技術 縦方向モードにおける高圧ランプの共鳴動作に対する作動方法および対応するシステムおよび電子安定器

0001

本発明は、請求項１の上位概念に記載の縦方向モードにおける高圧ランプの共鳴動作に対する作動方法と、対応するシステムと、電子安定器とに関する。ここでこの高圧ランプは、例えば、有利には少なくとも１．５のアスペクト比を有し、セラミック製の放電容器を有する高圧放電ランプである。

0002

本発明は並行して提出したDE-Az 10 2004 004 829.0と関係が深い。ここではこれを明に引用しておく。

0003

US 6 400 100からすでに縦方向モードにおける高圧ランプの共鳴動作に対する作動方法と、対応するシステムと、電子安定器とが公知である。そこでは第２の縦方向の音響的共鳴周波数を見つける方法が示されている。この明細書が出発点としているのは、縦方向モードを励起する周波数が連続的に下降する際に、ランプの相対的な動作電圧上昇が発生することによって、垂直方向の点灯位置（Brennlage）における共鳴周波数を見つけられることである。判明したのは、この方法により、分離されたアーク状態に対する縦方向の周波数を垂直方向の共鳴において見つけることができ、またこれを維持できることである。しかしながらこのようにして見つけた周波数は、金属ハロゲン化物充填物の充填物組成およびサーチプロシージャの経過の時点に応じてあまりに高くなりすぎることがあるため、上記の方法によって見つけた周波数における音響的共鳴の励起は、不十分な混合状態を生じさせ、分離も十分に良好には止まらないのである。さらに電子安定器における実現にはコストがかかってしまう。

0004

その他の点では、公知のメタルハライドランプにおいてはもっぱらランプの幾何学形状、放電容器の内側容積体の形状、電極間隔および充填物（緩衝ガス＋金属ハロゲン化物の選択）により、狭い出力領域Ｐｎ±３％に対して、動作点における色温度が決定される。ここでは色位置制御（Farbortsteuerung）のための動作モードとして、電気泳動プロセス（Kataphorese-Prozess）の利用の下で出力を変化させるか、または方形波または交流電流動作においてはデューティ比を制御することも可能である。
DE-Az 10 2004 004 829.0
US 6 400 100

0005

本発明の課題は、請求項１の上位概念に記載した縦方向モードにおける高圧ランプの共鳴動作に対する作動方法を提供して、メタルハライドランプに対し、殊に垂直方向の動作に対して色制御できるようにし、この際に出力レベルが変化しないようにすることである。別の課題は、対応するシステムおよび電子安定器を提供することである。

0006

この課題は、本発明の請求項１により、縦方向モードにおける高圧ランプの共鳴動作に対する作動方法であって、例えばスイープ信号によって周波数変調（ＦＭ）されかつ同時に振幅変調（ＡＭ）される高周波搬送波を利用し、ここではまずＡＭの基本周波数を定め、このＡＭの基本周波数を、第ｉ縦方向モード、有利には第２縦方向モードから導き出す形式の作動方法において、ランプを点灯して待機時間の終了を待った後、あらかじめ設定された出力における色温度を調整して、前記振幅変調が少なくとも２つの状態の間で周期的に交替するようにすることによって解決される。

0007

殊に有利な実施形態は従属請求項に記載されている。

0008

本発明の１実施形態では、上記のスイープ信号の周波数を、第１のアジマスモードおよび半径方向モードから導き出す。さらにこのスイープ周波数を動作時に一定に保ち、このスイープ周波数が、前記第１のアジマスモードと、半径方向モードとの間の領域にあるようにする。

0009

本発明の有利な実施形態では、コントローラによって上記のＡＭ信号の基本周波数を調整する。

0010

本発明の有利な実施形態では、上記待機時間を約３０〜８０秒間持続させる。

0011

本発明の１実施形態では、固定の２つの振幅変調度ＡＭ-Gradを時間的に交互に交替することによって、上記ＡＭの状態を実現する。また本発明では、固定のＡＭ-Gradを時間的にクロック制御して、ＡＭ-Grad ＝ ０％であるようにしてこれを実現する。また、第１のＡＭ-Gradの持続時間Ｔ1と、第２のＡＭ-Gradの持続時間Ｔ2との間の比から導出される等価のフルのＡＭ-Gradは、１５〜３５％の範囲にある。

