DE60215540T2

DE60215540T2 - Verwendung von bogengeradrichtung in hid-lampen, die mit vhf-frequenzen betrieben werden

Info

Publication number: DE60215540T2
Application number: DE60215540T
Authority: DE
Inventors: M. Jerry KRAMER
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2022-12-07
Also published as: CN1613278A; US6788007B2; JP4260633B2; EP1459607B1; AU2002366821A1; DE60215540D1; ATE343312T1; JP2005513740A; EP1459607A1; WO2003055282A1; US20030117086A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf den Bereich von Hochdruck-Entladungslampen, genauer gesagt, auf die Bogengeradrichtung bei Lampen dieser Art.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
HID-Lampen, welche mit hoher Frequenz betrieben werden, sind gegen akustische Resonanzen empfindlich. Stehende Druckwellen in der Lampe können bewirken, dass der Lichtbogen verzerrt wird, der Lichtbogen sich von Seite zu Seite bewegt, ein störendes Flimmern erzeugt oder in schweren Fällen die Lampe zerstört wird. Eine Lösung dieses Problems ist, mit einer ausreichend hohen Frequenz (VHF) zu arbeiten, so dass die akustischen Resonanzen genügend gedämpft werden, um den Lichtbogen stabil zu halten. Überlegungen, die VHF-Frequenz nach oben zu begrenzen, umfassen EMI und die Schaltzeiten einer typischen Brückenschaltung.
Es ist schwierig, zu garantieren, dass alle, für ein bestimmtes Vorschaltgerät vorgesehene Lampen auf einer bestimmten VHF-Frequenz resonanzfrei sind. Zwei, in der Ausführung nahezu identische Lampen können auf verschiedenen Frequenzen leichte Instabilitäten aufweisen. Lampen einer bestimmten Wattzahl können verschiedene, chemische Füllungen haben, um Licht mit unterschiedlicher Farbtemperatur vorzusehen. Dieser Unterschied in der Chemie kann die Bogenstabilität bei VHF-Frequenzen beeinträchtigen. Ebenfalls können Abweichungen bei dem Betrieb der Lampenelektroden auf VHF-Frequenzen bei der Lichtbogenstabilität eine Rolle spielen. Ein einfacher Lösungsweg, schwache, akustische Resonanzen bei VHF-Frequenzen zu verhindern, ist die Anwendung eines Frequenzsweep. Diese Technik ist jedoch oftmals nicht erfolgreich.
Bestimmte akustische Resonanzen können ebenfalls nutzbringend eingesetzt werden. Wird eine horizontal betriebene Lampe auf bestimmten Frequenzen angeregt, wird der Lichtbogen, welcher im Normalfall durch Konvektion aufgebogen wird, zwischen den Elektroden gerade. Dieses Phänomen wird Bogengeradrichtung genannt. Frequenzen, wel che eine Bogengeradrichtung erzeugen, befinden sich oftmals oberhalb des ersten azimutalen, akustischen Modus der Lampe und unterhalb des ersten radialen akustischen Modus der Lampe. Zwischen diesen beiden rein radialen, akustischen Moden liegen der zweite azimutale, akustische Modus (rein radial, jedoch relativ schwach) und die kombinierten, longitudinalen, akustischen Moden, welche diesen azimutalen, akustischen Moden zugeordnet sind. Die Anzahl kombinierter, akustischer Moden ist von dem Aspektverhältnis der Lampe abhängig. Bei Lampen mit geringem Aspektverhältnis (IL/ID < ~2) kann der Abstand zwischen den akustischen Moden bei diskreten Frequenzen ausreichen, um eine Bogengeradrichtung zu erzeugen. Dieses in 1 für eine zylindrische, keramische 150 W Halogen-Metalldampflampe mit den Abmessungen von 9 mm ID × 13 mm IL (Aspektverhältnis = 1,44) dargestellt. 1 zeigt die Strom- und Netzfrequenzen, welche den akustischen Resonanzen zugeordnet sind, bis zu den ersten wenigen kombinierten, akustischen Moden des ersten radialen, akustischen Modus. (Die Zahlen unter den akustischen Moden beziehen sich auf die den longitudinalen, akustischen Modus betreffende Anzahl der reinen longitudinalen, akustischen Moden sowie auf die den longitudinalen, akustischen Modus betreffende Anzahl der ersten kombinierten, azimutalen/longitudinalen, akustischen Moden. Das Nummerierungssystem ist für den zweiten azimutalen und den ersten radialen, akustischen Modus gleich.) Aus 1 ist ersichtlich, dass zwischen Resonanzen lediglich ein kleiner Frequenzbereich bzw. ein kleines -fenster von etwa 15 bis 20 kHz Stromfrequenz vorgesehen ist, in dem eine Bogengeradrichtung erzeugt werden könnte. Es sei erwähnt, dass akustische Resonanzen durch eine periodische Leistungsaufnahme gesteuert werden. Bei sinusförmigen Wellenformen macht die Netzfrequenz, welche eine akustische Resonanz anregt, die zweifache Strom- (oder Spannungs-) frequenz aus.
Bei langen und dünnen Lampen mit höherem Aspektverhältnis (IL/ID > ~3) ist der Abstand der kombinierten, akustischen Moden wesentlich kleiner, und es sind keine resonanzfreien Fenster zur Bogengeradrichtung sichtbar. Dieses ist in 2 in Bezug auf eine zylindrische, keramische 200 W Halogen-Metalldampflampe mit den Abmessungen von 8 mm ID und 28 mm IL (Aspektverhältnis 3,50) dargestellt. Bei Lampen mit höherem Aspektverhältnis kann ein Frequenzsweep über einen Bereich von etwa 5 oder 10 kHz oberhalb des ersten azimutalen, akustischen Modus und unterhalb des ersten radialen, akustischen Modus mit einer Periode von etwa 10 ms eine Bogengeradrichtung erzeugen. Bei der in 2 dargestellten Lampe geht der Frequenzsweep von etwa 20 bis 25 kHz Stromfrequenz.
