TWI362899B - Operating device and method for operating gas discharge lamps - Google Patents

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1362^___ /崎今Ρ/ΘΡ咚(纥、πι替換頁 九、發明說明： (一） 發明所屬έ技術領域 本發明係有關一種具 置及操作方法。特別是， 期間發生的問題。 (二） 先前技術 氣體放電燈必須藉由 於預熱階段從起始溫度增 該氣體放電燈所出現的電 在很寬極限內的燈電流無 起始電壓上升到操作電弧 中該預熱階段係跟隨著一 製燈科技中係將高壓 以下稱之爲燈的高壓氣體 言燈管內的氣壓會於預熱 。這就是爲什麼能特別有 壓氣體放電燈上的一個理 氣體放電燈上。 習慣上係於操作裝置 爲所期望的功率。由於預 行純粹功率調節的例子裡 便設定所期望的功率。這 高幾倍。這會引致對各燈 中由操作裝置於預熱階段 修正本 有電極之氣體放電燈用的操作裝 本發明解決了氣體放電燈於預熱 高壓點亮。在點亮之後，該燈會 溫到操作溫度。在點亮之後跨越 壓係稱爲電弧電壓且實質上與落 關。該電弧電壓會於預熱階段從 電壓。在適當運作的氣體放電燈 操作階段。 與低壓氣體放電燈區分開。針對 放電燈，基本上對其操作模式而 階段從初始氣壓上升到操作氣壓 利地將說明如下的本發明用在高 由。不過，本發明也能用在低壓 之操作階段期間將燈的功率調節 熱階段的電弧電壓很低，故在施 會於預熱階段需要高的燈電流以 個電流可能比操作階段之燈電流 電極的損壞。必然地，習知設計 供應到燈上的電流會受限於定値 I36289i__ 月/p日修(更)正替換頁 修正4 的預熱電流。因此’至少會於預熱階段之第一階段期間以 定値的預熱電流饋入該燈。該電弧電壓會於預.熱階段的行 - 程內上升。一旦該電弧電壓達到能夠結合定値電流產生必 要功率的數値’則開始操作其功率調節。當該電弧電壓達 到其操作電弧電壓時則結束了其預熱階段。該操作電弧電 壓會呈現出製程容許度同時會於該燈的使用期限內發生改 變。因此，該操作電弧電壓係由實質上能於可給出所期望 功率之時間範圍內保持定値的電弧電壓定義出。例如，所 考慮的時間範圍爲一分鐘。和該操作電弧電壓有關聯的是 能連同該操作電弧電壓產生所期望功率的操作燈電流。 以下將要注意的是預熱電流的數値：於預熱階段，所 期望的是使非常多的功率耦合到燈內以致燈內的氣壓且因 此其燈電壓會平穩地上升直到達到其操作電弧電壓爲止。 否則，可能產生該燈於預熱階段保持在穩定狀態中而無法 達到所期望功率的情形。爲了可靠地排除這種情形，可於 習知設計中選擇實質上落在操作燈電流以上的預熱電流。 這種情形可參見美國專利第5,083,065號文件（授予Sakata) 中的說明。一種用以選擇預熱電流的槪念指的是也需要最 短可能的預熱階段以便在最短可能的時間內達到所期望的 發光通量。 不過，高預熱電流會在電極上構成很重的負載，且這 會對電極造成損壞且因此縮短該燈的使用期限。各電極會 因可造成熔合及侵蝕的過熱現象或是因離子以高速撞擊電 極造成的所謂濺射現象而受到損壞。 upm9— -n 玢6?日條i更)正替換頁 ....... ------ 修正本 (三）發明內容 本發明的目的是提供一種氣體放電燈用之操作裝置及 ' 操作方法，其中一方面該燈之預熱階段確保可將該燈引進 其操作階段，且另一方面可在各電極上啓動最小的負載。 這個目的係藉由一種氣體放電燈之操作裝置達成的， 其中該操作裝置具有下列元件： 一調節裝置，適用於將所連接之氣體放電燈之功率調節 成所期望的功率： -一設定裝置，適用於將所連接之氣體放電燈之燈電流限 制在一極限値； -一偵測裝置，其‘設計成在極限値設定太低時將一信號輸 出到控制裝置上，以便使所連接之氣體放電燈處於該燈 具有所期望功率的狀態；以及 -—控制裝置，其係規定用於該設定裝置的極限値，並在 該偵測裝置將信號送到該控制裝置上時增加該極限値。 