Be s ehre ibung

[1] Betriebsverfahren und Schaltungsanordnung für Lichtquellen .

Technisches Gebiet

[2] Die Erfindung geht aus von einem Betriebsverfahren für Lichtquellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und von einer Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Es handelt sich dabei insbesondere um ein Verfahren zur Regelung einer Schaltungsanordnung für Lichtquellen, die in regelmäßigen Abständen umgepolt wer- den, oder bei denen häufig große Stromänderungen notwendig werden. Besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Grö ^¬ ße von überschwingungen, die durch die Stromänderung ausgelöst werden.

Stand der Technik

[3] Allgemein verbreitet bei elektronischen Betriebsge ^¬ räten für Gasentladungslampen ist der sog. Rechteckbetrieb. Dabei wird die Lampe mit einem Gleichstrom beauf ^¬ schlagt, der in regelmäßigen Abständen umgepolt wird. Das Umpolen ist nötig, um Elektrophorese-Effekte zu vermeiden und um jede Elektrode der Lampe gleich zu belasten. Eben ^¬ falls verbreitet ist bei speziell dafür ausgelegten Gas ^¬ entladungslampen der Gleichstrombetrieb. Für bestimmte Anwendungen, z.B. im Projektionsbetrieb sind jedoch auch bei Gleichstromlampen schnelle Stromänderungen notwendig. Auch bei Projektionsanwendungen mit Halbleiterlichtquel ^¬ len sind sehr schnelle Stromänderungen notwendig, um eine konstante Farbtemperatur zu sichern.

[4] Der Gleichstrom wird im Allgemeinen von einer getakteten Stromversorgung, im folgenden auch Gleichspannungs-

wandler genannt, bereitgestellt. Dabei handelt es sich meist um bekannte Topologien wie Tiefsetzer (Bück) , Hochsetzer (Boost) , Inverswandler (Buck-Boost) , Cύk- oder Sepie-Wandler. Meist ist die Spannung, die dem Gleichspan- nungswandler zugeführt wird, höher als die Spannung an der Lichtquelle, weshalb bevorzugt ein Tiefsetzer einge ^¬ setzt wird. Die Leistung, die der Gleichspannungswandler einer Last bereitstellt kann im Allgemeinen durch das Tastverhältnis oder die Schaltfrequenz von elektronischen Schaltern, die in dem Gleichspannungswandler enthalten sind, eingestellt werden. Dazu besitzt der Gleichspan ^¬ nungswandler einen Stelleingang an dem ein Sollwert eingespeist wird. Falls es sich bei dem Gleichspannungswand ^¬ ler z.B. um einen Tiefsetzer handelt, so wird meist ein Pulsweitenmodulator (PWM) verwendet, der den Sollwert in ein Ansteuersignal für den im Tiefsetzer enthaltenen elektronischen Schalter umsetzt.

[5] Treten nun schnelle Stromänderungen im Sollwert auf, z.B. durch das Umpolen des Lampenstroms oder durch Farb- änderungen in Projektorsystemen, so kann der Gleichspannungswandler diesen schnellen Stromänderungen nicht folgen. Die änderung des Stromes verläuft langsamer und es tritt ein überschwingverhalten auf, d.h. dass der Istwert des Stromes über den Sollwert hinausgeht und sich erst nach einiger Zeit wieder dem Sollwert nähert. Dadurch nimmt die Lichtquelle mehr Leistung auf, was sich in ei ^¬ ner erhöhten, oft unerwünschten Lichtabgabe niederschlägt. Bei Projektionssystemen kann durch diesen Effekt z.B. die Farbdarstellung verfälscht werden. Durch den kurzzeitig erhöhten Strom erhöhen sich auch unerwünschte

Geräusche, die die Schaltung aufgrund von Magnetostrikti ^¬ onen und anderen Mechanismen an ihre Umwelt abgibt.

