专利名称：用于驱动气体放电灯的方法和电子驱动设备以及投影器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于驱动气体放电灯的方法和电子驱动设备，其中气体放电灯利用矩形灯电流来驱动。本发明同样涉及一种具有这种驱动设备的投影器。
背景技术：
近年来，气体放电灯由于其高效率而代替白炽灯越来越多地被采用。在此，高压放电灯在其工作方式方面比低压放电灯更难以操纵，并且这些灯的电子驱动设备因而开销更大。通常，高压放电灯以低频的矩形电流来驱动，这也被称为“摆动的直流电流驱动”。 在此，具有通常为50Hz直至数千赫兹的频率的基本上为矩形的电流被施加到灯上。在每次在正电压和负电压之间偏移时，灯换向，因为电流方向也被反转而且电流由此短暂地变为零。该工作确保灯的电极尽管有近似直流电流驱动仍均勻地被加载。气体放电灯例如针对显示系统被成功地采用，因为这些气体放电灯可以产生通过成本低廉的光学系统可进一步处理的高的光密度。显示系统及其照明设备例如在出版文献 US 5，633，755和US 6，323，982中被描述。诸如DLP投影器(“数字光处理投影器(digital light processing projector) ”的简称)的显示系统包括具有光源的照明设备，所述光源的光被转向DMD芯片(“数字镜设备芯片(digital mirror device chip) ”的简称)。DMD 芯片包括在微观上小的可摆动的镜，当相关的像素应被接通时，这些镜将光转向投影面，或者当相关的像素应被关断时，这些镜将该光转离投影面，例如转向吸收器。每个镜因此用作控制像素的光通量的光阀。这些光阀在本情况下被称为DMD光阀。为了产生颜色，DLP投影器在发射白色光的照明设备的情况下例如包括滤光轮，该滤光轮被设置在照明设备与DMD 芯片之间并且包含不同颜色(例如红色、绿色和蓝色)的滤波器。借助滤光轮，从照明设备的白色光中顺序地透过相应地期望的颜色的光。这种显示系统的色温通常与照明设备的光的色度坐标有关联。该色度坐标通常随着照明设备的光源的工作参数诸如电压、电流强度和温度来变化。此外，根据照明设备中所使用的光源，电流强度和光通量之间的比例不一定是线性的。这在电流强度变化时导致光源的光的色度坐标的变化，并且由此导致显示系统的色温的变化。此外，显示系统的颜色深度通过像素的最小接通持续时间来受限。为了提高颜色深度，例如可以采用抖动(Dithering)，其中以比为l/60Hz的常规频率小的频率接通单个像素。但是，在这种情况下，通常发生对于人类观察者可见的噪声。显示系统的对比度比例通过完全打开的光阀的情况下的最大光通量与完全闭合的光阀的情况下的最小光通量的比例来限定。为了提高显示系统的对比度比例，例如可以在完全闭合的光阀的情况下借助机械光阑进一步减小的最小光通量。但是，机械光阑要求在照明设备或者显示系统中的位置，提高照明设备或者显示系统的重量并且此外是附加的潜在干扰源。如在这种显示系统中采用的高压放电灯也可以以被调光的方式来驱动，但是被调光的工作方式引起关于高压放电灯的电极温度和弧开端(Bogenansatz)的问题。
弧开端在放电灯以交变电流工作时基本上是有问题的。在以交变电流工作时，在工作电压换向期间，阴极变到阳极并且相反阳极变到阴极。阴极-阳极的过渡由于原理条件而无问题，因为电极的温度对其阳极工作没有影响。在阳极-阴极的过渡时，电极的能够提供足够高的电流的能力取决于电极的温度。如果该温度过低，则光弧在换向时通常在过零之后从点状的弧开端工作方式变换到弥漫的弧开端工作方式。该变换通常伴随有光发射的可见的断裂，这会被觉察为闪烁。有意义地，灯于是在点状的弧开端工作方式中工作，因为弧开端在此非常小并且由此非常热。