用于驱动高压放电灯的电路装置以及方法.pdf

本发明涉及一种用于借助电子镇流器驱动高压放电灯(14)的电路装置，该电子镇流器被设计为，向高压放电灯(14)提供交流馈电信号，其中交流馈电信号的频率为至少1MHz，其中该电子镇流器还设计为在幅度上调制交流馈电信号。此外，本发明还涉及一种用交流馈电信号驱动高压放电灯(14)的方法，其中交流馈电信号的频率为至少1MHz，并且其中交流馈电信号在幅度上被调制。

1.  一种用于借助电子镇流器驱动高压放电灯(14)的电路装置，该电子镇流器被设计为，向高压放电灯(14)提供交流馈电信号，其中交流馈电信号的频率为至少1MHz，其特征在于，该电子镇流器还设计为在幅度上调制交流馈电信号。

2.  根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，幅度调制为脉冲调制。

3.  根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，脉冲调制具有100Hz到100kHz的重复频率，优选为100Hz到2kHz的重复频率。

4.  根据权利要求2或者3所述的电路装置，其特征在于，脉冲调制具有在1％到50％之间的占空比。

5.  根据权利要求2至4中任一项所述的电路装置，其特征在于，脉冲调制伴随有频率改变。

6.  根据权利要求5所述的电路装置，其特征在于，改变的频率在交流馈电信号的频率的-50％到+100％的范围中，优选在交流馈电信号的频率的-10％到+10％的范围中。

7.  根据权利要求2至6中任一项所述的电路装置，其特征在于，相对于未调制的交流馈电信号，脉冲调制增大幅度。

8.  根据权利要求7所述的电路装置，其特征在于，幅度增大在未调制的交流馈电信号的幅度的20％到1000％之间，优选在未调制的交流馈电信号的幅度的20％到200％之间。

9.  根据权利要求2至8中任一项所述的电路装置，其特征在于，相对于未调制的交流馈电信号，脉冲调制减小幅度。

10.  根据权利要求9所述的电路装置，其特征在于，幅度减小在未调制的交流馈电信号的-5％到-90％之间。

11.  根据权利要求7至10中任一项或者多项所述的电路装置，其特征在于，在脉冲调制的周期内，未调制的交流馈电信号的成分为至少50％。

12.  根据权利要求11所述的电路装置，其特征在于，脉冲调制的特点在于：
-幅度增大的序列；
-幅度减小的序列；
-相互交替的幅度增大和幅度减小的序列。

13.  根据权利要求12所述的电路装置，其特征在于，幅度增大和/或幅度减小始终朝着未调制的交流馈电信号的正的幅度、或者始终朝着未调制的交流馈电信号的负的幅度、或者交替地朝着未调制的交流馈电信号的正的幅度和负的幅度、或者同时朝着未调制的交流馈电信号的正的幅度或者负的幅度进行。

14.  根据权利要求2至8中任一项所述的电路装置，其特征在于，脉冲形状是矩形、三角形、半正弦形、具有指数上升的矩形或者锯齿形。

15.  根据上述权利要求中任一项所述的电路装置，其特征在于，电子镇流器具有：
-用于连接输入电压(Ue)的输入端子；
-用于为高压放电灯(14)提供交流馈电信号的输出端子；以及
-设置在输入端子和输出端子之间的、包括逆变器(10)和负载网络(12)的串联电路，其中逆变器(10)为负载网络(12)提供具有可预先给定的频率、可预先给定的幅度和可预先给定的占空比的逆变器输出电压(Ua)。

16.  根据权利要求15所述的电路装置，其特征在于，逆变器(10)设计为：改变逆变器输出电压(Ua)的可预先给定的频率和/或可预先给定的幅度，用以对交流馈电信号进行幅度调制。

17.  根据权利要求15或者16所述的电路装置，其特征在于，负载网络(12)具有至少一个变压器，所述至少一个变压器设置在负载网络(12)的输入端上和/或输出端上和/或输入端与输出端之间。

18.  根据权利要求15至17中任一项所述的电路装置，其特征在于，负载网络(12)被设计为，通过改变逆变器输出电压(Ua)的可预先给定的频率而使该负载网络形成谐振，以产生高压放电灯(14)的点燃电压。

