CN101574021A - 电子镇流器的灯寿命终止单点感测、防电弧放电和空载保护 - Google Patents

电子镇流器的灯寿命终止单点感测、防电弧放电和空载保护 Download PDF

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Abstract

披露了系统和方法，所述系统和方法有利于感测灯处于寿命终止(EOL)阶段时或者灯经历例如灯与其支座之间的触点受损时可能出现的电弧放电传导情形时灯用镇流器中的脉冲。通过感测脉冲，微控制器可基于检测到的脉冲宽度区分EOL和电弧放电情形，并可起动适当的响应。例如，如果脉冲由电弧放电现象引起，则微控制器可在重启灯之前短时中断灯的工作，以减少电弧放电情形。如果脉冲由EOL情形引起，则微控制器可将灯置于预热或重启模式以加速灯的失效。在任一情况下，对感测脉冲的响应均减少可破坏灯座的危险高灯温的出现。

Description

电子镇流器的灯寿命终止单点感测、防电弧放电和空载保护
发明背景
设计灯及相关电路时，经济方面的考量最为重要并且通常在合格设计和最优设计之间存在差异。目前灯已实现各种尺寸以适应多种设计变化。例如，T8灯的直径约为1英寸，T12灯的直径约为1.5英寸。还可获得其它的尺寸以满足设计者和消费者的需求。
T5灯和镇流器已日益普及，这部分地归因于相对于其它镇流器-灯系统其具有紧凑的尺寸和高的流明效率。然而，小直径灯可能引起一定的担忧，特别是当灯接近其寿命终止(EOL)时。例如，一些灯的端盖可能过热，这是由于接近EOL阶段时灯丝中的发射混合物(emission mix)耗尽并且阴极和灯壁之间的空间狭小。在出现这种情形时，灯的端盖和支座可能超过设计温度极限并对照明系统的安全和可靠性造成不良影响。因而，对有利于检测和/或避免灯中过热情形的系统和/或方法存在需求，这种需求在现有技术中未获满足。
发明内容
根据一个或多个方面，有利于电子镇流器的寿命终止单点感测(single-point sensing)、防电弧放电及空载保护的系统可包括：第一电容器、第二电容器和二极管，它们在与第一和第二电容器串联连接的第一灯中出现脉冲事件(pulsing event)时经历一个或多个电流和电压的阶跃变化；以及控制器，该控制器检测所述一个或多个电流和电压的阶跃变化并启动对脉冲事件的响应，该脉冲事件作为与至少一个脉冲相关的信息的函数。
根据其它方面，感测电子镇流器中的事件的方法可包括：启动与电子镇流器工作连接的灯；通过检测镇流器中的电感器和阴极变压器绕组中至少一个的电流阶跃变化，确定是否已出现至少一个脉冲事件；确定所述脉冲事件与灯的寿命终止情形相关还是与灯终端的电弧放电情形相关。
根据其它特征，有利于减少灯中危害情形的系统可包括：用于确定电流水平是否已出现阶跃变化的装置；用于确定与阶跃变化相关的脉冲宽度的装置，该脉冲宽度表明阶跃变化是由灯的寿命终止情形和灯终端的电弧放电情形中的至少一种引起的；在确定阶跃变化是由寿命终止情形引起的情况下，用于加速灯失效的装置；以及在确定阶跃变化是由灯终端的电弧放电情形引起的情况下，用于使灯的工作暂时中断预定时间的装置。
附图说明
图1示出程序启动镇流器布局(program-start ballast topography)的示意图，其中该镇流器采取单点电压感测检测EOL、防电弧放电及空载保护措施。
图2示出程序启动镇流器布局的一部分的示意图，其示出了灯处于EOL或电弧放电模式时通过该布局的电流通路。
图3和图4示出根据各方面当灯处于EOL脉冲模式时电感器L1的电流和电压曲线图。
图5示出根据各方面在检测到预定数量的事件之后在灯用镇流器中响应电弧放电和/或EOL事件的方法。
图6示出根据本发明的一个或多个特征通过暂时中断灯用镇流器的输出来减少电弧放电的方法。
