Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer mit Wechselspannung oder Wechselstrom gespeisten Gasentladungslampe, wobei in bestimmten Zeitintervallen die Momentanleistung der Lampe erhöht wird (gepulster Betrieb). Daneben betrifft die Erfindung mit solchen Lampen und Vorrichtungen versehene Geräte sowie auf dem Betriebsverfahren beruhende Verfahren zum Bearbeiten einer Elektrode.
Solche Betriebsverfahren und -vorrichtungen sind bekannt, beispielsweise aus der WO 96/14724 oder der US 5,608,294. In der genannten WO-Schrift wird eine Vorrichtung mit einer Energieversorgungsschaltung zum Betreiben einer Gasentladungslampe beschrieben, wobei die Energieversorgungsschaltung eine Wechselspannung oder einen Wechselstrom vorgegebener Periodendauer zur Speisung der Gasentladungslampe mit einer vorgegebenen Leistung derart bereitstellt, dass bei einer Reduzierung der mittleren Lampenleistung gegenüber der Nennleistung unmittelbar vor dem Umpolen der Wechselspannung oder des Wechselstroms innerhalb einer halben Periodendauer eine Erhöhung der momentanen Leistung erfolgt. Diese kurzzeitige Erhöhung der momentanen Leistung vor dem Umpolvorgang bewirkt, dass die notwendige Wiederzündspannung nach dem Umpolvorgang nicht wesentlich gegenüber der Spannung im Nennbetrieb erhöht werden muss.
Aus der genannten US-Schrift ist ein Verfahren zum Betreiben einer Gasentladungslampe mit kurzem Lichtbogen bekannt, bei welchem der Lampe ein Wechselstrom bestimmter Periodendauer zugeführt und in jeder Halbperiode dem Lampenstrom ein kurzer Strompuls überlagert wird, der dieselbe Polarität wie der Lampenstrom in der jeweiligen Halbperiode besitzt, was die Konstanz des Lichtbogens und die Haltbarkeit der Elektroden der Gasentladungslampe wesentlich verbessert.
Das aus den genannten Schriften bekannte Variieren der Stromstärke bzw. der Spannung, das im folgenden als "gepulster Betrieb" oder "Pulsbetrieb" bezeichnet wird, hat sich in der Praxis überaus bewährt. Dabei sei an dieser Stelle betont, dass die Begriffe "gepulster Betrieb" und "Pulsbetrieb" hier alle Formen des Stromstärken- bzw. Spannungsverlaufs über die Zeit bezeichnen, bei denen dem Betriebsstrom bzw der Betriebsspannung insbesondere zwecks Stabilisierung des Lampenbogens zusätzliche Strom- oder Spannungapulse überlagert werden (in manchen Schriften (vgl. zB. EP 0 865 210 A2, WO 97/247871 oder US 5,428,408) wird dagegen unter dem Begriff" gepulster Betrieb" ausschließlich eine Lampenbetreibsart verstanden, bei der eine Lampe in schnell wiederholten, sehr kurzen Zeitabschnitten betrieben wird und während eines großen Teils der Zeit kein Licht abgibt).
Durch den gepulsten Betrieb kann zwar die Konstanz des Lichtbogens wesentlich verbessert werden, jedoch ist die Lebensdauer insbesondere bei Hochdruck-Gasentladungslampen mit sehr kurzem Lichtbogen, wie sie z.B. bei Daten- und Videoprojektoren mit LC- oder Spiegel-Displays (Deformable Mirror Device), aber auch bei vershiedenen anderen Anwendungen eine wichtige Rolle spielen, noch nicht befriedigend. Je kürzer der benötigte Lichtbogen, desto stärker macht sich ein Zurückbrennen der Lampenelekhoden und die damit eingehende Verlängerung des zwischen den Elektroden entstehenden Lichtbogens nachteilig bemerkbar. So kommt es durch Zurückbrennen der Lampenelektroden bei Gasentladungslampen mit kurzen und sehr kurzen Lichtbögen nicht selten bereits in den ersten 100 Betriebsstunden zu einem Rückgang der Effizienz beispielsweise in einem Projektionssystem von 20%.
