CN101146393B - 气体放电灯在可变环境状况下的点火 - Google Patents

Abstract

本发明涉及采用交流电压操控的灯的工作，尤其是荧光灯，例如气体放电灯的工作。为了调节采用交流电压操控的至少一个荧光灯的工作，执行如下步骤：在所述荧光灯处针对性地迭加一直流电压；确定所述荧光灯电压的直流电压分量；以及一方面采用所确定的直流电压分量作为调节参数，另一方面采用可变直流电压作为基准参数，来调节所述荧光灯的灯功率。

Description

气体放电灯在可变环境状况下的点火

技术领域

本发明涉及采用交流电压操控的灯的工作，尤其是荧光灯，例如气体放电灯的工作。本发明关注的是，在考虑到环境状况，例如环境温度下对这类灯的调节。这类调节用于例如电子镇流器的操控装置中。

背景技术

采用可调光电子镇流器操控的荧光灯一方面可以接近额定值工作，相应地就在额定功率下工作，而另一方面，则在调暗时，即在降低的灯功率下工作。较之灯功率降低时的工作，尤其是灯功率剧烈降低时的工作，处于额定功率的工作相对麻烦较少。较之额定功率下的工作，在调暗工作中所允许的灯环境温度的范围相应地明显更窄。在略微调暗的值处，灯环境温度对于如下情况实际起着重要作用，即对调暗工作的荧光灯进行稳定调节，也就是采用恒定发光功率的调节，尤其是可靠地防止灯出现不期望的熄灭的调节。

在低调光值处对灯环境温度具有较强依赖性的部分原因在于，在环境温度较低且灯电流较小(如在调低灯功率之时发生)时，灯电压剧烈上升，并可能呈现出难以承受的高值。对于这种现象而言，灯的直接周围环境中的温度当然起决定作用，而灯的直接周围环境中的温度并非一定要是可能与所述灯空间隔开且热隔离的电子镇流器的环境温度。因此，电子镇流器的温度也不能直接用来评估灯环境温度。

在特定的应用环境中，不能忽略的是，举例而言，如果可调光电子镇流器在室外应用场合中且处于低温时工作于调暗状况下，就会偏离所允许的温度范围，因为该所允许的温度范围相对略微调暗值而言明显更窄。

从还未公布的专利申请DE 102005018763可知，在荧光灯中，例如在高频交流电压上额外地针对性地迭加直流电压，以便在进一步的步骤中在调节过程中评估灯处的直流电压。这种直流电压分量被传送到荧光灯，在该荧光灯中，直流电压路径与用于荧光灯的交流工作电压并行设置。现有技术在这种情况下，仅仅采用已点火的灯来执行荧光灯电压的直流电压分量的检测。在对灯点火之前，相对应地设置另一调节电路来操控荧光灯。在对灯进行点火之时，就需要切换到对直流电压分量的检测和评估过程。这种在两个调节电路之间的转换一定程度上存在问题，例如这种轮换可以导致可见的灯功率跳变，而这种跳变可以被人眼所看见。

进一步地，在现有技术的这种状态中，为了能够转换到直流电压评估过程以及相应的调节电路，需要通过检测剧烈下降的灯电压来进行点火识别。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种改进和简化的用于调节荧光灯的技术，该技术能够可靠地防止即使在极端环境下的灯的熄灭。

本发明解决了该问题，并提出在灯的点火期间就已经对调节进行直流检测和评估。

进一步，本发明的一方面在于，可以将可变直流值设置为期望值，其中该期望值可取决于灯的瞬时工作状态(例如，点火、已点火工作，等等)。

通过各权利要求的特征部分实现了该目的，从而使各权利要求的组合本身就可视为所解决问题的特别优选的解决方案。

根据本发明的第一方面，提供一种对采用(尤其是高频)交流电压操控的至少一个荧光灯的工作进行调节的方法。因此，在交流电压上针对性地迭加直流电压。荧光灯的直流电压分量作为调节参数被确定并用于灯的工作，相应地，可变基准参数用于灯功率的调节。