本發明特別有利的較佳型式可在申請專利範圍的各附 屬項中找到。 特別是在主要應用於諸如光束機之類之投影應用上之 所謂超高壓（放電）燈的例子裡：已證明電極表面的微細結 構會對該燈的使用期間及閃燦現象有實質的影響。這種微 細結構可參見德國專利第DE 100 21 537號文件（授予Derra) 中的說明。這類微細結構可於該燈的製造期間產生或是於 操作階段依適當方式操作該燈所造成的。本發明可防止這 類所謂的微細結構於預熱階段因過量的預熱電流而受到損 1^62899_ /彿3月/〇日修(更)正替換頁 你 < 丄 修正本 壞。 . 根據本發明，該預熱階段會從選擇可排除對所連接燈 之電極造成損壞的低預熱電流値開始。假如該燈不存在有 任何狀態能以初始的一組預熱電流使該燈達到所期望功率 ’則可根據本發明提高其預熱電流。 (四）實施方式 第1圖係用以顯示一種根據本發明解釋用實施例之操 作裝置的方塊圖。用以操作這種操作裝置的基礎設計及基 礎模式可參見國際專利第W0 95/35645號文件（授予Derra) 中的說明。以下將簡要地說明各單獨方塊的功能。 方塊1含有一種一般而言可自一線性電壓供應器取得 能量的直流電壓供應器。該直流電壓供應器可供應落在所 連接之燈6之電弧電壓以上的直流電壓値。 該直流電壓供應器1會饋入一步降（step-down)轉換器 2而將該直流電壓供應器所供應的電壓値向下轉換成對應 於所連接之燈6之電弧電壓的數値。該步降轉換器2包含 一有助於設定燈電流的設定裝置。可藉由選擇該步降轉換 器2.之輸出端上所設定的電壓而完成這種設定° 設定之可能性大多數係肇因於所謂脈波寬度調制 (PWM)作用而存在著。這可定出該步降轉換器2內所包含 之電子開關的打開與關閉持久性的比例。 該步降轉換器2之設計可取自任何有關電力電子學的 一般文獻。國際專利第W0 95/3 5645號文件（授予Derra) 中說明了 一種開關的拓樸結構。不過’也能設計出以例如 -9-

I3628QQ Ρττ-—-- 修正本 j/啤％〜曰修(更)正替換頁 半電橋爲代表的數種開關。該步降轉換器2包含一扮演著 用以限制電流之角色的電感器。於是該步降轉換器2借用 了一種對應於燈電流之可調式電流源的特徵。 該步降轉換器2會取決於所選擇的拓撲形式而供應直 流電或交流電。對該步降轉換器2供應交流電流的例子而 言’可將該步降轉換器2之輸出饋入整流器3內使之可在 輸出端供應直流電流。假如該步降轉換器2供應的是直流 電流’則可省略該整流器3。 可將來自整流器3或步降轉換器2之直流電流饋入一 可將直流電轉換成矩形交流電的全電橋4內。較該步降轉 換器2常用的頻率，該矩形交流電流的頻率是很低的且其 數値落在5 0赫與1仟赫之間。 在操作一使用交流電流且需要均勻發光通量之燈的應 用上，轉換成矩形交流電流是所期望的。這類應用的實例 有光束機及背投影式電視機。不過，也可將本發明中用以 保護燈之電極的預熱方法應用在以非矩形交流電流來操作 之使用直流電或交流電的燈上。因此，可取決於其應用而 排除方塊3'方塊4或是兩者。 連接在該全電橋4與燈6之間的是可供應所需要之電 壓以點亮該燈所用的點亮單元5。在點亮該燈之後，正常 情況下該點亮單元5不再進行進一步的功能。 將一監視單元7連接於該步降轉換器2、整流器3、全 電橋4及點亮單元5上。該監視單元7包含控制裝置、調 節裝置、偵測裝置、用以偵測各操作參數（例如電弧電壓及 -10- 修正本 燈電流）的量測裝置以及一用以儲存燈之規格資料及特徵 曲線的裝置。由於該監視單元7內大多包含有一本身可結 合數個或全部裝置之功能的微型控制器，故可於該監視單 元7內結合各別之裝置。在很多情況下，也能藉由硬體或 軟體來實現該裝置。控制及調節工作已逐漸由軟體來接管 ，由於這種解決方法既符合成本效益又具有彈性的緣故。 導引到該監視單元7上的所有連接結構可爲輸入端或 輸出端。當連接輸入端時，該連接結構可依任何所期望的 方式從該監視單元7上的方塊2到5之一饋入有關電弧電 壓及燈電流的資訊。