CN100367447C - 驱动金属卤化物灯的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种驱动金属卤化物灯(1)的方法，包括下述步骤：在灯内产生一个具有所需方向和强度的光控DC电场E，以便在灯内得到所需的离子分布。灯由具有DC成分的换向电流供电，具有DC成分的换向电流最好是具有恒定的电流强度且其占空比不等于50%。通过设置占空比，可以使灯电流达到某一平均值，从而改变灯的功效和/或色温。

Description

驱动金属卤化物灯的方法和装置
技术领域
本发明概括地说涉及一种气体放电灯的驱动方法及其装置，特别是涉及HID灯，更具体地是涉及金属卤化物灯。
背景技术
气体放电灯为众所周知。通常，它们包括一个能透光的管，放电室以气密封方式置于该管中。所述放电室中充有可电离的物质并设有相互对置的一对电极，每个电极分别连接到从放电室通过灯管引伸到外部空间的并联的导体上。在工作期间，电压加载到所述的电极之间，所述电极之间的气体发生放电，从而灯电流在电极之间流过。虽然可以在相对较宽的工作电流范围内驱动灯，但一般将灯设计在一定的灯电压和灯电流下工作，使其有一个额定功率。在额定的功率下，灯将产生额定的光通量。HID灯是本领域技术人员所熟知的光源，在此不再对其构造和工作原理更详细地描述。
一般，高压放电灯由提供换向DC电流的电子镇流器来驱动。用于驱动高压放电灯的电子镇流器或驱动器通常包括一个用于接收AC电源电压的输入端，一个将AC电源电压整流成DC电压的整流器，一个将整流后的电源DC电压变换到较高DC电压的DC/DC上变换器(upconverter)，一个将所述较高DC电压变换成较低DC电压(灯电压)和较高DC电流(灯电流)的下变换器(downconverter)，及一个周期地改变DC电流方向的换向器(commutator)。下变换器的作用相当于一个电流源。换向器的工作频率通常约为100Hz。因而，灯大致以恒定的电流幅值工作，灯电流以对称的方式在极短的时间(换向(commutating)周期)内改变其方向，即，电极在每个电流周期内50％时间作为阴极工作，在另外50％的时间内作为阳极工作。这种工作模式称为方波电流工作模式。
尽管本发明的许多内容也适用于不同类型的灯管，但本发明主要针对具有相对较大长度直径比的金属卤化物灯，即长度直径比大于3或甚至4。而按惯例，长度直径比一般为2。
金属卤化物灯存在一个问题，即处于水平方向的工作特性与处于垂直方向有所不同。在水平方向，粒子的空间分布几乎是均匀的。而在垂直方向，粒子的空间分布取决于沿灯管轴向的位置。这一现象，称为偏析，是由类似对流和扩散这类物理效应引起的，两者(对流和扩散)取决于灯管中的大气状况。偏析的程度取决于环境，如压力及填充的可电离材料类型。偏析效应随电极间的距离增大而加大，即随长度直径比增大而加大。
在金属卤化物灯中，由于光是由原子产生的，偏析的结果使得光强和光色沿灯管的中心轴不再是恒定不变的。
发明内容
本发明的目的就是要改变金属卤化物灯在垂直方向的发光性能。
本发明的另一个目的是改变金属卤化物灯的功效。
根据本发明的一个方面，本发明的目的是消除偏析效应，从而使沿灯的中心轴线的光强和光色尽可能保持不变。为实现此目的，本发明提供一种可以自动保持恒定功效的灯管组件，与灯管所处的方向无关。
根据本发明的另一方面，本发明的目的是改变由金属卤化物灯产生的光波的强度，最好是改变其色温。为实现该目的，本发明提供一种可变化色温的灯管组件，这种灯管组件的色温可在很大的范围内变化。
本发明提供了一种驱动气体放电灯方法，以功效与方向无关的这样的一种方式驱动气体放电灯；其中，该灯由具有恒定电流强度和占空比的换向电流供电；所述方法包括下述步骤：在灯泡内产生一个具有所需方向和所需强度的光控电场E，以在灯泡内得到所需的粒子分布；其中确定灯的实际方向；如果确定灯处于水平方向，设定占空比等于50％；如果确认灯处于垂直方向，设定占空比为不同于所述50％的预定第二值。
本发明还提供了一种驱动气体放电灯的驱动装置，该装置包括：一个电流发生装置，用于产生具有恒定电流强度的电流；
一个换向装置，用于接收所述电流，并具有一个与灯相连的输出端，该换向装置设置成以不同于50％的占空比对所述电流进行换向；
其中，该驱动器还包括一个用于接收占空比控制信号的控制输入端，且该驱动器响应在其控制输入端接收到的控制信号相应地对占空比进行设定；
其中，所述的驱动装置还设有一个模式选择开关，该模式选择开关与所述控制输入端耦合，该模式选择开关至少有三个位置；
