CN101116377A - 引燃器切断控制系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种引燃器切断控制系统和方法，包括引燃器，这种引燃器具有半导体开关(58)和电容器(60)以及串联电路(68)，半导体开关(58)和电容器(60)串联以在半导体开关(58)和电容器(60)之间形成接点(70)，串联电路(68)连接在该接点(70)与共用线路(32)之间。串联电路(68)具有串联在一起的感应器(62)、电阻器(64)和正热变(PTC)电阻器(66)，且电阻器(66)热耦合到PTC电阻器(66)。

Description

引燃器切断控制系统和方法
技术领域
本发明通常涉及灯操作电路，更明确地来讲，本发明涉及具有切断控制的灯引燃器(lamp ignitor)。
背景技术
许多高强度放电灯要求高压脉冲来启动灯。灯操作电路中的引燃器提供这种高压脉冲，这些高压脉冲的峰值通常约在4至5千伏。一旦将灯引燃，到引燃器的电压就降低且引燃器停止供应高压脉冲。
不过，当灯的引燃未成功或破裂时就会出现问题。灯操作电路会连续地试图将有故障的灯引燃，且引燃器在灯接头持续地提供高压脉冲。灯操作电路和灯接头连续地暴露给高压脉冲可导致灯器件的绝缘的击穿和早熟故障。此外，若维护人员不正确地试图更换灯或在不切断灯操作电路的电源的情况下操作灯操作电路，他们就可能会暴露给高压脉冲。
以前已做过尝试在灯有缺陷或不能够启动时来自动切断引燃器。这些尝试包括增加有多个器件和复杂电路的切断电路。这些切断电路增加了灯操作电路的成本并增加了电路故障的几率。
人们往往希望有一种克服以上缺点的引燃器切断控制系统和方法。
发明内容
本发明的一个方面提供一种引燃器，这种引燃器具有半导体开关和电容器以及串联电路，半导体开关和电容器串联以在半导体开关和电容器之间形成接点，串联电路连接在该接点与共用线路之间。串联电路具有串联在一起的感应器、电阻器和正热变(PTC)电阻器，且电阻器热耦合到PTC电阻器。
本发明的另一个方面提供一种用于引燃器切断控制的方法，这种方法包括提供具有电阻器和正热变(PTC)电阻器的引燃器、用引燃器电流加热电阻器、用PTC电阻器监测电阻器的温度以及在温度超过PTC电阻器的触发温度时切断引燃器。
本发明的再一个方面提供一种用于引燃器切断控制的系统，这种系统包括具有电阻器的引燃器、用引燃器电流将电阻器加热的装置、监测电阻器的温度的装置以及在温度超过触发温度时切断引燃器的装置。
从下面的对目前优选的实施例的详细描述并结合附图就会明白本发明的前面所描述的其它的特征和优点。详细描述和附图仅用于说明本发明而不是对本发明进行限制，本发明的范围由所附的权利要求书及其等同的描述所限定。
附图说明
图1是灯操作电路的示意图，这种灯操作电路包括引燃器，这种引燃器具有根据本发明制造的切断控制系统；
图2是引燃器的示意图，这种引燃器具有根据本发明制造的切断控制系统；以及
图3是引燃器的温度时间曲线图，这种引燃器具有根据本发明制造的切断控制系统。
具体实施方式
图1是灯操作电路的示意图，这种灯操作电路包括引燃器，这种引燃器具有根据本发明制造的切断控制系统。示范性灯操作电路20接收电源22以将灯24引燃并向灯24提供电源。灯24要求相对较高的电压脉冲以将其引燃，如2.5至4千伏，并在之后以非常低的电压操作，如95至1 05伏。电源22跨过功率因数电容器26并联，且镇流感应器28与灯24串联。镇流感应器28提供限流阻抗。引燃器50是三引线引燃器，这种引燃器具有引线52和引线54以及引线56，引线52和引线54跨过镇流感应器28的部分30连接，且引线56连接到共用线路32。
