CN101415287B - 大功率hid灯电子镇流器保护及控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率HID灯电子镇流器保护及控制电路，由灯状态检测器检测HID灯的工作状态，灯状态检测器有两路输出，一路输出接功率自动控制器，向功率自动控制器输入灯状态信号，功率自动控制器的输出接至驱动控制器的输入端，根据灯状态向驱动控制器发送功率调整信号；灯状态检测器的另一路输出接在故障保护器和重启控制器的连线节点上，传输灯状态信号；重启控制器通过故障保护器接至驱动控制器的输入端，向驱动控制器提供灯状态信号和重启控制信号；在驱动控制器的输入端还接有温度补偿电路，向驱动控制器提供温度调整信号；驱动控制器输出功率驱动控制信号。本发明使得大功率HID灯电子镇流器的使用成为可能。

Description

大功率HID灯电子镇流器保护及控制电路

技术领域

本发明涉及一种镇流器工作电路，具体地说是一种大功率HID灯电子镇流器保护及控制电路。

背景技术

HID灯主要包括有高压钠灯、金卤灯和水银灯等。在75W以下的小功率气体放电灯如荧光灯、节能灯等灯具上目前已使用有定型的电子镇流器，电子镇流器中的驱动控制电路也有多种定型产品，如仙童公司的KA754X系列芯片、IR公司的IR215X系列芯片、MicroLinear公司的ML483X系列芯片、Motorola公司的MC33157芯片等等。但是，现有的电子镇流器尚无法直接应用到75—1000W的大功率HID灯上。其主要原因，一是大功率HID灯在加电后未被点亮或者有自熄灭和坏灯等情况发生之后的一个较短时间内，电子镇流器很快就被烧毁；二是大功率HID灯在持续点亮一段时间后，随着灯管工作环境温度的升高，也经常发生有HID灯被烧毁的现象。由于这些问题的存在，人们不得不放弃对电子镇流器的使用，转而使用工作稳定、用后HID灯和镇流器损坏情况少的电感镇流器。因此，在世界范围内，大功率HID灯目前一直还是在使用耗能大、污染重的电感镇流器，配用节能环保的电子整流器，则一直是本行业所追求但尚未实现的目标。

发明内容

本发明的目的就是提供一种大功率HID灯电子镇流器保护及控制电路，使用该电路配装的电子镇流器，可以有效地解决使用电子镇流器后所经常发生的大功率HID灯和电子镇流器的损毁问题，从而使电子镇流器在大功率HID灯上的使用成为可能。

本发明是这样实现的：一种大功率HID灯电子镇流器保护及控制电路，由灯状态检测器检测HID灯的工作状态，灯状态检测器有两路输出，一路输出接功率自动控制器，向功率自动控制器输入灯状态信号，功率自动控制器的输出接至驱动控制器的输入端，根据灯状态向驱动控制器发送功率调整信号；灯状态检测器的另一路输出接在故障保护器和重启控制器的连线节点上，传输灯状态信号；通过故障保护器接至驱动控制器的输入端，向驱动控制器提供灯状态信号和重启控制信号；在驱动控制器的输入端还接有温度补偿电路，向驱动控制器提供温度调整信号；驱动控制器输出功率驱动控制信号。

通过研究发现，大功率HID灯在上电后没被点亮或者是在点亮过程中发生自熄或损坏情况之后，点火电路就会产生一个高压，这个高压会在瞬间击穿电子镇流器的功率输出器件MOS管，造成电子镇流器的损毁。因此，为解决电子镇流器的损毁问题，在电子镇流器的保护控制电路中就要设定一项故障保护功能，以对坏灯或灯未点亮状态时的电子镇流器进行保护，由此防止电子镇流器的损毁。

另外一项研究发现，现行的大功率HID灯在使用电子镇流器持续被点亮一段时间后的烧毁现象，是由于随着灯管工作环境温度的升高，在高温、强电磁工作环境下，HID灯的灯管功率有了一个持续的上升。这项发现与HID灯的灯管功率是额定功率的传统认知完全不同。因此，用于大功率HID灯的电子镇流器除应具备灯预热和点火等项基本功能以及具备上述的故障保护功能之外，还必须要有一个灯功率的自动控制功能，以此抑制灯管功率随工作环境温度上升所发生的持续上升的情况，从而避免大功率HID灯在持续点亮一段时间后被烧毁的情况发生。

