CN101669408A - 气体放电灯的驱动设备 - Google Patents

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Abstract

用于驱动气体放电灯(L)的驱动器设备(100)，包括整流器电路(5)，它具有桥式拓扑结构，具有4个由控制器(6)控制的开关(T1－T4)，电感器(L2)布置成与灯串联，电容器(C3)布置成与灯并联，电感器(L2)和电容器(C3)具有并联谐振频率fR。在稳态模式，控制器以量级为100赫兹的相对较低的整流频率驱动4个开关(T1－T4)。为了在灯仍旧热时给灯点火，控制器以第一点火频率fP1＝fR/n1驱动4个开关(T1－T4)，n1是奇数；为了在灯是冷时给灯点火，控制器以第二点火频率fP2＝fR/n2驱动4个开关(T1－T4)，n2是大于n1的奇数。

Description

气体放电灯的驱动设备
技术领域
本发明总的涉及放电灯领域，具体来说本发明涉及高强度放电(HID)灯，即高压灯，例如高压钠灯、高压汞灯、和金属卤化物灯。
背景技术
气体放电灯通常是众所周知的，因此在这份文件中详细描述这样的灯是不必要的。气体放电灯包括定位在封闭容器中的两个电极，这个封闭容器充满可电离气体或蒸汽。封闭容器一般来说是石英或陶瓷材料，例如多晶氧化铝(PCA)。电极彼此安排成一定距离，在操作期间在这些电极之间维持有电弧。
气体放电灯可以通过电子驱动器供电。电子驱动器通常是已知的，因此在这份文件中详细描述这样的电子驱动器的设计是不必要的。电子驱动器有两个重要的任务。一个任务是在稳态操作期间维持气体放电；在一个典型的设计中，电子驱动器产生整流电流，整流电流以约100赫兹量级的整流频率施加到灯上。然而，在原理上，直流操作也是可能的。在其他的设计变型中，整流频率低些或高些也是可能的。电子驱动器的另一个任务是，当灯断开时给灯点火。在一般情况下，这是通过在点火阶段以相对较高的电压施加电压信号实现的。原则上，这可以是恒定的电压，但通过施加电压脉冲或谐振电压获得更好的结果。
本发明具体来说涉及一种电子驱动器，所述电子驱动器具有根据谐振电压进行点火的功能。
有关点火的一个重要的问题是，点火需要的电压取决于灯的条件。具体来说，当灯刚刚熄灭并且仍旧是热的时候，所需的重新点火电压比灯冷却时的情况高得多。例如，在热状态所需的重新点火电压和在冷状态所需的重新点火电压之间的比至少是2，甚至于是7或8。因此，为了保证无论什么样的状态灯都能点火，有可能总要施加热状态下所需的重新点火高电压。然而，在有利的情况下可能高达5-8千伏的这一高压仍旧是很高的，如果毫无道理地施加这一高压，有可能降低灯的寿命。此外，在灯损坏的情况下，从驱动器到灯的路径上的部件由于高压而损坏。因此期望针对冷点火施加更低的点火电压。
解决这个问题的一个可能的途径是使用两个点火器：一个用于当灯冷时施加相对“较低”的高压，另一个用于当灯热时施加“较高”的高压，然而这样的解决方案是不实际的，并且是昂贵的。
发明内容
本发明的一个目的是消除或者至少减小上述问题。
按照本发明的一个重要方面，驱动器包括点火器，该点火器能够产生电压电平相互不同的至少两个不同的点火信号。此外，这个驱动器能够自动地决定：将要施加这些点火信号中的哪一个。
为了产生这两个不同的点火信号，点火器要能够在控制器的控制下在两个不同的操作频率下操作。因此，如果没有附加的硬件，单个点火器就能够产生用于冷点火以及用于热再点火的满足要求的点火信号。
在一个可能的实施例中，驱动器测量自灯熄灭开始过去的时间。如果接收到重新点火的命令，驱动器就检查这个时间：如果它低于预先确定的阈值，则认为灯是“热”的，施加具有最高电压的点火信号。如果相反，这个时间长于预先确定的阈值，则认为灯是“冷”的，施加具有最低电压的点火信号。
