CN1723742B - 照明单元 - Google Patents

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Abstract

本发明描述的是一种具有放电灯(1)、灯驱动器(2)和冷却装置(3)的照明单元，所述放电灯特别是高压或高亮度放电(HID)灯或超高性能(UHP)灯。为了减少由于灯(1)内的温度变化而产生的机械应力，检测灯(1)的一个或多个工作参数。另外，提供控制单元，用于至少在照明单元接通和/或切断期间以没有偏离该至少一个工作参数的预定范围的方式控制灯驱动器(2)和/或冷却装置(3)。通过适当地选择参数范围，可以大大延长灯的使用寿命或在保持灯的使用寿命相同的情况下增加灯的使用功率。

Description

照明单元
技术领域
本发明涉及一种具有放电灯(特别是高压或高亮度放电(HID)灯或超高性能(UHP)灯)、灯驱动器和冷却装置的照明单元。本发明还涉及具有这种照明单元的投影系统。
背景技术
由于它们的光学特性，高亮度放电灯，特别是UHP灯尤其优选与显示器一起用于投影目的或用于投影系统中。已被证实放电灯的使用寿命基本上由工作参数决定，例如特别是灯电流、灯功率、灯内特别是放电管壁内的温度和温度差。
特别重要的是灯的热负荷，其可能依赖于它的安装情况、周围环境和尺寸发生显著的变化。为了减少使用寿命降低的相关危险，在相对低功率的灯的情况下通过对灯的适当设计(特别是适当的灯几何形状)来防止过度加热。在功率较高的灯的情况下，通常需要主动的冷却装置。
例如，在US-PS6016031中已知用于无电极放电灯(EHID)的适当的灯几何形状和主动冷却装置。该冷却装置包括气压源和一个或多个喷嘴，使用该喷嘴气流直接被引导到灯顶部上或均匀地被引导到所有侧面上。气压是额定的，并且选择喷嘴横截面的形状和尺寸，使得灯的表面温度不超过给定值，超过给定值将会导致使用寿命的缩短。
一方面必须考虑的事实是，在灯的工作过程中，某些区域发热特别强烈从而不得不相应地对其进行强冷却。可是另一方面，温度最低的区域不能被过度冷却，因为否则放电腔内就不能产生足够高的汞蒸气气压。而且有放电管壁内的温差变得过大和产生高的机械应力的风险，而温差变得过大和产生高的机械应力可能导致使用寿命的降低或者甚至是灯的毁坏。
也出现了时间和空间的温度梯度变得越大，灯的使用温度或功率越高，主动冷却装置对各个壁区域的冷却就更加强烈或差别更大。
这个问题在灯的开启和关闭阶段变得尤其严重，因为在这些阶段温度条件变化得很快并且程度相当大。
例如，如果灯被关闭，放电管中的热生成等离子体和热对流都会停止。这样的结果是放电管壁上的温度分布变化，并且壁区域根据它们在使用状态下的变化温度，以不同速率冷却到不同程度。这样，放电管壁中就会出现相当大的机械应力，这可能导致灯立即毁坏或至少是灯的使用寿命降低。这个问题也可能以同样的方式发生在灯开启时。
发明内容
本发明提供了一种控制单元，用于检测放电灯的至少一个预定操作参数，以及用于至少在灯的切断期间控制用于放电灯的灯驱动器或冷却装置，以这样的方式降低灯的功率或冷却装置的功率以使得由控制单元检测到的放电灯的所述至少一个工作参数不偏离预定范围。
本发明还提供了一种灯驱动器，用于驱动放电灯和用于放电灯的冷却装置，其灯驱动器包括本发明提供的控制单元。
本发明还提供了一种照明单元，包括放电灯、灯驱动器、冷却装置和用于控制灯驱动器或冷却装置的控制单元。
本发明还提供了包括上述的照明单元的投影系统。
因此，本发明的目的是提供一种上述类型的照明单元，使用该照明单元，特别是当使用大功率灯时可实现更长的寿命，或在保持相同使用寿命的同时灯可以以更高的功率工作。
