CN101480109B - 用于操作放电灯如检测该灯的缺陷性运行的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种用于检测放电灯(7)的缺陷性运行的方法。这种方法包括确定灯阻抗并在如果发现这种灯具有正阻抗时确立这种灯以白炽模式运行的步骤。对灯电流进行变化并对响应于这种灯电流变动的灯电压变动进行分析以确定灯阻抗。在特定实施例中，将灯电流设置在以第一测量瞬间(tM1)的第一幅度(I(tM1))，并对在该第一测量瞬间出现的第一灯电压(V(tM1))进行测量，而在第二测量瞬间(tM2)将灯电流设置在不同于第一幅度的第二幅度(I(tM2))，并对在该第二测量瞬间出现的第二灯电压(V(tM2))进行测量，且对这两种灯电压之间的关系进行分析。

Description

用于操作放电灯如检测该灯的缺陷性运行的方法和系统
技术领域
本发明总体上涉及高强度放电(HID)灯，尤其涉及用于操作这些灯的设备。
背景技术
由于HID灯是广泛地公知的，所以在此不必对这些灯进行详细描述。为了理解本发明，只需说明HID灯7(见图1)包括布置在外灯泡1内的燃烧器3就已足够。可用气体填充外灯泡1内的空间，或者外灯泡1内的空间可以是真空；为了方便起见，在下面的描述中，用真空室2表示该空间。用燃烧器室4表示燃烧器3内的空间，用将气体放电点火以及保持这种气体放电所要求的适当化学物质填充燃烧器3内的空间。燃烧器3设有灯电极(未示出)。线5、6具有承载燃烧器3并将电流导向这些灯电极并从这些灯电极导出电流的功能，线5、6延伸穿过真空室2并连接到灯脚(未示出)。明确地来讲，线5、6以相互之间的短距离进入真空室2并基本上并行地延伸。
为了进行操作，将电压加在这些灯电极上，以在这些电极之间逐渐形成放电弧。电功率由电子镇流器系统或电子驱动器提供，这种电子镇流器系统或电子驱动器设计用于具有特定工作特征的特定的灯。
HID灯的问题在于，当这些灯到达其寿命结束时，与正常的工作特征相比，灯的特征发生剧烈变化。将具有这种非正常特征的工作模式表示为“寿命结束模式”或EOL模式。
特定类型的EOL模式尤其可出现在小型低功率MH灯中。这种故障情形源于燃烧器3内的泄漏，这种泄漏允许燃烧器填充物的一部分进入真空室2。这样，外灯泡1就可起到“燃烧器”的作用：通过电子驱动器点火，在室2内(即在燃烧器3之外)的线5、6之间出现放电。这种放电可导致金属微粒溅射而离开线5、6，且可将这些微粒淀积在接近于线5、6的外灯泡1的内表面上。若出现这种情况，在一定时间之后，在外灯泡1的内表面上产生金属膜，这种金属膜可能会导电，从而传导电流。在此情形中，电子驱动器会以电流俨然是“正常的灯电流”的方式运行。由于这种金属膜有电阻，所以会出现欧姆功率损耗，金属膜的温度升高且这种膜会发光；因此，也将这种故障模式表示为“白炽模式”。
这种白炽模式的一种特定问题在于难以检测，因为在此模式中由电子驱动器供应给灯的功率可在灯7所指定的功率范围内。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种用于可靠地检测放电灯以白炽模式运行的方法和设备。若检测到放电灯以白炽模式运行，则可将这种灯切断，且可生成用于用户的警示信号，或者既将这种灯切断也可生成用于用户的警示信号。
根据本发明的重要方面，确定放电灯的阻抗特征，并且如果发现灯具有正阻抗特征(positive impedance characteristic)则推断出灯以白炽模式运行。可通过改变灯电流并分析响应于灯电流变化的灯电压变化来确定灯阻抗。本发明基于这样一种认识，即以白炽模式运行的放电灯具有正阻抗特征，而正常运行的放电灯具有负阻抗特征(negativeimpedance characteristic)。