本发明保护及控制电路正是基于对上述问题的研究认识而做出相应设计的。

本发明以驱动控制器实现灯预热和点火的基本加电点灯控制；当出现HID灯未点亮的情况时，此状态经由灯状态检测器采集，并将信号输出到重启控制器，使重启控制器动作，控制驱动控制器再进行若干次的再加电程序，以使HID灯被点亮；当出现坏灯等故障情况时，此状态经由灯状态检测器采集，并将信号输出到故障保护电路，使故障保护电路动作，控制驱动控制器停止工作，进入保护状态，由此避免了HID灯电子镇流器被烧毁，解决了电子镇流器的安全保护问题。对于因功率漂移所导致的大功率HID灯被烧毁问题，本发明一是通过温度补偿电路控制驱动控制器，实现HID灯工作环境内的温度自适应，以减少功率随温度漂移的外部条件；二是通过灯状态检测器、功率自动控制器和驱动控制器组成一个HID灯的功率动态实时跟踪系统，以实现HID灯的功率自动控制，克服了功率随温度漂移的内部条件，由此避免了HID灯因功率上升所造成的烧毁现象，解决了HID灯的安全保护问题。本发明保护及控制电路实现了对大功率HID灯的保护和控制，实现了对电子镇流器的工作保护，使大功率HID灯电子镇流器的使用成为可能。

本发明保护及控制电路也可附具常规的半夜灯控制功能，即在驱动控制器的输入端还接有半功率控制器。该功能主要是用于道路照明，当道路照明亮灯5—6小时之后，即进入人员稀少的半夜时段，通过半功率控制器向驱动控制器输出控制信号，使HID灯的灯功率降至额定功率的1/2或1/3(可调)，照度相应降低，从而达到节能省电的目的。附具这一功能，可使本发明适应大功率HID灯广泛作为道路照明的使用现状，并且克服了目前常用的深夜关闭道路一侧路灯方法所导致的照路不清、存在有大面积阴影的弊端。

在大功率HID灯的电子镇流器上使用本发明保护及控制电路，可解决大功率HID灯电子镇流器的故障保护、功率自动控制、温度自动补偿即温度自适应等问题，确保大功率HID灯和所配用的电子镇流器在高温、强电磁环境下稳定可靠地运行。

使用本发明保护及控制电路，使得大功率HID灯电子镇流器本身在25—95℃的环境中工作频率的偏移得到了良好的控制，保证了电子镇流器输出功率的稳定性。经多次试验，在大于80℃环境温度中持续运行200小时，仍可保持电子镇流器的恒功率输出。本发明的重启和重启次数限制功能，使HID灯在第一次加电没被点亮后的3—30秒钟的时间内可有数次重新点灯的控制过程，如果确是灯管损坏(包括开路、短路及其他灯管损坏情况)，在经过5—6次的点灯不亮后，就自动进入安全模式下的保护状态，既保护了电子镇流器，又保护了大功率HID灯。

将本发明应用到HID灯电子镇流器中，针对道路照明用的高压钠灯进行数千次的开、关灯试验和数千小时的持续/断续点灯，每次10—200小时，没有一支灯管损坏，也没有一支灯管的电极发黑。可见，配用本发明所制的电子镇流器，可使HID灯(至少是高压钠灯)的使用寿命达到3—5年，比目前使用电感镇流器的高压钠灯实际只有一年的使用寿命要高出3—5倍。对于使用电感镇流器的道路照明用高压钠灯，当市电为220V时，250W高压钠灯的输入总功率为320W；当市电为242V时，输入总功率达387W。如果使用电子镇流器，则250W高压钠灯的输入总功率为263W，节省用电32％；再配合半夜灯控制功能，每天的总节电率可达47％，节能效果显著。

附图说明

图1是本发明的电路结构框图。

图2是驱动控制器、故障保护器和重启控制器的连接关系及电路结构框图。

图3温度补偿电路的电原理图。

图4是半功率控制器的电路结构框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明大功率HID灯电子镇流器保护及控制电路是电子镇流器中的一个组成部分，本发明保护及控制电路包括有灯状态检测器1、驱动控制器2、半功率控制器3、温度补偿电路4、功率自动控制器5故障保护器6和重启控制器7共七部分，其中，灯状态检测器1的输入端接至电子镇流器中的采样电阻12上，接收HID灯的工作状态；灯状态检测器1的两路输出，一路接功率自动控制器5，向功率自动控制器输入灯状态信号，功率自动控制器5的输出接至驱动控制器2的输入端，根据灯的工作状态向驱动控制器2发送功率调整信号；灯状态检测器1的另一路输出接在故障保护器6和重启控制器7的连线节点上，传输灯状态信号；重启控制器7通过故障保护器6接至驱动控制器2的输入端，向驱动控制器2提供灯状态信号和重启控制信号。半功率控制器3和温度补偿电路4的输出接在驱动控制器2的输入端，半功率控制器3向驱动控制器2提供功率调整信号，温度补偿电路4向驱动控制器2提供温度调整信号。驱动控制器2向电子镇流器的半桥功率驱动器9输出驱动控制信号和点灯功率。