这导致，在此由于在小的开端点处的较高的温度而需要较小的电压来能够提供足够的电流。具有带有并未开裂的表面的均勻形式的电极尖端辅助点状的弧开端工作方式并且由此辅助气体放电灯的安全且可靠的工作。在下文中如下过程视为换向，其中气体放电灯的电压的极性转变，并且其中因此出现强电流改变和强电压改变。在灯的工作方式基本上对称的情况下，在换向时间的中间存在电压过零或电流过零。在此可观察到，电压换向通常始终比电流换向更快地结束。在下文中，灯电极的处于气体放电灯燃烧器的放电空间中的内部端部称作电极端部。处于电极端部上的针状的或驼峰状的突起部称作电极尖端，该突起部的端部用作光弧的开端点。高压放电灯的大的问题是电极在整个使用寿命中的改变或变形。在此，电极的形状改变而偏离理想形状，直至尤其是在电极的内部端部上越来越多地开裂的表面。此外，存在如下危险，形成并不设置在相应的电极中部中的电极尖端。放电电弧始终从电极尖端到电极尖端地形成。如果在电极上存在多个大致相等的电极尖端，则会出现电弧跳跃并且由此出现灯的闪烁。并不居中地生长的电极尖端使光学投影劣化，因为其中使用了这种气体放电灯的投影器或者发光装置的光学系统根据放电电弧的特定的位置而设计并且尤其是根据电极和放电电弧的起始状态而调节。在确定的情况下，会出现电极尖端的不均勻的生长，使得电弧不再居中地而是轴向上偏移地设置在燃烧器容器中。这同样使整个系统的光学投影劣化。而开裂导致原始电极距离增大并且由此也影响灯电压。由于灯电压相对于距离成比例地升高，所以会出现提前的使用寿命截止，因为该截止通常在灯电压超过预先给定的阈值时起反应。总之，出现灯使用寿命的缩短以及由此灯发射的光的质量降低。在现有技术中目前并未公开针对这些问题的解决方案。仅仅补充地参考WO 2007/045599A1。在灯使用寿命结束时出现基于本发明的问题，而上述出版物涉及在前三百工作小时内出现的问题。在该时段内，会出现尖端生长，这导致电极距离减小。由此，灯电压下降，使得要由电子驱动设备提供的电流必须被提高以达到恒定的功率。因为电子驱动设备本质上针对确定的最大电流而设计，所以这导致问题。为了阻止持续工作的电流设计提高以及由此形成的附加成本，上述出版物提出了将要施加到电极上的电流脉冲构建为使得由此所生长的电极尖端回熔(Zurilckgeschmolzen)。由此，电极的距离又会增大，灯电压提高并且所需的电流下降。然而与此相反，本发明涉及如下问题，提出一种方法，其中将电极尽可能在气体放电灯的整个使用寿命上保持在最优状态中，在该状态中电极相对于彼此处于尽可能与在新灯的情况下的原始距离对应的距离中，以及带有居中地生长的尖端的电极端部的表面保持平滑，其中尖端形成电弧的限定的开端点。此外，该方法应该具有如下能力能够遵守在换向的同步化的情况下的外部边界条件。WO 2007/045599A1的教导因此并未解决上述问题。任务本发明的任务是说明一种用于驱动气体放电灯的方法和电子驱动设备，其中气体放电灯利用矩形灯电流来驱动，其中该方法将气体放电灯的电极保持在尽可能最优的状态中，并且其中在气体放电灯的换向期间遵守由上级系统预先给定的所有边界条件。本发明的任务同样是说明一种实施该方法的电子驱动设备。此外，本发明的任务是说明一种具有实施该方法的电子驱动设备的投影器。发明描述根据本发明，该任务在方法方面的解决方案利用用于驱动气体放电灯(LP)的方法来实现，其中气体放电灯(LP)利用矩形灯电流来驱动，并且灯电流具有在时间变化过程中预先确定的换向位置，而且可以在这些换向位置进行用于产生换向模式的换向。换向模式在此优选地形成，使得换向模式的时间平均值在此优选地对应于预先确定的频率。由此，气体放电灯可以以对其而言最优的频率来驱动。换向模式在此在本方法的第一构造方案中通过如下方式来产生在不应进行换向的换向位置上省去换向。