CN100569041C - 用于控制气体放电灯的设备和方法及具有气体放电灯和控制设备的照明系统 - Google Patents

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Abstract

公开了用于控制气体放电灯的设备和方法。虽然在灯的启动过程中要满足光通量需求，但为了尽可能少地降低灯寿命，在包括灯点燃后至少1s到3s间隔的启动阶段灯利用交流电流工作，所述电流的幅值在启动阶段上升。在启动阶段的上升以后，在优选地紧随前一阶段的过渡阶段电流可以首先进一步上升或保持恒定，随后降低，直到灯进入稳定工作阶段。在这里，电流的时间梯度优选地选为使得在给定时刻达到灯的光通量最小值。例如，在尤其是启动过程中利用高电流工作的无Hg灯的情况下，可以获得特定的好处。

Description

用于控制气体放电灯的设备和方法及具有气体放电灯和控制设备的照明系统
本发明涉及用于控制气体放电灯的设备，及具有气体放电灯和控制设备的照明系统，还涉及控制气体放电灯的方法。
在气体放电灯中光线是通过气体放电产生的，放电通常发生在放电室中的两个电极之间。气体放电是由于施加了点火电压而点燃的，这导致光电弧的形成。在光电弧点燃以后，电极和包围它们的室被加热，在经过一段时候后灯进入稳定工作状态(或稳态)。
放电灯已经在尤其是汽车领域广泛应用了一段时间。在稳定工作中，这里所使用的灯通常工作在AC电压。
放电灯点燃后的时序如下：在光电弧点燃以后，灯首先在过渡状态工作几毫秒，通常是100ms或更短。在过渡状态，灯利用DC电压工作，但该电压的极性可以反转例如两次。这是为了加热电极。在过渡状态结束时，灯利用AC电压，通常是400Hz的方波AC电压，工作。这包括几秒种的初始间隔，该初始间隔之后是稳态的稳定工作。
尤其对于在汽车领域的应用，灯光通量尽可能快的上升通常是目标所在。为此在初始阶段利用恒定的超高启动电流操作灯是已知的，考虑到期望的灯寿命，该电流接近各个灯的最大容许电流。
美国专利申请5,663,875描述了一种用于操作放电灯的电压变换器。其中图1b代表了灯点燃后的电流梯度。在过渡范围内，这个电流最初上升到一个非常高的值，依然是DC操作，然后切换到AC操作，其中最初非常强的交流电流缓慢地降到额定操作。额定功率为35W的灯在初始阶段利用高达90W的功率工作，从而加热电极并使放电室中存在的成份蒸发。
美国专利申请5,434,474也涉及用于操作放电灯的设备。该设备包括用于检测过高的电流以避免高启动电流的电路。在初始阶段，该设备将电流限定到最大值。目的是避免对灯寿命的不利影响。
本发明的一个目的是提供用于控制气体放电灯的方法和设备，及具有气体放电灯和相应控制设备的照明系统，其中控制灯使其寿命不会无谓地缩短，同时灯还能符合关于其启动特性的需求。
这个目的是通过权利要求1所述的设备、权利要求9所述的照明系统及权利要求11所述的方法实现的。从属权利要求涉及本发明的有利实施方案。
本发明是基于认识到了利用强电流工作对灯寿命极其不利，尤其是在灯点燃后的冷却状态，因为在那个时候发生了热膨胀。例如，关于灯启动的需求是由设定在几个时刻灯的光通量值来限定。从而，灯必须在例如1s后达到其光通量的至少第一个阈值以符合这些规格，并在例如4s后达到至少第二个更高的阈值。
根据本发明，灯是通过电源设备利用在启动阶段幅值基本上升的AC电流驱动的。不象现有技术中已知的那样从一开始就以最大容许电流操作灯，而是至少在灯点燃后1至3s的时间间隔内提供一段时间使流经灯的AC电流幅值基本上升。术语“基本”上升在这里应当理解为启动阶段开始时的值比启动阶段结束时的低。在另一种实施方案中，建议在启动阶段中电流的时间梯度关于时间单调上升，即它在某个时间区域可以上升或保持恒定，但不会下降。为此，由于电流的波状(undular)特征，因此必须提供一种随时间进行适当平滑的方式。
