CN101529993B - 具有电弧保护电路的镇流器 - Google Patents

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Abstract

一种用于向一个或多个气体放电灯(70，72，74，76)供电的镇流器(20)包括逆变器(200)、输出电路(300)和电弧保护电路(400)。电弧保护电路(400)监视输出电路(300)内的电信号。当在镇流器输出连接(302，304，306，308，310)处出现电弧状况时，电信号包括具有比逆变器(200)的正常工作频率大得多的基频的高频分量。响应于超过预定阈值的高频分量，电弧保护电路(400)将逆变器(200)禁用预定断开时间段。电弧保护电路(400)还提供用于周期性地尝试点燃和操作灯的重新启动功能。电弧保护电路(400)优选地使用具有关联的独立的电路的微控制器集成电路(440)来实现，并且尤其特别适用于经由电流馈送自振动逆变器和隔离的并联谐振输出电路向多个灯供电的镇流器。

Description

具有电弧保护电路的镇流器
相关申请的交叉引用 
本申请是2006年9月15日提交的在先申请No.11/532,277的分案申请，其全部内容通过引用包括于此。 
技术领域
本发明涉及用于向放电灯供电的电路这一总的主题。具体而言，本发明涉及一种包括用于防止输出电弧的电路的镇流器。 
相关申请 
本申请的主题内容与其公开内容通过引用被结合于此的美国专利No.6,720,739B2(标题为“Ballast with Protection Circuit for QuicklyResponding to Electrical Disturbances”、授权于2004年4月13日并且转让给与本申请相同的受让人)、美国专利No.7,042,161B1(标题为“Ballastwith Arc Protection Circuit”、授权于2006年5月9日并且转让给与本申请相同的受让人)、美国专利No.7,102,297B2(标题为“Ballast withEnd-of-Lamp-Life Protection Circuit”、授权于2006年9月5日并且转让给与本申请相同的受让人)和美国专利申请No.11/532,235(标题为“Ballast with Frequency-Diagnostic Lamp Fault Protection Circuit”、与本申请同日提交并且转让给与本申请相同的受让人)有关。 
背景技术
电子镇流器一般包括提供高频电流以高效地对气体放电灯供电的逆变器。逆变器通常根据切换拓扑结构(例如半桥式或推挽)和用来控制逆变器开关换相的方法来分类。在许多类型的电子镇流器中，反相器提供如下输出电压，该输出电压由谐振输出电路处理以提供用于点燃灯的高电压和用于向灯供电的幅度受限的电流。 
用于气体放电灯的镇流器提供用于启动灯的高点火电压。由预热型镇流器供应的点火电压通常在数百伏特级(例如500伏特峰值)，而由瞬间起动型镇流器提供的点火电压可以接近800伏特峰值。由于这些高点火电压，镇流器遭受通常被称为输出电弧的特殊类型的灯故障状况。 
输出电弧可能以许多不同方式中的任何方式出现。例如，在荧光照明设备中，普遍做法是在向镇流器施加交流功率之时更换有故障的灯。这一做法被称为“带电”换灯。在带电换灯过程中，由于灯被移除或插入，所以在灯架插座接触与灯销之间可能形成瞬时电弧。作为另一例子，可能由于输出线路或灯插座中的不良或失效连接或如果以如下方式不恰当地安装灯使得在灯销与灯架插座内的接触之间存在小的间隙则可能出现持续电弧(与瞬时电弧相对)。如果由于有缺陷的灯插座或有缺陷的线路而有损于与灯的连接，则可能跨这些有故障的连接所造成的气隙而产生高强度、高温度的电弧。 
电弧一般被认为造成灯架插座中的接触退化和对镇流器内的部件的不适当压力。持续电弧特别不受欢迎，因为它倾向于产生潜在有破坏性的加热。为了最小化电弧所导致的任何不良效果，迅速地消灭电弧至关重要。这需要一种能够快速和可靠地检测电弧并且随后采取适当举措以迅速地消灭电弧的镇流器。 
现有技术包括用于检测和/或防止输出电弧的多种电路，如在美国专利No.6,720,739 B2(Konopka)和7,042,161 B1(Konopka)中公开的电路。在这两个专利中公开的电路看起来代表了与现有技术相比明显的进步。 
具有电弧保护电路的许多现有镇流器通过断开逆变器、然后只要电力被持续施加到镇流器就保持逆变器关断来对输出电弧做出响应。对于该镇流器，在消除输出电弧状况之后，要求关断、然后再次接通(即“循环”)到镇流器的电力以便实现灯架中的灯的点燃和供电。这一要求在许多应用中、比如在同一支路电路中通常连接许多镇流器的大型办公区或工厂中带来相当大的不便。在这样的环境中，对于许多现有镇流器，有必要瞬时地中断大型区域中的照明以便在更换其一个或多个灯之后将期望的操作恢复到甚至单个照明灯架。因此希望具有一种能够在不需要到镇流器的电力被移除和重新施加的情况下容纳换灯的镇流器。 
在特定操作时间段如逆变器起动和灯点燃过程中禁止电弧检测也至关重要。例如，逆变器和灯的正常启动过程一般伴随有在电弧状况过程中出现的相同类型的电扰动。因此，除非在逆变器起动和灯点燃过程中禁止电弧检测，否则可能阻止逆变器恰当地起动和/或可能阻止镇流器恰当地点燃灯。此外，虽然多数灯在理想条件下能够正常地在短暂时间段(例如20毫秒)内点燃和操作，然而一些灯由于老化或低温而需要长得多的时间来点燃和稳定。因此，应当将电弧检测禁止足够长的时间段(例如至少 200毫秒左右)以适应在欠理想的条件之下起动的灯。 
