专利名称：驱动气体放电灯的方法
驱动气体放电灯的方法技术领域
本发明描述了一种驱动气体放电灯的方法，以及一种用于驱动气体放电灯的驱动单元。
背景技术：
在诸如HID(高强度放电)和UHP(超高压)灯等的气体放电灯中，由跨越设置 在灯放电室两端的两个电极之间间隙的放电弧产生亮光。在短弧和超短弧放电灯中，放 电室中的电极仅仅由非常短的距离(例如，1毫米或者更小)分隔。在灯工作时跨越该 间隙的放电弧因此也短，但是具有强亮度。这种灯对于需要白光的明亮、近点源的应用 (例如，在图像投影应用中或者汽车的头灯中)是有用的。
当使用交流电(AC)来驱动这种灯时，每个电极交替地用作阳极和阴极，使得放 电弧交替地源自一个电极且然后是另外一个电极。理想地，弧总在相同点附着在电极上 且跨越两个电极尖端之间可能最短的距离。然而，因为在以高电压AC工作时所达到的 高温，气体放电灯的电极经受物理改变，即，电极尖端可能熔化或者烧损，且结构可能 在电极尖端上弧附着到尖端的点处的一个或者多个位置处生长。对于电极的这种物理变 动可以反过来影响弧的亮度，因为弧可以变得更长或者更短，从而引起灯的光输出以及 可收集通量的波动。在例如头灯的汽车应用的情况下，重要的是，出于明显的原因，光 输出不经受不可预知的变化。在图像投影系统中，不稳定的光通量可能被感知为闪烁， 明显不期望的效果。
因此，稳定的弧长在投影应用中最重要。在现代的投影仪中维持光通量基本上 意味着长时间维持短弧长。弧长与灯的工作电压直接相关。该已知的关系用在一些解决 该问题的方法中，例如，当工作电压达到预定的电压目标值时，通过在专门的灯驱动方 案之间切换来实现。灯驱动方案用来稳定弧长，且可以包括不同电流波形和工作频率的 复杂组合，如此设计使得避免可能的电极尖端变动，或者电极上的结构的生长和熔化按 照受控的方式发生。取决于对灯驱动方案的选择，对电极表面的改动可以在短时间到非 常短的时间范围内生效。
在WO 2005/062684A1中描述了用于这种灯的现有技术驱动器，其以引用的方 式并入此处，且其描述了一种方法，在该方法中预先定义目标电压，并且灯驱动器使用 预定义值来确定什么时间在具有不同电流波形和工作频率的特定组合的驱动方案或者工 作模式之间切换，例如，只要所观察到的灯的工作电压越过目标电压值或者偏离目标电 压值预定量就进行切换。在第一工作模式中，灯电极上结构的受控生长借助于直接在电 流换向之前叠加有电流脉冲的灯电流的已知矩形波形来实现。在第二工作模式中，电极 正面的受控回熔通过用比第一模式中更高的频率来驱动灯而实现，且不需要直接在电流 换向之前在电流波形上叠加这种电流脉冲。
例如在开发阶段针对特定灯类型所执行的试验期间，确定用于灯系列的预定目 标电压。然后目标电压可以例如在灯工作时使用的灯驱动器的存储器中存储。
这种气体放电灯的光输出可以被减少或者调暗，例如用于在使用投影系统的电 影中表现较暗的场景。这在电影表现过程中自动地完成。这种灯的光输出可能出于其它 的原因被调暗，例如用于减少设备的功耗，减少来自冷却设备(风扇)的噪音，或者通过 减少灯组件上的热负载来延长灯的寿命。具有这种短弧气体放电灯的诸如正投影仪(“卷 轴机”)或者背投电视等的较新的投影设备有时给用户提供选择所谓的“节能模式”的 手段，其中灯以比标称功率水平更低的功率水平工作。
然而，正如以上所述，在降低功率水平时，基于目标电压的稳定技术不再是有 效的。在降低的功率水平时，气体放电灯的弧长度明显变化，从而导致了工作电压的对 应波动。该令人不满意的表现可能对于用户察觉为闪烁。而且，由于电压的波动，电极 可能劣化，特别是假如以调暗的功率水平驱动灯一长段时间。该劣化可能最终导致灯的故障。
因此，本发明的目的是提供一种以降低功率水平来驱动所述类型的灯的方法， 使得可以维持稳定的光输出，同时避免以上提到的问题。发明内容
