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CN1663325A - 气体放电灯的操作 - Google Patents

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CN1663325A
CN1663325A CN038147890A CN03814789A CN1663325A CN 1663325 A CN1663325 A CN 1663325A CN 038147890 A CN038147890 A CN 038147890A CN 03814789 A CN03814789 A CN 03814789A CN 1663325 A CN1663325 A CN 1663325A
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H·蒙奇
X·里德雷
C·德佩
P·雷肯斯
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Abstract

本发明涉及一种操作含有两个电极(12、13)的气体放电灯(11)的方法。该方法包括将交流电流(I灯)加到电极上。为了改进灯泡的性能和提高灯泡的寿命，提出了采用含有直流电流分量(DC)的交流电流以补偿两电极间温度差的方案。特别是这样选择该直流电流分量，使得第一电极作为直流电流分量的阳极工作，而第二电极作为直流电流分量的阴极工作，预期第一电极的温度低于第二电极。本发明还同样地涉及相应地操作气体放电灯的电子电路和软件程序，以及涉及包含气体放电灯和相应地操作该气体放电灯的装置的照明系统。

Description

气体放电灯的操作
本发明涉及一种操作具有两个电极的气体放电灯的方法，该方法包括在电极上施加交流电(AC)。本发明还涉及到操作气体放电灯的电子电路、支持操作气体放电灯的软件程序，以及含有该气体放电灯的照明系统。
高亮度气体放电灯从现有技术中知悉。这种气体放电灯包括一个包含有隋性气体或蒸汽的管子。此外两个电极伸进管子。为驱动灯泡，在这两个电极上施加适当的交流电，从而在两电极间建立及维持电弧。
超高性能(UHP)灯泡是一种特殊类型的高亮度气体放电灯，例如，它可以采用汞蒸汽和钨电极。UHP灯泡中的通用电极结构包括钨杆，钨丝线圈被置于其上的。例如，UHP灯泡用于投影应用中，在该投影应用中屏幕上的光学要求需要1mm数量级的电弧长度。UHP灯泡中电极的的温度接近或甚至超过纯钨的熔点。为允许在高压汞电弧高度压缩的情况下电子的热发射，以及为避免发生电弧跳闪现象，就需要这些温度。然而，如果电极过热，就会出现所称的电极“烧接(burning back)”现象。其结果，电极间的距离增大，使得光学系统的性能下降。这种“烧接”是劣质灯泡维修的常见原因。因而在UHP灯泡的设计和使用上必需谨慎，以保证明确定义的电极温度。对其它种类的气体放电灯也可提出同样的要求。
尤其当两个电极达到的温度不同时，在使气体放电灯的两个电极保持最佳温度方面可能产生问题。如果采用两个相似的电极，由于可能不对称地使用这两个电极，也会出现这种情况。结果，当一个电极还可在设计的条件下正常工作时，而另一个电极或者由于太冷而出现电弧跳闪，或者由于太热发生“烧接”。
有各种各样的原因会导致气体放电灯的两电极之间不对称。
首先，气体放电灯一般用于反射镜中，这种反射镜可当作灯泡的散热片。根据灯泡在反射镜中的安装，灯泡的一端可能比另一端冷却程度大，因而一个电极可能比另一个电极冷却程度大。
另外，使数量增加的UHP灯泡工作时采用强制气冷。这种强制气冷通常涉及灯泡的前端或上部。根据气流的具体情况，可以观察到电极温度差别很大。
此外，通用UHP灯泡都被设计用于在水平燃烧位置工作。然而，在一些应用中，灯泡处于倾斜或甚至垂直位置。其结果，热气体向上流动所产生的对流使两个电极接收的热负载不同，因而它们的温度不同。