引燃器50包括通常打开的双向传导半导体开关58和电容器60，半导体开关58和电容器60在引线52和引线54之间串联以在半导体开关58和电容器60之间形成接点70。具有感应器62、电阻器64和正热变(PTC)电阻器66的串联电路68连接在接点70与引线56之间。电阻器64热耦合到PTC电阻器66，如箭头65所示。PTC电阻器66提供低于触发温度的最小阻抗并提供高于触发温度的高阻抗。
为了产生用于灯24的高压启动脉冲，将镇流感应器28作为升压自耦变压器(step-up autotransfer)连接。在引燃之前，灯24将开路呈现给自耦变压器。在最初加上功率时，电容器60会通过镇流感应器28、感应器62、电阻器64和PTC电阻器66开始用引燃器电流充电。电容器60的充电速度由该电路的时间常数所决定。
当电容器电压达到半导体开关58的预定阈值或击穿电压时，半导体开关58关闭以允许电容器60通过镇流感应器28的部分30放电。初级电压由自耦变压器的变压系数逐步提高以产生足够振幅的通过整个绕组的脉冲电压来将放电灯24引燃。将所产生的高压脉冲叠加在从电源22供应的60Hz AC波形上并布置成出现在AC电源电压波形的峰值附近。
在正常的操作中，灯24在将灯引燃之后变得有传导性。镇流感应器28的输出电压被限制到灯24的工作电压，该电压大大低于灯的引燃电压。因此，电容器60就不再充电而达到足以启动半导体开关58的电压值，且在灯24有传导性时，半导体开关58停留在其开路状态。这就有效地将启动电路从灯操作电路20移开，以在灯操作(传导)期间阻止进一步的引燃脉冲。正如在常规的放电灯电路中那样，镇流感应器28在正常的操作期间向灯提供镇流功能。
若由于故障或引燃未成功而使灯24没有引燃时，引燃器50将其自身与灯操作电路20切断。引燃器50试图用重复高压脉冲启动灯24，从而在重复为电容器60充电时将电阻器64加热。当电阻器64的温度将热耦合的PTC电阻器66的温度升高到PTC电阻器66的触发温度时，PTC电阻器66的电阻升高到高的电阻。这就避免了通过引燃器电流将电容器60进一步充电，结束了高压脉冲并将引燃器50与灯操作电路20切断。引燃器50保持切断，直到PTC电阻器66的温度降低到触发温度以下，此时，引燃器50可重新尝试将灯24引燃。
本领域中熟练的技术人员会理解前面所描述的灯操作电路20仅仅是可与本发明中的引燃器一起使用的灯操作电路类型的示例。引燃器50可与希望用于特定用途的不同类型的灯操作电路一起使用。
图2是引燃器的示意图，这种引燃器具有根据本发明制造的切断控制系统，图中用相同的参考数字表示与图1中的元件相同的元件。电阻器64热耦合到PTC电阻器66，如箭头65所示，以在灯引燃未成功或未启动时将引燃器50与灯操作电路切断。引燃器50包括半导体开关58和电容器60，半导体开关58和电容器60在引线52和引线54之间串联以在半导体开关58和电容器60形成接点70。具有感应器62、电阻器64和正热变(PTC)电阻器66的串联电路68连接在接点70与引线56之间。
在启动期间，电容器60通过镇流感应器(未示出)和串联电路68充电。引燃器电流通过感应器62、电阻器64和PTC电阻器66并将电阻器64加热。当通过电容器60的电压超过半导体开关的击穿电压时，引燃器50产生高压脉冲。在灯正常运行时，充电和击穿循环继续产生高压脉冲，直到灯的启动。当灯出现故障或引燃未成功时，充电和击穿循环继续更长的时间，从而将电阻器64加热到较高的温度。
当电阻器64的温度在预定的加热时间将热耦合的PTC电阻器66的温度升高到PTC电阻器66的触发温度时，PTC电阻器66的电阻升高到高的电阻。这就减小了引燃器电流和通过电容器60的电压，从而避免电容器60充电到半导体开关58的击穿电压。引燃器50从灯操作电路切断并停止产生高压脉冲。电阻器64的热惰性在电阻器的温度与感测的PTC电阻器66的温度之间导致温度滞后，从而确保引燃器50不会在切断时立即连接并导致不稳定状态。