19.  根据权利要求15至18中任一项所述的电路装置，其特征在于，高压放电灯(14)具有100巴到500巴的工作压力。

20.  一种用交流馈电信号驱动高压放电灯(14)的方法，其中交流馈电信号的频率为至少1MHz，其特征在于，交流馈电信号的幅度被调制。

用于驱动高压放电灯的电路装置以及方法
技术领域
本发明涉及一种用于借助电子镇流器驱动高压放电灯的电路装置，该电子镇流器设计为向高压放电灯提供交流馈电信号，其中交流馈电信号的频率为至少1MHz。此外，本发明还涉及一种用于以交流馈电信号驱动高压放电灯的方法，其中交流馈电信号的频率为至少1MHz。
背景技术
高压放电灯，如例如用作视频投影灯那样，通常具有两个类似的电极，这些电极大部分杆状地构建。在以交流电驱动这种高压放电灯的情况下，可能导致极大干扰的闪烁现象。这由于光弧的起始点在电极尖端处交替地跳跃而形成。这一情况由于电极功能经常以工作频率从阳极相(正极性)变换到阴极相(负极性)而实现。光弧起始部的这种跳跃尤其是影响将高压放电灯应用于光学设备中，例如投影设备、大屏幕电视放映机(Beamern)、显微镜照明装置，并且甚至会导致在应用中的不可用。
在US 5,608,294中针对高压放电灯的低频(50赫兹直到数百赫兹)的工作公开的是，将用于稳定光弧、即防止光弧起始点跳跃的矩形灯电流变化与短同步脉冲叠加。在此情况下，在半个周期的末尾处在随后的换向之前短时提高电流。根据上述出版物，在换向之前的电流脉冲导致电极(主要是瞬时的阳极)上引导电流的光弧起始部位上的短时温度升高。结果出现了材料积聚，即电极金属钨由于气体循环过程与卤化钨一同沉淀到电极上，并且在电极上形成尖端，该尖端形成非常有效地使放电和光弧的起始部稳定。
在WO 03/098979 A1中公开了以未调制的大于3MHz的高频信号来驱动高压放电灯。通常，高压放电灯从燃烧室中的声学谐振以上的频率起才可以实现成功的高频驱动。该声学谐振导致燃烧室中极强的流动，这些流动通常显著地干扰放电弧。然而，在该文献中也存在通过合适的馈电电流衰减声学谐振或者完全避免声学谐振的解决方案。例如，参考DE 102005 028 417.5以及DE 10 2005 059 763 7。然而，这种解决方案大部分非常昂贵。
最后，参考DE 198 29 600 A1，该出版物涉及高压放电灯的高频驱动。其尤其是同样涉及光弧起始部在电极尖端上跳跃的问题。该出版物基于现有技术提出了如下解决方案：其中高压放电灯以2kHz以下的频率来驱动，该灯以高于800kHz、优选高于1MHz以及特别优选在2MHz到3MHz之间的频率来驱动。在一个优选的改进方案中，工作频率持续地以及以小于10kHz、优选在1kHz到2kHz之间的调制频率跳跃式地摆动。尽管这可能对某种高压放电灯是解决方案，然而该措施在由本发明的发明人所研究的高压放电灯的情况下证明是无效的。
发明内容
因此，本发明的任务在于，改进开头所述的电路装置或者开头所述的方法，使得在所说明的频率范围中(也即在高压放电灯的高频工作时)可靠地防止光弧的起始部在电极尖端上的跳跃。
该任务通过具有权利要求1的特征的电路装置或者通过具有权利要求20的特征的方法来解决。
本发明所基于知识是，当交流馈电信号在幅度上进行调制时，在高频驱动的情况下可以实现光弧的非常有效的稳定。对此的原因目前还不完全清楚，因为除了幅度增大之外幅度减小也导致根据本发明的成功，并且一般地导致避免放电弧的闪烁现象，尤其是高压放电灯中的等离子体弧的闪烁现象。对此的标志是，类似于在借助所提及的US 5,608,294所提出的电路装置来驱动的情况下得到的尖端形成那样，在数小时之后才出现尖端形成。换言之，这意味着对根据本发明解决方案的实际的解释并不在于尖端形成。在放电弧的时间常数和位置常数方面实现了稳定，该稳定甚至满足对投影灯的高的光学要求。