在另一个可能的实施例中，驱动器总是依次地施加两个点火信号：首先施加具有最低电压的点火信号，然后施加具有最高电压的点火信号。如果灯是冷的，则灯将在低电压点火信号下点火，这将防止高电压点火信号的施加。如果灯是热的，则低电压点火信号不足以点火，因此自动产生高电压点火信号。
在从属权利要求中限定了其他的有益细节。
要说明的是，US-2004/0257001公开了一种镇流器装置，用于启动和操作放电灯，其中的点火器能够产生至少两个频率和电压电平相互不同的不同的点火信号。点火以后，在所述出版物中描述的装置内，在预热(warm-up)和/或接续(take-over)阶段期间，点火信号的频率是逐步减小的。相反，按照本发明，点火信号的频率是逐步增加的，如果点火这样要求的话。
附图说明
下面，参照附图并借助对于一个或多个优选实施例的描述，说明本发明的这些和其他方面、特征、和优点，附图中相同的附图标记表示相同或相似的部分，其中：
图1是示意地表示电子驱动器的方块图；
图2是表示点火电压随频率的变化而变化的曲线图；
图3是说明第一点火方法的流程图；
图4是说明第二点火方法的流程图。
具体实施方式
图1是一个方块图，示意地表示按照本发明的电子驱动器100的一个可能的实施例的设计，用于驱动放电灯L。放电灯L例如是高强度放电灯或UHP灯。驱动器100包括交流/直流转换器电路2，用于整流从交流电压电力网1接收的交流输入电压，这个转换器电路包括电容器C1，用作输出电容器。由于这样的交流/直流转换器电路本身就是公知的，所以不再详细描述它的设计和操作。
驱动器100进一步还包括受控的/切换的直流/直流转换器电路3，也称之为“斩波器(chopper)”，它的输入端接收由转换器电路提供的直流电压，它的输出端提供灯电流。斩波器可以包括开关晶体管T0、与开关晶体管T0串联连接的线圈L1、与输出端并联连接的输出电容器C2、和连接到开关晶体管T0和线圈L1之间节点的二极管D1。由于这样的斩波器电路本身是已知的，所以不再详细描述它的设计和操作。用已知的方式、尤其通过控制电路4控制开关晶体管T0以稳定常规操作阶段的灯电流，在此阶段，即当灯处在“接通”状态时，在灯中连续发生电弧放电。
驱动器100进一步还包括整流电路5，它的输入端接收由斩波器3提供的电流，斩波器3用作电流源。在所示的实施例中，整流电路5包括两个分支，第一分支是串联连接在整流电路5的两个输入端之间的两个开关晶体管T1、T2，第一节点P1在两个开关晶体管T1、T2之间；第二分支是串联连接在整流电路5的两个输入端之间的两个开关晶体管T3、T4，第二节点P2在两个开关晶体管T3、T4之间。整流电路5进一步还包括连接在两个节点P1、P2之间的一个对角线分支，对角线分支包括用于连接灯L的灯输出端、与灯输出端串联连接的电感器L2、和并联连接到灯输出端的灯电容器C3。
控制器6控制4个开关晶体管T1-T4的开关。在正常操作阶段，电弧放电在灯L中一直不断地发生，所以灯处在“接通”状态，控制电路6向开关晶体管T1-T4提供相对较低频率的开关电压，使得或者对角相对的晶体管T1和T4导通而另外两个晶体管T2和T3截止，或者反之亦然，其结果是，将具有相对较小的或相对适度的幅度的方波电源电压提供给灯；典型地，灯电压约为70-130伏的量级。在这个正常操作阶段或稳态阶段，这个开关频率称为稳态整流频率。这个频率一般可以是约40-200赫兹的量级，当然更高的频率也是可能的。
点火阶段在正常操作阶段之前，在点火阶段通过高电压信号给灯点火。而且，控制器6为开关晶体管T1-T4产生控制信号，使它们成对地导通，即或者T1-T4导通或者T2-T3导通，但这时的开关频率较高，从而激发由电感器L2和灯电容器C3确定的串联谐振电路。在谐振中，这个串联谐振电路在灯电容器C3的两端产生了谐振的高电压信号，它的电压幅度能够点火灯L中的放电。这个电压幅度的准确值取决于开关频率，下面参照附图2进行说明。