在气体放电灯的寿命期内，由于电极零件、如该杆上的线圈的机械运动，也会引起电极的结构发生改变。即使在新灯泡中，由于公差影响，电极的结构也会不同。如果一个电极已经开始“烧接”，其传导和热发射的能力发生改变，这个过程会加速，导致灯泡过早失效。
这类不对称性大多数不能通过采用不同电极进行补偿，因为它们是不可预知的。另外，电极不同会阻止灯泡的普遍使用，在将灯泡插入到应用它的系统中时，需要另加小心。
本发明的目的就是要提高气体放电灯的性能和寿命。本发明的目的尤其是提供一种能使气体放电灯的两电极之间保持温度平衡的方案。
这些目的是通过本发明的方法实现的，该方法用于操作含有两个电极的气体放电灯，包括在电极上施加交流电流。本发明建议，该交流电流具有直流电流分量，用于补偿两电极之间的温度差。为此这样选择直流电流分量，以致两电极中的第一电极(预期其温度低于第二电极)当作该直流电流分量的阳极，而第二电极当作直流电流分量的阴极。
同样，本发明的目的通过一个用于操作含有两个电极的气体放电灯的电子电路来实现，该电子电路中包括有用于实现所建议的方法的装置。另外，本发明的目的通过一个用于操作含有两个电极的气体放电灯的软件程序来实现，该软件程序包括在驱动器的处理装置中运行时实现所建议的方法的软件代码，该该驱动器控制对气体放电灯的供电。最后本发明的目的通过一种照明系统实现，如一种投影系统，该系统包括含有两个电极的气体放电灯和按照所建议的方法驱动气体放电灯的装置。
待操作的气体放电灯的两个电极尤其可以是、但不是必须是相似电极。
本发明基于这一认知：如果电极当作阳极其加热程度高，如果当作阴极则其加热程度低。因而，本发明建议采用具有直流电流分量的交流电流来操作气体放电灯，其中直流电流分量用于平衡两个电极之间的温度。
本发明可以取得以下有益效果，其允许这样操作气体放电灯，使得两个电极的工作温度相同，这能够设置两个电极的最佳温度。因此，可以避免电极出现跳弧(电弧跳闪)和“烧接”。其结果，在灯泡以不对称方式工作的情况下，气体放电灯的性能得到改进并且其寿命提高。
根据从属权利要求，本发明的优选实施例是显而易见的。
施加到气体放电灯电极上理想的交流电流的DC分量可以通过多种方式得到。
在本发明的第一个优选实施方案中，通过在标准的AC灯泡电流上添加DC电流得到DC分量。
本发明的第二个优选实施方案中，通过使用两个电流方向的不同强度的AC电流，得到DC分量。
本发明的第三个优选实施方案中，通过改变在两个电流方向上操作灯泡的时间得到DC分量。而在标准的AC工作时，交流电的波形具有负载周期，该负载周期具有对两个电流方向而言相等长度的两个半周期的，因此所建议的调整导致利用偏离标准的50∶50情况的负载周期进行操作。
在本发明的第四个优选实施方案中，通过用以下方式调整交流电流每半周内采用的一个或多个附加脉冲的能含量，即这些附加脉冲在一个电流方向上的能含量大于在另一个电流方向上的能含量，从而得到DC分量。尤其通过分别针对每半个周期调整一个或多个附加电流脉冲的幅度和/或时间，可以调整这种附加脉冲的能含量。
用于平衡温度的DC分量的量，最好位于总电流量的0.1％到50％的范围内。
所预计的温度状况同样可用不同的方法来确定。
如果预计在灯泡的寿命期间例如由于灯泡预定的方向或产生冷却气流的装置的设置，电极的不对称加热基本上不变，则利用一些取样灯泡就可以充分地预先确定DC分量的需要量。于是，这一量值可以被设置为灯泡电源的固定的DC分量。
如果在灯泡的寿命期间，例如由于改变了工作条件或由于改变了电极结构，电极的不对称加热不是恒定的，则在其整个寿命期间，则分别针对每个灯泡有利地监督电极的温度状况。于是，DC分量的需要量可以根据相应的温度状况不断地或再三地确定。
为了采用相当简单的方法确定温度状况，在交流电流的半个周期施加到灯泡上期间，可以通过灯泡驱动器对灯泡燃烧电压进行几次、即至少两次测量。如果测得的电压在半个周期内稍有增加，则在这半个周期内当作阴极的电极可以被认为足够热。如果电压在半个周期内降低或突然下降，则相反，在这半个周期内作为阴极的电极可以被认为太冷。由于只有相应的阴极引起这些电压的改变，所以当考虑交流电方向时，可以独立地观察两个电极。在美国专利文件US 6,232,725中，已描述了相应地探测应被认为过冷的电极。