Zudem ist die Herstellung von Gasentladungslampen mit sehr kurzem Elektrodenabstand ausgesprochen schwierig, denn die Elektroden werden üblicherweise in einem Quarzrohr eingeschmolzen und vor der Einschmelzung in dem Rohr Postioniert, so dass ihre Position nach Fertigstellung der Lampe herstellungsprozessbedingt von der ursprünglichen Justierung abweicht, und zwar sowohl hinsichtlich des Abstandes als auch der seitlichen Ausrichtung zueinander. Die Postionierungstoleranzen der Elektroden lassen sich nur mit erheblichem Kostenaufwand reduzieren.
Ein weiteres, nur mit großem Aufwand zu lösendes Problem ist die geometrische Form der Elektroden selbst. Es ist zwar durchaus möglich, gewünschte Elektrodengeometnen aus Vollmaterial herauszuschneiden, jedoch werden aus Kostengründen Elektroden bevorzugt, die aus einem Elektrodenstab (gezogener Wolframdraht) und einer darüber geschobenen Wolframspirale bestehen, wenngleich bei einer solche Konstruktion die Geometrie und die innere Struktur der Elektroden, die letztendlich die Wärmeverteilung bestimmt, schlechter kontrollierbar ist. Bei Lampen mit kurzem Lichtbogen kommt es ohnehin durch die enorme Wärmebelastung der Elektroden 211 einem raschen Transrort des Elektrodenmaterials (z.B. Abdampfung von Wolfram), der zB. bei Hochdruck-Gasentladungslampen mit einer Bogenlänge von etwa 1 mm die Elektroden-Frontfläche in wenigen Stunden vollständig verändern kann. Auch eine ideal geformte Elektrode behält dabei ihre ursprünglichen Funktionseigenschaften in der Regel für weniger als 100 Stunden.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe anzugeben, welche es edauben, die beim Betrieb einer Gasentladungslampe stattfindenden Transportprozesse vorteilhaft zur Formung der Elektroden auszunutzen.
Die Aufgabe wird gelöst von einem Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw von einer Vorrichtung gemäß Anspruch 13. Vorteilhafte Durch- bzw Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Insbesondere wird die Aufgabe von einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei welchem die Werte wenigstens eines sich über die Zeit ändernden Betriebsdatums der Lampe kontinuierlich oder diskontinuierlich gemessen werden und die Frequenz der Wechselspannung oder des Wechselstroms (Betriebsfrequenz) in Abhängigkeit von den gemessenen Werten gewählt wird. Dabei wird die Betriebsfrequenz zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von den gemessenen Werten wenigstens eines Betriebsdatums aus der die Gesamtbetriebsdauer der Lampe, die Brennspannung, die abgegebene oder aufgenommene Leistung, die Bogenlänge und den Elektrodenabstand umfassenden Gruppe von Betriebsdaten gewählt, denn alle diese Daten lassen direkte oder indirekte Rückschlüsse auf den Zustand der Elektroden, insbesondere den Elektrodenabstand zu (beispielsweise kann aus der Betriebsdauer selbst bei einer neuen Lampe mit Betriebsdauer null anhand von Erfahrungswerten auf den ungefähren Zustand der Elektroden und damit auf die Notwendigkeit einer bestimmten Betriebsfrequenzwahl geschlossen werden).