所述的驱动装置设置成：当所述的模式选择开关置于指示灯为水平方向的第一位置时，产生占空比为50％且电流强度恒定的换向电流；当所述的模式选择开关置于指示灯为垂直方向的第二位置或第三位置时，产生具有恒定的电流强度和具有不同于50％的预定第二值的占空比的换向DC电流。
此外，本发明提供了一种驱动气体放电灯的具有自动地与方向无关的功效能力的系统，该系统能够以与方向无关的功效驱动灯工作，该系统包括驱动装置，该驱动装置包括：
电流发生装置，用于产生具有恒定电流强度的电流；
换向装置，用于接收所述电流，并具有一个与灯相连的输出端，该换向装置设置成以不同于50％的占空比对所述电流进行换向；
其中，该驱动器还包括一个用于接收占空比控制信号的控制输入端，且该驱动器响应在其控制输入端接收到的控制信号相应地对占空比进行设定；
其中该系统还包括一个位置检测器，该位置检测器至少有一个输出端耦合到驱动器的控制输入端；该位置检测器设置成检测灯的实际方向，并在其所述输出端产生一个指示这样的方向的控制信号；
其中，当所述位置检测器输出信号具有指示灯水平方向的第一值时，所述驱动装置响应位置检测器输出信号，以产生一个具有50％的占空比且具有恒定电流强度的换向电流；当所述位置检测器输出信号具有指示灯垂直方向的第二或第三值时，所述驱动装置设置成产生一个具有恒定电流强度且具有不同于所述50％的预定第二值的占空比的换向DC电流。
本发明特别基于认识：流过灯管的电流会改变粒子的分布。基于此，根据本发明的一个重要方面，金属卤化物灯是在具有DC电流成分的换向电流下工作的。视灯管的类型而定，改变DC电流成分将改变功效和/或色温。
以下参考附图，结合实施例，对本发明的各方面及其特点和有益效果做进一步详细描述。
附图说明
图1所示为金属卤化物灯一个实施例的示意图；
图2所示为灯管组件的示意图；
图3所示为处于水平方向时沿灯管中心轴的粒子分布示意图；
图4所示为处于垂直方向时沿灯管中心轴的粒子分布示意图；
图5所示为电场导致离子漂移现象的示意图；
图6A所示为电子镇流器的方框图；
图6B所示为作为时间的函数的灯管电流，描述方波电流工作状态；
图6C所示为作为时间的函数的灯管电流，其描述平均值不为零、占空比为50％的换向电流(commutating current)；
图6D所示为作为时间的函数的灯管电流，其描述平均值不为零、电流密度恒定的换向电流；
图7所示为本发明的一种电子镇流器的实施例的原理方框图；
图8所示为方向检测器实施例的示意图；
图9所示为本发明的另一种电子镇流器实施例的原理框图。
具体实施方式
首先，参考图1至图4，介绍金属卤化物灯的一般工作原理及其灯管方向位置的影响。
图1所示为金属卤化物灯的一个可能的实施例，用标号1表示。灯1包括一个透光的管2，该管2具有圆筒形的外形，其内径为Di，当然也可以是其它形状。虽然不属于本发明的必要内容，管2最好采用陶瓷材料制作，也可以用石英材料制作。在纵向两端，管2通过与之相匹配的材料制成的端塞或端帽3、4，以气密封方式密封。管2及端塞和/或端帽3、4之间围成一个放电室5，该放电室5的直径与管2的内径Di相等，其轴向长度Li由端帽3和4之间的距离决定，长度直径比AR取决于Li/Di的比。
在放电室5内，设置有两个电极6，7，其相互间隔距离EA，并且基本上与管2的中心轴在一条直线上。以气密封方式，电极的导体8、9分别从电极6、7通过端帽3、4伸出。如果端帽3、4由石英制成，导电柱8、9可以熔接在石英中。一般，电极6、7由与电极导体8、9不同的金属材料制成，例如电极6、7可以由钨制成。
在管2内部，即放电室5内，设置有可电离的填充物。填充物一般包含一定量的汞(Hg)大气。大气通常还包括象氙(Xe)和/或氩(Ar)之类的元素。在放电管2中气体压力总和约为1-2 atm的一个实例中，Ar和Xe的比可以是1∶1。在气体压力总和为10-20 atm的另一个实例中，放电室可以包含汞和相对少量的Ar。在以下的描述中，对上述已投入市场的灯产品实例，分别称为低压灯和高压灯。
放电管2还可以包含一种或多种金属卤化物。尽管可以采用溴化物或者其它卤化物，这些物质通常都包含碘化物。一般这类可能材料的例子可以是碘化锂、碘化铈、碘化钠。也可以采用其它材料。
金属卤化物由一个包含过量盐的饱和系统提供，因而，在灯工作过程中，在放电室5内存在一个熔盐的盐池。以下，假定该盐池位于放电室5内的最低位置处。
工作中，放电在电极6、7之间发生。由于放电所形成的高温，使所述材料电离并发出光。不同材料产生的光波颜色不同；例如，碘化钠产生的光为红色，而碘化铈产生的光为绿色。