Ein zweites Beispiel einer vorteilhaften, akustischen Resonanz ergibt sich aus der Aktivierung des zweiten longitudinalen, akustischen Modus. Durch Aktivieren dieses akustischen Modus kann man einige der chemischen Metallhalogenidbestandteile, welche in der Nähe des Bodens einer vertikal brennenden Lampe abgeschieden werden, höher nach oben in die Entladung bringen. Dieser Effekt kann die Farbtemperatur bei einer vertikal brennenden Lampe verändern oder die Lampenleistungsfähigkeit erhöhen. Dieser Effekt wurde als Farbmischung bezeichnet. S. dazu U.S. Patent 6 184 633.
Durch Anwendung einer Bogengeradrichtung mit einem VHF-Träger werden potentielle Probleme überwunden, welche auftreten können, wenn eine Lampe lediglich mit VHF-Frequenzen betrieben wird. Jedoch können VHF-Trägerfrequenzen leichte Entladungsinstabilitäten hervorrufen, ganz gleich, ob diese durch akustische Resonanzen oder Instabilitäten an den Elektroden hervorgerufen werden. Eine Bogengeradrichtung kann die Entladung stabilisieren, wobei der Bereich potentieller VHF-Trägerfrequenzen vergrößert wird. Die zunehmende Freiheit, eine VHF-Trägerfrequenz auszuwählen, kann Vorteile bei der Leistungsfähigkeit des Schaltkreises oder der Fähigkeit, die EMI-Bestimmungen einzuhalten, haben. Insbesondere bei langen und dünnen Brennern, welche bei horizontaler Ausrichtung betrieben werden, kann eine Bogengeradrichtung bei VHF-Frequenzen die Entladung von der oberen Wand fernhalten und ein Zerbrechen des Entladungsrohres verhindern.
EP 0 785 702 A offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Gasentladungslampe, wonach die Eingangswellenform der Lampenleistung amplitudenmoduliert und gepulst wird, um die Lichtbogen-Stabilisierung und Farbcharakteristiken der Lampe zu steuern. Die Wechselstrom-Eingangswellenform wird amplitudenmoduliert, um den Lichtbogen mit einer durchlaufenen, periodischen Wechselspannungswelle zu stabilisieren.
DE 42 34 358 A offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Gasentladungslampe, indem ein Wechselstrom auf einer relativ hohen Frequenz abgegeben wird. Zur Stabilisierung der Lampe wird die Frequenz des Stromes mit einem Frequenzhub von etwa 3% moduliert.
EP 0 825 808 A offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Gasentladungslampe, indem eine synthetische Welle mit einer Wellenform abgegeben wird, welche eine Wellenform mit einer Frequenzkomponente der akustischen Resonanzfrequenz aufweist, um einen Modus zur Geradrichtung der Entladungsröhre auszulösen. Die akustische Reso nanzfrequenz wird durch die Schallgeschwindigkeit in dem Entladungsraum und die Länge des die Entladungsröhre schneidenden Entladungsraumes bestimmt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Kurz gesagt, die vorliegende Erfindung umfasst in einem ersten Ausführungsbeispiel ein Verfahren zur Bogengeradrichtung in einer HID-Lampe, wonach ein Frequenzsignal oder ein Frequenzsweepsignal ermittelt und ausgewählt wird, welches eine Bogengeradrichtung bei einer HID-Lampe erzeugt, wobei das Trägerfrequenzsignal hoch genug gewählt wird, so dass, in Kombination mit dem Frequenzsignal oder dem Frequenzsweepsignal, der Lichtbogen stabil ist und ein akustischer Modus zur Bogengeradrichtung in Verbindung mit einem Trägerfrequenzsignal ausgelöst wird. Das Bestimmen und Auswählen umfasst die Ermittlung eines Resonanzspektrums für die HID-Lampe; wenn ein Fenster in dem Resonanzspektrum vorhanden ist, welches oberhalb des ersten, azimutalen, akustischen Modus für die HID-Lampe und unterhalb des ersten radialen, akustischen Modus für die HID-Lampe liegt, wird ein Frequenzsignal gewählt, welches eine Bogengeradrichtung von dem Fenster innen erzeugt; wenn kein Fenster vorhanden ist, wird ein Frequenzbereich für das Frequenzsweepsignal gewählt, welches eine Bogengeradrichtung erzeugt, die oberhalb des ersten azimutalen, akustischen Modus für die HID-Lampe und unterhalb des ersten radialen, akustischen Modus für die HID-Lampe liegt.
In einem weiteren Aspekt dieses Ausführungsbeispiels umfasst der Anregungsschritt die Amplitudenmodulation des Trägerfrequenzsignals mit entweder dem Frequenzsignal oder dem Frequenzsweepsignal, welches den Netzfrequenzen zur Bogengeradrichtung entspricht.
In einem weiteren Aspekt dieses Ausführungsbeispiels wird die Höhe der Bogengeradrichtung durch Steuerung einer Amplitude des Amplitudenmodulationsfrequenzsignals oder einer Amplitude des Modulationsfrequenzsweepsignals gesteuert.
In einem weiteren Aspekt dieses Ausführungsbeispiels umfasst der Anregungsschritt das Addieren des Trägerfrequenzsignals zu einem zweiten Frequenzsignal oder zweiten Frequenzsweepsignal, um eine Differenznetzfrequenz oder Netzfrequenzen zu erhalten, welche einen akustischen Modus zur Bogengeradrichtung anregen.
In einem weiteren Aspekt dieses Ausführungsbeispiels wird eine Höhe einer Bogengeradrichtung durch Steuerung einer Amplitude des zweiten Frequenzsignals oder des zweiten Frequenzsweepsignals relativ zu der Amplitude des Trägerfrequenzsignals gesteuert.