當連接成輸出端時，該連接結構可依 受該監視單元7管制的形式來控制該操作裝置的點亮、預 熱、操作及解除連接作業。 該監視單元7內所包含的調節裝置會利用燈電流及電 弧電壓計算出該燈的功率並將之與所儲存之將用以操作該 所期望的功率作比較。假如該燈的功率大於該所期望之功 率，則該控制裝置會經由該設定裝置增加燈電流直到該燈 的功率對應到所期望之功率爲止。 對本發明的預熱方法而言，該監視單元7內所包含的 控制裝置首先會在點亮之後利用該步降轉換器2內所包含 的設定裝置設定出該燈電流的極限値。該燈係處於預熱階 段，因此將此階段中的燈電流稱作預熱電流。根據本發明 ，可選擇該極限値以排除對各燈電極的損壞。該極限値取 決於待操作的燈。此數値大多係由監視單元7內所儲存的 一系列測試定出。 -11- 136^899-- ;/t^· *3月/ i?日ff (更.)正替換頁 r ’广*·.· 一 . . -. a 該極限値可於預熱階 方式施行。不過，已證明 弧電壓選擇該燈電流的極 度使其預熱作業最佳化。 出並依特徵曲線的形式儲 如是，.該監視單元7 弧電壓並設定出該燈電流 段的行程中，該電弧電壓 到可使該燈的功率對應到 後會進行此種到操作階段 極限値或是由所儲存之特 變〇 不過爲了省略各電極 且可引致由理想狀況偏離 率太低以致該電弧電壓無 望的功率。而是，該電弧 升。 根據本發明，偵測裝 控制裝置。後者會造成極 再次開始上升。大多數情 致該燈進入操作階段。不 法達成所期望之功率的燈 的信號進一步增加該極限 增加極限値的方式， 修正本 段中呈定値，因此能夠依簡單的 可參照各電極的負載以及在依電 限値時，該燈之電漿電弧的穩定 該最佳化相依性係於各測試中定 存於該監視單元7內。 首先會利用一量測裝置定出該電 相關的最佳化極限値。在預熱階 會持續增加且在理想狀況中會達 該所期望功率的數値，且該燈最 的遷移。此理想狀況中，定値之 徵曲線所規定的極限値不需要改 ，儘可能選擇愈低愈好的極限値 。該燈在非理想狀況中轉換的功 法上升到足以在該燈內達到所期 電壓會保持在某一數値而不再上 置會在此例中進行偵測並指示該 限値的增加，因此該電弧電壓會 況中單次增加該極限値就足夠引 過，也可令該偵測裝置重複對無 進行偵測並經由送到控制裝置上 値。 係由該控制裝置從一定値極限値 -12- a :Ίο :

修正本 開始爲該設定裝置規定一較高的定値極限値。這種解決方 法可依簡單的方式來進行。 爲了確保該燈可在第一次接收到來自該偵測裝置的信 號之後遷移到操作階段內，該控制裝置也能設計爲該設定 裝置規定依步階或是連續方式而上升的極限値。 如上所述，該控制裝置也能設計成藉由所儲存的特徵 曲線依該電弧電壓規定極限値。在具有這種控制裝置的例 子裡’來自該偵測裝置的信號會觸發一種偏離所儲存之特 徵曲線的現象。該監視單元7可含有數個特徵曲線，且係 在每一種狀況中將其中之一切換爲動作中（active)且使之 對控制裝置而言是正確的。該預熱階段係從具有最低極限 値的特徵曲線開始。當接收到來自該偵測裝置的信號時， 該控制裝置會將另一具有較高極限値的特徵曲線切換爲動 作中。雖則本發明的這種進行方式會比個別設定出定値極 限値的情況複雜得多，然而確實能在已用在相關燈上之一 系列測試的輔助下使該燈依最佳化形式預熱。其中所使用 的準則如下： -對各燈電極造成最小的損壞且因此達成最長的使用期限； -很短的預熱階段；以及 -燈內具有安定的電漿電弧。 該偵測裝置存在有幾種可能的設計： 該偵測裝置的簡易設計中，以時間量測裝置量測從起 動該預熱階段開始所經歷的時間。在一預設時間之後，該 偵測裝置會將一信號輸出到該控制裝置上。該預設時間係 -13- I362p99~^——^ P碑3月㈣修(更)正替換頁 ------------ —U 修正本 - 由待操作之燈的測試序號定出。假如該燈在該預設時間之 . 後尙未達到其所期望之功率，則該控制裝置會使更高的極 限値變成有效。