在将引燃器50切断之后，电阻器64的温度降低预定的冷却时间，因为引燃器50将热传递到大气和周围的灯操作系统器件，如箭头67所示。当热耦合的PTC电阻器66的温度降到低于PTC电阻器66的触发温度时，PTC电阻器的电阻降低到最小电阻。引燃器50重新连接，且若与电源连接，引燃器50返回到产生高压脉冲，以重新尝试将灯引燃。
可将电阻器64到PTC电阻器66的热耦合以及电阻器64到大气的热耦合设计成提供用于切断和重新连接引燃器50的理想定时。在一个实施例中，电阻器64与PTC电阻器66接触但并不附到PTC电阻器66。在替代实施例中，用导热粘合剂将电阻器64连接到PTC电阻器66，且将热导系数选择为在电阻器64的温度与感测的PTC电阻器66的温度之间提供所期望的时间滞后。粘合剂的示例包括环氧树脂、聚酯以及类似的材料。在另一个替代实施例中，将电阻器64和PTC电阻器66密封在导热填充材料中，这种导热材料也可电气绝缘。填充材料的示例包括环氧树脂、PolyFill(涤纶棉)、聚酯以及类似的材料。可选择使用外罩72，以在填充材料最初是液体并变硬成为固体时容纳填充材料并便于制造。外罩72还可包括传热特性以便于或阻止将热从外罩72传递到大气中。传热特性的示例包括传热片的绝缘。在另一个替代实施例中，将半导体开关58、电容器60和感应器62与电阻器64和PTC电阻器66一起密封，以使引燃器50的所有器件均密封在一起。可将引线52、54和56均作为连接管脚从填充材料暴露，以使引燃器50成为插入式模块单元。引燃器50可包括外罩(未示出)，该外罩类似于前面所描述的外罩72、设置在所有的器件周围并具有理想的传热特性。
半导体开关58可以是在加上所希望的击穿电压时从非传导向传导改变的任何适当的开关。适当的半导体开关的示例包括闸流晶体管(thyristor)、可控硅整流器(SCR)、三端双向可控硅开关(triac)、两端交流开关(diac)、双向触发开关(sidac)、四层二极管和类似的开关。
PTC电阻器66可以是提供低于触发温度的最低电阻和高于触发温度的高电阻的任何适当的电阻器，且这种电阻器允许热耦合到电阻器64。最低电阻通常约为几十或几百欧姆，且高电阻通常比最低电阻高两至三个数量级。典型的触发温度介于约55至75摄氏度之间。PTC电阻器也称为正温变热敏电阻器。可以用不同的包装风格来提供PTC电阻器，如盘、晶体管、玻璃和模制形式。可对包装类型进行选择以与电阻器64的形状一致。在一个实施例中，PTC66是盘式风格，这种风格允许与形成电阻器64的两个相邻的圆柱形电阻器的侧面接触。在替代实施例中，PTC电阻器66是模制圆柱形风格，这种风格允许形成电阻器64的两个相邻的圆柱形电阻器之间的接触。本领域中熟练的技术人员会理解PTC电阻器66和电阻器64的多种形状适用于特定用途。
电阻器64可以是具有所希望的电阻和热容量的一个或多个适当的电阻器。在替代实施例中，1、5或10瓦的5.7k欧姆电阻器用于提供用于所希望的热容量的物理尺寸。
对引燃器50的工作和物理参数进行选择以提供所希望的直到切断的预定加热时间和直到重新连接的预定的冷却时间。电阻器64的电阻影响在电阻器64中产生的功率以及加热达到PTC电阻器66的触发温度的时间。电阻器64的物理尺寸确定电阻器64的热容量，电阻器64的热容量影响切断之前的加热达到PTC电阻器66的触发温度的时间以及切断之后的冷却到PTC电阻器66的触发温度的时间。电阻器66的触发温度影响在切断之前将多少热储存在电阻器64和填充材料中。电阻器64和PTC电阻器66之间的热耦合程度影响在电阻器64和任何填充材料加热或冷却时多快达到PTC电阻器66的触发温度。电阻器64和任何填充材料与大气的热耦合程度影响切断之后多快达到PTC电阻器66的触发温度。本领域中熟练的技术人员会理解引燃器50的工作和物理参数相互作用并可对其进行选择以适合于所希望的任何用途。
