(57)【要約】【課題】本発明は、切替え変圧器（２）と有するガス放電ランプ（３）の動作のための回路及び方法に関する。【解決手段】切替え変圧器は、スイッチ（２２）と、変換インダクタ（２４）と、ランプ電圧を測定して、所望の電力を設定するための制御ループ内にある制御手段（２７）とを有する。本発明によれば、切替え変圧器（２）は、第二の制御ループ（８０）を有する。第二の制御ループによって、切替え変圧器は、個々のランプ状態に調整される。
2006526877.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチと、変換インダクタと、ランプ電圧を測定し、所望の電力を設定するための制御ループ内の制御手段とを有する切替え変圧器を有するガス放電ランプの動作のための回路において、
該切替え変圧器は、第二の制御ループを有することを特徴とする回路。
【請求項２】
前記制御ループは、第三の内部制御ループを有することを特徴とする、請求項１記載の回路。
【請求項３】
前記第三の内部制御ループは、コンピュータ回路を有することを特徴とする、請求項２記載の回路。
【請求項４】
前記コンピュータ回路は、転流信号によって制御されることを特徴とする、請求項３記載の回路。
【請求項５】
前記第三の内部制御ループは、メモリを有することを特徴とする、請求項２記載の回路。
【請求項６】
前記第二の制御ループは、積分制御器を有することを特徴とする、請求項１記載の回路。
【請求項７】
前記第二の制御ループは、測定フィルタを有することを特徴とする、請求項１記載の回路。
【請求項８】
スイッチと、変換インダクタと、制御手段とを有する切替え変圧器を有するガス放電ランプの動作回路用の測定フィルタにおいて、
二つのサンプル及びホールド段を有することを特徴とする測定フィルタ。
【請求項９】
加算器を有することを特徴とする、請求項８記載の測定フィルタ。
【請求項１０】
クロック信号によって制御されることを特徴とする、請求項8記載の測定フィルタ。
【請求項１１】
スイッチと、変換インダクタと、ランプ電圧を測定し、所望の電力を設定するための制御ループ内の制御手段とを有する切替え変圧器を有するガス放電ランプの動作の方法において、
時間と共に変化するランプの少なくとも一つの動作データの値が連続的に、又は不連続的に測定されるステップと、
該測定された動作データが計算された動作データと比較されるステップと、
計算に必要なパラメータが調整されるステップと、
供給電流のデューティーファクターが該調整されたパラメータに基づいて選択されるステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項１２】
スイッチと、変換インダクタと、ランプ電圧を測定し、所望の電力を設定するための制御ループ内の制御手段とを有する切替え変圧器を有するガス放電ランプの動作の方法において、
時間と共に変化するランプの少なくとも一つの動作データの値が連続的に、又は不連続的に測定されるステップと、
該測定された動作データが計算された動作データと比較されるステップと、
計算に必要なパラメータが調整されるステップと、
交流電圧又は交流電流の周波数が該調整されたパラメータに基づいて選択されるステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項１３】
スイッチと、変換インダクタと、ランプ電圧を測定し、所望の電力を設定するための制御ループ内の制御手段とを有する切替え変圧器を有するガス放電ランプの動作の方法において、
時間と共に変化するランプの少なくとも一つの動作データの値が連続的に、又は不連続的に測定されるステップと、
該測定された動作データが計算された動作データと比較されるステップと、
計算に必要なパラメータが調整されるステップと、
供給電流の値が該調整されたパラメータに基づいて選択されるステップとを有することを特徴とする方法。
【請求項１４】
最初に設定されたパラメータは、新しいランプのパラメータであることを特徴とする、請求項１１乃至１３のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項１５】
前記パラメータは、メモリに記憶できることを特徴とする、請求項１１乃至１４のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項１６】
定常状態での動作において、前記メモリの内部の前記パラメータは、接続された前記ランプのそれらと等しくなることを特徴とする、請求項１１乃至１５のうちいずれか一項記載の方法。
【請求項１７】
スイッチと、変換インダクタと、ランプ電圧を測定し、所望の電力を設定するための制御ループ内の制御手段とを有する切替え変圧器を有するガス放電ランプの動作のための回路において、
該切替え変圧器は、内部制御ループを有することを特徴とする回路。
【請求項１８】
請求項１乃至７又は１７のうちいずれか一項記載の回路を有するデータ及び映像投射器。
【請求項１９】
請求項１１乃至１６のうちいずれか一項記載の方法を実施するための回路を有するデータ及び映像投射器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチと、変換インダクタと、ランプ電圧を測定し、所望の電力を設定するための制御ループ内の制御手段とを有する切替え変圧器を有するガス放電ランプの動作のための回路及び方法並びに該回路用の測定フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
