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WO2012156205A1 - Verfahren zum betreiben einer hochdruckentladungslampe mit variabler leistung - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer hochdruckentladungslampe mit variabler leistung Download PDF

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Publication number
WO2012156205A1
WO2012156205A1 PCT/EP2012/058087 EP2012058087W WO2012156205A1 WO 2012156205 A1 WO2012156205 A1 WO 2012156205A1 EP 2012058087 W EP2012058087 W EP 2012058087W WO 2012156205 A1 WO2012156205 A1 WO 2012156205A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
power
average
limit
instantaneous
discharge lamp
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/058087
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kai Wolter
Markus Baier
Original Assignee
Osram Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osram Ag filed Critical Osram Ag
Priority to US14/117,376 priority Critical patent/US9320123B2/en
Priority to CN201280023702.0A priority patent/CN103535117B/zh
Priority to DE112012001038T priority patent/DE112012001038A5/de
Publication of WO2012156205A1 publication Critical patent/WO2012156205A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a high-pressure discharge lamp with variable power, which is known e.g. can be used in video projection systems. background
  • the invention relates to a method of operating high pressure discharge lamps, which for example can be used in video projection systems, and the high-pressure discharge lamp operates with variable power to consumption power to minimize and to increase the contrast ratio, for example, of the image to be reproduced of the system.
  • the high-pressure discharge lamp operates with variable power to consumption power to minimize and to increase the contrast ratio, for example, of the image to be reproduced of the system.
  • the contrast ratio for example, of the image to be reproduced of the system.
  • Menhel ⁇ ltechnik is often very low (eg., Night scenes).
  • To increase the dynamic contrast and to save energy and also to increase the average lamp life by operating at average lower power while the lamp is therefore dynamically adjusted with the image content frame by frame in their performance.
  • a solution is a strong limitation of the allowed modulation range, so that the "unwinding" of the electric ⁇ spiral helices no longer occurs, or occurs so slowly that it is compensated by the typical burnback of the electrodes during the operating time.
  • the object is achieved according to the invention with a method for operating a high-pressure discharge lamp with variable power, wherein the high-pressure discharge lamp has a nominal power, and is operated with an instantaneous power, wherein the instantaneous power within a Relative lower and upper power limit, which depends on an average power, and is within a predetermined absolute lower and upper power limit, the average power is determined from the mean value of the instantaneous power.
  • This can preferably be determined as a one-sided moving average of the instantaneous power or the exponential smoothing of the instantaneous power of a time segment of predefined length.
  • the instantaneous power is determined at regular time intervals and the average power is composed of the single-sided sliding ⁇ Tenden average of the last x instantaneous power.
  • the instantaneous power is also determined at regular time intervals and the average power is composed of an exponential smoothing of the last x instantaneous power.
  • the value x of the last x instantaneous power, which makes up the average power, is preferably in the range between 10 ⁇ x ⁇ 600. With this measure, a sufficient smoothing is achieved at the same time sufficient dynamics.
  • the relative lower and upper power limit is preferably dependent on the average power and the burning voltage U B of the high-pressure discharge lamp. This is advantageous in the method according to the invention, since the modulation depth can be derived particularly well from these parameters, and thus an operation of the high-pressure discharge lamp can be derived. pe is too small or too high power is avoided.
  • the distance between the relative upper and lower limits is preferably smaller for a smaller burning voltage U B and larger for a larger burning voltage U B. This means that the modulation depth increases with a larger fuel chip voltage U B and decreases with a lower burning voltage U B. As a result, if the electrode spacing is too great, the growth of the electrode tips can be promoted while it is prevented if the electrode spacing is too small. Astonishingly example has been shown that a large Modulati ⁇ onstiefe leads to increased top-line growth, while a small modulation depth has no effect on the peak growth.
  • the relative lower power limit is preferably between 1% and 30% of the nominal power is below the average power of the high pressure discharge lamp and the relati ⁇ ve upper power limit is preferably between 1% and 30% of the nominal power above average power of the high pressure discharge lamp.
  • the absolute lower power limit is preferably between 30% and 80% of the nomi ⁇ dimensional performance of the high pressure discharge lamp and the absolu te ⁇ upper power limit is preferably between 100% and 130% of the nominal power of the high pressure discharge lamp.
  • the relative lower and upper power limits are equidistant from the average power.
  • the light can additionally be reduced by suitable additional measures (for example a shutter).
  • the brightness of the lamp can then be faster again from a lower level to a brighter level, whereas a decrease in brightness can be slower.
  • the additional measure can be used for an immediate reduction in brightness.
  • the lamp is slowly herunterge ⁇ regulated, which can not be perceived by the additional measure.
  • this is not possible: if the brightness must be immediately available again, the lamp must reach the target brightness much faster, which can be achieved by the greater distance of the upper power limit from the average power.
  • the desired instantaneous power is predetermined by an external control unit and the relative upper and lower power limits are communicated back to the control unit at each power change.
  • a safe and efficient communication between the operating device of the high-pressure discharge lamp and the control unit (for example video electronics) is possible.
  • the return transmission of the relative upper and lower power limits can be done via a pulse width modulated signal or via a digital
  • control unit synchronizes the desired lamp power to external signals, such as an image signal or a sound signal.
