例如從US4,485,434被了解到。已顯露出選擇方波的燈電流替代正弦波的是有利于穩(wěn)定高壓氣體放電燈的交流(AC)運行的。方波頻率的通常值是50Hz到200Hz。方波運行，特別是，在光通量的恒定是重要的圖象記錄和投影技術(shù)的應(yīng)用情況下已變成被確認(rèn)的。盡可能迅速的換向目的是為了使光通量與方波振幅不對應(yīng)的時間間隔能盡量短。
盡管按方波運行，放電的穩(wěn)定性仍然是不滿意的，特別是，在短電弧高壓放電燈的情況下，這種放電比較適用于投影技術(shù)中，為了改進(jìn)電弧的不穩(wěn)定性，PCT申請WO95/35645號提出在方波周期的終止時使燈電流脈沖式地升高。電流的升高伴隨有對焦斑位置施加穩(wěn)定影響的溫度上升。只有關(guān)于脈沖的延續(xù)時間和高度以及工作頻率的近似數(shù)據(jù)被給出。而且，該方法的模式或運行僅僅被指出。因而，該方法應(yīng)用到與示范實施例中提到的燈相比不同的燈設(shè)計(例如具有不同的電極形狀或不同的填充壓強(qiáng))上只有在廣泛的實驗工作之后才是可能的。
然而，不僅是確定電流曲線的合適形狀的問題，而且，如在下文所述的，還有生成所期望的曲線形狀的問題。用于運行放電燈裝置的負(fù)載電路，特別包括能量存儲器和燈，前者也可以是附加的而后者構(gòu)成非線性負(fù)載。
能量存儲器的電路網(wǎng)絡(luò)形成能被非線性負(fù)載激發(fā)的諧振頻率。特別是在短電弧高壓燈的運行情況下，這在方波運行中燈電流換向以后引起持久的暫態(tài)現(xiàn)象。當(dāng)然，這些振蕩也將在光通量中被觀察到。在要求光通量高恒定性的應(yīng)用情況下(例如，電視圖象投影)，因此需要保證暫態(tài)現(xiàn)象出現(xiàn)的時間間隔短于方波的周期。在有關(guān)的操縱裝置中使用的控制器對暫態(tài)現(xiàn)象的延續(xù)時間有實質(zhì)性的影響。構(gòu)成燈功率量度并被與參考量度相比較的變量在通用的操縱裝置中被生成用于該項應(yīng)用。這個比較的結(jié)果為操縱裝置的功率部分提供控制變量。對于按方波運行的光源的穩(wěn)定時間能由從換向直到光通量已將其自身調(diào)節(jié)到設(shè)定值附近+/-5％范圍內(nèi)的時刻所經(jīng)過的時間來確定。對于以上描述的通用控制器，這個穩(wěn)定時間是250μs-300μs。由于穩(wěn)定時間最多應(yīng)是方波半周期的10％，從而對于隨著通用控制器的方波最多為200Hz的頻率能被實現(xiàn)。
按照關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)的討論，本發(fā)明的目的分成兩部分第一，本發(fā)明是用來根據(jù)權(quán)利要求1的前序部份提供一種方法，它使得具有明確限定參數(shù)的氣體放電燈的基本上無閃變的運行成為可能。第二，根據(jù)權(quán)利要求6的前序部份本發(fā)明在于提供借助其幫助上述方法能被實施的裝置。
該目的的第一部分借助具有權(quán)利要求1的特征的方法被實現(xiàn)。特別有益的改進(jìn)在從屬于權(quán)利要求1的權(quán)利要求2到5中將被發(fā)現(xiàn)。
