專利名稱：用于操作氣體放電燈的電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于操作具有開關(guān)變壓器的氣體放電燈的電路和方法，其中開關(guān)變壓器包括開關(guān)、變換器電感器和在用于測(cè)量燈電壓并設(shè)置所希望的功率的控制回路中的控制裝置，并且涉及用于該電路的測(cè)量濾波器。
背景技術(shù)：
從US PS 5608294中已知具有開關(guān)變壓器的這種電路。該電路包括整流器、整流級(jí)、控制裝置以及具有開關(guān)和變換器電感器的降壓變壓器，該降壓變壓器也稱為反向變換器(buck converter)。
從EP 1152645A1中已知用于操作數(shù)據(jù)和視頻投影儀的氣體放電燈的方法和裝置。在用交流電流或交流電壓操作的情況中，氣體放電燈的電極在操作期間是適于模鍛的，也就是，構(gòu)件在氣體放電燈的電極上生長(zhǎng)。構(gòu)件的大小和電流或電壓的工作頻率相互之間成比例。工作頻率越高，生長(zhǎng)的構(gòu)件的直徑越小。因此以這種用45、65、90和130Hz的操作頻率順序來(lái)減小操作電壓和弧長(zhǎng)的方法，在電極上裝配尖端構(gòu)件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是增加燈的使用壽命。
根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求1、11、12和13的特征達(dá)到該目的。根據(jù)本發(fā)明，開關(guān)變壓器包括第二控制回路。借助于第二控制回路，開關(guān)變壓器可以適應(yīng)各個(gè)燈的條件，可以減小燈內(nèi)的等離子弧躍遷的趨勢(shì)，能夠控制電極間距并因此提高燈的光強(qiáng)度和使用壽命。
有利地，控制回路包括第三內(nèi)部控制回路。借助于第三控制回路，能夠確定連接的燈的單獨(dú)的燈特性。為了這個(gè)目的，在燈上測(cè)量的操作數(shù)據(jù)與已經(jīng)確定的數(shù)據(jù)相比較并且使參數(shù)合適。在穩(wěn)定狀態(tài)操作中，參數(shù)恰好是連接的燈的操作數(shù)據(jù)，并且然后為了增加燈的光強(qiáng)度和使用壽命，特別地來(lái)影響電極間距和電極溫度是可能的。
有利地，第三內(nèi)部控制回路包括計(jì)算機(jī)電路。該計(jì)算機(jī)電路具有在其輸出端被有效計(jì)算的電壓波形。由整流信號(hào)以簡(jiǎn)單模式控制該計(jì)算機(jī)電路。計(jì)算機(jī)電路并且因此第三內(nèi)部控制回路僅需要如時(shí)鐘信號(hào)的整流信號(hào)。
有利地，第三內(nèi)部控制回路包括存儲(chǔ)器。在該存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)燈的參數(shù)。
有利地，第二控制回路包括積分控制器。既然在燈中的條件變化很慢，慢速和積分控制器被優(yōu)選地用作控制器。
有利地，第二控制回路包括測(cè)量濾波器。隨著測(cè)量濾波器的兩個(gè)采樣-保持級(jí)，燈電壓的低擾動(dòng)測(cè)量是可能的。
在簡(jiǎn)單模式中，測(cè)量濾波器包括加法器，利用該加法器能夠從測(cè)量濾波器分出平均值。
在簡(jiǎn)單模式中，由時(shí)鐘信號(hào)控制測(cè)量濾波器。測(cè)量濾波器僅需要時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘信號(hào)也切換開關(guān)變壓器開關(guān)的開和關(guān)。
根據(jù)本發(fā)明，連續(xù)地或間斷地測(cè)量隨時(shí)間變化的燈的至少一個(gè)操作數(shù)據(jù)的值，所測(cè)量的操作數(shù)據(jù)與所計(jì)算的操作數(shù)據(jù)相比較，需要計(jì)算的參數(shù)被調(diào)節(jié)并且依靠所調(diào)節(jié)的參數(shù)選擇電源電流的占空因數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明，連續(xù)地或間斷地測(cè)量隨時(shí)間變化的燈的至少一個(gè)操作數(shù)據(jù)的值，所測(cè)量的操作數(shù)據(jù)與所計(jì)算的操作數(shù)據(jù)相比較，需要計(jì)算的參數(shù)被調(diào)節(jié)并且依靠所調(diào)節(jié)的參數(shù)選擇交流電壓或交流電流的頻率。
根據(jù)本發(fā)明，連續(xù)地或間斷地測(cè)量隨時(shí)間變化的燈的至少一個(gè)操作數(shù)據(jù)的值，所測(cè)量的操作數(shù)據(jù)與所計(jì)算的操作數(shù)據(jù)相比較，需要計(jì)算的參數(shù)被調(diào)節(jié)并且依靠所調(diào)節(jié)的參數(shù)選擇電源電流的變量，特別是電流脈沖的變量。連續(xù)地或間斷地測(cè)量隨時(shí)間變化的燈的至少一個(gè)操作數(shù)據(jù)的值并且同時(shí)，根據(jù)最初地所假定的參數(shù)，下文中也稱為起始參數(shù)，燈的操作數(shù)據(jù)被選擇性地或連續(xù)地計(jì)算并且然后所測(cè)量的操作數(shù)據(jù)與所計(jì)算的操作數(shù)據(jù)相比較，從這種比較中確定新的參數(shù)并且最初假定的參數(shù)由所確定的參數(shù)替換。在瞬變狀態(tài)中，比較所確定的參數(shù)，直到已經(jīng)達(dá)到所計(jì)算的和所測(cè)量的參數(shù)之間最佳可能的一致性。有利地，為了控制電極間距和電極溫度，在穩(wěn)定狀態(tài)中依靠參數(shù)來(lái)選擇電源電流的占空因數(shù)、頻率和變量。