0012

また本発明の別の実施形態では、固定の振幅変調度ＡＭ-Gradの振幅をステップ状に、急峻に、徐々に、または微分可能に、あらかじめ設定した周期で変化させることによって上記ＡＭの状態を実現する。

0013

別の実施形態では、ＡＭ-Gradそれ自体を振幅変調することによって上記ＡＭの状態を実現する。

0014

本発明の別の実施形態では、ＡＭ-Gradを時間的に構造化、例えば減衰することによって前記ＡＭの状態を実現する。

0015

本発明の１実施形態では、上記ＡＭの状態を実現する際、周期的なＡＭから導出される等価のフルのＡＭ-Gradは、１５〜３５％の範囲にある。

0016

本発明による作動方法では、１つまたは複数の有利には第２の縦方向の共鳴を励起し、この際に振幅変調を制御し、例えばパルス幅変調によってクロック制御する。これにより、クロック制御および／または構造化された振幅変調によって、例えばパルス幅変化の形態でまた場合によってはパルス高さ変化と組み合わせて、ランプ出力レベルを保ったままでメタルハライドランプの色制御することができるのである。

0017

一定のＡＭでは、これに関連したエネルギー入力を調整することはできない。これに対してクロック制御されたＡＭにより、エネルギー入力を微調整することができ、その際にランプの点灯位置が変わることによって別の動作状態に結び付いてしまうことはない。

0018

ここで出発点としているのは、あらかじめ設定される放電容器の幾何学形状に対して、内部長に対する狭い許容範囲があることである。ここでこの内部長は、縦方向の音響的共鳴を定めるランプのサイズであり、この音響的共鳴は、場合によっては生じ得るアークプラズマの最適な混合状態に対して殊に垂直方向の点灯位置において励起されるはずである。

0019

垂直方向の点灯位置においては分離に起因して水平方向の点灯位置と比べて音速が大きく変化し、これにより、ランプのウォーミングアップフェーズの後、縦方向の音響的共鳴（例えばf002＿vert）は、水平方向の点灯位置（例えばf002＿hor）に対して（多くの場合、より高い周波数の方向に向かって）大きくシフトされる。つぎに、徐々に混合状態に到達する固定の色温度を有する通常動作において、時間の経過と共にこの共鳴周波数が変化し、この変化は、水平方向の動作における共鳴周波数f002＿horに再び等しくなるまで続くのである。

0020

この際に殊に垂直方向の動作において発生する分離に起因し、水平方向の点灯位置において音速の偏差は、混合状態に比べて３０％までになり、多くは約１０〜２５％以上である。例えば、Ｈｇ／Ａｒ緩衝ガス混合気における音速の偏差は、混合状態の動作に比べて約１５〜２０％になることが判明した。具体的な測定値は、４６４ｍ／ｓに対して５５０ｍ／ｓになる。第２の縦方向の共鳴の共鳴周波数は一般にf002 ＝ cl × Ｌによって与えられ、ここで
cl ＝ (Ｒ＊κ＊Ｔ／Ｍ)１／２
は音速であり、またＲ：一般気体定数、κ＝圧縮率、Ｔ：平均プラズマ温度、Ｍ：プラズマガスの平均モル質量、Ｌ ＝放電容器の軸方向長さである。

0021

本発明は、典型的には５０ｋＨｚであり、４５〜７５ｋＨｚの平均のＨＦ領域における搬送周波数を有する動作を出発点としており、この搬送周波数には、有利にはＦＭ変調としてスイープ周波数が加えられ、その値は１００〜２００Ｈｚの範囲から選択される。この動作には振幅変調が加えられ、ここでこの振幅変調は、２つのパラメタ振幅変調度ＡＭ-GradおよびＡＭの持続時間のうちの少なくとも１つ、すなわちパルス休止比ならびに時間制御された振幅変調の深さＡＭ-TiefeＡＭ(ｔ)によって特徴付けられる。場合によっては、ＡＭないしはそれを操作したものを、ウォーミングアップフェーズの後、はじめて使用することができる。ＡＭ-Gradは、
ＡＭ-Grad ＝ (Ａmax−Ａmin)／(Ａmax＋Ａmin)
である。ここでＡは振幅である。