本发明的另一个目的是提供一种上述类型的照明单元，该照明单元至少相当大程度地消除了与灯开启和关闭相关的、降低使用寿命或毁坏灯的效应。
特别是为了提供一种上述类型照明单元，其中灯可以这样工作，与已知的照明单元相比，在所有的使用阶段期间灯泡中且特别是放电管中的由于温度波动导致的机械应力大大减小，或者至少不会达到使灯的使用寿命降低的水平。
最后，目的是提供一种特别用于上述类型的照明单元或具有这种照明单元的投影系统的灯驱动器，使用该灯驱动器，放电灯和/或冷却装置可以以这样的方式工作，特别是在开启/关闭的过程中，灯的使用寿命与现有的灯驱动器相比得到了延长，或灯可以在保持相同的使用寿命的条件下增大功率使用。
本发明的目的通过一种照明单元实现，该照明单元具有放电灯、灯驱动器、冷却装置、至少一个检测放电灯的至少一个预定工作参数的装置，以及控制单元，该控制单元用于至少在照明单元开启和/或关闭过程中以不偏离至少一个工作参数的预定范围的方式控制灯驱动器和/或冷却装置。
在上下文中工作参数应当理解为，不仅表示灯功率或灯电流，而且也表示了灯的温度，特别是灯的放电管壁中的温度。此外，也已经显示出这些温度大大依赖于作用于灯的主动冷却装置的功率，特别是依赖于被引导到灯上的空气或气流，这样，基于该直接影响，冷却装置的冷却功率也是灯的工作参数之一。
将一个或多个这些工作参数的类型和范围(至少在开启和/或关闭过程中不偏离该范围)选择为其可检测性的函数以及所用的灯的类型的函数，并且使其与主要要延长灯的使用寿命还是要在相同的使用寿命下以更高的功率工作相关。
使用本发明的控制单元、灯驱动器和投影系统进一步实现了本发明的目的。
这些方案的重要优点是可以在灯的开启和关闭过程中防止放电管壁中的高机械应力，并防止随之产生的使用寿命降低的效应。
在这一点上，应当提及从DE 1764728中可以得知用风扇冷却气体放电灯，该风扇与开关装置一起以这样的方式工作，在灯开启后延迟一段时间以第一低冷却功率激活风扇，并且在灯关闭后以第二高冷却功率继续给定时间段。这样，一方面，灯在开启后就会尽可能快地达到其工作温度，另一方面在灯关闭后又尽可能快地冷却，以便其可以在仅仅短时间后随意重新开启。
然而，已经清楚的是特别在高亮度灯中，这不允许灯以足够均匀的方式快速冷却以防止放电管中出现相当大的机械应力以及由此导致的危险，从而减短灯的使用寿命甚至将灯毁坏。由于这一发现，该公开不能被认为是与解决形成本发明的基础的问题有关。
本发明还包括了有利的进一步的改进。
本发明还包括优选要被检测的灯的工作参数，和工作参数范围的额定值。
本发明还提供一种特别适合于程序性灯操作的类型的控制单元，该控制单元可以防止灯的工作参数(尤其是其温度)偏离预定的范围。
另外本发明还提供了在灯的接通和关闭期间优选的控制方法。
最后，本发明提供了一种灯驱动器，该驱动器与放电灯和冷却装置连接用于以上述方式控制，并且特别适合在灯的接通和关闭期间的控制。
附图说明
参考如图所示的实施例将进一步描述本发明，但是本发明不受实施例的限制。如图：
图1示出依照本发明的照明单元的总示意图；和
图2示出具有控制单元的灯驱动器的示意性框图。
具体实施方式
如图1所示，照明单元包括具有放电管11的放电灯1，放电管11中设置有具有放电气体和两个电极的放电腔，当灯处于工作状态时，在两个电极的尖端之间产生电弧放电。任何情况下放电管11的相对端都包括金属石英套管12和13，它们在任何情况下都有与电极相连的一个金属导体以及经由其以已知方式提供灯电压的电端子。
这样的结果是放电灯1的电端子与灯驱动器2的电输出端连接。输入电压通常采取线电压(未示出)的形式施加到灯驱动器2上。这样灯驱动器2将线性电压转换为适合放电灯工作的灯电压，并且在灯接通时例如通过灯驱动器2上的开关(未示出)向其提供必需的电流。