注意到带有用于检测故障灯运行的装置的电子驱动器设备本身是公知的。例如，US2004/0183463公开了一种测量灯电压并将这种灯电压与预定的参考电压进行比较的电子驱动器设备。若这种灯电压在偏离正常工作电压的一定电压范围内，则认定这种灯在泄漏。不过，这种公知的设备并不能够检测放电灯是否在以白炽模式运行，因为在此情形中，灯电压往往仍在正常的工作电压范围内。
可用几种方式确定放电灯的阻抗特征。可在电流周期(的一部分)期间逐渐增加(或降低)灯电流：若作为响应，灯电压增加(或降低)，则这种灯具有正阻抗特征。还可在电流周期期间阶跃式增加(或降低)灯电流。还可在第一电流周期期间以第一电流幅度运行这种灯，并且在第二电流周期期间以第二更高(或更低)电流幅度运行这种灯。
附图说明
将会通过下面参考附图进行的描述对本发明的这些和其它方面、特征和有益效果进行说明，在这些附图中，相同的附图标记指相同的或类似的部分，其中：
图1示意性地示出了一种HID灯；
图2是示意性地示出了根据本发明的驱动器设备的框图；
图3A至3G是示意性地示出了灯电流和灯电压的波形的图表。
具体实施方式
图2示意性地示出了根据本发明的、设计成用于驱动HID灯7的驱动器设备100的框图。驱动器设备100包括电子驱动器10，电子驱动器10具有用于连接到源(如电源)(mains)的输入端子11、12，并具有用于连接到灯线5、6的输出端子13、14。这种系统通常配有与灯脚匹配的灯配件，但并未在图中示出。
电子驱动器本身是公知的，因此在此将对电子驱动器10的设计和运行进行的描述略去。作为示例，电子驱动器10可包括用于将电源电压整流的装置、用于将经过整流的电源电压升高至约为400V的大致中间DC电压的充当电压源的装置、用于降低该中间电压并产生恒定电流的充当电流源的装置和用于以约为100Hz的变换频率将该恒定电流变换的变换装置，以使提供给灯7的输出电流具有恒定的幅度和规则变化的方向。而且，电子驱动器10还可包括用于将这种灯点火的点火装置。
电子驱动器10是一种可控驱动器并具有用于接收控制信号Sc的控制输入端15。驱动器设备100还包括控制器20，控制器20具有耦合到电子驱动器10的控制输入端15的控制输出端25，控制器20设计用于在其控制输出端25生成控制信号Sc。为了响应于对控制信号Sc的接收，电子驱动器10适合于根据由控制信号Sc所传递的命令来设置其输出电流的大小。
驱动器设备100还包括用于感测灯电压的电压传感器30，灯电压即在线5、6之间的电压。在示于图2的实施例中，电压传感器30具有分别连接到驱动器输出端子13、14的两个输入端31、32，并具有耦合到控制器20的输入端23的信号输出端33。在此实施例中，控制器20从电压传感器30接收电压信号Sv。
现已注意到，可将电压传感器30与控制器20结合。电压传感器30还可与驱动器10结合。
而且，还可将控制器20与驱动器10结合。
根据本发明，控制器20设计用于确定灯7的阻抗特征，并且在发现这种灯阻抗特征为正时采取适当的步骤。优选在此情形中，控制器20将驱动器10切断。控制器20还可具有报警输出端29，报警输出端29在发现这种灯阻抗特征为正时生成报警信号Sa，如同样在图2中所示出的那样。这种报警信号可以是视觉信号、声音信号等。还可结合对驱动器10的切断来发出这种报警信号。
为了确定灯7的阻抗特征，将控制器20设计用于改变灯电流并分析所导致的灯电压变动：若较高的灯电流对应于较高的灯电压，则这种灯的阻抗特征为正。就此方面而言，现已注意到，这种灯的阻抗特征被限定为相对于电流变动的电压变动(δV/δI)。
可用几种方式改变灯电流。图3A至图3F是示意性地示出了由控制器20通过适当地生成的控制信号Sc而产生的灯电流的波形的图表；且这些图表还示出了相应的灯电压。