  • FIG. 1 a is a diagram for illustrating the method according to the invention for operating a high-pressure discharge lamp with variable power, in which the predetermined absolute upper and lower power limits are plotted, as well as the average power as a curve and the relative lower and upper power limits, which are dependent are of average power,
  • FIG. 1b is a graph illustrating the method of operating a variable output high intensity discharge lamp of the invention in which the predetermined absolute lower and upper
  • FIG. 3 shows an example of a second embodiment of a method according to the invention with an absolute lower and upper power limit of 30% to 100% and a modulation depth A a ⁇ 5 "6 and ei ⁇ ner mean power, the unilaterally moving average is averaged over 2s,
  • FIG. 5 shows a graph with the same simple test sequence as in FIG. 4 for the second embodiment of the method according to the invention
  • Fig. 6 shows the graphic representation of the allowable modulation tion deep A a (the region between the relative lower and upper power limit) as a function of the operating voltage U B of the high-pressure discharge lamp for a third embodiment of erfindungsge ⁇ Permitted method for operating a high pressure discharge lamp.
  • the rated output of the high-pressure discharge lamp here is the one selected by the manufacturer of the high-pressure discharge lamp. given rated power for continuous operation.
  • the nominal power of a high-pressure discharge lamp for Pro ⁇ jemies may, for example 120W, 150W or 300W.
  • the power currently applied to the high-pressure discharge lamp is considered below.
  • the instantaneous power can be calculated at discrete intervals, eg once per frame (even frame ge ⁇ Nannt). The instantaneous power can also be calculated continuously.
  • a power which is averaged over a certain period of time is regarded as mean power P AV .
  • the average power P AV can be calculated as one-sided moving average, in which the Mittelungspe ⁇ Riode extends starting in the Vergangen ⁇ uniform from the current time.
  • the calculation rules for unidirectional moving averages can eg in the Wikipedia article "moving average"
  • the average power P AV can also be calculated by means of an exponential smoothing, in which a weighted average of the last power values and a weighting value is formed.
  • exponential smoothing in which a weighted average of the last power values and a weighting value is formed.
  • Fig.la shows a graph illustrating the inventive method for operating a high pressure discharge lamp with variable power, in which the predetermined absolute lower power limit P m i n and the predetermined absolute upper power limits P P max are drawn.
  • the average power P AV is plotted as a curve, and the relative lower and upper power limits, which are dependent on the average power P AV , are plotted as vertical arrows.
  • the range between the lower and upper relative power limits is also referred to as the modulation depth A a .
  • the inventive method is used, the contrast in video appli ⁇ applications by adjusting the instantaneous power of the high-pressure discharge lamp to the current image content to be raised stabili ⁇ hen.
  • the desired instantaneous power is from an external control unit, for example a video electronics, to which the high pressure discharge lamp ballast be operated übermit ⁇ telt.
  • the transmission can be via a digital
  • the transmission can also be effected by a modulated signal, which is input to the Be ⁇ operating device.
  • the operating device now sets the desired power at the high-pressure discharge lamp within the currently permitted modulation depth.
  • Modulation (typically 50Hz to 60Hz or twice for 3D content) is limited to a predetermined value be ⁇ so that the input described "Ab mindfulin" the electrode coil or not occurring very slowly.
  • an additional parameter is introduced: averaged over a longer period t average power P AV .
  • the short-term modulation is then possible in the permitted range with a predetermined modulation depth always by this average power P AV .
  • P M ax, Pnin the modulation then remains within a range between these fixed limits.
  • the operating device carries out the change in power of the high-pressure discharge lamp desired by the control unit within the currently valid relative range
  • the return transmission can also take place via a PWM signal or via a digital interface.
  • the desired lamp power can be synchronized to external Signa ⁇ len.
  • the integrated Steuerein ⁇ can synchronize the desired lamp power with an image signal.
  • 1 b shows a diagram for illustrating the method according to the invention for operating a high-pressure discharge lamp with variable power, in which the predetermined absolute upper and lower power limits are plotted and the mean power P AV is plotted as a curve.
  • the dependency of the relative upper and lower power limits is temporarily decoupled here from the average power for a service life extending measure, as can be seen in the right part of the graph.
  • the allowed deflection and its starting point, the center point The allowed range can also be time-dependent.
  • the center m f of the permitted deflection can be decoupled from the average power P AV , continuously increased to P Ma x, and after completion of the action be lowered again to the desired average target power P AV . This is shown in the right area of Fig. Lb.
  • the average power P AV does not necessarily follow the center m f of the permitted deflection.
  • FIG. 2 shows an example of a first embodiment of a method according to the invention with an absolute lower power limit ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ of 60% of the nominal power and an absolute upper power limit P Ma x of 100% of the nominal power and a modulation depth A a of the power of 20 % of nominal power.
  • the average power P AV is averaged over 10s as a one-way moving average.
  • the maximum range of the instantaneous power is thus set from 100% of the nominal power (Puax) to 60% of the nominal power (Pnin).
  • the short-term maxi ⁇ male image-by-image modulation, ie the modulation depth A a is limited to 20% of the nominal power.
  • FIG. 3 shows an example of a second embodiment of a method according to the invention with an absolute lower power limit ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ of 30% and an absolute upper power limit P Ma x of 100%.
  • the modulation depth A a P AV of the average power is 5% in this execution ⁇ form.
  • the one-way moving average is averaged only over 2 s in the second embodiment.
  • the maximum range of the instantaneous power is therefore 100% of the nominal power (PUAx) up to 30% of the nominal Leis ⁇ device (PFIN) adjustable.
  • the short-term maximum picture-by-picture modulation, ie the modulation depth (A a ) is limited to nu 5 "6.
