CN100566499C - 用于驱动气体放电灯的方法和装置 - Google Patents

Abstract

描述了用于使气体放电灯(2)，具体地是HID灯，而更具体地是MH灯，变暗的方法。该灯在额定功率下以电流大小I_L＝αI_nom的换向DC电流工作，α等于1或小于1。电流大小I_L被减小，但灯仍旧工作在换向DC电流下，直至α达到预定值β。然后，灯工作在DC电流下，而电流大小进一步减小。现在有可能达到较低的变暗水平。

Description

用于驱动气体放电灯的方法和装置

本发明总地涉及用于驱动气体放电灯，具体地是HID灯，更具体地是金属卤化灯，的方法和装置。更具体地，本发明涉及使这样的灯变暗。

气体放电灯是众所周知的。通常，它们包含以气密方式密封一放电空间的发光管、放电空间中的可电离填充物和一对电极，每个电极被连接到相关的、从放电空间穿过灯管延伸到外部的导电体。在工作期间，电压被施加到所述电极两端，且在所述电极之间发生气体放电，而导致灯电流在电极之间流动。虽然有可能在相对较宽的工作电压和/或电流范围内驱动某个个体的灯，但灯典型地被设计成工作在特定的灯电压和灯电流下，因此具有特定的额定功耗。在这个额定功率下，灯将产生额定的光量。由于HID灯通常对于本领域技术人员是已知的，所以在这里不必更详细地讨论它们的结构和运行。

一般来说，希望灯是可变暗的，即，灯可工作在低于额定功率的功率下，使得灯将产生少于额定光输出的光。对于低压气体放电灯而言，例如，已经知道用AC电流使灯工作，且通过只在灯周期的减小的阶段(phase)期间施加灯电压来使灯变暗，例如，通过与灯串联的三端双向可控硅开关的适当的相位控制来进行。这意味着，灯只在一部分电压周期期间接收灯电压，而在这个电压周期的其余部分期间没有灯电流流过。所需的变暗量可通过选择电流接通时间与电流关断时间之间的比值而达到。然而，这种类型的变暗在HID灯中是不可能的，因为这种类型的灯有从电流关断期间恢复的问题。

虽然低压气体放电灯典型地以谐振电流，即，具有正弦形状波形的电流来工作，但高压放电灯典型地是通过提供换向DC电流工作的。用于这样的灯的电子镇流器或驱动器典型地包含用于接收AC干线供电的输入端、用于将AC干线电压整流为整流后的DC电压的整流器、用于把整流后的干线DC电压转换成较高的DC电压的DC/DC上变换器、用于把所述较高的DC电压转换成较低的DC电压(灯电压)和较高的DC电流(灯电流)的下变换器、以及用于规则地改变这个DC电流的方向的换向器。下变换器的表现象受控恒流源，也称为受控恒流发生器。典型地，换向器工作在大约100Hz的频率下。所以，在原理上，灯工作在恒定的电流大小下，灯电流在非常短的时间(换向周期)内规则地改变它的方向。这种工作模式将被称为方波电流运行。

在HID灯中，基于灯电流的阶段切割(phase-cutting)的变暗导致，例如，重新点火问题。所以，这种类型的灯可以通过将灯电流减小到低于额定电流的电平而更容易地变暗。实际上，已经知道通过减小灯电流至低于额定电流的数值而使HID灯变暗。

然而，减小HID灯中的灯电流导致典型地与HID灯有关的问题，而且完全不可能无限制地减小灯电流。在典型的低压荧光灯中，灯的电极可以由电极电流分开加热。然而，在HID灯中这是不可能的。在HID灯中，灯的电极由灯电流加热，如果灯电流减小，则灯电极冷却而不再正常地工作。这种灯的特性，更具体地，是这种电极的特性，导致了对HID灯的变暗能力的实际限制。如果变暗水平被定义为变暗的运行功率与额定灯功率之间的比值，则很难达到50％或更高的可靠的变暗水平，而低压气体放电灯，诸如大家熟知的荧光灯，则可以容易地工作在10％或更低的变暗水平上。

以上所述特别地适用于金属卤化灯，其构成HID灯通用类型中的一个专门的族。事实上，某些制造商并不允许他们的灯变暗，而其他制造商不鼓励这样使用，或对变暗水平规定了一个50％的限制。

本发明是基于对HID灯的特性的更好的理解。

在正常或额定运行条件下，灯电极在它们的阴极阶段期间工作在所谓的漫射模式(diffuse mode)。当电流从额定电流减小到更低的电流电平时，灯电极改变到所谓的光点模式(spot mode)，在它们的阴极阶段期间在电极上有非常热的局部光点。当电流再进一步减小时，灯电极改变到辉光模式(glow mode)，且灯的工作改变到辉光放电，对于稳态运行这是不希望的。