图2是一个曲线图，表示在灯接线柱(lamp terminal)之间的电压幅度(垂直轴，单位为伏)随开关频率f(水平轴，单位为赫兹)的变化而变化的计算结果，例如是电感器L2为300微亨、灯电容器C3为2.2微法的组合的结果。可以看出，该电压出现一系列完全不同的峰，其中的LC谐振频率是开关频率的奇数谐波。在图2中右边的最大峰对应于这个例子中电感器/电容器组合的谐振频率，这个谐振频率用fR表示，并且在这种情况下约为200千赫兹；对应的点火电压几乎是15千伏，这个点火电压对于正常的气体放电灯来说可能是太高了。
在约70千赫兹频率处的第二个峰对应于电感器/电容器组合的谐振频率的1/3，或fR/3；对应的点火电压几乎是5千伏，这可能适合于气体放电灯的热再点火。
在约40千赫兹频率处的第三个峰对应于fR/5；对应的点火电压几乎是3千伏，这可能适合于气体放电灯的冷点火。
图中示出谐振频率的fR/7、fR/9等处的其他峰，这些峰总是处于下降的峰电压。
要说明的是，对于不同的L2和C3的组合，谐振频率(由
Figure G2008800138565D00051
Figure G2008800138565D00052
确定)可能具有不同的值。但图2中说明的总体概念仍旧是有效的，即在灯电容器C 3两端的电压在开关频率为fR/n时出现峰值，其中n是奇数，并且峰值谐振电压当峰的谐振频率下降时是减小的。根据这一发现，本发明建议选取两个不同的峰值频率值：fP1＝fR/n1和fP2＝fR/n2，并且n2＞n1，fP1用于热重新点火，fP2用于冷点火。
在本例中，n1＝3，n2＝5。要注意的是，fR/3处的谐振峰是低于谐振频率fR的第一峰。但是，不必让n1总等于3；取决于设计、元件值、和灯的要求，n1可以等于1或等于另一个大于3的奇数。但在一般情况下，对于n1进行选择，使对应的谐振点火电压具有约5千伏的量级。
此外，要注意的是，在此例中，在fP1和fP2的两个峰是相邻的峰。这也不是必要的。但在一般情况下，要对n2进行选择，使对应的谐振点火电压的量级约为2-3千伏。
fP1和fP2的值固定在与控制器6相连的存储器7中。在制造设备时就可以将这些值写在存储器中，这些值适合于实际的谐振频率fR。这些值也可以作为设计值写入存储器中，在这种情况下可以接受由容差引起的实际谐振频率fR的偏差。在初始化过程中，控制器6还可以测量实际的谐振频率fR，计算合适的fP1和fP2的值，并将它们存储在存储器7内。
在操作期间，当灯L关断并且控制器6接收启动灯的命令时，控制器6或者通过以第一预定峰值频率fP1操作开关T1-T4来进行热重新点火，或者通过以第二预定峰值频率fP2操作开关T1-T4来进行冷点火。在图3和图4中所示的流程图中说明了实施这个程序的两种可能的方法。在所有这些方法中，控制器监测点火程序是否成功地点火灯，并且一旦成功，点火程序停止，控制器运行到接续状态和稳态；在附图中对此没有进行说明。
图3说明第一点火方法30。假定，在一开始，灯是接通的。在31步，控制器6监测灯是否仍旧接通。如果在31步控制器6发现灯熄灭了，控制器6启动计时器[32步]并且等待重新点火灯的命令[33步]。可替换地，在发现在不期望地灯熄灭的情况下灯熄灭时，控制器6可以自动地尝试重新点火灯。
在通过操作开关T1-T4实际启动点火之前，控制器6通过比较计时器的值与预先确定的阈值时间TTH来检查计时器的值[34步]。当计时器值表明：灯还没有关断足够长的时间，这说明灯还应该被认为是热的，则控制器6通过以第一预先确定的峰值频率fP1操作开关T1-T4来进行热再点火程序[35步]。否则，当计时器值表明：灯已经关断足够长的时间，这说明灯应该被认为是冷的，则控制器6通过以第二预先确定的峰值频率fP2操作开关T1-T4来进行冷点火程序[36步]。
