专利名称：照明装置以及放电灯操作的方法
技术领域：
本发明涉及一种包括放电灯和驱动器电路的照明装置并且涉及一种放电灯操作的方法。
背景技术：
已知各种各样的放电灯，其包括具有至少两个以某一间距布置的电极的放电管。在这些灯中，电弧在这些电极之间产生。
本发明特别涉及HID灯(高强度气体放电灯)。已知的HID类型的灯在其放电管内有不同填充物，填充物成分选自，例如汞(Hg)，惰性气体，特别是氙(Xe)，以及金属卤化物。已知的各种类型的灯在其几何形状上，特别是电极间距上也不同。此处，短弧灯具有小于2.5mm的电极间距。
具有高功率密度的短弧灯包括UHP(超高性能)以及CPL灯(紧凑型高功率)灯。US-A-5 109 181描述了这种类型的高压汞蒸汽放电灯。其电极是由钨制成的。放电管内的填充物包括一定量的汞，以使工作压力在200bar以上。这种类型的灯工作在30到50W的标称功率下。今天，可获取标称功率高达300W的相应类型的UHP灯。
通常与放电灯相关的、并且是由于增加的功率密度所引起的问题是电极烧蚀，特别是对于短弧HID灯来说，其中尤其是UHP和CPL灯。在灯工作期间，电极间距增加。特别是在其中要求点光源的应用中，如投影应用中，这将导致光通量损失。因此，电极烧蚀是造成放电灯维护失败的原因。
已进行多种尝试来减少电极烧蚀，其中包括冷却电极以及仔细选取电极材料。
发明内容
本发明的目的是提供一种包括放电灯和驱动器电路的照明装置和一种减少了电极烧蚀的放电灯的操作方法。
根据本发明，一方面，该目标是通过根据权利要求1的照明装置，根据权利要求12的驱动器电路，以及根据权利要求15的放电灯操作方法(关闭序列)实现的。另一方面，该目标是通过根据权利要求8的照明装置，根据权利要求13的驱动器电路，以及根据权利要求16的放电灯操作方法(打开序列)实现的，并且也可以通过将这两者结合来实现。从属权利要求指的是优选实施方案。
本发明基于一不寻常效应的发现。本发明人已经观察到，通过攀升功率来操作放电灯，即在一个时间区间内利用随时间增加的电功率来操作该灯，电极间距将减少。通过根据特定序列来操作放电灯，可以利用该不寻常效应来限制电极烧蚀。
根据上面所给目的的第一解决方案，提供了用于利用电功率操作放电灯的驱动装置。这些驱动装置对应于电子驱动器电路，该电子驱动器电路控制电流、电压和/或提供给放电灯的电功率。可以在灯终端将该灯连接至驱动器电路。
根据本发明，操作驱动装置以便在关闭灯之前根据关闭序列来操作灯。该关闭序列包括功率攀升间隔，即一种时间间隔，在该时间间隔内利用随时间增加的电功率来操作该灯。此处虽然用了“攀升”这个术语，但并不意在限制随时间变化的功率曲线的实际形状。通常，只要求该功率曲线从功率攀升间隔起始处的较低值增加至该间隔末端的较高值。在该间隔内，该攀升优选地单调递增。在优选实施方案中，该攀升实际上应当至少基本是直线。
由于所发现的不寻常效应，利用功率攀升间隔期间随时间增加电功率来操作灯将导致电极间距减少。如果在功率攀升间隔之后关闭该灯，该效应将得到保留。尽管还可以以功率攀升间隔末端所达到的增加的功率值来进一步操作灯，但是优选在功率攀升间隔之后直接关闭灯。
根据本发明的装置和方法有助于有效地限制以及甚至逆转电极烧蚀。在用于放电灯的已有驱动器电路中可以很容易实现该方法。
如实验所示，可以通过多种不同途径来实现通过利用功率攀升减少电极间距的预期的效应。功率攀升间隔可以有5秒到30分钟的持续时间。优选地，该持续时间可以是30秒到15分钟，最优选地，可以是1分钟到10分钟。在功率攀升间隔内，电功率可以增加灯标称功率的0.1％到50％。优选地，增加标称功率的0.2％到20％。在最优选的实施方案中，增加标称功率的1％到10％.给出的功率攀升间隔期间每单位时间电功率的增加量可以与灯标称功率有关。该值的可能范围是非常宽的。不管所述曲线是否如优选的是直线，或不是直线，每秒可以总体增加标称功率的5*10-5％到10％。更优选地，增加2*10-4％/秒到0.7％/秒。最优选地，增加1*10-3％/秒到0.1％/秒。当然，必须确保增加的功率不会使灯损坏。因此，在一些应用中可能还需要有相应措施，例如，特殊冷却。
