CN101331806B - 用于驱动高压气体放电灯的电路布置及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于以具有工作频率的交流电流的形式为高压放电灯(Lp)提供灯功率的电路布置。在此，工作频率在宽的界限中被频率调制。工作频率的时间分布被选择为使得在较高的频率下更多的能量被输送给该灯。由此，降低了激励灯中的声学谐振的危险。通过耦合网络(L1，C2，C3)的频率响应的幅度调制被通过工作频率的时间分布来补偿。

Description

用于驱动高压气体放电灯的电路布置及其方法
技术领域
本发明涉及一种用于驱动高压气体放电灯的电路布置。在下面，高压气体放电灯也简称为灯。此外，本发明还涉及一种用于驱动这种灯的方法。尤其是，本发明探讨了避免在灯工作时可能出现的声学谐振。
背景技术
声学谐振是在高压气体放电灯工作时出现的已知问题。根据灯的几何结构和压力，这些谐振在5kHz到1000kHz之间的频率范围中出现，并且会导致电弧的不规则性，并且在显著的谐振时甚至会导致灯的毁坏。因此，用具有在所述频率范围中的频率的交流电流来驱动灯并非绝对可靠。
因此，在市场上广泛使用如下的驱动装置：该驱动装置以所谓的矩形波驱动(Rechteckbetrieb)来驱动灯。然而，矩形波驱动需要高的电路开销，因此尽管有声学谐振的危险，但仍努力以所谓高频驱动来驱动灯。在这样的驱动中，该灯被馈送以在所说明的频率范围中的交流电流，因为刚好在该频率范围中可以特别成本低廉地实现驱动装置。
在文献US 2003/0111968A1(Trestman)中描述了一种驱动装置，该驱动装置以被频率调制过的工作频率来驱动灯。
调制的目的是，在其中灯具有谐振点的频率附近，灯电流仅仅短暂地作用到灯上，使得不会形成谐振。
工作频率在上述现有技术中围绕中频在50kHz的范围中被调制。电源电压的剩余波纹的调制被控制。所说明的文献谈及了恒定的电源电压，该电源电压具有由于馈电的电网电压引起的、例如6Veff的本身不希望的剩余波纹。在60Hz的电网频率的情况下，剩余波纹由于整流而具有120Hz。由此，灯电流具有以120Hz的调制频率调制过的工作频率。
所描述的现有技术中的缺点是，如果未选择其中灯仅具有微弱谐振的频率范围，则尽管工作频率被调制过，仍出现干扰的谐振现象。通过调制覆盖的工作频率范围由此避开了其中出现要驱动的灯的强烈主谐振的工作频率。由此，在现有技术中得出：其中工作频率移动的频率范围必须与要驱动的灯相匹配。现有技术不能保证两个具有类似性能数据的灯可以在相同的频率范围中被驱动。
发明内容
本发明的任务是进一步开发一种用于以调制过的工作频率驱动高压气体放电灯的电路布置，使得即使工作频率覆盖了其中所驱动的灯具有强烈声学谐振的频率范围，灯也可以无闪动地工作。
该任务通过一种电路布置来实现，该电路布置具有逆变器，其为高压气体放电灯提供灯电流，该灯电流基本上是具有在最小频率与最大频率之间的频率范围中被频率调制过的工作频率的交流电流，由此一方面限定了边界平均值，该平均值等于最小频率与最大频率之和的一半，而另一方面限定了算术平均值，该算术平均值等于在灯工作中针对工作频率所经过的频率值的时间平均值，其中电路布置的特征在于，边界平均值小于算术平均值。
本发明基于以下认识：灯的谐振点的显著性通常随着升高的频率而减小。也就是说，在低频率的情况下，关键的是将大量能量提供给该灯，因为会形成强烈的谐振。而在更高频率的情况下，可以向灯馈送更多的能量，因为在那里谐振较不明显。根据本发明的对处理方式的教导构建在这样的认识上。在线性调制中，例如在EP 1 519 637 A2(Butler)中所描述的那样，工作频率随着时间线性地上升。工作频率的算术平均值在这样的情况下具有与工作频率的最小频率和最大频率构成的平均值(边界平均值)相等的值。并没有频率值被优选。输入灯中的能量在工作频率所取的所有频率的情况下是相等的。