图7示出镇流器电路布局的示意图，根据本发明的各种特征，该镇流器电路布局有利于为灯提供空载保护。
具体实施方式
常规的镇流器与灯串联并如下感测灯的整流：采用过电压(例如阴极中的发射混合物耗尽时灯升高电压的情况)，或者感测整流电通过DC隔离电容器时DC隔离电容器上的电压。如果测到的电压落在具有预定最小值和最大值的上下限幅之外，则保护电路通常以切断镇流器的方式进行响应。
然而，存在很多与过电压感测方法相关的不足。首先，镇流器需要能够支持在不同的电压下工作的多种功率和灯长。其次，当两个或更多个灯以串联构造工作时该问题变得更为明显。即使灯处于良好的情形，按照这种检测方法设计的镇流器也常常不能稳定地工作并可能引发故障。在一些情况下，保护电路可作出如下反应：起动镇流器启动程序(ballast startingsequence)，更换灯(re-lamping)，甚至是通过切断镇流器导线连通灯具的长度方向(wiring length ofa fixture)。上述问题至多使镇流器的工作不可靠。
用于EOL检测的另一机制利用与灯串联的电容器检测灯电流的整流或不平衡的存在。如果通过电容器的直流值在具有预定值的上下限幅之外，则该电路切断镇流器以防止灯的端盖和支座过热，进而保护镇流器。为提高流明效率，一些灯的设计使用氪(Kr)作为缓冲气体以改善灯的效率和有效性。即使用于非调光应用，高的Kr含量也常常在灯中造成条纹。一些镇流器的设计向灯中注入直流电以改善灯的稳定性，但增加的直流分量可能扰乱EOL保护电路。控制器驱动电路的部件容许误差(component tolerance)和不平衡使这些问题进一步加剧。
此外，镇流器设计者已开发出多种空载保护方法，以保护镇流器抵御空载情形并降低灯座触点处存在的过高电压。通常这包括感测阴极上的直流电通路或灯上的电压。两种方式均不能为开关器件和集成控制电路提供足够和快速的保护，空载情形还可能造成很多镇流器中的失效。
根据本文所述的各方面，本发明描述了一种镇流器设计中的灯寿命终止(EOL)检测/保护电路，该电路有利于避免灯的EOL模式造成的过热。通常，当灯接近寿命终止时表现出三种模式：灯的脉冲(pulsing on the lamp)；不对称的功率耗散；在一个或两个灯阴极中灯丝断开。本发明提供脉冲感测电路和编程程序(programming routine)，用于检测灯处于EOL时或灯与其支座之间接触不良造成的电弧放电传导时对称和/或不对称的脉冲。在任一种情况下(EOL或电弧放电)，均出现灯电流的阶跃变化，且与灯串联的限流电容器上的电压降低。为响应该阶跃变化，阶跃高峰值电流通过阴极加热变压器的初级绕组，进而在绕组上产生高峰值电压。模拟电路可首先经由取样-保持电路处理峰值电压信号，微控制器可进一步处理该信号。本发明包括利用程控电力(programming power)的单点感测方法，以确定灯处于EOL阶段还是经历电弧放电情形，并随后相应作出响应。最后，对于串联和/或并联灯构造，还将空载检测电路引入单点感测技术。
当灯和放置灯的支座或灯座之间存在中间触点(intermediate contact)时，以及在热换灯过程中，可能出现电弧放电事件，电弧放电事件可能使灯的支座和其它固定部件过热。当前市售的许多镇流器是没有防电弧放电保护的。输出中的电弧放电，与处于EOL阶段的灯表现出的脉冲类似，出现在单感测点上；然而，电弧放电脉冲比EOL脉冲的峰值持续时间长。因而，可通过编程辨识脉冲持续时间，进而利用脉冲持续时间区分EOL与电弧放电。大的脉冲宽度(例如大于约50ms)是输出时存在电弧放电的指示。镇流器100可根据消费者的需求以两种不同的方式响应电弧放电。例如，一种方法包括：切断和重启灯，然后在检测到预定数量的电弧之后切断镇流器。另一种方法包括通过暂时中断输出消除电弧放电。