根据本发明的进展，提供了输入装置来启动关闭序列。这些输入装置可相应于灯开关或“关闭”键，操作人员可借助它们来关闭装置。但是，一旦激活输入装置，不是立即关闭灯，而是启动根据本发明的关闭序列。可以提供用于通知操作人员已启动关闭序列的装置，例如光学显示器。根据进一步的进展，可以提供光闸装置以遮挡从放电灯发射的光。在启动关闭序列后，或在该序列期间，激活相应的光闸。这用于阻挡该装置进一步发射光，从而对于操作人员来说该装置已被关闭，尽管实际上该装置将继续完成其关闭序列。
可以提供具有固定的功率攀升的驱动装置，从而指定功率攀升间隔的持续时间以及在该间隔期间向灯提供的功率曲线。可以针对所用灯的类型，事先确定这种固定的功率攀升。
然而，根据本发明的进一步的进展，功率攀升间隔是不固定的。而是在功率攀升间隔期间，电功率根据预定的曲线逐渐增加，该曲线优选地是具有预定倾角的直线。同时，测量施加在灯上的电压。由于电压取决于电极间距，所以电压将降低。现在继续增加功率攀升间隔期间的电功率，直到电压落在预定值上，这表示已达到预期的电极间距。对于新灯，该预定电压值可以是标称电压，或者由于灯已经使用的总燃烧时间(寿命)，该值可以是另外的稍高的电压值。在本实现中，优选给出功率攀升间隔的最大持续时间，以便在最大持续时间后即使还没有到达预定值，也可以完成关闭序列。最大持续时间可以选择在，例如，从5秒到30分钟，优选从1分钟到10分钟。
作为本发明目的的第二解决方案，提出了打开序列。该驱动装置在第一打开间隔内利用增加电功率来操作该灯，但增加的电功率只能达到初始最大功率值。该初始最大功率值小于灯标称功率。
然后，在功率攀升间隔期间，利用随时间增加的电功率来操作该灯。该电功率从初始最大功率值增加至标称功率。在该功率攀升间隔期间，可获取电极间距减少的效应，其中在灯已达到初始稳定工作条件的时刻启动该功率攀升间隔。
第一打开间隔可以有10秒到15分钟的持续时间。该持续时间优选是30秒到10分钟。最优选是1分钟到5分钟的第一打开间隔持续时间。
可以选择初始最大功率值是灯标称功率的50％到99％。优选地，是标称功率的60％到90％，以及最优选地，是65％到80％。功率攀升间隔的持续时间可以是1秒到1分钟，优选地，是5秒到30秒，最优选地，该持续时间是10秒到15秒。给出的功率攀升间隔期间每单位时间电功率的增加量可以与灯标称功率有关。该值的可能范围非常宽。不管所述曲线是否如优选的是直线，或不是直线，每秒可以总体增加标称功率的1*10-2％到50％。更优选地，增加0.3％/秒到8％/秒。最优选地，增加1％/秒到3.5％/秒。
通常，本发明并不限于具体类型的灯。然而，不同类型的灯所潜在的效应的明显程度不同。根据本发明的装置和方法的最优选的灯的类型是HID灯(高强度气体放电)灯。对于短弧灯来说这种效应将最明显，其中短弧灯的电极间距小于3.5mm，优选小于2.5mm。尤其是如果利用功率攀升驱动具有大于100bar，优选大于150bar，最优选大于200bar的Hg工作压力的高压汞蒸汽放电灯，已经显示电极间距会显著减少。在高功率密度下，即标称电功率为每毫米弧长250W或更高，优选为每毫米超过300W，该效应最明显。
下面参考附图描述本发明的实施方案，其中图1是放电灯侧视图；图2是图1放电灯的放电管的放大侧视图；图3是发光装置的符号表示；图4图示了电极间距随着灯功率的增加而减少；图5图示了功率攀升和相应灯电压的减少；图6图示了打开序列期间的电功率；
图7图示了关闭序列期间的电功率；具体实施方式
图1示出了作为HID灯的例子的UHP灯10。石英灯泡12包围通常为旋转对称状的放电管14。该灯泡的外径是10.2mm；内径是5mm。还在图2中示出的放电管14内部布置有电极16。放电管14与外面密封。电极16通过钼片18与外部连接器电接触。
图2所示的电极直径是900μm，该电极只作为说明性实施例，不按照确切尺寸比例。这些电极包括钨条，该钨条上绕有钨灯丝线圈。每个线圈包括16个内部绕组以及14个外部绕组，其中灯丝的直径是175μm。
实施例中所示的电极间距d是1.5mm。