具体而言，灯功率的调节在对灯点火之前就已经执行，然后在已点火工作中继续执行。

所述直流电压基准参数可取决于所述灯的工作状态，例如预加热、点火或工作，并相应地可随时间变化。

优选地，灯电阻可保持恒定。

直流电压分量可基于在分压器处得到的测量信号来确定。

所述灯电压的直流电压分量可基于所述灯电压的零相交点的间距来确定。

所述灯工作的调节可以数字化地实现。

所述灯功率的调节可以采用从外部提供的调光值。

所述灯的功率可以根据所述灯电压的直流电压分量的值，增加至一高于所述外部预定调光值的值。

根据本发明的另一方面，提供一种对采用交流电压操控的至少一个荧光灯进行控制的操控装置，其包括：用于在所述荧光灯处针对性地迭加直流电压的电路；用于确定所述荧光灯的灯电压的电路；和灯调节电路，向该灯调节电路传送的一方面是作为调节参数的所确定的直流电压分量，另一方面是作为基准参数的可变直流电压(作为可设置的期望值)。

直流电压基准参数可被设置为数字值。

灯调节电路特别地被配置为甚至在荧光灯点火之前就对灯功率进行调节。

直流电压调节参数可取决于灯的工作状态，例如预加热、点火或工作，或者取决于所检测的工作参数，相应地直流电压调节参数可以随时间变化。

还包括一保持灯电阻恒定的装置。

优选地，分压器被设置用于确定直流电压分量。

灯电压的直流电压分量可基于灯电压的零相交点的间距确定。

还包括一可用于对灯功率进行数字调节的装置。

灯调节电路可具有针对外部预定调光值的输入端。

灯调节电路可以根据所述灯电压的直流电压分量的值，将所述灯的功率增加至一高于所述外部预定调光值的值。

根据本发明的另一方面，提供一种具有如上所述电路的电子镇流器。

根据本发明的又一方面，提供一种具有所述镇流器的照明装置。

附图说明

现在将更详细地参照附图中的各图示来阐释本发明的进一步的特征、优点和特性。

图1a是根据本发明的电子镇流器的相关部分的示意图；

图1b和1c是用于阐释本发明背景的简化电路图；

图2和3用于阐释灯阻抗的间接数字检测，而且灯阻抗可用作针对灯温度的参数；

图4示出不同灯温度下灯电压与灯电压之间的关系；

图5示出不同灯温度下阻抗与灯电流的关系；

图6是根据本发明的电子镇流器的简化示意图；和

图7是依据灯的工作状态的不同灯参数的趋势图。

具体实施方式

在图4和图5中图示出的是，在较低的调光值(采用灯电流I_Dis表示)的范围内处于低温(例如-15℃)的灯电压V_Dis可以非常强劲地升高，并且可能会超过所允许的限制值。在灯温度为35℃的参照实例中，这种效应较为不强劲或者根本没有。不过同时，从图4可以看出，灯电压V_Dis根本不是灯温度所对应的纯参数。如图中可见，在某一段较高灯电流的范围内，处于较高温度(例如35℃)的灯电压V_Dis甚至可以超过处于低温(例如-15℃)的灯电压V_Dis。

图示的灯电压的关系曲线基于如下事实：灯电阻(即所述灯的放电路径在相应工作点处的阻抗)取决于放电电流V_Dis，并取决于环境温度T。在特定工作点处，该点处灯电流I_Dis被镇流器保持为基本恒定，因此增大了灯阻抗Z_Dis对于环境温度T的依赖性。

如图1b和图1c示意性所示，本发明现在意在将来自高阻抗源的直流电压V_DC设置在灯所用的通常为高频的工作电压U_HF上，以便在所述灯处的电压的直流分量可以被认为是该灯在当前工作时所处于的如下状况的指示：

DC源的源电压根据DC源的内阻Z_i的电阻率而被分割成在电流工作点处的灯阻抗Z_i，其中灯电阻Z_i部分取决于灯的环境温度T。因此，另行通过电阻关系Z_L/(Z_i+Z_L)，可以检测通过测量灯电压所得到的直流分量V_DC，ZL对灯的环境温度T的依赖性。

如果灯电压的直流分量V_DC，ZL超出限定范围，特别地，如果该直流分量大于限定阈值，则电子镇流器可以采用相应的防范措施。可以理解的是，灯电压的直流分量V_DC，ZL在预定时段内进行检测，然后被取平均值，从而被视为所述灯中的瞬时补偿过程。