在文献US 2003/0111968A1(Trestman)中，调制是正弦形的。由此，输入灯中的能量不再在所有频率值中相等。在最大频率附近的频率值和在最小频率附近的频率值是优选的。尽管如此，工作频率的算术平均值和边界平均值仍然相等。
在根据本发明的电路布置中，工作频率的算术平均值大于边界平均值。这导致了，优选在较高的频率值的情况下将能量输入到灯中。在低的频率值的情况下，比较少的能量被耦合输入到灯中，由此在那里占优势的谐振点仅受到微弱的激励。在该上下文中，“受到微弱的激励”意味着谐振吸收的能量不足以引起放电容器中的等离子输送或者气体输送。由此避免了电弧的不规则性和闪动现象。
为了确定边界平均值，根据上述定义由最大频率和最小频率形成平均值。最大频率在此是在灯工作期间通过频率调制所取的工作频率的最大频率值。例如在点燃时所取的工作频率的频率值不被考虑。仅仅表示工作频率波动的频率值也不被考虑。在这样的频率值中，没有值得注意的能量额耦合输入到灯中。典型地，以在10毫秒范围中的周期持续时间来周期性地进行频率调制。在一个周期持续时间中具有小于10微秒的频率值视为波动。灯功率的功率频谱典型地为矩形，其中矩形的台地也可以是随着增大的频率上升的斜坡。形成矩形的边界的频率值标识了最大频率和最小频率。表示波动的频率值在矩形之外，并且具有明显在台地的值之下的幅度。
本发明的一个方面是借助根据本发明的电路布置提供成本低廉的驱动装置。由于根据本发明的思想也可借助微控制器来实现，所以从现有技术出发不需要昂贵的电路改变。更为确切的说，改变微控制器中的软件就能够足以借助本发明来实现稳定的灯驱动。此外，根据本发明的驱动装置也能够驱动具有不同的谐振点的灯。
通常，在逆变器与灯之间连接有耦合网络，该耦合网络具有传递函数，该传递函数描述了灯电流的幅度与工作频率的相关性。耦合网络通常具有低通特性。也就是说，与高频的情况相比，在低频的情况下灯被馈送更多的能量。由此，其中出现强烈谐振的频率刚好被更少地衰减。工作频率在其中被调制的频带越宽，则该效应越强。因此，本发明的另一方面是，补偿耦合网络的频率相关性。这有利地通过工作频率的时间分布来实现，该时间分布被选择为使得被驱动的灯的功率的功率频谱均匀分布，或者随频率单调地上升。在功率频谱均匀分布的情况下，传递函数刚好被补偿。为了使耦合输入到灯中的能量更多地朝着更高的频率值移动，也可以实现传递函数的过补偿。于是，被驱动的灯的功率的功率频谱随着频率单调上升。
除了灯的不规则性之外，由耦合网络的频率相关性产生了另一问题。如果不补偿该频率相关性，则工作频率的频率调制引起灯电流的幅度调制。这也可以无谐振效应地引起灯的闪动。工作频率的最小频率与最大频率彼此越远，则该问题越明显。从最小频率与最大频率之间的差为10kHz的值起，可能出现特别强烈的闪动现象。上面所描述的对传递函数的有利的补偿解决了该问题。因此，工作频率存在于其中的频率范围的扩展是有利的，因为于是在离散频率值的情况下被耦合输入到灯中的能量部分下降。如果频率值在灯的谐振点上，则较少能量被输送给谐振引起的干扰。
有利的是，工作频率的频率调制周期性地以调制频率进行。基本上，工作频率的可以通过噪声或者无序来描述的时间分布也是可能的。然而，该实现是昂贵的，并且不再保证减轻逆变器中的半导体开关的开关负荷。工作频率必须快速地改变，使得谐振点仅受到微弱的激励。在上面已描述了应如何理解“受到微弱的激励”。有利的是，调制频率超过1Hz。
