用于驱动气体放电灯的方法和驱动单元.pdf

本发明涉及驱动气体放电灯(1)的方法。在第一方法中，确定所述气体放电灯(1)两端的电压值(Ul)，随后应用表示光通量与放电电弧长度(d)的相关性的校正函数(Kd)来计算对应于目标光通量值(Ul)的所需灯功率值(Pr)。最后根据该所需灯功率值(Pr)来操作所述气体放电灯(1)。在第二方法中，确定所述气体放电灯(1)两端的电压值(Ul)和所述气体放电灯(1)内部的压力值(pl)，随后应用表示光通量与放电电弧长度(d)的相关性的校正函数(Kp)，以便利用所述灯电压值(Ul)和所述灯压力值(pl)来计算对应于目标光通量值的所需灯压力值(pr)。最后根据该所需灯压力值(pr)来操作所述气体放电灯(1)。此外，本发明还涉及用于驱动气体放电灯(1)的适当驱动单元(4，58)以及包括气体放电灯(1)和所述驱动单元(4，48)的图像呈现系统(特别是投影仪系统)。

1、  一种驱动气体放电灯(1)的方法，其中：
确定所述气体放电灯(1)两端的电压值(U_L)；
使用表示光通量(Φ)与放电电弧长度(d)的相关性的校正函数(K_d)，以便利用所述灯电压(U_L)来计算对应于目标光通量值(Φ_T)的所需灯功率值(P_R)；
根据所需灯功率值(P_R)来操作所述气体放电灯(1)。

2、  根据权利要求1的方法，其中，所述放电电弧长度(d)由分数给出，所述分数的分子通过从所述灯电压值(U_L)减去灯电极下降值(U_fall)而给出，并且所述分数的分母由灯压力相关的因数(a_p)给出。

3、  根据权利要求1或2的方法，其中，所述校正函数(K_d)与收集区域(E)和电弧放电长度(d)的函数的反正切成比例。

4、  根据权利要求1-3的方法，其中，通过使用数学近似来计算所需功率值(P_R)，所述数学近似优选地是所述灯电压值(U_L)的代数函数。

5、  根据权利要求4的方法，其中，所述代数函数是所述灯电压值(U_L)的多项式函数，优选地是2次多项式函数。

6、  根据权利要求1-5的方法，其中，所述气体放电灯(1)被设置在光反射器附近，并且所需灯功率值(P_R)与所述光反射器的反射率值(η_refl)成反比。

7、  一种用于驱动气体放电灯(1)的方法，其中：
确定所述气体放电灯(1)两端的电压值(U_L)；
确定所述气体放电灯(1)内的压力值(P_L)；
使用表示光通量(Φ)与放电电弧长度(d)的相关性的校正函数(K_p)，以便利用所述灯电压(U_L)和所述灯压力值(P_L)来计算对应于目标光通量值(Φ_T)的所需灯压力值(P_R)；
根据所需灯压力值(P_R)来操作所述气体放电灯(1)。

8、  根据权利要求7的方法，其中，通过能够改变所述气体放电灯(1)的温度(T_L)的装置(55)来控制所述气体放电灯(1)内的压力(P)，从而根据所需灯压力值(P_R)来操作所述气体放电灯(1)。

9、  一种用于驱动气体放电灯(1)的驱动单元(4)，其包括：
电压确定单元(40)，其用于确定所述气体放电灯(1)两端的灯电压值(U_L)；
功率计算单元(42)，其利用所述灯电压值(U_L)和校正函数(K_d)来计算对应于目标光通量值(Φ_T)的所需灯功率值(P_R)，其中所述校正函数(K_d)表示光通量(Φ)与放电电弧长度(d)的相关性；
功率控制单元(43)，其根据所需灯功率值(P_R)来驱动所述气体放电灯(1)。

10、  一种用于驱动气体放电灯(1)的驱动单元(58)，其包括：
电压确定单元(40)，其用于确定所述气体放电灯(1)两端的灯电压值(U_L)；
压力确定单元(51)，其用于确定所述气体放电灯(1)内的压力值(P_L)；
压力计算单元(52)，其利用所述灯电压值(U_L)、所述灯压力值(P_L)以及校正函数(K_P)来计算对应于目标光通量值(Φ_T)的所需灯压力值(P_R)，其中所述校正函数(K_P)表示光通量(Φ)与放电电弧长度(d)的相关性；
压力控制单元(53)，其根据所需灯压力值(P_R)来控制所述气体放电灯(1)内的压力(P_L)。

11、  一种特别是投影仪系统的图像呈现系统，其包括根据权利要求9或10的驱动单元(4，58)和气体放电灯(1)。

用于驱动气体放电灯的方法和驱动单元
技术领域