HID灯被设计用于在漫射模式下最佳运行。在辉光放电模式下的运行是不希望的，因为发生溅射，而灯只产生一点光或不发光。光点模式在原则上是可接受的，但光点看起来冷却得非常快。与电流中断相组合时，这可导致灯熄灭。

本发明是基于这个认识：事实上，只要光点模式不被中断，光点模式就是比较稳定的。通常，如上所述，HID灯利用方波电流工作，这表示灯电流的方向重复地改变。这意味着，在电流周期期间，电极在电流周期的50％期间作为阴极工作，而在电流周期的另外50％期间作为阳极工作。这样，当电流方向改变时，电极的光点模式运行被中断。已经发现，因为在阳极时期结束和新的阴极时期开始时，电极显然不能返回到光点模式，所以灯熄灭。然而，也已经发现，只要电极的阴极运行延续，光点模式就是比较稳定的。

基于这个认识，本发明建议在减小的电流电平处切换到DC运行。

事实上，已经发现，当HID灯用DC电流工作时，电流电平在灯熄灭之前可以更进一步地被减小。这可以归因于光点模式的稳定性，当灯的电流降低时，只要一个电极继续被用作为阴极，光点模式显然便保持稳定。

另一个优点在于，当HID灯用变暗的DC电流工作时，由于老化引起的光输出的减少可被降低。

通过以下参照附图进行的描述，本发明的这些和其他方面、特性和优点将进一步被说明，在附图中：

图1是将灯电流图示为时间的函数的曲线图；

图2是图示灯的驱动装置的示例性实施例的图；以及

图3A-B是将灯的维持图示为灯的使用期限的函数的曲线图。

图1是显示对于不同的变暗水平，将流过HID灯的灯电流图示为时间的函数的曲线图。

在(a)上，显示对于灯的额定运行的电流。可以看到，灯电流的电流大小或绝对值总是等于I_nom，但灯电流在t₁，t₂，t₃等时刻改变方向，显示为从+I_nom到-I_nom的改变以及反之亦然。在这个额定运行模式下，灯的功率将被表示为P_nom。

在(b)上，显示变暗的运行模式，其中灯仍被供以方波电流，但灯电流的电流大小或绝对值I_L小于I_nom，其用公式I_L＝αI_nom表示，其中α＜1。在这种情形下的灯的功率被表示为P(α)。它小于P_nom。按照本发明，在I_L/I_nom大于预定值β的时候，HID灯被用这样的、具有电流大小I_L的方波电流变暗。已经发现合适的β值约为60％，尽管实际上这取决于灯的类型。

在(c)上，显示灯的DC工作模式。再次地，灯电流的大小I_L可被表示为αI_nom，但现在α小于上述的预定值β。

在实验中，测试了三个不同的HID灯。

第一个实验

第一个测试涉及型号为CDM-T 70W/830的灯，它是由菲利普公司(Philips Corporation)制造的，是具有约0.85A的额定灯电流I_nom和70W的额定功率的灯。该灯首先用如上所述的和在图1中(a)和(b)上显示的方波电流运行。电流大小缓慢地减小，直至灯熄灭为止。灯的熄灭被发现发生在约35W的灯功率时，相应于50％的变暗水平，当灯熄灭时，α约为0.5。

作为比较，使灯按照根据本发明的变暗的方法来工作。一开始，灯工作在额定电流的额定功率下，如图1中(a)所示。然后，如图1中(b)所示，电流形状仍旧是方波，电流大小I_L从I_nom减小到αI_nom，α＜1，直至α＝I_L/I_nom达到预定值β为止，在本实验中β取为60％。然后，停止电流的换向，即，使电流变为DC电流，如图1中(c)所示。随后，灯电流大小I_L再进一步减小，直至灯熄灭为止。灯的熄灭被发现发生在约20W的灯功率时，相应于额定功率的30％的变暗水平，当灯熄灭时，α约为0.3。

第二个实验

第二个测试涉及型号为SDW-T 100W的灯，它是由菲利普公司制造的，是具有约1.1A的额定灯电流I_nom和100W的额定功率的灯。执行上述的相同的实验。当用方波电流工作时，该灯熄灭在约40W的灯功率时，相应于额定功率的40％的变暗水平，当灯熄灭时，α约为0.5。