切替え変圧器を有するこのような回路は、米国特許出願ＵＳＰＳ５，６０８，２９４（特許文献１参照。）から知られる。該回路は、整流器と、転流段と、制御手段と、バックコンバータとも呼ばれるステップダウン型変圧器とをスイッチ及び変換インダクタと共に有する。
【０００３】
データ及び映像投射器のガス放電ランプを動作させる方法及び装置は、欧州特許出願ＥＰ１，１５２，６４５Ａ１（特許文献２参照。）から知られる。交流電流又は交流電圧で動作する場合には、ガス放電ランプの電極は動作中に形成される。即ち、構造体がガス放電ランプの電極で増大する。構造体の大きさと電流又は電圧の動作周波数とは反比例する。動作周波数が高くなれば、増大した構造体の直径は小さくなる。従って、先端構造体は、動作周波数が４５、６５、９０及び１３０Ｈｚである場合に動作電圧及びアーク長が減少しうるように、電極で形成されうる。
【特許文献１】米国特許出願ＵＳＰＳ５，６０８，２９４
【特許文献２】欧州特許出願ＥＰ１，１５２，６４５Ａ１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、ランプの耐用年数を増すことである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
その目的は、独立請求項１、１１、１２及び１３の特徴によって達成される。本発明によれば、切替え変圧器は、第二の制御ループを有する。第二の制御ループを用いることで、切替え変圧器が個別のランプの状態に調整され、ランプ内のプラズマアーク放電傾向が減少し、電極ギャップが制御される。従って、ランプのルーメン出力及び耐用年数は改善される。
【０００６】
有利に、該制御ループは、第三の内部制御ループを有する。第三の制御ループを用いることで、接続されたランプの個別のランプ特性が決定されうる。その目的のために、ランプで測定された動作データは、所定のデータと比較され、パラメータが適合される。定常状態での動作において、パラメータは、接続されたランプの動作データと等しく、そのとき、ランプのルーメン出力及び耐用年数を増すために電極ギャップ及び電極温度に影響を与えることが具体的に可能である。
【０００７】
有利に、第三の内部制御ループは、コンピュータ回路を有する。コンピュータ回路は、転流信号によって簡単な方法で制御される。従って、コンピュータ回路及び第三の内部制御ループは、クロック信号として転流信号を必要とするに過ぎない。
【０００８】
有利に、第三の内部制御ループは、メモリを有する。ランプのパラメータは、メモリに記憶される。
【０００９】
有利に、第二の制御ループは、積分制御器を有する。ランプの状態はゆっくりと変化するので、望ましくは、遅い積分制御器が制御器として使用される。
【００１０】
有利に、第二の制御ループは、測定フィルタを有する。測定フィルタの二つのサンプル及びホールド段によって、ランプ電圧の低い外乱の測定が可能となる。
【００１１】
簡単な方法で、測定フィルタは加算器を有する。加算器によって、平均値が測定フィルタから導かれる。簡単な方法で、測定フィルタはクロック信号によって制御される。測定フィルタはクロック信号のみを必要とする。クロック信号は、また、切替え変圧器のスイッチをオン及びオフに切替える。
【００１２】
本発明によれば、時間と共に変化するランプの少なくとも一つの動作データの値は、連続的又は不連続的に測定される。測定された動作データは、計算された動作データと比較される。計算に必要なパラメータは調整され、供給電流のデューティーファクターは、調整されたパラメータに基づいて選択される。
【００１３】
本発明によれば、時間と共に変化するランプの少なくとも一つの動作データの値は、連続的又は不連続的に測定される。測定された動作データは、計算された動作データと比較される。計算に必要なパラメータは調整され、交流電圧又は交流電流の周波数は、調整されたパラメータに基づいて選択される。
【００１４】
本発明によれば、時間と共に変化するランプの少なくとも一つの動作データの値は、以後開始パラメータと呼ばれる最初に仮定されたパラメータから、連続的又は不連続的に且つ同時に測定される。ランプの動作データは、交互に又は連続的に計算される。次に、測定された動作データは、計算された動作データと比較される。新しいパラメータは、この比較から決定されて、最初に仮定されたパラメータは決定されたパラメータによって置換される。動作中、決定されたパラメータは、最良の整合性が計算されたパラメータと測定されたパラメータとの間で達成されるまで比較される。有利に、定常状態において、デューティーファクター、周波数及び供給電流の変数は、電極ギャップ及び電極温度を制御するためにパラメータに基づいて選択される。
【００１５】
内部制御ループを有する回路は、ランプの解析のために、且つ個別のランプのパラメータを表わすために使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明のこれら及び他の特徴は、後述する実施例を参照して説明されることによって明白となる。