一般，灯中包含适当材料的混合物，通过选择该混合物的组成——即所述材料的种类及其比例，以得到所需的整体颜色效果。
图2所示为灯1安装在一端具有标准灯连接帽12的泡壳11中，所述灯连接帽12可匹配地拧入标准的灯头装配件(fitting)(未示出)。灯1与泡壳11的轴线相重合。灯1由两个分别连接到电极导体8、9的支撑导体13和14支撑，并与灯帽12的电触点电连接。
灯1和绕在其周围的泡壳11的组合以下表示为灯组件10。
图2所示的灯组件10处于水平方向，即放电管的中心轴线是水平放置的。在该方向，电极6和7之间的放电弧的弧轴是水平方向的。在此方向，放电管2内的粒子空间分布沿中心轴基本上是均匀的，如图3中水平线H所示。图3是作为沿放电管2中心轴线位置的函数的粒子分压或粒子浓度的曲线图。由图3中的水平横轴表示该位置，其中，作为参考点，示出了端帽3、4和电极6、7的位置。此图仅涉及电极6、7之间的距离，即电弧的位置。
尽管实际中，可以改变可电离成分的混合物的组分，以使每种可电离的成分的分压具有不同的值，这在图3中未表示出来。但应注意，就目前所讨论的水平位置情况，部分成分的分压的确切值是无关的，因而图3中的垂直轴未示出任何刻度标记。只是在所述的水平线H上给出了100％的标记。此值相应于沿灯轴线部分成分的分压所达到的“最大值”。这样，由于所有成分的分压沿灯轴线基本上恒定(即等于最大值)，所有相互不同成分的分压在图3中只用一条水平线H表示。
灯1在灯中某位置处的发光特性取决于在这一位置处的可电离成分的分压，实现这一点很重要。所述位置处的特定成分的分压越高，将产生越多的相应于该特定成分的特定光谱特性的光波。这样，如果各成分的分压沿灯的中心轴为恒定不变的，如图3所示，则灯1的整体发光特性沿灯1的中心轴也是恒定不变的，即具有恒定的光强和恒定的光色。
图4说明了由于灯1处于垂直位置而产生偏析现象的问题。图4可以与图3对比，作为参考，在图中还示出了对应于灯1的水平方向的水平线H。另外，图4对应灯1的垂直方向，其中放电弧的弧轴垂直取向。在所示例子中，与图1中所示相应，假设第二电极7是下电极而第一电极6是上电极。曲线(A)-(E)表示在这种状态下，粒子的分压不是恒定的而是随位置而变化的。更明显的是，随着离下电极7的距离的加大，粒子分压下降。这种现象是自然现象，是由放电室5中发生的对流和扩散两种现象结合造成的，这一现象是本领域技术人员所熟知的。
偏析效应或轻或重，取决于放电室中的环境。作为一般规律，随着放电室5中的气压的增大，这种效应愈加严重。例如，曲线(A)相对于约1-2atm较低气压情况，而曲线(E)相对于约10-20atm的较高气压的情况。
另外，偏析效应趋向于在灯的一端(所示例子中为上端)最显著。此例中，靠近低端电极7处，粒子的浓度基本上属于“正常”，即对水平方向状态是相同的，由如下事实示出，在下电极7位置处，所有的曲线与水平线H相交。在其它位置，粒子的浓度偏离了接近下电极7的浓度值，随着距下电极7的距离的增大，偏离值增大，在上电极6附近达到最大。作为一般规律，随着放电室5的长度Li增长，偏析效应愈加严重。
另外，对于在同一灯中的不同成分，偏析的程度是不相同的。例如，碘化铈的偏析就要比碘化钠严重，因而曲线(B)可以代表碘化铈，而曲线(A)可以代表碘化钠。然而，这并不必然意味着碘化钠的分压总是高于碘化铈的分压。
正如本领域技术人员所熟知的，单位空间内产生的光量与该单位空间内发光粒子的数量成比例，因此偏析会影响灯1的功效。这样，偏析造成灯整体上的光输出减少。而且，偏析还造成光强沿灯长度的分布不均匀，更具体地，在灯的上部产生的光线较明显地少于下部。
如果灯内只充有一种发光物质，会出现上述现象。在灯内充有混合物的情况下，也会出现上述现象，只是各种不同成分的偏析程度不同，如前面所讨论的。由于灯产生的光波的整体颜色取决于混合物中各成分的光贡献，偏析一方面使灯产生的光色在整体上发生改变，另一方面，造成光色沿灯长度不均匀分布。
在灯1的顶部这一现象最明显，而在灯的底部情况看上去正常。如图4所示，在下电极7处，发光材料各成分的相对分压基本上对应于水平方向，发出的光波与设计期望值一致。相反，在上电极6处，相对分压偏离了水平方向的情况，且不同的成分偏离的程度不同。例如，当灯中充有预定比例的碘化钠和碘化铈的混合物时，由于钠原子的浓度在上电极6附近处的减少，碘化钠产生的红光(如曲线A所示)的量在上电极6处会减弱；同样由于铈原子的浓度的减少，碘化铈产生的绿光(如曲线B所示)的量也将减少。因而，在上电极6处，红光和绿光的强度都会减弱，使得上电极6周围的光强整体上减弱。由于绿光减弱的程度比红光大，在上电极6周围的光色整体上向红色偏移。
