Verfahren zum optimierten Betrieb einer Hochdruckentla ^¬ dungslampe .

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer einer Hochdruckentladungslampe mit einem Gas ^¬ entladungslampenbrenner aus Quarzglas. Hintergrund

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Verlängerung der Lebensdauer einer Hochdruckentladungslampe nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der US 2008/0192211 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe bekannt, bei dem die Lampen ^¬ spannung gemessen wird und anhand der Lampenspannung ein vorbestimmter Lampenstrom eingestellt wird, so dass mit steigender Lampenspannung die an der Lampe angelegte Leistung sinkt, um den Elektrodenrückbrand zu verlangsamen. Eine zeitliche Abhängigkeit ist hier nicht gegeben.

Aus der DE 195 40 326 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe bekannt, bei dem die kumulierte Brenndauer der Gasentladungslampe gemessen wird, und mit steigender kumulierter Brenndauer die Leistung an der Gas- entladungslampe erhöht wird, um den altersbedingten Licht ^¬ stromverlust auszugleichen.

Aus der DE 195 40 326 schließlich ist ein Verfahren zum Betreiben einer Hochdruckentladungslampe bekannt, bei dem die Lampenspannung und die kumulierte Brenndauer gemessen wird und anhand der Lampenspannung und der kumulierten

Brenndauer mit zunehmender kumulierter Brenndauer und mit zunehmender Lampenspannung die Leistung an der Gasentladungslampe bis zu einem Maximalwert der Brennspannung er ^¬ höht wird, wobei nach Erreichen eines Maximalwertes der Brennspannung die Leistung an der Gasentladungslampe wieder erniedrigt wird.

Au gabe

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum optimierten Betrieb einer Hochdruckentladungslampe anzugeben, welches entweder die nutzbare Lebensdauer der Hochdruckentladungs ^¬ lampe verlängert oder alternativ die Performance der Hoch ^¬ druckentladungslampe verbessert.

Zusammen assung Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum optimierten Betrieb einer Hochdruckentladungslampe, aufweisend einen Gasentladungslampenbrenner aus Quarzglas, der mit einer zeitlich veränderlichen elektrischen Leistung P(t) betrieben wird, wobei die zeitlich veränderliche elektrische Leistung folgender Beziehung genügt: P ( t ) =P _Nom *G ( t ) *G (U) *G (AP) , wobei P _Nom die Nominal ^¬ leistung der Hochdruckentladungslampe ist, G(t) ein Gewich ^¬ tungsfaktor ist, der von der kumulierten Brenndauer abhängt, G(AP) ein Gewichtungsfaktor ist, der von bestimmten Faktoren wie z.B. der Anzahl der Lampenstarts abhängt, und G (U) ein Gewichtungsfaktor ist, der von der Lampenspannung abhängt. Damit ist ein auf den Brenner der Hochdruckentla ^¬ dungslampe optimiertes Leistungsmanagement gewährleistet, welches die nutzbare Brenndauer der Hochdruckentladungslam- pe entweder verlängern kann oder alternativ die Performance der Hochdruckentladungslampe verbessert.

Dabei hängt der Gewichtungsfaktor G(AP) bevorzugt von der durch die Entglasung des Gasentladungslampenbrenners der Hochdruckentladungslampe verursachten Lichtreduktion ab. Besonders bevorzugt kann der der Gewichtungsfaktor G(AP) ebenfalls von der Anzahl der Lampenstarts abhängen.

Weiterhin kann der Gewichtungsfaktor G(AP) ebenfalls von der Betriebsdauer der Hochdruckentladungslampe außerhalb ihres nominalen Leistungsbereiches abhängen. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verlängerung der Lebensdauer einer Hochdruckentladungslampe ergeben sich aus weiteren abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Be- Schreibung.

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: eine Grafik der an die Lampe angelegten Leistung, der Brennspannung, des Lichtflusses und der

Entglasung in Abhängigkeit der kumulierten Lampenbrenndauer,

eine Grafik des Gewichtungsfaktors G(t) in Abhän ^¬ gigkeit von der kumulierten Lampenbrenndauer, eine Grafik des Gewichtungsfaktors G (U) in Abhän ^¬ gigkeit von der Lampenspannung U,

eine Grafik des Gewichtungsfaktors G(AP) in Abhängigkeit von der normierten Lichtabgabe des Gasentladungslampenbrenners ,

eine vorteilhafte Anordnung zur Messung der

Lichtabgabe des Gasentladungslampenbrenners.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird an die Hochdruckentladungslampe übe die kumulierte Brenndauer keine konstante Leistung mehr angelegt, sondern die Leistung wird aus verschiedenen Ge wichtungsfaktoren berechnet. Da sich die sog. Entglasung des Quarzkolbens, der Elektrodenrückbrand und die chemi- sehen Vorgänge im Gasentladungslampenbrenner während der Nutzungsdauer ändern und durch die Betriebstemperatur signifikant beeinflusst werden, ist es wichtig und hilfreich, die Betriebstemperatur neben der Kühlung vor allem auch mit Hilfe der eingebrachten Leistung zu kontrollieren.