【００１７】
図１は、切替え変圧器２と、ガス放電ランプ３と、電源として機能する電圧源４と、測定フィルタ５と、以降Ａ−Ｄ変換器とも呼ばれるアナログ／デジタル変換器６と、制御ユニット７とを有する回路１を示す。切替え変圧器２は、転流段２０と、イグニッション段２１と、スイッチ２２と、ダイオード２３と、変換インダクタ２４と、キャパシタ２５と、変換器２６と、制御手段２７と、変換インダクタ２４と転流段２０との間にあって、キャパシタ２５にある測定点２８とを有する。導電接続２９及び３０によって、測定値は、変換インダクタ２４で測定されて、制御手段２７に入力される。別の導電接続３１及び３２並びに変換器２６によって、制御手段２７は、所謂スイッチングトランジスタと呼ばれるスイッチ２２を制御する。変換器２６、制御手段２７並びに導電接続２９、３０、３１及び３２は、第一の制御ループの一部である。転流段２０は、転流制御ユニット３４と、四つのスイッチングトランジスタ３５、３６、３７及び３８とを有する。信号状態に応じて、ユニット３４は、３５及び３８又は３６及び３７のいずれかをオンに切替える。これは、ランプ３での電流方向を制御する。イグニッション段２１は、第一のインダクタ３９と、二つのコイル４１及び４２を有するイグニッション変圧器４０と、イグニッション制御ユニット４３と、キャパシタ４４とを有する。キャパシタ４４の値は小さいので、定常状態動作でそれは無視できる。イグニッションのために、高周波の切替え信号が、インダクタ３９及びキャパシタ４４が共振周波数で発振するように、転流制御ユニット３４への導電接続４５に存在する。約４００から８００Ｖの高い電圧がキャパシタ４４で生じる。同時に、イグニッション制御ユニット４３では、別の小さなキャパシタが充電されて、イグニッション変圧器４０にイグニッションパルスを供給する。これは、ランプ３で５から２５ｋＶの高電圧パルスを発生させる。測定フィルタ５は、二つの抵抗５０及び５１を有する電圧駆動部５０、５１と、増幅器５２と、スイッチ５４及びキャパシタ５５を有する第一のサンプル及びホールド段５３と、スイッチ５７及びキャパシタ５８を有する第二のサンプル及びホールド段５６と、第一のインピーダンス変成器５９と、第二のインピーダンス変成器６０と、加算器６１と、所謂トリガと呼ばれるエッジトリガ信号送信器６２及び６３と、出力６４とを有する。導電接続３１並びに信号送信器６２及び６３によって、制御手段２７は、サンプル及びホールド段５３及び５６のスイッチ５４及び５７を制御する。加算器６１は、増幅器６５と三つの抵抗６６、６７及び６８とで機能する。
【００１８】
測定フィルタ５、Ａ−Ｄ変換器６及び制御ユニット７は、第二の制御ループ８０の一部である。
【００１９】
制御ユニット７は、第三の内部制御ループ８１と、制御器８２とを有する。第三の内部制御ループ８１は、コンピュータ回路８３と、以後比較器と呼ばれる比較回路８４と、メモリ８５とを有する。自由に選択可能なパラメータを有するモデル公式が得られるコンピュータ回路８３の出力８６において、モデル電圧のデジタル値が得られ、それはモデルに相当する。導電接続８７によって、転流の時間を記録する信号がキャパシタ８４に供給される。
【００２０】
ランプ３に対する切替え変圧器２の出力電圧及び／又は出力電流は、スイッチ２２を周期的にオン及びオフに切替えることによって調整される。スイッチ２２がオンに切替えられている間、電圧ＵＶ１−ＵＣ１が変換コイル２４に存在する。これは、直流電源４の電圧ＵＶ１とキャパシタ２５の両端の電圧ＵＣ１とから得られる。その結果、変換インダクタ２４を流れる電流は大きくなる。第一の近似においてＵＶ１及びＵＣ１は両方とも一定であるので、電流は線形に増大する。所定の切替え状態に到達すると、スイッチ２２はオフに切替えられ、そのとき電流はダイオード２３を通って流れる。そのとき電圧は−ＵＣ１であり、電流は線形に減少する。キャパシタ２５によって、イグニッション段２１では、電圧変動が少なくとも部分的にフィルタリングされる。
【００２１】
回路１での切替え後の過渡応答の間、第二の制御ループ８０は非作動状態である。変換インダクタ２４を流れる電流は、電流の相対量及び逆電流の時間によって記述される一定式を有する。ランプ３の境界状態は、所望のランプ電力である。それは、第一の制御ループ３３の所望の値でもある。従って、第一の制御ループ３３は、ランプ電圧を測定して、所望の電力が達成されるように電流の相対量を調整する。この方法は、ランプの定常状態動作の間に短い間隔で連続的に繰り返される。
【００２２】
ランプ監視部とも呼ばれる第三の制御ループ８１は、時間分解能によって測定され、測定フィルタ５の出力で得られたランプの電圧値を使用する。これらは、比較器８４においてモデル公式から計算されたモデル電圧値と比較される。モデル公式は、また、以後でモデル式とも呼ばれる。モデル電圧と測定電圧との間の差の関数として、第三の制御ループ８１がメモリ８５に蓄えられたモデル公式のパラメータに影響を及ぼす。回路１の切り替え後、新しいランプの動作パラメータは開始パラメータとして蓄えられる。過渡応答の間、最初に設定された開始パラメータは、接続されたランプ３の個々のパラメータと共にラインに至り、最後にこれらによって置換される。即ち、第三の制御ループ８１によって、メモリ８５に蓄えられたパラメータは、接続されたランプ３の個々のパラメータに適合されうる。個々のパラメータの複製は、第三の制御ループ８１で発生し、第二の制御ループ８０に対してメモリ８５において利用できるようにされる。従って、ランプ動作を最適化するために、接続されたランプ３の個々のパラメータは、第二の制御ループ８０で考慮に入れられる。次に、これらの個々のパラメータは、制御部８２によって動作パラメータとして計算されて、改善された電流波形、適合された所望の電力値又は変更可能な逆電流時間を決定するために使用される。