如上所述，放电灯，特别是高功率放电灯，必须在工作中进行主动冷却。这一任务由冷却装置3完成，该装置3通常包括气体(特别是空气)、压力源，并且通过具有喷嘴32的压力线路31将气体或空气流引导到灯1上，特别是放电管11上。
为了检测冷却装置3的功率，特别是离开喷嘴32的气体流的速率，设置与灯驱动器2相连的测定传感器信号的第一传感器33。作为可选或附加的，可以在压力线路31内设置另一个传感器，例如，该传感器可以检测输运到灯1的气体流的体积或压力，并且将其传送到灯驱动器2。对这些变量之一的测定不仅可以监测冷却装置3，例如关于错误或故障，而且允许对作用于灯1上的冷却功率进行专门控制，以便以这种方式影响其温度并将温度保持在预定范围内。
作为可选和/或附加的，第一传感器33通过测定传感器信号也可以允许对灯的温度作出结论，因为这依赖于其上施加的冷却功率，例如以每单位时间引导到灯上的冷却空气流的体积的形式。
为了控制冷却功率，例如，冷却装置3中的压力泵的驱动器的旋转速度可以适当地变化，或压力线路31中的切断阀打开或关闭。
第二传感器34可以设置在灯1的放电管11上，传感器34检测灯的温度，特别是放电管11的壁中的温度。该第二传感器34也连接到灯驱动器2用于测定传感器信号。然而，这样直接位于灯1上的第二传感器34通常不是必须的，因为如上所述，灯的温度可以通过冷却装置的功率被足够精确地确定或检测。在这一点上，第二传感器34的使用通常仅仅只是作为第一传感器33的备选所需要的。
然而，可以依靠灯驱动器2中的适当的装置检测形式为灯电流和/或灯电压和/或灯功率的灯1的另外的主要工作参数。
在冷却装置3和灯驱动器2之间提供电连接，目的是通过后者激励前者。
最后，接通/断开开关通常位于灯驱动器2上，通过该开关的动作可以对灯1进行开启或关闭。
如图2示出灯驱动器2的结构示意图。灯驱动器2基本上包括第一单元21，与该第一单元连接的输入端20提供交流线性电压。第一单元21包括例如具有下游降频变换器的整流器，并且用于从交流线性电压产生受控直流电压。
第一单元21的输出端连接到第二单元22，其包括转向器(例如以全桥电路的形式)，使用该第二单元从提供的直流电压产生灯工作所必须的电流波形。第二单元22的输出端连接到灯1。这样第一和第二单元21、22一起形成灯1的触发电路。
灯驱动器2进一步包括控制单元23，施加第一传感器33的输出信号到该控制单元的第一输入端。控制单元23包括第二输入端，其与触发电路21和22连接，并且控制单元23通过该第二输入端检测灯电流和/或灯电压和/或灯功率。控制单元23的第一输出端与触发电路21和22连接，控制单元23的第二输出施加到冷却装置3用于对其启动。
控制单元23采取优选微处理器的形式。作为通过两个输入端提供的关于灯1的工作参数(冷却装置3的功率和灯电流和/或灯电压和/或灯功率)的信息的函数，以及作为灯1的接通/关闭开关的切换位置的函数，灯1的输出功率(或灯电流)和/或冷却装置3的功率可以依照各种控制或切换时间表来控制。
一方面，从而可以保证在例行操作期间灯1总是被充分冷却，例如通过控制冷却装置3的冷却功率来实现，该冷却功率是第一传感器33间接检测到的或由第二传感器34直接检测到的灯温度的函数。
如果，在不适宜的工作和/或环境条件下，冷却功率不足(或冷却装置3有故障地工作或失效)，这样灯1的温度就会超过给定最大允许给定值，通过灯驱动器2灯电流可能会自动减小或被切断，以防止损坏或毁坏。
另一方面，可能的是甚至在接通和/或切断期间，灯1和/或冷却装置3，例如逐步地，以协同方式被自动接通或切断以及操作，使得上述灯1中的机械应力，特别是在放电管11中机械应力基本上小于或不超过预定值。