如果灯电压的直流分量V_DC，ZL的上述平均值上升而超过允许阈值，则镇流器可以例如自动地增大灯功率，并且在此范围内如此进展，直到灯电压的直流分量V_DC，ZL再次下降至允许值，即，下降至低于预定阈值。通过“由镇流器自动增大灯功率”，可以理解的是，如果必要，则电子镇流器将灯功率增大甚至超过外部供给的期望值(调光指令等)，那么该电子镇流器更优先进行的是对灯进行稳定调节，而不是严格遵循外部预定的期望值(调光指令等)。

根据本发明，这种灯功率的增大方法可被限制于轻微调光值的范围。

因此，上述调节的时间常数的正确设置尤为重要：公知的是，荧光灯中进行热补偿过程，从而使电子镇流器中的调节电路的时间常数必须匹配该过程。

举例而言，如果例如因为灯的环境温度再次上升而使瞬时进行的灯电压的直流分量V_DC，ZL再次下降，则电子镇流器使灯功率再次下降，直到灯电压的直流分量V_DC，ZL再次达到预定阈值，或者正确达到灯功率的相关预定期望值(调光指令等)。

在图1a中，示意性图示了本发明的实施例。

根据本发明的镇流器具有逆变器1，该逆变器设有两个晶体管开关S1和S2，这两个开关串联连接，连接到直流电压源而获得直流电压，并被交替计时。因此，由控制单元2可以实现这种切换，控制单元2可被认为是数字电路或集成电路(IC)。

在两个开关S1和S2的节点处连接有一负载电路，其具有谐振负载电路3和灯4。谐振负载电路3包括电感器L_R、电容器C_R和耦合电容器C_K。

谐振负载电路3与灯4连接，灯4被其内阻R_dis1示意性图示，并且灯4被逆变器1所提供的高频交流电压所操控。特别地，灯4可以为荧光灯，举例而言例如气体放电灯。

可选地，与耦合电容器C_K和电感器L_R并联地连接有二极管D，优选地，与二极管D串联地连接有高阻抗的电阻器R_DC。电阻器R_DC也可以直接连接到DC总线电压。

因此，直流分量V_DC被针对性地施加到灯4的交流工作电压。该直流电压也可以交替方式迭加到荧光灯的交流电压上。

如图1可见，带两个电阻器R1、R2的分压器并联连接到灯4。在分压器的两个电阻器R1、R2之间的电路节点处接出测量信号U_L，该信号对应灯4的电压。

该测量信号U_L被传送到控制单元2，具体地被传送到电路5和期望值供应器6。根据该测量信号U_L，电路5或期望值供应器6可以测量在灯4处下降的交流电压。不过，由于该交流电压包含直流电压分量，因此对应于灯电压的直流电压分量的值也通过电路5或通过期望值供应器6来评估。

由分压器产生的测量信号U_L被传送至期望值供应器6的一个输入端。根据灯电压，即根据测量信号U_L，并且/或者根据灯的工作状态(例如未点火/已点火工作)(可变期望值)，该期望值供应器6传送灯电压的直流电压分量的期望值。

实际值或者说调节参数U_DC，ist以及期望值或者说基准参数U_DC，soll被传送到DC调节器7，该调节器根据期望值和实际值之间的调节差来传送用于调节直流电压分量的控制变量。该控制变量可以例如与两个开关S1、S2的时钟频率相关。