图3A示出了带有50％的占空比的正常变换电流。从时间t0至时间t1，这种灯电流具有基本上恒定的幅度I0并以第一方向流动，而从时间t1至时间t2，这种灯电流具有相同的幅度I0但以相反方向流动，该电流示为-I0。从t0至t2的间隔将示为电流周期。变换频率通常介于100Hz至400Hz之间，因此，该电流周期通常介于2.5ms与10ms之间。从t0至t1的间隔将示为波形周期；此间隔对应于电流周期的一半，且通常介于1.25ms与5ms之间。图3A还示出了在每个波形周期期间灯电压基本上恒定。图3A还示出了在随后的电流周期中，电流幅度基本上等于电流幅度I0。
图3B示出了电流幅度在波形周期期间逐渐降低的实例。因此，在时间t0，电流幅度I(0)大于在时间t1的电流幅度I(1)。在正常运行的灯中，灯阻抗特征为负，因此，灯电压将在该波形周期范围内逐渐增加，其中，在时间t0的灯电压将低于在时间t1的灯电压，这也在图3B中示出。
图3C类似于图3B那样示出了电流幅度在波形周期期间逐渐降低的实例，但在此用于以白炽模式运行的故障灯。灯电压在该波形周期期间逐渐降低，而不是逐渐增加，因此，这种灯的阻抗特征为正。
现已注意到，对电流的降低量并不严格，但不应选择得太高或太低。为了测量的清楚和不模糊起见，这种降低量最好不太低。而且，由于电流的变动对应于光输出变动，所以优选电流幅度的起点应高于预定的平均值而终点应低于该预定的平均值，以使在波形周期上的平均时，电流保持预定的平均值。
现已注意到，除了降低电流之外，还可使用增加电流。
图3D示出了在整个波形周期期间灯电流并不必需增加/降低。在所示出的实例中，电流开始以波形周期的约30％增加，并且在波形周期的剩余周期继续增加。
图3E示出了灯电流并不必需逐渐增加/降低，但从第一电流幅度至第二不同(更高/更低)幅度的阶跃变化也是可能的。
实际上，所有所需要的是控制器20限定至少两个时间瞬间(在这些图中示为tM1和tM2)，在这两个时间瞬间，灯电流I(tM1)和I(tM2)彼此不同。控制器20控制该灯电流并知道这些灯电流I(tM1)和I(tM2)中的哪一个更高。通过测量在这两个测量瞬间的灯电压V(tM1)和V(tM2)并检查这些灯电压中的哪一个更高，控制器20可确定这种灯的阻抗特征为正还是负。
就这两个测量瞬间tM1和tM2而言，应注意下面几个方面。在许多(若不是全部的话)放电灯中，灯的阻抗特征取决于时间，这在阶跃响应(step response)中表达得最为清楚。若阶跃地改变这种电流，则正常的放电灯会在几微秒的时间间隔期间用正的灯阻抗特征做出反应；将这种间隔表明为正阻抗间隔且这种间隔可通常具有1至10μs的持续时间。然后，在表明为负阻抗间隔的时间间隔期间，正常的灯会展示出其负阻抗特征。这种负阻抗间隔通常延伸到毫秒的范围。根据灯的类型，在更大的时标，约几秒甚至到几分钟内，这种阻抗特征可再次为正。
而且，还应注意，这些视图示出了电流的阶跃变化为瞬时变化，即无限地陡，但在实践中，上升时间可约为几微秒。而且，还应注意，电子元器件可能会经受公差，因此，在定时中会需要某种公差。而且，电压测量本身如通过取样与保有技术进行的电压测量可花费一些时间。
因此，优选不应在阶跃变化之后立即选择这两个测量瞬间tM1和tM2，而是在阶跃变化之后应考虑一定的等待时间twAIT。这种等待时间tWAIT的精确值并不严格；一方面，这种等待时间应足够地大，以避免正阻抗间隔并允许负阻抗间隔内的稳定性，而在另一方面，这种等待时间应足够地小，以使这种测量处于与这种阶跃变化具有相同波形周期的范围内。用于这种等待时间tWAIT的适当值约为10至100μs。图3D和图3E示出了第一测量瞬间tM1并不与变换瞬间t0重合：tM1≥t0+tWAIT。图3D示出了第二测量瞬间tM2虽然可非常接近于变换瞬间t1，但第二测量瞬间tM2并不与变换瞬间t1重合；该图示出了将第二测量瞬间tM2与变换瞬间t1之间的时间差选择为与tWAIT的大致相同。
图3E示出了第二测量瞬间tM2并不与变换瞬间t1重合且不与电流阶跃变化瞬间tx重合。在此情形中，第二测量瞬间tM2遵守公式：tM2≥tx+tWAIT。为了确保第二测量瞬间tM2处于与阶跃变化瞬间tx具有相同波形周期的波形周期内，且为了确保在第二测量瞬间tM2与变换瞬间t1之间有充足的时间差，优选阶跃变化瞬间tx遵守公式：tx≤t1-2·tWAIT。