In einem weiteren Aspekt dieses Ausführungsbeispiels umfasst der Anregungsschritt ein rechtzeitiges, kontinuierliches Wechseln des Trägerfequenzsignals und entweder eines Frequenzsignals oder eines Frequenzsweepsignals, wobei das Frequenzsignal oder Frequenzsweepsignal der zur Erzeugung einer Bogengeradrichtung bei einer HID-Lampe erforderlichen, halben Netzfrequenz entspricht.
In einem weiteren Aspekt dieses Ausführungsbeispiels wird eine Höhe einer Bogengeradrichtung durch Steuerung einer Dauer des Frequenzsignals oder des Frequenzsweepsignals relativ zu einer Dauer des Trägerfrequenzsignals gesteuert.
In einem weiteren Aspekt dieses Ausführungsbeispiels weist die HID-Lampe eine zylindrische Symmetrie auf.
In einem weiteren Aspekt dieses Ausführungsbeispiels weist die HID-Lampe ein Entladungsgefäß mit einem Keramikkolben auf.
In einem weiteren Aspekt dieses Ausführungsbeispiels umfasst das Auswählen einer Frequenz zur Erzeugung einer Bogengeradrichtung das Auswählen einer Frequenz zwischen einem ersten azimutalen, akustischen Modus und einem ersten radialen, akustischen Modus in dem Resonanzspektrum für die HID-Lampe, welche nicht nur eine Bogengeradrichtung erzeugt, sondern auch den zweiten longitudinalen, akustischen Modus anregt, um eine Farbmischung zu erhalten.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist eine HID-Lampe mit Bogengeradrichtung vorgesehen, welche aufweist: ein Entladungsgefäß (3), welches eine ionisierbare Füllung enthält, sowie einen Schaltkreis (300, 302, 304, 306, 308), welcher so ausgeführt ist, dass er einen akustischen Modus zur Bogengeradrichtung in Kombination mit einer Trägerfrequenz in dem Entladungsgefäß gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung anregt.
In einem weiteren Aspekt dieses Ausführungsbeispiels weist der Schaltkreis zum Anregen des Entladungsgefäßes eine Komponente auf, um das Trägerfrequenzsignal zu einem zweiten Frequenzsignal oder einem Frequenzsweepsignal zu addieren, um ein Differenznetzfrequenzsignal zu erhalten, welches den akustischen Modus zur Bogengeradrichtung anregt.
In einem weiteren Aspekt dieses Ausführungsbeispiels wechselt der Schaltkreis zum Anregen des Entladungsgefäßes das Trägerfrequenzsignal und entweder ein Fre quenzsignal oder ein Frequenzsweepsignal rechtzeitig kontinuierlich, wobei das Frequenzsignal oder Frequenzsweepsignal der zur Erzeugung einer Bogengeradrichtung bei einer HID-Lampe erforderlichen, halben Netzfrequenz entspricht.
In einem weiteren Aspekt dieses Ausführungsbeispiels sieht der Schaltkreis zur Anregung eines akustischen Modus zur Bogengeradrichtung in Verbindung mit einer Trägerfrequenz in dem Entladungsgefäß eine Frequenz zwischen einem ersten azimutalen, akustischen Modus und einem ersten radialen, akustischen Modus in dem Resonanzspektrum für die HID-Lampe vor, welche ebenfalls den zweiten longitudinalen, akustischen Modus anregt, um eine Farbmischung zu erhalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 – ein Resonanzdiagramm einer HID-Lampe mit einem Aspektverhältnis (IL/ID) von 1,44;
2 – ein Resonanzdiagramm einer HID-Lampe mit einem Aspektverhältnis (IL/ID) von 3,50;
3A – ein schematisches Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der Frequenzerzeugung bei der vorliegenden Erfindung;
3B – ein schematisches Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der Frequenzerzeugung bei der vorliegenden Erfindung;
4 – ein Schemaschaltbild einer HID-Lampe, welche zur Realisierung eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
5 – einen Querschnitt eines Entladungsgefäßes der in 4 dargestellten Lampe;
6A – eine graphische Darstellung der relativen Spannung vs. Spannungsfrequenz bei Amplitudenmodulation mit einer Einzelfrequenz;
6B – eine graphische Darstellung der relativen Leistung vs. Netzfrequenz bei Amplitudenmodulation mit einer Einzelfrequenz;
7A – eine graphische Darstellung der relativen Spannung vs. Spannungsfrequenz bei Amplitudenmodulation mit einem Frequenzsweep;
7B – eine graphische Darstellung der relativen Leistung vs. Netzfrequenz bei Amplitudenmodulation mit einem Frequenzsweep;
8 – eine graphische Frequenz-vs.-Zeit-Darstellung der sich mit einer Festfrequenz abwechselnden Trägerfrequenz;
9 – eine graphische Frequenz-vs.-Zeit-Darstellung der sich mit einer Sweepfrequenz abwechselnden Trägerfrequenz.