如图1示意性所示，灯调节电路还进一步传送例如灯电流等的工作参数，以及外部预定期望值(调光指令等)。

如上文所述，灯的工作可以根据本发明数字化地实现。

因此，优选地，灯电压的直流电压分量也被数字化地评估。现在将参照图2和3来阐释该过程。

图2示出了本实施例的一种电路实现，其具有上/下计数器107，该计数器接收作为实际输入信号的信号UZERO，并进一步接收作为控制信号的高频参考时钟信号CLK，以及返回或复位信号。信号UZERO在灯电压的每个正半波期间在端子VL处呈现正电压电平，反之则呈现负电压电平，因此，该信号UZERO检测灯电压的零相交点。一旦采用复位信号，则计数器107被初始化为中等计数值，即初始化为启动计数值N₀＝255。计数器107始于灯电压的零相交点，并在接下来的灯电压的半波期间或者向上或者向下计数。如果测量信号(即灯电压)在半周期后再次到达零相交点，则计数器107的计数方向反转。在完成灯电压的全周期后，计数器107的瞬时计数值N连接到比较器，该比较器可以例如由之前已经论述过的比较器103形成。该比较器103将当前计数值N与计数器107的初始值或原始计数值进行比较。如果不存在整流效应，那么在达到灯电压的下一零相交点之后，计数值N必须已经再次达到初始值N₀。不过，如果计数值N与初始值N₀有偏差，在灯电压中就出现直流电压分量。优选地，比较器103将计数值N与预定容许限度内的初始值N₀进行比较，从而不会过于轻率地确定存在整流效应。比较器103的输出信号经由锁存信号计时的D触发器108传送到测量阶段控制器900，如上文所述，该控制器900对该信号进行评估，并具体执行滤波事件评估，即，只有当比较器103每隔255个灯电压周期持续记录直流电压分量例如达32次时，才确定存在直流电压分量。

现在将进一步参照图6所示的方框图来阐释本发明。

根据本发明的对例如气体放电灯进行可靠点火的系统包含两个重要的部分；控制单元或者说控制器11以及调节环路12，调节环路12具有上文已经提到的逆变器或半桥1、谐振负载电路3和灯4。

控制单元11主要控制逆变器1的两个开关，以便为气体放电灯4的点火或工作提供高频交流电压。

气体放电灯4的功率P_lamp和/或电压V_lamp通过不同的已知方法被首先检测。灯电压V_lamp被传送到单元(Comp)14，以便评估灯电压的直流电压分量。这种评估可以通过不同方法执行，例如通过参照上文结合图2和图3所述的对灯电压的零相交点的检测执行。

灯电压的实际直流电压分量与所期望的直流目标值进行比较，二值之差V_DC_lamp被传送到DC调节器18。针对DC调节器18，可以具体使用如下调节器中的一个：

比例调节器(P调节器)、比例-积分调节器(PI控制器)、比例-积分-微分调节器(PID控制器)、比例-微分调节器(PD控制器)。在所描述的实施例中，优选地，DC调节器18为PI调节器。

如下文所述，DC调节器18的输出信号作为期望值被传送到另一调节电路，即灯功率调节电路。

模数转换器(ADC)13将以模拟形式检测出的灯功率P_lamp转换成数字信号，该数字信号作为实际值在15处与作为期望值的DC调节器18的控制变量进行比较。比较结果被传送到功率调节器17作为调节差，用于调节灯功率。

作为受控参数，功率调节器17控制例如灯的交流电压的频率。通常，逆变器的频率被相应控制。

因此，设置有两个调节电路，其中，外调节电路或者说第一调节电路具有DC调节器18，并为在灯4处的直流分量提供所期望的DC目标值，该目标值例如取决于工作状态或者来自灯电路的其它参数。在该第一调节电路中，设置有内调节电路或者说第二调节电路，其带有功率调节器17，然后，该功率调节器17针对(可变预定的)直流分量来调节灯工作。

如下参数可以影响可变直流分量(期望值)，其中所期望的DC目标值被相应改变：

-用于减少例如水银迁移的DC期望值列表的“抖动的”或者其它规则的或随机的变化的列表，

-通过对可切换(逐步的)期望值列表的比较来连续设置的所述期望值，

-灯参数，其例如允许推出整流效应，和

-灯的当前工作状态(未工作，预加热，点火，工作中)。

例如在较老化的荧光灯和导线中会出现整流效应，而使镇流器过载。然后，荧光灯类似地作用于整流，并优选地，允许电流沿一个方向通过灯，同时在相反方向上几乎没有电流流过。可以通过评估阻抗，即评估灯电压的直流电压分量，来检测单独分立的灯分支之间的这种电流移位。因此，灯4的功率可以被相应调节。

图7示出了直流分量如何取决于灯4的工作状态。

在开启镇流器后(t＝t1)，假设电路中不存在短路，则通常灯电压上升。一旦灯电压达到特定期望预加热电压，则该电压在一定时间段内保持恒定。直流分量期望值在该预加热期间保持不变。