本发明的方法可以进一步集成到控制为灯泡供电及连续调整DC分量的控制回路中。
此外，关于经调整的DC分量的信息可以存储到非易失性存储器中，例如，只存储最后的应用值或更多的信息、如整个灯泡历史。该信息可以包括如分别所采用的DC分量值，确定的温度或温度差，或确定的灯泡电压。然后，存储的信息可以用于以后预计DC分量的需要量。
另外，为了使两个电极总是处于最佳温度，平均灯泡功率应当是可调整的，例如，在两个电极都过泠或足够热的情况下。所提供的控制回路中还可以包括这方面。因此，可以避免在温度虽然平衡但不是最佳稳定的情况下两个电极上都出现跳弧(电弧跳闪)和两个电极都“烧接”。
所操作的气体放电灯特别可以是UHP灯，但同样可以是任何其它的气体放电灯。
本发明的方法可以在用于操作气体放电灯的电子电路中实现。
本发明的方法尤其可以通过软件实现，该软件例如可以在微控制器中实现，该微控制器控制气体放电灯的驱动器。
从以下结合附图考虑的所选择的本发明实施例的详细描述中，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。
图1所示为本发明投影系统的一个实施例的一部分的方框图；
图2所示为不具有直流电流分量的交流方波电流(blockcurrent)；
图3所示为不具有直流电流分量的带有电流脉冲的交流方波电流；
图4所示为具有添加的直流电流电流的交流方波电流；
图5所示为具有不对称的负载周期的交流方波电流；
图6所示为带有幅度调制电流脉冲的交流方波电流；
图7所示为带有时间调制电流脉冲的交流方波电流。
图1以方框图的形式示出了可用于实现本发明方法的一个实施例的一个投影系统的部件。
该投影系统包括一个按照本发明操作的UHP灯泡11。为此，UHP灯泡11的两个电极12、13连接到一个可控电源电路14。电源电路14特别可以包括一个电源单元，用于提供可控制幅值的直流电流；一个可控变换器，用于将所提供的直流电流转换成驱动灯泡11所需的交流电流I灯。
电源电路14由微控制器15控制。微控制器15包括软件，该软件可以按常规方式控制电源电路14。即，该软件使电源电路14向UHP灯泡11提供交流电流I灯，该交流电流适于在两电极12、13之间建立和维持电弧。另外，软件能够将常规供应的交流电流调整成包含所需直流电流分量。
微控制器15还包括一个非易失性存储器。在该存储器中，保存有所提供的直流电流分量的历史信息。电压检测器16检测UHP灯泡11上的相应电压U灯，微控制器15通过电压检测器16接收关于当前灯泡电压的信息作为输入。电源电路14、微控制器15和电压检测器16一起构成UHP灯泡11的驱动器。
微控制器中的软件调整控制回路中电源电路14提供的电流I灯的直流电流分量。在该控制回路中，软件首先估计由电压检测器16接收到的关于灯泡电压的信息。在提供给灯泡11的交流电流的每半个周期内，电压检测器16重复地测试灯泡燃烧电压U灯。如果软件确定电压U灯在某半周期中是在增加，则在这半周期内作为阴极的电极12、13足够热。如果软件确定在某半周期内电压在下降或突然降落，则在这半周期内作为阴极的电极12、13过冷。
根据这一估计，软件随后调整对电源电路14的常规控制，从而调整对常规提供的交流电流的常规控制。即，在确定有一个电极12、13过冷的情况下，增加直流电流分量，使得在某种意义上该电极12、13的表现比之前更象阳极。在确定两个电极12、13都足够热的情况下，相反，减低直流电流分量，以接近纯粹(真正)的交流电流驱动。以下，将参考附图2到7，介绍4种不同的将常规的交流电流调整成为包含直流电流分量的方案。
另外，在确定两个电极12、13都过冷的情况下，在控制回路中增加总的平均灯泡功率。当确定两个电极12、13都足够热，并可以从存储在微控制器15的存储器中的灯泡历史信息得到这两个电极都没有趋向达到临界温度边界的结论时，降低平均灯泡功率。
因此，本系统允许UHP灯泡11的两个电极12、13都总是以最佳温度工作。
图2到图7所示为不同的灯泡电流I灯与时间t的关系。