  • the short-term adjustment is relatively low, but with constant image brightness below the minimum allowable power ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ the applied power decreases by the algorithm after about 22s to the lower allowed power ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • the mean value starts first at 100%.
  • the test sequence 51 consists here of a Hellig ⁇ keitssprung of 100% of the image brightness to 50% of Marshhel ⁇ ltechnik and back.
  • the image brightness is plotted over the image numbers.
  • the curve P M is the plotted
  • Instantaneous power of the lamp Good to see is the initial jump in performance from 100% of nominal power to 80% the nominal power due to the allowed modulation depth A a of 20% of the nominal power.
  • the curve P A V be ⁇ records the average power P AV, by virtue of a ⁇ mutually moving average calculation follows only after some time the instantaneous power P M. From the jump of the instantaneous power to 80% of the nominal power, the instantaneous power remains at 80% until the average power P A v has reached 90% of the nominal power.
  • the instantaneous power P M decreases at the same rate as the average power P AV , with the difference that it is lower than the average power P AV by the allowed 10%.
  • the instantaneous power P M ⁇ behaves with the jump in image brightness of 60% of the nominal power to 100% of the nominal power of the high pressure discharge lamp.
  • the minimum image brightness of 60% is achieved here after about 900 images corresponding to about 15 s (at 60 images / s).
  • FIG. 5 shows a graph with the same simple test sequence 51 as in FIG. 4 for the second embodiment of the method according to the invention.
  • the jump of the image brightness is for better comparison is the same as in the previous example of Fig. 4.
  • the instantaneous power P M behaves differently here than in the first embodiment.
  • the instantaneous power P M is lowered by the allowed modulation depth A a of 5 ⁇ 6.
  • she pauses briefly to then descend to the mittle ⁇ ren power P AV.
  • the average power is averaged over only 2 seconds, it decreases at a linear rate.
  • the minimum image brightness of 50% is reached here after about 1300 images corresponding to about 22 s (at 60 images / s).
  • 6 shows the graphical illustration of the permitted modulation depth A a (the range between relative lower and upper power limit) as a function of the burning voltage U B (60V-120V) of the high-pressure discharge lamp for a third embodiment of the method according to the invention
  • the modulation depth ⁇ A a is analogous to the previous embodiments, but in addition, the modulation depth A a is dependent on the operating voltage U B of the high-pressure discharge lamp. At low burning voltages of, for example, 60 V, the modulation depth A a is small, for example 5%, in order to prevent further coalescence of the electrodes of the high-pressure discharge lamp. At high firing voltages, the permitted modulation depth A a is greater, for example 30%, since here an integration of the electrodes may even be desirable.
  • the allowed modulation depth can be linear, but also in steps or any waveform.
  • the advantage of the solution according to the invention is above all the large available power range with maximum possible short-term modulation. As a result, greater energy savings can be achieved with longer lamp life.
  • the operating mode with a lifetime than ⁇ erverofficernden measure can be combined by the modulation depth Aa at higher operating voltages of the high-pressure discharge lamp may be higher.
  • the mode of operation is very flexible. Depending on the requirement of the lamps, the ranges can be adjusted individually. Zusharm ⁇ Lich the modulation depth A a can, depending on the

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit variabler Leistung, wobei die Hochdruckentladungslampe eine nominale Leistung aufweist, und mit einer Momentanleistung betrieben wird, wobei die Momentanleistung innerhalb einer relativen unteren und oberen Leistungsgrenze liegt, die von einer mittleren Leistung abhängt, und innerhalb einer vorbestimmten absoluten unteren und oberen Leistungsgrenze liegt, wobei die mittlere Leistung aus dem einseitigen gleitenden Mittelwert der Momentanleistung oder der exponentiellen Glättung der Momentanleistung eines Zeitabschnittes vordefinierter Länge bestimmt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit variabler Leistung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit variabler Leistung, welches z.B. in Videoprojektionssystemen eingesetzt werden kann. Hintergrund
Die Erfindung bezieht sich auf ein Betriebsverfahren für Hochdruckentladungslampen, welches z.B. in Videoprojektionssystemen eingesetzt werden kann, und die Hochdruckentla¬ dungslampe mit variabler Leistung betreibt, um den Energie- verbrauch des Systems zu minimieren und das Kontrastverhältnis z.B. des wiederzugebenden Bildes zu erhöhen. Vor allem bei der Wiedergabe von Filmmaterial ist die Bildhel¬ ligkeit oftmals sehr gering (z. Bsp. Nachtszenen) . Zur Erhöhung des dynamischen Kontrastes und zum Einsparen von Energie und auch zur Erhöhung der mittleren Lampenlebensdauer durch Betrieb bei im Mittel geringerer Leistung soll dabei die Lampe daher dynamisch mit dem Bildinhalt Bild für Bild in ihrer Leistung angepasst werden. Dieses ist zwar prinzipiell möglich, allerdings gibt es hierbei ein Prob- lern: Wenn die kurzfristige Modulation der Lampenleistung zu stark ist und die Elektrodentemperatur damit schnellen Schwankungen unterliegt, kommt es durch thermische Spannun¬ gen zwischen Kernstift und Elektrodenwendeln zu einem "Abwickeln" der Elektrodenwendeln in Richtung der Bogenmitte. Dieses führt sehr schnell zu einer Verringerung des Elekt¬ rodenabstands, was dann durch die üblicherweise in den Betriebsgeräten vorgesehene Strombegrenzung dazu führt, dass die Lampen mit einer zu geringen Leistung betrieben werden und dann auch nicht mehr im normalen Betriebsbereich zu betreiben sind. Dieses verringert die Lebensdauer der Hochdruckentladungslampe erheblich. Zusätzlich ist die Bildwiedergabe des Projektionssystems gestört.