还希望镇流器拥有某种自动重新启动能力，其中在检测到电弧状况和断开逆变器之后的指定时间内进行周期性的尝试以重新启动镇流器和点燃灯。希望有这一特征以便在由于瞬时的电力线瞬态或对镇流器可靠性和安全性无实际威胁的多种异常现象(例如电噪声)中的任何异常现象所造成的错误检测的情况下防止镇流器的“锁定”断开(这有必要关断、然后再次接通到镇流器的电力以便重置镇流器)。另外，由于灯多少有些不可预测，所以有可能其它方面“合格”的灯可能在首次尝试时有时无法恰当地起动。在这样的情况下，具有自动重新启动能力的镇流器将周期性地尝试起动灯而不是将镇流器或其逆变器简单地锁定于断开状态直至如循环向镇流器的供电的时间。 
对于为多个灯供电并包括自动重新启动能力的镇流器，在周期性的电弧状况的情况(即在例如小时、天、星期、月等的延续时间段继续重复出现的电弧状况)下，对重新启动镇流器并且点燃灯进行的周期性的(但是未成功的)尝试引起任何其余工作灯的定期(例如每秒一次)短暂闪光。持续出现直到电弧状况被校正或从镇流器移除电力的定期暂时闪光被认为在视觉上干扰在受影响的照明灯架附近的住户。此外，周期性的重新启动尝试对镇流器内的部件产生压力。因此，需要一种不仅使对住户的视觉干扰最小并且还避免给镇流器部件造成不必要的压力的电弧保护方式。 
许多现有电弧保护方式的又一弊端在于这些电路常常需要大量的工作功率。通常，工作功率需求随着电路复杂性而增加，尤其是当广泛地利用模拟电路时。因而，这些电路明显地有损于镇流器的整体能量效率。因此，还需要一种与现有方式相比具有相对适度工作功率需求的电弧保护电路。 
具有电流馈送自振荡逆变器和并联谐振输出电路的镇流器目前在北美是主流的“瞬间起动”设计拓扑结构。然而，在这些类型的镇流器内提供可靠的电弧保护带来巨大的工程设计挑战。具体而言，许多现有技术方式易受与电弧检测分辨率有关的问题影响，因此不适合于向多个(例如三个或四个)灯供电的镇流器。例如，在用于向三个或四个灯供电的镇流器中以及在涉及到仅一个灯或一个灯插座的电弧状况的情况下，用来指示电弧状况的任何信号可能被其余灯和插座以基本上正常的方式工作的事实所“淹没”。由于该问题，一种现有方法是对由镇流器供电的各灯提供单独的逆变器和输出电路；这样的方式具有如下明显缺点：非常昂贵，特别是对 于为三个或四个灯供电的镇流器(在该情况下需要三个或四个单独的逆变器和输出电路) 
在镇流器的输出与灯架之间存在的输出线路引入特定量的杂散电容。该杂散电容可能影响电弧保护电路可靠地检测存在电弧状况的能力。因而，需要一种能够解决杂散电容导致的任何影响的电弧检测电路。 
因此，需要一种具有如下电弧保护电路的镇流器，该电弧保护电路能够可靠地检测输出电弧状况(尤其是在多灯镇流器的背景下以及在面临镇流器与灯架之间的线路所导致的杂散电容时等)。还需要如下镇流器和电弧保护电路，该电路提供起动(即禁止)时间段以便允许适当的灯起动以及提供自动重新启动能力以便容纳错误检测和“合格”灯的异常起动故障，但是其提供方式为使得在电弧状况在延续时间段中继续重新出现时视觉上干扰的闪光和对镇流器部件的不必要的压力最小。还需要一种具有适度的工作功率需求的电弧保护电路。还需要一种提供所有上述功能性益处的电弧保护电路，该电弧保护电路在现有的镇流器中可容易且经济地实现。该镇流器和电弧保护电路代表较现有技术的相当大的进步。 
附图说明
图1是根据本发明优选实施例的具有电弧保护电路的镇流器的电框图。 
图2是根据本发明优选实施例的具有电弧保护电路和电流馈送自振荡半电桥型逆变器的镇流器的部分示意框图。 
图3是根据本发明优选实施例的用于在图2的镇流器中使用的电弧保护电路的具体示意图。 
具体实施方式
参照图1，用于向灯负载70(包括一个或多个气体放电灯)供电的镇流器20包括交流到直流转换器100、逆变器200、输出电路300和电弧保护电路400。交流到直流转换器100具有用于接收交流电源电压60(例如60赫兹的277伏特RMS)的输入102、104。在操作过程中，交流到直流转换器100向逆变器200提供直流干线电压。逆变器200的特征在于具有正常工作频率(例如40千赫兹)；也就是说，逆变器200的工作频率在至 少灯负载70内的各灯以基本上正常的方式工作时且当在(灯负载70内的)灯被连接到的照明灯架内的插座中的任一个处至少不存在电弧状况时是正常的。输出电路300耦合到逆变器200并适于耦合到灯负载70。电弧保护电路400耦合到逆变器200和输出电路300；可选地，灯故障保护电路400还耦合到交流到直流转换器100。 
在操作过程中，电弧保护电路400监视输出电路300内用于指示电弧状况的电信号。当镇流器20和灯负载70以正常方式工作时，输出电路300内的电信号将是具有与逆变器200的正常工作频率对应的预定正常基频(例如40千赫兹)的周期性信号。当电信号包括具有以下两个特征的高频(即具有实际上比逆变器的正常工作频率更高的频率)分量时认为已经出现电弧状况：(i)幅度超过预定阈值；以及(ii)基频为逆变器200的正常工作频率(例如40千赫兹)的至少十倍的水平。 
在操作过程中，电弧保护电路400提供如下起动时间段，在该起动时间段过程中无论电弧状况是否看起来存在都启用逆变器200并允许逆变器200尝试起动灯。因此，在起动时间段过程中电弧保护被有效地禁止。之所以希望在起动时间段过程中禁止电弧保护是因为灯的正常起动过程一般伴随有可能与真正的电弧状况无法区分的(在输出电路300内的被监视电信号中的)扰动。优选地，起动时间段被选择为在约200毫秒与约一秒之间，这通常提供允许点燃和稳定灯的充足时间，即使在涉及到老化灯或低环境温度的条件下。 
在完成起动时间段之后，如果存在电弧状况(如在输出电路300内的被监视电信号中的实质上的高频信号的存在所示)，则电弧保护电路400禁用逆变器200并且保持逆变器被禁用断开时间段。优选地，断开时间段被选择为具有至少起初在约一秒左右的水平的持续时间；在重复出现电弧状况的情况下，优选地将断开时间段的持续时间增加较大的量(优选地在至少五秒左右的水平)。 