假如該燈在該預設時間之後已達到其所期 望功率，則該控制裝置當然容許更高的燈電流，但是該調 節裝置會設定一燈電流以結合其電弧電壓產生所期望的功 率。 該偵測裝置的進一步設計中，可偵測到電弧電壓的上 升。該電弧電壓上升得愈快，則愈能使該燈遷移到操作階 段。一旦該電弧電壓的上升低於一規定値，該偵測裝置會 將一信號輸出到該控制裝置上。該電弧電壓的上升規定値 照規矩係由待操作之燈的測試序號定出。與該偵測裝置的 第一種設計作比較，第二種設計的優點可更早偵測到其極 限値太低，且因此縮短了其預熱階段。 第2圖係藉由實例顯示該燈電流及燈功率對電弧電壓 之相依性。圖中顯示了兩種在不同特徵曲線控制下呈現出 不同預熱行爲的例子。 單位爲伏特的電弧電壓UL係標示於橫軸。單位爲安 培的燈電流IL係標示於左側的縱軸上，而單位爲瓦的燈功 率P L係標示於右側的縱軸上。 首先將要解釋燈電流對電弧電壓的相依性。自落在從 〇伏特上達大槪1 7伏特的電弧電壓開始，所儲存之燈電流 特徵曲線A會規定一等於2.5安培的定値極限値，這可由 點11 A與點12A之間的線段加以說明。假如點I2 a上的電 弧電壓上升到大槪1 7伏特的數値，則該極限値會線性地增 -14- I362S99 /碎3月矽日修(更)正替換頁 修正本 加爲3.2安培直到其電弧電壓在點I3 a上達到23伏特爲止 。該極限値會從23伏特到30伏特保持在3.2安培。當電 弧電壓超出30伏特時，在點14 A上的極限値會再度回頭向 下線性地減小爲2.8安培直到其電弧電壓在點I5A上達到 32伏特爲止。事實是該極限値會在22伏特與32伏特之間 的範圍內超出規定値並扮演著穩定該燈之電漿電弧的角色。 假如該偵測裝置在達到點I5A時尙未將一信號輸出到 該控制裝置上，則特徵曲線A會持續地維持是有效的。超 週點I6A之後上達點I7A亦即其電弧電壓在32伏特與53.5 伏特之間時，該極限値會保持在2.8安培的定値數値上。 在點I7A上，所達到的狀態是該燈會採用大槪1 50瓦的所 期望之功率。假如該電弧電壓持續上升，則該燈電流不再 由特徵曲線A規定的極限値定出，而是遵循用於定値功率 的雙曲線，其對140伏特的電弧電壓而言係標示爲到達該 點I8C的曲線。 高電弧電壓代表著該燈已接近使用期限的終點。因此 ，此中所討論的操作裝置大多具有用於該電弧電壓的預定 之臨限電壓。假如長時間超出此臨限電壓則會關閉該操作 w-f- 裝置。 特徵曲線會在點15 A上出現分叉。在第2圖的實例中 ，假設該操作裝置會在電弧電壓達到點I5A時將一信號輸 出到該控制裝置上。則因此啓動了特徵曲線B。根據特徵 曲線B，對32伏特之電弧電壓而言其極限値爲3.5安培， 因爲這個理由而出現從點I5A到點I5B之跳開現象。根據 13628^9---—____ 月日涤(更)正替換頁 ........—. .. --^ 修正本 · . 特徵曲線B’無論其電弧電壓爲何値，該極限値都是3.5 安培。假如電弧電壓沿著特徵曲線B而持續上升，則會在 礞 點I6A上以大槪43伏特遇上用於定値功率的雙曲線，且如 上所述會開始啓動功率調節作業。 如圖所示的實例中，在點I5A上未從特徵曲線A切換 到特徵曲線B時該電弧電壓實質上不再上升到32伏特以上 -。該燈不會達到該定値功率用的雙曲線，且因此尙未達到 . 其所期望之功率。 與特徵曲線A各點（II A到17 A)上之燈電流有關的燈功 鲁 率係標示爲點PI A到點P7A。點P5B和點P6B顯示的是對 應於特徵曲線B上點I5B和點I6B上的燈功率。一旦燈電 流達到定値功率用的雙曲線，則用於該燈功率的曲線會向 上達到點P 8 C而仍保持是定値的。 第3圖顯示的是如何經由該偵測裝置來評估電弧電壓 隨著時間的變化，並經由該控制裝置來啓動該燈電流的改 變。 橫軸上標示.的是由偵測裝置所評估而得之隨畤而變化 ® 的電弧電壓。縱軸上標示的是對應於該電弧電壓的變化由 控制裝置啓動之隨時間而變化的燈電流》 從第3圖的實例中收集到的是，假如其電弧電壓並未 · 改變則燈電流會於預熱階段中每秒鐘增加3 0毫安。