具有內(nèi)部控制回路的電路被用于燈的分析并且來(lái)說(shuō)明單獨(dú)的燈的參數(shù)。
本發(fā)明的所有方面從下面的實(shí)施例中是顯而易見的并且將參考下面的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明。


附圖中圖1示出了具有開關(guān)變壓器、測(cè)量濾波器和控制器的方框圖，圖2示出了用于接通和切斷開關(guān)變壓器開關(guān)的時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)序圖，圖3示出了通過(guò)開關(guān)變壓器的變換器電感器的電流波形的時(shí)序圖，圖4示出了在氣體放電燈上對(duì)于半周期的第一電壓波形的時(shí)序圖，圖5示出了在氣體放電燈上對(duì)于半周期的第二電壓波形的時(shí)序圖，圖6示出了在燈上對(duì)于第一和第二半周期所計(jì)算的電壓波形的時(shí)序圖，及圖7示出了在燈上對(duì)于第一和第二半周期測(cè)量的電壓值的時(shí)序圖，圖8示出了所測(cè)量的和所計(jì)算的電壓波形和中間差值的時(shí)序圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了具有開關(guān)變壓器2、氣體放電燈3、作為電壓電源的直流電壓源4、測(cè)量濾波器5、在下面也稱為A-D轉(zhuǎn)換器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器6、和控制單元7的電路1。開關(guān)變壓器2包括整流級(jí)20、點(diǎn)火級(jí)21、開關(guān)22、二極管23、變換器電感器24、電容器25、轉(zhuǎn)換器26、控制裝置27以及在變換器電感器24和整流級(jí)20之間并在電容器25上的測(cè)量點(diǎn)28。借助于導(dǎo)電連接29和30，在變換器電感器24上分接出所測(cè)量的值并將所測(cè)量的值提供給控制裝置27。進(jìn)一步經(jīng)由導(dǎo)電連接31和32及轉(zhuǎn)換器26，控制裝置27控制也稱為開關(guān)晶體管的開關(guān)22。轉(zhuǎn)換器26、控制裝置27和導(dǎo)電連接29、30、31和32是第一控制回路33的一部分。整流級(jí)20包括整流控制單元34和四個(gè)開關(guān)晶體管35、36、37和38。根據(jù)信號(hào)狀態(tài)，單元34接通晶體管35和38或者36和37。這樣控制燈3中的電流方向。點(diǎn)火級(jí)21包括第一電感器39、具有兩個(gè)線圈41和42的點(diǎn)火變壓器40、點(diǎn)火控制單元43和電容器44。電容器44的值很小，所以在穩(wěn)定狀態(tài)操作中其可以忽略不計(jì)。為了點(diǎn)火，高頻的開關(guān)信號(hào)出現(xiàn)在到整流控制單元34的導(dǎo)電連接45上。使得電感器39和電容器44借助于諧振器頻率而被激勵(lì)。大約400到800V的高電壓出現(xiàn)在電容器44上。同時(shí)，在點(diǎn)火控制單元43中更小的電容器被充電，然后該電容器給點(diǎn)火變壓器40提供點(diǎn)火脈沖。這樣在燈3上產(chǎn)生5到25kV的高電壓脈沖。測(cè)量濾波器5包括具有兩個(gè)電阻50和51的分壓器50、51，放大器52，具有開關(guān)54和電容器55的第一采樣-保持級(jí)53，具有開關(guān)57和電容器58的第二采樣-保持級(jí)56，第一阻抗變壓器59，第二阻抗變壓器60，加法器61，也稱為觸發(fā)器的兩個(gè)邊緣觸發(fā)信號(hào)發(fā)送器62和63，，和輸出端64。經(jīng)由導(dǎo)電連接31和信號(hào)發(fā)送器62和63，控制裝置27控制采樣-保持級(jí)53和56的開關(guān)54和57。加法器56和放大器65和三個(gè)電阻66、67與68一起工作。
測(cè)量濾波器5、A-D轉(zhuǎn)換器6和控制單元7是第二控制回路80的一部分。
控制單元7包括第三內(nèi)部控制回路81和控制器82。第三內(nèi)部控制回路81包括計(jì)算機(jī)電路83、下文中也稱為比較器的比較器電路84、和存儲(chǔ)器85。在計(jì)算機(jī)電路83的輸出端86上，其中實(shí)現(xiàn)具有可自由選擇參數(shù)的模型公式，與模型對(duì)應(yīng)的模型電壓的數(shù)字化值是可獲得的。經(jīng)由導(dǎo)電連接87，標(biāo)記整流時(shí)間的信號(hào)被提供給比較器84。
用于燈3的開關(guān)變壓器2的輸出電壓和/或輸出電流通過(guò)周期性地接通和斷開開關(guān)22來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)開關(guān)22被接通時(shí)，電壓UV1-UC1出現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器線圈24中，該電壓UV1-UC1由直流電壓源4的電壓UV1和電容器25兩端的電壓UC1產(chǎn)生。因此變換器電感器24中的電流逐漸變大。因?yàn)榈谝唤浦抵蠻V1和UC1都是常數(shù)，電流線性地上升。一旦達(dá)到預(yù)定切換條件，開關(guān)22被斷開，然后電流流過(guò)二極管23。然后電壓為-UC1，電流再次線性地下降。借助于電容器25和在點(diǎn)火級(jí)21中，電壓波動(dòng)至少部分地被過(guò)濾。