Das Betriebsverfahren sieht in einer ersten Aus führungs form eine an das Alter des HID-Brenners , d.h. der bereits ver ^¬ strichenen Betriebsstunden, angepasste Sollleistung vor. Die bereits verstrichenen Betriebsstunden werden im Folgen- den auch als kumulierte Lampenbrenndauer bezeichnet. Die verstrichene Zeit lässt sich sehr einfach ermitteln und mit Hilfe von nichtflüchtigen Speichern, wie EEPROM, FLASH oder FRAM, auch über den ausgeschalteten Zustand des die Hochdruckentladungslampe betreibenden Betriebsgerätes hinweg mitprotokollieren.

Die an die Hochdruckentladungslampe angelegte Leistung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren berechnet sich zu:

P (t) =P _Nom *G (t) *G (U) *G (AP) . Hierbei beschreibt G(t) die zeit ^¬ liche Abhängigkeit von der bereits verstrichenen Betriebs- dauer t, G (U) eine Modellierung über der Lampenspannung U und G(AP) fasst den Einfluss anderer Parameter, wie z.B. der Zahl der durchgeführten Zündungen oder die Entglasung des Gasentladungslampenbrenners etc. zusammen. Die Faktoren können gemeinsam, aber auch unabhängig voneinander verwen- det werden.

Fig. 1 zeigt die Verläufe verschiedener Parameter in Abhängigkeit von der kumulierten Lampenbrenndauer. Die Parameterkurven sind jeweils doppelt aufgetragen, einmal für ein Verfahren nach dem Stand der Technik mit einer über die Lebensdauer konstanten an die Lampe angelegten Leistung, und einmal für das erfindungsgemäße Verfahren mit einer über die Lebensdauer variablen an die Lampe angelegten Leistung. Dabei repräsentieren die durchgezogenen Linien die Verläufe mit optimierter Leistungsregelung nach dem erfindungsgemäße Verfahren und die gestrichelten die ohne optimierter Leistungsreglung nach dem Stand der Technik. Die über die kumulierte Brenndauer der Hochdruckentladungs ^¬ lampe angelegte konstante Leistung P _c ist naturgemäß eine waagerechte Gerade. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nun die an die Hochdruckentladungslampe angelegte Leistung ab einer vorbestimmten kumulierten Brenndauer erniedrigt, um die fortschreitende Entglasung des Gasentla ^¬ dungslampenbrenners einzudämmen. Zum Zeitpunkt tl findet beispielhaft der Wechsel vom Bereich mit nominaler Leistung in den Betrieb bei reduzierter Sollleistung statt. Später, zum Zeitpunkt t2 ist der Zielwert der abgesenkten Leistung erreicht, für spätere Zeiten verbleibt die Lampenleistung auf diesem Wert. Durch den Übergang zu einer geringeren Leistung bei ansteigender Lebensdauer gegenüber einem Standard-Betrieb nach dem Stand der Technik sinkt zwar zunächst der Lichtstrom _t ; Er ist aber dafür eine gewisse Zeit später, wenn der Lichtstrom Φ _α bei Betrieb mit konstanter Leistung auf Grund der fortschreitenden Entglasung bereits deutlich absinken würde, höher und bietet eine längere zeitliche Ausdehnung, so dass sich die Lampenlebensdauer verlängert. Hier macht sich vor allen Dingen der Langzeiteffekt der verlangsamten Entglasung auf Grund von reduzierter Leistungszufuhr bemerkbar. Hochdruckentladungslampen mit einem Brenner aus Quarzglas zeigen eine mit steigender kumulierter Brenndauer fortschreitende Entglasung des Bren- ners . Dies schlägt sich in einer zunehmenden Rauhung der