如在關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)的討論中所闡明的，燈閃變的原因是基于構(gòu)成氣體放電在陰極上根部的焦斑連續(xù)地改變其位置的事實。更精密的分析顯示在電極換向為陰極之后并沒有直接形成焦斑。相反地，首先發(fā)現(xiàn)是面積寬的放電根部。只有在熱的不均勻性在陰極上已經(jīng)被生成之后，放電才變得收縮并形成焦斑。根據(jù)本發(fā)明，燈的閃變能通過在放電形成焦斑之前使燈電流換向而被大大地降低。相對于時間急劇升降的電流邊緣對于電極盡量快的從陰極改變到陽極是需要的，由于這個原因該方法能借助方波的電流特性被非常有效地實現(xiàn)。由于無閃變運行是重要的，特別是，對于在投影技術(shù)中的應(yīng)用，該方法對于方波用于這種應(yīng)用情況下的燈特別重要。這些主要是高壓及超高壓放電燈并且，由于光學(xué)成象的質(zhì)量，特別是那些具有短放電弧的高壓及超高壓放電燈。為了滿足根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)對于這樣的燈，方波燈電流的頻率應(yīng)該至少為300Hz。
如果該方法第一次被應(yīng)用到樣燈，或者如果燈同時被使用不同的方法運行，則可能不顧根據(jù)本發(fā)明方法的應(yīng)用讓閃變現(xiàn)象在燈進(jìn)入運行之后出現(xiàn)短時間。其原因是電極結(jié)構(gòu)便于在不同的位置迅速形成焦斑。然而，根據(jù)本發(fā)明方法的應(yīng)用，電極被按這樣的方式定形以對放電弧施加穩(wěn)定的影響。借助根據(jù)本發(fā)明的方法，這在短時間之后產(chǎn)生實質(zhì)上無閃變的運行。
如以上所描述的，在超高壓短電弧燈的情況下實施根據(jù)本發(fā)明的方法對方波的燈電流要求至少300Hz的頻率，而借助包括通用控制器結(jié)構(gòu)的操縱裝置最高能實現(xiàn)200Hz的頻率。本發(fā)明的任務(wù)的第二部分是合攏這個間隙。它借助于具有權(quán)利要求6的特征的操縱裝置被完成。特別有益的改進(jìn)將在從屬于權(quán)利要求6的權(quán)利要求7到10中被發(fā)現(xiàn)。
在用于氣體放電燈的操縱裝置中通常從恒定的所謂中間電路電壓UO。借助定時的直流-直流(DC/DC)轉(zhuǎn)換器生成輸出電壓UA。該輸出電壓是直流(DC)電壓，它能借助控制變量Us被設(shè)置。DC/DC轉(zhuǎn)換器可以是不同類型的，例如，升壓的、降壓的或逆轉(zhuǎn)換器。借助這些轉(zhuǎn)換器，控制變量Us改變包含在轉(zhuǎn)換器中的斷路器的脈沖占空因數(shù)。燈的方波運行大多憑借著輸出電壓UA的極性通過用于方波的具有所期望頻率的全橋式電路而被反向的事實而被實現(xiàn)。
操縱裝置的控制變量是燈的功率(Pist)。在燈功率只能昂貴地確定，而且操縱裝置的功率損耗被充分精確地了解的情況下，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入功率也能被用作控制變量。在通用操縱裝置中，Pist被與設(shè)定值Psoll相比較，并且控制變量Us從那里直接地或在由控制特性[P,PI,I,PID]加權(quán)之后被確定，而不需要另外的被測量變量的幫助。然而，借助于這種結(jié)構(gòu)在燈電流變換之后不可能有短暫的穩(wěn)定時間。
根據(jù)本發(fā)明，問題借助于兩個措施被解決級聯(lián)控制和前饋控制。級聯(lián)控制，如原則上也被應(yīng)用在交換型電源中所謂的電流型的情況下，根據(jù)本發(fā)明在操縱裝置中憑借著這一事實，即來自Pist和Psoll的加權(quán)控制差別并不確定控制變量Us的數(shù)值，而是為燈電流確定設(shè)定值Isoll。被實現(xiàn)Isoll與構(gòu)成對燈電流量度的數(shù)值Iist相比較，形成燈電流的一個測量值，并且就是這個比較的結(jié)果首先直接或在由控制特性(P,PI,I,PID)加權(quán)后確定控制變量Us。根據(jù)本發(fā)明前饋控制在控制裝置中如下被實施在燈端待測量的輸出電壓UA對燈功率也是決定因數(shù)。輔助電路(例如點火電路)和饋電裝置能導(dǎo)致在輸出電壓UA中的波動。在UA中的波動干擾控制過程，特別是在燈電流換向之后暫態(tài)反應(yīng)的情況中。從而，根據(jù)本發(fā)明Isoll不僅由Pist和Psoll的控制差別確定，而且還依賴于輸出電壓UA。這也能借助用控制特性加權(quán)被完成，為了強(qiáng)調(diào)UA中的波動，最好選擇差分特性。