概念“启动阶段”在这里用于任何利用交流电流操作灯的时间间隔，该时间间隔包括至少灯点燃后1s到3s的时间周期。于是，启动阶段可以在(DC)过渡阶段后立即开始。启动阶段的开始还可以发生在灯已经利用交流电流工作的时候。依赖于应用，启动阶段可以在时间的一个和/或另一个方向上延伸，并且可以早在点燃后例如0.5s、0.3s甚至更早就开始，并在点燃后例如4、5甚至多达8s后结束。
在另一种有利的实施方案中，假定在启动阶段电流关于所述阶段开始时的值上升了至少30％。但是优选地，选择多于50％的上升，在有些情况下甚至高于100％。
在另一种实施方案中，电流在启动阶段或在优选地紧随其后的过渡阶段达到最大值。这个最大值优选地是对各种灯类型确定的，使得符合关于灯寿命的最低要求。在本发明的另一种实施方案中，启动阶段开始时电流的幅值至多为最大电流的75％，优选地小于其60％。
给定的梯度可以是例如线性的，具有上升的斜率，或者也可以是任何其它上升的曲线形状，如阶梯状，等等。任何具体应用中的时间梯度都优选地基于所使用灯类型的实验值。在实验中很容易确定电流梯度的哪一次上升足以在给定时刻实现灯光通量的给定最小值。通常刚达到设想的值时就足够了，可能具有一定的安全余量。明显的超出可能对灯寿命有负影响。
启动阶段之后优选地是例如几秒的过渡阶段，例如，在过渡阶段中电流的幅值保持恒定并最终降到它稳定工作时的值。但是可选地，有可能使电流在过渡阶段最初时继续上升。
在一种优选实施方案中，控制设备包括将预存的程序控制的启动电流时间梯度提供给可控电流源设备的微控制器或微处理器。预先定义的时间梯度在这里是以例如表格的形式存储在微控制器中。在本发明的另一种实施方案中，微控制器还监控灯的工作状态，即它能够决定在灯点燃的过程中是发生了冷点燃还是依然热着的灯的再次点燃。在后一种情况下，微控制器能够控制灯使其在启动阶段以基本上比较弱的电流工作，因为现在还没有施加使用其它方式时必要的灯的加热。
根据本发明的照明系统包括带合适控制设备的气体放电灯。启动阶段电流梯度的值优选地存储在该控制设备中，如果所讨论的灯要满足需求，则这些值是必需的。
测试显示在启动阶段电流最初的“保护性”上升对灯的寿命有正面影响。同时，在启动阶段程序控制的电流梯度确保在任何情况下都可以满足关于启动特性的规格。灯的寿命明显延长了，尤其是对于工作在高电流的灯。例如，放电室中填充物不含Hg的放电灯就得益于本发明，其中该灯由于尤其是启动时的低燃烧电压而工作在较高电流。
以下将参考附图更加详细地说明本发明的一种实施方案，其中：
图1是气体放电灯的侧视图；
图2是具有控制设备和气体放电灯的照明系统电路图；
图3是描述现有技术中通过灯的电压和通过灯的电流梯度的时间关系图；
图4是描述本发明一种实施方案中通过灯的电流梯度的时间关系图；及
图5是显示本发明一种实施方案中在启动阶段灯电流和灯光通量梯度的时间关系图。
图1示出了用在汽车领域的典型气体放电灯10。在这里灯10仅仅是作为例子示出的。这种灯的构造细节和功能对于本领域技术人员而言是已知的。因此对细节不做更深入的讨论，而只提及灯10的最重要部分。
带放电室14的燃烧装置固定在灯的基座12中。电极16伸入由石英内壁封闭的放电室14的内部。在灯10的工作过程中，保持气体放电处于电极16之间。在所示出的例子中，放电室14包含不含Hg的填充物。在稳定工作时，灯10工作在35W功率，具有大约830mA的电流和42V的电压。
图2示出了包括控制电路22和灯10的照明系统20。
控制电路22包括由微控制器μC控制的可控电流源24。电流传感器26和电压测量设备28测量通过灯10的电流和电压，并将结果提供给微控制器μC。