假如使 . 電弧電壓每秒鐘增加1伏特，則燈電流會留在其瞬間値上 。假如使電弧電壓每秒鐘增加2伏特，則燈電流會每秒鐘 減少3 0毫安。 -16- 13628日修(更)正替換頁 —-------- 一 修正本 第3圖規定了電弧電壓變化與燈電壓變化之間的線性 * 關係。不過’非線性或是不連續的關係也是可預期的。 ’ 假如電弧電壓以每秒鐘大於2伏特的更快速率下降或 上升’則規疋了最大爲每秒鐘30毫安的變化，第一種情況 是上升而第二種情況則是下降。取決於該燈的型式及應用 ，其最大變化可以不同於每秒30毫安。 (五）圖式簡單說明 以下說明的目標是參照各附圖在解釋用實施例的輔助 下更詳細地解釋本發明。 第1圖係用以顯示一種根據本發明解釋用實施例之操 作裝置的方塊圖。 第2圖係用以顯示在不同的預熱行爲下該燈電流及燈 功率與電弧電壓之關係的曲線圖。 第3圖係用以顯示該燈電流之時間微分及電弧電壓之 時間微分間之關係的曲線圖。 主要元件符號說明 1 直流電壓供應器 2 步降轉換器 3 整流器 4 全電橋 5 點亮單元 6 放電燈 7 監視單元 -17-

Claims (1)

136¾^___—__ 年丨（月/，日修(更)正替換頁 第93 109898號「氣體放電燈用之操作裝置和操作方法 (2011 年 11 月 15 十、申請專利範圍： 1.—種氣體放電燈用之操作裝置，具有下列元件： -一調節裝置，適用於將所連接之氣體放電 率調節成所期望的功率； -一設定裝置，適用於將所連接之氣體放電 電流限制在一極限値； 該操作裝置之特徵爲： 包含以下各元件： -一偵測裝置，其設計成在極限値設定太低 ' 信號輸出到控制裝置上，以便使所連接之氣體放 於該燈具有所期望之功率的狀態；以及 -一控制裝置，其係規定用於該設定裝置的；t 並在該偵測裝置將信號送到該控制裝置上時增加 値； 其中’該控制裝置會經由一量測裝置偵測出 壓’並藉由已儲存的特徵曲線依該電弧電壓設定 値。 2 ·如申請專利範圍第1項之操作裝置，其中 該控制裝置會在接收到來自該偵測裝置之信 動所儲存的另一特徵曲線。 3 ·如申請專利範圍第1項之操作裝置，其中 該偵測裝置包含一時間量測裝置，其可在點 修正本 專利案 日修正） 燈之功 燈之燈 時將一 電燈處 i限値， 該極限 電弧電 該極限 號時啓 燃所連 1362895—____ ⑽判月/乡日修(更)正替欲· ---—----- _| 修正本 接之氣體放電燈之後在超過一規定時間之後將一信號發 〇 送到該控制裝置上。 4.如申請專利範圍第1項之操作裝置，其中 該偵測裝置會經由量測裝置偵測出電弧電壓的上升 並在該上升値低於一規定數値時將一信號發送到該控制 裝置上。 5 .如申請專利範圍第1項之操作裝置，其中 該控制裝置會在接收到來自該偵測裝置之信號之後 使該極限値增加一規定數値。 6 如申請專利範圍第1項之操作裝置，其中 該控制裝置會在接收到一信號之後使該極限値連續 地增加至更高的極限値。 7 ·如申請專利範圍第1項之操作裝置，其中 藉由至少一個微型控制器執行該設定裝置 '控制裝 置、偵測裝置及調節裝置的功能，此等功能至少一部分 藉由一軟體程式來達成。 8 .—種氣體放電燈用之操作方法，包括下列步驟： -在點燃該氣體放電燈之後設定一預熱燈電流，選 定低的該預熱燈電流，使得所連接之氣體放電燈的電極 不致受到損壞； -偵測所設定的預熱燈電流是否已使該氣體放電燈 處於該氣體放電燈具有所期望之功率的狀態中；以及 -在偵測到所設定的預熱燈電流不足以使該氣體放 電燈處於該氣體放電燈具有所期望之功率的狀態中時升 -2- n^m_____ w年((月6日修(更)正替換頁 . 故， 修正 * * _ »* , 高該預熱燈電流； 其中，可將該預熱燈電流設定爲電弧電壓的函數， 其相依性則取自所儲存的特徵曲線。 9.如申請專利範圍第8項之操作方法，其中 可藉由切換到另一已儲存的特徵曲線來達成增加該 預熱燈電流的目的。 -3-