【００２３】
第一の制御ループ３３は、ランプ電力を設定された所望の値に制御する。第二の制御ループ８０は、ランプ３の個々のパラメータに応じて、ランプ３の動作モードを制御する。あるいは、言い換えると、第二の制御ループ８０は、動作モードに影響を及ぼすことによってランプ３の個々のパラメータを制御する。第三の制御ループ８１は、接続されたランプ３の個々のパラメータで最適な追従のための開始パラメータの蓄えられた複製を制御する。
【００２４】
制御器８２による調整は、以後駆動部とも呼ばれる切り替え変圧器２に蓄えられた所望の電力、電流波形及び逆電流の時間に関する値、特に制御手段２７に蓄えられた値を変化させる。周波数は、０．５から２０，０００Ｈｚ、望ましくは３０から１０００Ｈｚである。パルス期間は、半周期の１から２５％の間、望ましくは４から８％の間にある。パルス及びパルス動作は、特にＥＰ１１５２６４５Ａ１で詳細に説明されている。相対的なパルス高さは、平均電流の０から１０００％の間、望ましくは１００から４００％の間にある。絶対値では、これは０から１０Ａであって、望ましくは０．５から４Ａ、特に２．６Ａが良い。電流がランプ３を最初に一つの方向で流れ、次に逆方向で流れるような二つの連続した期間は、デューティーファクターとして定義される。通常動作において、デューティーファクターは５０％であるが、１から９９％のデューティーファクターが可能であり、有利に、２５から１８０Ｗの電力、望ましくは１２０Ｗの公称電力で１００から１４０Ｗでは２０から８０％が使用される。技術的な理由のために、調整の制限は、使用される駆動部２と、ランプ３と、データ及び映像投射器とに応じて決まる。
【００２５】
図２は、時間９１及び９２におけるスイッチ２２のオン切替え及びオフ切替えのためのクロック信号９０、並びに時間ｔ１における立ち上がり９３及び時間ｔ２における立ち下がり９４に関するタイミング図を示す。クロック信号は５０ｋＨｚ、即ち１周期で２０μｓあるいは５周期で１ｍｓの周波数で振動する。
【００２６】
図３は、変換インダクタ２４を流れる制御信号９５に関するタイミング図を示す。時間ｔ１及びｔ２において、電流信号９５の最小値９６及び最大値９７が達成されて、電流がその方向を変化させる。時間ｔ１及びｔ２は逆電流の時間を示す。
【００２７】
図４は、キャパシタ２５の両端の正弦電圧波形９８を示す。スイッチ２２が時間ｔ１でオンに切替えられるときに、電圧値９９はサンプル及びホールド段５３でサンプリングされ、スイッチ２２が時間ｔ２でオフに切替えられるときに、第二の電圧値１００がサンプリングされる。二つの値９９及び１００は、電圧駆動部５０、５１によって得られ、電圧駆動部５０、５１に対応する値が加算器６１で加算される。
【００２８】
従って、第一のサンプル及びホールド段５３は、スイッチ２２がオンに切替えられる時間ごとにトリガされて、その結果、電圧９９に対応する値を蓄える。その間に、変換電流９５は最小値９６に到達する。第二のサンプル及びホールド段５６は、スイッチ２２がオフに切替えられて、値１００に対応する値を蓄えるときにトリガされる。その間に、変換電流９５は最大値９７に到達する。加算器６１は、電圧駆動部５０、５１に対応する二つの電圧値を合計するので、平均値に対応する信号は、夫々の時間ｔ３、ｔ４、ｔ５及びｔ６において出力６４で得られうる。この信号は、時間ｔ３からｔ６のいつでも、即ち、非同期に、如何なるサンプリングレートでも使用されえる。このようにキャパシタ２５の電圧の低い外乱での測定が達成されて、測定された値は、切替え変圧器２による外乱を伴わずに得られうる。
【００２９】
入力信号として、測定フィルタ５は、測定点２８で、及び電圧駆動部５０、５１の両端で得られる測定されるべき変数と、変換器２６の前で得られる切替え変圧器２のスイッチングトランジスタ２２の切替え信号とを単に必要とする。最初に、測定されるべき信号９８は、インピーダンス変成器として機能する第一の増幅器段５２によって安定させられる。従って、隣接しているサンプル及びホールド段５５及び５８が確実に動作することができる。切替え変圧器２の外側の導電接続３１での切替え信号の立ち上がり９３によって、トリガ６２は、スイッチ５４を短時間オンに切替える短パルスを発生させる。キャパシタ５５は、この時間に存在する電圧値に充電される。インピーダンス変成器５９がキャパシタ５５の後に置かれているので、キャパシタ５５は非常に高い抵抗で閉じられて、その結果この電圧を一定に保つ。同じ過程が、トリガ６３と、スイッチ５７と、キャパシタ５８と、インピーダンス変成器６０とによって立ち下がり９４において行われる。従って、如何なるときでも、値は、スイッチ２２がオン及びオフに切替えられる時間に測定された値９９、１００に対応するように得られる。その後、これらの値は、別の加算器６５と、抵抗６６、６７及び６８とによって加算されて、更なる使用のために出力６４で供給される。