图3示出了根据现有技术通过放电灯的压降U和通过放电灯的电流IL的时间梯度。在这里图3中的表示完全是示意性的，仅仅是为了阐明灯点燃过程中时间梯度的原理。
为了点燃灯，在时刻t＝0使电压U增加到光电弧被点燃的点。光电弧点燃之后是过渡阶段A，其中灯利用直流电流(DC电压)工作。作为示例，所示过渡阶段A持续了几毫秒，最多可以达到100ms。在所示出的例子中，在这个阶段极性改变了一次。
过渡阶段A之后是初始阶段B，其中灯利用交流电流(AC电压)工作。初始阶段B持续几秒钟，用来“启动”灯。在图3所示的现有技术中，在初始阶段B灯直接就以最大容许电流工作，在成功启动后该电流逐渐降低到稳定阶段C。
在初始阶段B和稳定阶段C中灯的工作都是利用具有400Hz频率的方波AC电压。应当再次指出，图3所示的梯度只是象征性地说明，因此，例如，间隔B中极性改变的次数不能用来得出关于这个间隔持续时间的结论。作为可供选择的方案，所述电流IL是在时间上具有基本方波特征且频率至少为200Hz的交流电流。
图4示出了本发明一种实施方案中通过灯的电流IL的时间梯度。这也只是为阐明与图3所示现有技术的区别而设计的完全象征性的图。
在图4的时间关系图中，在时刻t＝0的点燃之后也是几毫秒的过渡阶段A，在过渡阶段中灯利用直流电流(DC电压)工作。随后是启动阶段B1，其中灯利用交流电流工作。启动阶段B1持续几秒钟。在这个启动阶段中电流IL的幅值上升，因此这个阶段结束时的值比这个阶段开始时的值高。
启动阶段B1之后是过渡阶段B2，在这个例子的过渡阶段B2中，在启动阶段B1所获得的增加的电流保持一段时间并最终降到其在稳定工作阶段C采用的值。阶段B2持续几秒钟。
与现有技术形成对比，高启动电流不是突然接通的，而是提供了电流幅值的上升。这意味着在几秒钟的周期B1中灯的负载是不太强的，这对灯的寿命有正面影响。阶段B1中的电流积分具有比现有技术相应间隔明显低的值。
图5示出了灯10在启动阶段电流IL梯度的例子。从时刻t＝0灯点燃开始所经过的秒数画在时间轴上。曲线IL显示通过灯10的电流梯度。曲线L显示灯的光通量梯度。阶梯状曲线LD表示这种情况所需的最小光通量。例如，欧洲标准ECE R 99规定应当在灯点燃1s后达到额定光通量的25％，并在开始4s后达到该光通量的80％。
在所示出的例子中，灯利用400Hz的方波AC电压工作的阶段在大约t＝0.1s开始。
在现有技术的启动电流阶段B(图3)，电流IL的幅值首先设置为对应灯类型的最大容许值，从而尽可能快地实现灯的启动和灯光通量的上升。随后电流IL的值持续降到阶段C的电平，在阶段C灯稳定工作。
与此形成对比，图5示出了电流IL的上升，例如基本上升的时间梯度。如从图5显而易见的，在这里电流IL的曲线不是平滑的，而是关于时间平均值呈现很强的不规则波动。关于电流IL的梯度，这些实施方案相应地涉及经过适当平滑的关于时间的变化平均值。在点燃后1s至3s的间隔内，电流从大约2.25A上升到大约3.5A，即上升了大约55％。梯度是关于时间平均单调上升的，也在某些区域(例如，从大约1s到大约1.5s)保持恒定。IL在从t＝0.5s到t＝4s的间隔内从大约1.75A上升到大约3.75A，即上升了超过100％。上面提到的两个间隔是“启动阶段”B1的例子。
如图5中的曲线L所示，在启动阶段选定的IL上升梯度的结果是灯(L)的光通量也具有梯度，其中根据需求LD在t＝1s和t＝4s获得最小值，而不会发生过高地超出需求。
本领域技术人员可以为每个灯或为每种灯类型确定必需的IL梯度，从而使灯L的光通量符合相关的需求。这可以一种简单的方式根据经验发生。