本发明涉及驱动气体放电灯的方法。更具体来说，本发明涉及用于驱动气体放电灯的适当的驱动单元，并且涉及一种包括气体放电灯和所述驱动单元的图像呈现系统(特别是投影仪系统)。
背景技术
气体放电灯(特别是高压气体放电灯)通常被用作诸如汽车头灯、建筑物照明或者视频投影系统之类的应用的光源。一般来说，这些气体放电灯包括由例如石英玻璃的耐高温材料构成的外壳或腔室。电极从相对侧凸入该外壳中。所述电极由导电材料制成，其常常包括较大部分的钨。所述腔室包含由一种或多种稀有气体构成的填充物，并且所述填充物在汞蒸气放电灯的情况下主要由汞构成。通过在所述电极上施加高点火电压，在所述电极的尖端之间产生光弧。在建立了所述光弧之后，可以施加一个低于所述点火电压的电压来维持所述光弧。一般来说，该电压可以是直流类型电压(“DC类型”)或交流类型电压(“AC类型”)。但是通常的实践是用AC类型电压来操作气体放电灯，因为这种模式与DC类型模式相比将导致所述电极的更为均匀的负载。
但是即使在AC类型操作模式下，所述电极的形状(从而所述放电电弧的长度)在灯操作期间通常也会发生变化。这些变化包括短期变化、长期或者甚至使用寿命变化，并且常常还有由所述气体放电灯的特定操作模式所导致的变化。可以如下解释所述电极的形状变化：当所述气体放电灯在其标称额定功率下操作或者接近该功率操作时，所述电极确实会达到相对较高的温度。这些高温导致所述电极材料的至少部分熔融，从而可能会导致所述电极的形状改变。此外，特别当电极作为阳极操作时，在所述光弧到所述电极的附着点处可能会发生电极材料的蒸发。所述蒸发常常伴随有在所述电极处的材料冷凝，特别当提供给所述气体放电灯的电流方向被切换时(即当电极从阳极被切换到阴极模式时)尤其如此。这种蒸发-冷凝循环的重复常常导致在所述电极的尖端上形成凸起，其会实质上减小所述放电电弧的长度。此外，所述气体放电灯的操作条件的改变还可能引入所述电极的形状和所述放电电弧的长度的改变。例如，如果通过降低被提供给气体放电灯的功率而把所述灯从标称功率电平切换到调暗模式下，所述腔室内部以及所述电极的温度将会降低。所述降低的温度随后可能导致在所述电极上的材料冷凝，从而会改变所述放电电弧的长度。此外还常常应用各种操作模式来刻意改变所述电极的形状或者所述放电电弧的长度。例如，美国专利5,608,294描述了一种促进在所述电极的表面上的材料沉积的电路设置，WO 2005/062684 A1则公开了一种调节被提供给所述气体放电灯的AC类型电压的频率以便防止所述气体放电电弧的长度变得过短的方法和电路设置。
与所述电弧长度的上述变化相关联的一个问题在于，取决于所述电弧长度，由所述气体放电灯生成的光通量也将发生变化。很明显，这一问题代表许多气体放电灯应用(比如其在汽车头灯中的用途)的一个缺陷。这在气体放电灯被用作图像呈现系统中的光源时是特别不合期望的，这是因为所述系统的用户将注意到这种变化作为所呈现的图片或视频的亮度的干扰性改变。这一缺陷由于以下事实而被加剧：对于图像呈现系统来说，只有通过具有非常短的放电电弧的灯才能实现所述光学系统的经过优化的性能。不幸的是，这些超短电弧灯的特征在于所述光通量与所述放电电弧的强相关性。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供驱动气体放电灯的方法，从而即使在所述放电电弧的长度不断改变的情况下也保持所期望的目标光通量，本发明的目的还有提供适当的驱动单元，所述驱动单元例如可以被用在图像呈现系统中，以避免如上所述的光通量的不合期望的变化。
为此，本发明提供驱动气体放电灯的第一方法，由此确定所述气体放电灯两端的电压值。随后应用一个表示光通量与放电电弧长度的相关性的校正函数，以便利用所确定的灯电压值计算对应于目标光通量值的所需灯功率值。随后根据所计算的所需灯功率值来操作所述气体放电灯。
在根据本发明的第二方法中，除了所述灯电压值之外还确定所述气体放电灯内部的压力值。随后应用一个表示光通量与放电电弧长度的相关性的校正函数，以便利用所确定的灯电压值和所确定的灯压力值来计算对应于目标光通量值的所需灯压力值。随后根据所计算的所需灯压力值来操作所述气体放电灯。
通过使用上述两种方法当中的任一种，有可能将气体放电灯操作成即使在所述放电电弧的长度不断改变的情况下也可以给出稳定的光通量。特别出于图像呈现目的，稳定的光通量可以为用户体验的投影质量做出有益的贡献。
