用于气体放电灯工作的工作装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于高压气体放电灯工作的工作装置和方法。本发明特别 是解决高压气体放电灯启动时出现的问题。下面高压气体放电灯也简称为灯。

背景技术

高压气体放电灯必须通过由点火装置提供的高电压点火。点火后灯在启动 阶段期间从起始温度加热到工作温度。点火后灯上的电压称为运行电压 (Brennspannung)并在很大程度上与灯电流无太大关系。运行电压在启动阶段 期间从起始运行电压提高到工作运行电压。在气体放电灯正常工作情况下，启 动阶段之后开始工作阶段。

在灯技术方面，高压和低压气体放电灯之间存在区别。高压气体放电灯的 工作原理主要在于，在启动阶段期间灯泡内的压力从起始压力一直上升到工作 压力。这一点也正是下面所介绍的本发明特别有利地可以在高压气体放电灯中 使用的原因。但是也可以在低压气体放电灯上使用。

在工作阶段期间，通常工作装置将灯的功率调节到额定功率。因为在启动 阶段期间运行电压较低，所以在启动阶段期间的纯功率调节情况下需要很高的 灯电流以调节额定功率。该电流会比工作阶段期间的灯电流高出数倍。这一点 会导致损坏灯的电极。因此在现有技术中将工作装置在启动阶段期间提供给灯 的电流限制在恒定启动电流上。因此至少在启动阶段的第一段期间供给灯恒定 的启动电流。在启动阶段的过程中运行电压上升。如果运行电压达到与恒定电 流共同产生所要求额定功率的数值，那么功率调节器开始工作。在运行电压继 续上升时，通过功率调节器灯电流一定程度下降，从而产生额定功率。如果运 行电压达到工作运行电压的数值，启动阶段结束。工作运行电压具有同型元件 的参数差异并在灯的使用寿命期间也在变化。工作运行电压因此通过在额定功 率上基本保持不变的运行电压确定。为消除波动，运行电压大多作为时间上的 平均值进行测量。与工作运行电压相互关联的是与工作运行电压共同产生额定 功率的工作灯电流。

对于启动电流地数值来说应注意下列内容：在启动阶段期间必须向灯内输 入尽可能多的功率，使灯内的压力并因此还有运行电压持续上升，直至达到工 作运行电压。否则会出现这种情况，即灯在启动阶段期间保持在一种固定的状 态下并达不到额定功率。为可靠消除这种情况，现有技术中选择明显高于工作 灯电流的启动电流。这一点在文献US 5,083,065(Sakata)中有所介绍。该文 献介绍了一种工作装置，它不具有功率调节器，而是仅通过工作频率调节灯电 流。一个控制单元在整个启动阶段期间测定运行电压的上升，并在运行电压上 升过高的情况下提高工作频率。因此间接限制灯电流的数值。

选择启动电流的方面也希望尽可能缩短启动阶段，以便在尽可能短的时间 内达到额定光通量。这一点通过高启动电流达到。然而，高启动电流对电极是 一种强负荷，导致电极损坏并缩短灯的使用寿命。电极或者由于导致熔化和烧 损的过热而损坏，或者由于通过离子以高速冲击电极引起的所谓溅蚀 (Sputtern)而损坏。

在按照现有技术的工作装置中，启动过程对许多应用造成长时间的干扰。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种用于高压气体放电灯工作的工作装置和一种 用于控制高压气体放电灯启动的方法，与现有技术相比可以缩短启动阶段。

该目的通过一种用于高压气体放电灯工作的工作装置得以实现，该装置具 有以下特征：

·适用于为所连接的高压放电灯触发点火的装置，

·适用于将所连接的高压放电灯的灯电流限制在电流极限值上的调节装 置，

·灯状态检测器，设计该检测器，使其在一个点火之后和短于启动阶段 的时窗内计算所连接的高压气体放电灯的运行电压或者与此成比例的数值并提 供一种适用于区别冷的和热的高压气体放电灯的状态参数，

·控制装置，该装置根据状态参数为调节装置给出电流极限值。

该目的同时通过一种用于控制高压气体放电灯启动的方法得以实现，该方 法包括以下步骤：

·高压气体放电灯点火，

·点火后直接将通过高压气体放电灯的电流限制在适用于冷高压气体放 电灯的电流极限值上，

·在点火之后和短于启动持续时间的时窗内测量高压气体放电灯上的电 压并既测定运行电压和标准值之间差值的数值也测定运行电压时间上变化的数 值，

·对差值的数值和时间上变化的数值加权并随后相加，由此产生状态参 数，

·如果状态参数的数值高于比较值，那么提高通过高压气体放电灯的电 流的电流极限值。

上述目的依据本发明的解决方案利用以下事实：尚不会对电极造成明显损 坏的启动电流的最大值取决于灯的温度。启动阶段期间的灯电流因此在依据本 发明的工作装置情况下灯的每次开始运行时并不相同。确切地说，依据本发明 的工作装置具有一个灯状态检测器，它在启动阶段开始时的一个时窗期间测定 对启动电流来说重要的状态参数。状态参数可以使工作装置区分冷和热灯。工 作装置借助于一个调节装置在冷灯时提供低启动电流，该电流具有也不会对冷 电极造成明显损坏的数值。在热灯时，工作装置借助于该调节装置提供高启动 电流，该电流虽然会对冷电极造成明显损坏，但不会使热电极明显损坏。按照 这种方式在热灯情况下可以明显缩短启动阶段。