有利的是，如上面所描述的那样，通过微控制器来实现本发明。于是，工作频率的时间分布并不是连续的，而是对相应的停留时间仅出现离散的频率值。输入灯中的能量可以在频率范围中被增强，其方式是：减小两个相邻离散频率值之间的差，或者延长停留时间。两种措施也可以同时采用。当在边界平均值之上的频率值的平均停留时间长于在边界平均值之下的频率值的平均停留时间时，给出了在本发明意义上的将能量耦合输入到灯中。
当在边界平均值之上的频率值的两个相邻离散频率值之间的平均的差小于在边界平均值之下的频率值的两个相邻离散频率值之间的平均的差时，给出了本发明意义上相同的效果。
通常，振荡器生成工作频率。在通过微控制器的有利实施形式中，工作频率分别具有离散的频率值。典型地，在微控制器中的振荡器借助所谓定时器来实现。为振荡器预给定相应的离散频率值的控制装置也可以通过微控制器来实现。有利地，工作频率的所有应相继被取的频率值存储在存储装置中。控制装置或微控制器依次地读取频率值并且相应地调节振荡器。存储装置也可以集成在微控制器中。控制装置或者微控制器也控制振荡器在频率值上的相应停留时间。对相应频率值的停留时间可以和频率值一同存储在存储装置中。
传递函数的补偿也能够可控地进行。对此，需要测量装置，该测量装置适于为控制装置输送灯电流的幅度。该控制装置于是被设计为使得其选择随下降的幅度而增加的停留时间。由此，在引起较低幅度灯电流的频率值时，该振荡器由此保持更长时间。以这样的方式可以使灯功率的功率频谱受到影响，使得该功率频谱均匀分布，或者如果希望对传递函数进行过补偿，则该功率频谱随着频率单调上升。代替停留时间，作用相同地也可以考虑相邻离散频率值的差作为控制的调节值。
逆变器从馈电电压中获取其能量。该馈电电压又主要由电网电压产生。通常试图将馈电电压尽可能保持恒定，因为馈电电压的波动直接影响到逆变器的输出电压的幅度。尤其是，通常使具有两倍电网电压频率的馈电电压的所谓波纹保持尽可能小。与此相对，幅度调制可以有利地与本发明相结合。于是，馈电电压在灯工作时具有最大值和最小值。在最大值与最小值之间的差为至少50V时，出现了显著的补偿效果。
如果馈电电压(Us)的时间分布和工作频率的时间分布同步，使得当工作频率具有其最大值时，馈电电压也具有其最大值，则补偿效果最优。馈电电压的高瞬时值于是至少部分补偿了由传递函数引起的强烈衰减。通过馈电电压的补偿作用可以与工作频率的根据本发明的时间分布组合。
有利的是将逆变器实现为半桥，因为半桥是低成本的并且具有高效率。然而，也可以使用其他逆变器拓扑，如降压转换器(Tiefsetzer)、升压转换器(Hochsetzer)、反向变换器、Cuk变换器。
使用相控全桥逆变器也是有利的。这种逆变器在如下文献中予以描述：Bill Andreycak于1997年所著的“Phase Shifted Zero VoltageTransition Design Considerations and the UC3875 PWM Controller”，Unitrode Application Note U-136A。借助相位控制可以控制输送给灯的能量。这可以根据工作频率来进行，使得耦合网络的传递函数至少部分被补偿。该补偿可以有利地与工作频率的根据本发明的时间分布组合。
有利地，根据本发明的电路布置是用于高压气体放电灯的驱动装置的一部分。除了根据本发明的电路布置之外，该驱动装置还可以包含用于点燃灯、用于抑制无线电干扰、用于安全断开或者用于其他辅助功能的电路。此外，驱动装置还包括壳体和用于将灯与能量供给相连的端子。
本发明的另一方面是一种方法，借助该方法，灯可以不受声学谐振的干扰地被驱动，并且在该方法中，被驱动的灯(Lp)的功率的功率频谱(PL)均匀分布或者随频率单调上升。在离散的频率值的情况下，如下来计算算术平均值
Figure S2006800469747D00051