[6] In der EP 1 326 483 Al wird daher versucht, das ü- berschwingverhalten aufgrund der Umpolung des Lampen- Stroms zu vermeiden, indem kurz vor dem Umpolen der Sollwert des Stromes erniedrigt wird und kurz nach der Umpo ^¬ lung wieder der gewünschte Sollwert eingestellt wird. Es wird also die Sollgröße synchron zur Umpolung und damit synchron zum Umschaltsignal um einen Absenkwert mit zeit- lichem Verlauf abgesenkt. Dies reduziert zwar das über- schwingverhalten beim Umpolen des Lampenstroms, also beim Kommutieren der Lampe, kann aber nicht immer einen Beitrag zu schnellen Stromänderungen des Lampenstroms leis ^¬ ten, die eine schnelle änderung der Lampenleistung nach sich ziehen.

Aufgabe

[7] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb von Lichtquellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. ein Betriebsgerät zum Betrieb von Lichtquellen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8 bereitzustellen, das eine schnelle änderung des Lichtquel ^¬ lenstroms mit im Vergleich zum Stand der Technik reduziertem überschwingen bewerkstelligt.

Darstellung der Erfindung

[8] Die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens er ^¬ folgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Regelung einer Lichtquelle, die von einem Gleichspannungswandler mit einer Leistung versorgt wird wobei durch Vorgabe ei ^¬ nes Sollwerts für einen Betriebsparameter des Gleichspan-

nungswandlers (11) ein Stellwert geregelt wird, gekenn ^¬ zeichnet durch folgende Verfahrensschritte: vor schnellen änderungen des Sollwerts Erhöhen der Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers (11) um einen Erhöhungswert,

Abwarten einer Verweilzeit (t _RZ ) ,

Einstellen des neuen Sollwerts, warten auf das Ende einer Gesamtverweilzeit (t ₂ ) ,

Erniedrigen der Schaltfrequenz des Gleichspannungs- wandlers um den Erhöhungswert.

[9] Die Lösung der Aufgabe bezüglich der Schaltungsanordnung erfolgt mit einer Schaltungsanordnung zum Betreiben von Lichtquellen, die einen Gleichspannungswandler und eine Steuerschaltung aufweist, wobei sie mit dem oben genannten Verfahren betrieben wird.

[10] Bevorzugt wird das Einstellen des neuen Sollwerts während der Verweilzeit (t _RZ ) vorgenommen. Alternativ kann das Einstellen des neuen Sollwerts auch während der Gesamtverweilzeit (t ₂ ) vorgenommen werden.

[11] Bevorzugt wird die Lichtquelle dabei mit einem rechteckförmigen Strom betrieben. Die schnellen änderungen des Sollwerts können dabei das Umpolen des Lampen ^¬ stroms sein.

[12] Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestal- tungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Regelung einer Gasentladungslampe ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung (en)

[13] Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausfüh ^¬ rungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

[14] Fig. 1 Ein schematisches Blockschaltbild eines Be ^¬ triebsgerätes, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann.

[15] Fig. 2 Eine schematische Schnittdarstellung eines Videoprojektionssystems .

[16] Fig. 3 Ein Diagramm der Beleuchtungsstärke über den Zeitbereich eines kompletten Farbraddurch- laufes.

[17] Fig. 4 Ein Diagramm des Lichtquellenstroms mit Zeitbereichen für die normale und erhöhte Wandlerfrequenz nach dem erfindungsgemäßen Verfahren .

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

[18] Fig. 1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Betriebsgerätes 1, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Das Betriebsgerät 1 besitzt einen 380V Gleichspannungseingang. Diese Spannung entsteht, wenn z.B. eine 230 V Netzspannung, wie sie in Europa und anderen Teilen der Welt üblich ist, gleichgerichtet wird und mit einem Speicherkondensator gestützt wird. Die Spannung wird in einen ersten Gleichspannungswandler 11 eingegeben, der aus der Eingangsspannung eine für eine Gasentladungslampe 5 geeignete Lampenspannung generiert. Diese Lampenspannung wird in einem Wechselrichter 13 weiterverarbeitet, die aus der Gleichspannung eine Rechteckspannung mit einer Frequenz von wenigen 100Hz formt. Die-

se Rechteckspannung wird über ein überlagerungszündgerät 17 an die Gasentladungslampe 5 angelegt.