图2和图3所示为按常规供给UHP灯泡11交流电流I灯的过程。图2所示为标准方波电流。在该方波电流中，每一负载周期有两个长度相等的半周I、II，其中提供幅值相等但极性相反的恒定电流。具有正电流的半周I也称为正半周，具有负电流的半周II也称为负半周。图3所示为类似标准的方波电流，其中在每半周I、II的终端添加了与正常方波电流极性相同的附加电流脉冲P1、P2。采用包含附加脉冲的这种电流例如从文件EP0 766 906A中获悉。正如从图2和图3可以看出，常规的交流电流不具有任何直流电流分量。当微控制器15确定当前两个电极12、13都足够热、或两个电极12、13都过冷、并且因此只需要提高总的平均功率时，图1中的电源14供给UHP灯泡11的也是这种常规电流。
图4到图7所示的是，当从图2和图3所示的按常规提供的交流电流之一出发时，将所提供的交流电流的直流电流分量调节到所需值的不同可能性。
在图4所示的方案中，所需的直流电流是简单地叠加到图2提供的交流方波电流上的。该附加的直流电流是根据微控制器15的控制信号由电源电路14提供的。在所描述的情况下，一个正的直流电流被添加到常规的交流电流上。其结果，提供给灯泡的交流电流I灯包含一个正的直流电流分量DC(相应于所添加的直流电流)，如图中所示。通过在常规交流电流的两个方向上采用不同的电流强度，在不设置额外的用于添加直流电流的装置并因此在不改变常规使用的电源结构的情况下，也能取得同样的效果。
图5同样从图2所示的标准交流方波电流出发。在图5所示的方案中，通过增加常规交流电流负载周期的半周期中一个的长度，并通过减小该负载周期的半周期中另一个的长度，得到直流电流分量。半周期的长度在电源电路14中根据微控制器15的控制信号来设定。在所示的情形中，相应的正半周I比相应的负半周II要长。其结果，交流电流包含如图中所示的直流电流分量DC。
图6从图3所示的具有附加电流脉冲的标准交流方波电流出发。在图6所示的方案中，通过调制每半周中附加电流脉冲的幅度，得到直流电流分量。附加电流脉冲幅度的调制在电源电路14中根据微控制器15的控制信号来设定。在所示情形中，正半周I中的附加电流脉冲P1的幅度比负半周II中的附加电流脉冲P2的幅度大。其结果，交流电流包含如图所示的正的直流电流分量DC。
图7还是从图3所示的具有附加电流脉冲的标准交流方波电流出发。在图7所示的方案中，通过调制每半周中附加电流脉冲的时间，得到直流电流分量。附加电流脉冲的时间调制根据微控制器15的控制信号在电源电路14中设定。在所示的情形中，正半周I中的附加电流脉冲P1的持续时间比负半周II中的附加电流脉冲P2的持续时间长。其结果，交流电流包含如图所示的正的直流电流分量DC。
应当注意，所述的本发明实施方式仅仅是所选择的可以许多方式进行改变的实施方式。

Claims (22)

1.一种操作含有两个电极(12、13)的气体放电灯(11)的方法，所述方法包括在所述电极(12、13)上施加一交流电流(I灯)，该交流电流(I灯)具有一直流电流分量(DC)，用于补偿所述两个电极(12、13)之间的温度差；其中这样选择所述直流电流分量(DC)，使得所述电极(12、13)中的第一电极作为所述直流电流分量(DC)的阳极工作，要求该第一电极比所述电极中的第二电极(13、12)的温度低，而所述第二电极(13、12)作为所述直流电流分量(DC)的阴极。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述的直流电流分量(DC)占整个电流(I灯)的0.1％到50％。
3.如权利要求1或2所述方法，其中，所述的直流电流分量(DC)通过在交流灯泡电流上添加一直流电流而得到。
4.如上述权利要求之一所述的方法，其中，所述的直流电流分量(DC)通过在交流电流(I灯)的两个方向上提供不同的电流强度而取得。
5.如上述权利要求之一所述的方法，其中，所述的直流电流分量(DC)通过提供给所述气体放电灯(11)一个具有负载周期的交流电流而得到，在所述负载周期中具有正电流的半周(I)与具有负电流的半周(II)的长度不同。