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Eine Bogengeradrichtung wird zur Verwendung bei keramischen, mit VHF-Trägerfrequenzen betriebenen Halogen-Metalldampf-HID-Lampen zur Stabilisierung der Lampen offenbart. Genauer gesagt, es ist ein Verfahren zur Bogengeradrichtung in einer HID-Lampe vorgesehen, wonach eine Frequenz oder ein Frequenzsweep ermittelt und ausgewählt wird, welche bzw. welcher eine Bogengeradrichtung bei einer HID-Lampe erzeugt und ein akustischer Modus zur Bogengeradrichtung in Verbindung mit einem Trägerfrequenzsignal angeregt wird. Die Bestimmung einer Frequenz bzw. des Frequenzsweep Δf zur Bogengeradrichtung in Verbindung mit der Trägerfrequenz ist in den 3A und 3B dargestellt. In den 3A und 3B erzeugen die Funktionsgeneratoren 300 und 302 die Frequenz und/oder den Frequenzsweep, welche bzw. welcher dann den jeweiligen Funktionsgeneratoren 304 und 306, welche die Trägerfrequenz vorsehen, zugeführt wird bzw. werden. Die Funktionsgeneratoren 304 und 306 führen bei den Empfangsfrequenzen die Rechenoperation aus und führen einem RF-Verstärker 308 auf Leitung 330 zur Verwendung für die Elektroden einer HID-Lampe eine Ausgangsinformation zu. Die Rechenoperation kann in verschiedenen Formen erfolgen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, welches in 3A dargestellt ist, wird die Trägerfrequenz mit der Frequenz oder dem Frequenzsweep amplitudenmoduliert. In einem alternativen Ausführungsbeispiel, welches in 3B dargestellt ist, kann die Rechenoperation das Ermitteln einer Summe der Trägerfrequenz und einer zweiten Frequenz oder des Frequenzsweep sowie die Verwendung der Differenznetzfrequenz als Frequenz oder Frequenzsweep zur Bogengeradrichtung umfassen. Alternativ könnte eine Rechenoperation stattfinden, wonach die Trägerfrequenz und die zweite Frequenz oder der zweite Frequenzsweep rechtzeitig kontinuierlich wechseln. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die zweite Frequenz oder der zweite Frequenzsweep der für eine Bogengeradrichtung erforderlichen, halben Netzfrequenz.
Es sei erwähnt, dass bei horizontaler Ausrichtung die Bogengeradrichtung aus der Position der Entladung gegenüber der durch die Elektroden definierten Achse er sichtlich ist. Die normalerweise durch Konvektion aufgebogene Entladung wird durch Bogengeradrichtung so nach unten verschoben, dass die Entladung entlang der durch die Elektroden definierten Achse liegt. Diese Verschiebung kann in einer Projektion der Lampe und/oder durch eine Reduzierung der Lampenspannung gesehen werden. Bei vertikaler Ausrichtung ist eine Bogengeradrichtung ersichtlich, wenn die Entladung ohne Bogengeradrichtung unstabil ist. Eine Bogengeradrichtung eliminiert Instabilitäten, welche als störendes Flackern sichtbar sind und auf Grund der Bogenbewegung eine zeitliche Änderung der Lampenspannung erzeugen.
Es sei erwähnt, dass sich die wichtigen Aspekte der vorliegenden Erfindung auf die Art und Weise, in der die verschiedenen Frequenzsignale kombiniert werden, beziehen. Die in der Zeichnung dargestellte, spezifische Hardware dient lediglich zur Vereinfachung der Erläuterungen. Für Fachkundige würden sich viele verschiedene weitere Methoden zum Kombinieren der Frequenzsignale ergeben. Somit ist die vorliegende Erfindung keineswegs auf eine bestimmte Hardware-Konfiguration beschränkt.
Vor detaillierter Erläuterung der Auslösung eines akustischen Modus zur Bogengeradrichtung in Verbindung mit einer Trägerfrequenz werden Einzelheiten in Bezug auf ein Ausführungsbeispiel einer HID-Lampe genannt, welches bei der vorliegenden Erfindung realisiert werden kann. 4 zeigt eine Halogen-Metalldampflampe mit einem Entladungsgefäß 3, wobei Einzelheiten des Entladungsgefäßes 3 in einem nicht maßstabsgetreuen Querschnitt in 5 dargestellt sind. Das Entladungsgefäß 3 ist so dargestellt, dass es eine Keramikwand aufweist, welche einen Entladungsraum 11 umgibt, der eine ionisierbare Füllung in der Lampe enthält. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält die ionisierbare Füllung Hg und eine Metallhalogenidmenge. Die Metallhalogenide enthalten von der chemischen Zusammensetzung her typischerweise ein oder mehrere Na-Halogenide, Tl, Dy und Ce-Halogenide. In der Zeichnung sind in dem Entladungsraum zwei Elektroden 4, 5 mit Elektrodenstäben 4a, 5a und Elektrodenspitzen 4b, 5b mit einem Abstand EA zwischen diesen angeordnet. Das Entladungsgefäß weist zumindest über den Abstand EA einen Innendurchmesser Di auf. Das Entladungsgefäß ist an den Enden durch einen keramischen, vorspringenden Verschluss 34, 35, welcher einen Stromdurchführungsleiter 40, 41 und 50, 51 fest umschließt, der mit den in dem Entladungsgefäß angeordneten Elektroden 4, 5 verbunden ist, durch eine Schmelzkeramikverbindung 10 in der Nähe eines von dem Entladungsgefäßes entfernten Endes gasdicht verschlossen. Das Entladungsgefäß 3 ist von einer äußeren Ummantelung 1 umgeben, welche an einem Ende mit einer Lam penfassung 2 versehen ist. Im Betriebszustand der Lampe erstreckt sich eine Entladung zwischen den Elektroden 4, 5. Elektrode 4 ist über einen Stromleiter 8 mit einem ersten elektrischen Kontakt verbunden, welcher einen Teil der Lampenfassung 2 bildet. Elektrode 5 ist über einen Stromleiter 9 mit einem zweiten elektrischen Kontakt verbunden, welcher einen Teil der Lampenfassung 2 bildet. Die dargestellte Halogen-Metalldampflampe dient zum Betrieb mit einem elektronischen Vorschaltgerät, wie in US 6 300 729 näher beschrieben, oder einem magnetischen Vorschaltgerät oder aber einem anderen geeigneten Vorschaltgerät. Es sei erwähnt, dass die oben beschriebene Konfiguration für die HID-Lampe zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung vorgesehen ist, die Erfindung jedoch in keiner Weise auf diese Konfiguration beschränkt ist.