曲线(D)和(E)所示，偏析可以严重到如此程度：上电极6周围的一定空间内基本上没有产生任何发光离子。剩下的只是汞缓冲气发出的背景光。
本发明基于以下原理：离子在电场的作用下产生运动，其结果，相同元素的原子以相反的方向运动。这种现象可描述如下。如图5中所示，考虑两电极56和57相互垂直放置，上电极56相对于下电极57充有负电荷。这些电极之间的电场如箭头E所示。一个带正电荷的粒子P+受到拉力作用，拉力朝向带负电荷的上电极56。在平衡状态下，上电极56附近处将形成一块带正电荷的粒子云58，有效地屏蔽了上电极56的负电荷，从而减弱了电场强度。
这样，在电极56和57之间，电场导致粒子分布发生改变，从而在靠近负电极处，正粒子的浓度加大。其结果建立起粒子的轴向梯度。
本发明运用这一原理，通过对放电室中的粒子分布的控制，来控制金属卤化物灯产生的光(光量和/或色温)。具体地，根据本发明，在灯1工作期间，加在灯电极6、7上的电流具有平均DC电流成分，对其进行选择，以在灯电极6、7之间建立起所需强度和方向的光控电场E。
以下对用于在灯电极6、7上施加这样的光控电压的驱动装置的具体实施方式进行说明。之后还将讨论上述发明认识的优应用的典型例子。
如前所述，金属卤化物灯通常由整流DC电流驱动。图6A所示为用于驱动灯1的驱动装置或电子镇流器60的示意图。电子镇流器或驱动器60通常包括一个用于接收AC电源电压的输入端61、一个对AC电源电压进行整流使其成为整流DC电压的整流器62、一个用于将整流后的电源DC电压升高到较高DC电压的DC/DC上变换器63、一个将所述较高DC电压转换成较低DC电压(灯电压)和相应的DC电流(灯电流)的下变换器64、及一个用于在极短的时间(换向周期)内规则地改变该DC电流方向的换向器65。
通常，将驱动器60设计成其输出可看成为一个电流源的形式，其电流大小恒定不变而方向交替变换，占空比为50％，即一个电流方向的周期与相反电流方向的周期相等，因此，在每一个电流周期中，每一电极在50％的时间内作为阴极，而在另50％的时间内作为阳极。图6B是作为时间函数的灯电流I的图示说明，此情形是方波电流工作。如图所示，灯电流的幅值基本上为常数(INOM)，但是电流的方向有规律地变换，表示出电流符号从正变到负、从负变到正。在一个完整的周期内，50％的时间内电流从第一电极6流向第二电极7(正电流周期)，另外50％的时间电流的流向相反(负电流周期)。因而，平均电流IAV为零。
如前所述，根据本发明，灯电流的平均电流值IAV不为零。
图6C所示为本发明的一种可能的实施例。在此情形下，由于在正电流期间的电流强度与负电流期间的电流强度不同，灯平均电流值不为零。另外，电流的占空比为50％，也就是说，50％的时间电流流向为一个方向(+)，另外50％的时间电流流向相反的方向(-)，但是，正电流期间(+)电流的幅值大于负电流期间(-)电流的幅值。因而，平均来说，一个平均电流IAV从第一电极6流向第二电极7，图中用虚线IAV表示。
然而，这种实施方式并不是最佳的方式，因为电流周期的“正”半周灯电流的幅值与电流周期的“负”半周的电流幅值不相等，即电流强度不是常数。由于光的强度与电流的强度成正比，这样就会造成灯的闪烁。
图6D所示为本发明的优选实施方式，其中克服了上述缺陷，并且易于通过设置在目前灯驱动器中的适当的软件或硬件来实现。在这种情形，电流的强度在所有的时间内保持不变，但由于占空比不是50％，所以平均电流不为零。如图6D清晰地所示，“正”的电流幅值总是等于“负该的电流幅值，但是“正”电流周期(+)比“负”电流周期持续时间长。同样，在这种情形，平均来说，一个平均电流IAV从第一电极6流向第二电极7，图中用虚线IAV表示。
在这两种情形中，所述平均电流IAV都将引起正离子分布向上电极6移动，如上所述。
根据本发明的这方面内容，驱动器60在设计上要使占空比不等于50％。根据本发明的优选方式，驱动器60设计成可调节占空比的形式。在一个可行的实施例中，驱动器60中可设置一个用于接收占空比控制信号S的控制输入端66，且可以通过设置占空比响应在其控制输入端66接收到的占空比控制信号S。