6.如上述权利要求之一所述的方法，其中，所述的直流电流分量(DC)通过在所述交流电流的负载周期的每半周(I、II)中提供一个或多个附加电流脉冲(P1、P2)而得到，以及其中通过以下方式控制所述附加电流脉冲(P1、P2)的能含量，使在所述半周(I、II)中一个半周中的能含量比在另一半周中大。
7.如上述权利要求之一所述的方法，其中，所述的直流电流分量(DC)根据由于所述气体放电灯(11)的非水平燃烧位置而引起的所述两电极(12、13)之间预计的温度差来确定。
8.如上述权利要求之一所述的方法，其中，所述的直流电流分量(DC)根据由于所述两电极(12、13)冷却程度不相等而引起的所述电极(12、13)之间预计的温度差来确定。
9.如上述权利要求之一所述的方法，其中，对所述气体放电灯(11)的整个工作时间预先确定所述的直流电流分量(DC)。
10.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中，在所述气体放电灯(11)工作过程中，根据表示所述电极(12、13)之间预计的温度差的测量值，调整所述的直流电流分量(DC)。
11.如权利要求10所述的方法，其中，对于所述测量值，所述气体放电灯(11)上的所述电压(U灯)的测量，是在加到所述气体放电灯(11)上的交流电流(I灯)的负载周期的各个半周(I、II)内进行的，且至少测量两次；以及其中如果检测到在一个半周(I、II)内电压上升，则表明在此半周(I、II)内作为阴极的电极(12、13)足够热，而在一个半周(I、II)内电压的降低或突然下降，表明在此半周(I、II)内作为阴极的电极(12、13)过冷。
12.如权利要求10到11所述的方法，其中，在所述气体放电灯(11)工作期间，在控制回路中调整所述的直流电流分量(DC)，在该控制回路中单独地调整所述直流电流分量(DC)的值，以便将更多阳极的电流提供给被确认为过冷、且比所述的另一电极(12、13)的温度更低的电极(12、13)。
13.如权利要求10到12中任一项所述的方法，其中，在所述气体放电灯(11)工作期间，在控制回路中调整所述的直流电流分量(DC)，在该控制回路中，当两个所述电极(12、13)都被确认为足够热时，降低所述直流电流分量(DC)的值。
14.如权利要求10到13中任一项所述的方法，其中，在两个所述电极(12、13)都被确认为过冷时，提高提供给所述气体放电灯(11)的总功率。
15.如权利要求10到14中任一项所述的方法，其中，在两个所述电极(12、13)都被确认为足够热时，降低提供给所述气体放电灯(11)的总功率。
16.如权利要求10到15中任一项所述的方法，其中，关于执行的直流电流分量(DC)调整的信息被记录在一个非易失性存储器中，用于支持以后对直流电流分量(DC)的调整。
17.用于操作含有两个电极(12、13)的气体放电灯(11)的电子电路(14、15、16)，该电子电路(14、15、16)包括实现如权利要求1至16中任一项所述方法的装置。
18.用于操作含有两个电极(12、13)的气体放电灯(11)的软件程序，该软件程序包括当在驱动器(14、15、16)的处理装置(15)中运行时实现如权利要求1至16中任一项所述方法的软件代码，所述驱动器(14、15、16)用于控制所述气体放电灯(11)的电源。
19.一种照明系统，包含具有两个电极(12、13)的气体放电灯(11)，及用于实现如权利要求1至16中任一项所述方法的装置。
20.如权利要求19所述的照明系统，所述系统允许所述气体放电灯(11)的不同燃烧位置。
21.如权利要求19或20所述的照明系统，在该系统中，所述气体放电灯(11)被这样布置，使得在所述照明系统工作期间，所述电极(12、13)中一个电极的冷却程度比所述电极(12、13)中另一个电极的冷却程度大。
22.如权利要求19至21中任一项所述的照明系统，该系统是投影系统。
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