图3示出了实际测量的电流和电压波形。左侧的图表示出了用于灯的电流(上曲线)和电压(下曲线)，而右侧的图表示出了用于电阻负载的电流(上曲线)和电压(下曲线)。在每种情形中，在波形周期期间，电流以大于50％的幅度逐渐增加。在左侧的图表可以看出，电压基本上保持恒定，或甚至朝向波形周期的末端略微降低。
本领域中熟练的技术人员应明白，本发明并不仅限于上面所讨论的示范性实施例，而在由所附的权利要求书所限定的本发明的保护范围内，可有几种变化和修改。
例如，在上面的实例中，将这些测量瞬间tM1和tM2限定在同一波形周期内。虽然这是优选的，但这并不是必须的，如图3F所示，在此情形中，在第一波形周期A期间的电流幅度恒定，且在第二波形周期B期间的电流幅度恒定，但高于在第一波形周期A期间的电流幅度。因此，将这些测量瞬间tM1和tM2分别限定在这两个不同的波形周期A和B内。在所示出的实例中，约在相应的变换瞬间的中间选择这些测量瞬间tM1和tM2。
而且，还可将这两个测量瞬间tM1和tM2限定在每个波形周期内，以使控制器20在每个电流周期中检查两次灯阻抗。虽然这是优选的，但这并不是必须的。例如，还可每秒钟仅检查一次灯阻抗。不过，事实上由于灯阻抗检查涉及电流变动，而电流变动伴随着光输出变动，所以优选以高于100Hz的重复率进行灯阻抗的检查，以避免明显的闪变(flicker)。
而且，控制器20还可总是用于检查灯阻抗。不过，控制器20还能够选择性地以两种运行模式运行，一种正常模式和一种诊断模式，在正常模式中，保持灯电流恒定，且在诊断模式中，这种控制器如前面所描述的那样运行。例如，控制器20可按照其诊断模式运行，以响应于对用户命令的接收，或者在预定的时间间隔(如每小时一次)运行，或者在启动之后的预定时间间隔内运行。
在前面的描述中，已参考框图对本发明进行了说明，这些框图示出了根据本发明的设备的功能块。应理解，可在硬件中实现这些功能块中的一个或多个，在这种硬件中，这种功能块的功能由独立硬件元器件执行，但也可在软件中实现这些功能块中的一个或多个，以使这种功能块的功能由计算机程序的程序行中的一行或多行或可编程设备来执行，这种可编程设备如微处理器、微控制器、数字信号处理器等。

Claims (15)

1.用于检测放电灯的缺陷性运行的方法，所述方法包括以下步骤：确定所述灯的阻抗特征，以及如果发现所述灯具有正阻抗特征，则推断出所述灯以白炽模式运行，其中：将所述灯的电流设置成具有在第一测量瞬间(tM1)的第一灯电流幅度(I(tM1))并具有不同于所述第一灯电流幅度的在第二测量瞬间(tM2)的第二灯电流幅度(I(tM2))；并且测量在所述第一测量瞬间(tM1)出现的第一灯电压(V(tM1))，并测量在所述第二测量瞬间(tM2)出现的第二灯电压(V(tM2))，且对所述两种灯电压之间的关系进行分析。
2.如权利要求1所述的方法，其中：改变所述灯的电流，且对响应于所述灯的电流变动的所述灯的电压变动进行分析。
3.如权利要求1所述的方法，其中：若所述第一灯电压(V(tM1))与所述第二灯电压(V(tM2))之比大于1而所述第一灯电流幅度(I(tM1))与所述第二灯电流幅度(I(tM2))之比也大于1，或者若所述第一灯电压(V(tM1))与所述第二灯电压(V(tM2))之比小于1而所述第一灯电流幅度(I(tM1))与所述第二灯电流幅度(I(tM2))之比也小于1，则确立所述灯以白炽模式运行。
4.如权利要求1所述的方法，其中：在波形周期的至少一部分期间逐渐增加或降低所述灯电流，且在相同的波形周期内选择所述第一测量瞬间(tM1)和所述第二测量瞬间(tM2)。
5.如权利要求1所述的方法，其中：在波形周期期间并在阶跃变化时间(tx)处阶跃式增加或降低所述灯电流，且在相同的波形周期内，在所述阶跃变化时间(tx)之前选择所述第一测量瞬间(tM1)并在所述阶跃变化时间(tx)之后选择所述第二测量瞬间(tM2)。