当出现电弧状况时，电弧保护电路400可靠地检测电弧状况、然后迅速地禁用逆变器200。如前文间接提到的那样，电弧状况伴随有在输出电路300内的被监视信号中至少预定幅度的高频分量(具有是逆变器200的正常工作频率的例如至少十倍的水平的基频)的存在。电弧保护电路400检测该高频分量，禁用逆变器200，然后确保逆变器200在至少断开时间段的持续时间内保持被禁用。 
在完成断开时间段之后，电弧保护电路400再次提供如下起动时间 段，在该起动时间段过程中重新启用逆变器200并允许逆变器200尝试起动灯，而与电弧状况是否看起来(或事实上)存在无关。这一特征不仅容纳换灯(其中可以更换并且随后点燃和操作有故障的灯而无需移除、然后重新施加到镇流器的电力)，还允许镇流器和灯从比如“错误检测”(其中真正的电弧状况看起来存在、但是实际上并不存在)和异常起动故障(其中“合格”灯在首次尝试时没有点燃、但是在一次或多次相继尝试之后被点燃)这样的情形恢复。 
优选地，电弧保护电路400被配置成使得如果电弧状况在已经相继地提供预定数目(例如10个左右)的起动时间段(例如第一起动时间段、继而是第一断开时间段、继而是第二起动时间段、继而是第二断开时间段、....继而是第十起动时间段)之后继续重新出现，则断开时间段从第一持续时间(例如约1秒左右的正常初始断开时间段)增加到第二持续时间(例如约5秒左右)、然后维持于第二持续时间直至至少如不再出现电弧状况的时间。这一特征用任何其余工作灯的持续的偶尔闪光(即每5秒左右一次)取代任何其余操作灯的持续急速(即每一秒左右一次)闪光，从而极大地减少对住户的视觉干扰。此外，由于逆变器200的重新启动频率比之前低得多(例如每5秒左右一次而不是每1秒左右一次)，所以这一特征显著地减少镇流器20内的部件遭受通常伴随逆变器启动和灯点燃的较大电压力的频率；因而期望该特征有助于提高镇流器20的有用工作寿命。 
现在参照图2，在本发明的优选实施例中，交流到直流转换器100优选地被实现为全波整流器电路110和升压转换器120、130、140、150、160的组合。逆变器200优选地被实施为电流馈送自振荡半电桥型逆变器，而输出电路300优选地被实施为并联谐振输出电路。 
如图2中所示，交流到直流转换器100包括输入端子102、104、全波二极管电桥110、电容器112、升压控制电路120、升压电感器130、升压晶体管140、升压整流器150、大容量电容器160和输出端子106、108。在操作过程中，交流到直流转换器接收(经由输入端子102、104)来自交流电源60的交流电源电压(例如60赫兹的277伏特RMS)并且向逆变器200(经由输出端子106、108)提供调节的直流干线电压(例如455伏特)。 
逆变器200优选地包括双电流馈送电感器210、212、第一和第二逆变器晶体管220、240、第一基极驱动电路230、236、324、第二基极驱动 电路250、256、326和逆变器启动电路270。第一基极驱动电路(用于第一逆变器晶体管220)耦合到第一逆变器晶体管220并且包括基极驱动绕组324、二极管230和电阻器236。第二基极驱动电路(用于第二逆变器晶体管240)耦合到第二逆变器晶体管240并且包括基极驱动绕组326、二极管250和电阻器256。逆变器启动电路270耦合到交流到直流转换器100、第二逆变器晶体管240和逆变器接地50并且包括电阻器272、276、280、电容器282、二极管284和三层二极管(diac)290。在操作过程中，逆变器200从交流到直流转换器100接收直流干线电压并且向输出电路300提供(经由逆变器晶体管220、240的互补切换)高频(例如大于20,000赫兹)交流电压。逆变器启动电路270(向第二逆变器晶体管240)提供用于起初激活逆变器200的启动脉冲。 
输出电路300包括输出连接302、304、306、308、310、谐振电容器312、输出变压器320、322、324、326、直流阻隔电容器314、镇流电容器350、352、354、356、感测变压器360和调谐电容器370。输出变压器320、322、324、326包括耦合到逆变器200的初级绕组320、耦合到输出连接302、304、306、308、310的次级绕组322、作为逆变器200内第一基极驱动电路的部分的第一辅助绕组324和作为逆变器200内的第二基极驱动电路的部分的第二辅助绕组326。感测变压器360包括第一初级绕组362、第二初级绕组364和次级绕组366。第一初级绕组362耦合在输出变压器320、322、324、326的次级绕组与至少第一输出连接302之间；可选地，对于向四个灯供电的镇流器(如图2中所示)，第一初级绕组362耦合到第一、第二、第三和第四输出连接302、304、306、308中的各输出连接。第二初级绕组364耦合于输出变压器320、322、324、326的次级绕组322与返回输出连接310之间。次级绕组366磁性耦合到第一和第二初级绕组362、364。如图2中所示，第一和第二初级绕组362、364如各绕组上的点所示来取向。有利地，感测变压器360包括双初级绕组362、364(具有图2中所示取向)以便补偿由于镇流器输出连接302、304、306、308、310与灯负载70连接到的灯架的插座之间的线路中的杂散电容所导致的影响。具体而言，在感测变压器360中提供双初级绕组362、364确保即使杂散电容(可归因于输出线路)明显地衰减所得高频信号，仍然在跨次级绕组364生成的电压中可靠地反映电弧状况；例如，如果感测变压器360包括仅单个初级绕组(比如初级绕组362而没有初级绕组364)，则在与返回连接310邻近的那些灯插座处出现的电弧状况可造成的任何高频信号可能(被那些插座与返回输出连接310之间的线路中的杂散电 容)明显地衰减并从而有损于电弧保护电路400可靠地检测在那些灯插座处出现电弧状况的能力。因此，输出电路300和电弧保护电路400被配置成补偿镇流器20与包含灯负载70的灯架之间的输出线路中固有的杂散电容可造成的任何检测问题。调谐电容器370与感测变压器360的次级绕组366并联耦合。在操作过程中，输出电路300接收由逆变器200提供的高频交流电压并且供应(经由输出连接302、304、306、308、310)用于点燃灯负载70内的灯72、74、76、78的高电压和用于操作这些灯的幅度受限的电流。优选地，跨调谐电容器370的电压(以及相应地，跨感测变压器360的次级绕组366的电压)是用于指示电弧状况、由电弧保护电路400监视的输出电路300内的电信号。 