一方面，本发明的目的是要解决偏析影响灯的性能的问题，即灯只能处于水平位置工作，当垂直安装时，会导致功效降低，如低压灯(1-2atm)中一般出现的现象一样。针对此问题，本发明提供了一种能减小偏析进而改善功效的装置。另外还提供一种灯系统，其中灯的功效可以按需控制，且在不同的灯方向都可以将功效设置为一预定的值。更进一步，还提供一种不受灯方向的限制，自动使功效保持恒定的灯系统，
应该注意到，在工作期间，金属卤化物灯内的某位置处存在一个盐池。该盐池受两种粒子流的影响：进入盐池的流入粒子和离开盐池的流出粒子。在稳定状态下，流入和流出量达到平衡。如果灯电流的平均电流量IAV不为零，流入或流出量发生变化，此变化取决于该平均电流量的幅值和方向。在稳定状态下，流入和流出之间达到与灯内新的粒子分布状态相关的新平衡。
可以有意地选择平均电流量的方向，以使偏析增大，在此情形，平均电流将破坏该平衡，更多的粒子进入盐池。然而，本发明的一个特殊的实施例中，选取平均电流IAV的方向，使其更有效地消除或至少减小上述讨论的偏析效应。为达到此效果，离子流必须直接从盐池流出以补偿偏析的影响。在此情况下，平均来说，上电极6相比下电极7处于负电位，平均电流IAV向上流动，如图1所示。
此外，对每一特定的灯样本，都存在一个与特定的最佳占空比相应的特定的最佳电场。对同一类型的不同的灯来说，所述最佳占空比基本上是相同的，这一最佳值可由制造商通过试验确定。因而可以提供一种带有三种位置U、H、D的模式选择开关67的驱动装置60，以使灯1工作在水平位置(H)或垂直位置(U、D)，分别对应特定电极(如第一电极6)向上方(U)或向下方(D)
如果灯1是水平方向安装的，用户可将模式选择开关67设置在H位置。驱动器60对此选择做出响应，产生占空比为50％并具有恒定电流密度的整流电流。
如果灯1是垂直安装的，用户可将模式选择开关67设置在U位置或D位置，这取决于哪一电极在上，哪一电极在下。通常，这相应于灯泡壳11上朝下安装有灯帽12(灯泡壳“站立(standing)”)或朝上安装有灯帽12(灯泡壳“悬挂(hanging)”)。驱动器60对此选择做出响应，产生一个具有恒定电流密度和预定最佳占空比的换向DC电流。
如果灯是对称形状的，灯泡壳“站立”和“悬挂”安装这两种情况的偏析现象是一样的，用于向上方向校正的光控电场的强度与用于向下方向的光控电场的强度相同，但方向相反。如果灯不是对称形状，这两种电场强度则互不相同。
分别用(T7；T6)表示在周期中使某一电极(7；6)相对于另一电极(6；7)为正电位的持续时间，则整个电流周期TT＝T7+T6。这样占空比DU(相应于模式选择开关67设置在U位置)可以定义为T7/TT，而占空比DD(相应于模式选择开关67设置在D位置)可以定义为T6/TT。在灯的形状对称的情况下，DD＝1-DU。
上述实施例中，模式选择开关67是由用户控制的。本发明还提供了一种更佳的实施方式，一种用于金属卤化物灯的发光系统，其中，可以自动设置最佳工作状态，以适应灯的实际方向，使其能与水平位置工作状态相比拟。这就意味着用户不再受限于指定的灯方向，而且用户也不必再对灯的驱动器的最佳工作状态做选择，无论用户希望灯安装成哪种方向，驱动器都能够自适应地工作在最佳工作模式。
这样的系统70如图7所示。系统70包括一个如上面参考附图6A-D所述的灯驱动器或镇流器60，但其中去掉了用户控制的模式选择开关67。系统70还包括一个用于接受灯组件10的灯帽12的接口68，就其本身所知，该灯头接口68具有与换向器65的输出端相连的接触件。
系统70还包括一个位置检测器80，用于检测灯1的实际方向，并将指示此方向的控制信号S提供给灯驱动器60的控制输入端66，随后，根据与方向检测器检测出的实际灯方向相对应的最佳工作条件，灯驱动器60自适应地驱动灯。就此而言，驱动器60的响应与前面所述相同，是本领域技术人员所熟知的。
原则上，可采用任何一种适用于产生指示方向的检测信号的检测器。图8所示为这类方向检测器的一种可能的实施例。在该实施例中，方向检测器80包括一个圆筒形的容器81，例如由玻璃制成，其中间部分配有直径较大的凹槽82。容器81是密封的，其中充有少量的导电液体83，例如汞。第一对接触电极84设置在容器81内靠近第一轴端，并与伸入容器81壁的第一组导电体85相连。类似地，第二对电极86设置在轴的另一端，并与第二组导电体87相连。两个环形电极88的组设置在所述的凹槽内，与伸进容器81壁的第三组导电体89相连。
图8中，检测器80是水平方向放置的。导电液体83流动到容器81内的最低位置，在此情况下即流入所述的凹槽内，并与两个中间电极88接触。这样在两个相应的导体89之间形成导电通道。类似地，如果检测器80是竖直方向放置，导电液体83接触到圆筒轴线两端的电极84、86。