Die Erfindung basiert auf der neuen Erkenntnis, dass die Größe der beim Betrieb mit Wechselstrom bzw Wechselspannung auf den Elektroden aufwachsenden Strukturen und die Betriebsfrequenz des Stroms bzw. der Spannung zueinander proportional sind Es hat sich gezeigt, dass der Durchmesser der aufgewachsenen Strukturen um so kleiner ist, je höher die Grundfrequenz des Betriebsstroms bzw der Betriebsspannung ist. Typische Frequenzen bei Hochdruck-Gasentladungslampen liegen zwischen etwa 40 und 600 Hz Für Lampen einer bestimmten Bauart (beispielsweise nach der DE 38 13 421 A) gilt zB. die Beziehung ungefährer Durchmesser der aufgewachsenen Strukturen = a / ½ wobei f die Betriebsfrequenz in Hertz und a eine lampenapezifische Proportionalitätskonstante ist, die typischerweise zwischen etwa 2000 und 5000 µm Hz ½ liegt, so dass sich bei 100 Hz Grundfrequenz Strukturen mit etwa 200 bis 500 µm Durchmesser bilden. Im allgemeinen kann diese Konstante in einem Rahmen zwischen 1000 und 10.000 µm Hz½liegen. Die Höhe der entstehenden Strukturen ist üblicherweise kleiner als ihr Durchmesser und beträgt in der Regel etwa das 0,.4- bis 0,8- fache des Durchmessers. Das Verhältnis kann jedoch erfahrungsgemäß zwischen 0,2 und 1,2 variieren. Dieser Zusammenhang wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um in kontrollierbarer Weise hervorstehende Elektrodenspitzen während des Lampenbetriebs zu erzeugen.
Die Erfindung erlaubt es, die Elektrode im Betrieb zu formen, in gewissen Grenzen unabhängig von der fertigungsbedingten Ausgangsform der Elektroden. Der gewünschte Elektrodenabstand bzw die gewünschte Brennspannung kann durch Ausnutzen der Transportvorgänge innerhalb gewisser Grenzen eingestellt werden. Bei Erreichen der Wunschspannung wird der Konditionierungsvorgang abgebrochen und die Lampe bei der dann aktuellen Frequenz betrieben.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es während der Betriebszeit der Lampe immer wieder angewandt werden kann und so gewissermaßen eine "Regenerierung" der Elektroden erlaubt, so dass hervorragende Resultate über eine sehr lange Lebensdauer erzielt werden können.
Die während des Betriebs aufgebauten Elektrodenstrukturen stehen sich auf Grund der physikalischen Gesetze der Transportvorgänge praktisch exakt gegenüber, so dass kein seitlicher Versatz vorkommt. Wenn mit hinreichend niedrigen Frequenzen gestartet wird, befindet sich die Struktur in der Elektrodenmitte.
Dazu werden vorteilhaft die gemessenen Werte auf das Erfüllen vorgegebener Randbedingungen überwacht und bei Erfüllung einer ersten Randbedingung (Startbedingung) die Lampe mit einer niedrigen Betriebsfrequenz (Startfrequenz) betrieben, bis eine zweite Randbedingung erfüllt ist, worauf die Betriebsfrequenz erhöht wird. Solche Startbedingungen können zum Beispiel das erstmalige Inbetriebnehmen einer neuen Lampe oder das Anwachsen der benötigten Brennspannung über einen vorgegebenen Grenzwert hinaus sein. Insbesondere ist es auch möglich, unterschiedliche Startbedingungen mit unterschiedlichen Startfrequenzen zu definieren, so dass beispielsweise beim erstmaligen Inbetriebnehmen einer neuen Lampe sukzessive Strukturen mit sich verkleinerndem Durchmesser auf den Elektroden aufgebaut werden können, wobei mit einer verhältnismäßig niedrigen Startfrequenz begonnen wird, während es bei Elektroden, deren Form nur geringfügig geändert werden soll, genügen kann, sofort sehr kleine Strukturen aufzubauen und mit einer relativ hohen Startfrequenz zu beginnen.
Zum sukzessiven Aufbau der Strukturen kann die Betriebsfrequenz kontinuierlich erhöht werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch erwiesen, die Betriebsfrequenz in diskreten Schritten zu erhöhen, bis eine vorgegebene Abbruchbedingung erreicht ist. Solche Abbruchbedingungen können sein: Erreichen einer vorbestimmte Betriebsfrequenz (Maximalfrequenz), Erreichen einer vorbestimmten minimalen Brennspannung, Konstanz des Elektrodenabstands über einen vorbestimmten Zeitraum.