由于关于交流到直流转换器100、逆变器200和输出电路300的结构和操作的大部分详细内容是电子镇流器领域中的技术人员众所周知的，所以这里并不提供对这些电路的结构和操作的全面的具体说明。然而，为了理解本发明，应理解在镇流器20的操作过程中，感测变压器360实质上感测两个电流：(i)经由输出连接302、304、306、308从镇流器20总地流出的第一电流；以及(ii)经由返回输出连接310流回到镇流器20中的第二电流。当出现电弧状况时，第一和第二电流中的任一电流或二者将包括高频分量；将在跨感测变压器360的次级绕组366和调谐电容器370生成的电压中反映这一高频分量。重要的是，感测变压器360具有与调谐电容器370的电容组合构成如下并联谐振电路的次级侧磁化电感，该并联谐振电路具有被选择为逆变器200的正常工作频率的至少十倍水平的自然谐振频率；优选地，当逆变器200的正常工作频率在数十千赫兹的水平时，并联谐振电路的自然谐振频率被选择为在数百千赫兹至数兆赫兹的范围内。调谐并联谐振电路以检测跨感测变压器360的次级绕组366和调谐电容器370的电压中的任何高频分量，从而提供具有足以(向电弧保护电路400)指示存在电弧状况的幅度的电压信号(在电弧保护电路400的第一与第二连接402、404之间)。 
如图2所示，电弧保护电路400具有多个连接402、404、406、408、410、412、414。第一和第二连接402、404耦合到(输出电路300内的)调谐电容器370和感测变压器360的次级绕组366。第三连接406耦合到第二逆变器晶体管240和第二基极驱动电路250、256、326；更具体地，第三连接406耦合到逆变器晶体管240的基极242。第四连接408耦合到逆变器启动电路270；更具体地，第四连接408耦合到逆变器启动电路270内的电容器282和三层二极管290的接合处的节点278。第五和第六连接 410、412耦合到交流到直流转换器100；更具体地，第五和第六连接410、412耦合到升压电感器130的辅助绕组132。最后，第七连接414耦合到逆变器接地50。 
参照图2，在操作过程中，电弧保护电路400经由第一和第二连接402、404监视跨调谐电容器370和感测变压器360的次级绕组366存在的电压信号(VX)。如先前提到的那样，VX反映经由输出电路300提供到灯负载70的电流中存在的任何高频分量(具有为逆变器的正常工作频率的例如至少十倍的基频)。当VX包括幅度超过预定值的高频分量时，认为存在电弧状况。在起动时间段过程中，无论电弧状况是否存在或看起来存在都启用逆变器200并允许逆变器200尝试点燃灯72、74、76、78。在完成起动时间段之后，如果VX的幅度在预定值以上，则电弧保护电路400通过在断开时间段的持续时间内将第三和第四连接406、408有效地分路(shunt)到电弧保护电路400内的负电压VNEG来做出响应。如下文将更具体说明的那样，VNEG是由电弧保护电路400提供并且存在于参考节点(电弧保护电路400内)与逆变器接地50之间、具有适当幅度如-5伏特的负电压。通过将第三连接406分路到VNEG(即处于稍微低于逆变器接地50的电势)，电弧保护电路400确保响应于电弧状况来迅速和可靠地禁用逆变器200。在断开时间段的持续时间内将第四连接408分路到VNEG防止逆变器启动电路270在断开时间段过程中尝试重新启动逆变器200。在结束断开时间段时，电弧保护电路400停止将第三和第四连接406、408有效地分路到负电压VNEG。因而，逆变器200被重新启用(即被允许重新启动并且在至少起动时间段的持续时间内操作)。 
现在参照图3，在本发明的优选实施例中，电弧保护电路400包括检测电路420、微控制器440、第一分路电路418、450、第二分路电路460、468和直流电压电源电路470、476、478、480、490。微控制器440包括输入442、输出444、直流电源输入446和接地输入448。直流电源输入446耦合到第七连接414(第七连接414耦合到逆变器接地50)。接地输入448耦合到参考节点416。正如这里将更具体描述的那样，参考节点416具有相对于逆变器接地50为负(例如-5伏特左右)的电压VNEG。第一分路电路418、450耦合到第三连接406、微控制器440的输出444和参考节点416。第二分路电路460、468耦合于第四连接408、微控制器440的输出444和参考节点416之间。直流电压电源电路470、476、478、480、490耦合到第五和第六连接410、412、微控制器440的直流电源输入446和参考节点416。 
优选地，如图3所示，第一分路电路418、450包括第一电子开关450和第一电容器418。第一电子开关450优选地由具有第一(即栅极)端子452、第二(即漏极)端子454和第三(即源极)端子456的N沟道场效应晶体管(FET)实现。第一端子452耦合到微控制器440的输出444。第三端子456耦合到参考节点416。第一电容器418耦合于第三连接406与第一电子开关450的第二端子454之间。在电弧保护电路400的操作过程中，第一分路电路418、450用来通过经由电容器418将逆变器晶体管240的基极242有效地耦合到参考节点416来响应于电弧状况禁用逆变器200。由于参考节点416具有负电压(例如相对于逆变器接地50为-5伏特)，所以继激活第一电子开关450之后迅速和可靠地禁用逆变器200。 