在图5所示IL的梯度中，最大电流IL为大约3.75A。考虑到要求的最短灯寿命，这对应于灯的最大容许电流。但是，与现有技术相反，这个最大电流直到灯点燃后大约3.25s才达到。在前述的启动间隔内灯最初以“保护性”方式启动，如测试所证明的那样，这导致灯寿命的基本延长。
图5所示电流IL的梯度是以下述方式利用图2的照明系统20实现的。
当微处理器μC收到启动灯的启动信号S后，最初控制可控电流源24使灯10点燃。为此，可以使用本领域技术人员已知的用于产生点火电压的附加电路(未示出)。
在灯点燃后和过渡阶段A后，微控制器μC控制电流源24使得产生图5所示具有梯度的交流电流。符合规格ID所需的IL梯度是预先计算出来的。为此，必需的IL时间梯度以包括不同时刻IL值的表格形式保存在微控制器μC中。微控制器μC根据这些存储的值控制电流源24，从而使IL给出图5所示的梯度。
本发明可以概括为用于控制所公开气体放电灯的设备和方法。虽然在灯的启动过程中要满足光通量需求，但为了尽可能少地降低灯寿命，在包括灯点燃后至少1s到3s间隔的启动阶段灯利用交流电流工作，所述电流的幅值在启动阶段上升。在启动阶段的上升以后，在优选地紧随前一阶段的过渡阶段电流可以首先进一步上升或保持恒定，随后降低，直到灯进入稳定工作阶段。在这里，电流的时间梯度优选地选为使得在给定时刻达到灯的光通量最小值。例如，在尤其是启动过程中利用高电流工作的无Hg灯的情况下，可以获得特定的好处。

Claims (12)

1、用于控制气体放电灯(10)的设备，具有：
-向灯(10)提供具有给定幅值的交流电流(IL)的电流源设备(24)，
-及在启动阶段(B1)向电流源设备(24)提供幅值的编程单元(μC)，
-其中该启动阶段包括至少从灯(10)点燃后0.5s到灯(10)点燃后4s的时间间隔，及
-其中该编程单元(μC)在启动阶段(B1)实现电流(IL)时间梯度的基本上升。
2、如权利要求1所述的设备，其中所述时间梯度选为使得由灯(10)产生的光通量(L)至少在两个给定时刻达到指定的最小值。
3、如权利要求1或2所述的设备，其中所述启动阶段(B1)包括至少从灯(10)点燃后1s到灯(10)点燃后3s的时间间隔。
4、如前面任何一项权利要求所述的设备，其中在所述启动阶段(B1)结束时的电流(IL)相对于所述阶段开始时的值上升至少30％。
5、如前面任何一项权利要求所述的设备，其中在所述启动阶段(B1)电流(IL)的时间梯度关于时间的平均值单调上升。
6、如前面任何一项权利要求所述的设备，其中所述电流(IL)是在时间上具有基本方波特征且频率至少为200Hz的交流电流。
7、如前面任何一项权利要求所述的设备，其中所述电流(IL)在启动阶段(B1)之后的过渡阶段(B2)降到稳定值。
8、如前面任何一项权利要求所述的设备，其中所述电流(IL)在启动阶段(B1)开始时等于在点燃后1s之后的所述时间间隔内所采用电流最大值的至多75％。
9、如前面任何一项权利要求所述的设备，其中所述电流(IL)在启动阶段(B1)开始时等于在点燃后1s之后的所述时间间隔内所采用电流最大值的不到60％。
10、一种照明系统，具有：
-气体放电灯(10)
-及如权利要求1至9任何一项所述的设备(22)。
11、如权利要求10所述的照明系统，其中所述气体放电灯(10)具有不含Hg的填充物。
12、控制气体放电灯的方法，其中：
-交流电流(IL)在启动阶段(B1)流经灯，该启动阶段(B1)包括至少从灯(10)点燃后1s到灯(10)点燃后3s的时间间隔，
-其中控制所述电流(IL)使其幅值在所述启动阶段内上升，及
-其中选择所述电流(IL)的时间梯度使得由灯(10)产生的光通量(L)至少在启动阶段(B1)的两个给定时刻达到指定的最小值。
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