Bei einer zur Lösung der genannten Aufgabe vorgesehenen Vorrichtung zum Betreiben einer Gasentladungslampe sind Messmittel zum kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Messen der Werte wenigstens eines sich über die Zeit ändernden Betriebsdatums der Lampe und Mittel zum Verändern der Frequenz der Wechelspanning oder des Wechselstroms (Betriebsfrequenz) in Abhängigkeit von den gemessenen Werten vorgesehen. Eine solche Vorrichtung kann auch bei bereits produzierten Gasentladungslampen und Gasentladungslampen verwendende Leuchtvorrichtungen aller Art, wie insbesondere Projektoren, Kfz-Beleuchtungsanlagen etc., leicht angewandt bzw nachgerüstet werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine wenigstens einen Mikroprozessor umfassende kompakte Auswerte- und Steuereinheit zur Steuerung der Betriebsfrequenz, der Brennspannung und des der Gasentladungslampe zugeführten Wechselstroms sowie zur Auswertung und Überwachung der gemessenen Werte auf das Erfüllen vorgegebener oder vorgebbarer Randbedingungen auf, wobei vorteilhaft von den bei bereits existierenden Vorrichtungen zum gepulsten Betrieb von Gasentladungslampen vorhandenen Prozessoren und Einheiten Gebrauch gemacht werden kann
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung vorteilhafter Durchführungsformen erfindungsgemäßer Verfahren, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird.
Es zeigen:
In der bereits genannten US 5,608,294 ist ein elektronisches Vorschaltgerät beschrieben, mittels welchem eine Stromform gemäß Fig 1 mit einem Extra-Strompuls der Höhe 13 und der Dauer tp am Ende der jeweiligen Halbwelle der Gesamtdauer t1/2 und der Grundhöhe I2 erzeugt werden kann Vorzugsweise wird dies durch ein mikroprozessor-gesteuertes Vorschaltgerät realisiert, das auch die Lampen- Betriebsfrequenz steuern kann Dieses kann auch einen Datenträger umfassen, der ein Steuerprogramm zur Ausführung der nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte enthält. Ebenso kann eine Lesevorrichtung vorgesehen sein, mittels welcher ein maschinenlesbarer Datenträger gelesen und die Daten zu dem Vorschaltgerät übermittelt werden können.
Zum Aufbau einer Elektrode mit der gewünschten, in Fig 2 im Profil gezeigten Fonn wird die Lampe ausgehend von einer niedrigen Startfrequenzen im Pulsbetrieb mit langsam steigender Frequenz betrieben. Eine niedrige Frequenz am Beginn der Sequenz sorgt für eine breite Struktur 1 als Basis, auf der dann bei höheren Frequenzen immer eine schmalere Strukturen 2 und 3 aufgebaut werden. Der Übergang kann kontinuierlich oder in diskreten Stufen erfolgen. Praktische Ergebnisse wurden zB. bei einem Betrieb von jeweils einigen Stunden Dauer mit 45, 65, 90 und 130 Hz in dieser aufsteigenden Reihenfolge erzielt. Mit dieser Betriebsart war es möglich, den Elektrodenabstand bei einer Hochdruck-Gasentladungslampe üblicher Bauart von 1,3 mm auf 0,7 mm zu verringern. Bei längerem Betrieb (einige 100 Stunden) der so konditionierten Lampe mit der höchsten Frequenz brennen die Elektroden dann allmählich wieder in den Ausgangsabstand zurück, was durch einen Anstieg der Brennspannung leicht beobachtet werden kann.
Steigt die Brennspannung, kann erfindungsgemäß die Elektrode mit langsam aufsteigenden Frequenzen erneut behandelt werden, bis die Spitzenstrukturen der Elektroden fast vollständig wieder aufgebaut sind. Nach jedem solchen Regenerationsvorgang kann die Lampe für ca. 100 Stunden auf der höchsten gewählten Frequenz betrieben werden.
Dabei hat die Erfindung den großen Vorteil, dass auch während der Regenerationsphasen das Licht der Lampe benutzt werden kann. Insgesamt ergibt sich bei steigendem Elektrodenabstand in der Regel ein Absinken der optischen Effizienz (z.B. ein Absinken der Schirmhelligkeit bei Videoprojektion, die dann bei der Regeneration wieder ansteigt). Diese auf einer Zeitskala von 100 Stunden schwankende Systemeffizienz ist in jedem Fall ein großer Vorteil gegenüber einer kontinuierlich absinkenden Effizienz.