Eine Lösung ist eine starke Einschränkung des erlaubten Modulationsbereiches, so dass das "Abwickeln" der Elektro¬ denwendeln nicht mehr auftritt, beziehungsweise so langsam auftritt, dass es vom typischen Rückbrand der Elektroden während der Betriebsdauer kompensiert wird.
Alternativ könnte nur eine sehr langsame Modulation zugelassen werden, so dass es nur wenige kurzfristige Lei- stungssänderungen gibt, dann aber ein größerer Bereich der Modulationstiefe genutzt werden könnte. Beide Lösungen schränken aber das durch die Modulation der Leistung erzielbare Kontrastverhältnis stark ein, was sehr unerwünscht ist .
Aufgabe
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit variabler Leistung an¬ zugeben, welches die Lebensdauer der Hochdruckentladungs¬ lampe nicht verringert und gleichzeitig den Dynamikbereich der Hochdruckentladungslampe nicht verringert. Darstellung der Erfindung
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit variabler Leistung, wobei die Hochdruckentladungslampe eine nominale Leistung aufweist, und mit einer Momentanleistung betrieben wird, wobei die Momentanleistung innerhalb einer relativen unteren und oberen Leistungsgrenze liegt, die von einer mittleren Leistung abhängt, und innerhalb einer vorbestimmten absoluten unteren und oberen Leistungsgrenze liegt, wobei die mittlere Leistung aus dem Mittelwert der Momentanleistung bestimmt wird. Dieser kann bevorzugt als einseitiger gleitender Mittelwert der Momentanleistung oder der exponentiellen Glättung der Momentanleistung eines Zeitabschnittes vordefinierter Länge bestimmt werden. Mit diesem Verfahren kann das oben beschriebene , Abwickeln' der Elektrodenwendeln wirksam verhindert werden, ohne den Dynamikbereich der Hochdruckentladungslampe zu sehr einzu¬ schränken .
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Momentanleistung in regelmäßigen zeitlichen Abständen ermittelt und die mittlere Leistung setzt sich aus dem einseitigen glei¬ tenden Mittelwert der letzten x Momentanleistungen zusammen. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die Momentanleistung ebenfalls in regelmäßigen zeitlichen Abständen ermittelt und die mittlere Leistung setzt sich aus einer exponentiellen Glättung der letzten x Momentanleistungen zusammen.
Der Wert x der letzten x Momentanleistungen, aus denen sich die mittlere Leistung zusammensetzt, liegt dabei bevorzugt im Bereich zwischen 10<x<600. Mit dieser Maßnahme wird eine Ausreichende Glättung bei gleichzeitig genügender Dynamik erreicht .
Die relative untere und obere Leistungsgrenze ist dabei bevorzugt von der mittleren Leistung und von der Brennspannung UB der Hochdruckentladungslampe abhängig. Dies ist beim erfindungsgemäßen Verfahren von Vorteil, da aus diesen Parametern die Modulationstiefe besonders gut abgeleitet werden kann, und so ein Betrieb der Hochdruckentladungslam- pe bei zu kleiner oder zu großer Leistung vermieden wird. Bevorzugt ist dabei der Abstand zwischen der relativen oberen und unteren Grenze bei kleinerer Brennspannung UB kleiner und bei größerer Brennspannung UB größer. Dass heißt, die Modulationstiefe steigt bei größerer Brennspan¬ nung UB und sinkt bei kleinerer Brennspannung UB. Dadurch kann bei einem zu großen Elektrodenabstand das Wachstum der Elektrodenspitzen gefördert werden während es bei einem zu kleinen Elektrodenabstand unterbunden wird. Erstaunlicher- weise hat sich nämlich gezeigt, dass eine große Modulati¬ onstiefe zu einem erhöhten Spitzenwachstum führt, während eine kleine Modulationstiefe keine Auswirkungen auf das Spitzenwachstum hat.
Die relative untere Leistungsgrenze liegt dabei bevorzugt zwischen 1% und 30% der Nominalleistung unterhalb der mittleren Leistung der Hochdruckentladungslampe und die relati¬ ve obere Leistungsgrenze liegt dabei bevorzugt zwischen 1% und 30% der Nominalleistung oberhalb der mittleren Leistung der Hochdruckentladungslampe. Die absolute untere Leis- tungsgrenze liegt bevorzugt zwischen 30% und 80% der nomi¬ nalen Leistung der Hochdruckentladungslampe und die absolu¬ te obere Leistungsgrenze liegt bevorzugt zwischen 100% und 130% der nominalen Leistung der Hochdruckentladungslampe.
In einer weiteren Ausführungsform sind die relative untere und obere Leistungsgrenze gleich weit von der mittleren Leistung entfernt. Es ist aber auch möglich, die Grenzen unabhängig voneinander zu gestalten und für den Abstand der oberen Leistungsgrenze von der mittleren Leistung einen größeren Wert zu wählen. Dies ist von Vorteil, wenn in der Anwendung das Licht zusätzlich noch durch geeignete zusätzliche Maßnahmen (z. Bsp. einem Shutter) reduziert werden kann. Die Helligkeit der Lampe kann dann schneller wieder von einem niedrigeren Niveau auf ein helleres Niveau ansteigen, wohingegen ein Absenken der Helligkeit langsamer erfolgen kann. Beim Absenken der Helligkeit kann die zusätzliche Maßnahme zu einer sofortigen Reduktion der Hel- ligkeit genutzt werden. Die Lampe wird langsam herunterge¬ regelt, was durch die zusätzliche Maßnahme aber nicht mehr wahrgenommen werden kann. Andersherum ist dies aber nicht möglich: Wenn die Helligkeit sofort wieder verfügbar sein muss, muss die Lampe deutlich schneller die Zielhelligkeit erreichen, was durch den größeren Abstand der oberen Leistungsgrenze von der mittleren Leistung erreicht werden kann .