【００３０】
ガス放電ランプ３、特に、高輝度放電ランプ又は略してＨＩＤランプとして知られる高圧力ガス放電ランプは、方形波交流電流で動作する。具体的には、超高圧力、超高性能又は略してＵＨＰランプとも呼ばれる超高圧力ガス放電ランプが使用される。ランプの電圧は、この場合同様にほぼ矩形である。しかし、電圧の波形が更に厳密に調査される場合には、矩形から特有の変化が明らかにされる。この変化は、陰極でのプラズマアークの挙動によって主に引き起こされる。具体的には、変化は、プラズマアークが陰極に加わる領域に依存する。電圧波形の測定及び評価によって、ランプが無傷であるという過程において、例えば電極ギャップ、二つの電力の相対温度、陰極として半周期に機能する電極に対する夫々の場合に、電極先端の幾何学形状、電極の溶解状態、陰極アークの結合点の領域変化及びプラズマアークのジャンプ傾向のようなガス放電ランプ内の状態を反映するランプ３の個々のパラメータを決定することが可能である。
【００３１】
ここで、ランプ電圧が供給導線及びオーム抵抗としての電極材での電圧降下であるという事実に基づいて考えると、陽極におけるほぼ一定の電圧降下と、電極の放射挙動の影響を受けた電圧降下及び結果として生じた陰極前面のアーク状態と、実際のアーク放電の両端のプラズマ電圧とは、圧力、プラズマ温度及びアーク長に依存する。
【００３２】
図５は、四つの範囲１０２、１０３、１０４及び１０５に分けられた時間ｔに亘る電圧波形１０１を示す。第一の範囲１０２における電圧波形１０１は、実質的に電極先端の形状によって決められる。従って、この範囲１０２における電圧はＵＴｉｐと表わされ、関連する時間値はτＴｉｐと表わされる。第二の範囲１０３における電圧波形１０１は、実質的にタングステンコイルで巻かれた電極の厚い部分の温度によって決められる。従って、この範囲１０３における電圧はＵＣｏｉｌと表わされ、関連する時間値はτＣｏｉｌと表わされる。第三の範囲１０４における電圧波形１０１は、実質的に陰極のアーク結合時の変化によって決められ、陰極からプラズマアークへの電子の移動を表わす。従って、この範囲１０４の特性は、付加「ｔｒａｎｓ」で提供される。第四の範囲１０５における電圧波形１０１は、アーク結合が点にとどめられうる場合に決められる。従って、アーク結合は、拡散する二次元結合から点にとどめられた点形状結合に変化する。従って、この第四の範囲１０５の特性は、記述「ｓｐｏｔ」で提供される。第三及び第四の範囲は、全ての場合に起こるわけではない。
【００３３】
一般に、この波形１０１は、次の式によって表わされうる。
【００３４】
【数１】
2006526877.tif 000003
電圧差１０６は、期間によって表わされうる。
【００３５】
【数２】
2006526877.tif 000004
自由パラメータＵＰｌａｓｍａ、ＵＴｉｐ、ＵＣｏｉｌ、τＴｉｐ、ＵＡｒｃ、ｔＴｒａｎｓ及びＳＴｒａｎｓは、メモリ８５に記憶されて、内部制御ループ８１によって調整される。
【００３６】
式は、全ての極性変化時に０で開始するサンプリング値の数としてのｎでコンピュータ回路８３において変換されて、Δｔは二つのサンプリング値間の時間である。望ましくは、Δｔは５から２００μｓであって、この場合には１０μｓである。期間τＣｏｉｌは、１００ｍｓで一定である。τＴｉｐ及びτＣｏｉｌは、第一の指令時間定数である。
【００３７】
式は四つの加数から成る。第一の加数ＵＰｌａｓｍａは、第一の範囲１０２で表わされ、５５Ｖから１３０Ｖの大きさであって、典型的な新しいランプでは７５Ｖである。ＵＰｌａｓｍａは、新型ランプの場合には約１ｍｍである電極ギャップ及び陽極の両端の電圧降下の特性である。第二の加数−２ＵＡｒｃは、補正値であって、第四の加数（ＵＣｏｉｌ＊・・・）＊（１−ｔａｎｈ（・・・））と共に得られる。第三の加数ＵＴｉｐ＊（０．５・・・）は、第一の範囲１０２での関数を表わす。ＵＴｉｐは、０Ｖから６Ｖの範囲内にあって、典型的な新型ランプでは１．５Ｖである。ＵＴｉｐは、電極先端の丸めの特性である。
【００３８】
第四の加数は、二つの範囲１０３及び１０４を表わす。ＵＣｏｉｌは、範囲１０３及び１０４で電圧値を示し、０Ｖから６５Ｖの大きさであって、典型的な新型ランプでは５Ｖである。ＵＣｏｉｌが小さければ小さいほど、温度は高くなる。τＴｉｐは、３０μｓから５００μｓの範囲内にあって、典型的な新型ランプでは１５０μｓである。τＴｉｐは、先端の丸めの特性である。ＵＡｒｃは、−２Ｖから２Ｖの範囲内にあって、補正係数である。ｔＴｒａｎｓは、０．１ｍｓから矩形の最後までの範囲内にある。ｔＴｒａｎｓが起こらない場合には、陰極への点結合は起こらない。ＳＴｒａｎｓは、範囲１０４での急勾配であって、０．０１から１０の範囲内にあって、アーク結合の遷移の特性である。これらのパラメータは、内部制御ループ８１によって調整される。あるいは、これらのパラメータは、また、プログラムによって適合されうる。
【００３９】
１，５００から７，０００Ｈｚの共振周波数ｆｒｅｓｏｎａｎｃｅは、存在しうる融解した先端を特性付け、１０，０００Ｈｚで電極先端は完全に凝固する。新しいランプに対して、共振周波数は約５，０００Ｈｚである。共振は、融解した先端の大きさ及び容量、並びに同時に温度を表わす。共振は、周波数範囲におけるランプ電圧の解析によって直接的に決められる。