如图3所示，检测电路420优选地包括第一整流器电路422、第二电容器424、第二电子开关430、第一电阻器426、第二电阻器428和第三电阻器438。第一整流器电路422优选地被实现为耦合到第一和第二连接402、404的全波二极管电桥。第二电容器424耦合于第一整流器电路422与参考节点416之间。第二电子开关430优选地被实现为具有第一(即基极)端子432、第二(即集电极)端子434和第三(即发射极)端子436的NPN双极结晶体管(BJT)。第三端子436耦合到参考节点416。第一电阻器426耦合于第一整流器电路422与第二电子开关430的第一端子432之间。第二电阻器428耦合于第二电子开关430的第一端子432与参考节点416之间。第三电阻器438耦合于微控制器440的直流电源输入446与第二电子开关430的第二端子434之间。在操作过程中，检测电路420作为峰值检测器电路来工作。更具体地，检测电路420对跨调谐电容器370和感测变压器360的次级绕组366的电压信号进行全波整流(经由整流器电路422)和滤波(经由电容器424)；如先前说明的那样，当实质高频分量(指示电弧状况)出现在流过初级绕组362、364的电流中时，跨调谐电容器370和次级绕组366的电压信号将具有可估计的幅度。在检测电路420内，电阻器426、428用作确定用于晶体管430的适当触发电平的分压器；更具体地，当跨电容器424的滤波电压超过预定阈值时，在晶体管430的基极432与发射极436之间提供充分电压以便激活(即接通)晶体管430。在晶体管430接通的情况下，向微控制器440的输入442提供的电压从高(例如相对于参考节点416取作+5伏特左右)变成低(例如相对于参考节点416取作0.2伏特左右)。 
优选地，如图3所示，第二分路电路460、468、469包括第三电子开关460、第四电阻器468和第五电阻器469。第三电子开关460优选地被 实现为具有第一(即基极)端子462、第二(即集电极)端子464和第三(即发射极)端子466的NPN型双极结晶体管(BJT)。第二端子464耦合到第四连接408。第三端子466耦合到参考节点416。第四电阻器468耦合于微控制器460的输出444与第三电子开关460的第一端子462之间。第五电阻器469耦合于(第三电子开关460的)第一端子462与参考节点416之间。在操作过程中，第二分路电路460、468、469进行工作以确保逆变器200在断开时间段过程中保持被禁用。第二分路电路460、468、469通过防止(逆变器启动电路270内的)电容器282被充电到足以触发逆变器启动电路270内的三层二极管290的电压(例如32伏特)来实现这一点。 
微控制器440优选地由适当的可编程集成电路如Part No.PIC10F200(由Microchip公司制造)来实现，这具有相对低成本和低工作功率需求的优点。微控制器440被编程为提供以下功能：(1)监视在输入442处的电压，其中如果在输入442的电压下降到预定电平(例如相对于参考节点416约为0.2伏特左右)以下，则认为已经出现电弧状况；(2)在起动时间段过程中将在输出444处的控制电压设置于不足以激活第一和第三电子开关450、460的第一电平(例如相对于参考节点416小于约0.6伏特)，并且在起动时间段的持续时间内将控制电压维持于该第一电平；(3)在完成起动时间段之后，如果不存在灯故障状况，则将在输出444处的控制电压维持于第一电平；(4)在完成起动时间段之后，如果存在灯故障状况，则将在输出444处的控制电压设置于足以激活第一和第三电子开关450、460的第二电平(例如相对于参考节点416为+4.3伏特左右)，并且在断开时间段的持续时间内将控制电压维持于第二电平；以及(5)在完成断开时间段之后，将在输出444处的控制电压设置于第一电平(以便允许逆变器重新启动)，并且在起动时间段的持续时间内将控制电压维持于第一电平。优选地，微控制器440还响应于即使在已经相继地提供预定数目的起动时间段之后仍然继续重新出现的电弧状况来工作，以将断开时间段从第一持续时间(例如1秒左右)增加至第二持续时间(例如5秒左右)，并且将断开时间段维持于第二持续时间直到至少如不再重新出现电弧状况的时间。 
再次参照图3，在本发明的优选实施例中，直流电压电源电路470、476、478、480、490包括第二整流器电路470、第三电容器476、第六电阻器478、电压调节器480和第四电容器490。第二整流器电路470优选地由耦合到第五和第六连接410、412(第五和第六连接410、412耦合到 辅助绕组132，该辅助绕组132磁耦合到升压电感器的初级绕组130)、第一节点472、和第二节点474的全波二极管电桥(即具有四个二极管)实现。第一节点472耦合到微控制器440的直流电源输入446和第七连接414。第三电容器476耦合于第一节点472与第二节点474之间。第六电阻器478耦合于第二节点474与微控制器440的接地输入448之间。电压调节器480优选地被实现为耦合于微控制器440的直流电源输入446与接地输入448之间的齐纳二极管。最后，第四电容器490耦合于第七连接414与参考节点416之间。在操作过程中，直流电压电源电路470、476、478、480、490对跨升压电感器130的辅助绕组132的高频交流电压进行整流、滤波和调节以提供用于向微控制器440供电的直流工作电压(例如相对于参考节点416为+5伏特)。有利地，由于升压转换器即使在逆变器200被禁用时仍继续操作(虽然占空比显著下降)，直流工作电压将继续被提供给微控制器440，从而允许微控制器440继续控制对逆变器200的禁用和启用进行控制的定时和其它逻辑功能。就这一点而言，优选的是电压调节器480由如下齐纳二极管(例如part no.1N4688)实现，该齐纳二极管具有适当低的齐纳电流以及适当低的漏电流以便使如下时间段最大，在该时间段过程中直流电压电源电路470、476、478、480、490在逆变器200被禁用之时继续提供直流工作电压。直流电压电源电路470、476、478、480、490还进行工作以确保在参考节点416的电压相对于逆变器接地50为负(例如-5伏特)；如先前说明的那样，提供负电压对于在检测到灯故障状况时迅速和恰当地禁用逆变器200这一目标至关重要。 