放电管14的填充物包括30mg的汞，35nmol的溴和200mbar的氩。放电管14内的工作压力是220bar。
这种配置所产生的灯10的电性能是，其中标称功率是450W，标称电压是105V，并且标称电流是4.3A。
应该注意到此处介绍的灯只作为灯的实施例，其中已观察到功率攀升期间所述的电极间距减少的不寻常现象。当然，灯的设计可以变化较大。例如，在一个上述类型的灯中，其放电管的总体尺寸的外径可以在9和12mm之间变化，并且其内径也相应变化。填充物可以包括不同量的汞，例如10-48mg的Hg。电极条的直径可以在例如300和900μm之间变化，并且电极间距可以在0.7和1.8mm之间变化。
对于上述类型的灯，检查电极间距。在灯工作期间，记录电极和电极间电弧的图像，并测量电极间距(弧长)。
如图4中可以看出的，在12分钟的时间间隔期间，在以600W稳定工作了一段时间后，灯的工作功率变化到675W。记录下电极图像并测量电极间距。
如图4所示，当功率(以三角形表示)增加时，电极间距(以圆圈表示)显著减少。约13％的功率增加导致电极间距不寻常的几乎减少250μm，即几乎是15％。
这种表现是很不寻常的。通常，在HID灯中，尤其是在短弧类型的HID灯中，可以预料在高功率工作期间，会发生电极融化或烧蚀，从而导致电极间距增加。
不仅可以直接观察这种电极间距的变化以及因此的弧长，而且可以通过记录灯的燃烧电压来间接观察。
图5示出标称功率是700W的UHP类型灯的功率变化。在15分钟的时间间隔内，灯的功率增加了100W，达到800W。图5以点线表示该灯功率。
在该时间内，图5中以虚线标示的灯电压从135降低到约110V(即19％)。
既然已知弧长d和放电灯的燃烧电压彼此相关，因而这表明电极间距减少。
然而，如实验所示，该效应是可逆的，即灯功率随时间减少将导致电极间距增加，这相应于功率攀升下所观察到的电极间距减少。
尽管图4、图5所示的功率攀升以分钟的尺度来执行，但在更短的时间尺度内也可以观察到类似的效应。如实验所示，仅在几秒内使功率变化约100W也会导致上述的弧长表现。而反向的功率变化也会产生反向的弧长变化。所描述的这个效应的物理原因尚不清楚。
为了很好地利用所观察到的效应，建议在放电灯的工作中采用功率攀升，这会导致所观察到的电极间距的变化。
作为第一提议，根据受控的打开序列可以影响放电灯的打开。
图6示出了具有表示电功率P随时间t的变化的曲线的所建议的打开序列。
对于标称功率为PN的放电灯，首先，将该灯的电流限于预定值，以便该灯达到小于标称功率PN的工作功率。在图6的实施例中，该初始最大功率值对应于标称功率PN的80％。在被称为第一打开间隔20的时间间隔内，将灯功率控制为0.8PN的初始最大功率值。该第一打开间隔一直持续，直到灯到达稳定的工作状态。因此，间隔20的整个持续时间可以是10秒到15分钟，优选是1分钟到5分钟。
在完成第一打开间隔后，根据功率攀升间隔22来控制灯的工作，在此期间，灯功率从本实施例中的0.8PN的初始最大功率值上升到满标称功率PN。
不同于无限打开电流值，该无限打开电流值导致灯快速开启并可能造成严重的电极烧蚀，所建议的打开序列用于降低灯的燃烧电压和因此的电极间距。
例如，我们考虑标称功率是350W的UHP灯。在打开灯后，电流一直被限制在3.2A，直到功率达到300W。以300W的功率驱动灯2.5到5分钟。之后，不再限制电流，并且在短短几秒的时间间隔内灯功率上升到标称功率350W。如实验所示，上述的打开序列在功率攀升间隔22期间使燃烧电压(以及电极间距)降低了5-8％。
图7示出了所建议的关闭序列。再次示出放电灯功率P随时间t的变化。
灯以标称功率PN工作了一段时间后，在时间toff接收到关闭命令。此时不是立即关闭灯，而是启动关闭序列，其中关闭序列包括功率攀升间隔24以及随后的灯的立即关闭。在功率攀升间隔24内，工作功率P增加至值Pmax。
如上文所解释的，在功率攀升间隔24内，利用随时间增加的功率来操作灯导致电极间距的显著减少。将灯立即关闭可以保存该效应，以便一旦冷却后再次点燃灯时，可保持其该减少的电极间距。