【００４０】
逆電流の後、プラズマアークは、最初に広い領域に渡って存在する。即ち、ガス放電ランプ３の陰極に広く存在する。範囲１０４において、プラズマアークは、陰極で作動する広範囲状態から、陰極で作動する点形成状態に変化する。第三の範囲１０４におけるジャンプ関数は、陰極のアーク状態におけるこの変化を表わす。プラズマアークは、広範囲に亘って陽極で作動し続ける。
【００４１】
従って、ランプ電圧波形１０１の特定の部分は、ランプ３の内部状態とは切り離せない。これらの部分は、実質的にそれらの時間応答によって互いから分離されうる。即ち、範囲１０２において加数ＵＴｉｐ＊（０．５−ｅ・・・）で再現された転流後すぐの波形、範囲１０３において加数ＵＣｏｉｌで再現された勾配、ＵＰｌａｓｍａによって再現された平均電圧である。これらの状態を利用するために、矩形波電圧上にある比較的小さな電圧変動が測定されて、ランプパラメータに割り当てられる。
【００４２】
コンピュータ回路８３内の式は、可変パラメータによって変えられうる。動作中、ランプの電圧値は、測定フィルタ５で測定され、フィルタリングされて、Ａ−Ｄ変換器でデジタル化されて、出力８６にあるコンピュータ回路８３からのデジタル値と比較される。計算によって、メモリ８５の新しいパラメータは、このような決められた誤差から決められうる。計算は、夫々の時間の半周期に対する部分に関して実行される。
【００４３】
以後ランプ駆動部とも呼ばれる切替え変圧器２は、ランプ３を供給する。その目的のために、それは、制御手段２７でプログラムされた電流波形を発生させる。駆動部２は、コンピュータ回路８３に転流クロック信号を供給する。パラメータとして、メモリ８５は、接続されたランプ３の実際の特性を有する。最初の形勢において、これらは、新しいランプ３の代表値である。即ち、最初に設定されたパラメータが新しいランプ（３）のパラメータである。コンピュータ回路８３は、出力８６で利用可能なモデル電圧を作る。これは、所定のパラメータ及び電流値を有するランプ３が有するべきである電圧波形である。実際のランプ電圧は、ランプ３で得られて、比較回路８４で測定され、モデル電圧、即ち計算された波形と比較される。比較回路８４は、モデル電圧と測定値との間の偏差を表わす補正信号をメモリ８５に送る。補正信号によって、メモリ８５内のパラメータは補正されうる。このように、モデル電圧は、夫々の形勢で実際のランプ電圧に対してより良く整合されうる。定常状態動作において、メモリ８５内のパラメータは、接続されたランプ３のそれらと等しい。
【００４４】
同様にメモリ８５に記憶されて、制御器８２を作動させる制御値は、パラメータから導かれうる。あるいは、コンピュータ回路８３、比較回路８４、メモリ８５及び制御器８２は、マイクロコンピュータとして、若しくは信号処理装置としても実現され、又はランプ動作を最適化するために、若しくは誤りを検出するために制御ユニット２７に結合される。
【００４５】
低周波領域では、ランプ３は、第一の近似で一定の逆電圧のように動作する。即ち、ランプ３の電圧は、可能な限り電流に依存しない。電圧の方向のみは、電流方向で変化する。矩形交流電流が供給されると、全く同じ矩形波電圧が得られる。この電圧波形の上にある時間で変化する小さな電圧は、モデル式にとって必要不可欠である。電極は、半周期ごとに交互に陰極として動作する。
【００４６】
図５は、ランプ電圧の絶対値の典型的な進路を示す。電圧は、二つの時間定数τＴｉｐ及びτＣｏｉｌによって表わされ、電圧が低い値に適合した後のステップを有する。全体的な効率は、全電圧の数パーセントの振幅を有する。時折、小さな振幅の振動が起こる。そのとき、式に対するパラメータは、二つの時間定数τＴｉｐ及びτＣｏｉｌ、ステップの形状及び位置並びに可能な共振の振幅である。更に、式は、電極ギャップの目安である要素アーク降下及び陽極降下に対する電圧値ＵＰｌａｓｍａを有する。第一の比較的短い時間定数τＴｉｐは、電極の先端領域の形状に関する情報を提供する。第二の時間定数τＣｏｉｌは、電極温度又は放射を表わす。共振は、融解した先端の大きさ及び容量、並びに同時に温度も表わす。
【００４７】
内部制御ループ８１において、方法は、ランプ電圧の波形がランプ電流の期間に亘って解析されることで実現される。例えば電極温度、アーク状態、電極ギャップ及び電極の融解状態のようなランプの様々な内部状態は、ランプの周期的な電圧波形の特徴的な形跡を生ずる。測定されたランプ電圧波形と先に得ていたそれらの特徴的な波形とを比較することによって、動作中にランプ３の内部状態が推定されうる。
【００４８】
パラメータの解析から、ランプ電流に対する様々な要求が決定されうる。
【００４９】
増大する電極ギャップは、電流パルスを加えることによって、又は転流の前にすでに存在している電流パルスを増大させることによって歯止めを掛けられうる。転流の前に電流パルスを減少させること又はオフに切替えることは、電極ギャップの減少を中断させる。同様に、転流後の電流パルスは、電極ギャップの減少を中断するか、又は電極ギャップを増大させる。
【００５０】
相対温度、先端形状及び融解状態に対するパラメータは密接に相互依存しており、融解して丸まった先端を有する両電極の夫々の温度は有利である。この調整及び均衡は、夫々のパルス振幅の変化によって実行可能である。