所述导体85、87、89耦合到驱动器60的控制输入端66。驱动器60接收检测器的输出信号，并且驱动器60得知灯1的方向，从而相应地驱动灯。
方向检测器80可以设置在灯组件10的泡壳11内。然而，这又需要在灯帽12上设置接触件以将传感信号导向驱动器。因此，最好使传感器与所述的灯组件10的灯头接口68相关联，这种接口必定总是与安装在其上的灯的取向相同。因而，可以使传感器和驱动器固定连接。
如前面所述，平均电流IAV会引起离子流从盐池流出。平均电流IAV的幅值愈大，离子流愈强。另一方面，回流的原子又使盐池得以补充。平均电流IAV幅值最好不要选得过大，因为那样盐池会被转移到不同的位置，激励偏析，不管它是否在另一个方向。
本发明的另一目的是提供一种可改变光色特性的灯系统。图9所示为这一实施方式的优选驱动器。系统90包括如以上参考图6A-D所述的灯驱动器或镇流器60，但去掉了用户可控制的模式选择开关67，而用一个控制设定装置91来取代。所述的控制设定装置91--可以是电位计，产生一个可以在预定的范围内连续变化的控制信号。所述控制设定装置91可由用户可控制的，也可以是适用的可编程控制器。
另外，驱动器60产生一个具有恒定电流强度的整流DC电流，其占空比可以由用户直接控制或由适用的可编程控制器来改变，以便按需要改变偏析的程度。从原理上讲，占空比D可以从0变到100％。于此，如上所述，上电极6可以相对于下电极7具有负电位以将偏析减小到所需的程度，上电极6也可以相对于下电极7具有正电位以增大偏析程度、增大色分离效果或光色变化效果。
就此而言，应该注意到，当金属卤化物灯内有约10-20atm的相对较高气压的情况下，可以惊奇地发现，改变平均电流IAV的大小，对产生的光色能产生很大的影响
采用这样的系统，能够控制灯，使其良好定义线可以在标准XY色度图中变化。选择盐混合物的成分，能够在色度图中选择某一零色点。通过改变换向电流的平均电流IAV(占空比)，灯光色的色点沿一条与所述零色点相交的线条移动。线条的角度取决于灯的整体气压和其中汞的含量：在低压灯情况下(即灯中总气压小于3atm)，所述线条基本与等色温线(color isotherms)平行，而在高压灯情况下(灯中总气压大于10atm)，所述线条基本与等色温线正交，这意味色温改变很大。
本发明的这一方面可以在垂直灯方向以及在水平灯方向实现。如上所述，如果金属卤化物灯垂直安装，将会出现偏析现象，偏析的程度可由DC电流成分控制以减小或加大。这一方面的重要特性在于通过施加DC电流成分，能够即时改变粒子的分布。这一特性并不局限于垂直灯方向。
在水平灯方向，当灯形状对称、灯管细长的情况下，在某一位置处形成盐池，一般是在灯的一端或两端。如较前所述，粒子从盐池流出和流入盐池之间存在一个平衡状态，对应灯内某一粒子分布状态。根据本发明，通过施加一DC电流成分，可以使粒子分布发生变化。这一现象也称为“电流导致的分布变化”。
为取得一定的初始状态，可以使灯在DC电流(如占空比为0％)下工作。过一段时间后，盐池在灯的两端之一处形成，偏析达到最大。
从此初始状态开始，偏析可以通过从0％开始提高占空比而减弱。随着占空比的提高，粒子的流入和流出达到新的平衡，盐池基本上保持原位不动。当提高占空比到50％时，偏析可以消除。占空比高于50％时将导致不希望发生的盐池转移。
占空比的范围在0％和50％之间，它决定了灯光色的范围，本发明的这一方案能够达到这一效果。当占空比为0％时，灯产生的光可以由色度图中的某一色点来代表。这一色点的确切位置，也称为“水平零”色点，取决于灯中各种元素混合物的组份，通过适当地选择这种组份可以选择该零色点的位置，如本领域技术人员所知悉的。如果占空比提高，色点将从水平零色点处移走。当占空比达到50％，色点到达终点。这样，色点行径处连成一条线，以下称为“色线”，其一个端点由水平零色点决定，相对的另一端点由50％占空比决定。其色温的改变范围约从1500K到2000K。
如果初始状态是相反的，即初始设定的占空比为100％，当占空比从100％变化到50％时，基本产生相同的结果。
因而，对于高压灯(10-20atm)，可以使其色温在约1500K到2000K范围内变化。
当灯的几何形状不对称时，盐池将有一个最佳位置，即灯最冷处，通常在灯的一端。如果我们假设这个最佳位置相应于由设置占空比为0％而得到的初始位置，那么，在盐池发生转移前，可以增大占空比至50％多，到达极限。因此，色温变化范围将增大。