所述的阈值时间TTH并非关键所在，可以对阈值时间进行选择，例如选为约5分钟的量级。取决于灯的类型，阈值时间TTH可以短于5分钟或长于5分钟。控制器6还可以与包含取决于灯的类型的阈值时间表的存储器相关联。在一般情况下，阈值时间TTH的合适值范围为1-15分钟。
图4说明第二种点火方法40。假定在一开始时灯是关断的。控制器6等待灯的再点火命令[41步]。在控制器6收到这个命令以后，它首先在第一时间段t1期间通过以第二预先确定的峰值频率fP2操作开关T1-T4来进行冷点火程序[42步]。第一时间段t1的持续时间并非关键，可以在例如1毫秒到1秒的范围内；合适值的量级例如约为500毫秒。如果灯实际上是冷的，它应该在这个第一时间段内启动，在这种情况下停止点火程序40，如先前所述。如果灯在这个第一时间段t1结束时还没有点火，这说明灯实际上是热的或者因为其他原因存在点火的问题，则控制器6通过以第一预先确定的峰值频率fP1操作开关T1-T4来进行热再点火程序[43步]。在这种情况下，在第二时间段t2以后也可以停止点火程序，这个第二时间段t2的持续时间也是约500毫秒的量级。如果灯仍旧没有点火，则可能出现了问题，点火程序应当结束，或者应该让灯休息一会儿，在此之后再次尝试点火；要说明的是，对于35步或36步，情况是相同的。
总之，本发明提供用于驱动气体放电灯L的驱动器设备100，驱动器设备100包括整流器电路5，电路5具有桥式拓扑结构，具有由控制器6控制的4个开关T1-T4，电感器L2布置成与灯串联，电容器C3布置成与灯并联，电感器L2和电容器C3具有并联谐振频率fR。在稳态模式，控制器以约100赫兹的相对较低的整流频率驱动4个开关T1-T4。为了在灯热时给灯点火，控制器以第一点火频率fP1＝fR/n1驱动4个开关T1-T4，n1是奇数。为了在灯是冷时给灯点火，控制器以第二点火频率fP2＝fR/n2驱动4个开关T1-T4，n2是大于n1的奇数。
虽然在附图和前边的描述中详细说明和描述了本发明，但本领域的普通技术人员应该清楚，这样的说明和描述不应该被认为是限制性的，或者只是一些例子。本发明不限于所公开的实施例，在由所附的权利要求书限定的本发明的保护范围内，若干变化和修改都是可能的。
控制器可以具有多于两个操作频率可为点火所用。例如，参照图4的方法40，如果利用第一频率fP1的点火也失效，则可以以还要高的第三频率和还要高的峰值电压尝试点火。
另外，不用具有4个开关的全桥模式，还可以以具有两个开关的半桥结构实施本发明。
本领域的普通技术人员在实施要求保护的本发明的过程中，经过研究附图、公开的内容、和所附的权利要求书，可以理解并实现所公开的实施例的其他变化。在权利要求书中，使用动词“包括”及其变化形式并不排除存在其他的元件或步骤，不定冠词“一”并不排除存在多个。单个处理器或其他单元可以完成权利要求书中引用的几项功能。在相互不同的从属权利要求中引用某些措施的事实并不表明不可能有益地利用这些措施的组合。计算机程序可以存储在或分配在合适的介质上，例如光存储介质或固态介质，这些介质或者与其他硬件一起提供，或者作为其他介质的一部分提供，但是计算机程序也可以以其他形式进行分配，例如经过因特网或经过其他的有线或无线系统进行分配。权利要求中的任何附图标记不应该被认为是对范围的限制。