参照图1，示出了程序启动镇流器布局100的示意图，其中镇流器采取单点电压感测EOL检测、防电弧放电及空载保护措施。镇流器100可区分EOL事件和电弧放电事件，并可以避免灯的不必要损耗的方式响应电弧放电事件，如果将电弧放电事件误当作EOL信号，则会发生灯的不必要损耗。根据本发明的各种特征，电子镇流器可用于T5放电灯以及其它尺寸的灯(例如T8、T4、T1、T2、T3或任意其它合适尺寸的灯)。根据相关的方面，可利用镇流器电路为并联T5灯(或其它尺寸的灯)的镇流器提供单感测点EOL检测、防电弧放电和空载保护。应当认识到，尽管结合本文披露的大多数方面对T5灯进行了描述，但任意合适尺寸的灯可结合本发明使用，并且任意和所有这些尺寸的灯意图落在所述特征的范围和构思内。
图1的电路代表程序启动镇流器布局的实例，该布局采取单点电压感测EOL、防电弧放电和空载保护措施，其中存在两个与标记为灯1的灯串联的电容器C1和C3。电容器C2、C4和灯2与第一电容-灯组件完全相同，用于并联灯操作。变压器T1的输出绕组分为两部分：开关Q1以及二极管D1、D2、D3和D4，连同电感器L1和微控制器M1，该构造有利于预热、阴极电压控制和启动。C1和C3的存在有利于灯的限流。二极管D5、电容器C5和C6、电阻器R1和R2有利于EOL、防电弧放电和空载信号感测。根据各方面，通过感测节点102处的电流和/或电压，可促进单点感测。
如图所示，将灯1和灯2布置为并联构造，从而允许微控制器M1同时评价所述两个灯的EOL和/或电弧放电情形。例如，如果确定灯1发生电弧放电，则控制器例如微控制器M1或者基于任意其它适当或已知的硬件或软件的控制装置可启动防电弧放电措施，例如以下针对图5和图6说明的措施，同时允许灯2继续正常工作。根据另一实例，灯2可处于EOL模式，该模式可触发微控制器以起动失效程序(failure sequence)，从而保证允许灯1继续正常工作的同时灯2不会造成安全危害。因而，可利用该并联构造，降低响应电弧放电和/或EOL情形时完全切断与镇流器电路相关的所有灯的需要。
在图1的并联灯构造中，微控制器M1可分别间接借助于从D1或D4中流过的电流针对灯1评价电容器C1和C3的阶跃变化和/或针对灯2评价电容C2和C4的阶跃变化，以确定出现电弧放电还是EOL事件。例如，微控制器M1可评价并比较与电弧放电和/或EOL情形相关的一个或多个脉冲宽度以确定是否存在所述情形，并且由于与电弧放电事件相关的脉冲通常比与EOL事件相关的脉冲宽，因而微控制器M1可基于脉冲宽度区分电弧放电和EOL情形。
图2是程序启动镇流器200布局的一部分的示意图，该布局可类似于上述程序启动镇流器布局，并且该图示出了灯处于EOL或电弧放电模式时通过该布局的电流通路。例如，当灯趋近EOL模式时，可观察到同时存在的整流和对称/不对称脉冲。为了符合标准(for compliances)，对各种脉冲持续时间(例如3ms开启/3ms关闭，27ms开启/3ms关闭，等等)进行测试。如图2所示，处于EOL模式时，脉冲从一种状态转变为另一种状态将引起C1和C3的阶跃电压变化(如图3所示)。这种阶跃变化导致高的Δi/Δt电流通过二极管D1而使C1和C3充电。通过绕组L1的高Δi/Δt电流产生作用于电感器L1的高峰值电压。
参照图1的部件，可利用包括D5、C5、R1和R2、D6的峰值取样-保持电路进一步处理波形。齐纳二极管D6可用于改善信噪比(SNR)，C6可用于滤除高频率噪声。所得到的波形如图4所示。按照信号的最小宽度可大于设计中所用微控制器M1的最大取样率的方式设计电路。当检测EOL信号时，在重启灯之前，微控制器M1可将镇流器置于预热模式或切断模式持续预设的时间。根据一些特征，在检测到N次EOL信号之后，可随即将镇流器置于永久切断模式，其中N为整数并且仅能通过重复输入功率或换灯重置。根据更为具体的实例，N可等于3，尽管可根据不同的设计和/或设计者意愿选择任意其它适当的数值(例如1、2、4、5、6……)。