为此，本发明描述了一种驱动气体放电灯的方法，其中，灯在任一时刻使用多 个驱动方案中的一个来驱动，且其中，灯以标称工作功率或者以降低的工作功率来驱 动。当灯以标称工作功率来驱动时，根据灯的第一目标电压和工作电压之间的关系发生 驱动方案切换，并且，当灯以降低的工作功率来驱动时，根据灯的第二目标电压和工作 电压之间的关系发生驱动方案切换，所述第二目标电压基于该降低的工作功率来确定。
灯以标称工作功率水平来驱动的工作模式通常被称作“标准模式”，而以降低 的功率水平工作的模式在以下可被称为“调暗模式”。除了使用合适的第一或者第二 目标电压之外，根据驱动灯的工作模式，在任何一种工作模式中，通过使用适当的技术 (例如，W02005/062684A1中所描述的技术)，灯的弧长可以被稳定。
根据本发明的方法的明显优点在于，在调暗的工作模式中，稳定方案特别适于 降低的工作功率，其可以按照比较简单的方式来确定。这意味着通过使用根据本发明 的方法，灯的弧长可以被稳定，而不考虑驱动灯的工作模式。
用于驱动气体放电灯的合适的驱动单元包括功率水平输入端，用于在当灯以 降低的工作功率来驱动时提供降低的工作功率值，以及第二目标电压确定单元，用于基 于降低的工作功率来确定第二目标电压。驱动单元进一步地包括电压监控单元，用于 监控灯的工作电压，以及驱动方案切换单元，用于当灯以标称工作功率来驱动时，根据 灯的第一目标电压和工作电压之间的关系来启动驱动方案切换，或者当灯以降低的工作 功率来驱动时，根据灯的第二目标电压和工作电压之间的关系来启动驱动方案切换。
从属权利要求和随后的描述特别地公开了本发明的有益实施例和特征。
在灯驱动器使驱动方案发生切换的瞬间由工作电压相对于适当参数的表现来确 定。在本发明的特定优选实施例中，当灯的工作电压增加到升至目标电压以上时，发生 从一个驱动方案到后一驱动方案的驱动方案切换，或者当灯的工作电压减少到降至目标 电压以下时，发生从一个驱动方案到后一驱动方案的驱动方案切换。目标电压因此可以 被视为一种用来触发驱动方案之间切换的阈值水平。只要工作电压越过目标电压，灯驱动器触发驱动方案的切换。假如工作电压降到目标电压以下，这暗示弧长太短，可以使 用第一驱动方案，其中，灯电流频率可能足够高以至于电极尖端轻微回熔。假如工作电 压增加到目标电压以上，这意味着弧长太长，可以使用第二驱动方案，其中灯电流波形 包括引起尖端在电极正面上再次生长的脉冲。通过按照这种方式在驱动方案之间切换， 可以获得稳定的放电弧。
在根据本发明的方法中，在灯的特定工作模式中，一种驱动方案可以用于目标 电压以上的工作电压，且另一种驱动方案可以用于该目标电压以下的工作电压。
灯的工作模式可以是例如标称工作模式或者调暗工作模式。在调暗工作模式 中，灯可以被驱动使得其消耗更少的功率。在这些不同的工作模式中，除了要使用不同 的目标电压外，驱动方案的不同 设定或者组合可以与相关的目标电压相结合使用，使得 对于灯的任何工作模式可以获得最佳的弧长稳定性。
已经观察到，上述类型的高压灯的弧长与灯的工作电压相关。电极两端的较高 电压与电极尖端的熔化相关联，使得电极之间的间距(所述电极从玻璃封装两端彼此相 对)和因此还有弧长增加。相似地，电极两端较低的电压与电极表面上的结构或者尖端 的生长相关联，使得电极尖端之间的距离有效地减小，且弧长相应地减小。
因此，在本发明的优选实施例中，在调暗工作模式中使用的第二目标电压被确 定，使得当灯以降低的工作功率来驱动时比当灯以标称工作功率来驱动时灯的弧长更 短。
根据本发明的方法，在调暗工作时起因于电压变化的不稳定性可以基本上被消 除，使得弧长以及因此还有可收集的光通量稳定。这是当灯功率被调暗时，通过改变目 标电压(即，确定第二目标电压)来获得的。第二目标电压可以以不同的方式来确定。
在本发明的一个特别简单的实施例中，第二目标电压通过基于标称工作功率对 降低的工作功率的比值而改变第一目标电压来确定。例如，根据以下等式P
U10 =Uhi-(-^)(1)"hi