一般来说，许多现有技术灯驱动方法的特征在于一个程序，其中对于被提供给所述气体放电灯的电功率进行调节，以便满足目标灯功率值。与此相对，根据本发明的方法是控制气体放电灯的操作，从而实现预先定义的目标光通量。这是非常重要的，因为受到良好控制的光通量一般来说是用于任何类型的照明目的(特别是对应于图像呈现系统)的关键属性。由于所述方法不限于单一目标光通量值，因此可以把所述方法有利地应用于必须被操作在不同光输出水平下的气体放电灯。通常对于图像呈现系统给出这种要求，这是因为所述图像呈现系统应当能够对于较暗的图像或视频场景调暗所述光输出。在这些情况下，根据本发明的方法提供了精确调节所述光输出的可能性，这是因为所述放电电弧长度对所述光输出的影响也被纳入考虑。此外，随着可以使用根据本发明的方法，对于超短电弧气体放电灯的合乎期望的使用将变得没有那么关键。这些灯的特征在于，放电电弧长度为大约1mm或者甚至低于1mm。可以根据所公开的方法按照简单的方式补偿所述光通量与所述电弧长度的强相关性，而所述强相关性对于上述灯来说是很常见的。
本发明有利地利用诸如所述灯电压或灯压力之类的参数来确定对于所述电弧长度变化的校正。一般来说，与所述放电电弧自身的长度相比可以更加容易地获得上述参数。实际上，在许多情况下，直接测量或确定实际的放电电弧长度几乎是不可能的。
对应于所述第一方法的第一驱动单元包括电压确定单元、功率计算单元以及功率控制单元。所述功率计算单元利用所述灯电压值和校正函数来计算对应于目标光通量值的所需灯功率值，其中所述校正函数表示光通量与放电电弧长度的相关性。所述功率控制单元随后根据所计算的所需灯功率值来操作所述气体放电灯。由于典型的现有技术灯驱动单元已经包括用于获得灯电压、用于执行计算以及用于控制被提供给所述气体放电灯的电功率的模块或单元，因此可以特别有利地通过简单地为现有驱动单元提供适当的软件模块或者例如通过升级其处理器或软件代码存储单元而获得根据本发明的驱动单元。
对应于所述第二方法的第二驱动单元包括电压确定单元、压力确定单元、压力计算单元以及压力控制单元。所述电压确定单元和所述压力确定单元分别确定灯电压值和灯压力值。所述压力计算单元利用所述灯电压值、所述灯压力值以及校正函数来计算对应于目标光通量值的所需灯压力值，其中所述校正函数表示光通量与放电电弧长度的相关性。所述压力控制单元随后根据所计算的所需灯压力值来操作所述气体放电灯。
从属权利要求和后续描述公开了本发明的特别有利的实施例和特征。
已经观察到，可以通过下面的关系式以足够高的精确度实质上描述或者至少近似所述气体放电灯两端的电压值U_L：
U_L＝U_fall+a_P·d           (1)
其中，U_fall是电极下降(electrode fall)，a_p是取决于气体放电灯的腔室内部的压力的系数，并且d是所述放电电弧的长度。对于典型的超高压气体放电灯，U_fall取得一个恒定值，其通常处于16V到18V之间。通过重新设置等式(1)，可以通过一个分数来表示所述放电电弧的长度d，该分数的分子通过从所述灯电压值U_L减去所述灯电极下降值U_fall而给出，并且该分数的分母由灯压力相关的因数a_p给出：
d＝(U_L-U_fall)/a_p       (2)
此外，在许多情况下，所述气体放电灯的腔室内部的压力在特定的电弧长度范围内或者在短时间间隔内实质上不改变。因此，在本发明的一个特定实施例中，假设所述灯压力保持恒定。因此，根据等式(2)，由于U_fall和a_p在本例中是恒定值，因此可以简单地通过确定所述灯电压U_L来计算所述电弧长度d。
根据U.Weichmann等人的出版物SPIE Vol.5740，pp.12-26，2005，可以通过下面的关系式来描述从一般的气体放电收集的光通量Φ：
Φ . = . η ret 1 · η plasma · η coll · η ele · P - - - ( 3 ) ]]>
其中，η_refl是被设置在所述光弧附近的光反射器的反射率，η_plasma是所述气体放电灯的固有功效，η_coll是所述光弧在给定收集区域(etendue)E内的收集效率，η_ele是所谓的电效率，并且P是被提供给所述气体放电灯的电功率。所述固有功效η_plasma是一个恒定参数，并且对于超高压灯内的Hg放电例如具有大约88lm/W的典型值。在等式(3)右侧的5个因子中，只有η_coll和η_ele与所述放电电弧长度d相关。在这里，η_coll实质上可以用所述收集区域E与所述放电电弧长度d的2次多项式的分数的三角反正切来描述：