在接通電路1之后的瞬時(shí)響應(yīng)期間，第二控制回路80不工作。在變換器電感器24中的電流具有固定形式，這通過(guò)電流的相對(duì)量和電流反向次數(shù)來(lái)描述。對(duì)于燈3的邊界條件是所希望的燈的功率，也稱為第一控制回路33的所希望的值。因此第一控制回路33測(cè)量燈的電壓并調(diào)節(jié)電流的絕對(duì)值，使得獲得希望的功率。在燈3的穩(wěn)定狀態(tài)操作期間，在較短間隔上連續(xù)地重復(fù)該方法。
也稱為燈觀察器的第三控制回路81利用由時(shí)間分辨率測(cè)量的燈3的電壓值，該值在測(cè)量濾波器5的輸出端64上被分接出。在比較器84中將這些值與由模型公式所計(jì)算的模型電壓值相比較。在下文中模型公式也稱為模型等式。按照模型電壓和所測(cè)量的電壓之間的差的函數(shù)，第三控制回路81則影響存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器85中的模型公式的參數(shù)。在接通電路1之后，新的燈的操作參數(shù)被存儲(chǔ)為起始參數(shù)。在瞬間響應(yīng)期間，用連接的燈3的各個(gè)參數(shù)使開始設(shè)置的起始參數(shù)一致并最后通過(guò)這些參數(shù)代替起始參數(shù)。換句話說(shuō)借助于第三控制回路81，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器85中的參數(shù)能夠適應(yīng)連接的燈3的各個(gè)參數(shù)。各個(gè)參數(shù)的復(fù)制在第三控制回路81中產(chǎn)生并且在存儲(chǔ)器85中供第二控制回路80使用。此后，為了最優(yōu)化燈的操作，在第二控制回路80中考慮連接的燈3的各個(gè)參數(shù)。然后這些各個(gè)參數(shù)被控制器82評(píng)價(jià)為操作參數(shù)并且被用來(lái)確定改善的電流波形、適合的希望的功率值或交流電流的反向次數(shù)。
第一控制回路33控制燈的功率為一個(gè)設(shè)置的希望值。第二控制回路80響應(yīng)燈3的各個(gè)參數(shù)來(lái)控制燈3的操作模式，或者，換句話說(shuō)第二控制回路80通過(guò)影響操作模式來(lái)控制燈3的各個(gè)參數(shù)。第三控制回路81為最佳符合于連接的燈3的各個(gè)參數(shù)而控制所存儲(chǔ)的起始參數(shù)的復(fù)制。
借助于控制器82的調(diào)節(jié)改變?cè)谙挛闹幸卜Q驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)變壓器2中存儲(chǔ)的所希望的功率值、電流波形和電流反向次數(shù)，特別是存儲(chǔ)在控制裝置27中的值。頻率在0.5和20000Hz之間，優(yōu)選在30和1000Hz之間。脈沖持續(xù)時(shí)間位于半周期的1和25％之間，優(yōu)選地在4和8％之間。脈沖和發(fā)脈沖的操作尤其在EP1152645A1中詳細(xì)地進(jìn)行解釋。相關(guān)脈沖的高度位于平均電流的0和1000％之間，特別在100和400％之間，在絕對(duì)值中其為0到10A，優(yōu)選為0.5到4A，特別為2.6A。其中電流首先在一個(gè)方向中并且然后在另一個(gè)方向中流過(guò)燈3的兩個(gè)連續(xù)周期被定義為占空因數(shù)。在正常的操作中，占空因數(shù)為50％，但是占空因數(shù)從1到99％都是可能的，有利地，可以使用功率為25到180W的20到80％，優(yōu)選地在額定功率為120W的100到140W。因?yàn)榧夹g(shù)原因，對(duì)于調(diào)節(jié)的限制根據(jù)使用的驅(qū)動(dòng)器2、燈3以及數(shù)據(jù)和視頻投影儀而被設(shè)置。
圖2示出了關(guān)于在時(shí)刻91和92上的開關(guān)22接通和關(guān)斷狀態(tài)的時(shí)鐘信號(hào)90和關(guān)于在時(shí)刻t1上的上升沿93及關(guān)于在時(shí)刻t2上的下降沿94的時(shí)序圖。時(shí)鐘信號(hào)在50KHz的頻率上振蕩，也就是，每周期20μs或五個(gè)周期1ms。
圖3示出了關(guān)于通過(guò)變換電感器24的電流信號(hào)95的時(shí)序圖。在時(shí)刻t1和t2上，達(dá)到電流信號(hào)95的最小值96和最大值97并且該電流改變其方向，時(shí)刻t1和t2標(biāo)記電流反向次數(shù)。
圖4示出了在電容器25兩端的正弦曲線電壓波形98。當(dāng)開關(guān)22在時(shí)刻t1上被接通時(shí)，在采樣-保持級(jí)53中采樣電壓值99，并且當(dāng)開關(guān)22在時(shí)刻t2上被切斷時(shí)，采樣第二電壓值100。兩個(gè)值99和100通過(guò)分壓器50、51被分接出并且在加法器61中把對(duì)應(yīng)于分壓器50、51的值加在一起。
