DE60212397T2

DE60212397T2 - Impulsbreitenmodulation zum betrieb von hochdrucklampen

Info

Publication number: DE60212397T2
Application number: DE60212397T
Authority: DE
Inventors: Xaver Riederer
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2001-05-08
Filing date: 2002-04-25
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: EP1410695A1; US20030001518A1; CN100420351C; US6815907B2; DE60212397D1; CN1462570A; JP4436605B2; KR20030013526A; JP2004525496A; WO2002091806A1; KR100865225B1; ATE330449T1; EP1410695B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdrucklampe, insbesondere zur Verbesserung der Lichtbogenstabilität, wobei der Lampe ein Wechselstrom zugeführt wird. Die Erfindung betrifft auch eine Schaltungsanordnung zum Versorgen einer Hochdrucklampe mit einem Lampenstrom. Schließlich bezieht sich die Erfindung auch auf den Einsatz des Verfahrens und die Anordnung in mehreren Einrichtungen.
US 535151 offenbart ein Gasentladungslampenvorschaltgerät mit frequenzmodulierter Impulssteuerung. US 563020 bezieht sich auf ein elektronisches Vorschaltgerät für eine Entladungslampe.
Hochdrucklampen, insbesondere HID-Lampen (HID: High Intensity Discharge), müssen mit geeigneten Strömen gespeist werden, sodass der Lichtbogen nahezu stabil ist. Ein Verfahren, eine Lampe mit einem gut geeigneten Strom zu versorgen, ist aus US 5.608.294 bekannt.
Das in US 5.608.294 beschriebene Verfahren ist darauf gerichtet, ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdrucklampe zu verschaffen sowie eine Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Hochdruck-Entladungslampe in solcher Weise, dass Flackern der Lampe beim Betrieb nahezu unterdrückt wird. Zum Reduzieren von Flackern ist vorgeschlagen worden, der Hochdruck-Entladungslampe einen Lampenwechselstrom zuzuführen, um in einem zuvor bestimmten Bruchteil von gegebenen Halbperioden des Lampenstroms einen Stromimpuls zu erzeugen, wobei der Stromimpuls die gleiche Polarität wie der Lampenstrom hat und dem Lampenstrom nur in einem letzteren Teil der Halbperiode, in der er erzeugt wird, überlagert wird. Durch Überlagerung des Stromimpulses auf den Lampenstrom erhöht sich die Temperatur der Elektrode relativ stark. Die hohe Temperatur bewirkt, dass der Ursprung des Entladungsbogens in jeder kathodischen Phase an der gleichen Stelle auf der Elektrode liegt. Die Folge hiervon ist ein Lichtbogen mit hoher Stabilität.
Die Verwendung eines zusätzlichen Stromimpulses, wie in US 5.608.294 beschrieben, erhöht die Verlustleistung in der Schaltungsanordnung. Auch die Lichtleistung ist nicht konstant, was die Verwendung solcher Lampen in sequentiellen Displays, die bevorzugt mit konstantem Lichtstrom arbeiten, schwierig gestaltet.
Aus Basis des oben beschriebenen und bekannten Verfahrens ist eine Aufgabe der Erfindung, die Lichtbogenstabilität zu verbessern. Eine andere Aufgabe der Erfindung ist, die Verlustleistung in der Schaltungsanordnung zu vermindern.
Mit Hilfe eines Verfahrens zum Betreiben einer Hochdrucklampe, bei dem der Absolutwert des Lampenstroms nahezu konstant ist und bei dem der Lampenwechselstrom pulsbreitenmoduliert wird, wobei das Pulsbreitenverhältnis zwischen einer Pulsbreite eines positiven Pulses und einer Pulsbreite eines negativen Pulses moduliert wird, wird die Stabilität des Lichtbogens verbessert. Auch der Lichtstrom ist so gut wie konstant, da die Lampennennleistung wegen des nahezu konstanten Absolutwertes des Lampenstroms praktisch konstant ist. Weiterhin wird die Verlustleistung vermindert, da kein zusätzlicher Stromimpuls benötigt wird.