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die gewünschte Momentanleistung durch eine externe Steuereinheit vorgegeben und die relativen oberen und unteren Leistungsgrenzen werden bei jeder Leistungsänderung an die Steuereinheit zurück übermittelt. Dadurch ist eine sichere und effiziente Kommunikation zwischen dem Betriebsgerät der Hochdruckentladungslampe und der Steuereinheit (z.B. eine Videoelektronik) möglich. Die RückÜbermittlung der relativen oberen und unteren Leistungsgrenzen kann dabei über ein pulsweitenmoduliertes Signal oder über eine digitale
Schnittstelle erfolgen. Diese beiden Varianten sind einfach und effizient mittels eines meistens schon vorhandenen MikroControllers umsetzbar. Die relativen oberen und unte¬ ren Leistungsgrenzen können in weiteren Verfahren auch über ein analoges Pegelsignal oder ein Frequenzsignal übermit¬ telt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung synchronisiert die Steuereinheit die gewünschte Lampenleistung zu externen Signalen, wie zum Beispiel einem Bildsignal oder einem Tonsignal . Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit variabler Leistung ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit identi sehen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
Fig.la eine Grafik zur Veranschaulichung des erfindungs- gemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit variabler Leistung, bei der die vorbestimmten absoluten unteren und oberen Leistungsgrenzen eingezeichnet sind, sowie die mittlere Leistung als Kurve und die relativen un- teren und oberen Leistungsgrenzen, die abhängig von der mittleren Leistung sind,
Fig. lb eine Grafik zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit variabler Leistung, bei der die vorbestimmten absoluten unteren und oberen
Leistungsgrenzen eingezeichnet sind, sowie die mittlere Leistung als Kurve und die relativen un¬ teren und oberen Leistungsgrenzen, deren Abhängigkeit hier zeitweise für eine lebensdauerver- längernde Maßnahme von der mittleren Leistung entkoppelt wird, Fig. 2 ein Beispiel einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer absoluten unteren und oberen Leistungsgrenze von 60% bis 100% und einer Modulationstiefe Aa von 20% und einer mittleren Leistung, deren einseitig gleitender Mittelwert über 10s gemittelt wird,
Fig. 3 ein Beispiel einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer absoluten unteren und oberen Leistungsgrenze von 30% bis 100% und einer Modulationstiefe Aa θΠ 5"6 und ei¬ ner mittleren Leistung, deren einseitig gleitender Mittelwert über 2s gemittelt wird,
Fig. 4 eine Grafik mit einer einfachen Testsequenz für die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 5 eine Grafik mit derselben einfachen Testsequenz wie in Fig. 4 für die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 6 die graphische Darstellung der erlaubten Modula- tionstiefe Aa (der Bereich zwischen relativer unterer und oberer Leistungsgrenze) in Abhängigkeit der Brennspannung UB der Hochdruckentladungslampe für eine dritte Ausführungsform des erfindungsge¬ mäße Verfahrens zum Betreiben einer Hochdruckent- ladungslampe .
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
In den folgenden Ausführungen werden wiederholt Begriffe verwendet, die hier kurz erläutert werden sollen:
Als nominale Leistung der Hochdruckentladungslampe wird hier die vom Hersteller der Hochdruckentladungslampe ange- gebene Nennleistung für den Dauerbetrieb verstanden. Die nominale Leistung einer Hochdruckentladungslampe für Pro¬ jektionszwecke kann z.B. 120W, 150W oder 300W betragen.
Als Momentanleis ung wird im Folgenden die aktuell an der Hochdruckentladungslampe anliegende Leistung angesehen. Bei Projektionsanwendungen kann die Momentanleistung in diskreten Abständen, also z.B. einmal pro Bild (auch Frame ge¬ nannt) berechnet werden. Die Momentanleistung kann aber auch kontinuierlich berechnet werden.
Als mittlere Leistung PAV wird im Folgenden eine Leistung angesehen, die über eine bestimmte Zeitspanne gemittelt wird. Es werden nur reale Momentanleistungen gemittelt, d.h. die Zeitspanne erstreckt sich in die Vergangenheit. Die mittlere Leistung PAV kann als einseitig gleitender Mittelwert berechnet werden, bei dem sich die Mittelungspe¬ riode vom aktuellen Zeitpunkt ausgehend in die Vergangen¬ heit erstreckt. Die Berechnungsvorschriften zum einseitig gleitenden Mittelwert können z.B. im Wikipedia-Artikel „Gleitender Mittelwert"
(http : //de . wikipedia . org/wiki/Gleitender_Mittelwert#Einseit iger_gleitender_Mittelwert) , abgerufen am 5.4.2011, gefun¬ den werden.