f ‾ 0 = 1 T Σ n = 1 N ( f n t n )
在此假设，工作频率分别针对停留时间tn具有数目为N的离散频率值fn，其中在时间T之后又经过N个离散的频率值fn。因此，T是调制频率的周期时间。
有利的是，该方法也可以如下地进行扩展：灯的稳定工作出发，输入灯中的能量依次在工作频率可以取的所有离散频率值中有针对性地提高因子1.2至5。在因子小于1.2的情况下，效果难以测量，在超过5时，已经会导致灯的熄灭。用于检测谐振现象的装置检查灯的灯电流或者灯电压或者光通量的波动。如果波动超过预给定的边界值，则提高的能量输入重设为小于原值的80％的值。如果波动未超过预给定的边界值，则提高的能量输入重设为对应于原值的值。
借助该方法，进一步提高了在谐振现象方面的工作安全性。潜伏存在的谐振点被识别并且被抑制。能量输入的提高可以以两种方式来实现。如果在一个频率值的停留时间被延长，则在该频率中的能量输入也增加。作用相同的、提高在频率范围中的能量输入的第二方式在于减小两个相邻的频率值之间的差。
附图说明
在下面将参照实施例更为详细地阐述本发明。其中：
图1示出了借助其可实现本发明的电路布置的原理电路图，
图2示出了根据本发明的电路布置的工作频率的时间分布，
图3示出了具有直流部分的灯功率的频谱功率密度。
具体实施方式
图1示出了借助其可实现本发明的电路布置的原理电路图。该电路布置具有两个输入端子J1和J2，被整流的电网电压可连接到这些输入端子上。输入端子J1和J2与PFC级耦合，该PFC级实现功率因子校正并且提供馈电电压Us。存储电容器C1与馈电电压Us并联，该存储电容器将缓存馈电电压Us。为了驱动70W的灯，存储电容器C1具有4.7微法的值证明是有利的。借助该值形成馈电电压的强烈的幅度调制，该幅度调制可以与本发明组合用于补偿耦合网络的传递函数。馈电电压的电势用作电路布置的参考电势GND。
馈电电压为逆变器供给能量，该逆变器实施为半桥逆变器。逆变器包括上面的和下面的开关T1和T2的串联电路，这些开关与馈电电压并联。这些开关实施为MOSFET，但也可以实施为其他半导体开关。上面的开关T1的源极与下面的开关的漏极在连接点M相连。开关的控制连接端(在本情况下为T1和T2的栅极)与控制装置Cont相连。控制装置Cont也与连接点M、馈电电压Us和参考电势GND相连。控制装置Cont包括振荡器，该振荡器生成工作频率，借助该工作频率来交替地驱动开关T1和T2的栅极。由此，在连接点M上相对于参考电势GND产生矩形的交流电压Uw，该交流电压的幅度跟随着馈电电压，并且频率对应于工作频率。交流电压Uw为半桥逆变器的逆变器输出电压。
由灯电感线圈L1和两个电容器C2和C3构成的串联电路形成了耦合网络，该耦合网络连接在连接点M与参考电势GND之间。灯Lp可以通过端子J3和J4耦合到电容器C3上。未示出的是点燃装置，该点燃装置短时提供高压用于起动灯。
耦合网络实现了从交流电压Uw到灯的阻抗变换。该耦合网络也可以包含变压器。该耦合网络的阻抗变换具有传递函数，该传递函数描述了灯电流IL关于交流电压Uw的频率相关性。在该情况下，传递函数具有带通特性。通常，工作频率始终在传递函数的谐振频率之上，由此可以利用开关S1和S2的开关负荷减轻。在谐振频率之上，传递函数具有低通特性。
优选的是，控制装置Cont包括微控制器和用于开关T1和T2的驱动电路。通过软件在微控制器中实现了振荡器，该振荡器产生工作频率。在微控制器的存储器中存储有带有关联停留时间的离散频率值。该软件允许振荡器产生工作频率，该工作频率依次在所存储的停留时间上具有所存储的频率值。在微控制器读取上一次所存储的频率值之后，存在两种可能性来进一步处理：或者微控制器开始读取又具有第一频率值的频率值；或者频率值现在以相反的顺序被读取，直到又达到第一频率值。在第一种情况下，得到在时间上的近似锯齿形频率分布，而在第二种情况下得到在时间上的近似三角形频率分布。近似三角形频率曲线具有的优点是，不会出现大的工作频率跳跃。