Es sei erwähnt, dass die chemischen Zusammensetzungen für die ionisierbare Füllung in verschiedenen Formierungen realisiert werden kann. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den Beispielen offenbarten Formierungen beschränkt.
Kommen wir noch einmal zurück auf 3 und den Betrieb zur Auslösung eines akustischen Modus zur Bogengeradrichtung in Verbindung mit einer Trägerfrequenz; in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde hier eine Bogengeradrichtung durch Amplitudenmodulation der VHF-Trägerfrequenz durchgeführt. Die VHF-Trägerfrequenz wird so gewählt, dass sie ausreichend hoch ist, so dass der Lichtbogen in Verbindung mit der Bogengeradrichtungsfrequenz oder dem Bogengeradrichtungs-Frequenzsweep stabil ist. Dieses wird typischerweise empirisch ermittelt. Wie oben erwähnt, wird in 3A die Frequenz oder der Frequenzsweep, welcher eine Bogengeradrichtung vorsieht, in dem Funktionsgenerator 300 erzeugt. Diese Frequenz bzw. dieser Frequenzsweep ist vorgesehen, um den Funktionsgenerator 304, welcher die Trägerfrequenz erzeugt, zu amplitudenmodulieren. Die sich ergebende, amplitudenmodulierte Spannungs- (oder Strom-) Wellenform wird in der Form cos(2πf₁t)·[1 + m₂cos(2πf₂t)] ausgedrückt, wobei f₁ die VHF-Trägerfrequenz, f₂ die Amplitudenmodulationsfrequenz und m₂ den Modulationsindex (< 1) darstellen. Das Frequenzspektrum für die Spannung nach einer solchen Amplitudenmodulation mit einer Einzelfrequenz zur Bogengeradrichtung ist in 6A dargestellt. Das Leistungsspektrum für eine solche Amplitudenmodulation (auf Grund der quadratischen Komponenten, da die Spannungs- und Stromkomponenten die gleiche Frequenzrelation haben) weist Frequenzkomponenten bei 2f₁, f₂, 2f₁ – f₂ und 2f₁ + f₂ plus Terme zweiter Ordnung auf. Das Leistungsspektrum für das Spannungsfrequenzspektrum von 6A ist in 6B für die Amplitudenmodulation mit einer Einzelfrequenz dargestellt. Es ist zu sehen, dass die 35kHz- Netzfrequenz die erforderliche Resonanz innerhalb des Resonanzdiagrammfensters für die HID-Lampe anregt, um eine Bogengeradrichtung vorzusehen. Ebenso ist das Frequenzspektrum für die Spannung nach einer Amplitudenmodulation mit einem Frequenzsweep von 40-50 kHz zur Bogengeradrichtung in 7A dargestellt. Das Leistungsspektrum für eine solche Amplitudenmodulation auf Grund der quadratischen Komponenten ist in 7B dargestellt. Es ist daraus zu ersehen, dass der Frequenzsweep von 40-50kHz die erforderliche Resonanz für HID-Lampen anregt, welche kein Fenster aufweisen, da ihre akustischen Resonanzen in dem Resonanzdiagramm zusammengefasst sind, um eine Bogengeradrichtung vorzusehen.
Bei diesem Aufbau war eine vertikale, keramische 150 W Halogen-Metalldampf-Entladungslampe mit den Abmessungen von 9mm ID × 13 mm IL und einer 3000 K Farbtemperatur bei VHF-Frequenzen von etwa 600 kHz bis hinunter zu etwa 450 kHz stabil. Unterhalb 450 kHz riefen diskrete Frequenzen ein Vibrieren des Lichtbogens hervor. Eine Amplitudenmodulation der Trägerfrequenz in dem mittleren 30 kHz und mittleren 40 kHz Bereich (entsprechend Stromfrequenzen in den mittleren 10 und mittleren 20 kHz) stabilisierte den Lichtbogen bei unstabilen Trägerfrequenzen. Es sei erwähnt, dass diese Frequenzen zwischen dem ersten azimutalen und dem ersten radialen, akustischen Modus liegen (s. 1). Ebenfalls sei erwähnt, dass durch Amplitudenmodulation der VHF-Trägerfrequenz das Frequenzfenster zur Stabilisierung der Lampe zweimal so groß wie der entsprechende Stromfrequenzbereich ist.
In einem Test war eine vertikale, keramische 150 W Halogen-Metalldampf-Entladungslampe mit den Abmessungen von 9 mm ID × 13 mm IL und einer 4000 K Farbtemperatur über einen großen VHF-Frequenzbereich (mindestens 425 bis 600 kHz) unstabil. Diese Lampe mit einer 4000 K Farbtemperatur hat die gleichen Abmessungen wie die oben beschriebene 3000 K Lampe, weist jedoch eine andere chemische Zusammensetzung und einen anderen Elektrodenbestückungsabstand (Abstand von der inneren Planfläche des Keramikkörpers zu der Elektrodenspitze) auf. Der Lichtbogen bewegte sich gleichmäßig vor und zurück. Es war möglich, die Lichtbogenbewegung durch Amplitudenmodulation der Trägerfrequenz mit einer Frequenz in dem mittleren 30 kHz Bereich entsprechend der oben beschriebenen 3000 K Lampe zu stoppen.