为此，下面灯1的工作参数将由灯驱动器2的控制单元23循环测定：
灯1或放电管11的壁的即时温度可以通过测定第二传感器34的输出信号检测。
作为可选和/或附加的，冷却装置2对灯1施加的冷却功率，并且因此如上所述的间接的(也即)灯1的温度，可以通过第一传感器33和/或压力线路31中的存在的压力传感器检测。
而且，灯电流和/或灯电压和/或灯功率由控制单元23中适当的传感器装置扫描。
在接通和切断期间，可以与这些变量一起产生各种切换时间表：
在最简单的情况下，第一切换时间表，灯1和冷却装置3通过接通/断开开关直接开启和/或关闭。如果，例如灯1的尺寸使得发生的机械应力很小并且不会担心灯会毁坏，或者如果冷却装置3在灯1关闭后不产生任何噪音很重要，这可能是明智的。
在第二切换时间表中，灯1还是通过接通/断开开关直接开启和/或关闭，但是冷却装置3在预定时间段内保持激活状态。这样，灯1冷却得尤其快并且可以仅仅在相对很短的时间间隔后重新开启。
在第三切换时间表中，冷却装置3通过断开开关直接关闭，同时灯1在预定时间段内保持激活状态。这就保证了灯1特别是放电管11的壁中在较低的工作温度的工作阶段已产生的机械应力，通过在升高的温度下退火而降低。
在第四切换时间表中，当断开开关时，灯1和冷却装置3的功率交替和/或逐步降低。例如，这可以通过将冷却装置3的功率调整为瞬时提供到灯1的电流(或灯功率)的函数，和/或将灯电流(或灯功率)调整为冷却装置3的即时功率的函数来实现。
而且，灯功率和冷却装置3的功率也可以以这样的方式逐步降低，即在没有冷却装置3时，灯1最后在降低的功率下工作，以便由此依照第三切换时间表通过对在升高的温度下的退火来消除灯中的机械应力。
在第五切换时间表中，切断开关的动作实现灯1的立即关闭，以及冷却功率在灯1切断后的预定时间段内的增大。就像使用第二切换时间表一样，实现特别快速的冷却，因此使得灯可能在短时间内重新开启。而且，使用这个切换时间表，灯1或放电管11壁中的机械应力可能以可控制的方式产生，例如以便由此抵消或补偿由于灯开启时加热不均匀产生的机械应力。这样，当灯下一次接通时，全部基本上只有较小的机械应力产生。
使用上述切换时间表的比较试验表明放电管11的壁中可以产生不同的机械应力分布。
相反地，如果要达到或不超过给定的机械应力，可以选择上述切换时间表中的数值作为使用的灯1的工作参数和冷却装置3的功率、以及例如灯1的使用寿命和所需的防爆保护、开启和关闭可用的时间和照明单元使用时可容许的噪声水平的函数。
下面给出了第四切换时间表中数值的例子。应当假定放电灯在工作期间被大约每分钟2.9升(l/min)的空气流冷却并以450瓦特的功率工作。
如果使用者移动灯驱动器2上的开关到切断位置的时刻标定为时间0，灯功率和冷却装置的功率在这时和随后的时间间隔后如下减小(表格1)：
表格1：
0秒      400瓦特 2.5l/min
30秒             2.2l/min
60秒     360瓦特
90秒             1.9l/min
120秒    320瓦特
150秒            1.7l/min
180秒    280瓦特
210秒            1.5l/min
240秒    240瓦特
270秒            1.3l/min
300秒    0瓦特   0l/min
该表格优选存储在灯驱动器2中的控制单元23中，特别是微处理器单元中，使得控制单元23以上述方式调节灯1和冷却装置3的功率。