当用图3所示的结构来实施时，电孤保护电路400能够以成本有效和能量高效的方式来实现。由于定时和逻辑功能由微控制器440处理，所以只需适度数量的相关联的分离的电路。此外，由于只需适度数量的分离的电路这一事实以及微控制器440可以由具有相对低的工作功率需求的器件(例如Microchip公司的part no.PIC10F200)实现这一事实，所以电弧保护电路400消耗很少功率(例如约100毫瓦左右)并且因此对镇流器20的整体能量效率的影响最小。 
现在参照图2和图3如下说明镇流器20和电弧保护电路400的具体操作。在以下描述中，除非另有指明，所有电压都是相对于逆变器接地50来提及的。 
在向镇流器20(通过输入连接102、104)施加交流功率之后的短暂时间段内，升压控制电路120开启并且开始提供升压晶体管140的切换。 一旦升压控制电路120开启并且开始接通和切断升压晶体管140，对应的电压就跨升压电感器130和辅助绕组132生成。甚至在升压转换器开始工作之前，在逆变器启动电路270内，电容器282开始经由电阻器272、276充电；电阻器280的尺寸(相对于电阻器272、276)被设为防止逆变器200的启动直至至少如升压转换器开始工作并且提供如下直流干线电压(输出端子106、108之间)的时间，该直流干线电压实质上高于向输入端子102、104提供的交流电源电压的峰值。一旦跨电容器282的电压达到预定电平(例如32伏特)，三层二极管290变为导通并且将起动脉冲(来自电容器282中存储的能量)递送到逆变器晶体管240的基极242。起动脉冲使逆变器晶体管240开启，从而以本领域技术人员众所周知的方式发起逆变器200的自振荡操作。 
几乎紧接在交流功率被施加到镇流器20之后，存在于交流到直流转换器100的输出106、108之间的直流干线电压迅速地达到交流线电源电压(例如277伏特RMS)的峰值(例如390伏特)、然后在升压转换器开始工作之后增加至更高的值(例如455伏特)。一旦升压转换器开始工作，跨辅助绕组132生成的电压用来提供用于电孤保护电路400的工作功率源。因而，电弧保护电路400在升压转换器开始工作之后不久开始工作。具体而言，跨辅助绕组132的交流电压由灯故障保护电路400内的直流电压电源电路470、476、478、480、490处理以向微控制器440的直流电源输入446提供调节的直流电源电压(例如+5伏特)，从而向微控制器440供电并且还在参考节点416处提供负电压(例如相对于逆变器接地50为-5伏特)。 
一旦微控制器440被激活，起动时间段(具有在例如200毫秒左右与一秒左右之间的持续时间)开始。在起动时间段过程中，在微控制器440的输出444处的控制电压为低(例如相对于参考节点416约为0.6伏特)；相应地，FET 450和BJT 460保持关断。因而，允许逆变器200进行工作以点燃灯72、74、76、78并且为这些灯供电。 
在灯72、74、76、78的正常点燃过程中，当灯点燃时，与在电弧状况过程中出现的信号相似的信号通常可能出现在逆变器200和输出电路300内。如先前讨论的那样，重要的是该出现实质上被电弧保护电路400忽视以允许逆变器200和输出电路300工作足够长的时间段(例如在200毫秒左右与一秒左右之间)以便成功地点燃灯72、74、76、78。因而，微控制器440被编程为在起动时间段过程中有效地忽略指示电弧状况的 在输入442处的任何信号。 
在结束起动时间段时(在这一点可假定所有灯被点燃并且已经开始以实质上正常的方式工作)，电弧保护电路400开始针对电弧状况的出现来积极地监视跨调谐电容器370和(感测变压器360的)辅助绕组366的电压信号VX。如先前说明的那样，如果足够幅度的高频信号(具有为逆变器的正常工作频率的例如十倍的基频)存在于流过感测变压器360的初级绕组362、364的电流中，则VX的幅度将超过预定电平。由于感测变压器360的次级侧漏电感和电容器370的电容构成具有如下谐振频率的并联谐振电路，该谐振频率优选地被选择为逆变器的正常工作频率的约十倍的水平，则将在VX的幅度(即峰值)中反映流过初级绕组362、364的电流中的任何相应的高频分量。如先前说明的那样，如果VX超过预定幅度，则电弧保护电路400将其解释为指示电弧状况。 
当VX超过预定幅度时，在检测电路420内，在晶体管430的基极432处生成充足的电压以接通晶体管430。在晶体管430接通的情况下，在微控制器440的输入442处的电压变为低(即相对于参考节点416约为0.2伏特左右)。微控制器440将其解释为指示电弧状况。相应地，在输出444处的控制电压变为高(例如相对于参考节点416取作+4.3伏特)，从而接通FET 450和BJT 460。在FET 450被接通的情况下，逆变器晶体管240的基极242耦合(经由电容器418)到参考节点416处的负电压(例如-5伏特)；因而，逆变器晶体管240将被关断或如果当前为关断则被防止再次接通，从而禁用逆变器200。同时，在BJT 460接通的情况下电容器282(逆变器起动电路270内)耦合到在参考节点416处的负电压(例如-5伏特)；因而，将防止电容器282被充电到足以触发三层二极管290并且重新发起逆变器200的工作的电压(例如+32伏特)。微控制器440的输出444处的电压在断开时间段的持续时间(例如1秒)内保特为高(例如相对于参考节点416为+4.3伏特)。以这一方式，电孤保护电路400通过迅速地禁用逆变器200并且随后在至少预定时间段(例如1秒)中防止逆变器200尝试重新启动来对电弧状况做出响应。 