In einem weiteren Test wurde eine keramische, 200 W Halogen-Metalldampf-Entladungslampe mit den Abmessungen von 8 mm ID × 28 mm IL bei VHF in einer vertikalen Ausrichtung mit Sockel oben betrieben. In dem Bereich von etwa 370 bis 500 kHz wurden viele schwache, akustische Resonanzen beobachtet. Die meisten Instabilitäten wurden an der Bodenelektrode beobachtet. Eine Anzahl Frequenzen, welche anfänglich stabil schien, entwickelte nach vielen Sekunden oder sogar Minuten Instabilitäten. Eine Amplitudenmodulation mit einem Frequenzsweep von 40 bis 50 kHz (entsprechend Stromfrequenzen zwischen 20 und 25 kHz und einem Modulationsindex, m₂ ~0,2) stabilisierte die Lampe bei VHF-Frequenzen von 370 bis 500 kHz. Diese Frequenzen liegen zwischen dem ersten azimutalen und dem ersten radialen, akustischen Modus (s. 2). Eine Bewegung des Kondensats von dem Boden des Entladungsgefäßes weg (Farbmischung) wurde bei beiden, oben beschriebenen, keramischen 150 W Lampen (3000 und 4000 K) ausgeführt. Die Lampen wurden mit VHF-Frequenzen betrieben und mit etwa 30 kHz amplitudenmoduliert, wodurch der zweite longitudinale, akustische Modus ausgelöst wurde. Wie in 1 dargestellt, liegt der zweite longitudinale, akustische Modus höher in der Frequenz als der erste azimutale, akustische Modus und niedriger in der Frequenz als der erste radiale, akustische Modus. Somit sollte die Auslösung des zweiten longitudinalen, akustischen Modus ebenfalls eine Bogengeradrichtung erzeugen. Dieses wurde durch Betreiben der 4000 K 150 W Lampe mit einer VHF-Frequenz bei einer Vor- und Rückwärtsbewegung des Lichtbogens demonstriert. Der VHF-Träger wurde mit etwa 30 kHz amplitudenmoduliert, wodurch sowohl die Lampe gegenüber der Bogenbewegung stabilisiert, als auch das Kondensat von dem Boden des Entladungsgefäßes weg bewegt wurde.
Die Frequenz des zweiten longitudinalen, akustischen Modus gegenüber dem ersten azimutalen und dem ersten kombinierten azimutalen/longitudinalen, akustischen Modus ist zum Teil von dem Aspektverhältnis der Lampe abhängig. Es besteht die Möglichkeit; die Frequenz des zweiten longitudinalen, akustischen Modus gegenüber diesen weiteren akustischen Moden durch geringfügige Änderung des Aspektverhältnisses zu ändern. Ebenfalls ist es bei Bekanntsein der Dimensionen einer Lampe möglich, vorauszusagen, welches die Frequenzen der verschiedenen akustischen Moden sein werden.
Man kann den zweiten longitudinalen, akustischen Modus einer keramischen 200 W Halogen-Metalldampf-Entladungslampe mit den Abmessungen von 8 mm ID × 28 mm IL durch Amplitudenmodulation einer VHF-Trägerfrequenz bei 16 kHz auslösen. Es ist jedoch nur eine geringe Farbmischungsmenge möglich, bevor sich der Lichtbogen zu der Wand in der Nähe der Bodenelektrode hin verschiebt. Die Unfähigkeit einer kompletten Farbmischung bei Entladung liegt darin, dass die Frequenz des zweiten longi tudinalen, akustischen Modus unter dieser des ersten azimutalen, akustischen Modus liegt und eine Bogengeradrichtung nicht vorgesehen wird.
Eine alternative Konfiguration, um eine Bogengeradrichtung zu erreichen, ist in 3B dargestellt. Diese Konfiguration zur Erreichung einer Bogengeradrichtung mit einer VHF-Trägerfrequenz basiert darauf, Differenznetzfrequenzen vorzusehen. Bezug nehmend auf 3B erzeugt ein Funktionsgenerator 302 eine zweite Frequenz f₂, welche gewählt wird, um eine gewünschte Frequenz oder einen gewünschten Frequenzsweep zu realisieren, nachdem diese von dem Funktionsgenerator 306 zu einer VHF-Trägerfrequenz f₁ zur Bogengeradrichtung addiert wurde. Dieser Additionsvorgang in dem Funktionsgenerator 306 resultiert in den Netzfrequenzen 2f₁, 2f₂, f₂ – f₁ sowie f₂ + f₁. Eine Bogengeradrichtung ist möglich, wenn f₂ – f₁ (oder f₁ – f₂) einer effektiven Bogengeradrichtungsfrequenz (z.B. die mittleren 30 kHz bei den 150 W Lampen mit den Abmessungen von 9 mm ID × 13 mm IL) entspricht. Alternativ wird, wenn kein Fenster in dem Resonanzdiagramm für die Lampe vorhanden ist, so dass zur Bogenstabilisierung ein Frequenzsweep erforderlich ist, der Frequenzsweep Δf₂ als zu addierende Frequenz gewählt, so dass Δf₂ – f₁ (oder f₁ – Δf₂) dem zur Bogengeradrichtung erforderlichen Netzfrequenzsweep entspricht (z.B. 40 bis 50 kHz bei der 200 W Lampe mit den Abmessungen von 8 mm ID × 28 mm IL). Es sei erwähnt, dass durch Einstellen der Amplitude von f₂ oder Δf₂ das Ausmaß der Bogengeradrichtung gesteuert wird.
Als weitere Alternative zur Auslösung eines akustischen Modus zur Bogengeradrichtung in Verbindung mit einer Trägerfrequenz kann ein zeitsequentielles Frequenzverfahren angewandt werden. Bei dem zeitsequentiellen Verfahren werden zwei Frequenzen, welche durch einen einzelnen oder mehrere Funktionsgeneratoren vorgesehen werden können, rechtzeitig kontinuierlich gewechselt. Die erste Frequenz ist die VHF-Trägerfrequenz, f₁, und die zweite Frequenz ist entweder eine Festfrequenz, f₃ oder ein Frequenzsweep, Δf₃. f₃ oder Δf₃ entspricht der Hälfte der zur Bogengeradrichtung erforderlichen Netzfrequenz. 8 zeigt eine graphische Darstellung der Wellenform einer Zeitfolge, wobei sich die VHF-Trägerfrequenz mit einer Festfrequenz abwechselt. 9 zeigt eine graphische Darstellung der Wellenform einer Zeitfolge, wobei sich die VHF-Trägerfrequenz mit einem Frequenzsweep abwechselt. Das Ausmaß einer Bogengeradrichtung wird durch die Dauer von f₃ oder Δf₃ gegenüber der Dauer von f₁ gesteuert.
Es sei erwähnt, dass verschiedene weitere Verfahren zur Verfügung stehen, um die Amplitudenmodulation, die Addition oder die sequentielle Zeitsteuerung durchzu führen, und dass die vorliegende Erfindung zur Ausführung dieser Operationen nicht auf die spezifische Struktur, welche in den Diagrammen dargestellt ist, beschränkt ist.
Inschrift der Zeichnung
1, 2