η_coll＝2·π^-1·atan[E/3.8·d²+0.9·d+0.8)]          (4)
所述电效率η_ele可以用下面的等式来描述：
η_ele＝a_P·d/U_L            (5)
通过使用等式(4)和(5)来替换等式(3)内的η_coll和η_ele，可以通过下面的等式来确定所述光通量Φ：
Φ . = . η ref 1 · η plasma · 2 · π - 1 · a tan [ E / ( 3.8 · d 2 + 0.9 · d + 0.8 ) ] · a p · d · U L - 1 · P - - - ( 6 ) ]]>
根据本发明，等式(6)可以被用来计算获得给定的目标光通量Φ_T所需的灯功率值P_R：
P_R(U_L，d)＝Φ_T/K_d(U_L，d)         (7)
其中，所述校正函数K_d是U_L以及d的函数，其描述由下式给出的所述光通量Φ与所述放电电弧长度d的相关性：
K_d(U_L，d)＝η_refl·η_plasma·2·π^-1·atan[E/(3.8·d²+0.9·d+0.8)]·a_p·d·U_L^-1          (8)
因此，根据本发明，所述校正函数K_d与所述收集区域E和所述电弧放电长度d的函数的反正切(atan)成比例。所述多项式系数(3.8、0.9和0.8)被用作根据本发明的方法的例子。在不偏离本发明的范围的情况下，例如可以应用K_d与U_L和d的不同函数相关性或者对应于所述多项式系数的不同的一组值，这取决于与本发明一起使用的实际灯类型。
如上所述，可以通过例如由等式(2)给出的所述灯电压U_L的函数来表示所述放电电弧长度d。这样允许简化等式(8)，从而使得K_d仅仅是如等式(9)所描述的所述灯电压U_L的函数：
K_d(U_L)＝η_refl·η_plasma·2·π^-1·atan[E/(3.8·U_d²/a_p²+0.9·U_d/a_p+0.8)]·U_d·U_L^-1             (9)
于是由下式给出电压差U_d：
U_d＝U_L-U_fall            (10)
根据本发明，通过采用等式(9)可以简化等式(7)，从而可以单独从所述灯电压U_L获得P_R，这是因为所有其他参数都是恒定的，正如上面所概述的那样。因此，由下式给出P_R：
P_R(U_L)＝Φ_T/K_d(U_L)        (11)
基于等式(11)，有可能通过根据本发明的方法来操作气体放电灯，从而可以补偿由于电弧长度变化所导致的光通量变化。因此，可以获得实质上恒定的光通量，而没有直接获得所述放电电弧长度d的复杂度。
在本发明的一个优选实施例中，利用数学近似来计算等式(11)的所需功率值P_R。这样可以简化所述相对复杂的计算(其中包括如等式(9)中所示的反正切函数)。这种简化例如可以方便在灯驱动单元内实现所公开的方法，这是因为这些驱动单元常常不提供执行复杂计算(比如三角函数)的能力。在一个特别优选的实施例中，所述数学近似是所述灯电压U_L的代数函数。
在另一个特别优选的实施例中，用于计算所需灯功率值P_R的代数函数是所述灯电压U_L的一个n次多项式函数，其可以由下面的等式来描述：
P_R(U_L)＝c_n·U_Lⁿ+c_n-1·U_L^n-1+...+c₂·U_L²+c₁·U_L+c₀              (12)
其中，n是正自然数，c_n，c_n-1，...，c₂，c₁，c₀是多项式系数。这些多项式系数可能与诸如所述收集区域E、下降电压U_fall、反射率η_refl、固有功效η_plasma以及目标光通量Φ_T之类的参数相关。在本发明的一个特别优选的实施例中，所述多项式函数是2次多项式，也就是说在等式(12)中有n＝2。
在本发明的另一个实施例中，可以按照表类格式来存储由等式(9)或者上面描述的近似(比如由等式(12)给出的近似)给出的所述校正函数K_d。例如，对于给定的一组灯电压值U_L，所述表(其常被称作“查找表”或LUT)将为给定的该组灯电压值当中的每一个值提供一个所需灯功率值P_R。如果所确定的灯电压值U_L没有被存储在所述表内，则可以应用技术专家已知的适当近似来确定所需灯功率值P_R。