0022

本発明では、金属ハロゲン化物を含む放電容器を有する高圧放電ランプおよび対応する電子安定器からなるシステムも含まれており、このシステムでは、上記放電容器のアスペクト比は１．５以上、有利には２．５以上であり、また電子安定器は、上記の作動方法を実施するのに有利な電子安定器である。

0023

本発明では上記の方法の他に安定器も含まれており、この安定器にここに説明するプロシージャが実現される。この電子安定器は、スイープ信号発生器と、振幅信号発生器と、これらの２つの発生器に対する混合器と、場合によっては振幅変調信号の基本周波数を制御するコントローラとを有しており、さらにＡＭ信号を制御する手段が設けられており、これによってランプの色温度が調整される。

0024

詳しくいうと、大きな内部長を有する高効率のＨＣＩランプでは、少なくとも１．５のアスペクト比（放電容器の内部の長さＬ／内部の直径Ｄ）が有利であり、例えばＬ／Ｄ ＝ ２．５〜５．５である。ここでは中くらいの周波数から高い周波数のＡＭ動作により、振幅変調度を介して、１つまたは複数の縦方向モードの（有利には第１、第２または第３の）強度が励起される。これらのモードでは充填物は放電容器の中央領域に移動され、放電容器における充填物分布がアークに沿って調整される。このことは、例えば垂直または斜め方向（＞５５°の傾斜角）に作動されるランプにおいて殊に重要である。これによって、蒸気圧の組成が変化し、また堆積した充填物構成成分のスペクトル吸収も変化する。縦方向モードを励起するための変調周波数（ＡＭの基本周波数）は、通例、２０〜３５ｋＨｚの周波数領域にある。これに加えて通例４５〜７５ｋＨｚの搬送周波数において、約１００〜２００Ｈｚの範囲のスイープモードを有する周波数変調（ＦＭFrequenzmodulation）を行う。

0025

制御のために上記のＡＭ-Gradだけを使用することも、また変調されたＡＭ周波数の持続時間をパルス時間および休止時間として使用することも共に可能である。これらのＡＭ-Gradおよびパルス／休止の比を介し、すなわちＡＭがオンされる時間Ｔと、ＡＭがオフされる時間との間の比、略してＴ(ＡＭ-on)／Ｔ(ＡＭ-off)を介し、ならびにその他の時間制御される可変の振幅変調深さＡＭ(ｔ)、すなわちＡＭ変調度の上部構造により、広範囲に高い光発生量およびランプ出力を保持しながら色温度を変更することができる。

0026

殊に垂直方向の点灯位置において完全に分離されたプラズマ状態と、分離の完全な抑圧との間で行ったり来たりするのを制御することができる。明らかになったのは、これらの２つの状態が別個の色温度に相応するため、これらの極値も、その間にある色温度の値も共に比Ｔ(ＡＭ-on)／Ｔ(ＡＭ-off)によって調整できることである。例えば、１０００Ｋを上回る例えば３０００Ｋ〜４５００Ｋの色温度変化またはさらに大きな色温度変化をこのようにして制御することができる。

0027

通例の金属ハロゲン化物充填物は、ＤｙＪ3，ＣｅＪ3，ＣａＪ2，ＣｓＪ，ＬｉＪおよびＮａＪを含む。ＡＭ-Gradは連続動作の際、通例１５％〜４０％である。しかしながら、相異なるＡＭを有するＡＭ時間領域の高速の列を使用する場合には、これは０〜５０％の値に達することが可能である。

0028

本発明では、所定のＡＭフェーズと、ＡＭのないフェーズとを交替する代わりに、相異なる２つのＡＭフェーズの間の交替を使用することも可能である。

0029

以下では本発明を複数の実施例に基づいて詳しく説明する。

0030

図１には比較的大きなアスペクト比ＩＤ／ＩＬを有する高圧ランプの概略図が示されている。この高圧ランプは円筒状でセラミック製の放電容器１を使用しており、これは与えられた内径ＩＤおよび与えられた内部長ＩＬを有する。この放電容器の端部２には電極３が配置されており、これらの電極は、リード線４によって給電部５に接続されている。この放電容器は、通常、アルゴンおよび金属ハロゲン化物、例えばアルカリヨウ化物および希土類元素ヨウ化物ならびにヨウ化タリウムからなる混合物を有する緩衝ガスＨｇからなる充填物を含む。このランプは電子安定器（図３を参照されたい）において高周波により、音響的に安定化された共鳴において作動される。このために殊に第２の縦方向の共鳴が推奨される。