【００５１】
他の投射器では、パルス列を伴わない一定光電流がしばしば要求される。
【００５２】
個々の先端形状及び個々の融解状態が達成されるように、両電極の平衡状態温度は、交流電流の正及び負のランプ電流の半波の期間の比を調整することによって達成される。
【００５３】
周波数増大に基づいて、二つの連続する極性変化の間の間隔は更に小さくなる。ジャンプ関数は、後に続く極性に近似し、範囲１０５は、有利な方法で小さく保たれる。従って、陰極アーク結合の直径の好ましくない時間特性は、周波数の周波数増大によって補償される。比較的高周波では、ジャンプ関数はもはや起こらない。
【００５４】
比較的低い電極温度は、比較的低いランプ電力によって得られる。その目的のために、二つの電極の温度は、パラメータＵＣｏｉｌから導かれる。
【００５５】
方法は、電極の負荷を狭い範囲で一定に保つために使用される。この手段によって、ランプの耐用年数は延長されうる。具体的には、最適なルーメン出力を有する動作相が延長されうる。最適なルーメン出力は、短い電気的アークが一定のアーク間隔で作られるときに達成される。
【００５６】
図６は、１ｍｍの公称電極ギャップと２３０バールの公称圧力とを有する１２０Ｗのフィリップス社製ＵＨＰランプに関して、第一の半周期で計算された電圧値に対する第一の電圧波形１１１と、第二の半周期で計算された電圧値に対する第二の電圧波形１１２とを示す。第一の半周期では、第一の電極が陰極として動作し、第二の半周期では、第二の電極が陰極として動作する。
【００５７】
図７は、１ｍｍの公称電極ギャップと２３０バールの公称圧力とを有する同じランプに関して、第一の半周期で測定された電圧値に対する第三の電圧波形１１３と、第二の半周期で測定された電圧値に対する第二の電圧波形１１４とを示す。波形１１３及び１１４は、干渉のためにジグザグな形となっている。
【００５８】
波形１１１及び１１２は、陰極として半周期に動作する夫々の電極によって夫々決まる。この形状の評価のために、モデル関数が使用され、そのパラメータは、測定された波形に可能な限り厳密に対応するように、コンピュータ回路８３においてプログラムによって調整される。第一の電極に対するパラメータとして、ＵＰｌａｓｍａは８８．５４Ｖと定められ、ＵＴｉｐは１．６１Ｖと、ＵＣｏｉｌは６．１３Ｖと、τＴｉｐは１．０＊１０−４ｓと、ＵＡｒｃは０．３３Ｖと、τＴｒａｎｓは４．９７＊１０−３ｓと、ＳＴｒａｎｓは０．０３と、ｆｒｅｓｏｎａｎｃｅは１０，０００．００Ｈｚと夫々定められる。第二の電極に対するパラメータとして、ＵＰｌａｓｍａは８８．５６Ｖと、ＵＴｉｐは１．７６Ｖと、ＵＣｏｉｌは４．６９Ｖと、τＴｉｐは１．０＊１０−４ｓと、ＵＡｒｃは０．２６Ｖと、τＴｒａｎｓは４．９７＊１０−３ｓと、ＳＴｒａｎｓは０．０３と、ｆｒｅｓｏｎａｎｃｅは１０，０００．００Ｈｚと夫々定められる。
【００５９】
ＵＰｌａｓｍａに対する８８．５Ｖの値は、より長い時間期間で動作しているすでに幾分古くなったランプ３に対して妥当であり、そのようなランプの電極ギャップは、気化によって拡大されている。ランプ３は１００Ｈｚの周波数で動作するので、一つの半周器は５ｍｓの長さである。幾つかの前後のサンプリング値が干渉に対する予防として削除されたので、４．９７ｍｓ以上の時間特性が示されている。ＵＴｉｐの１Ｖ以上の値は、依然として僅かに丸められている電極先端を表わしている。ＵＣｏｉｌの値の増大は、電極が冷たくなっていることを示す。第一の電極の電圧波形１１１が第二の電極の電圧波形１１２よりも著しく増大している場合、第一の電極が第二の電極よりも幾分冷たいことは明白である。τＴｉｐの時間定数が更に短くなることは、電極先端が更に平たくなっていることを表わす。ＵＡｒｃは、補正値である。範囲１０４でのアークの拡散状態と点状態との間の変化の時間は、ｔＴｒａｎｓによって表わされる。範囲１０２及び１０３に対する測定間隔は、１０μｓの間隔で測定された４９６個の値で再現され、これは４．９７ｍｓに対応する。点遷移の急勾配はＳＴｒａｎｓによって表わされる。１，５００から７，０００Ｈｚの共振周波数ｆｒｅｓｏｎａｎｃｅは、融解しうる先端を表わし、１０，０００Ｈｚで電極先端は完全に凝固する。
【００６０】
一様でない電極温度を補償するために、電極が陰極相よりも陽極相で更に熱くなるような物理的過程によって決められる効果が使用される。従って、陽極相の期間の比を陰極相の期間に適合することによって、熱出力は二つの電極間を移動させられうる。その目的のために、制御ループ８１において、二つの電極ＵＣｏｉｌの値は比較されて、供給電流のデューティーファクターは、二つの温度が同じとなるまで移動させられうる。ランプの状態は単にゆっくりと変化するので、望ましくは、遅い積分制御器は制御器８２として使用される。開始値としての５０％のデューティーファクターにおける、又は前の動作からの蓄えられたデューティーファクターにおける交流電流の第一の相及び陽極としての第一の電極で、プログラム系列に対する単純化された系列は以下の通りである。第一に、二つの電極１及び２のＵＣｏｉｌを比較し、第二に、ＵＣｏｉｌ，Ｅ１がＵＣｏｉｌ，Ｅ２よりも小さい場合に、デューティーファクターを０．０１％だけ増大させ、あるいは、第二に、ＵＣｏｉｌ，Ｅ１がＵＣｏｉｌ，Ｅ２よりも小さい場合に、デューティーファクターを０．０１％だけ減少させ、あるいは、ＵＣｏｉｌ，Ｅ１がＵＣｏｉｌ，Ｅ２と同じである場合に、デューティーファクターを０．０１％から５０％だけ増大又は減少させ、次に一秒待って、過程を繰り返す。この方法は、据付又は実装だけでなく、製作誤差を条件として、温度差の自動補償を可能にし、その結果、ランプの耐用年数を延ばしうる。同時に、ランプの垂直動作位置が考慮に入れられうる。