与低频驱动不同，高频驱动能够实现简单的、甚至单级的镇流器。这相对于目前的现有技术(低频驱动)能够实现极大地小型化的并且由此明显成本更低廉的镇流器。
在一个优选的实施形式中，幅度调制为脉冲调制。在此，尤其是在较强的声学谐振的范围之外通过交流馈电信号的脉冲形式的、周期性重复的幅度调制实现了光弧的稳定。在此，脉冲调制具有100Hz到100kHz、尤其是100Hz到2kHz的重复频率。脉冲调制的占空比优选在1％到50％、优选在3％到20％之间。从视频投影应用来看，如下占空比证明是特别有利的：在这些占空比情况下，调制脉冲仅仅需要非常短的时间间隔，尤其是比图像消隐期(Bilddunkelluecke)更短的时间间隔。
交流馈电信号的幅度调制可以在恒定的频率的情况下进行，然而其也可以伴随有频率变化。在此，变化的频率在交流馈电信号频率的-50％到+100％的范围、优选在-10％到+10％的范围。如已提及的那样，脉冲调制的特色可以是相对于未调制的交流馈电信号的幅度增大。在幅度增大处于未调制交流馈电信号的幅度的20％到1000％之间、优选20％到200％之间的范围的情况下，得到光弧的稳定方面特别良好的结果。
如同样已提及的那样，脉冲调制的特色也可以在于相对于未调制交流馈电信号的幅度减小。在此，幅度减小在未调制交流馈电信号的-5％到-90％之间。
假定在脉冲调制的一个周期内未调制的交流馈电信号的成分为至少50％，则脉冲调制的特征可以在于幅度增大的序列、幅度减小的序列以及相互交替的幅度增大和幅度减小的序列。在此情况下，不同的变形方案已表明是成功的：幅度增大和/或幅度减小可以始终朝着未调制交流馈电信号的正的幅度、或者始终朝着未调制交流馈电信号的负的幅度、或者交替地朝着未调制交流馈电信号的正的幅度和朝着负的幅度、或者同时地朝着未调制交流馈电信号的正的幅度或朝着负的幅度进行。在此，从热学方面来看，幅度增大和紧接其后的幅度减小的序列或者相反的顺序已证明是特别有利的。在各种脉冲形状的情况下，尤其是在矩形、三角形、半正弦、具有指数上升的矩形或者锯齿形的脉冲形状的情况下，本发明是成功的。
为了实现根据本发明的电路装置，在该电路装置的情况下电子镇流器优选具有如下配置：用于连接输入电压的输入端子；用于为高压放电灯提供交流馈电信号的输出端子；和设置在输入端子和输出端子之间的、由逆变器和负载网络构成的串联电路，其中逆变器为负载网络提供具有可预先给定的频率、可预先给定的幅度以及可预先给定的占空比的逆变器输出电压。
优选地，为了交流馈电信号的幅度调制而改变逆变器输出电压的可预先给定的频率和/或可预先给定的幅度。优选地，负载网络具有至少一个变压器，所述至少一个变压器设置在负载网络的输入端和/或输出端和/或输入端和输出端之间。这在非常低或者非常高的工作电压情况下或者在需要可靠的电流隔离的情况下证明是特别有用的，其中在此例如考虑2kV的铁路标准(Bahnnorm)。
负载网络优选设计为使得可以通过改变逆变器输出电压的可预先给定的频率而使该负载网络形成谐振，以便由此产生点燃电压以点燃高压放电灯。由此，省去了设置单独的点燃装置。
优选地，高压放电灯具有100巴(Bar)至500巴的工作压力。
其他有利的实施形式从从属权利要求中得到。
结合根据本发明的电路装置所介绍的优选实施形式和改进方案及其优点只要可用也相应地适用于根据本发明的方法。
附图说明
以下将参照附图更为详细地阐述根据本发明的电路装置的实施例。其中：
图1以示意图示出了根据本发明的电路装置的结构；
图2示出了对图1的电路装置的负载网络的不同实施形式的选择；