根据本发明，还可以通过控制所述灯压力来控制及稳定由所述放电灯生成的光通量。在这种情况下，根据放电灯操作的一种广为接受的模型，应用所述因子a_p与实际灯压力p_L的线性相关性：
a_p＝a·P_L                  (13)
其中，a是恒定参数。相应地，通过使用等式(13)来替换等式(2)中的a_p，一旦获得了所述灯电压U_L和所述灯压力p_L之后就可以确定所述放电电弧的长度d：
d＝(U_L-U_fall)/a·P_L         (14)
利用a_p与所述灯压力的线性相关性，可以如下表示根据等式(5)的所述电效率η_ele：
η_ele＝a·p_R·d/U_L           (15)
其中，p_R是对应于目标光通量Φ_T的所需灯功率值。
重新设置等式(2)可以得到下式：
U_L＝U_fall+a·p_R·d           (16)
这样允许替换等式(15)中的U_L，从而由下式给出η_ele：
η_ele＝[1+U_fall/(a·p_R·d)]^-1          (17)
其可以被应用来替换等式(3)内的η_ele，从而通过下式给出获得预设的目标光通量Φ_T所需的灯压力值p_R：
p_R＝Φ_T·U_fall·[a·b·(η_refl·η_pladma·η_coll·P-Φ_T)]^-1             (18)
因此，根据本发明的用于获得所需灯压力值p_R的校正函数K_p实际上表示函数K_p(Φ_T，d)，其与所述目标光通量Φ_T和所述电弧长度d相关。虽然等式(18)包括所述放电电弧长度d作为一个参数并且所述收集效率η_coll也与所述放电电弧长度相关，但是通过应用由等式(14)所建立的关系式可以从函数K_p中消除作为参数的d。这是可以实现的，因为在所述灯电压p_L被适配到新的目标值p_R的通常较短的时间内可以假设所述放电电弧长度d保持恒定。因此，所述校正函数K_p最终与所述目标光通量Φ_T、灯电压值U_L以及灯压力值p_L相关：
p_R＝K_p(Φ_T，U_L，p_L)          (19)
在许多情况下，所述气体放电灯的腔室被密封。因此，只能例如通过改变所述气体放电灯的操作模式按照“间接的”方式来调节所述气体放电灯内的压力。所述气体放电灯的温度变化对于所述压力也会有影响，这是因为所述灯内的压力由所述放电腔室内的最冷点的温度决定。相应地，在本发明的另一个优选实施例中，通过能够改变所述气体放电灯的温度的装置来控制所述气体放电灯内的压力，从而根据所需灯压力值来操作所述气体放电灯。所述用于调节温度的装置可以包括被放置在所述气体放电灯处或者被放置成与之紧邻的任何种类的加热或强制冷却单元。例如，可以在所述灯的旁边设置通风机，从而使得由所述通风机生成的气流经过所述气体放电灯。通过控制所述通风机的操作，可以改变所述气体放电灯的温度，这最终会导致对所述气体放电灯内的压力的所期望的控制。实现温度变化的另一种方式可以是改变输入到所述灯的功率；但是这种方法又与上面描述的功率控制方法紧密相关。
与控制所述气体放电灯内的压力类似，常常不可能直接直接确定实际的灯压力。因此，在本发明的另一个优选实施例中，通过对由所述气体放电灯提供的光进行光谱分析来确定所述压力。例如对于高压汞放电灯来说，可以从所述546.1nm谱线的宽度导出所述气体放电灯的腔室内的压力。
通过下面结合附图做出的详细描述，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。但是应当理解，附图仅仅是出于说明的目的而被设计的，其不限定本发明。
附图说明
在附图中，相同的附图标记指代相同的对象。
图1a和1b示出了两个测量实例和相应的建模，其中示出了所述相对光通量收集效率与所述放电电弧的长度的相关性；
图2a和2b示出了对应于在没有补偿所述放电电弧的长度变化的情况下操作的气体放电灯的所收集的光通量的测量结果；
图3示出了气体放电灯和根据本发明的驱动单元的一种可能的实现方式的方框图；
图4a和4b示出了对应于通过根据本发明的方法操作的气体放电灯的所收集的光通量的测量结果；
图5示出了气体放电灯和根据本发明的驱动单元的另一种可能的实现方式的方框图。
附图中的对象的规格是出于清楚的目的而被选择的，其不一定反映实际的相对规格。
具体实施方式