本發(fā)明借助下列附圖被說明。
根據(jù)本發(fā)明的控制器裝置的優(yōu)選實施例，以及隨即在氣體放電燈運行期間能獲得的結(jié)果在以下將參照附圖被更詳細(xì)地闡明，其中

圖1示出閃變的放電，圖2示出無閃變的放電，圖3示出控制器裝置的方框圖，圖4示出優(yōu)選的示范性實施例的電路圖。
圖1示出正好在燈電流換向之前短電弧高壓燈的放電。所形成的焦斑待觀察。這樣的放電并不符合本發(fā)明的教導(dǎo)，并因此會產(chǎn)生閃變現(xiàn)象。
圖2也示出緊接在燈電流換向之前短電弧高壓燈的放電。然而，燈方波電流的頻率現(xiàn)在是如此高以致沒有焦斑被形成。這符合本發(fā)明的教導(dǎo)，由于這個原因這種放電只顯示出可忽略的閃變現(xiàn)象。
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的控制器裝置的方框圖。由于目標(biāo)是在主控制回路中控制燈功率，第一步是在第一個減法點S1形成來自Pist與Psoll的控制差別并且借助控制特性RC1將它加權(quán)?？刂铺匦訰C1可以是P,PI,I或PID特性。加權(quán)的信號被饋送到第二個減法點S2。借助于控制特性RC2被加權(quán)的輸出電壓UA被減掉?？刂铺匦訰C2在圖3中被表示為被優(yōu)選的差分特性(DT1)，但是它根本上也能具有不同的特性(例如P,PI,I，或PID)。在描述部分所提到的前饋控制在第二個減法點S2被實施。
第二個減法點S2的輸出構(gòu)成在描述部分所提到的級聯(lián)控制的內(nèi)部控制回路的設(shè)定值Isoll。 Isoll在第三個減法點S3被與對應(yīng)于燈電流數(shù)值的變量比較。這個比較的結(jié)果在用控制特性RC3加權(quán)后變?yōu)榭刂谱兞縐S?？刂铺匦訰C3可以是P,PI或PID特性。
圖4示出其中圖3所示標(biāo)準(zhǔn)裝置被實施的電路。在下文中，用R繼之以數(shù)字表示的組件是電阻器，用C繼之以數(shù)字表示的組件是電容器，而用T繼之以數(shù)字表示的組件是晶體管。中央的模塊是從Unitrode公司可買到的電流型控制器UCC3800。這個集成電路(IC)包括第一個(S1)和可能確定控制特性RC3的第三個(S3)減法點，以及作為時鐘信號用于驅(qū)動在描述部分中提到的DC/DC轉(zhuǎn)換器的斷路器而生成控制變量US的電路。斷路器一般是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)，它被接通的時間借助柵極的信號而改變。這個信號在UCC3800的引腳6(輸出)可得到。內(nèi)部振蕩器被要求去生成該信號。如果振蕩器是自由振蕩，它的頻率可用R108及C103被設(shè)置。在這種情況下，DC/DC轉(zhuǎn)換器按所謂的連續(xù)模式運行。R108和C103是串聯(lián)的。約束點被連接到引腳8(參考)及5V的參考電壓。R108的另一端被連接到引腳4(電阻電容)，而C103的另一端被連接到底座。