图3和图4示出了根据各方面当灯处于EOL脉冲模式时作用于电感器L1的电流和电压的曲线图300和400。例如，图3示出了作用于前述各图中电容C1的电压302和作用于C3的电压304。示出了取样-保持和分频(scaledown)措施之前，由于峰值电流308通过电感器L1而作用于电感器L1的峰值电压306。图4示出了在用于微控制器M1的模拟-数字转换器的信号经过调整的情况下在所述措施之后作用于电感器L1的电压402。
结合图5和图6，描述了有利于提供并联灯用镇流器的方法，该并联灯用镇流器允许单点感测EOL、防电弧放电和空载保护措施。将该方法表示为示意一系列动作的流程图。然而，应当认识到，根据本发明的各方面，所述一个或多个动作可按照与所示顺序不同的顺序进行，也可与一个或多个其它的动作同时进行。此外，应当理解的是，根据一些方面，给定的方法所包括的动作可少于所示的全部动作。
图5示出了根据本发明的各方面检测到预定数量的电弧之后灯用镇流器中响应电弧放电和/或EOL脉冲事件的方法500。由于方法500在确定灯处于其寿命终止或出现电弧放电情形之后有效促使灯失效，因而有利于减少灯的潜在危险情形，例如灯和/或灯座的过热、熔融。在502中，灯例如T5灯等可在切断一段时间或重置之后开启。在504中，灯可进入预热期，可称为具有T时期，定义为T预热。在预热期结束之后，在506中，灯可进入启动或“工作”模式，在该模式下灯保持“开启”状态。在508中，可确定出现或检测到电弧放电还是EOL事件。电弧放电事件可以是电传输(electricity transfer)，例如可能在灯的终端和灯所处的支座或灯座之间存在无意或不期望的中间触点时出现，或者可以是EOL脉冲事件。如果没有检测到EOL或电弧放电事件，则该方法可返回506使灯继续工作。就此而言，506和508之间的循环代表监测-反馈循环，该循环有利于在不中断灯的工作的情况下监测灯的电弧放电或EOL事件。
如果在508中检测到EOL或电弧放电事件，则可在510中确定事件出现的次数N是否大于出现次数的预定阈值。例如，可限定预定阈值——N设 定值，并可确定电弧放电事件或EOL事件是否已出现超过N设定值次。根据另一实例，可将N设定值预先限定为将会引发响应的电弧放电或EOL事件出现次数(例如，当N等于或大于N设定值时引发响应)。如果N小于(或在一些方面中小于或等于)N设定值，则该方法可进行至516——短时预热或切断，然后返回506，在506中灯可继续工作而未中断。
如果确定N大于N设定值，则在512中可将灯置于预热模式或切断模式。如果灯处于EOL阶段，则在512中将灯置于预热模式可致使灯熔断，从而降低发生灯终端过热的潜在危险的可能性。因而，在514中可确定灯是否已更换。如果没有更换，则该方法可返回512，使灯以预热或切断模式继续工作。在这种情况下，灯循环经历切断和重启措施预定的次数N，以保证灯完全失效，从而降低灯终端过高的温度并保持灯的并联工作。如果在514中检测到新的灯，则该方法可返回诸如506中所述的开启/工作操作。额外地或可供选择地，该方法可返回504以采取使灯预热等措施。
图6示出了根据本发明的一个或多个特征通过暂时中断灯用镇流器的输出来减少电弧放电的方法600。方法600与方法500的相同之处在于有利于在确定灯处于其寿命终止之后促使灯完全失效。根据该方法，在602中T5灯等可在切断或重置之后开启。在604中灯可进入预热期T预热。当预热期结束时，在606中灯可进入启动/工作模式。在608中可确定出现或检测到电弧放电还是EOL事件。例如，检测到电流的阶跃变化，随后可评价与该电流阶跃变化相关的脉冲，并与一个或多个预定阈值进行比较，由此以便于区分EOL事件和电弧放电事件。例如，由于与电弧放电事件相关的脉冲的持续时间通常长于与EOL事件相关的脉冲的持续时间，因而在608中进行判定可包括使检测到的脉冲持续时间与第一预定阈值(例如EOL事件脉冲宽度或持续时间阈值)以及第二预定阈值(例如电弧放电宽或持续时间阈值)进行比较。如果检测到的脉冲等于或长于第二预定阈值，则该方法可进行至616。如果检测到的脉冲持续时间短于第二预定阈值，则该方法可进行至610。如果没有检测到EOL或电弧放电事件，则该方法可返回606使灯继续工作。