图1a和1b是G.Derra等人的出版物J.Phys.D：Appl.Phys.38，pp.2995-3010，2005的摘要。其示出了两个测量实例和相应的建模，其中说明了所述相对光通量收集效率与所述放电电弧的长度的相关性。测量结果是用矩形点示出的，而相应的模型则由实线表示。在图1a中示出了对应于超高压(UHP)气体放电灯以及对应于13mm²sr的收集区域E的结果，图1b则描绘了对应于相同的灯以及对应于5mm²sr的收集区域E的结果。在全部两种情况下都可以看出，从所述灯收集的光通量与所述电弧放电长度具有很强的相关性。此外，这种相关性是非线性的。所述光通量具有大约1mm或低于1mm的局部最大值。换句话说，所收集的光通量并不随着所述放电电弧的长度减小而单调增大。因此，在需要稳定光通量的情况下，上面的这两个例子证明了应用适当的方法和相应的驱动单元来补偿所述电弧长度变化对所述光通量的影响的必要性。此外，从图1a和图1b中可以看出，对于较小的收集区域E所收集的光通量展现出与所述放电电弧长度的强得多的相关性。即使是所述气体放电长度的很小变化也将导致所述光通量的较大改变，特别是在所收集的光通量的最大值附近尤其如此。因此，如果使用了具有相对较短的放电电弧长度的更新的气体放电灯的话，那么根据本发明的方法和驱动单元特别有益于实现稳定的光通量。
图2a和2b示出了对应于在没有补偿所述放电电弧的长度变化的情况下操作的气体放电灯的所收集的光通量的测量结果。在图2a中给出了所收集的光通量在近似70小时的操作时间期间的演化。可以明显看出，所述光通量的变化超过5％。这是由于在利用交流电压操作时，所述电极的形状会如前所述地发生改变。此外，近似每4个小时发生一次的较大变化特别是由于在本例中所应用的特殊操作方案所导致的。在上面提到的专利申请WO 2005/062684 A1中公开了该方案。根据该专利申请，如果所述气体放电灯两端的电压下降到特定阈值以下，则表示所述电极间隙或放电电弧长度已经变得过小，因此就降低被提供给该气体放电灯的电流的频率。作为所述降低的频率的结果，所述电极上的材料(特别是所述电极的尖端上的材料)将由于所述电极的提高的加热而被去除。但是所述放电电弧长度的随后的增大会导致所收集的光通量在突然增大之后较慢地减小。在图2a中可以清楚地看出这些规则地发生的光通量的陡跳。
在图2b中示出了所收集的光通量如何与被提供给所述气体放电灯的电压相关。所能看出的在近似48V到49V之间的较大变化可以用以下事实来解释：当所述电弧间隙由于所述特殊操作模式而突然增大时，所述驱动单元仍然提供对于较小的放电电弧间隙(因此对于较低的灯电压)来说是适当的电流值。因此，功率电平在有限时间段内过高，直到所述驱动单元的较慢的功率控制最终把功率再次稳定在所期望的值为止。除了由矩形点所表示的测量结果之外，图2b还示出了一条线。这条线遵循在结合所述灯压力保持恒定的假设应用上面描述的等式(特别是等式(3)、(4)和(5))时所能预期的光通量。可以看出，这条线代表对应于所述测量结果的相对较好的模型。可以明显看出，上述等式以及关于恒定灯压力的假设足以精确地预测气体放电灯的所收集的光通量。这种预测是通过简单地确定所述灯两端的电压并且应用考虑到与所述电弧放电长度的相关性的根据本发明的适当方法和计算而实现的。
图3示出了气体放电灯1以及根据本发明的驱动单元4的一种可能的实现方式的方框图。
所述驱动单元4通过连接器9与所述气体放电灯1的电弧管3内的电极2相连。此外，所述驱动单元4连接到电源8并且具有用来接收目标光通量Φ_T(例如针对提供4100lm的光通量的请求)的信号输入端18。此外，驱动单元4包括信号输出端19，其例如用于向更高级别的控制单元报告灯状态LS。
所述驱动单元4包括降压变换器24、换向单元25、点火设置32、电平变换器35、控制单元10、电压测量单元14以及电流测量单元12。
所述控制单元10控制所述降压变换器24、换向单元25以及点火设置32，并且监控所述气体放电灯1处的电压的行为。
所述换向单元25包括驱动器26，其控制4个开关27、28、29和30。所述点火设置32包括点火控制器31(其例如包括电容器、电阻器和火花隙)和点火变压器，该点火变压器借助于两个扼流圈33、34生成高电压，从而可以点燃所述气体放电灯1。