每當(dāng)開關(guān)22被接通時(shí)第一采-樣保持級(jí)53被觸發(fā)，并且因此存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)于電壓值99的值，同時(shí)轉(zhuǎn)換器電流95達(dá)到最小值96。當(dāng)開關(guān)22被切斷時(shí)第二采樣-保持級(jí)56被觸發(fā)，并且存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)于值100的值，同時(shí)轉(zhuǎn)換器電流95達(dá)到最大值97。加法器61總計(jì)對(duì)應(yīng)于分壓器50、51的兩個(gè)電壓值，并且因此對(duì)應(yīng)于平均值的信號(hào)在每個(gè)時(shí)刻t3、t4、t5和t6在輸出端64上被分接出。然后在時(shí)刻t3-t6的任一個(gè)上利用該信號(hào)，也就是，異步地，并且具有任一采樣率。從而這里獲得電容器25上電壓的低擾動(dòng)測(cè)量，并且通過(guò)開關(guān)變壓器2不存在擾動(dòng)地來(lái)分接出所測(cè)量的值。
按照輸入信號(hào)，測(cè)量濾波器5僅需要在測(cè)量點(diǎn)28并且通過(guò)分壓器50、51分接出的被測(cè)量的變量，和在轉(zhuǎn)換器26之前分接出的開關(guān)變壓器2的開關(guān)晶體管22的開關(guān)信號(hào)。被測(cè)量的信號(hào)98首先被作為阻抗變壓器的第一放大級(jí)52穩(wěn)定，使得鄰近的采樣-保持級(jí)55和58能夠可靠地操作。利用開關(guān)變壓器2外的導(dǎo)電連接31上的開關(guān)信號(hào)的上升沿93，觸發(fā)器62產(chǎn)生短脈沖，該短脈沖暫時(shí)地接通開關(guān)54。此時(shí)給電容器55充電到當(dāng)前的電壓值。阻抗變壓器59跟隨在電容器55的后面。從而電容器55在電阻很高時(shí)被關(guān)閉并且隨后保持該電壓值恒定。在開關(guān)的下降沿94上通過(guò)觸發(fā)器63、開關(guān)57、電容器58和阻抗變壓器60執(zhí)行相同的過(guò)程。從而，在任何時(shí)間上，在開關(guān)22被接通和切斷時(shí)對(duì)應(yīng)于測(cè)量的值99、100的值是可利用的。然后這些值被進(jìn)一步的放大器65和電阻66、67和68相加并且使其在輸出端64上可用以供進(jìn)一步的利用。
用方波交流電流操作氣體放電燈3，特別是高壓氣體放電燈，通稱為高亮度放電燈或縮寫為HID-燈。特別地，利用特高壓氣體放電燈，也稱為超高壓、超高性能或縮寫為UHP燈。在這種情況中燈上的電壓同樣地接近矩形。然而，如果更精密地檢測(cè)電壓的波形，將顯示來(lái)自矩形的特性變化。這種變化主要由陰極上等離子弧的特性引起，并且特別地，該變化依靠該等離子弧連接到陰極的區(qū)域。通過(guò)測(cè)量和估算該電壓波形，在燈是完好的假定下，確定燈3的各個(gè)參數(shù)是可能的，該參數(shù)反映氣體放電燈內(nèi)的條件，例如電極間距、兩個(gè)電極的相關(guān)溫度、對(duì)于該電極作為陰極在半周期工作的情況下，電極尖端的幾何形狀、電極的熔化狀態(tài)、陰極弧附著點(diǎn)的區(qū)域改變和等離子弧的躍遷趨勢(shì)。
在此基于這樣的事實(shí)進(jìn)行考慮，燈的電壓包括在電源導(dǎo)線上和作為歐姆電阻的電極材料中的電壓降、陽(yáng)極上的接近常數(shù)的電壓降、由電極的發(fā)射特性所影響并且在陰極前面產(chǎn)生弧狀態(tài)的電壓降、和依靠壓力、等離子溫度和弧長(zhǎng)的實(shí)際電弧放電上的等離子電壓。
圖5示出了時(shí)間t上的電壓波形101，該電壓波形被分成四個(gè)區(qū)域102、103、104和105。通過(guò)電極尖端的形狀基本上確定在第一區(qū)域102中的電壓波形101。因此該區(qū)域102中的電壓稱為U尖端，相關(guān)的時(shí)間值稱為τ尖端。通過(guò)用鎢線圈纏繞的電極的增厚部分的溫度基本上確定第二區(qū)域103中的電壓波形101。因此該區(qū)域103中的電壓稱為U線圈，并且相關(guān)的時(shí)間值稱為τ線圈。通過(guò)在陰極上弧連接中的改變基本上確定了第三區(qū)域104中的電壓波形101并且該電壓波形104描述了從陰極到等離子弧的電子遷移。從而給該區(qū)域104的特征提供附加“遷移”。確定其中弧連接被壓縮為點(diǎn)的第四區(qū)域105中的電壓波形101。從而弧連接從發(fā)散的二維空間連接改變到被壓縮為點(diǎn)的點(diǎn)形式連接。從而給該第四區(qū)域105的特征提供描述“點(diǎn)”。第三和第四區(qū)域并不在所有情況中都發(fā)生。
通常，該波形101通過(guò)下面的公式進(jìn)行描述 電壓差106通過(guò)下面的項(xiàng)所表述 自由參數(shù)U等離子、U尖端、U線圈、τ尖端、U弧、tTrans和STrans存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器85中并且借助于內(nèi)部控制回路81被調(diào)節(jié)。
在計(jì)算機(jī)電路83中該公式被轉(zhuǎn)換，同時(shí)n作為采樣值的數(shù)目，該采樣值在每次極性改變時(shí)以0開始，并且Δt是兩個(gè)采樣值之間的時(shí)間。Δt優(yōu)選地位于5和200μs之間，在本情況中為10μs。持續(xù)時(shí)間τ線圈被固定在100ms上。τ尖端和τ線圈為一階時(shí)間常數(shù)。
公式包括四個(gè)加數(shù)。第一加數(shù)U等離子被表示在第一區(qū)域102中并且是55V到130V之間的數(shù)量級(jí)；75V是典型的新燈。U等離子是電極間距和陽(yáng)極兩端電壓降的特性，其中新燈的電極間距為大約1mm。第二加數(shù)-2U弧是校正值，其與第四加數(shù)(U線圈*...)*(1-tanh(...))結(jié)合。第三加數(shù)U尖端*(0.5...)描述了第一區(qū)域102中的函數(shù)。U尖端位于從0V到6V的范圍中，1.5V為典型的新燈。U尖端是電極尖端的取整數(shù)的特性。