如果在608中检测到EOL事件，则在610中可确定EOL事件出现的次数N是否大于出现次数的预定阈值N设定值。根据另一实例，可将N设定值预先限定为将会引发响应的EOL事件出现次数(例如当N等于或大于N设定值时引发响应)。如果N小于(或在一些方面中小于或等于)N设定值，则该方法可进行至618经历短时预热或切断，然后返回606，在606中灯可重新开始工作。
如果确定N大于N设定值，则在612中可将灯置于预热模式或切断模式。同样地，灯可循环经历切断和重启措施预定的次数N，以保证灯完全失效，从而降低灯终端过高的温度并保持并联工作，即系统中另一个良好的灯继续工作。在614中可确定灯是否已更换。如果没有更换，则该方法可返回612，使灯以预热模式或切断模式继续工作，直至输入功率重复循环。如果在614中检测到新的灯，则该方法可返回606中的开启/工作操作。额外地或可供选择地，在614中检测到新的灯之后，该方法可返回604以采取使灯预热等措施。
可供选择地，如果在608中检测到电弧放电情形，则在616中可使灯的工作中断，从而有利于减少电弧放电情形并使灯回到正常工作情形。所述中断可以是微秒或毫秒量级的，以终止电弧放电并使灯回到正常工作状态。在中断期(例如T中断)结束之后，该方法可返回606，以工作模式继续运行。按照这种方式，方法600可有利于允许灯(例如T5灯等)中的镇流器区分EOL脉冲事件和电弧放电事件并以下述方式响应所述事件：当检测到电弧放电时促使灯寿命延长，当确定灯接近其有效寿命的末期时出于安全考虑缩短灯寿命。
图7示出了根据本文所示的各特征有利于为灯提供空载保护的镇流器电路布局700的示意图。标记为C寄生的电容器是与二极管D1并联的等效寄生电容器。在电流循环“i1”中，存在三个谐振部件：L1、C1和C寄生。镇流器电路700表现出极低的功率损失，这是因为仅有电感器L1的绕组电阻RL1损失功率并且这种功率损失极小。L1、C1和C寄生以高Q谐振(例如，其中Q＝ωL1/RL1，ω等于2πf，RL1是与电感器L1相关的电阻)。因此，在L1上，进而在可将镇流器置于切断模式的微控制器M1(例如图1中的微控制器)上可形成高电压。可以这种方式使镇流器和/或与之相连的灯受到保护以抵御开路情形，否则这种开路情形可能对灯造成不利影响。
以下是部件及其相应标记符号的列表，以便于理解本文所述的各方面和/或特征。
  标记符号   部件
  M1   微控制器
  C1   电容器
  C2   电容器
  C3   电容器
  C4   电容器
  C5   电容器
  C6   电容器
  C寄生   电容器
  D1   二极管
  D2   二极管
  D3   二极管
  D4   二极管
  D5   二极管
  D6   齐纳二极管
  L1   电感器
  灯1   灯
  灯2   灯
  Q1   开关
  R1   电阻器
  R2   电阻器
  T1   变压器
根据一个或多个方面，以下给出可能与各部件相关的数值的实例。然而，应当理解的是，以下数值仅仅是示例性的，受验部件不限于这些数值，而可包括任意适当的数值，以达到前述目的并提供本文所述的功能。
  标记符号   数值/类型
  M1   PIC10F222
  C1   1000Pf
  C2   1000Pf
  C3   1200Pf
  C4   1200Pf
  C5   22nf
  C6   6.8nf
  C寄生   30pf