特别具有优点的是，这一点在短时间暂停后灯重新工作的情况下使用。例 如这种情况会在频繁接通的照明用途情况下出现，或者在投影仪可能意外断开 并需要立即接通的视频投影情况下出现。

灯状态检测器依据本发明从运行电压中测定状态参数。灯状态检测器在点 火之后的一个时窗内计算运行电压。从运行电压中测定状态参数可以按照不同 的方式进行。例如，灯状态检测器可以首先计算运行电压的两个特征参数：运 行电压的绝对值和运行电压时间上的变化。

状态参数可以从一个或者另一个特征参数的计算中产生。为掌握灯温度更 可靠的情况，也可以将两个特征参数组合。一种可以简单实现的组合是将两个 特征参数加权相加。该相加的结果也就是状态参数，它通过与预先规定的比较 值进行比较得出灯温度的情况。

附图说明

下面借助附图的实施例对本发明进行详细说明。其中：

图1示出依据本发明工作装置一个实施例的方框图；

图2示出灯电流和运行电压随时间变化的曲线图。

具体实施方式

图1示出依据本发明工作装置一个施例的方框图，该工作装置适用于高 压气体放电灯的工作。这种工作装置的基本结构和基本工作原理在WO 95/35645(Derra)中有所介绍。下面简要介绍各方框的内容。

方框1包括直流电压供给器，它一般从电源电压供给中获取能量。所提供 的直流电压的数值高于所连接灯6的运行电压。

直流电压供给器馈给到一个降压器(Tiefsetzer)2，降压器将由直流电压 供给器提供的电压值降到与所连接灯6的运行电压相应的数值上。降压器2包 括一个可以调节灯电流的调节装置。这一点通过选择调节降压器输出端上的电 压实现。

大多数情况下可以通过所谓的脉宽调制(PWM)进行调节。这种调制确 定降压器2内所包括的电子开关接通和断开时间的比例。

降压器2的构成可以参阅大功率电子学的普通文献。WO 95/35645(Dea) 选择了一种利用开关的拓扑结构。但也可以利用例如为半桥的多个开关进行。 降压器2包括一个作为限制电流器使用的电抗器。因此降压器2具有与灯电流 的可调节的电源相应的特性。

根据所择的拓扑结构，降压器2提供直流或者交流电。在降压器2提供 交流电的情况下，降压器2的输出端给整流器3供电，整流器在其输出端上提 供直流电。如果降压器2提供直流电的话，整流器3可以取消。

来自整流器3或者降压器2的直流电输入到一个整桥4内，该整桥将直流 电转变形成矩形的交流电。矩形交流电的频率与降压器2工作的常用频率相比 较低并处于50Hz和1kHz之间的数值内。变换成矩形的交流电在运行交流电 灯和需要均匀的光通量用途的情况下是必要的。这种用途例如有所谓的射束灯 和背投式电视机。但灯启动依据本发明的控制也可以在直流灯或者在利用非矩 形交流运行的交流灯上使用。根据用途然后可以取消方框3或者4或者两个均 取消。

作为用于所连接的高压气体放电灯点火所适用的装置，在整桥4和灯6之 间连接一个点火单元5。该单元提供灯点火所需的电压。灯点火后，点火单元 5一般情况下不再产生作用。点火也可以没有单独构成的点火单元5而通过公 知的谐振点火器完成。

控制单元7与降压器2、整流器3、整桥4和点火单元5连接。控制单元 7包括控制装置、调节装置、灯状态检测器以及用于测定工作参数(例如运行 电压、灯电流)的测量装置和用于储存灯典型数据的装置，如区分冷热灯的标 准值和比较值。单个装置合并在控制单元7内，因为控制单元7大多包括一个 将多个或者所有装置的功能集为一体的微控制器。在许多情况下也可以或者通 过硬件或者通过软件实现一个装置。通过软件承担控制和调节任务的程度不断 增长，因为这种解决方案成本经济且灵活。

与控制单元7的所有连接既可以是输入端也可以是输出端。作为输入端连 接，这些连接可以从方框2-5之一中任意输入运行电压和灯电流的信息到控制 单元7。

作为输出端连接，这些连接通过控制单元7协调地控制点火、启动、工作 和断开工作装置。

控制单元7内包括的调节装置从灯电流和运行电压中计算灯功率，并将其 与为所要运行的灯储存的额定功率进行比较。如果灯功率小于额定功率，那么 控制装置通过调节装置提高灯电流，直至灯功率和额定功率达到一致。