第四加數(shù)描述了兩個(gè)區(qū)域103和104，U線圈在區(qū)域103和104中標(biāo)記了電壓值并且位于0V和65V之間幅度的數(shù)量級(jí)，5V是典型的新燈。U線圈越小，溫度越高。τ尖端位于30μs和500μs之間的范圍，150μs是典型的新燈。τ尖端是尖端的取整數(shù)的特性。U弧位于-2V和2V之間的范圍并且是校正因數(shù)。tTrans位于0.1ms和矩形末端之間的范圍。如果tTrans不存在，那么沒(méi)有到陰極的點(diǎn)連接存在。STrans是區(qū)域104中的陡度，位于0.01和10之間的范圍并且為弧連接的轉(zhuǎn)變的特性。這些參數(shù)借助于內(nèi)部控制回路81進(jìn)行調(diào)節(jié)?？蛇x擇地，這些參數(shù)也能被程序修改。
在1500和7000Hz之間的諧振頻率f諧振表征為可能存在的熔化尖端并且在10000Hz上的電極尖端被完全地凝固。對(duì)于新燈，諧振器頻率在5000Hz左右。諧振表現(xiàn)為熔化尖端的大小和體積并且因此同時(shí)也表現(xiàn)為溫度。通過(guò)分析頻率范圍內(nèi)的燈電壓直接確定諧振。
在電流反向之后，等離子弧最初出現(xiàn)在大范圍上，也就是，擴(kuò)散地，出現(xiàn)在氣體放電燈3的陰極上。在區(qū)域104中，等離子弧從作用于陰極的大范圍狀態(tài)改變到作用于陰極的點(diǎn)形式狀態(tài)。在第三區(qū)域104的階躍函數(shù)表示陰極上弧狀態(tài)中的改變。該等離子弧持續(xù)作用在大范圍上的陽(yáng)極上。
因此燈電壓波形101的特別部分緊密地連接到燈3的內(nèi)部狀態(tài)。這些部分通過(guò)其時(shí)間響應(yīng)基本上能彼此分離在整流之后的即時(shí)波形，再現(xiàn)在具有加數(shù)U尖端*(0.5-e...)的區(qū)域102中，斜率，再現(xiàn)在具有加數(shù)U線圈的區(qū)域103中，平均電壓，由U等離子所再現(xiàn)。為了利用這些條件，被疊加到方波電壓上的相對(duì)小的電壓變化將被測(cè)量并被分配給燈的參數(shù)。
計(jì)算機(jī)電路83中的公式借助于可變參數(shù)進(jìn)行改變。在操作期間，燈上的電壓值在測(cè)量濾波器5中被測(cè)量、濾波，在A-D轉(zhuǎn)換器中被數(shù)字化并與出現(xiàn)在輸出86上來(lái)自于計(jì)算機(jī)電路83的數(shù)字值相比較。通過(guò)計(jì)算，從確定的誤差中確定存儲(chǔ)器85的新參數(shù)。每次對(duì)于半周期的部分方面實(shí)施該計(jì)算。
在下文中也稱為燈的驅(qū)動(dòng)器的開關(guān)變壓器2給燈3供電。為了該目的，其產(chǎn)生在控制裝置27中編程的電流波形。驅(qū)動(dòng)器2提供整流時(shí)鐘信號(hào)到計(jì)算機(jī)電路83。作為參數(shù)，存儲(chǔ)器85包括連接的燈3的實(shí)際特征。在第一通路中，這些是新燈3的典型值，或換句話說(shuō)最初所設(shè)置的參數(shù)為新燈(3)的參數(shù)。計(jì)算機(jī)電路83使得輸出端86上的模型電壓是可利用的。這是具有應(yīng)該具有的給定參數(shù)和電流值的燈3的電壓波形。實(shí)際的燈電壓在燈3上被分接出，被測(cè)量并且在比較器電路84中與模型電壓相比較，模型電壓也就是所計(jì)算的波形。比較器電路84發(fā)送校正信號(hào)到存儲(chǔ)器85，該校正信號(hào)表示模型電壓和所測(cè)量的值之間的變化。借助于校正信號(hào)，存儲(chǔ)器85中的參數(shù)被校正。從而模型電壓能更好地與每個(gè)通道中的實(shí)際燈的電壓相匹配。在穩(wěn)定狀態(tài)操作中，存儲(chǔ)器85中的參數(shù)恰好為連接的燈3的參數(shù)。
同樣存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器85中并激勵(lì)控制器82的控制值能夠從參數(shù)中得到。為了最佳化燈的操作或檢測(cè)錯(cuò)誤，計(jì)算機(jī)電路83、比較器電路84、存儲(chǔ)器85和控制器82交替地也實(shí)現(xiàn)為μC或信號(hào)處理器或者被集成在控制單元27中。
在低頻范圍中，燈3在如恒定反向電壓的第一近似值中運(yùn)轉(zhuǎn)。也就是，燈3上的電壓最大程度上與電流無(wú)關(guān)。僅僅電壓方向隨電流方向改變。被提供方波交流電流時(shí)，可得到恰好相同的方波電壓。疊加到其上的是隨著時(shí)間改變的小電壓，其對(duì)于模型建立是不可缺少的。電極作為陰極每半周期交替地操作。
圖5說(shuō)明燈的電壓絕對(duì)值的典型路線。該電壓借助于兩個(gè)時(shí)間常數(shù)τ尖端和τ線圈所描述并且包括基于其電壓調(diào)節(jié)到低值的步幅。全部影響具有總電壓較小百分比的振幅。有時(shí)，小振幅的振蕩跟著發(fā)生。然后用于公式的參數(shù)為兩個(gè)時(shí)間常數(shù)τ尖端和τ線圈、步幅的形狀和位置和可能的諧振振幅。公式另外包括用于元件弧電壓降和陽(yáng)極電壓降的電壓值U等離子，該電壓值U等離子是電極間距的測(cè)量。第一相對(duì)短的時(shí)間常數(shù)τ尖端提供關(guān)于電極尖端區(qū)域的形狀的信息。第二時(shí)間常數(shù)τ線圈描述了電極溫度或發(fā)射。諧振指示熔化尖端的大小和體積并且因此同時(shí)也表示溫度。
