CN101595766A - 用于驱动气体放电灯的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种用于驱动气体放电灯(2)的驱动器(1)包括：－生成灯电流的电流源(3)，其具有用于接收设定点信号的设定点输入端(4)；－生成电流设定点信号(SM)的控制器(10)；－生成伪随机噪声信号(SPRNS)的可控噪声信号源(20)；－加法器(22)，其将来自控制器的电流设定点信号(SM)与来自噪声信号源的伪随机噪声信号(SPRNS)相加，并且将结果提供给电流源的设定点输入端；－测量装置(40)，其测量响应伪随机噪声信号(SPRNS)的灯的特征灯响应，并且将感测信号提供给控制器；－与控制器相关联的存储器(30)，其已经在其中存储至少一个参考信号。控制器将所测量的灯响应与存储器中的所述预先确定的参考信号相比较，并且可以关闭灯。

Description

用于驱动气体放电灯的方法和设备

技术领域

本发明一般地涉及放电灯领域，特别是高强度放电灯(HID)领域，即，高压灯，比如：高压钠灯、高压汞灯、金属卤化物灯。

背景技术

气体放电灯通常是公知的，所以这里不需要对气体放电灯的设计进行详细讨论。只要说下面这些就足够了：气体放电灯包括位于充满可电离的气体或蒸汽的封闭容器中的两个电极。容器典型地为石英或陶瓷，特别地为多晶氧化铝(PCA)。电极以彼此相距一定距离来布置，并且在工作期间在这些电极之间维持电弧。

气体放电灯可以由电子驱动器驱动。电子驱动器通常是公知的，所以这里不需要对电子驱动器的设计进行详细讨论。在典型的设计中，驱动器产生施加到灯上的换向电流，这导致了在灯上形成灯电压。

驱动器典型地设计成使得灯电流遵循设定点(setpoint)曲线，在最简单的实施例中该曲线包含恒定的电流幅度；然而，根据例如灯类型和灯使用年限，驱动器可以使用校正电流的措施。此外，虽然气体放电灯具有大约10,000小时的长寿命，但是气体放电灯的寿命是有限的。在其使用期限的末期，气体放电灯可能显示不良特性，最惊人的一个不良特性是非被动(non-passive)故障。因此，对于灯驱动器可以希望的是，能够确定灯类型和/或灯状况，并且例如如果证明灯接近其寿命的终点(EOL)，能够关闭灯。此外，可以希望的是，能够预测剩余寿命。

国际专利申请WO2005/074010公开了一种考察高压气体放电灯的状况的方法。灯利用稳态低频方波电流信号工作，在公开内容中频率为90Hz，灯为100W白色高压钠(HPS)灯。短电流脉冲叠加到稳态电流信号上，电流脉冲具有1.4ms的持续时间。为响应该电流脉冲，灯电压显示出特征阶跃(正或负)，之后是特征衰减(分别为负或正)至基本恒定的水平。特征衰减具有特征衰减时间，该特征衰减时间能够确定并且描述为在一般地在大约1μs和大约1.5ms之间的范围内变化。文献描述了有故障的灯状况(比如，太高的色温或太低的色温)与衰减时间的持续时间相关，从而可以确定特征衰减时间，以便发现所关心的灯属性(即，在该实例中的色温)在规格之内还是之外。于是，在已经发现特定的灯属性在工作范围之外时，可以通过关闭灯来采取预防措施，或者可以改变工作状况(文献公开了附加电流组件的使用)以便改变所关心的特定的灯属性。

在任何情况下，文献公开了响应电流阶跃的灯电压包含指示灯状况或灯属性的至少一个参数(即，衰减时间)，该参数可以被测量，与参考值相比较，并且可以在这种比较结果的基础上采取校正的或保护的措施。

发明内容

虽然该已知方法给出了令人满意的结果，但是本发明的目的是进一步改进该已知的方法。

更具体地，显然，在实践中基于电流阶跃-响应的灯辨识方法受阻于噪声和高频干扰。因此本发明的特定目的是改进已知的方法，使得该方法在噪声环境中更鲁棒性且更精确。

为了达到上述目的，本发明提出了取代单个的电流脉冲而将电流脉冲的伪随机噪声序列施加到标称的稳态电流上。伪随机噪声序列是预定的序列；利用该预定的序列和相关的系统响应，系统动态特征可以容易地计算。在实践中已经发现，该方法给出了在噪声环境中的更精确的结果。