为了给出关闭序列的实施例，让我们考虑标称功率是700W，并且稳定工作时灯电压是109.9V的UHP灯。在时间toff，启动功率攀升间隔2 4，并且在6.5分钟内功率从700W增加至735W。6.5分钟后，快速关闭灯。一旦再次点燃灯并在700W下操作该灯时，灯电压下降到95.7V，从而表明电极间距显著减少。
除了使用固定持续时间的功率攀升间隔外，还可以连续增加功率，直到达到预定的电压阀值。例如，可以将该电压阀值设定为新灯的标称灯电压。在整个寿命期间，由于电极烧蚀，灯电压增加，使用关闭序列的功率攀升间隔24，并且不断地监控灯电压，直到它达到所存储的标称值。
关于结合图6、图7所描述的功率攀升，应当注意到所示的曲线是直线攀升。虽然这些曲线是优选的，但是其它曲线也可用来获取同样的效应。
最后，图3示出了照明装置30。该装置包括灯10以及驱动器电路32。灯10可以是光学系统的一部分，例如投影机，其第一组件在此显示为反射器34。可以在光学系统34内移动可移动光闸36，以遮挡从灯10发射的光L。该光闸36的操作还受驱动器电子设备32的控制。驱动器电子设备32还包括“关闭”指示显示器40以及关闭开关38。
装置30包括上面结合图6所描述的打开序列以及上面结合图7所描述的关闭序列。当装置30打开时，驱动器电子设备32根据打开序列来操作灯10。在灯10进行了一段时间的稳定工作之后，操作人员决定通过激活开关38来关闭装置30。驱动器电子设备32操作光闸36以遮挡从灯发射的光L，而不是立即将灯10关闭。而且，打开指示灯40以通知操作人员已启动关闭序列。然后该灯10根据上述的关闭序列来工作，可使用固定持续时间的功率攀升间隔，或者持续监控灯电压，直到它达到预定阀值。在功率攀升间隔完成结束后，关闭灯10。
权利要求
1.照明装置，包括放电灯(10)，该放电灯包括具有至少两个以间距(d)布置的电极(16)的放电管(14)，用于在所述电极(16)之间产生电弧，以及驱动装置(32)，该驱动装置用于利用电功率来操作所述灯(10)，其中在关闭所述灯之前，所述驱动装置(32)根据关闭序列来操作所述灯(10)，所述关闭序列包括功率攀升间隔(24)，其中在所述的间隔(24)内，利用随时间增加的电功率来操作所述灯(10)，以及，在所述间隔(24)之后，关闭所述灯(10)。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述功率攀升间隔(24)具有5秒到30分钟的持续时间，优选是30秒到15分钟，最优选是1分钟到10分钟。
3.根据上述权利要求中的一个所述的装置，其中在所述的功率攀升间隔(24)期间，所述电功率增加了所述灯(10)标称功率PN的0.01％到50％，优选是所述标称功率PN的0.2到20％，最优选是所述标称功率PN的1到10％。
4.根据上述权利要求中的一个所述的装置，其中在所述功率攀升间隔(24)期间，所述电功率在所述功率攀升间隔(24)的持续时间内每秒增加所述灯(10)标称功率的5*10-5％到10％，优选是2*10-4％/秒到0.7％/秒，更优选是1*10-3％/秒到0.1％/秒。
5.根据上述权利要求中的一个所述的装置，所述装置还包括用于启动所述关闭序列的输入装置(38)，其中一旦激活所述输入装置(38)，就启动所述关闭序列。
6.根据上述权利要求中的一个所述的装置，其中所述装置还包括用于遮挡从所述灯(10)发射的光的光闸装置(36)，其中在所述关闭序列的开始时激活所述光闸装置(36)，或在所述关闭序列的期间激活所述光闸装置(36)。
7.根据上述权利要求中的一个所述的装置，其中所述驱动装置(32)包括用于测量施加在所述灯(10)上的电压的测量装置，其中在所述的功率攀升间隔(24)期间，一直增加电功率，直到所述电压达到预定值，或者达到预定持续时间或最大功率值。