图1中，本发明电路的左边是采用通用技术实现的15V±20％的直流电源13，为本发明提供15V的直流供电电压。本发明电路的右边虚线框是HID灯电子镇流器中的功率输出级电路，由半桥功率驱动器9、点火器10、HID灯灯管11和采样电阻12四部分连接组成。本发明中灯状态检测器1是本发明的唯一灯状态信号输入端，驱动控制器2的输出是本发明的唯一灯控制信号输出端，也就是说本发明电路只有一路信号输入和一路信号输出。

本发明中的电路结构均可采用现有常规电路搭接，所采用的单元技术均是采用成熟的单元电路技术。本发明具有包括点灯控制、熄灯重启控制、灯开路/短路保护、灯功率自动控制、半夜灯控制和温度自适应共六大功能特征，现结合本发明工作原理分述如下：

一、点灯控制功能：

点灯控制功能是通过驱动控制器2实现的。如图2所示，驱动控制器2包括有预热电路21、压控振荡器22和脉冲输出驱动器23三部分，压控振荡器22和脉冲输出驱动器23相串接，在压控振荡器22上接有预热电路21(图中的上部虚线框)。

当市电电源接通后，电子镇流器内部的直流电源13向本发明电路同时提供两路15V±20％的直流输出电源，一路专供驱动控制器2，另一路供其它部分使用。当直流电源13输出的直流电压上升到大于11V时，驱动控制器2中的预热电路21开始工作，使压控振荡器22产生一个频率为f₁的预热频率信号，传至脉冲输出驱动器23后，由脉冲输出驱动器23输出频率为f₁的带死区的方波信号。该方波信号被送至半桥功率驱动器9，对HID灯灯管11进行预热。在经过一段时间(可调)的预热后，HID灯灯管11达到点火温度，预热电路21发出控制信号，控制压控振荡器22的工作频率由预热频率f₁开始向低端工作频率f2快速下滑。此频率的移动过程直接传递给半桥功率驱动器9和点火器10。在工作频率由f1向f2移动的过程中，通过点火器10向HID灯灯管11提供一个数千伏足够能量的高压点火脉冲，使HID灯灯管11被点亮。灯状态检测器1经采样电阻12采到亮灯信号后，对HID灯的工作状态进行分析，确认HID灯点亮后，向驱动控制器2发送亮灯信号，使驱动控制器2中的压控振荡器22稳定工作在频率f₂，由此保持了HID灯灯管11在f₂频率的额定功率下的正常点亮。

驱动控制器2可以采用电子镇流器的通用控制芯片搭建，如选择仙童公司的KA754X系列芯片、MicroLinear公司的ML483X系列芯片或Motorola公司的MC33157芯片等。

二、熄灯重启功能：

熄灯状态定义：1、在完成加电预热点灯的第一个控制流程后的HID灯没有被点亮，2、已点亮的灯管因非正常原因发生熄灭，这两种状态统称为熄灯状态。

熄灯重启功能是通过重启控制器7、故障保护器6和驱动控制器2的配合来实现的。如图2所示，重启控制器7是由重启计时器71和重启次数控制器72两部分串接组成(图中的下部虚线框)。故障保护器6采用通用的三态门电路芯片61和与门电路芯片62两部分串接组成(图中的中间虚线框)。

灯状态检测器1的输出接至故障保护器6中三态门电路芯片61的输入端，三态门电路芯片61的输出接与门电路芯片62的一个输入端，三态门电路芯片61的控制端接至重启控制器7中的重启计时器71；重启次数控制器72的输出端接故障保护器6中与门电路芯片62的另一个输入；与门电路芯片62的输出接在驱动控制器2的直流电源输入端上。