在从属权利要求中提及了其他优点的详细描述。

附图说明

通过下面参照附图对一个或多个优选实施例的描述，本发明的这些和其他方面、特征和优点将被进一步阐明，在附图中，相同的参考数字表示相同或相似的部分，并且在附图中：

图1A和1B是示出响应不同灯的电流阶跃的电压的曲线图；

图2是示出在实际情况中噪声和纹波影响的相似的曲线图；

图3A是示意性示出根据本发明的驱动器的框图；

图3B是示意性示出电流设定点(setpoint)信号的曲线图；

图4是示意性示出根据本发明、两个不同灯对伪随噪声信号的计算电流响应的曲线图。

具体实施方式

图1A示意性示出为新250W气体放电灯测量的灯电流(下面的曲线)和灯电压(上面的曲线)的曲线图，该气体放电灯具有分压p(Hg)＝224巴(bar)的填充物。电流维持在2A的恒定水平。在某一时间，电流逐步增加到3A的值；作为响应，电压逐步升高，在此之后电压快速下降到低于初始值的值，因此表示等离子的负阻抗。在以后的某一时间，电流再次逐步增加到2A的值；作为响应，电压逐步下降，在此之后电压再次快速增加到初始值。

图1B示出可比较的曲线图，其现在用于已经出现故障、具有有分压p(Hg)＝97巴的填充物的相同类型的灯。在响应特性中，可以看出，3A的较高电流不与较低电压相对应，并且进一步地可以看出，等离子的弛豫时间已经增加。

因此，灯的状况(新的或有故障的)可以通过研究对于电流阶跃的电压响应来快速确定。

然而，在实际情况中，所述灯与开关模式的电源串联连接，该电源显著影响测量。为了比较，图2示出了：对于与开关模式的电源串联连接的灯，实际测量的灯电流和灯电压的曲线图。可以清楚地看出，电流阶跃导致了实际上淹没在噪声和纹波中的电压响应。

图3A是示意性图示出根据本发明、用于驱动气体放电灯2的灯驱动器1的框图。驱动器1包括用于接收输入电压(典型地为大约400V并且可以从电力线获得)并提供输出电流的下变频器部分3。下变频器(downconverter)部分3具有电流源特性，这意味着它将试图并维持实质上独立于负载的恒定电流幅度。下变频器部分3具有输入端4，用于接收确定所述恒定电流幅度水平的控制信号：如果控制信号变化，则输出电流以对应的方式变化。输出电流通过桥和点火器部分5施加到灯2上。部分5的桥部分可以是半桥或全桥；由于这种桥设计本身是公知的，所以这里不需要对该桥设计进行进一步的详细说明。同样，桥和点火器部分5的点火器部分可以具有常规设计并且将不会更加详细地解释。

控制器10具有与桥和点火器部分5的控制输入端6耦合的桥输出端11。控制器10进一步具有与下变频器部分3的控制输入端4耦合的变频器输出端(converter output)12。在其桥输出端11处，控制器10提供换向控制信号Sc，其限定了换向时刻并迫使部分5的桥部分去使灯电流方向反向，这本身是公知的。在其变频器输出端12处，控制器10提供电流控制信号S_M，其限定了下变频器部分3的输出电流的幅度。电流控制信号S_M也将表示为“设定点”信号。下变频器部分3可以包括反馈回路，其测量输出电流的幅度并将所测量的值与在控制输入端4处接收到的指令信号相比较，并且如果必要则修改输出电流的幅度以使得该幅度精确地遵循指令信号；这种反馈回路在图中未示出。

图3B示出适当的电流“设定点”信号S_M的典型实例。该信号在整个波形周期期间是恒定的(表示恒定电流)，除了仅在换向时刻(用竖直的点线表示)之前短暂增加以提高稳定性之外。对于这种短暂增加的效应的更详细解释，参考WO-00/36883。

驱动器1进一步包括：随机噪声源20，其具有用于提供伪随机噪声信号S_PRNS的输出端21；以及加法器22，其具有接收来自随机噪声源20的随机噪声信号S_PRNS的一个输入端、具有接收来自控制器10的电流控制信号Sm的第二输入端、以及具有与下变频器部分3的控制输入端4连接的输出端。实际上，下变频器部分3接收电流控制信号Sm与伪随机噪声信号S_PRNS的叠加，该叠加视为电流“设定点”信号。

应当注意，对于本领域技术人员来说，短语“伪随机噪声信号”是已知的，从而这里不需要对“伪随机噪声信号”进行解释。只要说下面这些就足够了：伪随机噪声信号包括在正和负方向中的阶跃序列。伪随机噪声信号S_PRNS还在图3B中示意性示出。图1的横轴代表时间，纵轴代表信号幅度，其具有任意单位。

应当进一步注意，伪随机噪声信号S_PRNS优选地是存储在源20的存储器(例如，实现为移位寄存器)中的噪声序列，从而源20重复产生相同的噪声信号。这显著地简化了脉冲响应的计算。