在內(nèi)部控制回路81中，實(shí)現(xiàn)該方法，利用該方法在燈電流周期上分析燈的電壓波形。燈的不同內(nèi)部狀態(tài)，如電極溫度、弧狀態(tài)、電極間距和電極的熔化狀態(tài)產(chǎn)生燈的周期性電壓波形中的特征。通過(guò)比較所測(cè)量的燈的電壓波形和這些已經(jīng)預(yù)先獲得的特征波形，能夠得到在操作期間關(guān)于燈3的內(nèi)部狀態(tài)的推論。
從參數(shù)分析中，能夠確定對(duì)于燈的電流的不同需要。
通過(guò)增加電流脈沖或增加在整流之前已經(jīng)存在的電流脈沖來(lái)抵消增加的電極間距。在整流之前減小或切斷的電流脈沖停止減小電極間距。在整流之后電流脈沖同樣停止減小電極間距或增加電極間距。
用于相關(guān)溫度、尖端形狀和熔化狀態(tài)的參數(shù)是緊密地相互依存的，對(duì)于具有熔化、圓尖端的兩個(gè)電極的同樣溫度是有利的。通過(guò)改變各自的脈沖振幅可以保證這種調(diào)節(jié)和平衡。
在其他投影儀中，通常需要沒(méi)有脈沖串的恒定光電流。
對(duì)于兩個(gè)電極的平衡溫度通過(guò)調(diào)節(jié)交流電流的正和負(fù)的燈電流半波的持續(xù)時(shí)間的比率所得到，因平衡的溫度而達(dá)到相同的尖端形狀和相同的熔化狀態(tài)。
基于頻率增長(zhǎng)，兩個(gè)連續(xù)極性變換之間的間隔將變小。階躍函數(shù)接近于隨后的極性變換并且區(qū)域105以有利的模式保持比較小。陰極弧連接的直徑的不利的時(shí)間特性被頻率的頻率增長(zhǎng)所補(bǔ)償。在相對(duì)高的頻率上，階躍函數(shù)不再產(chǎn)生。
相對(duì)低的電極溫度借助于相對(duì)低的燈功率所得到。為了該目的，兩個(gè)電極的溫度得自于參數(shù)U線圈。
該方法用來(lái)保持較窄范圍內(nèi)電極常數(shù)上的負(fù)載。通過(guò)該方法，燈的使用壽命被延長(zhǎng)，特別地具有最佳光強(qiáng)度的操作階段被延長(zhǎng)。當(dāng)在恒定弧間隔上產(chǎn)生較短的電弧時(shí)，得到最佳光強(qiáng)輸出。
圖6示出了對(duì)于具有額定電極間距為1mm和額定壓強(qiáng)為230bar的120W飛利浦UHP燈，在第一半周期中所計(jì)算的電壓值的第一電壓波形111和在第二半周期中所計(jì)算的電壓值的第二電壓波形112。在第一半周期中，第一電極作為陰極，并且在第二半周期中，第二電極作為陰極。
圖7示出了對(duì)于具有額定電極間距1mm和額定壓強(qiáng)為230bar的相同的燈，第一半周期中所測(cè)量的電壓值的第三電壓波形113和在第二半周期中所測(cè)量的電壓值的第二電壓波形114。由于干擾，波形113和114為鋸齒形狀。
每個(gè)波形111和112是作為陰極在半周期中操作的各自電極的結(jié)果。為了估算該形狀，利用該模型函數(shù)，其參數(shù)通過(guò)在計(jì)算機(jī)電路83中的程序進(jìn)行調(diào)節(jié)，使得其最可能確切地對(duì)應(yīng)于所測(cè)量的波形。作為對(duì)于第一電極的參數(shù)，U等離子指定為88.54V，U尖端指定為1.61V，U線圈為6.13V，τ尖端為1.0*10-4s，U弧為0.33V，τTrans為4.97*10-3s，STrans為0.03和f諧振為10000.00Hz。作為對(duì)于第二電極的參數(shù)，U等離子指定為88.56V，U尖端指定為1.76V，U線圈為4.69V，τ尖端為1.0*10-4s，U弧為0.26V，τTrans為497*10-3s，STrans為0.03和f諧振為10000.00Hz。
用于U等離子的88.5V的值對(duì)已經(jīng)有些用久的燈3有效，這種燈3已經(jīng)工作了較長(zhǎng)時(shí)間，由于汽化，其電極間距已經(jīng)擴(kuò)大。燈3工作在100Hz的頻率上，因此一個(gè)半周期為5ms長(zhǎng)。示出在4.97ms上的時(shí)間特性，由于多個(gè)前面和后面采樣值已經(jīng)被抑制為抗干擾。U尖端大于1V的值表示仍然微圓形的電極尖端。U線圈的增加值表示冷電極。在第一電極的電壓波形111具有比第二電極的電壓波形112更大增加的情況時(shí)，第一電極比第二電極稍微冷是清楚的。對(duì)于τ尖端的越小的時(shí)間常數(shù)表示越平坦的電極尖端。U弧是校正值。區(qū)域104中弧的發(fā)散和點(diǎn)狀態(tài)之間的改變時(shí)間由tTrans指示。再現(xiàn)對(duì)于區(qū)域102和103的測(cè)量間隔，具有以10μs間隔的496個(gè)測(cè)量值，其對(duì)應(yīng)于4.97ms。點(diǎn)轉(zhuǎn)變的陡度由STrans指示。在1500和7000Hz之間的諧振頻率f諧振表示可能的熔化尖端并在10000Hz上的電極尖端完全地被凝固。