灯状态检测器如上所述提供可以区分冷灯和热灯的状态参数。

灯状态检测器从运行电压中测定状态参数。为此存在多种方案。一种简单 的方案在于，灯状态检测器在时窗的一个时间点上测量运行电压并从该测量值 中减去标准值。从中得出产生状态参数的差值。

为抑制干扰，运行电压也可以通过时窗的时间间隔取平均值并从平均值中 产生状态参数。

情况表明，运行电压时间上的变化也非常适用于从中导出状态参数。在冷 灯情况下，运行电压在点火后的最初几秒内不变或者甚至下降，而在热灯情况 下，运行电压在点火后迅速上升。为简单确定运行电压时间上的变化，灯状态 检测器测量时窗开始和结束时运行电压的瞬时值。这两个数值的差值表示运行 电压时间上变化的程度并可以作为状态参数使用。

如果要求非常可靠的状态参数，那么为测定状态参数可以既使用运行电压 的瞬间值或者平均值，也使用运行电压时间上的变化。这两个特征值的简单关 系是加权相加。适用的加权系数基本上取决于所要运行的灯并可以通过一系列 试验测定。

在灯状态检测器测定状态参数后，控制装置对状态参数计算。该计算的结 果对给出调节装置的电流极限值具有重要作用。计算最简单的方案是将状态参 数与比较值进行比较。如果状态参数的数值高于比较值，那么例如假设为热灯， 控制装置为调节装置给出适用于热灯的电流极限值。如果状态参数值低于比较 值，那么例如假设为冷灯，控制装置为调节装置给出适用于冷灯的电流极限值。 电流极限值适用的数值取决于所要运行的灯并必须通过试验测定。

一种计算状态参数复杂的方案是，控制装置为调节装置给出线性取决于状 态参数的电流极限值。也可以是一种特性曲线方式的非线性依赖关系。复杂的 计算可以尽可能缩短启动阶段。所需的比例系数或者特性曲线可以通过试验测 定。

图2举例示出灯电流和运行电压时间上的变化。横坐标构成时间轴，上面 标有以秒为单位的时间t。左侧的纵坐标适用于运行电压并列出单位为伏(V) 的数值。右侧的纵坐标适用于灯电流并列出单位为安培(A)的数值。曲线3 示出灯电流时间上的变化，曲线2示出运行电压的变化曲线。图2中所示的例 子示出热灯的启动。相比之下曲线1示出冷灯运行电压直至时窗结束时的时间 上的变化。

该例子示出具有约150W电功率投影应用的高压气体放电灯或者超高压 (Hchstdruck)气体放电灯的变化。

在时间点t1上进行点火和时窗开始。在时窗中，调节装置调节适用于冷 灯例如2A的灯电流。该例中的灯在35s后再次点火并在时间点t1上具有24V 的运行电压。相比之下从曲线1中可以看到冷灯具有18V的运行电压。如果 假设运行电压的标准值为20V，那么存在4伏的差值。在时间点t1上便可以 简单测定状态参数，方法是将差值作为状态参数使用。该例中的灯属于热灯并 启动电流可迅速提高。但会出现灯样品在老化后即使在冷状态下也具有高于20 V的运行电压。因此该例示出状态参数的复杂测定。

时窗一直达到时间点t2。冷灯在该时间点上始终还具有18V的运行电压， 如曲线1所示。但从曲线2可以看出，在时间点t2上，热灯的运行电压已经上 升到34V。由此计算出运行电压时间上的上升为1.1V/s。热灯时间上的上升典 型地高于0.7V/s。为测定状态参数，现在可以将上面计算的差值和时间上的上 升加权相加。对于在该实施例中所使用的灯来说，下列加权证明是有益的：

状态参数＝运行电压的变化×70+差值×8。

因此得出状态参数的数值为109。相比之下：为依据曲线1冷灯得出的状 态参数值为-16。

控制装置在时间点t2上计算状态参数。在该实施例中，状态参数值高于50 的灯属于热灯。数值109明显高于50。控制装置因此在该实施例中识别热灯并 为调节装置给出更高的启动电流2.4A。在时间点t3上达到该电流，如从曲线 3中可看到的那样。曲线2示出升高的启动电流对运行电压上的作用。从时间 点t3起运行电压比此前更迅速上升。

在时间点t4上，运行电压达到与启动电流共同产生灯预先规定的额定功 率的值。从时间点t4起，功率调节器承担调节灯电流的作用。运行电压未示出 的继续上升导致灯电流下降，直至出现平衡状态和结束阶段启动。

实施例中启动电流在识别热灯时固定以通过试验测定的值0.4A上升到2.4 A。但是这种上升也可以取决于状态参数的数值，例如通过下列公式：

启动电流＝冷灯的启动电流+附加电流×(状态参数-a)/b

a、b的值和附加电流的数值必须通过试验测定。例中下列数值证明是有 益的：a＝30，b＝50和附加电流＝0.25A。

在图2的实施例中，启动阶段通过启动电流依据本发明的控制缩短约15s。 例中时窗长9s。但情况表明，时窗3s足够。因此启动阶段还可进一步缩短。