例如由380V的外部DC类型电源8为所述降压变换器24馈电。所述降压变换器24包括开关20、二极管21、电感22和电容器23。所述控制单元10通过电平变换器35来控制所述开关20，从而还控制所述气体放电灯1中的电流I。这样，通过所述控制单元10来调节被提供给所述气体放电灯1的电功率P。
所述电压测量单元14与所述电容器23并联，并且是用具有两个电阻器16、17的分压器的形式来实现的。电容器15与电阻器17并联。
为了进行电压测量，通过所述分压器16、17建立一个减小的电压，并且在所述控制单元10中借助于电压确定单元40来测量该减小的电压。所述电容器15用来减少所述测量信号中的高频失真。
在所述控制单元10中，通过输入信号39来监控所述气体放电灯1中的电流I，这是借助于所述电流测量单元12而实现的，该电流测量单元例如可能根据感应的原理操作。基于所监控的电流和所监控的电压，所述控制单元10可以计算当前被提供给所述气体放电灯1的电功率P，并且在所述功率电平超出特定上限和/或下限的情况下通过电平变换器35和开关20来调节之。
此外，所述控制单元10被实现成能够支持根据本发明的第一方法。为此，控制单元10包括校正因数确定单元41、功率计算单元42和功率控制单元43。所述校正因数确定单元41接收来自所述电压确定单元40的电压值U_L。在许多情况下，所述电压确定单元40将包括模拟/数字变换器，其测量电阻器17两端的电压并且生成数字输出值U_L，该值表示所述气体放电灯两端的实际电压。因此，所述电压确定单元40还可以包括针对所测量的电压由于所述分压器16、17而被减小这一事实的补偿。此外，所述电压值U_L可能不表示所述气体放电灯1两端的电压的实际幅度，而是经过时间平均的电压值。例如，所述电压确定单元40可以向所述校正因数确定单元41提供一个均方根(RMS)电压值U_L。
基于所述电压值U_L，所述校正因数确定单元41确定校正因数K_d，其表示所述光通量Φ与灯1的放电电弧长度d的相关性。在这里，所述校正因数K_d是对于灯电压U_L的特定值从校正函数K_d(U_L)获得的结果，该校正函数例如是由等式(9)所描述的函数。如上所述，可以利用查找表来实现校正因数确定单元41。所述查找表可以被存储在存储器装置中，比如只读存储器(ROM)设备或者可重写存储器(例如所谓的闪存)。
所述功率计算单元42从所述校正因数确定单元41接收所述校正因数K_d，并且还通过信号输入端18获得对应于目标光通量Φ_T的值。例如，如果根据本发明的驱动单元4被用在具有用户接口的系统中，那么所述系统的用户可能想要控制由所述气体放电灯1所给出的光通量Φ。在这里，将由所述系统通过信号输入端18向控制单元10给出比如“降低光通量”的用户请求。类似地，如果所述驱动单元4被用在图像呈现系统中，那么所述图像呈现系统可以根据所述图像或视频的亮度通过信号输入端18设置目标光通量Φ_T。例如，对于较暗的场景，所述图像呈现系统将通过信号输入端18向所述控制单元10传送较低的目标光通量值Φ_T。在另一个实施例中，所述目标光通量值Φ_T可以简单地是一个恒定值以例如用于照明目的，其不需要不同的亮度级，而是需要稳定的亮度。基于所述校正因数K_d和所述目标光通量值Φ_T，所述功率计算单元计算获得所述目标光通量值Φ_T所必需的所需灯功率值P_R。在某些情况下，功率计算单元42可以仅仅执行相对简单的数学运算，比如由等式(11)给出的除法。
本技术领域的专家已知的一般灯驱动单元常常根据目标功率值而不是根据目标光通量值Φ_T来操作所述灯。因此，这种驱动单元将不能提供恒定的光通量，这是因为没有把所述放电电弧长度d的变化纳入考虑。因此，根据本发明的驱动单元4是有利的，由于所述校正因数K_d与所述放电电弧长度d相关，从而使得所述驱动单元4在驱动所述气体放电灯1时获得稳定的光通量Φ。
所需的灯功率值P_R被提交给所述功率控制单元43，其控制所述电平变换器35。因此，利用由所述电压确定单元40所导出的电压值U_L，所述电流I被设置到使得被提供给所述气体放电灯1的电功率P满足所需灯功率值P_R的一个值。
可以由所述控制单元10通过所述信号输出端19告知所述气体放电灯1的瞬时灯状态LS。特别地，所述灯状态LS可以报告所述气体放电灯1实际上是否给出所述目标光通量Φ_T。可以由所述控制单元10通过简单地把实际灯功率值P与所需灯功率值P_R进行比较来获得所述状态信息。如果P与P_R的值基本上完全相同，则已经达到了所述目标光通量Φ_T。