在與本發(fā)明不直接相關(guān)的特定運行條件下，DC/DC轉(zhuǎn)換器借助包括組件C6、R1、R2、R107、T100、R106、C101、R105、D102、R104及C102的電路部分被處于不連續(xù)模式。這個電路部分由上述MOSFET漏極處的電壓控制。C6、R1、R2及R107的串聯(lián)電路被放置在漏極與10.5V的工作電壓之間。電阻器R107的一端同時被連接到工作電壓及T100的發(fā)射極。另一端被連接到T100的基極。R106和C101被連接到T100的收集極。R106的另一端被連接到底座，而C101的另一端被連接到R105和連接到D102的陽極。R105的另一端被連接到底座，而D102的陰極被連接到R104及C102。R104的另一端被連接到底座，而C102的另一端被連接到UCC3800的引腳4(電阻電容)。
UCC3800在引腳7(電壓控制晶體)和引腳5(地)被連接到工作電壓(10.5V)和底座。Psoll通過引腳8(參考)被輸入；在這種情況下，參考電壓為5V。
Pist的提供由包含組件R11、R28、R29、R31、R117、R24、R25、IC11-B、R101、C13、C12、R20、R22及IC11-A的電路部分承擔(dān)。而IC11-A和IC11-B是運算放大器。在IC11-A的輸出端(引腳1)，電路部分提供正比于DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入功率的電壓。為此，中間電路電壓UO通過端點UA1被饋送到包含組件R11、R28、R25、R24及IC11-B的反相放大器。R11和R28形成在UA1與底座之間的分壓器。在R11和R28的連點的信號被饋送到IC11-B的反相輸入(引腳6)。IC11-B的非反相輸入(引腳5)被連接到2.5V的參考電壓。反饋電阻器R25被放置在IC11-B的輸出(引腳4)與IC11-B的反相輸入之間。IC11-B的輸出通過R24及R101的串聯(lián)電路被連接到IC11-A的反相輸入(引腳2)。
電阻器R31、R29及R117被連接到R24與R101的連接點。R29的另一端被連接到底座，R117的另一端被連接到5V的參考電壓，而R31的另一端通向端點Poti。電勢計能通過端點Poti被連接到底座，而燈的功率能由此被設(shè)置。
組件R101、R22、C13、R20、C12及IC11-A形成加法器，在其中被放大的電壓信號UA1與通過端電源被饋送并且為輸入電流的量度的信號被相加。
來自端電源的信號通過R22被饋送到IC11-A的非反相輸入(引腳3)。C13被放置在IC11-A的非反相輸入與底座之間。C12和R20的串聯(lián)電路被放置在IC11-A的反相輸入與IC11-A的輸出之間。
在工作點的相加構(gòu)成了相乘的近似，作為其結(jié)果在IC11-A的引腳1出現(xiàn)其電壓值是DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入功率量度的信號。借助于C12，加法器同步生成控制特性RC1，在這種情況是PI特性。加權(quán)的Pist信號因此可在IC11-A的引腳1處獲得。
以通過端電源所饋送信號為量度的輸入電流，同時是由恒定的被控制的輸入功率和恒定的中間電路電壓UO給定的燈電流Iist的量度。因此，為了實現(xiàn)級聯(lián)控制的內(nèi)部控制回路，端電源的信號通過R114被饋送到引腳3(控制信號)，并從而饋送到被集成在UCC3800中的第三個減法點S3。
級聯(lián)控制的外部控制回路通過連接IC11-A的輸出及UCC3800的引腳2(反饋)的R112被閉合。UCC3800的引腳2(反饋)同步形成信號Isoll及第二個減法點S2。DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓UA出現(xiàn)在端點UA。通過C100和R111的串聯(lián)電路它被饋送到UCC3800的引腳2(反饋)，而所描述的前饋控制由此被實現(xiàn)。C100和R111形成控制特性RC2，在這種情況是DT1特性控制特性RC3，在這種情況是PI特性，能由被并聯(lián)的組件C104和R109確定，它們被連接在UCC3800的引腳1(COMP)與引腳2(FB饋)之間。