这是也提供好的工作安全性的最简单的实施形式，因为仅执行一定必需的换向。在本方法的第二构造方案中，换向模式通过如下方式产生在不应进行换向的换向位置上仍进行换向，但是该换向通过紧紧跟随其的其他换向而被再次反转。该方法也被称为双重换向。该方法方式提供与常用电路拓扑的最大可能的兼容性的优点，这些常用电路拓扑由于技术上的限制而不执行本方法的第一构造方案。对于极限情况也可能的是，混合本方法的两个构造方案，以便能够实现尽可能有效地利用所使用的电路拓扑。通过预先给定的换向位置，矩形灯电流相对于上级控制精确同步，尽管通过灯电流的时间平均值可以调整对于气体放电灯最优的频率。因此可能的是， 将矩形灯电流以其基本频率以及以其相对于上级控制(例如投影器的视频电子装置)的相位同步化，并且尽管如此还产生对于气体放电灯的最优的工作所需的任意频率。该任务在电子驱动设备方面的解决方案利用具有点燃设备、逆变器和控制电路的电子驱动设备来进行，其中该电子驱动设备实施上述方法。该任务在投影器方面的解决方案利用具有电子驱动设备的投影器来进行，其中投影器被设计来在执行上述方法期间投影图像，而从该图像看不到该方法的执行。用于驱动气体放电灯的根据本发明的方法和根据本发明的电子驱动设备的其他有利的改进方案和扩展方案由其他从属权利要求和由以下描述得到。
本发明的其他优点、特征和细节借助下文对实施例的描述以及借助附图得到，在这些附图中相同的或者功能相同的要素设置有相同的附图标记。在此图1示出了用于表示驱动方法的第一实施形式的施加到气体放电灯的直流电压阶段的持续时间与灯电压之间的关系的曲线图；图2示出了阐明驱动方法的第二实施形式的曲线图；图3示出了在通过第二实施形式中的方法优化之前和之后的电极对的图示；
图4示出了具有不同的时间分辨率的直流电压阶段期间的灯电压和灯电流的变化过程；图5示出了在具有维持脉冲的驱动方式下的灯电流的变化过程；图6a示出了其中示出了在驱动方法的第三实施形式的第一构造方案中的灯电压与换向频率之间的关系的曲线图；图6b示出了其中示出了在驱动方法的第三实施形式的第二构造方案中的灯电压与换向频率之间的关系的曲线图；图6c示出了用于驱动方法的第三实施形式的第二构造方案的灯电流的曲线形状；图7示出了用于示意性示出驱动方法的第四实施形式的信号流程图；图8示出了在接通放电灯之后的灯电压的时间变化过程；图9示出了在根据本发明的驱动方法的实施例期间涉及标称功率Pn。m的功率P的时间变化过程；图10示出了在初始状态(图a))、在过熔融之后(图b))的电极的前部部分的状态以及示出了在开始阶段中(图c))和在结束的再生状态下(图d))的电极尖端的生长； 以及图11示出了在过熔融阶段期间具有不对称电流占空比的激励下的灯电流和灯电压的时间变化过程。图12示出了用于实施本方法的照明装置的实施例的示意图，图13示出了显示系统的第一实施例的示意性截面图，图14示出了在显示系统的第一实施例中所使用的光曲线的示意图，图15A-C示出了用于根据第五实施形式的驱动方法来驱动照明设备的三个示例性光曲线的示意图，图15D示出了图15C的光曲线的表格图示，以及图15E-G示出了用于示例性阐述光曲线的结构的三个其他示例性光曲线的示意图，图16示出了用于根据本发明驱动照明设备的光源的示例性电流强度-照明强度特性曲线的示意图。图17示出了用于实施根据本发明的驱动方法的示例性电路装置的示意性电路图。