第一目标电压可以通过利用由较低(调暗的)功率水平除以较高(标称)功率水 平所获得的分数来与其相乘而减小。
其中，U1。是用于调暗工作模式的第二目标电压，Uhl是标称工作电压，P1。是选 定的驱动灯的功率水平，且:Phl是标称灯功率值，或者灯的额定功率。此处，下标‘hi’ 和‘10’分别表示高的(标称)和低的(调暗)工作模式。第二目标电压通过简单地把 第一目标电压减少与工作功率所减少的百分比相同的百分比来获得。
这种策略将在所有的功率水平时保持平均灯-电流恒定，由此维持电极之间的 稳定电流。在本发明的另一个优选实施例中，第二目标电压可以基于灯的降低的工作功 率和标称电流之间的关系来确定。因为功率等于电压乘以电流，且标称工作电压Uhl和标 称功率Phl是已知值，等式(1)简化为
Ulo=^- (2)1M
这样，在调暗工作模式中使用的第二目标电压U1。可以通过使用选定的调暗功率 水平P1。以及已知或者所测的标称灯电流值Ihl来确定。例如，驱动单元可以优选地包括6电流监控单元以及电压监控单元，使得在标准模式工作期间可以测量灯电流。该灯电流 值Ihl可以然后用来在灯功率减小到较低水平Pkj时获得第二目标电压值。
正如介绍中所提到的，不同驱动方案之间的切换用来稳定灯的弧长。当使用这 些先进的灯驱动方案时，弧长的稳定是对电极进行良好控制行为的结果。针对电极行为 最重要的影响参数之一是流过电极的电流。等式(1)和(2)示出，在较低或者调暗的功 率水平时，电极电流基本上具有与以标称功率来驱动灯时相同的值。通过保持电流基本 上恒定，电极上的负载也可以维持在差不多恒定的水平，使得在较低的功率水平时，电 极表现为与标称功率水平时相同的方式，即，结构或者尖端在相似的时间和空间范围上 以可控的方式在电极上生长并且熔化。
实验已经示出，上述类型的气体放电灯的电效应和光效应受到弧长并且因此间 接地受到工作电压的影响。可以对某一灯类型进行测量，以确定工作电压和工作功率的 值，在该值处，这种灯的类型获得最大的电光效率。通常，电光效率曲线示出了工作电 压和功率的值的清楚的范围，在该范围内，灯的电光效率是可接受的。在该范围之外， 灯的光输出和通量将是无法接受的低。然而，使用以上的等式(1)或者( 所确定的第 二目标电压的值可能如此低以至于使用上述第二目标电压，灯将被驱动致使其电光效率 无法接受地低。因此，在本发明另一个优选的实施例中，第二目标电压根据上限水平和/ 或下限水平来确定。基于灯类型的实验值，例如，可以确定工作电压值的受限范围，使 得甚至在调暗的工作模式中维持可接受的电光效率，同时确保工作电压既不太高也不 太低，无论其工作模式。限制该电压范围的阈值可以被存储在灯驱动器的非易失性存储 器中。例如，对于具有标称功率125W、标称电流2A的灯，实验值可以示出假如要维 持电光效率的某个最小值，工作电压不应下降到50V以下，也不超过70V。因此，对于 该灯，将限定50V的下限值和70V的上限值。假如使用等式(1)或者( 来确定的第二 目标电压值低于下限水平，将改为使用下限水平。这样，可以以简单的方式确保灯总 是传送至少最小的电光效率。
可替代地，代替使用等式⑴和(2)的线性方法，(在该方法中，灯功率的降低 导致了灯电压也可能剧烈降低)，可以使用非线性的方法来替代，其避免了在调暗的工作 模式中目标电压的过分降低。因此，在本发明的优选实施例中，第二目标电压可以使用 如下的等式(1)的非线性形式来得到
权利要求
1.一种驱动气体放电灯(1)的方法，-其中，在任一时刻使用多个驱动方案中的一个来驱动灯(1)；-以及其中，以标称工作功率(Pn。m)或者以降低的工作功率(Pdim)来驱动灯⑴；-以及其中，当灯⑴以标称工作功率(Pn。m)来驱动时，根据灯⑴的第一目标电压 (Vti)和工作电压之间的关系发生驱动方案切换；-以及其中，当灯以降低的工作功率(Pdim)来驱动时，根据灯⑴的第二目标电压 (Vt2)和工作电压之间的关系发生驱动方案切换，所述第二目标电压(Vt2)基于降低的工 作功率(Pdim)的值来确定。