【００６１】
図８は、測定された電圧波形１２１及び計算された電圧波形１２２を示す。ここで、測定された電圧波形のＵＰｌａｓｍａは、二つの波形１２１及び１２２が時間ｔ１０で共通の交点を有するように設定されている。次に、時間ｔ１１で、測定された電圧値１２５と計算された電圧値１２６との間の差１２４は、ＵＴｉｐの調整に対して測定可能である。時間ｔ１２で、測定された電圧値１２８と計算された電圧値１２９との間の差１２７は、ＵＣｏｉｌの調整に対して測定可能であり、時間ｔ１３で、測定された電圧値１３１と計算された電圧値１３２との間の差１３０は、ＵＡｒｃの調整に対して測定可能である。時間ｔ１１、ｔ１２及びｔ１３の近く、又はそれらから離れた時間で、監視のために使用される値が測定される。測定された電圧値１２５、１２８及び１３１は、ランプの動作データである。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】切替え変圧器と、測定フィルタと、制御部とを有するブロック図を示す。
【図２】切替え変圧器のスイッチをオン及びオフに切替えるクロック信号のタイミング図を示す。
【図３】切替え変圧器の変換インダクタを流れる電流波形のタイミング図を示す。
【図４】半周期でのガス放電ランプにおける第一の電圧波形のタイミング図を示す。
【図５】半周期でのガス放電ランプにおける第二の電圧波形のタイミング図を示す。
【図６】第一及び第二の半周期でのランプにおける計算された電圧値のタイミング図を示す。
【図７】第一及び第二の半周期でのランプにおける測定された電圧値のタイミング図を示す。
【図８】測定されて、計算された電圧波形及び中間差分値のタイミング図を示す。
【符号の説明】
【００６３】
１  回路
２  切替え変圧器
３  ガス放電ランプ
４  電圧供給
５  測定フィルタ
６  Ａ−Ｄ変換器
７  制御ユニット
２０  転流段
２１  イグニッション段
２２  スイッチ
２３  ダイオード
２４  変換インダクタ
２５  比較器
２６  変換器
２７  制御手段
２８  測定点
２９  導電接続
３０  導電接続
３１  導電接続
３２  導電接続
３３  第一の制御ループ
３４  転流制御ユニット
３５  スイッチングトランジスタ
３６  スイッチングトランジスタ
３７  スイッチングトランジスタ
３８  スイッチングトランジスタ
３９  第一のインダクタ
４０  イグニッション変成器
４１  コイル
４２  コイル
４３  イグニッション制御ユニット
４４  キャパシタ
４５  導電接続
５０  電圧駆動部／抵抗
５１  電圧駆動部／抵抗
５２  増幅器
５３  第一のサンプル及びホールド段
５４  スイッチ
５５  キャパシタ
５６  第二のサンプル及びホールド段
５７  スイッチ
５８  キャパシタ
５９  インピーダンス変換器
６０  インピーダンス変換器
６１  加算器
６２  エッジトリガ信号送信器
６３  エッジトリガ信号送信器
６４  出力
６５  増幅器
６６  抵抗
６７  抵抗
６８  抵抗
８０  第二の出力制御ループ
８１  第三の内部制御ループ
８２  制御器
８３  コンピュータ回路
８４  比較器
８５  メモリ
８６  出力
８７  導電接続
９０  クロック信号
９１  オン切替え状態
９２  オフ切替え状態
９３  立ち上がり
９４  立ち下がり
９５  電流／電圧信号
９６  最小値
９７  最大値
９８  電圧波形
１０１  電圧波形
１０２  範囲
１０３  範囲
１０４  範囲
１０５  範囲
１０６  電圧差
１１１  計算された第一の半周期での電圧波形
１１２  計算された第二の半周期での電圧波形
１１３  測定された第一の半周期での電圧波形
１１４  測定された第二の半周期での電圧波形
１２１  測定された電圧値
１２２  計算された電圧値
１２３  交点
１２４  差分値
１２５  動作データ／測定された電圧値
１２６  計算された電圧値
１２７  差分値
１２８  動作データ／測定された電圧値
１２９  計算された電圧値
１３０  差分値
１３１  動作データ／測定された電圧値
１３２  計算された電圧値
【図１】
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2006526877.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2006526877.tif 000009
【図８】
2006526877.tif 000010
【国際調査報告】
2006526877.tif 000011
2006526877.tif 000012
2006526877.tif 000013
2006526877.tif 000014
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