Innenwand des Brenners nieder, die eine verringerte Licht ^¬ durchlässigkeit zeigt und damit den Lichtstrom Φ der Lampe erniedrigt. Erfindungsgemäß wird nun durch eine von ver ^¬ schiedenen Parametern abhängige Leistungserniedrigung ab einer bestimmten kumulierten Lampenbrenndauer die Entglasung der Innenwand des Gasentladungslampenbrenners deutlich verlangsamt, um trotz einer niedrigeren an die Hochdruckentladungslampe angelegten Leistung den Lichtstrom bei fortgeschrittener kumulierter Brenndauer gegenüber einem Normalbetrieb zu erhöhen. Ein weiterer Vorteil durch die Reduktion der Entglasung ist die Verhinderung der Platzwahrscheinlichkeit des Gasentladungslampenbrenners und der damit einhergehende Sicherheitsaspekt. Eine End-Of-Life Spannungsschwelle, bei deren Überschreitung der Betrieb aus Sicherheitsgründen wegen einem möglichen Platzen des Gasentladungslampenbrenners abgebrochen werden muss, kann vorteilhaft zu höheren Werten hin verschoben werden.

Die Absenkung bzw. die Anhebung der Leistung kann wie in der Figur dargestellt linear mit der Zeit geschehen. Sie kann aber auch stufenweise oder exponentiell ausgeführt werden. Bei der vorgeschlagenen linearen Änderung ergibt sich eine für den Benutzer praktisch nicht sichtbare Veränderung. Wie in der Graphik beispielhaft dargestellt, sind Leistungsänderungen im Bereich von 1% bis 15% ausreichend.

Φο ist der Lichtstrom bei konstanter an die Hochdruckentla ^¬ dungslampe angelegter Leistung, _t ist der Lichtstrom beim Betrieb der Lampe mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Φ ₀ ist nur für eine kurze Zeit nach erniedrigen der Leistung an der Lampe höher als _t aufgrund der stärkeren Entglasung des Gasentladungslampenbrenners fällt der Lichtstrom mit fortschreitender kumulierter Brenndauer deutlich stärker ab als bei einem Betrieb der Hochdruckentladungslampe mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Auch die Lampenspannung U _t erhöht sich bei Betrieb der Hochdruckentladungslampe mit dem erfindungsgemäßen Verfah ^¬ ren mit zunehmender kumulierter Brenndauer weniger als die Lampenspannung U _c bei einem konventionellen Betrieb mit konstanter Leistung.

Die Wirkung ist deutlich an der Entglasungskurve D zu se ^¬ hen, bei konventionellen Betrieb mit konstanter Leistung steigt die Entglasung D _c kontinuierlich mit der kumulierten Brenndauer an während bei erfindungsgemäßen Betrieb der Hochdruckentladungslampe die Entglasung D _t ab dem Zeitpunkt der Leistungsreduzierung nur noch in sehr geringem Maße ansteigt. Dies ist auf die verminderte Belastung der Bren ^¬ nerinnenwand bei niedrigerer Leistung zurückzuführen. Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Grafik des Gewichtungsfak- tors G(t) in Abhängigkeit von der kumulierten Lampenbrenndauer. Die Durchgezogene Linie beschreibt die Kurve G(t) für eine erste Aus führungs form des Verfahrens. Der Faktor G(t) ist bis zum Zeitpunkt tl der kumulierten Brenndauer eins, ab diesem Zeitpunkt wird er bis zum Zeitpunkt t2, der bei einer marktüblichen Pro ektionslampe bei etwa 1000h liegen kann, kontinuierlich erniedrigt, um dann ab diesem Zeitpunkt bei einem Wert von 0,97 zu bleiben. Dieser Wert kann von Anwendung zu Anwendung und von Lampe zu Lampe variieren .

In einer zweiten Aus führungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Leistung zu Beginn der kumulierten Brenndauer etwas angehoben, wie in der gepunkteten Linie in Fig. 2 gezeigt. Innerhalb der ersten 150 Stunden, d.h. bis zum Zeitpunkt tOa kann der Brenner zum Beispiel mit einer gegenüber seiner Nominalleistung erhöhten Leistung betrieben werden, um die Diffusion von Wasserstoff aus dem Brenner zu begünstigen. Der vorhandene Wasserstoff beeinflusst wesentlich den WolframHalogen-Kreisprozess und so die

Schwärzung der inneren Glaskolbenwand durch niedergeschla ^¬ genes Wolfram. Eine mögliche Schwärzung wirkt sich negativ auf den Lichtstrom aus. Eine Überhöhung der Leistung am Anfang der Brennerlebensdauer kann das Schwärzungsverhalten durch Beschleunigung der Diffusion von Wasserstoff positiv beeinflussen, außerdem ist der Lichtstrom durch die höhere Leistung am Anfang der kumulierten Brenndauer an sich höher .