纯粹的锯齿形和三角形意味着时间与工作频率之间的线性关系。这通常与本发明的教导不对应。通过频率值的距离和/或停留时间必须实现非线性的或仅仅分段线性的关系。如上面所介绍的那样，在此重要的是，与较低频率的情况相比，在较高频率的情况下更多的能量被耦合输入到灯中。上面所介绍的在工作频率的边界平均值与算术平均值之间的关系用作对此的技术教导。
在图2中示出了根据本发明的电路布置的工作频率的时间分布。其涉及近似三角形的、分段线性的分布。因为工作频率从最小频率上升5ms直至最大频率，并且随后并不是立即回落到最小频率，而是在再经5ms又下降到最小频率，所以是近似三角形。最小频率为200kHz而最大频率为300kHz。由此，产生250kHz的边界平均值。算术平均值为266kHz并且由此根据本发明大于边界平均值。对根据本发明的频率分布典型的是，与最小频率和最大频率之间的线性连线所示的相比，根据本发明的频率分布基本上在更高的频率分布。
从图2中的视图得知，在该实施例中，停留时间近似对所有频率值是恒定的。该时间分布通过相邻频率值的不同的差来实现。与最大频率附近的频率值的情况相比，在最小频率附近的频率值的情况下距离更大。
在10ms之后，该时间分布周期性地重复。这不再示出在图2中。周期性的分布限定了100Hz的调制频率。该调制频率明显在1Hz之上，使得离散频率值不再如此长地作用到灯上以致在灯的放电容器中出现等离子体流或者气流。有利的是，选择100Hz的值因为这是在50Hz的电网频率的情况下馈电电压的脉动频率的值。由此，馈电电压的幅度调制可以与工作频率的时间分布同步地补偿耦合网络的传递函数。
图3以对数图示出了馈送到灯Lp中的功率的频谱功率密度log PL的例子。在功率频谱中，与灯电流IL的频谱相比，所出现的频率被加倍。明显可看到，频带在360kHz到620kHz之间，该频带通过对180kHz的最小频率与310kHz的最大频率之间的工作频率进行频率调制来产生。在该频带中，功率密度基本上恒定。这是耦合网络的传递函数的补偿的有利结果。
在180kHz与310kHz之间，图3示出了另一频带，在该频带中功率耦合到该灯中。该频带由与灯电流IL叠加的直流部分形成。该直流部分有利地通过以下方式产生：在半桥逆变器中，开关并不是精确地同步切换，而是每个开关的接通持续时间占优势。通过该直流部分，其中能量被耦合输入灯中的频率范围可以被扩展，而通过最小频率和最大频率确定的频带不扩展。由直流部分产生的频带的幅度与被叠加的直流部分的值有关。
在图3中，可以看到另一频带开始，其在720kHz附近开始。该频带通过基频如最小频率和最大频率的四倍而形成。

Claims (16)

1.一种用于向高压气体放电灯(Lp)提供灯功率的电路布置，具有逆变器(T1，T2)，该逆变器向高压气体放电灯(Lp)提供灯电流(IL)，该灯电流基本上是具有在最小频率和最大频率之间的频率范围中被频率调制的工作频率的交流电流，由此一方面限定了边界平均值，该边界平均值等于最小频率与最大频率之和的一半，而另一方面限定了算术平均值，该算术平均值等于在灯工作中所经过的工作频率的频率值的时间平均值，其中布置该电路，使得所述边界平均值小于所述算术平均值；
其特征在于，逆变器被馈送馈电电压(Us)，所述馈电电压(Us)的时间分布和工作频率的时间分布被同步，使得当工作频率取其最大值时，馈电电压(Us)也取其最大值。