Die mittlere Leistung PAV kann aber auch mittels einer exponentiellen Glättung berechnet werden, bei der ein ge- wichteter Durchschnitt aus den letzten Leistungswerten und einem Gewichtungswert gebildet wird. Die Berechnungsvor¬ schriften zur exponentiellen Glättung können z.B. im Wikipedia-Artikel „exponentiellen Glättung"
(http : //de . wikipedia . org/wiki/Exponentielle_Glättung) , abgerufen am 5.4.2011, gefunden werden. Fig.la zeigt eine Grafik zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit variabler Leistung, bei der die vorbestimmte absolute untere Leistungsgrenze Pmin und die die vorbestimm- te absolute obere Leistungsgrenzen Pmax eingezeichnet sind. Die mittlere Leistung PAV ist als Kurve eingezeichnet, und die relativen unteren und oberen Leistungsgrenzen, die abhängig von der mittleren Leistung PAV sind, sind als senkrechte Pfeile eingezeichnet. Der Bereich zwischen der unteren und der oberen relativen Leistungsgrenze wird auch als Modulationstiefe Aa bezeichnet .
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Verfahren dazu verwendet, den Kontrast in Videoanwen¬ dungen durch das Anpassen der Momentanleistung der Hoch- druckentladungslampe an den aktuellen Bildinhalt zu erhö¬ hen. Dazu wird von einer externen Steuereinheit, z.B. einer Videoelektronik, die gewünschte Momentanleistung an das die Hochdruckentladungslampe betreibende Betriebsgerät übermit¬ telt. Die Übermittlung kann dabei über eine digitale
Schnittstelle erfolgen. Die Übermittlung kann aber auch durch ein moduliertes Signal erfolgen, welches in das Be¬ triebsgerät eingegeben wird. Das Betriebsgerät stellt nun die gewünschte Leistung an der Hochdruckentladungslampe im Rahmen der momentan erlaubten Modulationstiefe ein. Die Modulationstiefe Aa für die kurzfristige Bild-für-Bild-
Modulation (typischerweise 50Hz bis 60Hz bzw. das Doppelte für 3D-Inhalte) wird auf einen vorbestimmten Wert be¬ schränkt, so dass das Eingangs beschriebene "Abwendein" der Elektrodenwendel nicht oder nur sehr langsam auftritt. Um nun dennoch einen weiteren Bereich für die Modulation der Leistung zu erlauben, wird ein zusätzlicher Parameter eingeführt: eine über einen längeren Zeitraum t gemittelte mittlere Leistung PAV. Die kurzfristige Modulation wird dann im erlaubten Bereich mit einer vorbestimmten Modulationstiefe immer um diese mittlere Leistung PAV möglich. Es gibt also um diese mittlere Leistung PAV herum eine obere und eine untere relative Leistungsgrenze. Bei Annährung an die obere und untere absolute Leistungsgrenze (PMax, Pnin) bleibt die Modulation dann in einem Bereich zwischen diesen festen Grenzen möglich. Das Betriebsgerät führt die von der Steuereinheit gewünschte Leistungsänderung der Hochdruck- entladungslampe im Rahmen der aktuell gültigen relativen
Grenzen durch und übermittelt dann die relativen oberen und unteren Leistungsgrenzen für eine erneute Leistungsänderung an die Steuereinheit zurück. Die RückÜbermittlung kann dabei ebenfalls über ein PWM Signal oder über eine digitale Schnittstelle erfolgen.
Die gewünschte Lampenleistung kann dabei zu externen Signa¬ len synchronisiert werden. Insbesondere kann die Steuerein¬ heit die gewünschte Lampenleistung mit einem Bildsignal synchronisieren. Die Steuereinheit kann die gewünschte Lampenleistung aber ebenfalls aus einem Tonsignal synchro¬ nisieren .
Fig. lb zeigt eine Grafik zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Hochdruckentla- dungslampe mit variabler Leistung, bei der die vorbestimmten absoluten unteren und oberen Leistungsgrenzen eingezeichnet sind, sowie die mittlere Leistung PAV als Kurve eingezeichnet ist. Die Abhängigkeit der relativen unteren und oberen Leistungsgrenzen wird hier zeitweise für eine lebensdauerverlängernde Maßnahme von der mittleren Leistung entkoppelt, wie im rechten Teil der Grafik zu sehen ist. Die erlaubte Auslenkung und ihr Startwert, der Mittelpunkt des erlaubten Bereichs können außerdem zeitabhängig sein. Sollte eine aktuell anstehende lebensdauerverlängernde Maßnahme einen Lampenbetrieb bei nominaler Leistung erfordern bzw. nur dann ideal zur Wirkung kommen, so kann der Mittelpunkt mf der erlaubten Auslenkung von der mittleren Leistung PAV entkoppelt werden, kontinuierlich auf PMax angehoben und nach Beendigung der Maßnahme wieder auf die gewünschte mittlere Zielleistung PAV abgesenkt werden. Dies ist im rechten Bereich der Abb. lb dargestellt. Die mittle- re Leistung PAV folgt dabei dem Mittelpunkt mf der erlaubten Auslenkung nicht zwangsläufig.