在一个实施例中，半导体开关58在240至265伏时切换且电容器60为0.15微法。PTC电阻器66具有60摄氏度的触发温度。电阻器64具有5.5k欧姆的电阻以及23.1毫米长和7.5毫米直径的物理尺寸。可从美国密苏里州圣路易斯市的P.D.George公司获得的PolyFill 300聚酯电气封装和密封化合物(Potting Compound)用于将引燃器50的器件密封在外罩中，而将终端52、54和56暴露以提供电气连接。
图3是引燃器的温度时间曲线图，这种引燃器具有根据本发明制造的切断控制系统。当PTC电阻器将引燃器切断时，PTC电阻器监测电阻器的温度，直到达到触发温度。引燃器保持切断，直到PTC电阻器冷却到低于触发温度。
在时间t0将电压加到灯操作电路。引燃器在灯产生高压脉冲以将灯引燃。引燃器电流通过热耦合到PTC电阻器的电阻器并将其加热。图3中的曲线A示出了用于正确操作的灯的在PTC电阻器的温度。在灯正确操作时，灯在时间t1的几次高压脉冲之后引燃，引燃器停止产生高压脉冲，电阻器冷却，且PTC电阻器保持低于触发温度Tt。
图3中的曲线B示出了故障灯的在PTC电阻器的温度，即灯不能启动或引燃未成功。在灯有故障时，灯不能引燃且引燃器电流在PTC电阻器监测电阻器的温度时将电阻器加热。当PTC电阻器的温度达到在时间t2的触发温度Tt时，PTC电阻器的电阻增加到高电阻，从而降低引燃器电流和通过电容器的电压并将引燃器切断。由于储存的热离开电阻器，所以PTC电阻器的温度在将引燃器在t2切断之后继续升高一段短的时间。电阻器的热惰性确保引燃器不会快速重新连接并导致不稳定情况。由于引燃器包括电阻器和任何填充材料将热传递到大气和周围的灯操作系统器件，所以PTC电阻器的温度下降。当PTC电阻器的温度在时间t3降到低于触发温度时，PTC电阻器的电阻减小到最小电阻，从而升高通过半导体开关的电压并重新连接引燃器。在仍将电压加到灯操作电路时，灯会尝试引燃。
从t0至t2的预定加热时间和从t2至t3的预定冷却时间通过如前面结合图2所描述的引燃器的工作和物理参数的选择来确定。在一个实施例中，预定加热时间介于约5至30分钟之间，如5、15或30分钟。在另一个实施例中，预定冷却时间介于约20至60分钟之间，如30分钟。
虽然目前认为所公开的本发明的实施例是优选实施例，但可进行各种变化和修改，而并不背离本发明的范围。本发明的范围在所附的权利要求书中说明，且在等同的描述的意义和范围内的所有变化均旨在包括在权利要求书中。

Claims (26)

1.一种引燃器，包括：
半导体开关(58)和电容器(60)，所述半导体开关(58)和电容器(60)串联以在所述半导体开关(58)和电容器(60)之间形成接点(70)；以及
串联电路(68)，所述串联电路(68)连接在所述接点(70)与共用线路(32)之间，所述串联电路(68)具有串联在一起的感应器(62)、电阻器(64)和正热变(PTC)电阻器(66)；
其中，所述电阻器(64)热耦合到所述PTC电阻器(66)。
2.如权利要求1所述的引燃器，其特征在于：所述半导体开关(58)选自由闸流晶体管、可控硅整流器(SCR)、三端双向可控硅开关、两端交流开关、双向触发开关和四层二极管所组成的组。
3.如权利要求1所述的引燃器，其特征在于：用粘合剂将所述电阻器(64)连接到所述PTC电阻器(66)。
4.如权利要求3所述的引燃器，其特征在于：所述粘合剂选自由环氧树脂和聚酯所组成的组。