2.根据权利要求1所述的电路布置，其具有耦合网络(L1，C2，C3)，该耦合网络连接在逆变器(T1，T2)与灯(Lp)之间并且具有传递函数，该传递函数描述了灯电流(IL)的幅度与工作频率的相关性，其特征在于，工作频率的时间分布被选择为：使得被驱动的灯(Lp)的功率的功率频谱(PL)均匀分布，或者随着频率单调地上升。
3.根据权利要求1或者2所述的电路布置，其特征在于，工作频率的频率调制以大于1Hz的调制频率周期性地进行。
4.根据权利要求1或2所述的电路布置，其特征在于，工作频率对相应的停留时间仅仅取离散的频率值。
5.根据权利要求4所述的电路布置，其特征在于，对于在边界平均值之上的频率值的平均停留时间大于对于在边界平均值之下的频率值的平均停留时间。
6.根据权利要求4所述的电路布置，其特征在于，对于边界平均值之上的频率值的、两个相邻的离散频率值之间的平均的差小于对于边界平均值之下的频率值的、两个相邻的离散频率值之间的平均的差。
7.根据权利要求4所述的电路布置，其特征在于，
-振荡器，其产生具有离散频率值的工作频率，
-控制装置，其为振荡器预先给定相应的离散频率值，
-存储装置，离散频率值和相应的停留时间存储在该存储装置中并且可由控制装置读取。
8.根据权利要求4所述的电路布置，其特征在于，
-振荡器，其产生具有离散频率值的工作频率，
-控制装置，其为振荡器预先给定相应的离散频率值，
-存储装置，离散频率值存储在存储装置中并且可由控制装置读取，
-测量装置，其适于将灯电流的幅度输送给控制装置，其中控制装置被设计为使得其选择随着幅度下降而增加的停留时间。
9.根据权利要求1或2所述的电路布置，其特征在于，用于驱动高压气体放电灯(Lp)的所述馈电电压(Us)从电网电压中获取其能量，并且馈电电压(Us)在灯工作时具有最大值和最小值，其中最大值与最小值之间的差为至少50V。
10.根据权利要求1或2所述的电路布置，其特征在于，最大频率与最小频率之间的差为至少10kHz。
11.根据权利要求1或2所述的电路布置，其特征在于，逆变器是半桥逆变器。
12.根据权利要求1或2所述的电路布置，其特征在于，逆变器是相控的全桥逆变器。
13.一种用于驱动高压气体放电灯(Lp)的驱动装置，其特征在于，所述驱动装置包括根据上述权利要求中任一项所述的电路布置。
14.一种用于驱动高压气体放电灯(Lp)的方法，包括以下步骤：
-从存储装置中读取频率值和关联的停留时间，
-以工作频率为高压气体放电灯(Lp)提供交流电流，所述工作频率的值对应于上一次读取的频率值，
-在上一次读取的停留时间上维持所述频率值，
-从存储装置读取下一个频率值和关联的停留时间，
-继续重复前四个步骤，
其中频率值和关联的停留时间被选择为：使得出现的最大频率值和最小频率值之和的一半小于所读取的并且以关联的停留时间加权的频率值的平均值，
其特征在于，
逆变器被馈送馈电电压(Us)，所述馈电电压(Us)的时间分布和工作频率的时间分布被同步，使得当工作频率取其最大值时，馈电电压(Us)也取其最大值。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
频率值和停留时间被选择为：使得被驱动的灯(Lp)的功率的功率频谱(PL)均匀分布或者随频率单调上升。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于以下步骤：
-将频率值的停留时间延长1.2到5之间的范围中的因子，
-检查灯电流(IL)或者灯电压或者灯的光通量的波动，
-如果波动超过预先给定的边界值，则延长的停留时间被重设为短于原值的80％的值，
-如果波动未超过预先给定的边界值，则延长的停留时间被重设为对应于原值的值，
-对工作频率所取的其他频率值执行上述步骤。
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