该表格清楚表明从开关动作开始每隔30秒，灯功率或冷却装置3的功率就减小，同时相应的其它变量保持不变。已经证明灯的温度特别是放电管11的温度可以以高度受控的方式降低，并且在整个切断阶段不会有大的波动。
也已证明，切断阶段结束后，也就是五分钟后，虽然灯1的最高温度仅仅只得到了轻微的降低，但放电管11的壁中的温度梯度水平有相当大的减小。这就直接导致了机械应力也相应地变小了。进一步的试验表明了在高功率灯中也能相当大程度地达到该效果。

Claims (13)

1.一种控制单元(23)，用于检测放电灯(1)的至少一个工作参数，并且用于至少在灯(1)的切断期间控制放电灯(1)的灯驱动器(21，22)和冷却装置(3)，以这样的方式逐步地，或者交替且逐步地降低灯(1)的功率和冷却装置(3)的功率以使得由控制单元(23)检测到的放电灯(1)的所述至少一个工作参数不偏离预定范围。
2.如权利要求1所述的控制单元(23)，其中从下列参数组中选择由控制单元(23)检测到的灯(1)的所述至少一个工作参数：放电灯(1)的放电管(11)壁的温度，冷却装置(3)的冷却功率，放电灯(1)的电流，放电灯(1)的电压和放电灯(1)的功率。
3.如权利要求1所述的控制单元(23)，其中预定该至少一个工作参数的范围，使得由放电灯(1)中的温度波动引起的灯(1)的放电管(11)的壁中的机械应力被减小。
4.如权利要求1所述的控制单元(23)，包括微处理器单元和存储至少一个切换时间表的存储器，根据该切换时间表能够控制灯驱动器(2)或冷却装置(3)以分别降低灯(1)的功率或冷却装置(3)的冷却功率。
5.如权利要求1所述的控制单元(23)，其中提供所述控制单元(23)用于
-作为瞬时提供给灯(1)的电流的函数或作为灯功率的函数调整冷却装置(3)的功率，或
-作为冷却装置(3)的瞬时功率的函数调整灯电流或灯功率。
6.如权利要求1所述的控制单元(23)，提供所述控制单元(23)用于逐步地降低灯(1)的功率和冷却装置(3)的功率，使得灯(1)最终工作在没有冷却装置(3)的降低的功率。
7.如权利要求1所述的控制单元(23)，包括用于检测冷却装置(3)的冷却功率的第一输入，其冷却功率对灯(1)起作用，或者包括用于检测灯电流或灯电压或灯功率的第二输入，其中至少在灯(1)的断开期间作为通过所述第一或第二输入提供的信息的函数控制灯(1)的输出功率或灯电流或者冷却装置(3)的冷却功率，使得灯的温度不偏离预定范围。
8.一种灯驱动器，用于驱动放电灯(1)和驱动用于放电灯(1)的冷却装置(3)，灯驱动器(2)包括根据权利要求1-7中的任何一项的控制单元(23)。
9.一种照明单元，包括放电灯(1)，灯驱动器(21，22)、冷却装置(3)和根据权利要求1-7中任何一项的用于控制灯驱动器(21，22)和冷却装置(3)的控制单元(23)。
10.如权利要求9所述的照明单元，包括用于检测冷却装置(3)的冷却功率的第一传感器(33)，该冷却功率对灯(1)起作用，或包括用于检测灯温度的第二传感器(34)，其中提供控制单元(23)以至少在灯(1)切断期间通过第一或第二传感器(33，34)的信号来控制灯驱动器(2)或冷却装置(3)，使得灯的温度不偏离预定范围。
11.如权利要求10中所述的照明单元，其中提供第一传感器(33)以检测冷却装置(3)的离开喷嘴(32)并引导至放电灯(1)的气体流的速率或压力或体积。
12.如权利要求10中所述的照明单元，其中第二传感器(34)设置在灯(1)的放电管(11)上用于检测放电管(11)的壁的温度。
13.包括如权利要求9-12所述的任何一项照明单元的投影系统。
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