在断开时间段(例如在已经检测到故障之后的1秒)结束时，微控制器440的输出444处的电压从高(例如相对于参考节点416为+4.3伏特)变为低(例如相对于参考节点416约为0.6伏特)，从而关断FET 450和BJT 460。因而，在结束断开时间段时，电弧保护电路400停止将第三和第四连接406、408有效地分路到参考节点416，由此重新启用逆变器200 (即允许逆变器启动电路270重新启动逆变器200)，然后再次允许逆变器200继续工作至少定时的起动时间段的持续时间(例如200毫秒或更多)，在该持续时间过程中再次允许逆变器200和输出电路300尝试点燃并且开始操作灯72、74、76、78。以这一方式，电弧保护电路400提供用以容纳换灯而无需循环向镇流器的供电的自动重新启动能力，并且还提供对任何电弧状况的错误/异常检测的有用抗扰程度。 
在重复出现的电弧状况(即在连续多个重新启动周期中继续重新出现的电弧状况)的情况下，电弧保护电路400将提供有限数目的重新启动尝试(例如根据先前描述为10个左右)、但是然后转变成其中断开时间段明显增加(例如从约1秒增加至约5秒左右)的不同工作模式。断开时间段的增加不仅用以防止任何工作的灯的频繁(且干扰的)闪光而且减少对逆变器200和输出电路300中的部件的不必要压力。只要电弧状况继续重新出现，断开时间段将保持于增加的值。在假设当电弧状况不再以各重新启动周期重新出现时的某一将来点，电弧保护电路400回复到其正常工作模式(即FET 450和BJT 460将被关断并且保持关断)，从而允许逆变器200以正常方式工作直至至少如随后出现灯故障状况的时间(在这种情况下将重复前述事件)。 
用于实施电弧保护电路400的优选部件值列表如下： 
电容器418：            220皮可法拉 
二极管电桥422：1N4148(4个二极管) 
电容器424：            330皮可法拉 
电阻器426：            4.7千欧姆 
电阻器428：            1.8千欧姆 
晶体管430：            2N3904 
电阻器438：            10千欧姆 
微控制器440：          Part No.PIC10F200(由Microchip公司制造) 
晶体管450：            2N7002或FDC301N 
晶体管460：            2N3904 
电阻器468：            47千欧姆 
二极管电桥470：        1N4148(4个二极管) 
电容器476：        100微法拉 
电阻器478：        15千欧姆 
齐纳二极管480：    4.7伏特(Part No.1N4688) 
电容器490：        33微法拉 
虽然已经参照特定优选实施例描述了本发明，但是在不脱离本发明的新颖的精神和范围的情况下，本领域技术人员可作出许多修改和变化。 

Claims (7)

1.一种用于向至少一个气体放电灯供电的镇流器，所述镇流器包括：
交流到直流转换器，具有用于接收交流电源电压的输入和用于提供直流干线电压的输出；
逆变器，耦合到所述交流到直流转换器，所述逆变器具有正常工作频率，所述逆变器包括：(i)第一和第二逆变器晶体管；(ii)耦合到所述第一逆变器晶体管的第一基极驱动电路；(iii)耦合到所述第二逆变器晶体管的第二基极驱动电路；(iv)逆变器接地；以及(v)耦合到所述交流到直流转换器、所述第二逆变器晶体管和所述逆变器接地的逆变器启动电路；
输出电路，耦合到所述逆变器，所述输出电路包括：
至少第一输出连接(302)和返回输出连接(310)，其中所述第一输出连接(302)和所述返回输出连接(310)适于耦合到第一气体放电灯(72)；
感测变压器(360)，耦合到所述第一输出连接(302)和所述返回输出连接(310)；以及
调谐电容器(370)，与所述感测变压器（360）并联耦合；以及
电孤保护电路，耦合到所述逆变器和所述输出电路，所述电弧保护电路包括：
多个连接，所述多个连接包括：耦合到所述输出电路(300)的所述调谐电容器(370)的第一和第二连接(402，404)、耦合到所述第二逆变器晶体管和所述第二基极驱动电路的第三连接(406)、耦合到所述逆变器启动电路的第四连接(408)、耦合到所述交流到直流转换器的第五和第六连接(410，412)以及耦合到所述逆变器接地的第七连接(414)；
微控制器(440)，具有输入(442)、输出(444)、直流电源输入(446)和接地输入(448)，其中所述直流电源输入(446)耦合到所述第七连接(414)，而所述接地输入(448)耦合到参考节点(416)；
检测电路(422，424，426，428，430，438)，耦合于所述第一和第二连接(402，404)与所述微控制器(440)的所述输入(442)之间；
第一分路电路(418，450)，耦合到所述第三连接(406)、所述 微控制器的所述输出(444)和所述参考节点(416)；
第二分路电路(460，468)，耦合到所述第四连接(408)、所述微控制器的所述输出(444)和所述参考节点(416)；以及
直流电压电源电路(470，476，478，480，490)，耦合到所述第五和第六连接(410，412)、所述微控制器的所述直流电源输入(446)、所述第七连接(414)和所述参考节点(416)。