已经参照方块图说明了本发明，这些方块图表示按照本发明的设备的功能方块。应该理解，可以用硬件实施一个或多个这样的功能方块，在硬件中这样一个方块的功能是通过各个硬件部件实现的。然而，一个或多个这样的功能方块也可以用软件实施，因此，可以通过计算机程序或可编程设备的一个或多个程序行来实现这样的方块功能，可编程设备例如有微处理器、微控制器、数字信号处理器、等。

Claims (10)

1、用于驱动气体放电灯(L)的驱动器设备(100)，其包括整流器电路(5)，它具有：
-用于接收输入电流的输入端，
-包括灯接线端子的分支，该灯接线端子用于连接灯(L)，电感器(L2)布置成与灯接线端子串联，电容器(C3)布置成与灯接线端子并联，所述电感器(L2)和电容器(C3)具有并联谐振频率fR；以及
-用于控制所述整流器电路(5)以便在第一状态和第二状态之间交变的控制器(6)，在所述第一状态中灯电流具有第一方向，在所述第二状态中灯电流具有第二方向；其中：
所述控制器(6)能够以稳态模式操作，在稳态模式所述第一状态和所述第二状态之间的交变是以相对较低的整流频率发生的；所述控制器(6)能够以热再点火模式操作，在热再点火模式所述第一状态和所述第二状态之间的交变是以第一点火频率fP1＝fR/n1发生的，n1是奇数；并且，
控制器(6)能够以冷点火模式操作，在冷点火模式所述第一状态和所述第二状态之间的交变是以第二点火频率fP2＝fR/n2发生的，n2是大于n1的奇数。
2、根据权利要求1所述的驱动器设备，其中：当灯处在关断状态，所述控制器(6)设计成检查灯处在冷状态还是热状态，并且根据这一检查结果来选择冷点火模式或热再点火模式以便给灯点火。
3、根据权利要求2所述的驱动器设备，其中：当灯被切断时，所述控制器(6)设计成启动计时器(32步)，从而比较计时器值与预先确定的阈值时间(TTH)(34步)，并且如果计时器值小于阈值时间(TTH)，则以热再点火模式操作；如果计时器值大于阈值时间(TTH)，则以冷点火模式操作。
4、根据权利要求3所述的驱动器设备，其中：所述阈值时间(TTH)在1-15分钟的范围内，最好约为5分钟的量级。
5、根据权利要求1所述的驱动器设备，其中：所述控制器(6)设成：首先在第一预先确定的时间段(t1)以冷点火模式操作，如果在所述第一预先确定的时间段(t1)期间灯还没点火，则以热再点火模式继续操作。
6、根据权利要求5所述的驱动器设备，其中：所述第一预先确定的时间段(t1)的范围是1毫秒到1秒，优选为约500毫秒的量级。
7、根据权利要求5所述的驱动器设备，其中：所述控制器(6)设计成以热再点火模式继续操作，一直到灯点火为止。
8、根据权利要求5所述的驱动器设备，其中：所述控制器(6)设计成：在第二预先确定的时间段(t2)以热再点火模式操作，如果在所述第二预先确定的时间段(t2)期间灯还没点火，则停止点火过程。
9、根据前述权利要求中任何一个所述的驱动器设备，其中：所述控制器(6)设计成响应于灯的点火而从点火模式过渡到稳态模式。
10、根据前述权利要求中任一项所述的驱动器设备，其中：所述整流器电路包括：
-第一分支，第一分支是连接在所述两个输入端之间的两个串联布置的可控开关(T1、T2)；
-第二分支，第二分支是连接在所述两个输入端之间的两个串联布置的可控开关(T3、T4)；
-对角线分支，包括用于连接灯(L)的灯接线端子；
其中：所述控制器(6)设计成：控制所述可控开关(T1、T2、T3、T4)，从而在第一状态和第二状态之间交变；在第一状态，所述第一分支的第一开关(T1)和所述第二分支的对角相对的第二开关(T4)这两者导通，而两个另外的开关(T2、T3)不导通；在第二状态，所述第一分支的第二开关(T2)和所述第二分支的对角相对的第一开关(T3)这两者导通，而两个另外的开关(T1、T4)不导通。
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