Anschließend folgt nach einer linearen Leistungsreduzierung zum Zeitpunkt tOb der Standard-Betrieb des Brenners bei seiner nominalen Leistung. Nach einer für den Brennertyp charakteristischen (und experimentell bestimmten) Zeit wird ab dem Zeitpunkt tl die dem Brenner zur Verfügung gestellte Leistung verringert. Hierdurch verringert sich die thermische Belastung des Glaskolbens und damit verlangsamt sich auch ein Weitervoranschreiten der Entglasung. Der Elektro- denrückbrand wird ebenso gehemmt. Beides wirkt sich positiv auf die Verringerung des Lichtstroms aus. Zum einen ist das Fortschreiten der Entglasung mit der milchigen Trübung des Glaskolbens verringert, zum anderen die Aufweitung des Abstrahlortes durch den verlangsamten Elektrodenrückbrand gemindert. Ab dem Zeitpunkt t2 bleibt die an die Hochdruck ^¬ entladungslampe angelegte Leistung wieder konstant bei 97% der Nominalleistung.

In einer anderen Aus führungs form des erfindungsgemäße Verfahrens, die auf maximale Performance der Hochdruckentla ^¬ dungslampe und nicht auf maximale Lebensdauer ausgelegt ist, bleibt die Leistung zwischen dem Zeitpunkt tl und dem Zeitpunkt tl' bei der Nominalleistung (gestrichelte Linie), um dann bis zum Zeitpunkt t2' auf ca. 105% der Nominalleis ^¬ tung angehoben zu werden, um die Lichtstromverluste durch die Kolbenschwärzung und den Elektrodenrückbrand auszuglei ^¬ chen. Das Lebensdauerende ist dann allerdings sehr schnell erreicht, da die Leistung nicht weiter gesteigert werden kann, der Lichtstrom aber aufgrund der oben genannten Effekte schnell absinken wird.

Fig. 3 zeigt eine Grafik des Gewichtungsfaktors G (U) in Abhängigkeit von der Lampenspannung. G (U) ist, wie oben schon beschrieben, eine Modellierung der Leistung P(t) über der Lampenspannung U. G (U) hat für niedrige Brennspannungen, wie sie üblicherweise bei neuen Hochdruckentladungs ^¬ lampen auftreten, den Wert eins, und für höhere Brennspannungen, wie sie am Lebensdauerende von Hochdruckentladungs ^¬ lampen üblicherweise auftreten, einen reduzierten Wert von in diesem Beispiel 0,97. Der Wert wird ab einer bestimmten Spannung Ul ausgehend von 1 kontinuierlich reduziert, bis er für Spannungen größer U2 den Wert 0,97 erreicht.

Die Absenkung bzw. die Anhebung der Leistung kann wie in der Figur dargestellt linear mit der Lampenspannung geschehen. Sie kann aber auch stufenweise oder exponentiell aus ^¬ geführt werden. Bei der vorgeschlagenen linearen Änderung ergibt sich eine für den Benutzer praktisch nicht sichtbare Veränderung. Wie in der Graphik beispielhaft dargestellt, sind Leistungsänderungen im Bereich von 1% bis 15% ausreichend .

Fig . 4 zeigt eine beispielhafte Grafik des Gewichtungsfak- tors G(AP) . G(AP) beschreibt die Abhängigkeit der Leis ^¬ tungsreduktion von anderen Faktoren, z.B. von der Anzahl der Zündungen oder dem Streulicht. Hier wurde als beispiel ^¬ hafte Aus führungs form die Lichtreduktion, verursacht durch die Entglasung, gewählt.

Dazu ist ein Sensor notwendig, der die Strahlung vom Brenner auffängt. Da ein Bezug zur Entglasung hergestellt wer ^¬ den soll, wurde hier ein Sensor über dem Brenner gewählt. Die Entglasung startet oben am Brenner, dort wo es am heißesten ist und reduziert die "direkte" Strahlung in Rich- tung Sensor, da Anteile der Strahlung weggestreut werden. Wählt man einen Sensor im nahen IR-Bereich, so kann der Sensor außerhalb des Reflektors platziert werden, da die Reflektorbeschichtung häufig im IR und UV "durchsichtig" ist. Aus der Grafik geht hervor, dass ab einer Streustrah- lung von beispielsweise 3% der Gewichtungsfaktor G(AP), ausgehend von 100% linear absinkt. Ab einer Streustrahlung von beispielsweise 18% bleibt der Gewichtungsfaktor G(AP) dann wieder gleich bei 97%.