当熄灯现象发生后，灯状态检测器1通过采样电阻12检测该熄灯状态信号(即采样电阻的端电压小于100mV)，灯状态检测器1将放大确认后的该熄灯状态信号送到重启控制器7，重启控制器7对此状态进行计次、计时后，向故障保护器6的与门电路芯片62输出一个低电平的灯保护信号，再通过与门电路芯片62输出一个低电平信号到驱动控制器2的直流电源输入端，即可将驱动控制器2的15V直流供电电源拉低到5V，由此即可使驱动控制器2停止工作，半桥功率驱动器9也随即停止工作，点火器10关闭，HID灯电子镇流器处于安全保护下的待机状态。同时，重启控制器7的重启次数控制器72判断此次熄灯信号是第几次试点，如果没有达到设定的重启次数，则重启次数控制器72输出一个高电平的开启重启通路信号，使得故障保护器6在重启计时器71设定的重启时间到达时，控制驱动控制器2重新加电启动，使驱动控制器2进行重复的加电点灯控制流程。如果重启次数控制器72判断此次的熄灯信号的试点次数已经达到设定的重启次数，则重启次数控制器72输出一个低电平的关闭重启通路信号，使得故障保护器6将驱动控制器2的15V直流供电电源下拉至5V之下，驱动控制器2停止工作，处于待机保护状态，HID灯电子镇流器也处于安全保护状态。由此实现熄灯重启功能，并避免了HID灯电子镇流器的损毁。

重启控制器7可采用两个同一型号的集成电路芯片(如CD4060)，用使用手册上推荐的标准电路搭建组成，并根据设计要求调整计时长度和重启次数。

三、灯开路/短路保护功能：

灯开路/短路保护功能主要是由灯状态检测器1和故障保护器6配合实现的。如图1所示，灯状态检测器1对来自采样电阻12的灯状态输入信号(大于100mV的为高电平亮灯状态信号，小于100mV的为低电平灯故障状态信号)分别进行亮灯识别和灯故障(包括灯管短路、开路以及灯管未安装等)的识别。

如果识别结果是HID灯处于正常点亮状态(灯状态信号大于100mV)，则故障保护电路6的三态门电路芯片61的输入信号是一个亮灯的高电平信号，重启计时器71提供一个开门信号，于是，三态门电路芯片61向与门电路芯片62输出一个高电平信号，此时由于是正常亮灯状态，重启次数控制器72提供的是高电平信号，使得与门电路芯片62输出一个高电平信号，即故障保护器6输出一个HID灯工作正常的高电平信号，使驱动控制器2保持在15V的正常直流供电电压上，HID灯保持点亮状态。

如果识别结果是HID灯处于故障状态，则灯状态检测器1立即向故障保护电路6的三态门电路芯片61提供一个低电平灯故障状态信号，再通过与门电路芯片62输出一个低电平信号到驱动控制器2的直流电源输入端，即可将驱动控制器2的15V直流供电电源拉低到5V，由此即可使驱动控制器2停止工作，进入保护状态，同时HID灯电子镇流器也处于保护状态，在安全模式下等待故障处理。这样就很好地避免了HID灯电子镇流器被烧毁现象的发生。然后重复上述熄灯重启功能的运行过程。

如果本发明电路没有灯开路/短路保护功能，在HID灯开路状态下，会因电子镇流器内部产生的数千伏的高压脉冲造成电子镇流器半桥功率驱动器的MOS管及其相关电子器件被击穿发生短路而烧毁；在HID灯短路状态下，会因电子镇流器的负载过载与造成电子镇流器的损坏。这正是大功率HID灯电子镇流器一直不能产品化的一个重要原因之一。因此，本发明的灯开路/短路保护功能避免了这种故障的发生可能，为大功率HID灯电子镇流器的实用化奠定了一个有力的基础。

四、功率自动控制功能：

功率自动控制功能也可以称为“额定功率控制功能”或称为“恒功率控制功能”。该功能主要由功率自动控制器5来实现。功率自动控制器5可以采用常规的积分放大器或运算放大器的集成电路器件搭建组成。

如图1所示，灯状态检测器1采集的灯功率信号作为功率自动控制器5的放大器输入信号，放大器的输出信号用于对驱动控制器2的输出频率进行跟踪调整。这样就由灯状态检测器1、功率自动控制器5和驱动控制器2共同组成了一个功率动态实时跟踪系统。调整功率自动控制器5的放大器静态工作点，可以满足HID灯在额定灯功率下的亮灯要求；调整放大器的增益参数，可以设定功率跟踪的上限值和下限值。当HID灯的灯功率小于额定功率时，对于正向放大器，放大器的输出将会小于静态输出。下调驱动控制器2的输出频率，即可使得灯电流增大，HID灯的灯功率由此上升，从而对灯功率的下降进行补偿。当HID灯的灯功率大于额定功率时，进行反向调整，即可使得灯电流减小，灯功率下降，由此抑制了灯功率的上升。这样，通过自动实时调整供给HID灯灯管11电流的大小，即可达到实时跟踪、补偿灯功率变化的目的，使HID灯的灯功率始终保持在HID灯的额定功率范围内，既避免了功率不足而影响照度的情况发生，又避免了功率上升使HID灯和电子镇流器被烧毁的情况发生。