应当注意，源20可以是为清楚起见而示出的外部源，而且也可以实现为控制器10的一部分，在这种情况下，加法功能同样可以由控制器10本身适当地提供。

驱动器1进一步包括灯电流传感器40，其与控制器10的电流感测输入端14耦合。

灯对于这种伪随机噪声信号的响应可以用来区分灯。这可以通过实验证明如下。

在第一步骤中，确定某一灯的标称灯电流。这可以通过在一个电流周期期间测量标称灯电流来完成，但是可能的噪声效应可以通过在多个连续的电流周期期间测量标称灯电流并且对这多个所测量的标称灯电流求平均值来减少；在实验中，这通过将10个测量的分布(profile)求平均值来完成。所得的标称灯电流分布将被表示为Y。

在第二步骤中，加入长度Ny的伪随机噪声信号S_PRNS，并且再次测量所得到的灯电流分布；这将被表示为干扰的灯电流分布(profile)

这里，同样适用：在多个(10)连续的电流周期期间，在每一个电流周期中加入相同的伪随机噪声信号S_PRNS，并且将所得的电流分布求平均值。下面，伪随机噪声信号S_PRNS也将表示为V。

该灯对伪随机噪声信号S_PRNS的噪声响应ΔY可以表示为

$\mathrm{\ΔY}=\hat{Y}-\stackrel{\‾}{Y}.$

根据V和ΔY，系统的Nv主导脉冲响应参数，G＝[G₀，G₁，...G_Nv-1]，可以通过最小二乘方优化来计算如下：G＝(U^TU)^-1U^TΔY，其中

图4中示出了两个不同灯的代表性选择的所得测量脉冲响应；上面的曲线图涉及旧灯，下面的曲线图涉及新灯。虚线(向上移位0.2以使得它们可区别于实线)代表来自物理模型的对应脉冲响应。这些可以通过将等效电学模型中参数拟合到所测量的数据来获得。可以得出结论，所述的模型结构适合于动态地描述灯-镇流器与灯电流的相互影响的效应。

根据图4，还可以得出结论，所提出的方法适合区分不同的灯。这特别地适于去区分新灯和EOL灯。

不同的灯类型具有不同的脉冲响应。可以确定若干个灯类型的脉冲响应，并且将这些脉冲响应存储在与控制器10相关联的存储器30中。这允许控制器10测量脉冲响应、比较所测量的响应与存储器中的信息、以及基于该比较确定当前被驱动的灯2的类型。基于该确定，控制器10可以遵照所确定的灯类型修改一些控制参数，例如，稳态电流幅度和/或稳态电流波形。可替代地，控制器10可以生成灯类型指示信号，其指示如所确定的灯类型。可替代地，如果比较指示灯正接近其寿命的终点，控制器10可以决定关闭灯。可替代地，可以发布警告信号。

不必连续地确定脉冲响应，并且因此随机噪声源20不必连续地工作。在图3A的实施例中，随机噪声源20具有与控制器10的噪声控制输出端13连接的控制输入端23，其提供噪声控制信号S_N，用于当需要时接通随机噪声源20。例如只要新灯取代旧灯时，控制器10可以接通随机噪声源20，以便确定灯类型。控制器10可以进一步有规律地(例如每100小时或每500小时)接通随机噪声源20，以确定灯是否仍然满足其规格(specification)和/或确定灯是否接近其寿命的终点。应当注意，噪声控制信号S_N还将为伪随机噪声信号提供与电流设定点信号的同步。

应当注意，只要控制器10接通随机噪声源20，随机噪声源20在后续的电流周期(不必是连续的电流周期)中产生相同的伪随机噪声信号。因此，测量的持续时间(即，噪声干扰的持续时间)至多持续几秒钟。

对于伪随机噪声信号的每一个电流阶跃，优选的是，这种阶跃的大小较小(大约为标称电流设定点的1％到3％)，以免太多地干扰标称电流设定点。在每一个电流周期中伪随机噪声信号的电流脉冲数量没有极限。一般地，可以说该数量越高，则噪声对最终结果的影响越小。太高的数量可能被认为是不切实际的。虽然低到2的数量已经对只有一个电流阶跃的现有技术提供了改进，但是从10到50的范围中的数量是优选的。在上述实验中，伪随机噪声信号的电流脉冲的数量等于30。

总之，本发明提供了用于驱动气体放电灯2的驱动器1，该驱动器1包括：

-电流源3，其用于生成灯电流，并且具有用于接收设定点信号的设定点输入端4；

-控制器10，其具有用于生成电流设定点信号S_M的输出端12；

-可控噪声信号源20，其由控制器10控制，并且设计用于生成伪随机噪声信号S_PRNS；

-加法器22，其被连接以接收来自控制器10的电流设定点信号S_M和来自噪声信号源20的伪随机噪声信号S_PRNS，并且具有耦合到电流源3的设定点输入端4的输出端；

-测量装置40，其用于响应于伪随机噪声信号S_PRNS来测量灯2的特性灯响应，其耦合到控制器10的感测输入端14，以用于向控制器10提供代表所述特性灯响应的感测信号；