尽管控制单元10包括几个单元或模块40、41、42和43，但是这种控制单元10的实际实现方式可以在单一单元内实现所述单元40、41、42和43当中的一个或多于一个。特别地，所述单元40、41和42可以被实现在一个单元内，该单元简单地基于由电压确定单元40导出的电压值U_L来控制所述电平变换器35。这种单一单元常常已经存在于现有的驱动单元内。因此，根据本发明的方法的实施例可以意味着仅仅更新某种软件模块来实现把所述光通量Φ与所述放电电弧长度d的相关性纳入考虑的功率控制方案。
图4a和4b示出了对应于由根据图3中所示的设计原理的驱动单元4利用根据本发明的方法操作的气体放电灯的所收集的光通量的测量结果。现在把图2b与图4b进行比较，可以明显看出，所使用的根据本发明的方法可以有利地最小化由于所述放电电弧的不断改变的长度而导致的光通量变化。图4b中的低于48V的电压下的剩余变化可以由以下事实来解释：对于所述测量使用了针对等式(9)和(11)的数学近似。更复杂的近似将导致甚至更小的光通量变化。所看到的48V到49V之间的较大变化同样可以由所述驱动器的缓慢响应来解释。通过对于所述气体放电灯两端的电压改变反应更快的灯功率控制可以很容易地避免这种行为。于是即使在应用了例如来自WO 2005/062684 A1的特殊方案之类的操作方案的情况下也可以利用根据本发明的方法和驱动单元实现所期望的非常稳定的光通量。
现在把图2a与图4a进行比较，可以看出，根据本发明的方法大大改进了光通量的稳定性。取代可以从图2a中看到的超过200lm(即超过5％)的变化，图4a中的变化低于50lm，即大约仅为1％。对应于所收集的光通量的高于大约4100lm的少数测量结果同样是由于缓慢的驱动器响应而导致的，并且可以通过应用更快的功率控制方案来避免。
图5示出了气体放电灯1和根据本发明的第二方法的驱动单元58的另一种可能的实现方式的方框图。图5包括许多图3当中的各种元件，特别是元件1到40。其功能与前面结合图3所描述的元件1到40的功能类似。此外，图5还示出了经过修改的控制单元59，其除了所述电压确定单元40之外还包括压力确定单元51、压力计算单元52以及压力控制单元53。此外，图5还示出了信号输出端54、压力调节单元55、压力测量单元56以及信号输入端57。对于驱动单元58的这种实现方式，确定实际的灯压力值p_L和灯电压值U_L，并且使用所述实际的灯压力值和灯电压值来计算在考虑到所述放电电弧长度d的变化的影响的同时实现目标光通量Φ_T所需的灯压力值p_R。为此，所述压力测量单元56获得一个参数或信号，所述参数或信号允许获得至少对所述气体放电灯1内的实际压力p_L的近似。如上所述，这种参数可以是特定谱线的宽度，但是也可以使用允许获得灯压力值p_L的其他参数和方法，比如通过压力传感器进行直接压力测量。后者是在所述压力确定单元51内执行的，其根据通过信号输入端57从所述压力测量单元56提供的所述参数或信号来确定灯压力值p_L。通过把该灯压力值p_L与由所述电压确定单元40获得的灯电压值U_L一起使用，所述压力计算单元52确定实现目标光通量Φ_T所需的压力值p_R。与图3类似，通过信号输入端18提供目标光通量Φ_T。同样地，Φ_T可以是恒定的或者可以随着时间改变。所述压力计算单元52直接实现或者近似实现上面描述的等式，比如等式(18)。最后，所述压力控制单元53通过信号输出端54驱动压力调节单元55，从而使得所述气体放电灯内的压力p_L基本上与所需压力值p_R相匹配。对应于这种压力调节单元55的一个例子可以是强制冷却装置，比如风扇或通风器。显而易见的是，除了对所述灯压力p_L的控制之外，驱动单元58仍然提供了控制被提供给所述气体放电灯1的电流I的能力。例如需要这种控制来调暗所述光通量以用于如上所述的图像呈现目的。
虽然按照优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是应当理解，在不偏离本发明的范围的情况下可以对本发明做出许多附加的修改和改变。特别地，组合本发明的不同方法的特征是有可能的。例如可以通过调节气体放电灯的压力以及被提供给所述灯的电功率来控制所述灯的光通量。为了清楚起见，还应当理解的是，在本申请中使用的“一个”并不排除多个，并且“包括”一词也不排除其他步骤或元件。此外，除非被明确描述为单一实体，否则一个“单元”可以包括多个块或设备。