五、温度自适应功能：

温度自适应功能是由温度补偿电路4与驱动控制器2配合实现的。如图3所示，温度补偿电路4可用设定为固定信号输入的两只MOS管所组成的级联放大器搭建组成。利用对温度变化非常敏感的MOS管Q₁、Q₂作为温度探测器(即利用MOS管的节电压检测)，利用电子镇流器工作温度的变化结果，直接调整驱动控制器2的工作频率，进而调节HID灯的工作电流。温度自适应功能可以进行温度正向或反向的自动调整，参数调整得当，即可在25—95℃的范围内自动调整由于HID灯电子镇流器本身温升所造成的驱动控制器2输出频率f₂大幅度变化所带来的灯功率的漂移。

具体控制流程是：随着大功率HID灯电子镇流器工作环境温度的升高，致使本发明保护及控制电路中的驱动控制器2的输出信号频率f₂不断降低，即送到半桥功率驱动器9的控制信号频率f₂不断降低，使供给HID灯灯管11的电流增大，灯功率迅速上升，并超过灯管的额定功率。此时，温度补偿电路4中MOS管Q₁的栅—源极间的节电压降低，使得MOS管Q₁的导通能力增强，P₂点的电压降低，由于MOS管Q₂和Q₁同处于一个工作环境温度中，致使Q₂的导通能力同时增强，P₂点电压下降，等效电阻减小，这就迫使驱动控制器2中压控振荡器22的压控端等效电阻减小，输出信号频率f₂升高，由此抵消了因工作环境温度升高所致压控振荡器22输出频率的下降，从而使得半桥功率驱动器9接收到的信号频率f₂保持动态稳定，HID灯的灯功率稳定不变。当工作环境温度降低时，温度补偿电路4进行反向的控制调节，同样达到一个输出信号频率f2的动态平衡，使HID灯的灯功率保持动态稳定。

六、半夜灯控制功能：

半夜灯控制功能是由半功率控制器3来实现的。如图6所示，半功率控制器3是由长时计时器31、模拟开关32和半功率功能电阻33依次连接组成。其控制流程是：当HID灯被点亮后，长时计时器31开始计时(5-7小时可调)，当达到设定的半夜灯开始时间后，长时计时器31向模拟开关32输出一个启动信号，模拟开关32接收到该信号后闭合，将半功率功能电阻33并联到驱动控制器2中的压控振荡器22的频率控制端，由此改变了压控振荡器22控制端的信号电压，使得压控振荡器22的输出频率转化为半夜灯所需要的工作频率，HID灯的灯功率随之减小，转化成为半夜灯功率。调整半夜灯功能电阻33的阻值大小，即可实现半夜灯功能下HID灯灯功率的任意改变。半功率控制器3为常规电路，可采用通用元件搭建组成。

本发明可集成在一套电路中，制成一块有10个引脚的厚膜集成电路。依据上述的控制原理、功能特征和相关流程等的描述，选用通用器件、标准单元电路搭建完成本发明或进行部分改动或移植应用是完全可能的。因此，在不脱离本发明设计思想的前提下，对本发明所作的任何改动性应用，都属于本专利的保护内容。

Claims (1)

1.一种大功率HID灯电子镇流器保护及控制电路，由灯状态检测器(1)检测HID灯的工作状态，灯状态检测器(1)有两路输出，一路输出接功率自动控制器(5)，向功率自动控制器输入灯状态信号，功率自动控制器(5)的输出接至驱动控制器(2)的输入端，根据灯状态向驱动控制器(2)发送功率调整信号；灯状态检测器(1)的另一路输出接在故障保护器(6)和重启控制器(7)的连线节点上，传输灯状态信号；重启控制器(7)通过故障保护器(6)接至驱动控制器(2)的输入端，向驱动控制器提供灯状态信号和重启控制信号；在驱动控制器(2)的输入端还接有温度补偿电路(4)，向驱动控制器提供温度调整信号；驱动控制器(2)输出功率驱动控制信号；

在驱动控制器(2)的输入端接有半功率控制器(3)；

所述驱动控制器(2)是由压控振荡器(22)和脉冲输出驱动器(23)相串接，在压控振荡器(22)上接有预热电路(21)；

所述重启控制器(7)是由重启计时器(71)和重启次数控制器(72)两部分串接组成；

所述故障保护器(6)采用三态门电路芯片(61)和与门电路芯片(62)两部分串接组成。

Images