-以及存储器30，其与控制器10相关联，且已经在其中存储至少一个参考信号。

控制器10设计成将如由测量装置40所测量的特性灯响应与存储器30中的所述预先确定的参考信号相比较。

虽然已经在附图和前面的描述中详细说明并描述了本发明，但是本领域的技术人员应当清楚，这种说明和描述被认为是说明性的或示范性的而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例：相反地，若干变化和修改可以在如所附权利要求所限定的本发明的保护范围内。

例如，控制器10和随机噪声源20可以合并为一个设备。相同的方式适用于控制器10和存储器30。

而且，在上述描述中，已经描述了在其中考虑响应于电流噪声的电流的一种方法。可替代地或附加的，也可以监视在电流设定点信号中响应于噪声的灯电压。

对所公开的实施例的其他修改可以由本领域技术人员在实践所要求保护的本发明的过程中，通过研究附图、公开、所附权利要求来理解和实现。在权利要求中，文字“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中叙述的若干项功能。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能被有利地使用。计算机程序可以存储/分布在合适的介质上，比如，与其他硬件一起提供的或作为其一部分的光学存储介质或固态介质，但是也可以通过其他方式分布，比如，经因特网或其他有线或无线通信系统。权利要求中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。

在上述中，已经参照框图阐释了本发明，该框图示出根据本发明的设备的功能模块。应当理解，这些功能模块的一个或多个可以在硬件中实现，其中这种功能模块的功能通过单独的硬件组件来执行，但是这些功能模块中的一个或多个也可以在软件中实现，从而这种功能模块的功能由计算机程序或可编程设备(例如，微处理器、微控制器、数字信号处理器、等等)的一个或多个程序行来执行。

Claims (12)

1.用于驱动气体放电灯(2)的驱动器(1)，包括：

-电流源(3)，其用于生成灯电流，并且具有用于接收设定点信号的设定点输入端(4)；

-控制器(10)，其具有用于生成电流设定点信号(S_M)的输出端(12)；

-可控噪声信号源(20)，其由控制器(10)控制，并且设计用于生成伪随机噪声信号(S_PRNS)；

-加法器(22)，其被连接以接收来自控制器(10)的电流设定点信号(S_M)和来自噪声信号源(20)的伪随机噪声信号(S_PRNS)，并且具有耦合到电流源(3)的设定点输入端(4)的输出端；

-测量装置(40)，其用于响应于伪随机噪声信号(S_PRNS)来测量灯(2)的特性灯响应，其耦合到控制器(10)的感测输入端(14)，以用于向控制器(10)提供代表所述特性灯响应的感测信号；

-存储器(30)，其与控制器(10)相关联，且已经在其中存储至少一个参考信号；

其中，控制器(10)被设计成将由测量装置(40)所测量的特性灯响应与存储器(30)中的所述预先确定的参考信号相比较。

2.根据权利要求1的驱动器，其中，测量装置(40)包括用于测量灯电流的电流传感器。

3.根据权利要求1的驱动器，其中，测量装置(40)包括用于测量灯电压的电压传感器。

4.根据权利要求1的驱动器，其中，对于一个灯电流周期，伪随机噪声信号(S_PRNS)包含一系列连续的电流脉冲，其中，在所述系列中电流脉冲的数量至少等于2或更多，优选地为在从10到50的范围中，最优选地，大约30。

5.根据权利要求1的驱动器，其中，噪声信号源(20)由控制器(10)控制，用于生成与电流设定点信号(S_M)同步的伪随机噪声信号(S_PRNS)，从而对于不同的电流周期，相应的伪随机噪声信号(S_PRNS)彼此相同。

6.根据权利要求5的驱动器，其中，控制器(10)设计用于将在多个灯电流周期上的灯响应求平均值，所述多个优选地包括大约10个电流周期。

7.根据权利要求1的驱动器，其中，如果所述比较的结果指示灯(2)接近其寿命的终点，则控制器(10)设计用于生成使用期限终点指示信号。

8.根据权利要求1的驱动器，其中，如果所述比较的结果指示灯(2)接近其寿命的终点，则控制器(20)设计用于关闭灯(2)。

9.根据权利要求1的驱动器，其中，控制器(10)设计用于根据所述比较的结果来修改至少一个控制参数。

10.根据权利要求9的驱动器，其中，所述要修改的控制参数包括稳态电流幅度和/或稳态电流波形。

11.根据权利要求1的驱动器，其中，控制器(10)设计用于根据所述比较的结果来生成灯类型指示信号。

12.根据权利要求1的驱动器，其中，控制器(10)设计用于，在替换灯之后和/或有规律地以对应于工作寿命的预定持续时间的间隔例如灯工作的每100小时，接通噪声信号源(20)。

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