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer absoluten unteren Leistungsgrenze ΡΜ±η von 60% der nominalen Leistung und einer absoluten oberen Leistungsgrenze PMax von 100% der nominalen Leistung und einer Modulationstiefe Aa der Leistung von 20% der nominalen Leistung. Die mittlere Leistung PAV wird als einseitig gleitender Mittelwert über 10s ge- mittelt. Der maximale Bereich der Momentanleistung ist damit von 100% der nominalen Leistung (Puax) bis 60% der nominalen Leistung (Pnin) festgelegt. Die kurzfristige maxi¬ male Bild-für-Bild Modulation, also die Modulationstiefe Aa wird auf 20% der nominalen Leistung beschränkt. Der einsei¬ tig gleitende Mittelwert der mittleren Leistung PAV wird folgendermaßen bestimmt: PAV = (PI + P2 + P3 + P4 +...+ Pn) / n, wobei n so gewählt wird, dass die Mittelung über 10s erfolgt, und die Momentanleistungen PI bis Pn jeweils für ein Bild bestimmt werden. Bei einer Bildwiederholfrequenz der Bildrate von z.B. 60Hz ist n=600. Eine kurzzeitige Helligkeitsanpassung ist somit jederzeit möglich. Bei andauernder Bildhelligkeit unterhalb der minimal erlaubten Leistung sinkt die Momentanleistung durch den Algorithmus nach ca. 15s auf die untere erlaubte Leistung ΡΜ±η ab. Dabei startet der Mittelwert zunächst bei 100%, also bei nomina¬ ler Leistung.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer absoluten unteren Leistungsgrenze ΡΜ±η von 30% und einer absoluten oberen Leistungsgrenze PMax von 100%. Die Modulationstiefe Aa der mittleren Leistung PAV beträgt in dieser Ausführungs¬ form 5%. Der einseitig gleitende Mittelwert wird in der zweiten Ausführungsform lediglich über 2s gemittelt. Der maximale Bereich der Momentanleistung ist damit von 100% der nominalen Leistung (Puax) bis zu 30% der nominalen Leis¬ tung (Pfin) einstellbar. Die kurzfristige maximale Bild-für- Bild Modulation, also die Modulationstiefe (Aa) wird auf nu 5"6 beschränkt. Die mittlere Leistung wird durch einen einseitigen gleitenden Mittelwert bestimmt: PAv = (PI + P2 + P3 + P4+ ... + Pn) / n, wobei n so gewählt wird, dass die Mittelung über ~2s erfolgt. Bei einer Bildwiederholrate von 60Hz ist n dann gleich 120. Die kurzzeitige Anpassung ist relativ gering, aber bei andauernder Bildhelligkeit unterhalb der minimal erlaubten Leistung ΡΜ±η sinkt die angelegte Leistung durch den Algorithmus nach ca. 22s auf die untere erlaubte Leistung ΡΜ±η ab. Der Mittelwert startet zunächst bei 100%.
Fig. 4 zeigt eine Grafik mit einer einfachen Testsequenz für die erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Testsequenz 51 besteht hier aus einem Hellig¬ keitssprung von 100% der Bildhelligkeit zu 50% der Bildhel¬ ligkeit und zurück. Die Bildhelligkeit ist über die Bild- nummern aufgetragen. Die Kurve PM ist die aufgetragene
Momentanleistung der Lampe. Gut zu sehen ist der anfängliche Leistungssprung von 100% der nominalen Leistung auf 80% der nominalen Leistung aufgrund der erlaubten Modulationstiefe Aa von 20% der nominalen Leistung. Die Kurve PAv be¬ zeichnet die mittlere Leistung PAV, die aufgrund der ein¬ seitig gleitenden Mittelwertberechnung erst nach einiger Zeit der Momentanleistung PM folgt. Ab dem Sprung der Momentanleistung auf 80% der Nominalleistung bleibt die Momentanleistung so lange auf 80%, bis die mittlere Leistung PAv 90% der Nominalleistung erreicht hat.
Dann sinkt die Momentanleistung PM mit der gleichen Rate wie die mittlere Leistung PAV, mit dem Unterschied, dass sie um die erlaubten 10% niedriger ist als die mittlere Leistung PAV. In analoger Weise verhält sich die Momentan¬ leistung PM beim Sprung der Bildhelligkeit von 60% der nominalen Leistung auf 100% der nominalen Leistung der Hochdruckentladungslampe. Die minimale Bildhelligkeit von 60% wird hier nach etwa 900 Bildern entsprechend etwa 15s (bei 60 Bildern/s) erreicht.