一旦在t＝t2时达到预加热时间，控制单元11就降低逆变器1的频率。这引发的结果是，灯4的端子处的电压升高。只要该灯电压规则升高，直流分量期望值就相应地规则性地降低。上述状态可见于图7中的t2和t3之间。

当实现对灯4点火时，灯电压就在t＝t3时剧烈下降。该结果由系统通过检测灯电压而识别到，这样，现在直流分量期望值可以保持处于较低且恒定的电平。

因此，在点火之后的稳定工作中，调节电路的启动对灯进行点火，并将其保持处于临界状态。内调节电路检测灯功率，并因此可以设置预定功率。进一步，内调节电路可构建成使得，通过该电路，外电路的不稳定的工作点可以得到稳定。工作中，在低温时并且灯不稳定(流出水银)时这是必要的。

外调节环路将灯的直流电压保持恒定，该灯电压对应于灯电阻。DC调节环路的期望值被设置为新灯在额定温度下的额定功率的1％。为了对灯点火，两个调节电路均被关闭。因此，初始状况为功率调节器17的输出所对应的最大频率以及DC调节器18的输出所对应的最小功率。DC调节环路现在将降低存在的调节差异，并对灯进行点火。点火后，通过调节，达到DC期望值。

实践证明，采用该方法可以实现优化的1％启动。因此，它有助于在气体路径断开之前就通过局部离子化使灯电阻下降，并且这对于系统动态特性具有积极作用。在此所描述的本发明确保在任何情况下最大值为1％启动。

灯电流检测的可能的实现方法为，如图所示的对灯电压进行评估。不过，对此的先决条件是，必须向灯供给以恒定的DC电流。零点的评估，更确切地说，在信号为正的时间T_pos和信号为负的时间T_neg之间的关系，包含了关于灯电流的信息以及灯电压的信息。

因此，在灯工作中，可以调节灯电流，并在气体故障或灯不亮时调节灯电压。这是因为，负载电容器独立于点火电压的调节。因此，在工作中可以对电流进行如下调节：

$N\_\mathrm{dc}=\frac{C1}{\mathrm{\π}}*\arcsin \left(\frac{-C}{\mathrm{Irms}*\sqrt{2}}\right)$

其中C和C1为常数。

而在气体故障的情况下，对灯电压进行如下调节：

$N\_\mathrm{dc}=\frac{C2}{\mathrm{\π}}*\arcsin \left(\frac{-C}{\mathrm{Vrms}*\sqrt{2}}\right)$

其中C和C2为常数。

通过一直启动的功率调节环路，系统一直保持稳定。这就意味着，即使工作点(例如，正负两极，灯输出电路)不总是保持稳定，系统也可以保持稳定。通过针对调节环路的调节速度的高要求，可确保内环路不会出现关于调节时间的任何瓶颈。

另一优点在于，在对灯点火之前已经持久开启功率调节，因为上述系统已经在满负荷工作并被初始化。不需要执行转换和初始化。点火时刻不再在该系统中发挥作用。对于优化启动而言，缺点在于，它会根据灯和环境而剧烈改变。

如上文所提到的，在可变环境状况下，例如环境温度、老化状况和工作时间(水银离子化)可变的状况下，气体放电灯的电特性会剧烈改变。气体放电灯的这种电特性的改变意味着，灯的电压/电流特性的改变。

由于必须确保灯的特定最小电流，以保持气体路径处于离子化状态，并接着由于该最小电流取决于灯的状况，所以根据本发明的方法或操控装置避免使气体放电灯熄灭，原因在于，它防止取决于环境状况的最小灯电流下冲。

根据本发明的方法采用对取决于环境的电参数的检测，并根据检测而采用最小电流，其中，灯电阻是允许这种减小的电参数。所述灯电阻可以通过使用各种已知方法的测量技术来确定，并将测量参数构建而保持恒定。