0031

詳細に調査したランプは、７０Ｗ出力の高効率メタルハライドランプである。放電容器は１８．７ｍｍの最大軸方向内部長ＩＬおよび４ｍｍの内径ＩＤを有する。したがってアスペクト比は４．７である。この高圧ランプは４．４ｍｇのＨｇと、ＮａＩ：ＣｅＩ3：ＣａＩ2：ＴｌＩ＝１．７８：０．２８：１．９３：０．２８ｍｇからなる金属ハロゲン化物混合物とによって充たされている。電極間隔は１４．８ｍｍである。

0032

予備調査によって確認されたのはアーク安定化された動作が可能なことであり、ここではアークは垂直および水平方向の点灯位置が電極間を結ぶ線にセンタリングされる。このために４５〜５５ｋＨｚの範囲の、スイープされた高周波による動作を出発点とする。ここでこれは典型的なｆＦＭ＝１３０Ｈｚのスイープレートを有する。

0033

垂直方向の点灯位置では、動作開始および約１２０秒のウォームアップフェーズ後、セグリレゲーションすなわち分離された金属ハロゲン化物分布がアークに沿って発生する。蒸発フェーズにおいて存在する金属ハロゲン化物の成分は、アーク長にわたって均一には分布しない。アルカリヨウ化物および希土類元素ヨウ化物の放射は、ランプの下側３分の１に集中するのに対して、上部電極までの上側の部分では主にＨｇおよびＴｌの放射が観察される。この状態においてこのランプの演色は比較的とぼしく、また光発生量は比較的わずかである。さらに垂直方向の点灯位置における色温度は、水平方向の点灯位置における色温度とは大きく異なり、しかも１５００Ｋまでも異なるのである。

0034

１０〜３０％のＡＭ-Gradを有し、約２５ｋＨｚの固定の周波数ｆＡＭを有する振幅変調を加えることによって、概略的に示した図２に相応して（小さな図は実際の測定を示す）このランプにおける電気的な出力スペクトルが、１３０s−１のスイープレートにおいて、すなわち７．７ｍｓの時間にわたって２０〜１５０ｋＨｚの範囲で形成される。ここでは高次のオーダはそれが抑圧され得ることに起因して、以下では考量しない。ＡＭ周波数（２５ｋＨｚ）の領域における出力成分が影響して、第２の音響的な縦方向の共鳴ｆ００２が励起される。

0035

図３には、対応する電子安定器の原理図が示されている。これはつぎの重要なコンポーネントを有する。すなわち、
タイマ／シーケンサ：ここでは高圧ランプの点火およびアーク転送（Bogenuebernahme）の後にウォーミングアップフェーズの持続時間を制御するためおよび形成フェーズ（Praegephase）を使用するために時間方式の制御が行われる。さらにここではランプアーク安定化に対するスイープレートの制御が行われる。

0036

さらに周波数スキャンを実行する際のスキャンレートならびに各周波数ポイントにおける停止時間と、連続するプロシージャステップ間の休止時間の決定とが制御される。

0037

パワーステージ（出力段）：電流制限素子および通常の周波数特性を有するフルブリッジまたはハーフブリッジ。これは給電線路（４５０Ｖ ＤＣ）を介して電源に結合されている。

0038

フィードバックループ（帰還結合ループ）：ランプの動作の識別、場合によってはランプ電流およびランプ電圧などのランプパラメタをフィードバックして、制御パラメタを調整し、またウォームアップフェーズないしは形成フェーズを決定し、ないしは別の調整パラメタによって形成フェーズを繰り返す。
ここには電子安定器出力側（ランプ）における電流および電圧を十分な精度で測定する回路部分が実装されている。この回路部分のＡ／Ｄ変換器を介して測定値は、コントローラにおける処理のために処理される。発生したデータは、後続の評価プロシージャのためにデータ記憶装置に書き込まれる。