Power Frequency (kHz) – Netzfrequenz (kHz)
Modes – Moden
1^st radial – 1. radialer Modus
2^nd azimutal – 2. azimutaler Modus
longitudinal – longitudinaler Modus
1^st azimutal – 1. azimutaler Modus
Current frequency (kHz) – Stromfrequenz (kHz)

3A

Function Generator –Funktionsgenerator
300 Modulationsfrequenz(en)
304 VHF-Träger
307 RF-Verstärker
Lamp – Lampe

3B

Function Generator – Funktionsgenerator
302 Summe Frequenz(en)
306 VHF-Träger
Sum – Summe
308 RF-Verstärker
Lamp – Lampe

6A

Relative Voltage – Relative Spannung
VHF Carrier – VHF-Träger
Sidebands – Seitenbänder
Voltage Frequency (kHz) – Spannungsfrequenz (kHz)

6B

Relative Power – Relative Leistung
(2nd Order Terms in M Ignored) – (Terme 2. Ordnung in M ignoriert)
35 kHz for Arc Straightening – 35 kHz zur Bogengeradrichtung
Power Frequency (kHz) – Netzfrequenz (kHz)

7A

Relative Voltage – Relative Spannung
VHF Carrier – VHF-Träger
Voltage Frequency (kHz) – Spannungsfrequenz (kHz)

7B

Relative Power – Relative Leistung
(2nd Order Terms in M Ignored) – (Terme 2. Ordnung in M ignoriert)
40 to 50 kHz for Arc Straightening – 40 bis 50 kHz zur Bogengeradrichtung
Power Frequency (kHz) – Netzfrequenz (kHz)