Eine Hochdrucklampe, wie z.B. eine Hochdruck-Entladungslampe, eine HID-Lampe (UHP-Lampe) oder eine Hochdruck-Gasentladungslampe (HIP-Lampe), weist einen Lichtbogen auf. Der Erfindung gemäß kann gewährleistet werden, dass das von der Lampe ausgesendete Licht im Allgemeinen immer den gleichen Lichtstrom hat.
Erfindungsgemäß wird eine Hochdrucklampe mit einem Strom gespeist, der im Wesentlichen einen konstanten Absolutwert hat. Die Polarität des Stroms wechselt gemäß einer gegebenen Frequenz. Hierdurch werden der Lampe Strompulse mit schaltender Polarität zugeführt. Es versteht sich, dass während eines Schaltens der Polarität der Absolutwert des Stroms nicht konstant sein kann. Das Stromsignal weist eine Flanke auf. Jede beliebige Signalform, die für die Änderung der Polarität geeignet ist, kann angelegt werden. Mögliche Signale sind ein rampenförmiges Signal, so gut wie rechteckförmige Signale oder Sägezahn-Signale. Die Signalform des Stroms ist vorzugsweise rechteckförmig. Die Pulse können auch Flanken mit einer Flankensteilheit haben, die von rechteckförmig bis rampenförmig verlaufen kann.
Ein derartiger Lampenwechselstrom wird dann pulsbreitenmoduliert. Durch Pulsbreitenmodulation kann die Breite eines Strompulses in jeder Polarität moduliert werden. Das Verhältnis zwischen einer Pulsbreite eines positiven Pulses und einer Pulsbreite eines negativen Pulses kann dadurch eingestellt werden. Wenn dieses Verhältnis einer vor gegebenen Funktion entsprechend moduliert wird, kann die Stabilität des Lichtbogens verbessert werden.
Die Betriebsfrequenz nach Anspruch 2, mit der der Lampenstrom wechselt, wird vorgezogen. Oberhalb einer Frequenz von etwa 5 kHz besteht die Möglichkeit einer akustischen Resonanz. In diesem Fall würde sich die Lichtbogenstabilität verschlechtern. Aber eine höhere Frequenz könnte noch geeignet sein und liegt somit im Rahmen der Erfindung. Falls die Frequenz des Lampenwechselstroms unter einen bestimmten Wert herabgesetzt wird, ungefähr 40 Hz, kann keine Lichtbogenstabilität erreicht werden. Dieser Frequenzbereich ist nur ein bevorzugter Bereich und schränkt die Erfindung nicht auf diesen Bereich ein.
Ein Frequenzbereich zur Modulation eines Pulsbreitenverhältnisses, wie in Anspruch 3 beschrieben, wird bevorzugt. Oberhalb eines Wertes von etwa 100 Hz, welche Frequenz hauptsächlich von der Geometrie der Elektroden abhängig ist, verschwindet der Effekt einer Lichtbogenstabilisation. Sehr niedrige Frequenzen, wie z.B. 0,1 Hz, lassen noch eine Verbesserung der Lichtbogenstabilität zu. Diese sehr niedrigen Frequenzen können in Lichtsystemen angewendet werden, wo Artefakte vermieden werden müssen. Da die von der Lampe ausgesendete Lichtmenge sich vom Puls mit positiver Polarität zum Puls mit negativer Polarität ändert, können Artefakte vermieden werden, indem das Signal in solcher Weise moduliert wird, dass die Modulationsfrequenz vom Menschen nicht wahrgenommen werden kann. Dieses kann mit einer sehr niedrigen Modulationsfrequenz erreicht werden. Wiederum ist dieser Frequenzbereich nur ein bevorzugter Bereich und schränkt die Erfindung nicht auf diesen Bereich ein.
Durch Synchronisieren der Pulsbreitenmodulationsfrequenz mit einer Displayfrequenz einer Displayeinrichtung können auf dem Display auftretende Artefakte vermieden werden.
Ein Signal nach Anspruch 5 wird vorgezogen. Ein solches Signal kann ein Sinus-, Kosinus-, Sägezahn- oder jedes beliebige andere Signal sein. Auch Signale, die diesen Signalen angenähert sind, können angewendet werden.