根据本发明提供了一种调节电路来保持灯电阻恒定(恒定的DC电流，DC灯电压的测量)。调节电路的启动使灯点火，并在点火后处于临界状态时使其保持稳定工作。这样，所获得的这种灯调节方法可用于不同的灯工作状态下(例如预加热，点火，工作)，其中对灯电压的直流分量进行评估。因此，调节参数适于灯状况，该过程可以通过对调节环路的组合来实现。通过这种调节，可以提前进行点火识别，却又可以在不闪光以及低调光水平时实现完全启动。

Claims (24)

1.一种对采用交流电压操控的至少一个荧光灯的工作进行调节的方法，该方法包括如下步骤：

在所述荧光灯处针对性地迭加一直流电压，

确定所述荧光灯电压的直流电压分量，以及

基于作为调节参数的所确定的直流电压分量，至少在所述荧光灯点火之前对所述荧光灯的工作进行调节。

2.根据权利要求1所述的方法，该方法在对所述荧光灯点火之前包括如下步骤：

在所述荧光灯处针对性地迭加一直流电压，

检测所述荧光灯电压的直流电压分量，以及

评估所述荧光灯的直流电压分量，作为对所述荧光灯的灯功率进行调节的输入参数。

3.根据权利要求1到2中任一项权利要求所述的方法，其中直流电压基准参数取决于所述灯的工作状态。

4.根据权利要求3所述的方法，其中所述灯的工作状态为预加热、点火或工作。

5.根据权利要求1到2中任一项权利要求所述的方法，其中灯电阻保持恒定。

6.根据权利要求1到2中任一项权利要求所述的方法，其中所述直流电压分量基于在分压器处得到的测量信号确定。

7.根据权利要求1到2中任一项权利要求所述的方法，其中所述灯电压的直流电压分量基于所述灯电压的零相交点的间距确定。

8.根据权利要求2所述的方法，其中数字化地实现对所述灯功率的调节。

9.根据权利要求1到2中任一项权利要求所述的方法，其中数字化地实现对直流灯电压的调节。

10.根据权利要求2所述的方法，其中利用从外部预定的调光值对所述灯功率进行调节。

11.根据权利要求10所述的方法，其中根据所述灯电压的直流电压分量的值，将所述灯功率增加至一高于所述外部预定调光值的值。

12.一种对采用交流电压操控的至少一个荧光灯进行控制的操控装置，包括：

用于在所述荧光灯处针对性地迭加直流电压的电路，

用于确定所述荧光灯的灯电压的电路，和

灯调节电路，其用于采用作为调节参数的所确定的直流电压分量，至少在对所述荧光灯点火之前对所述荧光灯的工作进行调节。

13.根据权利要求12所述的操控装置，该操控装置包括：

用于在所述荧光灯处针对性地迭加直流电压的电路，

用于确定所述荧光灯的灯电压的电路，和

灯调节电路，其用于调节所述荧光灯的灯功率，所述荧光灯的直流电压分量被传送到该灯调节电路作为输入参数，

其中所述灯调节电路被构建成在对所述荧光灯点火之前就已经对所述灯功率进行调节。

14.根据权利要求12到13中任一项权利要求所述的操控装置，其中直流电压基准参数取决于所述灯的工作状态。

15.根据权利要求14所述的操控装置，其中所述灯的工作状态为预加热、点火或工作。

16.根据权利要求12到13中任一项权利要求所述的操控装置，其中所述灯调节电路的装置使灯电阻保持恒定。

17.根据权利要求12到13中任一项权利要求所述的操控装置，包括一用于确定所述直流电压分量的分压器。

18.根据权利要求12到13中任一项权利要求所述的操控装置，其中所述灯电压的直流电压分量基于所述灯电压的零相交点的间距确定。

19.根据权利要求13所述的操控装置，包括一用于对所述灯功率进行数字调节的装置。

20.根据权利要求12到13中任一项权利要求所述的操控装置，包括一用于对直流灯电压进行数字调节的装置。

21.根据权利要求13所述的操控装置，其中所述灯调节电路具有针对外部预定调光值的输入端。

22.根据权利要求21所述的操控装置，其中根据所述灯电压的直流电压分量的值，所述灯调节电路将所述灯功率增加至一高于所述外部预定调光值的值。

23.一种电子镇流器，其包括根据权利要求12到22中任一项权利要求所述的操控装置。

24.一种照明装置，其包括根据权利要求23所述的镇流器。

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