具体实施例方式第一实施形式图1示出了用于表示针对根据本发明的驱动方法的第一实施形式的施加到气体放电灯的直流电压阶段的持续时间(曲线VT)、两个直流电压阶段之间的距离(曲线0T)、 直流电压阶段中的电压变化(曲线VP)和灯电压之间的关系。曲线VT因此根据灯电压示出了直流电压阶段的长度。曲线OT示出了两个直流电压阶段之间的距离(下文也称为截止时间)，亦即至再次将直流电压阶段施加到气体放电灯上的时间。因为在施加直流电压阶段时电极或多或少熔融并且电极距离以及因此灯电压也增加，所以灯电压在直流电压阶段之后大于在直流电压阶段之前。曲线VT限制示出在与灯电压有关的直流电压阶段期间灯电压的变化。在非常小的电极距离的情况下，该变化会很大，在本情况下直至5V，因为强烈期望增大电极距离。从为65V至75V的最优的灯电压范围起，灯电压的最大变化仅还为 IV。根据本发明的方法在气体放电灯的整个使用寿命上确保电极尖端的所限定的距离和电极端部的尽可能平滑、较少开裂的形式。这通过直流电压阶段实现，直流电压阶段按照需要使电极端部过熔融并且也要促进电极生长。下面阐述什么是直流电压阶段直流电压阶段包括省去数个换向。所述省去被设计来使得电极分别总是仅交替地被加负载，也就是说，一电极在直流电压阶段期间充当一次阳极，接着在对正常的灯工作的暂停之后，另一电极在直流电压阶段期间充当阳极。频率本身不改变。在正的直流电压阶段的情况下，总是仅对气体放电灯的第一电极加热，在负的直流电压阶段的情况下，始终仅对气体放电灯的第二电极加热。由于正的直流电压阶段始终仅作用于第一电极并且负的直流电压阶段始终仅作用于气体放电灯的第二电极，所以根据该工作方案可改变气体放电灯电极的不同状态。在可替选的方法中，准确地没有省去换向，而是每个“正常的”换向通过紧随其后的另一换向来“反转”。因此通过该运行方案产生伪换向，这些伪换向基本上模仿换向的省去，但是真正地是两个快速相继实施的换向。这出于技术原因有时是需要的，以便可以更简单地构造实施根据本发明的方法的电路装置。根据直流电压阶段的长度和由此得到的直流电压阶段的能量输入可以加强气体放电灯燃烧器中的不同的物理过程。直流电压阶段因此通过省去换向或通过插入伪换向来产生。在第二变形方案中，其因此不是严格意义上的直流电压阶段，因为在其间每个伪换向的电压以及因此电流方向被变换极性两次，并且每个‘直流电压阶段’必定可以出现数个伪换向。具有高能量输入的非常长的直流电压阶段使所涉及的电极的整个端部短时熔融。 在其中电极端部是液态的短持续时间期间，通过电极材料的表面应力，端部球状地或者椭圆地成形。电极尖端熔掉并且通过电极材料的表面应力来抵消。由此，通过电极尖端的退化而引起电弧长度和由此灯电压的少量增大。短的直流电压阶段仅仅引起电极尖端的过熔融，使得电极尖端的形状可被影响。 这可被用于在整个燃烧持续时间内以尽可能最优的形式保持电极尖端并且产生所限定的居中地放置的尖端。所谓的维持脉冲可以加速电极尖端的尖端生长，并且优选地在长的直流电压阶段之后被应用，以便能在椭圆的或者圆的电极端部上再次生长产生良好的电弧开端点的电极尖端。在本上下文中，如下短的电流脉冲被称为维持脉冲该短的电流脉冲紧接在换向前或者紧接在换向后施加到气体放电灯，以便对电极加热。维持脉冲的长度在50 μ S到1500 μ S 长之间，其中维持脉冲的电流大小比在稳定工作时大。由此实现电极尖端的外端部的过熔融，该电极尖端的热惯性具有为约100 μ s的时间常数。在根据本发明的方法的第一实施形式中，始终以规律的距离给灯加载长度与灯电压相关的直流电压阶段。两个直流电压阶段之间的间距也与灯电压相关。该方法现在将根据图1的特性曲线VT用于计算施加到气体放电灯的直流电压阶段的长度。在通常出现在新的气体放电灯中并且涉及特性曲线VT的左部分的非常小的灯电压的情况下，延长的直流电压阶段施加到气体放电灯，以便使所生长的电极尖端熔掉并且使电极距离不过小。灯电压越小，直流电压阶段越长。直流电压阶段在最小的灯电压之下被施加到灯。最小的灯电压的范围根据灯类型在45V-85V之间、尤其是在55V-75V之间变化。在本实施形式的气体放电灯的情况下，最小电压为65V。