[19] Das Betriebsgerät 1 beinhaltet einen zweiten Gleich ^¬ spannungswandler 12, der ausgelegt ist, die Steuerschal- tung 15 mit Energie zu versorgen. Die Steuerschaltung 15 steuert den ersten Gleichspannungswandler 11 und den Wechselrichter 13 in einer Weise, dass das erfindungsge ^¬ mäße Verfahren ausgeführt wird. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Betriebsgerät 1 als Betriebsgerät für ein Videoprojektionssystem ausgelegt. Um mit der Videoelektronik zu kommunizieren weist die Steuerschaltung 15 einen Eingang E _VL auf, der über eine galvanische Tren ^¬ nung 16 geführt ist. über diesen Eingang empfängt die Steuerschaltung 15 ein Sync-Signal, über das die Synchro- nisation mit der Videoelektronik erfolgt.

[20] Um die genaue Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellen zu können, wird im folgenden kurz auf die Funktionsweise eines Videoprojektionssystems ein ^¬ gegangen, wie es schematisch in Fig. 2 dargestellt ist. Das Videoprojektionssystem gemäß Fig. 2 umfasst ein Betriebsgerät 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1. Dieses Betriebsgerät 1 betreibt die Gasentladungslampe 5, die weißes Licht aussendet, das mittels einer Optik 51, beispielsweise einer Linse, auf farbige Filter eines FiI- terrads 6 gebündelt wird. Dem Filterrad 6 ist in Ab ^¬ strahlrichtung der Gasentladungslampe 6 eine weitere Op ^¬ tik 52, beispielsweise ebenfalls eine Linse, nachgeord ^¬ net, die das von dem Filterrad 6 selektierte Licht auf einen DMD-Chip 71 lenkt.

[21] Der DMD-Chip 71 umfasst mikroskopisch kleine schwenkbare Spiegel, die das farbige Licht entweder auf eine Projektionsoptik 8 lenken oder von dieser weg, je nachdem ob das zugehörige Pixel ausgeschaltet sein soll oder nicht. Der DMD-Chip 71 umfasst mit anderen Worten die Lichtventile zur Steuerung der einzelnen Pixel des Videoprojektionssystems. Das Filterrad 6 fungiert vorlie ^¬ gend als Farbmodulator, der sequentiell nacheinander einzelne Farben aus dem weißen Licht der Beleuchtungsein- richtung 10, die aus dem Betriebsgerät 1 und der Gasent ^¬ ladungslampe 5 besteht, selektiert. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält das Filterrad 6 einen roten Filter, einen grünen Filter und einen blauen Filter.

[22] Eine in dem Betriebsgerät 1 der Beleuchtungseinrich- tung gespeicherte Lichtkurve 23, die in Fig. 3 darge ^¬ stellt ist, umfasst vorliegend drei Segmente S _R , S _G , S _B , die den einzelnen Farben der Filter des Filterrades 6, Rot, Grün und Blau zugeordnet sind. Das erste Segment S _R hat ein Zeitintervall t _R , während dem die Lichtkurve 23 eine konstante Beleuchtungsstärke B _R aufweist. Das erste Segment S _R ist der Farbe Rot zugeordnet, das heißt, dass während des Zeitintervalls t _R der rote Filter des Filter ^¬ rades 6 rotes Licht aus dem weißen Licht der Beleuch ^¬ tungseinrichtung 10 selektiert. Nach dem Zeitintervall t _R wechselt die Beleuchtungsstärke der Lichtkurve auf die Beleuchtungsstärke B _G , die während eines Zeitintervalls t _G des zweiten Segmentes S _G konstant gehalten wird, das der Farbe Grün zugeordnet ist. Daher selektiert während des Zeitintervalls t _G der grüne Filter des Filterrads 6 grünes Licht aus dem weißen Licht der Beleuchtungseinrichtung 10. Nach Ablauf des Zeitintervalls t _G wechselt