图3针对根据图2a的负载网络示出了与负载网络输入端上的电压频率相关的灯电流传输函数；
图4示出了用于图1的电路装置的逆变器的第一实施形式；
图5示出了用于图1的电路装置的逆变器的第二实施形式；
图6示出了通过使用VCO(压控振荡器)来产生脉冲调制的电路原理图；
图7示出了没有频率调制的交流馈电信号的时间变化曲线；以及
图8示出了交流馈电信号的时间变化曲线，其中在脉冲调制的脉冲期间附加地调制频率。
具体实施方式
图1以示意图示出了根据本发明的电路装置的结构。尤其是可以表示所谓的中间回路电压的输入电压Ue在此被输送给高频逆变器10。高频逆变器的输出信号的特征在于可预先给定的幅度、可预先给定的频率以及可预先给定的占空比。这些可预先给定的量可以通过逆变器10上的接口(未示出)来设置。逆变器10的输出信号Ua被输送给负载网络12。在负载网络的输出端上，灯电流I_L被提供给高压放电灯14。在此，负载网络12根据逆变器10的输出电压Ua形成近似正弦形的灯电流I_L并且同时用于限流。对应于负载网络12的特征，灯电流可以与逆变器输出电压的频率以及幅度有关。为了产生灯电流I_L的所希望的幅度调制，可以改变输出电压Ua的频率和/或幅度。优选地，负载网络12还构建为使得通过改变逆变器输出电压Ua的可预先给定的频率而使负载网络形成谐振，以便由此产生用于高压放电灯的点燃电压。
图2示出了合适的负载网络的不同实施形式。应指出的是，在根据图2a和2b的实施形式中，电容器C₂可以不同地设计：一方面对谐振网络作出贡献，另一方面仅仅有助于直流隔离。如果在负载网络12的输入端或者在其输出端上或者在其输入端和输出端之间插入至少一个变压器，则由此尤其是能够保证电流隔离。除了所示的T形布置的负载网络之外，为了本发明的目的也可以使用仅仅包括LC环节的串联电路以及π形布置的电路。如对本领域技术人员而言明显的那样，本发明的目的也可以借助更高阶的负载网络来实现。
图3示出了针对图2a中所示的负载网络的、与输入电压Ue的频率f相关的灯电流I_L的传输函数。其中标出了两个工作点AP1和AP2，参照图8再讨论这两个工作点。
图4和5示出了逆变器10的例子，它们适用于图1的电路装置。图4在此情况下示出了开关减负(schaltentlasteten)的E类变换器，图5示出了开关减负的ZVS(零电压开关)半桥。由于根据图4和5的逆变器对本领域技术人员而言相应地是已知的，对此不进行详细地解释。
为了产生根据本发明的灯电流I_L的变化曲线，在最简单的情况下对开关晶体管(图4中的S1或者图5中的S1和S2)的激励频率进行频率调制。在此，可以一同使用频率可变的压控振荡器，该振荡器通常本来就存在用以电流调节或者功率调节。
图6示出了产生用于根据图5的逆变器的激励信号。在此，在加法器16中将脉冲信号P添加到本来就存在的用于操作的控制信号Q。该控制信号输送给VCO 18，该VCO将该控制信号输送给脉冲形成器20。在脉冲成形器20中通常也设置有驱动器电路。在脉冲形成器20的输出端上为逆变器10的开关S1、S2提供了激励信号。图8示出了在逆变器的开关的这种激励变形方案中灯电流I_L的时间变化曲线。如明显可看到的那样，工作点AP1到AP2的偏移与频率的变化相联系。工作点AP2上的频率比工作点AP1中的频率低，然而其中在工作点AP2中的灯电流I_L具有比工作点AP1中更高的幅度。
可替选地(或者同时地)，可以通过改变逆变器10的输入电压的幅度进行调制。通过在脉冲持续时间期间提高该电压，同样可以实现提高的灯电流I_L，对此参见图7的灯电流I_L的时间变化曲线，其中尽管工作点AP1中的幅度大于工作点AP2中的幅度，然而频率保持不变。为了实现，特别优选的是连接在之前的、可快速控制的直流/直流变换器适合于此。