于是，在65V灯电压之下，较长的直流电压阶段施加到气体放电灯燃烧器。直流电压阶段的长度在优选实施形式中在65V 的情况下为40ms，其中直流电压阶段随着电压降低而变长，以便接着在60V的情况下达到 200ms的长度。直流电压阶段的长度可以根据灯类型在5ms到500ms之间变化。直流电压阶段以规律的距离施加到气体放电灯。这些距离与灯电压相关，但是不短于180s。在该优选的实施形式中，两个直流电压阶段之间的持续时间(截止时间0T)如图1中所示的那样 (曲线0T)在60V灯电压的情况下为200s，其中该持续时间在65V灯电压的情况下上升至 600s,以便接着在IlOV灯电压的情况下再次下降到300s。在另一未示出的构型中，两个直流电压阶段之间的持续时间从60V处的180s上升到65V处的300s，以便接着在IlOV灯电压的情况下再次降低到180s。基本上，两个直流电压阶段之间的时间间隔可以根据灯类型而在180s到900s之间变化。因此可以总而言之，在较低的电压的情况下，直流电压阶段更频繁地被施加到气体放电灯并且也更长以及因此更富有能量。在灯电压高的情况下，直流电压阶段的频率同样再次升高，以便在IlOV时再次达到200ms。在直流电压阶段之间，在正常工作时始终以维持脉冲工作，以便促进在电极端部上电极尖端的居中的生长。在特性曲线VT的中间区域中的最优灯电压的情况下，仅非常短的直流电压阶段被施加到气体放电灯，所述直流电压阶段仅仅短暂将电极尖端短暂地熔融并且由此维持形状。直流电压阶段的频率在该区域中为最小。直流电压阶段的长度在优选实施形式中为约 40ms。直流电压阶段的长度根据灯类型在Oms到200ms之间。在有些灯类型的情况下，也可以完全省去该区域中的直流电压阶段。如果气体放电灯变旧，则由电极的返回燃烧并且由此更长的电弧引起灯电压上升。在较旧的灯的情况下，如下风险大电极端部开裂，并且电极尖端不再能居中地生长。 因而，长的和富有能量的直流电压阶段被施加到气体放电灯燃烧器，这些直流电压阶段使电极端部轻微过熔融并且由此产生尽可能平滑的电极表面。这可被视为对电极端部的形状的抛光。直流电压阶段随着灯电压的增加也越来越频繁地被施加到气体放电灯，如从曲线 OT所得知的那样。从电压上阈值起可以将参数保持恒定。直流电压阶段的持续时间在优选的实施形式中从气体放电灯燃烧器的灯电压为75V时的40ms变化到直至气体放电灯燃烧器的灯电压为IlOV时的200ms。直流电压阶段的持续时间在此根据灯类型从2ms变化直至 500ms。两个直流电压阶段之间的时间间隔在本实施形式中在60V灯电压的情况下为180s， 接着在65灯电压的情况下上升到600s，并且在IlOV灯电压的情况下下降到300s。两个直流电压阶段之间的时间间隔可以根据灯类型在180s到900s之间变化。可以总而言之，直流电压阶段的持续时间随着灯电压增加而上升，其中直流电压阶段随着灯电压的上升并且在灯电压非常小的情况下更频繁地被施加到气体放电灯上。第二实施形式在本方法的第二实施形式中，直流电压阶段的长度不是通过特性曲线来控制，直流电压阶段的长度而是通过直流电压阶段中的灯电压本身调节。上面已经描述的曲线VP 描述了与灯电压有关的直流电压阶段中的灯电压的最大电压变化。电压变化在直流电压阶段期间被测量。为此，实施本方法的电路装置具有测量装置，该测量装置可以测量直流电压阶段之前的灯电压并且尤其测量灯电压在直流电压阶段期间的变化。灯电压在直流电压阶段期间的变化根据中断标准来分析，并且直流电压阶段在达到中断标准时结束。图2示出了阐明第二实施形式的方法的曲线图。有两个阈值，在低于或高于这些阈值时实施第二实施形式的方法。只要灯电压在最优范围之内处于65V和75V的阈值之间，则气体放电灯在未施加直流电压阶段的情况下在正常工作中工作。