Die Notwendigkeit einer erneuten Regeneration ist leicht aus dem Spannungsanstieg der Lampe ermittelbar. Steigt die Brennspannung über einen vorgegeben Wert, wird eine erneute Regeneration gestartet.
Beispielhaft wird im folgenden erläutert, wie das erfindungsgemäße Verfahren beim Betrieb einer Gasentladungslampe eines Videoprojektors ablaufen kann:
Ein erstmaliger Betrieb der Lampe wird über einen Betriebsstundenzähler erkannt, der bei einem Lampenwechsel automatisch zurückgesetzt wird Dies ist bei vielen marktüblichen Projektoren bereits realisiert.
Die Lampe wird anfangs bei einer möglichst niedrigen Frequenz (z.B. 45 Hz) betrieben. Dieser Betrieb kann über einen festen Zeitraum (zB. 1 Betriebsstunde) erfolgen. Alternativ kann die Frequenz auch so lange festgehalten werden, bis kein nennenswerter Spannungsrückgang (was ein Aufwachsen von Strukturen anzeigt) mehr zu beobachten ist. Vorteil dieser Verfahrensart ist, dass individuelle Unterschiede beseer berücksichtigt werden können, als beim Betrieb über feste Zeiträume.
Anschließend wird die Frequenz erhöht. Dabei hat sich gezeigt, dass ein Erhöhen der Frequenz auf das etwa 1,2- bis 1,8-fache der jeweils vorangehenden Frequenz empfehlenswert ist. Die Betriebsdauer mit der neuen Frequenz kann dann wiederum über einen festen Zeitraum oder solange erfolgen, bis kein nennenswerter Spannungsrückgang mehr festzustellen ist.
Insgesamt wird die Frequenz so lange erhöht, bis entweder a) ein festgesetztes Frequenzlimit erreicht ist, b) eine festgesetzte Spannung erreicht ist oder c) kein nennenswertes Wachstum nach Erhöhung der Frequenz mehr zu beobachten ist.
Die so ermittelte Frequenz wird festgehalten und kann beispielsweise so lange benutzt werden, bis die Spannung wieder erheblich, zB. bis auf das Anfangsniveau, angestiegen ist. Vorzugsweise werden die Elektroden aber bereits vor Anstieg auf das Ausgangsniveau neu "regeneriert", wozu die Lampe wieder mit einer möglichst niedrigen Frequenz betrieben wird.
Mit den erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich Brennspannung und Bogenlänge bzw. Elektrodenabstand bei Gasentladungslampen erheblich reduzieren. Beispielsweise konnte bei einer Gasentladungslampe üblicher Bauart mit Elektroden der eingangs beschriebenen einfachen und kostengünstigen Bauart, bei der der Lampenstrom I2 zur Regelung der Leistung eingestellt wurde und der Pulsstrom I3 2,8 A betrug, mit einer Betriebsfrequenzfolge von 45, 65, 90 und 130 Hz die Brennspannung von anfänglich 85 V auf 52 V und die Bogenlänge von anfänglich 1,3 mm auf 0,7 mm reduziert werden, wobei diese erstaunliche Reduzierung wohlgemerkt nicht in einem separaten Bearbeitungsprozess, sondem während der "normalen" Nutzung der Lampe zum Beispiel im Projektionsbetrieb erfolgte.
Im Rahmen des Erfinchungsgedankens sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen möglich, die sich zum Beispiel auf die Randbedingungen, bei denen die Betriebsfrequenzen erhöht oder erniedrigt werden, oder die Wahl der Betribsfrequenzen beziehen. Wesentlich ist, dass das Verfahren eine Bearbeitung der Elektroden beim Betrieb der Gasentladungslampe dadurch ermöglicht, das durch kontrolliertes Verändern der Betriebsfrequenz Transportphänomene zum Anlagern von Material auf den Elektroden genutzt werden.