当按照根据本发明的变暗的方法工作时，该灯熄灭在约10W的灯功率时，相应于额定功率的10％的变暗水平，当灯熄灭时，α约为0.3。

第三个实验

第三个实验涉及型号为CDM-T 150W/830的灯，它是由菲利普公司制造的，是具有约1.7A的额定灯电流I_nom和150W的额定功率的灯。执行上述相同的实验。当用方波电流工作时，该灯熄灭在约60W的灯功率时，相应于额定功率的40％的变暗水平，当灯熄灭时，α约为0.4。

当按照根据本发明的变暗的方法工作时，该灯熄灭在约30W的灯功率时，相应于额定功率的20％的变暗水平，当灯熄灭时，α约为0.2-0.3。

因此，对于所有这些被测试的灯，通过从方波电流切换到DC电流，可达到的最小功率电平被大大地减小。

应当指出，虽然对于从方波电流切换到DC电流的β的精确值不是关键的，但这个值不应当取得太高，因为在接近于额定电流的电流电平时，HID灯不应当用DC电流工作。正如本领域技术人员熟知的，在DC运行期间阳极温度比起在AC运行期间高得多。在变暗的DC运行期间，阳极温度优选地不应当上升到超过在额定AC运行时的电极温度，以避免潜在的有害的影响。

众所周知，表示为每单位功率的光输出的灯的光产生能力随灯的老化而减小；这个效果可以通过画出光产生能力相对于灯的使用期限的曲线而表示为维持，即，灯如何维持它的原先的特性。使用用于变暗的DC模式，似乎也对灯的维持有有利的影响，这由图3A-B示出。这里，维持被表示为原先的光产生能力的百分数。

图3A-B显示在型号为MHC070的灯上进行的实验的结果。图3A的曲线(a)-(c)涉及用换向电流驱动的灯，而图3B的曲线(d)-(h)涉及用恒定(不换向的)电流驱动的灯。所有的灯都经受不断重复的12小时的循环。

曲线(a)涉及额定功率下的11小时，接着关断1小时的循环。在8000小时后，维持已减小到约70％。

曲线(b)涉及额定功率下的15分钟，接着工作在60％的额定功率下的10小时45分钟，接着关断1小时的循环。在8000小时后，维持减小到至多50％；在2000小时后便已减至70％。

曲线(c)涉及额定功率下的5.5小时，接着工作在60％的额定功率下的5.5小时，接着关断1小时的循环。在4000小时后，维持已减小到至多70％。

可以看到，维持随灯的老化减小，而变暗使得减小的程度增加。

曲线(d)涉及额定功率下的11小时，接着关断1小时的循环。在8000小时后，维持已减小到稍稍小于80％。

曲线(e)涉及工作在50％的额定功率下的11小时，接着关断1小时的循环。在8000小时后，维持仍在70％以上。

曲线(f)涉及工作在30％的额定功率下的11小时，接着关断1小时的循环。在4000小时后，维持减小到稍稍小于70％。

曲线(g)涉及额定功率下的5.5小时，接着工作在50％的额定功率下的5.5小时，接着关断1小时的循环。在8000小时后，维持仍约为75％。

曲线(h)涉及额定功率下的5.5小时，接着工作在30％的额定功率下的5.5小时，接着关断1小时的循环。在4000小时后，维持仍约为85％。

由此得出，即使在灯被变暗到较高的程度时，与灯靠换向电流点亮相比，使用DC时维持的减小较少

图2示意地显示按照本发明的、用于驱动HID灯2的驱动器1的可能的实施例。由于这样的驱动器通常是已知的，在这里不必要详细说明这样的驱动器的设计和运行。本领域技术人员将会看到，这样的驱动器1具有可控制的电流生成装置10，该装置接收AC干线输入电压，并且响应于在控制输入端12处接收的控制信号S_I，在输出端11处生成DC电流。这个可控制的电流生成装置10后面跟随换向器级20，它被显示于图2的全桥(full bridge)实施例中。这样的换向器级20典型地包含四个可控制的开关21A、21B、22A、22B。第一对可控制的开关21A、22A被安排成串联，在这两个开关之间的节点23A被连接到一个灯电极。第二对可控制的开关21B、22B同样被安排成串联，在这两个开关之间的节点23B被连接到另一个灯电极。开关驱动器30具有四个输出端31A、31B、32A、32B，被连接到所述开关21A、21B、22A、22B的各个控制输入端。开关驱动器30具有两个工作状态。在第一工作状态下，在它的四个输出端31A、31B、32A、32B处的输出信号是这样，以便打开开关21A和22B，而同时闭合开关21B和22A，相应于灯电流以一个方向流过灯2。在另一个工作状态下，开关驱动器30的输出信号是这样，以便打开开关21B和22A，而同时闭合开关21A和22B，相应于灯电流以相反方向流动。开关驱动器具有控制输入端33；依据在它的控制输入端33处接收的信号S_C的值，开关驱动器30或者在第一运行状态与第二运行状态之间交替(换向模式)，或者开关驱动器30恒定地处在这两个状态中的一个状态下(非换向模式)。换句话说，在开关驱动器30的控制输入端33处的控制信号S_C控制灯的电流是否换向。在下文中，这个控制信号S_C将被假设为具有两个可能的值CM(换向模式)和NCM(非换向模式)的数字信号。