Bevorzugt wird, dass die Modulationsamplitude verringert werden kann. Wenn die Amplitude des Stromsimpulses verringert wird, wird der Absolutwert des der Lampe zugeführten Stroms verringert.
Auch eine Schaltungsanordnung zum Versorgen einer Hochdrucklampe mit einem Lampenstrom, mit Pulsformungsmitteln zum Schaffen eines Lampenwechselstroms mit einem nahezu konstanten Absolutwert, mit Modulationsmitteln zum Modulieren eines Pulsbreitenverhältnisses zwischen einer Pulsbreite eines positiven Pulses und einer Pulsbreite eines negativen Pulses ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Das Merkmal dieser Schaltungsanordnung ist, dass die Verlustleistung innerhalb der Schaltung geringer ist als in bekannten Schaltungen, die eine Hochdrucklampe mit einem Signal versorgen, das einen stabilen Lichtbogen ermöglicht.
Die Verwendung eines Verfahrens oder einer Schaltungsanordnung, wie oben beschrieben, in einem Daten- oder Videoprojektor mit LCD- oder Spiegeldisplays, ist eine andere Ausführungsform der Erfindung. Der stabile Lichtbogen sendet ein konstantes Licht aus, das zur Verwendung in den genannten Projektoren gut geeignet ist.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
1 Lampenstrom als Funktion der Zeit;
2 Lampenstrom als Funktion der Zeit;
3 kumulative Verteilung von Lichtbogensprüngen pro Betriebsstunde für den Betrieb mit Pulsbreitenmodulation und für Standardbetrieb.
1 zeigt ein Lampenstromsignal 2 als Funktion der Zeit. Auch wird in 1 ein Modulationssignal 4 gezeigt, das die Modulationsinformation zur Modulation der Pulsbreite des positiven und des negativen Pulses des Stromsignals 2 verschafft. Ein Mittelwert 6 des Lampenstromsignals 2 wird auch in 1 gezeigt. Eine x-Achse zeigt die Zeit in Millisekunden. Eine y-Achse zeigt die Amplitude des Lampenstromsignals 2, des Modulationssignals 4 und des Mittelwertes 6. Die y-Achse ist auf 1 skaliert.
Das Modulationssignal 4 ist ein Sinussignal mit einer Frequenz von f_S = 50 Hz. Dieses Modulationssignal 4 moduliert das Verhältnis zwischen der positiven Hälfte und der negativen Hälfte des rechteckförmigen Stromsignals 2. Dieses Stromsignal 2 hat eine Frequenz f_G = 1 kHz. Der Absolutwert des Stromsignals 2 ist immer 1. Falls das Modulationssignal 4 positiv ist, dauert die positive Hälfte des Stromsignals 4 länger als die negative Hälfte des Stromsignals 4. Dass hat auch zur Folge, dass der Mittelwert 6 des Stromsignals 4 positiv ist, wenn das Modulationssignal positiv ist, und negativ, wenn das Modulationssignal negativ ist.
Der Absolutwert des Stromssignals 4 I_Lamp ist durch die Spannung der Lampe U_Lamp und die Lampenleistung P_Lamp als I_Lamp = P_Lamp/U_Lamp definiert.
Aus 2 ist das Verhältnis zwischen einem positiven Puls t₊ und einem negativen Puls t_– des Stromsignals 2 deutlicher ersichtlich. Der Mittelwert 6 I_m ist innerhalb einer Periode t_G (t_G = 1/f_G und t_G = t₊ + t_–) des Stromsignals 2 definiert als
Das bedeutet, dass der Mittelwert 6 zwischen dem maximalen positiven und maximalen negativen Wert des Stromsignals 2 liegen muss. Der Mittelwert 6 kann als m·I_Lamp definiert werden, mit m·∈ [–1; +1], wobei m als Modulationsgrad definiert werden kann. Die Dauer, z.B. die Pulsbreite, jeder Periode t₊ und t_– ist dann:
Die Dauer der Perioden t₊ und t_– unterscheiden sich je nach Modulationssignal 4. Die Pulsbreite, z.B. die Dauer der Perioden t₊ und t_–, wird durch das Modulationssignal 4 definiert. In diesem Fall ist das Modulationssignal ein Sinussignal
mit der Modulationsfrequenz f_S = 50 Hz und einer Modulationsamplitude M. Das Verhältnis für die Pulsbreitenmodulation kann aus dem Modulationssignal 4 mit
berechnet werden, wobei i ein Index ist, der um Eins erhöht wird. Zur Veränderung des Lichtbogens können die Frequenz des Stromsignals f_G, die Frequenz des Modulationssignals f_S, das Modulationssignal (z.B. Sinus, Kosinus, Rechteck) und die Modulationsamplitude M variiert werden. In 1 beträgt die Modulationsamplitude 0,8.