Fig . 5 zeigt eine vorteilhafte Anordnung zur Messung der Lichtabgabe des Gasentladungslampenbrenners, um die Streu ^¬ strahlung für das obige Ausführungsbeispiel messen zu kön ^¬ nen. Der Gasentladungslampenbrenner 5 ist, wie bei vielen Pro ektionslampen üblich, in einen Reflektor 3 eingebettet, der aber, wie oben erwähnt, für nahe IR-Strahlung durch- sichtig ist. Außerhalb dieses Reflektors ist nun ein Licht ^¬ sensor 2 plaziert, der die direkte Strahlung des Gasentla ^¬ dungslampenbrenners misst. Anhand dieses Messwertes kann die normierte Lichtabgabe des Gasentladungslampenbrenners Φ/Φη _οι η berechnet werden, und daraus aufgrund der Beziehung aus Fig . 4 der Gewichtungsfaktor G(AP) . Da die Projektoren auf dem Tisch stehend oder aber auch Überkopf an der Decke hängend zu betreiben sind und damit das Oben der Lampe nicht per se festgelegt ist, kann der Lichtsensor (2) z.B. drehbar um die Hauptachse durch die Elektroden des Gasentladungslampenbrenners gelagert sein und sich so automatisch immer auf die oben liegende Seite des Brenners mit der stärkeren Entglasung einstellen. Durch die Thermik prägt sich die Entglasung des Gasentladungslampenbrenners stets an seiner Oberseite am stärksten aus. Als Oberseite ist die obere Seite des Gasentladungslampenbren ^¬ ners in gravitatorischem Sinne gemeint. Die automatische Einstellung kann z.B. durch mit ein dem Sensor 2 gegenüberliegend befestigtem und schwererem Gegengewicht bewerkstel ^¬ ligt werden, welches sich immer auf die Unterseite des Gasentladungslampenbrenners drehen wird. Die Schlichtheit der Mechanik sorgt dabei für deren gesicherten Einsatz.

Eine weitere Möglichkeit bestünde in der zweifachen Ausfüh ^¬ rung des Lichtsensors 2 für den normalen Betrieb z.B. auf einem Tisch und den Überkopfbetrieb z.B. an einer Decke. Viele Videopro ektoren besitzen einen Lagesensor um eben auf solche unterschiedlichen Betriebszustände reagieren zu können und das Bild entsprechend anpassen zu können. Dieser Lagesensor kann abgefragt werden und aufgrund dieser Information kann der entsprechende Lichtsensor 2 ausgewählt werden .

Obige Aus führungs form ist lediglich beispielhaft für die Berechnung des Gewichtungsfaktors G(AP) . Dieser Gewichtungsfaktor kann, wie oben schon erwähnt, von verschiedenen Randbedingungen wie der Anzahl der Zündungen, der Betriebsdauer bei Leistungen ausserhalb des nominalen Bereiches, der Abnahme des Lichtstroms etc. abhängen. All diese Fakto ^¬ ren fHessen in die Berechnung des Gewichtungsfaktors G(AP) ein. Oft wird aber ein einfaches Modell, wie in Fig. 4 gezeigt, ausreichend sein. Abschließend und zusammenfassend nochmals die erfindungsge ^¬ mäße Berechnung der optimalen Leistung für einen Gasentladungslampenbrenner :

Popt = G(t) * G(U) * G(AP) * Pnominal

Bezugszeichenliste

P _c An die Hochdruckentladungslampe angelegte konstante Leistung über der Brenndauer nach dem Stand der Technik

P(t) An die Hochdruckentladungslampe angelegte variable Leistung über der Brenndauer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren

Φ ₀ Lichtstrom bei konstanter Leistung P _c

Φ _ί Lichtstrom bei variabler Leistung P(t)

U _c Lampenspannung bei konstanter Leistung P _c

U _t Lampenspannung bei variabler Leistung P(t)

D _c Entglasung bei konstanter Leistung P _c

D _t Entglasung bei variabler Leistung P(t) G(t) Gewichtungsfaktor in Abhängigkeit von der kumulierten Lampenbrenndauer

G (U) Gewichtungsfaktor in Abhängigkeit von der

Lampenspannung

G(AP) Gewichtungsfaktor in Abhängigkeit von ver- schiedenen Bedingungen

2 Strahlungssensor

3 Reflektor

4 Entglasungspunkt

5 Gasentladungslampenbrenner