Fig. 5 zeigt eine Grafik mit derselben einfachen Testsequenz 51 wie in Fig. 4 für die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Sprung der Bildhelligkeit ist zur besseren Vergleichbarkeit derselbe wie im vorigen Beispiel der Fig. 4. Durch die unterschiedlichen Parameter zur Modulationstiefe Aa und zum einseitig gleitenden Mit¬ telwert verhält sich die Momentanleistung PM hier anders als in der ersten Ausführungsform. Zu Beginn wird die Momentanleistung PM um die erlaubte Modulationstiefe Aa von 5~6 abgesenkt. Hier verharrt sie kurz, um dann mit der mittle¬ ren Leistung PAV weiter abzusinken. Da in der zweiten Ausführungsform die mittlere Leistung nur über 2 Sekunden gemittelt wird, sinkt sie mit einer linearen Rate ab. Die minimale Bildhelligkeit von 50% wird hier nach etwa 1300 Bildern entsprechend ca. 22s (bei 60 Bildern/s) erreicht. Fig. 6 zeigt die graphische Darstellung der erlaubten Modulationstiefe Aa (der Bereich zwischen relativer unterer und oberer Leistungsgrenze) in Abhängigkeit der Brennspannung UB (60V-120V) der Hochdruckentladungslampe für eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Betreiben einer Hochdruckentladungslampe. Die Modulations¬ tiefe Aa ist analog zu den vorherigen Ausführungsformen, aber zusätzlich ist die Modulationstiefe Aa abhängig von der Brennspannung UB der Hochdruckentladungslampe. Bei niedrigen Brennspannungen von z.B. 60 V ist die Modulationstiefe Aa klein z.B. 5%, um ein weiteres Zusammenwachsen der Elektroden der Hochdruckentladungslampe zu verhindern. Bei hohen Brennspannungen ist die erlaubte Modulationstiefe Aa größer, z.B. 30%, da hier ein Zusammenwachsen der Elekt- roden gegebenenfalls sogar erwünscht ist. Die erlaubte Modulationstiefe kann linear, oder aber auch in Stufen beziehungsweise eine beliebigen Kurvenform sein.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist vor allem der große verfügbare Leistungsbereich bei maximal möglicher kurzfristiger Modulation. Dadurch lässt sich eine größere Energieeinsparung bei höherer Lampenlebensdauer erreichen. Außerdem lässt sich der Betriebsmodus mit einer Lebensdau¬ erverlängernden Maßnahme kombinieren, indem die Modulationstiefe Aa bei höheren Brennspannungen der Hochdruckentla- dungslampe höher ausfallen kann. Zusätzlich ist die Betriebsweise sehr flexibel. Je nach Anforderung der Lampen, können individuell die Bereiche eingestellt werden. Zusätz¬ lich lässt sich die Modulationstiefe Aa in Abhängigkeit der
Brennspannung UB einstellen. Eine hohe Modulation führt zum Zusammenwachsen der Elektroden. Bei hohen Brennspannungen ist dies mitunter erwünscht, wohingegen bei niedrigen
Brennspannungen die Elektroden nicht weiter zusammenwachsen sollen. Es bietet sich also an, bei niedrigen Brennspannungen eine geringe Modulationstiefe Aa und bei hohen Brenn¬ spannungen eine hohe Modulationstiefe Aa zu erlauben, was zu einer insgesamt niedrigeren Brennspannung UB während der Lebensdauer führt und damit die Lebensdauer der Hochdruckentladungslampe verlängern kann.
Bezugszeichenliste
55 Bildhelligkeit
PAV mittlere Leistung
?Max absolute obere Leistungsgrenze
Plin absolute untere Leistungsgrenze
Aa Modulationstiefe
mf Mittelpunkt
ΦΒ Bildhelligkeit
PM momentane Leistung
UB Brennspannung der Hochdruckentladungslampe

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe mit variabler Leistung, wobei die Hochdruckentladungslampe eine nominale Leistung aufweist, und mit einer Momentanleistung betrieben wird, wobei die Momentanleistung
- innerhalb einer relativen unteren und oberen Leistungsgrenze liegt, die von einer mittleren Leis¬ tung (PAv) abhängt, und
- innerhalb einer vorbestimmten absoluten unteren und oberen Leistungsgrenze (PMax, Pnin) liegt, wobei die mittlere Leistung aus dem einseitigen gleitenden Mittelwert der Momentanleistung oder der exponentiellen Glättung der Momentanleistung eines Zeitabschnittes vordefinierter Länge bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Momentanleistung in regelmäßigen zeitlichen Abständen ermittelt wird und die mittlere Lei¬ stung sich aus dem einseitigen gleitenden Mittel- wert der letzten x Momentanleistungen zusammensetzt .
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Momentanleistung in regelmäßigen zeitlichen Abständen ermittelt wird und sich die mittlere Leistung aus einer exponentiellen Glättung der letzten x Momentanleistungen zusammensetzt.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass x in folgendem Bereich liegt:
10<x<600.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die relative untere und obere Leistungsgrenze von der mittleren Leistung und von der Brennspannung (UB) der Hochdruckentladungslampe abhängig ist .
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der relativen oberen und unteren Grenze bei kleinerer Brennspannung (UB) kleiner und bei größerer Brennspannung (UB) größer ist .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative untere Leistungsgrenze zwischen 1% und 30% der Nominal¬ leistung unterhalb der mittleren Leistung liegt und die relative obere Leistungsgrenze zwischen 1% und 30% der Nominalleistung oberhalb der mittleren Leistung liegt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand von der re¬ lativen unteren Leistungsgrenze zur mittleren Leistung (PAV) gleich groß ist wie der Abstand von der mittleren Leistung (PAV) zur relativen oberen Leis¬ tungsgrenze .
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand von der re¬ lativen unteren Leistungsgrenze zur mittleren Leistung (PAv) unterschiedlich groß ist, und insbesonde¬ re kleiner ist wie der Abstand von der mittleren Leistung (PAV) zur relativen oberen Leistungsgrenze.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die absolute un¬ tere Leistungsgrenze zwischen 30% und 80% der nomi¬ nalen Leistung liegt und die absolute obere Leis- tungsgrenze zwischen 100% und 130% der nominalen Leistung liegt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Momentanleistung (PAV) durch eine externe Steuerein¬ heit vorgegeben wird, und die relativen oberen und unteren Leistungsgrenzen bei jeder Leistungsänderung an die Steuereinheit zurück übermittelt wer¬ den .
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die RückÜbermittlung über ein pulsweiten- moduliertes Signal, ein analoges Pegelsignal, eine Frequenz oder ein digitales Signal erfolgt.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die gewünschte Lampen¬ leistung zu externen Signalen synchronisiert.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die gewünschte Lampen¬ leistung mit einem Bildsignal synchronisiert.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit die gewünschte Lampen¬ leistung aus einem Tonsignal synchronisiert.
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