当灯处于垂直方向，这一范围甚至可以更宽(2500-3000K)，由于在这种情况下，盐池通常会位于灯的一端，即灯内最冷处，一般在下端。在此情况下，当以上讨论的同一个灯从水平方向转向垂直方向，而平均DC电流为零时，会出现偏析及色温变化。色温的这种变化取决于灯内混合物的组份及偏析的程度。此外，灯产生的光可由色度图中的色点来表示，将其称为“垂直零”色点。
此时如果施加有平均DC电流，取决于平均DC电流的方向，偏析会增大或减弱，这两种情况都会导致色点的移动。
在灯垂直安装的情况下，由于对流的影响，放电是不对称的。一般来说，灯上端的温度比其下端的温度高。因此，在出现冷凝(condensation)前，盐中各组份的分压可以高于盐池上方的分压。由于此原因，及对各种盐成分偏析效应产生的程度不相等这一事实，从无偏析到偏析达到最大这一范围可以相应于色温的附加的变化，色温的最大改变可以大于灯水平安装时的情形。
因而，对于垂直安装的高压灯(10-20atm)，发现其色温的变化可达约2500K到3000K。
采用这种系统，还能够提供多色的灯。为了解释这一点，再次参考图4。如较早前所述，不同的材料所产生的偏析程度不同。这一事实同样适用于根据本发明的由光控制平均电流IAV引起的增强偏析。对于一个工作在平均电流IAV为零的灯，假设曲线(A)和曲线(B)分别代表碘化钠和碘化铈。当同一灯在具有一个选定方向的平均电流IAV工作以增大偏析程度时，我们进一步假设曲线(C)和(D)分别代表碘化钠和碘化铈。此时，灯显示出三频带光。在灯的最低区域I，尽管有些偏红，光色还是接近“正常”的白光。在灯的第二区域II，第一区域上方，碘化铈几乎完全不存在，发射的光中，不再有碘化铈贡献的绿光，此处的光色完全取决于碘化钠，即：红色。在灯的第三区域III，第二区域上方，碘化钠也几乎完全不存在了，发射的光中，不再有碘化钠贡献的红光；如果灯中没有其它成分的盐，第三区域就会发出由汞缓冲气体产生的蓝光。如果灯中还含有只发生了少量偏析的第三种成分的盐，则由该第三种成分产生的光将占主导地位。
这样，就可以得到具有不同光色的、多色段的、丰富的色彩效果。
当改变平均电流IAV的大小，离子流的方向可以离开盐池以减弱偏析程度，或者直接流向盐池以增大偏析程度。在第一种情况下，平均电流IAV的大小最好选择在低于使盐池整体发生移动的极限水平之下，如前面所述。在第二种情况下，平均电流IAV的大小不受这种限制。
总之，本发明成功地提供了一种驱动金属卤化物灯1的方法，该方法包括下述步骤：在灯内产生一个具有所需方向和强度的光控DC电场E，以便在灯内得到所需的离子分布。灯由具有DC成分的换向电流供电，最好是具有恒定的电流强度且其占空比不等于50％。通过设置占空比，可以设置灯电流某一平均值，从而改变灯的功效和/或色温。
尽管是通过前述的实施例的描述对本发明了进行说明，应当清楚，对本领域技术人员来说，本发明并不局限于所述的实施例。对于各种可能的变化和改进，都包含在本发明的权利要求所限定的保护范围内。
例如，前面解释过，通过产生一个具有适当方向和适当强度的合适的光控电场E，可以在灯内建立所需的粒子分布状态；还进一步说明了，利用具有适当平均电流强度IAV的灯电流来控制粒子分布，是一种优选的方法。但是，本发明的范围，还包括其它可以建立合适的光控电场E的方法，例如利用外置的电磁体。
另外，以上所述主要是针对稳定工作状态。在灯的启动阶段，平均电流强度IAV最好为零。

Claims (26)

1.一种驱动气体放电灯方法，以功效与方向无关的这样的一种方式驱动气体放电灯；
其中，该灯由具有恒定电流强度和占空比的换向电流供电；
所述方法包括下述步骤：在灯泡内产生一个具有所需方向和所需强度的光控电场E，以在灯泡内得到所需的粒子分布；
其中确定灯的实际方向；
如果确定灯处于水平方向，设定占空比等于50％；
如果确认灯处于垂直方向，设定占空比为不同于所述50％的预定第二值。
2.如权利要求1所述的方法，其中，改变平均电流强度以改变灯的功效。
3.如权利要求1所述的方法，其中，通过改变平均电流的强度而改变灯的色温。
4.如权利要求1所述的方法，其中，通过改变平均电流强度使色点沿所述色线移动。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述气体放电灯是HID灯。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述气体放电灯是金属卤化物灯。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述金属卤化物灯具有大于3的长度直径比。