5.如权利要求3所述的引燃器，其特征在于：所述粘合剂在所述电阻器(64)的温度与感测的所述PTC电阻器(66)的温度之间提供所期望的时间滞后。
6.如权利要求1所述的引燃器，其特征在于：所述电阻器(64)与所述PTC电阻器(66)一起密封在填充材料中。
7.如权利要求6所述的引燃器，其特征在于：所述填充材料选自由环氧树脂、PolyFill和聚酯所组成的组。
8.如权利要求6所述的引燃器，其特征在于：所述半导体开关(58)、所述电容器(60)和所述感应器(62)与所述PTC电阻器(66)一起密封。
9.如权利要求6所述的引燃器，其特征在于：还包括外罩(72)，所述外罩(72)设置在所述填充材料周围并具有传热特性。
10.如权利要求6所述的引燃器，其特征在于：所述填充材料在所述电阻器(64)的温度与感测的所述PTC电阻器(66)的温度之间提供所期望的时间滞后。
11.如权利要求6所述的引燃器，其特征在于：所述填充材料在所述电阻器(64)的温度与感测的所述PTC电阻器(66)的温度之间提供所期望的时间滞后。
12.如权利要求6所述的引燃器，其特征在于：所述填充材料提供预定加热时间。
13.如权利要求12所述的引燃器，其特征在于：所述预定加热时间介于5至30分钟之间。
14.如权利要求6所述的引燃器，其特征在于：所述填充材料提供预定冷却时间。
15.如权利要求14所述的引燃器，其特征在于：所述预定冷却时间介于20至60分钟之间。
16.如权利要求1所述的引燃器，其特征在于：所述PTC电阻器(66)具有介于55至75摄氏度之间的触发温度。
17.一种引燃器切断控制方法，所述方法包括：
提供具有电阻器和正热变(PTC)电阻器的引燃器；
用引燃器电流加热所述电阻器；
用所述PTC电阻器监测所述电阻器的温度；以及
在所述温度超过所述PTC电阻器的触发温度时切断所述引燃器。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于：还包括：
冷却所述电阻器；以及
当所述温度降到所述PTC电阻器的触发温度以下时重新连接所述引燃器。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：所述冷却步骤包括将所述电阻器冷却预定的冷却时间，直到所述温度降到所述PTC电阻器的触发温度以下。
20.如权利要求17所述的方法，其特征在于：所述加热步骤包括将所述电阻器加热预定的加热时间，直到所述温度超过所述PTC电阻器的触发温度。
21.如权利要求17所述的方法，其特征在于：所述切断包括升高所述PTC电阻器的电阻以降低所述引燃器电流。
22.一种用于引燃器切断控制的系统，所述系统包括：
引燃器，所述引燃器具有电阻器；
用引燃器电流将所述电阻器加热的装置；
监测所述电阻器的温度的装置；以及
在所述温度超过触发温度时切断所述引燃器的装置。
23.如权利要求22所述的系统，其特征在于：还包括：
用于冷却所述电阻器的装置；以及
用于在所述温度降到所述触发温度以下时重新连接所述引燃器的装置。
24.如权利要求23所述的系统，其特征在于：所述用于冷却的装置包括将所述电阻器冷却预定冷却时间直到所述温度降到所述触发温度以下的装置。
25.如权利要求22所述的系统，其特征在于：所述用于加热的装置包括将所述电阻器加热预定加热时间直到所述温度超过所述触发温度的装置。
26.如权利要求22所述的系统，其特征在于：所述用于切断的装置包括减小所述引燃器电流的装置。
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Date Code Title Description
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20080130