在括號內(nèi)給定的UCC3800的引腳的命名與廠商，UNITRODE,Merrimack,USA，的說明書相關(guān)。
權(quán)利要求
1．用于使一個或更多被并聯(lián)的氣體放電燈交流(AC)運行的方法，燈具有傳導(dǎo)由AC運行所確定型式的燈電流的電極，電極交替地構(gòu)成陰極和陽極，有可能使氣體放電在陰極上從擴(kuò)展的根部被收縮變小到所謂的焦斑，其特征在于在瞬時地代表陰極的電極上的放電從擴(kuò)展的根部被收縮到焦斑之前燈電流極性被交換。
2．根據(jù)權(quán)利要求1的用于使一個或更多被并聯(lián)的氣體放電燈AC運行的方法，其特征在于燈電流是矩形的。
3．根據(jù)權(quán)利要求1的用于使一個或更多被并聯(lián)的氣體放電燈AC運行的方法，其特征在于燈是高壓或超高壓的放電燈。
4．根據(jù)權(quán)利要求3的用于使一個或更多被并聯(lián)的氣體放電燈AC運行的方法，其特征在于燈是短電弧燈。
5．根據(jù)權(quán)利要求4的用于使一個或更多被并聯(lián)的氣體放電燈AC運行的方法，其特征在于燈電流的頻率值高于300Hz，且燈電流是矩形的。
6．用于使一個或更多被并聯(lián)的氣體放電燈運行的鎮(zhèn)流器，它具有下列部件-用于提供直流(DC)電壓(輸出電壓UA)的裝置，-用于提供燈功率(Pist)量度的電學(xué)量的裝置，-用于提供燈功率設(shè)定值(Psoll)量度的電學(xué)量的裝置，-用于提供燈電流(Iist)量度的電學(xué)量的裝置，-用于控制電學(xué)量的裝置，其特征在于控制系統(tǒng)，作為量Pist、Psoll及UA的函數(shù)，使量度燈電流設(shè)定值(Isoll)的量固定，并且通過與Iist比較來設(shè)置燈電流。
7．根據(jù)權(quán)利要求6的用于使一個或更多被并聯(lián)的氣體放電燈運行的鎮(zhèn)流器，其特征在于量Pist和Psoll使用比例和/或積分和/或差分控制特性被求值。
8．根據(jù)權(quán)利要求6的用于使一個或更多被并聯(lián)的氣體放電燈運行的鎮(zhèn)流器，其特征在于量UA使用比例和/或積分和/或差分控制特性被求值。
9．根據(jù)權(quán)利要求6的用于使一個或更多被并聯(lián)的氣體放電燈運行的鎮(zhèn)流器，其特征在于Iist和Isoll使用比例和/或積分和/或差分控制特性被求值。
10．根據(jù)權(quán)利要求6的用于使一個或更多被并聯(lián)的氣體放電燈運行的鎮(zhèn)流器，其特征在于燈的運行按照權(quán)利要求1至5的一個教導(dǎo)來實施。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的用于使一個或多個被并聯(lián)的氣體放電燈運行的方法，其特征在于該方法借助鎮(zhèn)流器按照權(quán)利要求6到9的一個的教導(dǎo)來實施。
全文摘要
閃變現(xiàn)象在氣體放電燈中是不希望有的,特別是在投影技術(shù)中。根據(jù)本發(fā)明,該問題通過設(shè)置不形成焦斑的燈運行被解決。包括級聯(lián)結(jié)構(gòu)和前饋控制的特殊的控制裝置被提出用于實施這種運行。
文檔編號H05B41/282GK1325260SQ0111662
公開日2001年12月5日 申請日期2001年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月14日
發(fā)明者W·格拉澤爾, A·胡貝爾, J·奧斯特里德, A·韋塞 申請人:電燈專利信托有限公司