2.根据权利要求1的方法，其中，不同驱动方案之间的切换用来稳定灯(1)的弧长， 且其中，确定第二目标电压(Vt2)，使得当灯(1)以所述降低的工作功率(Pdim)来驱动时 比当灯(1)以标称工作功率(Pnran)来驱动时的灯(1)的弧长更短。
3.根据权利要求1或2的方法，其中，第二目标电压(Vg通过基于标称工作功率 (Pnom)对所述减少的工作功率(Pdim)的比值而改变第一目标电压(Vti)来确定。P
4.根据权利要求3的方法，其中，第二目标电压(Vt2)使用公式Ulc=Uhi J^y来获其中，U1。是第二目标电压(Vt2)的值，Uhl是第一目标电压(Vti)的值，Phl是标称工 作功率(Pn。m)的值，P1。是所述降低的工作功率(Pdim)的值，以及α是满足化ad的正 实数。
5.根据权利要求1或2的方法，其中，第二目标电压(Vt2)基于灯(1)的所述降低的 工作功率(Pdim)和标称电流之间的关系来确定。
6.根据上述权利要求中任何一个的方法，其中，第二目标电压(Vg根据上阈值和/ 或下阈值水平来确定。
7.根据上述权利要求中任何一个的方法，其中，当灯(1)的工作电压增加到目标电压 (VT1, VT2)以上时，发生从第一驱动方案到第二驱动方案的驱动方案切换；以及当灯(1) 的工作电压下降到目标电压(VT1，VT2)以下时，发生从第二驱动方案到第一驱动方案的 驱动方案切换。
8.根据上述权利要求中任何一个的方法，其中，灯功率从标称工作功率(Pnran)到所述 降低的工作功率(Pdim)的改变以渐进的方式在一段时间间隔上实现，使得灯功率朝向降低 的工作功率(Pdim)的水平逐步降低，以及在该时间间隔中确定中间电压目标值。
9.根据上述权利要求中任何一个的方法，其中，当灯功率从降低的工作功率(Pdim)增 加到标称工作功率(Pn。m)时，第一目标电压(Vti)基于灯电流来确定。
10.根据上述权利要求中任何一个的方法，其中，灯的工作功率(Pn。m，Pdim)通过用户 输入指定。
11.一种用于驱动气体放电灯(1)的驱动单元(10)，其包括-功率水平输入端(90)，用于当灯以降低的工作功率(Pdim)来驱动时提供降低的工作 功率(P-)的值；-目标电压确定单元(13)，用于基于所述降低的工作功率(Pdim)来确定第二目标电压 (Vx2)；-电压监控单元(12)，用于监控灯(1)的工作电压；-驱动方案切换单元(14)，用于当灯以标称工作功率(Pnran)来驱动时，根据灯(1)的 第一目标电压(Vti)和工作电压之间的关系启动驱动方案切换；或者当灯以所述降低的 工作功率(Pdim)来驱动时，根据灯(1)的第二目标电压(Vt2)和工作电压之间的关系启动 驱动方案切换。
12. 一种投影系统，包括气体放电灯(1)和根据权利要求11的驱动单元(10)。
全文摘要
本发明描述了一种驱动气体放电灯(1)的方法，其中，在任一时刻使用多个驱动方案中的一个来驱动灯(1)，且其中，灯(1)以标称工作功率(Pnom)或者以降低的工作功率(Pdim)来驱动。当灯以标称工作功率(Pnom)来驱动时，根据灯(1)的第一目标电压(VT1)和工作电压之间的关系发生驱动方案切换，并且，当灯以降低的工作功率(Pdim)来驱动时，根据灯(1)的第二目标电压(VT2)和工作电压之间的关系发生驱动方案切换，所述第二目标电压(VT2)基于该降低的工作功率(Pdim)来确定。本发明进一步地描述了用于根据该方法驱动气体放电灯(1)的驱动单元(10).
文档编号H05B41/288GK102027808SQ200980117093
公开日2011年4月20日 申请日期2009年5月7日 优先权日2008年5月14日
发明者J·波尔曼雷奇, P·佩卡斯基 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司