但是，如果灯离开该电压范围，则直流电压阶段被施加到该灯。直流电压阶段的长度取决于灯电压并且尤其取决于灯电压在直流电压阶段期间的变化。直流电压阶段被保持，直至灯电压上升了之前所计算的或者预先给定的值AUpAU2。直流电压阶段中的灯电压的电压上升根据气体放电灯在0.5V到8V之间。 在一个优选实施形式中，期望的电压上升在60V时的5V到65V时的IV之间。如果在预先给定的最大时间内没有达到该灯电压上升，则直流电压阶段结束，以便不损害电极。在根据曲线OT的其中不允许施加直流电压阶段的截止时间之后，该方法被重新实施，也就是，测量灯电压并且当灯电压在为65-75V的最优范围之外时施加另一直流电压阶段。这些步骤周期性地频繁重复，直至灯电压再次处于最优范围中。在下面描述的方法中，直流电压阶段被划分成两个阶段，以便处理两个灯电极的不同状态，其中直流电压阶段迄今总是包括用于第一电极的正阶段和用于第二电极的负阶段。在第二实施形式的适于均衡不对称的电极几何形状的第一构建方案中，直流电压阶段的长度针对第一电极的之前所计算的电压上升来确定，并且在跟随其的反向直流电压阶段中被应用到第二电极。在对称地对两个电极起作用的第二构建方案中，每个电极的直流电压阶段的长度由直流电压阶段期间的电压上升来计算。电压上升的大小在这种情况下对于两个直流电压阶段是相同的。在第三构建方案中，进行单独的电极成形，以将使电弧在燃烧器轴中置中。在第三构建方案中，实施以下方法步骤在第一步，电极尖端的长度根据关系式
权利要求
1.一种用于驱动气体放电灯(LP)的方法，其具有以下特征-气体放电灯(LP)利用以分区段方式恒定的灯电流来驱动，该灯电流的频率的时间平均值通过在固有振荡状态中的气体放电灯的灯电压来预先给定，其中-灯电流在时间变化过程中具有预先确定的换向位置(31，32，33，34，35)，以及-在这些换向位置(31，32，33，34，3幻上能够进行用于产生换向模式的换向，其中-通过换向模式的改变来调节灯电流的频率的时间平均值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，换向模式通过在不应进行换向的换向位置(31，32，33，34，35)上省去换向来产生。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，换向模式通过在不应进行换向的换向位置(31，32，33，34，35)上产生双重换向来产生。
4.根据权利要求2和3所述的方法，其特征在于，换向模式通过混合权利要求2和3的两种方法来产生。
5.一种电子驱动设备，其具有点燃设备(Z)、逆变器(VB)和控制电路(C)，其特征在于， 所述电子驱动设备实施根据权利要求1-4中的一个或多个所述的方法。
6.一种具有根据权利要求5所述的电子驱动设备的投影器，其特征在于，投影器被设计来在执行根据权利要求1至4之一所述的方法期间投影图像，而使得在该图像中看不到该方法的执行。
全文摘要
本发明涉及一种用于驱动气体放电灯的方法，其中气体放电灯利用矩形灯电流来驱动，其中灯电流具有在时间变化过程中预先确定的换向位置，并且在这些换向位置上可进行换向，以产生换向模式。本发明同样涉及一种电子驱动设备，该电子驱动设备具有点燃设备、逆变器和控制电路，其中电子驱动设备实施该方法。本发明同样涉及一种具有电子驱动设备的投影器，其中该投影器被设计来在执行该方法期间投影图像，而从该图像看不到该方法的执行。
文档编号H05B41/292GK102301829SQ201080005747
公开日2011年12月28日 申请日期2010年1月5日 优先权日2009年1月27日
发明者彼得·弗莱施, 约瑟夫·克勒尔, 贝贝尔·德克斯, 马丁·布吕克尔 申请人:奥斯兰姆有限公司