為了補(bǔ)償不均衡的電極溫度，使用由物理性質(zhì)確定的效應(yīng)，該效應(yīng)是電極在陽(yáng)極階段比在陰極階段中被加熱地更強(qiáng)。通過(guò)采用陽(yáng)極階段持續(xù)時(shí)間到陰極階段持續(xù)時(shí)間的比率，從而在兩個(gè)電極之間可以轉(zhuǎn)移熱輸出。為了這個(gè)原因，在控制回路81中，比較兩個(gè)電極的U線圈值并且改變電源電流的占空因數(shù)直到兩個(gè)溫度值相同。既然在燈中的條件較慢地改變，緩慢的和積分的控制器優(yōu)選地用作控制器82。隨著交流電流的第一階段和作為陽(yáng)極的第一電極在作為起始值的50％的占空因數(shù)上或在來(lái)自先前操作的存儲(chǔ)的占空因數(shù)上，用于程序次序的簡(jiǎn)化的序列如下首先比較兩個(gè)電極1和2的U線圈，其次，如果U線圈，E1大于U線圈，E2，那么增加0.01％的占空因數(shù)，或其次，如果U線圈，E1小于U線圈，E2，那么減少0.01％的占空因數(shù)，或如果U線圈，E1等于U線圈，E2，那么朝著50％增加或減小0.01％的占空因數(shù)，然后等待一秒并且重復(fù)該過(guò)程。根據(jù)制造公差及安裝或裝配而定，該方法允許不同溫度條件下的自動(dòng)補(bǔ)償，并且從而延長(zhǎng)燈的使用壽命。同時(shí)，燈的垂直操作位置被考慮。
圖8示出所測(cè)量的電壓波形121和所計(jì)算的電壓波形122?，F(xiàn)在設(shè)置所測(cè)量的電壓波形U等離子，使得兩個(gè)波形121和122在時(shí)刻t10上具有公共交叉點(diǎn)123。然后，在時(shí)刻t11上，所測(cè)量的電壓值125和所計(jì)算的電壓值126之間的差124對(duì)于U尖端的調(diào)節(jié)是可測(cè)量的。在時(shí)刻t12上，所測(cè)量的電壓值128和所計(jì)算的電壓值129之間的差127對(duì)于U線圈的調(diào)節(jié)是可測(cè)量的，及在時(shí)刻t13上所測(cè)量的電壓值131和所計(jì)算的電壓值132之間的差130對(duì)于U弧的調(diào)節(jié)是可測(cè)量的。在位于接近或遠(yuǎn)離時(shí)刻t11、t12和t13的時(shí)刻上，測(cè)量用于監(jiān)控的值。所測(cè)量的電壓值125、128和131是燈的操作數(shù)據(jù)。
參考數(shù)字的列表1電路2開關(guān)變壓器3氣體放電燈4電源電壓5測(cè)量濾波器6A-D轉(zhuǎn)換器7控制單元8910111220 整流級(jí)21 點(diǎn)火級(jí)22 開關(guān)23 二極管24 變換器電感器25 電容器26 轉(zhuǎn)換器27 控制28 測(cè)量點(diǎn)29 導(dǎo)電連接30 導(dǎo)電連接31 導(dǎo)電連接32 導(dǎo)電連接33 第一控制回路34 整流控制單元
35開關(guān)晶體管36開關(guān)晶體管37開關(guān)晶體管38開關(guān)晶體管39第一電感器40點(diǎn)火變壓器41線圈42線圈43點(diǎn)火控制單元44電容器45導(dǎo)電連接4650分壓器/電阻器51分壓器/電阻器52放大器53第一采樣-保持級(jí)54開關(guān)55電容器56第二采樣-保持級(jí)57開關(guān)58電容器59阻抗轉(zhuǎn)換器60阻抗轉(zhuǎn)換器61加法器62邊緣觸發(fā)信號(hào)發(fā)送器63邊緣觸發(fā)信號(hào)發(fā)送器64輸出端65放大器66電阻器67電阻器68電阻器
6980 第二外部控制回路81 第三內(nèi)部控制回路82 控制器83 計(jì)算機(jī)電路84 比較器85 存儲(chǔ)器86 輸出端87 導(dǎo)電連接90 時(shí)鐘信號(hào)91 接通狀態(tài)92 切斷狀態(tài)93 上升沿94 下降沿95 電流/電壓信號(hào)96 最小值97 最大值98 電壓波形101電壓波形102區(qū)域103區(qū)域104區(qū)域105區(qū)域106電壓差111計(jì)算的電壓波形1.Hp112計(jì)算的電壓波形2.Hp113測(cè)量的電壓波形1.Hp114測(cè)量的電壓波形2.Hp121所測(cè)量的電壓值122所計(jì)算的電壓值123交叉點(diǎn)
124差值125操作的數(shù)據(jù)/所測(cè)量的電壓值126所計(jì)算的電壓值127差值128操作的數(shù)據(jù)/所測(cè)量的電壓值129所計(jì)算的電壓值130差值131操作的數(shù)據(jù)/所測(cè)量的電壓值132計(jì)算的電壓值
權(quán)利要求
1.一種用于操作具有開關(guān)變壓器(2)的氣體放電燈(3)的電路(1)，其中開關(guān)變壓器包括開關(guān)(22)、變換器電感器(24)和在用于測(cè)量燈的電壓并設(shè)置所希望功率的控制回路(33)中的控制裝置(27)，其特征在于開關(guān)變壓器(2)包括第二控制回路(80)。
2.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于控制回路(80)包括第三內(nèi)部控制回路(81)。
3.如權(quán)利要求2所述的電路，其特征在于第三內(nèi)部控制回路(81)包括計(jì)算機(jī)電路(83)。
4.如權(quán)利要求3所述的電路，其特征在于通過(guò)整流信號(hào)控制計(jì)算機(jī)電路(83)。
5.如權(quán)利要求2所述的電路，其特征在于第三內(nèi)部控制回路(81)包括存儲(chǔ)器(85)。
6.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于第二控制回路(80)包括積分控制器(82)。
7.如權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于第二控制回路(80)包括測(cè)量濾波器(5)。