8

Frequency – Frequenz
Fixed Frequency – Festfrequenz
Time – Zeit

9

Frequency – Frequenz
Frequency Sweep – Frequenzsweep
Time – Zeit

Claims

Verfahren zur Bogengeradrichtung in einer HID-Lampe, wonach – ein Frequenzsignal oder ein Frequenzsweepsignal ermittelt und ausgewählt wird, welches eine Bogengeradrichtung bei einer HID-Lampe erzeugt, wobei – ein Resonanzspektrum für die HID-Lampe ermittelt wird, – ein Frequenzsignal gewählt wird, welches eine Bogengeradrichtung von dem Fenster innen erzeugt, wenn ein Fenster in dem Resonanzspektrum vorhanden ist, welches oberhalb des ersten azimutalen, akustischen Modus für die HID-Lampe und unterhalb des ersten radialen, akustischen Modus für die HID-Lampe liegt, und – ein Frequenzbereich für das Frequenzsweepsignal, welches eine Bogengeradrichtung erzeugt, gewählt wird, welcher oberhalb des ersten azimutalen, akustischen Modus für die HID-Lampe und unterhalb des ersten radialen, akustischen Modus für die HID-Lampe liegt, wenn das Fenster nicht vorhanden ist, – ein Trägerfrequenzsignal gewählt wird, welches hoch genug ist, so dass, in Kombination mit dem Frequenzsignal oder dem Frequenzsweepsignal, der Lichtbogen stabil ist, und – ein akustischer Modus zur Bogengeradrichtung in Verbindung mit dem Trägerfrequenzsignal angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anregungsschritt die Amplitudenmodulation des Trägerfrequenzsignals mit entweder dem Frequenzsignal oder dem Frequenzsweepsignal, welches den Netzfrequenzen zur Bogengeradrichtung entspricht, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wonach weiterhin die Höhe der Bogengeradrichtung durch Steuerung einer Amplitude des Amplitudenmodulationsfrequenzsignals oder einer Amplitude des Modulations Frequenzsweepsignals gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anregungsschritt das Addieren des Trägerfrequenzsignals zu einem zweiten Frequenzsignal oder zweiten Frequenzsweepsignal umfasst, um eine Differenznetzfrequenz oder Netzfrequenzen zu erhalten, welche einen akustischen Modus zur Bogengeradrichtung anregen.
Verfahren nach Anspruch 4, wonach weiterhin eine Höhe einer Bogengeradrichtung durch Steuerung einer Amplitude des zweiten Frequenzsignals oder des zweiten Frequenzsweepsignals relativ zu der Amplitude des Trägerfrequenzsignals gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Anregungsschritt ein rechtzeitiges, kontinuierliches Alternieren des Trägerfrequenzsignals und entweder eines Frequenzsignals oder eines Frequenzsweepsignals umfasst, wobei das Frequenzsignal oder Frequenzsweepsignal der zur Erzeugung einer Bogengeradrichtung bei einer HID-Lampe erforderlichen, halben Netzfrequenz entspricht.
Verfahren nach Anspruch 6, wonach weiterhin eine Höhe einer Bogengeradrichtung durch Steuerung einer Dauer des Frequenzsignals oder des Frequenzsweepsignals relativ zu einer Dauer des Trägerfrequenzsignals gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die HID-Lampe eine zylindrische Symmetrie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die HID-Lampe ein Entladungsgefäß mit einem Keramikkolben aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wonach das Auswählen einer Frequenz zur Erzeugung einer Bogengeradrichtung das Auswählen einer Frequenz zwischen einem ersten azimutalen, akustischen Modus und einem ersten radialen, akustischen Modus in dem Resonanzspektrum für die HID-Lampe umfasst, welche nicht nur eine Bogengeradrichtung erzeugt, sondern auch den zweiten longitudinalen, akustischen Modus anregt, um eine Farbmischung zu erhalten.
HID-Lampe mit Bogengeradrichtung, welche aufweist: – ein Entladungsgefäß (3), welches eine ionisierbare Füllung enthält, – einen Schaltkreis, welcher speziell so ausgeführt ist, dass er einen akustischen Modus zur Bogengeradrichtung in Kombination mit einer Trägerfrequenz in dem Entladungsgefäß unter Verwendung eines Frequenzsignals oder eines Frequenzsweepsignals anregt, wobei der Schaltkreis aufweist: – einen ersten Funktionsgenerator (304, 306), um die Trägerfrequenz vorzusehen, wobei die Trägerfrequenz hoch genug gewählt wird, so dass, in Kombination mit dem Frequenzsignal oder dem Frequenzsweepsignal, der Bogen stabil ist; sowie – einen zweiten Funktionsgenerator (300, 302), welcher an den ersten Funktionsgenerator gekoppelt ist, um das Frequenz- und/oder Frequenzsweepsignal zu erzeugen, wobei der zweite Funktionsgenerator (300, 302) so ausgeführt ist, dass: – ein Frequenzsignal erzeugt wird, welches eine Bogengeradrichtung von dem Fenster innen erzeugt, wenn ein Fenster in einem Resonanzspektrum der HID-Lampe vorhanden ist, welches oberhalb des ersten azimutalen, akustischen Modus für die HID-Lampe und unterhalb des ersten radialen, akustischen Modus für die HID-Lampe liegt, und – das Frequenzsweepsignal erzeugt wird, welches eine Bogengeradrichtung zwischen einer Frequenz oberhalb des ersten azimutalen, akustischen Modus für die HID-Lampe und einer Frequenz unterhalb des ersten radialen, akustischen Modus für die HID-Lampe erzeugt, wenn das Fenster nicht vorhanden ist.
HID-Lampe nach Anspruch 11, wobei die HID-Lampe ein kleineres Seitenverhältnis (IL/ID) als etwa 2 aufweist, so dass in deren Resonanzspektrum ein Fenster vorhanden ist, wobei der zweite Funktionsgenerator ein Frequenzsignal erzeugt.
HID-Lampe nach Anspruch 11, wobei die HID-Lampe ein größeres Seitenverhältnis (IL/ID) als etwa 3 aufweist, so dass in deren Resonanzspektrum kein Fenster vorhanden ist, wobei der zweite Funktionsgenerator ein Frequenzsweepsignal erzeugt.
HID-Lampe nach Anspruch 11, wobei das Entladungsgefäß eine zylindrische Symmetrie aufweist.
HID-Lampe nach Anspruch 11, wobei das Entladungsgefäß einen Keramikkolben aufweist.
HID-Lampe nach Anspruch 11, wobei der Schaltkreis zum Anregen des Entladungsgefäßes das Trägerfrequenzsignal mit entweder einem Frequenzsignal oder einem Frequenzsweepsignal amplitudenmoduliert.
HID-Lampe nach Anspruch 11, wobei der Schaltkreis zum Anregen des Entladungsgefäßes eine Komponente aufweist, um das Trägerfrequenzsignal zu einem zweiten Frequenzsignal oder einem Frequenzsweepsignal zu addieren, um ein Differenznetzfrequenzsignal zu erhalten, welches den akustischen Modus zur Bogengeradrichtung anregt.
HID-Lampe nach Anspruch 11, wobei der Schaltkreis zum Anregen des Entladungsgefäßes das Trägerfrequenzsignal und entweder ein Frequenzsignal oder ein Frequenzsweepsignal rechtzeitig kontinuierlich alterniert, wobei das Frequenzsignal oder Frequenzsweepsignal der zur Erzeugung einer Bogengeradrichtung bei einer HID-Lampe erforderlichen, halben Netzfrequenz entspricht.
HID-Lampe nach Anspruch 11, wobei der Schaltkreis, der speziell so ausgeführt ist, dass er einen akustischen Modus zur Bogengeradrichtung in Kombination mit einer Trägerfrequenz in dem Entladungsgefäß anregt, eine Frequenz zwischen einem ersten azimutalen, akustischen Modus und einem ersten radialen, akustischen Modus in dem Resonanzspektrum für die HID-Lampe vorsieht, welche ebenfalls den zweiten longitudinalen, akustischen Modus anregt, um eine Farbmischung zu erhalten.