Der Effekt der Verwendung einer Hochdrucklampe mit einem wie in 1 und 2 gezeigten Stromsignal 2 ist aus 3 ersichtlich. In 3 ist auf der W-Achse die Weite eines Lichtbogensprunges dargestellt, die S-Achse gibt die kumulative Menge detektierter Lichtbogensprünge wieder. Verteilung 10 zeigt die Verteilung von Lichtbogensprün gen in einer Lampe, die mit herkömmlichem Lampenstrom gespeist wird, Verteilung 8 zeigt die Verteilung von Lichtbogensprüngen in einer Lampe, die mit erfindungsgemäßem Lampenstrom gespeist wird. Wie ersichtlich, können im Vergleich zu einer herkömmlichen Lampe nur wenige Lichtbogensprünge mit langer Sprungweite detektiert werden. Dies hat den Effekt, dass das Licht, das auf dem Display gesammelt werden kann, konstant bleibt.
Die oben beschriebene Ausführungsform ist nur eine mögliche Lösung. Der Effekt einer Verringerung von Lichtbogensprüngen in Kombination mit einem konstanten Lichtstrom und einer niedrigen Verlustleistung kann erfindungsgemäß mit weiteren Modulationssignalen und Stromfrequenzen erreicht werden.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Hochdrucklampe, wobei der Lampe ein Lampenwechselstrom (2) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Absolutwert des genannten Lampenstroms (2) nahezu konstant ist und dass der genannte Lampenwechselstrom (2) pulsbreitenmoduliert wird, wobei das Pulsbreitenverhältnis zwischen einer Pulsbreite eines positiven Pulses (t₊) und einer Pulsbreite eines negativen Pulses (t_–) moduliert wird, sodass die Lichtbogenstabilität verbessert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den genannten Lampenstrom (2) mit einer Frequenz wechseln lässt, die keine akustischen Resonanzen bewirkt und die Lichtbogenstabilität zwischen 40 Hz und 5 kHz nicht verringert, wobei die Polarität zumindest ein Mal innerhalb jeder Periode (t_G) gewechselt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Pulsbreitenverhältnis zwischen der genannten Pulsbreite des genannten positiven Pulses (t₊) und der genannten Pulsbreite des genannten negativen Pulses (t_–) mit einer Frequenz moduliert wird, die niedriger als die Betriebsfrequenz ist, vorzugsweise zwischen 0,1 Hz und 100 Hz.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz der genannten Pulsbreitenmodulation mit einer Displayfrequenz einer Displayeinrichtung synchronisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Pulsbreitenverhältnis mit einem harmonischen Signal moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Amplitude eines Pulsbreitenmodulationssignals größer als 0 ist.
Schaltungsanordnung zum Versorgen einer Hochdrucklampe mit einem Lampenstrom (2), mit Pulsformungsmitteln zum Schaffen eines Lampenwechselstroms (2) mit einem nahezu konstanten Absolutwert, mit Modulationsmitteln zum Modulieren eines Pulsbreitenverhältnisses zwischen einer Pulsbreite eines positiven Pulses (t₊) und einer Pulsbreite eines negativen Pulses (t_–), sodass die Lichtbogenstabilität verbessert wird.
Nutzung eines Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6 oder einer Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 in einem Daten- oder Videoprojektor mit LCD- oder Spiegeldisplays.