8.照明装置，包括放电灯(10)，该放电灯包括具有至少两个以间距(d)布置的电极(16)的放电管(14)，用于在所述电极(16)之间产生电弧，以及驱动装置(32)，该驱动装置用于利用电功率来操作所述灯(10)，其中所述驱动装置(32)在打开所述灯之后根据打开序列来操作所述灯(10)，所述打开序列包括第一打开间隔(20)，其中利用不断增加至初始最大功率值的电功率来操作所述灯(10)，其中所述初始最大功率值小于所述灯(10)的标称功率(PN)，以及功率攀升间隔(22)，在此期间，利用随时间从所述初始最大功率值增加至所述标称功率(PN)的电功率来操作所述灯(10)。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述初始最大功率值对应于所述标称功率(PN)的50％到99％，优选是所述标称功率(PN)的60％到90％，最优选是所述标称功率(PN)的65％到80％。
10.根据上述权利要求中的一个所述的装置，其中所述放电灯(10)是高压汞蒸汽放电灯，其中所述放电管(14)包括工作压力大于100bar，优选大于150bar的汞。
11.根据上述权利要求中的一个所述的装置，其中所述电极(16)之间的所述间距(d)小于3.5mm，优选小于2.5mm。
12.用于放电灯的驱动器电路，包括用于向灯终端提供电功率的驱动装置(32)，其中在接收关闭信号后，所述驱动装置(32)根据关闭序列提供电功率，所述关闭序列包括功率攀升间隔(24)，其中在所述的间隔(24)内，向所述终端处提供的功率随时间增加，以及，在所述间隔(24)之后，关闭所述终端处的电功率。
13.用于放电灯的驱动器电路，包括用于向灯终端提供电功率的驱动装置(32)，其中所述驱动装置(32)在其打开时根据打开序列提供电功率，所述打开序列包括第一打开间隔(20)，其中在所述间隔(20)内，将向所述终端提供的电功率增加至初始最大功率值，该值小于预定标称功率值，以及功率攀升间隔(22)，其中在所述间隔(22)内，向所述终端提供的电功率随时间从所述初始最大功率值增加至所述标称功率值(PN)。
14.投影系统，该投影系统包括根据权利要求1-11中的一个所述的照明装置或根据权利要求12和13之一所述的驱动器电路。
15.放电灯(10)操作方法，所述放电灯(10)包括具有至少两个以间距(d)布置的电极(16)的放电管(14)，用于在所述电极(16)之间产生电弧，其中在关闭所述灯之前，根据关闭序列来操作所述灯(10)，其中所述关闭序列包括功率攀升间隔(24)，在该间隔内，利用随时间增加的功率来操作所述灯(10)。
16.放电灯(10)操作方法，所述放电灯(10)包括具有至少两个以间距(d)布置的电极(16)的放电管(14)，用于在所述电极(16)之间产生电弧，其中，打开所述灯(10)后，根据打开序列来操作所述灯(10)，所述打开序列包括第一打开间隔(20)，其中通过不断增加至初始最大功率值的电功率来操作所述灯(10)，其中所述初始最大功率值小于所述灯(10)标称功率(PN)，以及功率攀升间隔(22)，在该间隔内，通过随时间从所述初始最大功率值增加至所述标称功率(PN)的电功率来操作所述灯(10)。
全文摘要
描述了照明装置，驱动器电路以及一种放电灯的操作方法。放电灯(10)包括具有至少两个以某一间距布置的电极(16)的放电管(14)，用于在所述电极(16)之间产生电弧。驱动器电子设备(32)利用电功率来操作灯(10)。为了减少电极烧蚀，驱动器电子设备根据关闭序列来操作该灯，该关闭序列包括功率攀升间隔(24)，其中利用随时间增加的电功率来操作所述灯(10)，随后将灯(10)关闭。同样，一旦打开灯(10)，驱动器电子设备(32)就根据打开序列利用第一打开间隔(20)以及功率攀升间隔(22)来操作该灯，其中在第一打开间隔(20)内，利用不断增加至初始最大功率值的电功率来操作所述灯(10)，在功率攀升间隔(22)内，利用随时间从所述初始最大功率值增加至所述标称功率P
文档编号H05B41/292GK101095377SQ200580045797
公开日2007年12月26日 申请日期2005年12月21日 优先权日2005年1月3日
发明者J·波尔曼雷特施 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司