8.如权利要求7所述的方法，其中所述金属卤化物灯具有大于4的长度直径比。
9.驱动气体放电灯的驱动装置，该装置包括：
一个电流发生装置，用于产生具有恒定电流强度的电流；
一个换向装置，用于接收所述电流，并具有一个与灯相连的输出端，该换向装置设置成以不同于50％的占空比对所述电流进行换向；
其中，该驱动器还包括一个用于接收占空比控制信号的控制输入端，且该驱动器响应在其控制输入端接收到的控制信号相应地对占空比进行设定；
其中，所述的驱动装置还设有一个模式选择开关，该模式选择开关与所述控制输入端耦合，该模式选择开关至少有三个位置；
所述的驱动装置设置成：当所述的模式选择开关置于指示灯为水平方向的第一位置时，产生占空比为50％且电流强度恒定的换向电流；当所述的模式选择开关置于指示灯为垂直方向的第二位置或第三位置时，产生具有恒定的电流强度和具有不同于50％的预定第二值的占空比的换向DC电流。
10.如权利要求9所述的驱动装置，其中，当所述的模式选择开关置于所述的指示灯为站立方向的第二位置时，所述的预定的占空比具有不同于50％的预定第一值DU；当所述的模式选择开关置于所述的指示灯(1)为悬挂方向的第三位置时，所述的预定的占空比具有不同于50％的预定的第二值DD；其中DD≠DU。
11.如权利要求10所述的驱动装置，其中设计成用于驱动对称形状灯，其中DD＝100％-DU。
12.如权利要求9所述的驱动装置，其中所述气体放电灯是HID灯。
13.如权利要求9所述的驱动装置，其中所述气体放电灯是金属卤化物灯。
14.如权利要求13所述的驱动装置，其中所述金属卤化物灯具有大于3的长度直径比。
15.如权利要求14所述的驱动装置，其中所述金属卤化物灯具有大于4的长度直径比。
16.一种驱动气体放电灯的具有自动地与方向无关的功效能力的系统，该系统能够以与方向无关的功效驱动灯工作，该系统包括驱动装置，该驱动装置包括：
电流发生装置，用于产生具有恒定电流强度的电流；
换向装置，用于接收所述电流，并具有一个与灯相连的输出端，该换向装置设置成以不同于50％的占空比对所述电流进行换向；
其中，该驱动器还包括一个用于接收占空比控制信号的控制输入端，且该驱动器响应在其控制输入端接收到的控制信号相应地对占空比进行设定；
其中该系统还包括一个位置检测器，该位置检测器至少有一个输出端耦合到驱动器的控制输入端；该位置检测器设置成检测灯的实际方向，并在其所述输出端产生一个指示这样的方向的控制信号；
其中，当所述位置检测器输出信号具有指示灯水平方向的第一值时，所述驱动装置响应位置检测器输出信号，以产生一个具有50％的占空比且具有恒定电流强度的换向电流；当所述位置检测器输出信号具有指示灯垂直方向的第二或第三值时，所述驱动装置设置成产生一个具有恒定电流强度且具有不同于所述50％的预定第二值的占空比的换向DC电流。
17.根据权利要求16的系统，其中当所述位置监测器输出信号具有指示灯为站立方向的第二值时，所述驱动装置响应位置检测器输出信号，产生一个具有恒定电流强度且占空比具有不同于50％的预定第一值DU的换向电流；当所述位置检测器输出信号具有指示灯为悬挂方向的第三值时，所述驱动装置响应位置检测器输出信号，产生一个具有恒定电流强度且占空比具有不同于50％的预定第二值DD的换向电流；其中DD≠DU。
18.如权利要求17所述的系统，其中设计成用于驱动对称形状灯，其中DD＝100％-DU。
19.如权利要求16的系统，其中，还包括一个容纳灯组件的灯帽的接口，该接口具有与换向器输出端子相连接的接触件，所述的位置检测器与所述接口相关联。
20.如权利要求16所述的系统，该位置检测器包括一个圆筒形容器，圆筒形容器的中部设有一较大直径的的凹槽，该容器内充有少量的导电液体；第一对接触电极设置在容器内靠近其第一轴端；第二对电极设置在相对的轴端；一组两个环形电极设置在所述的凹槽内。
21.如权利要求16所述的系统，所述位置检测器与灯相关联。
22.如权利要求16所述的系统，所述位置检测器与容纳灯组件的灯帽的灯接口相关联。
23.如权利要求16所述的系统，其中所述气体放电灯是HID灯。
24.如权利要求16所述的系统，其中所述气体放电灯是金属卤化物灯。
25.如权利要求24所述的系统，其中所述金属卤化物灯具有大于3的长度直径比。
26.如权利要求25所述的系统，其中所述金属卤化物灯具有大于4的长度直径比。
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