按照本发明，这样的驱动器1配备有变暗控制单元40，变暗控制单元40具有连接到可控制的电流生成装置10的控制输入端12、用于控制电流电平的输出端41；以及用于控制换向器级20的运行的第二输出端42。这个第二输出端42被连接到开关驱动器30的所述控制输入端33。变暗控制器40具有用于接收用户命令的用户输入端43，因此允许用户设置想要的变暗水平。

响应于它的用户输入端43的设置，变暗控制器40在它的第一输出端41产生相应的控制信号S_I，用于控制可控制的电流生成装置10，以便生成相应的电流电平。如果想要的电流电平大于预定值β，则变暗控制器40在它的第二输出端42处产生具有第一值CM的输出信号S_C。只要在变暗控制器40的第二输出端42处的输出信号S_C具有第一值CM，表示在β与1之间的变暗水平，灯电流就换向。如果想要的电流电平低于所述预定值β，则变暗控制器40在它的第二输出端42处产生具有第二值NCM的输出信号S_C。只要在变暗控制器40的第二输出端42处的输出信号S_C具有第二值NCM，表示低于β的变暗水平，灯电流就具有恒定的方向。

虽然上面通过几个示例性实施例的说明来解释本发明，但本领域技术人员应当明白，本发明并不限于上述的实施例；相反地，在如附属权利要求中所规定的本发明的保护范围内作出各种改变和修正是可能的。

例如，应当清楚，在标准型换向器中禁止开关驱动器的换向运行可以用许多方式达到，图2所示的实施例仅仅举例说明了达到这一点的许多可能性中的一个。

而且，虽然图2的实施例被描述为模块设计，但变暗控制器40，甚至开关驱动器30，也可能被实现为一个集成的单元。

上文中，变暗被描述为把灯电流从额定灯电流降低到较低的电流电平。然而，本领域技术人员将会明白，在变暗运行期间，变暗水平可以被增大也可以被减小。增大变暗水平包含增加灯的功率和增加灯电流大小。所以，只要I_L/I_Lnom＜β，灯电流就作为DC电流被增加，而只要I_L/I_Lnom＞β，灯电流就作为交替的DC电流被增加。

Claims (8)

1.用于操作HID灯的方法，其中：

-对于β＜α≤1，该HID灯被供以电流电平I_L＝αI_nom的换向DC电流，

-而对于α≤β，该HID灯被供以电流电平I_L＝αI_nom的DC电流，

-其中I_L表示实际的灯电流；

-I_nom表示额定灯电流；

-而β是小于1的预定值，该预定值取决于HID灯的类型。

2.按照权利要求1的方法，其中β等于0.6。

3.按照权利要求1的方法，其中所述HID灯是MH灯。

4.用于使HID灯变暗的方法，该方法包含步骤：

-用具有电流大小I_L的换向DC电流使灯工作在额定功率下；

-减小电流大小I_L＝αI_nom，α等于1或小于1，但仍然使灯工作在换向DC电流下，直至α达到预定值β；

-当α已达到值β时，给该HID灯供以电流大小I_L＝αI_nom的DC电流；

-以及进一步减小电流大小，但仍旧给该HID灯供以DC电流，

-其中I_L表示实际的灯电流；

-I_nom表示额定灯电流；

-而β是小于1的预定值，该预定值取决于HID灯的类型。

5.按照权利要求4的方法，其中β等于0.6。

6.按照权利要求4的方法，其中所述HID灯是MH灯。

7.用于HID灯的驱动器，被设计成执行按照任一项前述权利要求的方法，该驱动器包含：

-可控制的电流生成装置，用于产生基本上恒定的电流；

-和可控制的换向装置，被设计成如果电流大小超过预定的电流电平，则使所述电流换向，而如果电流大小低于这个预定的电流电平，则使所述电流输出为DC电流。

8.按照权利要求7的驱动器，包含用户可调节的控制单元，该控制单元具有第一控制输出端，用于生成控制该可控制的电流生成装置的电流大小的控制信号，和第二控制输出端，用于生成控制该换向装置的控制信号，其中控制单元适合于在受控电流大小大于所述预定的电流电平的情况下将换向装置切换到换向模式，而如果电流大小低于所述预定的电流电平，则将换向装置切换到DC模式。

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