das Filterrad 6 auf den blauen Filter und die Lichtkurve 23 in das dritte Segment S _B . Das bedeutet, dass die Be ^¬ leuchtungsstärke der Lichtkurve 23 auf den Wert B _B wech ^¬ selt, der während eines Zeitintervalls t _B konstant gehal- ten wird. Aufgrund der unterschiedlichen Werte der Beleuchtungsstärke innerhalb der verschiedenen Segmente S _R , S _G , S _B der Lichtkurve 23, die den einzelnen Farben Rot, Grün und Blau der Filter des Filterrades 6 zugeordnet sind, wird die Beleuchtungsstärke der Beleuchtungsein- richtung 10 so angepasst, dass die Helligkeiten der einzelnen Farben Rot, Grün und Blau einem gewünschten Wert entsprechen, die zu einer vorgegebenen Farbtemperatur des Displaysystems führen. Die drei Segmente S _R , S _G , S _B der Lichtkurve 23 bilden eine Periode der Lichtkurve 23, die eine Dauer zwischen 16 ms und 20 ms aufweist, wobei die Grenzen eingeschlossen sind.

[23] Eine Umpolung des Lampenstromes findet vorzugsweise dann statt, wenn das Filterrad 6 die Farben wechselt. Zu diesem Zeitpunkt wird das Lichtsignal von dem DMD-Chip 71 dunkel getastet, um unerwünschte Farbverwischungen zu vermeiden. Um die Umpolung des Lampenstromes zu synchro ^¬ nisieren, sendet die Videoelektronik ein Sync-Signal an die Steuerschaltung 15, das diese dann in einer entsprechenden Ansteuerung des Wechselrichters 13 umsetzt.

[24] Eine weitere Quelle für schnelle Lampenstromänderun- gen ist der sogenannte Instandhaltungsimpuls, dieser ist z.B. aus der EP 766906 Bl bekannt. Der Impuls wird dem normalen Rechteck, bevorzugt kurz vor und/oder kurz nach der Kommutierung, also der Lampenstromumpolung, überla- gert . Der Impuls dient der Formung und Instandhaltung der Elektrodenspitzen der Gasentladungslampe. Der Instandhai-

tungsimpuls ist aber auch bekannt bei Gasentladungslampen, die im Gleichstrombetrieb betrieben werden. Durch diesen Impuls treten innerhalb einer Rechteckhalbwelle große Lampenstromänderungen auf, die mit dem erfindungs- gemäßen Verfahren besonders gut ausgeregelt werden können .

[25] Dadurch, dass die Informationen für den Instandhaltungsimpuls sowie die Informationen für die Einstellung des Farbortes anhand der Lichtkurve im Betriebsgerät ab- gespeichert sind, kann das erfindungsgemäße Betriebsver ^¬ fahren einfach und effizient angewandt werden. Die Steu ^¬ erschaltung 15 gibt dem Wechselrichter 13 die Schaltfrequenz und die Lampenleistung oder den Lampenstrom als Sollwert vor. Da die Steuerschaltung 15 weiss, wann die nächste Kommutierung oder der nächste Instandhaltungsimpuls ansteht, kann sie kurz vor diesem Zeitpunkt den Sollwert für die Wandlerfrequenz anheben. Dies hat zur Folge, dass der Gleichspannungswandler 11 wesentlich schneller auf die nun kommenden Stromänderungen reagieren kann, und die gewünschte Kurvenform besser nachgebildet wird.

[26] In Fig. 4 ist beispielhaft eine Halbwelle des Lam ^¬ penstroms 21 dargestellt. Während der Zeitspannen tu, t _i2 und ti ₃ , in denen sich der Lampenstrom nicht deutlich än- dert wird der Gleichspannungswandler 11 mit einer ersten Frequenz betrieben. Dieser Normalwert der Frequenz ist so gewählt, dass die Verluste des Wandlers minimiert sind. Bevorzugt wird der Wandler also im lückenden Betrieb oder mit der Grenzfrequenz zwischen lückenden und nichtlücken- den Betrieb gefahren.