2.根据权利要求1所述的镇流器，其中：
所述感测变压器(360)包括：
第一初级绕组(362)，耦合到至少所述第一输出连接(302)；
第二初级绕组(364)，耦合到所述返回输出连接(310)；以及
次级绕组(366)，磁耦合到所述第一和第二初级绕组(362，366)并且与所述调谐电容器并联电耦合；
所述感测变压器(360)具有次级侧磁化电感；以及
所述感测变压器(360)的所述次级侧磁化电感和所述调谐电容器(370)的电容一起构成具有自然谐振频率的并联谐振电路，所述自然谐振频率是所述逆变器的所述正常工作频率的至少十倍的水平。
3.根据权利要求2所述的镇流器，其中：
所述逆变器的所述正常工作频率在数十千赫兹的水平；以及
所述并联谐振电路的所述自然谐振频率在数百千赫兹至数兆赫兹的范围内。
4.根据权利要求2所述的镇流器，其中所述输出电路还包括以下连接中的至少一个：
第二输出连接(304)，适于耦合到第二气体放电灯(74)，其中所述第二输出连接(304)还耦合到所述感测变压器(360)的所述第一初级绕组(362)；
第三输出连接(306)，适于耦合到第三气体放电灯(76)，其中所述第三输出连接(306)还耦合到所述感测变压器(360)的所述第一初级绕组(362)；以及
第四输出连接(308)，适于耦合到第四气体放电灯(78)，其中所述第四输出连接(308)还耦合到所述感测变压器(360)的所述第一初级绕 组(362)。
5.根据权利要求1所述的镇流器，其中：
所述第一分路电路包括：
第一电子开关(450)，具有第一、第二和第三端子(452，454，456)，其中所述第一端子(452)耦合到所述微控制器(440)的所述输出(444)，而所述第三端子(456)耦合到所述参考节点(416)；以及
第一电容器(418)，耦合于所述第三连接(406)与所述第一电子开关(450)的所述第二端子(454)之间；
所述检测电路包括：
第一整流器电路(422)，耦合到所述第一和第二连接(402，404)；
第二电容器(424)，耦合于所述第一整流器电路(422)与所述参考节点(416)之间；
第二电子开关(430)，具有第一端子(432)、第二端子(434)和第三端子(436)，其中所述第三端子(436)耦合到所述参考节点(416)；
第一电阻器(426)，耦合于所述第一整流器电路(422)与所述第二电子开关(430)的所述第一端子(432)之间；
第二电阻器(428)，耦合于所述第二电子开关(430)的所述第一端子(432)与所述参考节点(416)之间；以及
第三电阻器(438)，耦合于所述微控制器(440)的所述直流电源输入(446)与所述第二电子开关(430)的所述第二端子(434)之间；以及
所述第二分路电路包括：
第三电子开关(460)，具有第一、第二和第三端子(462，464，466)，其中所述第二端子(464)耦合到所述第四连接(408)，而所述第三端子(466)耦合到所述参考节点(416)；
第四电阻器(468)，耦合于所述第三电子开关(460)的所述第一端子(462)与所述微控制器(440)的所述输出(444)之间；以及
第五电阻器(469)，耦合于所述第三电子开关(460)的所述第一端子(462)与所述参考节点(416)之间。
6.根据权利要求5所述的镇流器，其中所述微控制器可操作用以： 
监视在所述微控制器(440)的所述输入(442)处的电压，其中如果在所述输入(442)处的所述电压下降到低于预定电平则认为已经出现电孤状况；
在起动时间段过程中，将在所述微控制器的所述输出处的控制电压设置于不足以激活所述第一和第三电子开关的第一电平，并且在所述起动时间段的持续时间内将所述控制电压维持于所述第一电平；
在完成所述起动时间段之后：
如果不存在电孤状况，则将所述控制电压维持于所述第一电平；
如果存在电弧状况，则将在所述微控制器的所述输出处的所述控制电压设置于足以激活所述第一和第三电子开关的第二电平，并且在断开时间段的持续时间内将所述控制电压维持于所述第二电平；
在完成所述断开时间段之后，将在所述微控制器的所述输出处的所述控制电压设置于所述第一电平，并且在所述起动时间段的持续时间内将所述控制电压维持于所述第一电平；以及
响应于在已经相继地提供预定数目的起动时间段中的各起动时间段之后继续重新出现的电孤状况，将所述断开时间段从第一持续时间增加至第二持续时间，并且将所述断开时间段维持于所述第二持续时间直至至少不再重新出现电弧状况时。
7.根据权利要求6所述的镇流器，其中：
所述直流电压电源电路包括：
第二全波二极管电桥(470)，耦合到所述第五和第六连接(410，412)、第一节点(472)和第二节点(474)，其中所述第一节点(472)耦合到所述微控制器(440)的所述直流电源输入(446)和所述第七连接(414)；
第三电容器(476)，耦合于所述第一与第二节点(472，474)之间；
第六电阻器(478)，耦合于所述第二节点(474)与所述微控制器(440)的所述接地输入(448)之间；
电压调节器(480)，耦合于所述微控制器(440)的所述直流电源输入与接地输入(446，448)之间；以及 
第四电容器(490)，耦合于所述第七连接(414)与所述参考节点(416)之间；
所述交流到直流转换器包括全波整流器(110)和升压转换器(120，130，140，150，160)，其中所述升压转换器包括升压电感器，所述升压电感器具有初级绕组(130)和磁耦合到所述初级绕组的辅助绕组(132)；以及
所述电弧保护电路(400)的所述第五和第六连接(410，412)耦合到所述升压电感器的所述辅助绕组(132)。 
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