8.一種用于操作具有開關(guān)變壓器(2)的氣體放電燈(3)的電路(1)的測(cè)量濾波器(5)，其中開關(guān)變壓器包括開關(guān)(22)、變換器電感器(24)和控制裝置(27)，其特征在于測(cè)量濾波器(5)包括兩個(gè)采樣-保持級(jí)(53，56)。
9.如權(quán)利要求8所述的測(cè)量濾波器(5)，其特征在于測(cè)量濾波器(5)包括加法器(61)。
10.如權(quán)利要求8所述的測(cè)量濾波器(5)，其特征在于通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)(90)控制測(cè)量濾波器(5)。
11.一種用于操作具有開關(guān)變壓器(2)的氣體放電燈(3)的方法，其中開關(guān)變壓器包括開關(guān)(22)、變換器電感器(24)和在用于測(cè)量燈的電壓并設(shè)置所希望功率的控制回路(33)中的控制裝置(27)，其特征在于下面的步驟連續(xù)地或間斷地測(cè)量隨著時(shí)間變化的燈(3)的至少一個(gè)操作數(shù)據(jù)(125，128，131)的值，比較所測(cè)量的操作數(shù)據(jù)(125，128，131)和所計(jì)算的操作數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)計(jì)算所必需的參數(shù)，根據(jù)調(diào)節(jié)的參數(shù)來(lái)選擇電源電流的占空因數(shù)。
12.一種用于操作具有開關(guān)變壓器(2)的氣體放電燈(3)的方法，其中開關(guān)變壓器包括開關(guān)(22)、變換器電感器(24)和在用于測(cè)量燈的電壓并設(shè)置所希望功率的控制回路(33)中的控制裝置(27)，其特征在于下面的方法步驟連續(xù)地或間斷地測(cè)量隨著時(shí)間變化的燈(3)的至少一個(gè)操作數(shù)據(jù)(125，128，131)的值，比較所測(cè)量的操作數(shù)據(jù)(125，128，131)和所計(jì)算的操作數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)計(jì)算所必需的參數(shù)，根據(jù)調(diào)節(jié)的參數(shù)來(lái)選擇交流電壓或交流電流的頻率。
13.一種用于操作具有開關(guān)變壓器(2)的氣體放電燈(3)的方法，其中開關(guān)變壓器包括開關(guān)(22)，變換器電感器(24)和在用于測(cè)量燈的電壓并設(shè)置所希望功率的控制回路(33)中的控制裝置(27)，其特征在于下面的方法步驟連續(xù)地或間斷地測(cè)量隨著時(shí)間變化的燈(3)的至少一個(gè)操作數(shù)據(jù)(125，128，131)的值，比較所測(cè)量的操作數(shù)據(jù)(125，128，131)和所計(jì)算的操作數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)計(jì)算所必需的參數(shù)，根據(jù)調(diào)節(jié)的參數(shù)來(lái)選擇電源電流的值。
14.如權(quán)利要求11到13中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于初始設(shè)置的參數(shù)是新燈(3)的參數(shù)。
15.如權(quán)利要求11到14中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于參數(shù)被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器(85)中。
16.如權(quán)利要求11到15中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于在穩(wěn)定狀態(tài)操作中，存儲(chǔ)器(85)中的參數(shù)恰好是連接的燈(3)的參數(shù)。
17.一種用于操作具有開關(guān)變壓器(2)的氣體放電燈(3)的電路(1)，其中開關(guān)變壓器包括開關(guān)(22)、變換器電感器(24)和在用于測(cè)量燈的電壓并設(shè)置所希望功率的控制回路(33)中的控制裝置(27)，其特征在于開關(guān)變壓器(2)包括內(nèi)部控制回路(81)。
18.一種具有如權(quán)利要求1到7或17中的任一項(xiàng)所述的電路的數(shù)據(jù)和視頻投影儀。
19.一種具有用于執(zhí)行如權(quán)利要求11到16中的任一項(xiàng)所述方法的電路的數(shù)據(jù)和視頻投影儀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于操作具有開關(guān)變壓器(2)的氣體放電燈(3)的電路(1)和方法，其中該開關(guān)變壓器包括開關(guān)(22)、變換器電感器(24)和在用于測(cè)量燈的電壓并設(shè)置所希望的功率的控制回路(33)中的控制裝置(27)。根據(jù)本發(fā)明，開關(guān)變壓器(2)包括第二控制回路(80)。根據(jù)第二控制回路，開關(guān)變壓器對(duì)于各個(gè)燈條件是可調(diào)的。
文檔編號(hào)H05B41/292GK1799288SQ200480015189
公開日2006年7月5日 申請(qǐng)日期2004年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月2日
發(fā)明者C·德佩, P·呂爾肯斯, G·霍伊斯勒 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司