[27] Unter Kickenden Betrieb wird hier die Betriebsweise eines getakteten Schaltreglers bezeichnet, bei der der Strom durch den Schalter vor dessen Einschalten zu Null wird. Unter nichtlückenden Betrieb wird die Betriebsweise eines getakteten Schaltreglers bezeichnet, bei der der Strom durch den Schalter vor dessen Einschalten nicht zu Null geworden ist. Beim nichtlückenden Betrieb entstehen somit Schaltverluste. Der günstigste Betrieb für einen getakteten Schaltregler stellt der Betrieb an der Grenze zwischen lückenden und nichtlückenden Betrieb dar. An diesem Betriebspunkt sind die Verluste gegenüber der übertragenden Leistung minimal.

[28] Während der Zeitspannen t ₂ wird die Frequenz des Gleichspannungswandlers 11 um einen Erhöhungswert erhöht, um die großen Stromänderungen besser ausregeln zu können. Da der Gleichspannungswandler aufgrund seiner die Impedanz bildenden Bauteile, wie Induktivitäten und Kondensatoren, eine gewisse Trägheit aufweist, erfolgt die Soll ^¬ wertänderung der Frequenz eine Zeitspanne t _RZ vor der Sollwertänderung des Lampenstromes. Nach der Sollwertänderung des Lampenstromes wird eine gewisse Latenzzeit t ₂ - t _RZ eingerechnet, während der sich der Lampenstrom sicher geändert hat. Dann wird die Frequenz wieder um den Erhö ^¬ hungswert auf die erste Frequenz erniedrigt. Während der Zeitspannen t ₂ , in denen der Gleichspannungswandler mit erhöhter Frequenz betrieben wird, kann es vorkommen, dass die Betriebsweise in den nichtlückenden Betrieb fällt. Da die Zeitspannen tu, t _i2 und t _i3 gegenüber den Zeitspannen t ₂ sehr lang sind und insgesamt gesehen den größten zeit- liehen Anteil des Lampenstroms ausmachen, werden die Ver ^¬ luste aber insgesamt niedrig gehalten. Die erhöhten Ver-

luste während der Zeitspannen t ₂ werden bewusst in Kauf genommen, da diese Zeitspannen sehr kurz sind und den Gesamtwirkungsgrad des Systems nur geringfügig verschlech ^¬ tern. Ist der Gleichspannungswandler aber auf die erste Frequenz ausgelegt, ist er kostengünstiger Herzustellen, als wenn er auf die höhere zweite Frequenz ausgelegt wä ^¬ re .

[29] Bei Anwendungen mit Halbleiterlichtquellen, wie z.B. Leuchtdioden ist das erfindungsgemäße Verfahren ebenfalls von Vorteil. Gerade bei Projektionsanwendungen mit Leuchtdioden werden die verschiedenen Leuchtdiodenstränge, die die verschiedenen Farben z.B. Rot, Grün und Blau erzeugen, für jeden Bildpunkt neu angesteuert. Bei ver ^¬ schiedenen Farben und Helligkeiten zweier benachbarter Bildpunkte sind die Stromänderungen durch die Leuchtdio ^¬ den mitunter sehr groß . Durch das erfindungsgemäße Ver ^¬ fahren werden die großen Stromänderungen der Leuchtdioden deutlich besser bewältigt, als es bisher möglich war.

[30] Mit der erfindungsgemäße Maßnahme wird die Regelcha- rakteristik des Betriebsgerätes bezüglich schneller Lichtquellenstromänderungen signifikant verbessert und die Eingangs genannten Probleme vermindert. Dadurch, dass der Gleichspannungswandler auf die erste Frequenz ausgelegt ist, erhöhen sich die Kosten des Betriebsgerätes, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, gegenüber dem bekannten Stand der Technik nicht.