0039

ランプ：高圧放電ランプ（ＨＩＤランプ）
ＦＭ変調器：高出力周波数変調器
ＡＭ変調器：周波数ｆＡＭもＡＭ-Grad ＡＭＩも共に制御可能なアナログ変化の高出力変調器
ＡＭ信号発生器：ディジタルまたは電圧制御の発振器
ＦＭ信号発生器：ディジタルまたは電圧制御の発振器
パワーサプライ（電源）：レール電圧発生器
コントローラ：全ユニットの中央コントローラ
以下では上記の新しい作動方法の複数の実施例を説明する。

0040

最も簡単なケースは、搬送周波数だけによる動作である。ランプ動作ではこの周波数を周波数変調（ＦＭ）し、そのためのこれを通例、ノコギリ歯状にスイープする。これはすなわち、ＡＭ-Grad ＝０であり、垂直動作において意図的に調整したプラズマの分離、すなわちセグリゲーションが行われる。１実施例は図４に示されており、ここでは電流が時間の関数として与えられている。上に導入した表し方によれば、これは連続動作、すなわちＴ(ＡＭ-off) ＝ ∞を意味する。

0041

図５には、ＡＭ連続動作、すなわちＴ(ＡＭ-on) ＝ ∞の例が示されている。ここでは最大振幅Ａmaxおよび最小振幅Ａminも記入されている。このＡＭは、動作持続時間すべてにわたっている。

0042

しかしながら本発明では、２つの状態から構成される混合または適切な修正を使用する。この際に最も簡単なケースでは、ＡＭ-onの区間と、ＡＭ-offの時間とを互いに規則的に交替するか、または必要に応じて交替する。ＡＭ-onを供給する時間がＴ(ＡＭ-on)であり、ＡＭ-offを供給する時間がＴ(ＡＭ-off)であり、これらの２つのフェーズが互いに交替する。ここで判明したのは、例えば、約１５〜３５％の「等価」のＡＭ-Gradを有する連続的なＡＭ動作に相応する比較的低い比Ｔ(ＡＭ-on)／Ｔ(ＡＭ-off)によって、垂直動作における分離が止まることである。図６にはＡＭ-onの時間およびＡＭ-offの時間が互いに接して並んでいる様子が概略的に示されている。

0043

比Ｔ(ＡＭ-on)／Ｔ(ＡＭ-off)、すなわちパルスと休止との比は、０とＴ(f(ＡＭ))とＴsweepとの間にある。

0044

しかしながらこのようにする代わりに、与えられたＡＭにさらに構造を加えることも可能であり、この構造は、例えば減衰という意味での下部構造か、または例えばランプ状、台形状または正弦波状の上部構造のいずれかである。ここでも等価なＡＭ-Gradを定めることができる。これは、むだ時間ＡＭ-offを伴って、または有利にはこのむだ時間ＡＭ-offなしに行うことができる。この意味では上に示したクロック制御されたＡＭも、方形の上部構造である。

0045

「等価」のＡＭ-Gradを適切に選択すると、ガス放電柱状体ないしはプラズマのあらかじめ設定された音響的の振動状態において、音響的な出力は、クロック制御されておよび／または音響的共鳴の強さによって制御されて（ないしは音の強度で制御されて）励起状態に入力結合される。これにより、ランプにおける充填物移動プロセスが制御されて、所定の上部構造と、メタルハライドランプのそれぞれ決まった色温度とが結び付けられるのである。

0046

音波の減衰に起因して、典型的な持続時間が、過渡振動過程に対しても、最大休止時間Ｔ(ＡＭ-off)に対しても、振幅変調深さ（ＡＭ-Grad）のダイナミックに対しても共に得られ、これらを励起電流信号に加えることができる。

0047

振幅変調深さＡＭ-Tiefeは、つぎのファクタによって決定される。すなわち、
Ｔ1 ＝搬送周波数の周期時間
τ(ＡＭ＿damp) ＝ 例えば減衰されたＡＭ信号列における減衰時間
Ｔ2 ＝ 振幅変調周波数の周期時間
ＡＭ-Grad ＝振幅変調度（通例１５〜３５％）
Ｔ(ＡＭ-on) ＝オンにされたＡＭのクロック持続時間
Ｔ(ＡＭ-off) ＝ ＡＭの休止時間
によって決定されるのである。