  D1   US1M
  D2   US1M
  D3   US1M
  D4   US1M
  D5   1N4148
  D6   5V
  L1   1匝
  灯1   F28W
  灯2   F28W
  Q1   BUL741
  R1   2.2k
  R2   240k
针对各方面对上述构思进行了描述。显然，阅读和理解前述说明时本领域技术人员可作出改进和改变。所述构思应解释为包括所有这些改进和改变。

Claims (20)

1.一种系统，该系统有利于电子镇流器的寿命终止单点感测、防电弧放电和空载保护，该系统包括：
第一电容器、第二电容器和二极管，所述第一电容器、第二电容器和二极管在与第一和第二电容器串联的第一个灯中出现脉冲事件时经历一个或多个电流和电压的阶跃变化；以及
控制器，该控制器检测所述一个或多个电流和电压的阶跃变化，并启动对所述脉冲事件的响应，所述脉冲事件作为与至少一个脉冲相关的信息的函数。
2.权利要求1的系统，其中所述灯为T5放电灯。
3.权利要求1的系统，还包括第二个灯以及一对相关的串联电容器和二极管，其中所述第二个灯和第一个灯彼此并联。
4.权利要求1的系统，其中所述与至少一个脉冲相关的信息记载所述至少一个脉冲的宽度，且其中所述控制器确定存在作为所述至少一个脉冲的宽度的函数的寿命终止情形还是电弧放电情形。
5.权利要求4的系统，其中所述控制器在确定存在寿命终止情形时，切断和重启所述第一个灯预定的次数，以使该灯永久失效。
6.权利要求4的系统，其中所述控制器在确定存在电弧放电情形时，切断和重启所述灯一次。
7.一种感测电子镇流器中的事件的方法，包括：
启动与电子镇流器工作连接的灯；
通过检测所述镇流器中的电感器和阴极变压器绕组中至少一个的电流阶跃变化，确定是否已出现至少一个脉冲事件；以及
确定所述脉冲事件与灯的寿命终止情形相关还是与灯终端的电弧放电情形相关。
8.权利要求7的方法，还包括对检测到的脉冲事件的至少一个脉冲的脉冲宽度进行分析，以确定所述脉冲事件与灯的寿命终止情形相关还是与灯终端的电弧放电情形相关。
9.权利要求8的方法，还包括将所述至少一个脉冲的脉冲宽度与预定阈值进行比较。
10.权利要求9的方法，其中在脉冲宽度大于第一预定阈值的情况下，确定所述脉冲事件与寿命终止情形相关；在脉冲宽度大于第二预定阈值的情况下，确定所述脉冲事件与电弧放电情形相关。
11.权利要求10的方法，其中所述第二预定阈值大于所述第一预定阈值。
12.权利要求10的方法，还包括在出现寿命终止情形的情况下，确定所述至少一个脉冲事件是否已出现超过预定的次数。
13.权利要求12的方法，还包括在所述至少一个脉冲事件已出现超过预定的次数的情况下，将灯置于预热模式或切断模式。
14.权利要求13的方法，还包括检测灯是否已更换。
15.权利要求14的方法，还包括在检测到灯未更换的情况下，使灯保持预热模式，直至灯不再工作为止。
16.权利要求10的方法，还包括在确定所述脉冲事件为灯终端的电弧放电情形的情况下，使灯的工作中断预定的时间。
17.权利要求16的方法，其中所述预定的时间为约50ms。
18.权利要求7的方法，其中所述灯为T5放电灯。
19.一种有助于减少灯中危险情形的系统，该系统包括：
用于确定电流水平是否已出现阶跃变化的装置；
用于确定与所述阶跃变化相关的脉冲宽度的装置，该脉冲宽度表明所述阶跃变化是由灯的寿命终止情形和灯终端的电弧放电情形中的至少一种引起的；
在确定所述阶跃变化是由寿命终止情形引起的情况下，用于加速灯失效的装置；以及
在确定所述阶跃变化是由灯终端的电弧放电情形引起的情况下，用于使灯的工作暂时中断预定时间的装置。
20.权利要求19的系统，其中所述灯为T5放电灯。
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