6.如权利要求5所述的方法，其中：在所述阶跃变化时间(tx)与所述第二测量瞬间(tM2)之间的时间间隔至少等于预定的等待时间(tWAIT)。
7.如权利要求6所述的方法，其中：所述灯是具有以下阻抗特征类型的灯，所述阻抗特征响应于阶跃电流变化在微秒时标上的第一时间间隔期间首先为正，然后在延伸到毫秒范围的第二时间间隔期间为负，且所述预定的等待时间(tWAIT)基本上长于所述第一时间间隔。
8.如权利要求1所述的方法，其中：将处于第一波形周期的所述灯电流设置到不同于处于第二波形周期的灯电流的幅度，且分别在所述第一和第二不同的波形周期内选择所述第一测量瞬间(tM1)和所述第二测量瞬间(tM2)。
9.如权利要求1所述的方法，其中：用变换电流运行所述灯，在变换瞬间(t0)之后选择所述第一测量瞬间(tM1)，且在所述变换瞬间(t0)与所述第一测量瞬间(tM1)之间的时间间隔至少等于预定的等待时间(tWAIT)。
10.如权利要求1所述的方法，其中：在每个波形周期内选择所述第一测量瞬间(tM1)和所述第二测量瞬间(tM2)。
11.如权利要求1所述的方法，其中：当推断出所述灯以白炽模式运行时，自动将所述灯切断和/或生成警示信号(SA)。
12.用于灯驱动器系统(100)的控制器(20)，所述控制器(20)包括：
控制输出端(25)，所述控制输出端(25)用于耦合到可控电子驱动器(10)的控制输入端(15)，所述控制器设计用于在其控制输出端(25)生成控制信号(SC)，用于控制由所述电子驱动器(10)生成的灯电流的幅度；
传感器输入端(23)，所述传感器输入端(23)用于接收指示灯电压的传感器信号(SV)；
其中：所述控制器(20)设计用于确定所述灯的阻抗特征，并且所述控制器设计用于生成其控制信号(SC)以有效地引起预定的灯电流变动、对在传感器输入端(23)处接收的传感器信号(SV)进行分析以检测响应于所述灯电流变动的灯电压变动、在所述分析的基础上确定所述灯阻抗特征并在如果所述分析结果对应于正阻抗特征时推断出所述灯以白炽模式运行。
13.如权利要求12所述的控制器，其中：所述控制器设计用于执行根据权利要求1至11中的任一项所述的方法。
14.用于驱动放电灯(7)的驱动器系统(100)，所述系统包括：
电子驱动器(10)，所述电子驱动器(10)具有用于连接到所述灯(7)的输出端子(13，14)，所述驱动器设计用于在其输出端子(13，14)处提供变换电流；
电压传感器(30)，所述电压传感器(30)用于感测所述灯的电压并提供表示所测量的灯电压的输出信号(SV)；
控制器(20)，所述控制器(20)接收所述电压传感器(30)的所述输出信号；
其中，所述控制器(20)设计用于对所述电压传感器(30)的所述输出信号(SV)进行分析以检测缺陷情况；
其特征在于：所述电子驱动器(10)是具有控制输入端(15)的可控驱动器，所述电子驱动器(10)设计用于根据在其控制输入端(15)接收的控制信号(SC)来设置其输出电流的幅度；
所述控制器(20)具有耦合到所述电子驱动器(10)的控制输入端(15)的控制输出端(25)，以控制所述灯电流的幅度；
其中，所述控制器(20)设计用于确定所述灯的阻抗特征，并且所述控制器设计用于生成其控制信号(SC)以有效地引起预定的灯电流变动、对来自电压传感器(30)的灯电压测量信号(SV)进行分析以检测响应于所述灯电流变动的灯电压变动、在所述分析的基础上确定所述灯阻抗特征并在如果所述分析结果对应于正阻抗特征时推断出所述灯以白炽模式运行。
15.如权利要求14所述的驱动器系统，其中：所述控制器(20)设计用于执行根据权利要求1至11中的任一项所述的方法。
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