0048

例としては減衰した経過および減衰しない経過が可能である。部分的にはＡＭ-Gradコンセプトの代わりに振幅変調インデックスＡＭ-Indexのコンセプトも使用される。

0049

図７には、フェーズＡＭ-onである固定の時間Ｔn(ＡＭ-on)と、フェーズＡＭ-offである固定の時間Ｔf(ＡＭ-off)とを有し、ＡＭ-Gradが一定である例が概略的に示されており、これらの時間は規則的に相前後して並ぶ。これは実質的に図６に相応するが、ブロックの形で示されている。

0050

図８には安定した２つのＡＭ-Gradが交替する例が示されている。これは例えば、固定の持続時間Ｔ1およびＴ2を有する固定のＡＭ-Gradであり、これら時間の間では高さの異なる最大振幅Ａmax1およびＡmax2を使用可能である。

0051

図９には別の実施例、すなわち振幅Ａmaxが同じであり、相異なる２つのＡＭ-Grad間、例えば２０および３０％間で交替する例が示されている。

0052

別の例が図１０に示されている。ここでは互いに交替し減衰する２つのダイナミックなＡＭ-Grad、すなわち最大振幅Ａmaxの異なるＡＭ-Gradが示されており、この最大振幅は、持続時間Ｔ1ないしはＴ2の曲線列でそれぞれ別個に大きく減衰されている。

0053

当然のことながら、上記の動作の別個のタイプを互いに有利に組み合わせることも可能である。

0054

クロック制御を適用する際には１サイクルの総時間Ｔgは、
Ｔg ＝ Ｔ(ＡＭ-on)＋Ｔ(ＡＭ-off)
でなければならず、通例、周期はＴg ≦ ２０msの範囲である。すなわち、少なくとも５０Ｈｚ動作にほぼ相応する。

0055

ここで比Ｔ(ＡＭ-on)／Ｔ(ＡＭ-off)はほとんど任意であり、Ｔ(ＡＭ-on)に対する有利な持続時間の最小値は、通例２０〜４０ｋＨｚ、例えば２４．４ｋＨｚであるＡＭ周波数の５〜１０周期（０．２〜０．４ｍｓ）であるのがふつうである。これにより、ガス放電柱が振動しはじめ、固有振動状態に入ることが保証される。

0056

信号ＡＭ-onのフェーズは有利にはＡＭ信号のフェーズに結合されるが、信号ＡＭ-onの持続時間、すなわち値Ｔ(ＡＭ-on)が十分に大きい場合にはこの要求は必ずしも必要ではない。したがって通例０．２／２０ ＝ １／１００であるＡＭの最小デューティサイクルが得られる。デューティサイクルとして比Ｔ(ＡＭ-on)／Ｔgが定められ、ここでＴgは上に定められているものである。

0057

図１０に示した減衰する共鳴振動の典型的な減衰時間τ(ＡＭ-damp)は、Ｈｇが優勢を占めるプラズマ、すなわち、金属ハロゲン化物の他に重要な成分として水銀も含む充填物では２０〜５０ｍｓの範囲である。

0058

ＡＭ変調をクロック制御しさらに時間的にも変調することによって、制御モードのスペクトルが得られ、これにより、分離を調整しひいてはこの原理で作動されるランプにおける色制御を行う。

0059

高圧ランプの放電容器の概略図である。
音響的に励起される縦方向の共鳴によって安定化するためＡＭおよびＦＭ変調される高圧ランプの概略出力スペクトル線図である。
電子安定器の概略構造図である。
搬送波における振幅変調インデックスＡＭ-Indexの時間経過を示す図である。
搬送波における別の振幅変調インデックスＡＭ-Indexの時間経過を示す図である。
搬送波におけるさらに別の振幅変調インデックスＡＭ-Indexの時間経過を示す図である。
搬送波におけるさらに別の振幅変調インデックスＡＭ-Indexの時間経過を示す図である。
搬送波におけるさらに別の振幅変調インデックスＡＭ-Indexの時間経過を示す図である。
搬送波におけるさらに別の振幅変調インデックスＡＭ-Indexの時間経過を示す図である。
搬送波へのさらに別の振幅変調インデックスＡＭ-Indexの時間経過を示す図である。

0060

１放電容器
２ 放電容器端部
３電極
４リード線
５給電部