CN101959354B - 用于点燃放电灯的电路装置以及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于点燃放电灯的电路装置和借助初级回路来点燃放电灯的方法。所述电路装置具有初级回路，该初级回路包括第一开关、点燃电容器和电感器的串联电路，其中该开关实施为阈值开关，并且电感器包括点燃变压器的初级绕组，并且该初级回路构建为在点燃变压器的次级绕组上生成用于放电灯的点燃脉冲，其中该初级回路具有两个去耦的电压：基本上与点燃脉冲的能量相关的第一电压和控制开关的开关时刻的第二电压，其中第一电压小于第一开关的阈值。

Description

用于点燃放电灯的电路装置以及方法
技术领域
本发明涉及一种用于点燃放电灯的电路装置，其具有初级回路，该初级回路包括第一开关、点燃电容器和电感器的串联电路，其中开关实施为阈值开关并且电感器包括点燃变压器的初级绕组；并且初级回路构建为在点燃变压器的次级绕组上生成用于放电灯的点燃脉冲。
背景技术
本发明基于根据主权利要求的类型的用于点燃放电灯的电路装置。
图1示出了一种根据现有技术的用于点燃放电灯的电路装置，其中在初级回路中通过点燃变压器TR的初级绕组L1产生大的回路电流，其被转换成次级侧的高点燃电压U3。点燃电压U3被施加到气体放电灯上。初级回路在此包括由点燃变压器TR的初级绕组L1、点燃电容器C1和火花隙SG形式的第一开关构成的串联电路。在现有技术中的、点燃电容器C1被缓慢充电直至施加到其上的电压U1高到足以让火花隙击穿的通常的工作方式的情况下，火花隙SG上的电压基本上等于在点燃电容器C1上的电压，因为点燃变压器TR的初级绕组的电感对于直流电压是可穿过的。点燃电容器C1在此通过电压源U11、R11来充电，直至其电压达到火花隙的击穿电压，并且击穿火花隙。在此，在火花隙SG上的电压U2在非常短的时间内降低到非常低的值，这导致非常大的电流通过初级绕组L1和火花隙SG。在此，点燃电容器C1的电荷在很大程度上放电。通过初级侧的大电流，在点燃变压器TR的次级侧上形成点燃脉冲，其被施加到气体放电灯上。该电流(并且因此点燃脉冲的大小)在此与在火花隙SG击穿的时刻的充电电压U1有关。初级回路于是被施加以电压U1，该电压负责点燃电容器C1的充电以及负责接通火花隙SG。然而，火花隙具有如下缺点：击穿电压带有大的容差，并且在初级回路中通过对点燃电容器C1充电而存在的点燃能量由此同样强烈地波动。这使气体放电灯的点燃成为统计过程，这是非常不希望的。
在另一现有技术中，代替火花隙使用了可控半导体开关，例如晶闸管或者MOSFET。然而，半导体开关具有与火花隙相比高的内阻的缺点，这导致明显更低的初级电流，并且由此也导致明显更小的点燃脉冲。
发明内容
本发明的任务是提出一种用于点燃放电灯的电路装置，其具有初级回路，该初级回路包括第一开关、点燃电容器和电感器的串联电路，其中该开关实施为阈值开关并且电感器包括点燃变压器的初级绕组，并且初级回路构建为在点燃变压器的次级绕组上生成用于放电灯的点燃脉冲，借助该点燃脉冲可以决定性地预先确定点燃能量。
根据本发明，该任务的关于电路装置方面的解决方案借助用于点燃放电灯的电路装置来实现，该电路装置具有初级回路，该初级回路包括第一开关、点燃电容器和电感器的串联电路，其中该开关实施为阈值开关并且电感器包括点燃变压器的初级绕组，并且初级回路构建为在点燃变压器的次级绕组上生成用于放电灯的点燃脉冲，其中初级回路具有两个去耦的电压：基本上与点燃脉冲的能量相关的第一电压和控制开关的开关时刻的第二电压，其中第一电压小于第一开关的阈值。通过该措施可以将放电灯的点燃时刻与点燃能量去耦，并且将点燃能量调节到预先确定的值上。通过将第一开关构建为阈值开关，当第二电压对应于其阈值时接通该第一开关。
根据要求特征，可以通过二极管或者电感器来使电压去耦。通过电感器的去耦特别适于使用快速响应的第一开关的情况，而通过二极管的去耦具有更广的应用领域。
构建为阈值开关提供了许多可能的物理开关，第一开关例如可以是火花隙，或者是硅对称二端开关元件(Sidac)或者是带有类似的阈值特征的器件。火花隙作为阈值开关提供了非常小的内阻以及与此相联系的高点燃效率的优点。阈值开关在此优选地具有并联电容器，经过该并联电容器通过电荷转移到电容器可以在阈值开关上建立电压。优选地，为了对并联电容器充电使用了可控的电压源或者可控的电流源或者直流转换器或者电荷泵。特别优选地，为了对并联电容器充电使用了直流转换器，其实施为带有第二开关的电感型升压转换器。
电感型升压转换器优选实施为使得与第二开关串联设置有齐纳二极管。通过该措施可以使晶体管的截止电压更小，并且电感型转换器可以成本更为低廉地实施。
根据本发明，关于方法方面的任务通过借助初级回路来点燃放电灯的方法来实现，该初级回路包括第一开关、点燃电容器和电感器的串联电路，其中该开关实施为阈值开关，并且电感器包括点燃变压器的初级绕组，并且初级回路构建为在点燃变压器的次级绕组上生成用于放电灯的点燃脉冲，该方法的特征在于包括如下步骤：
-将点燃电容器充电到第一电压，
-将第二电压施加到第一开关上以便接通该第一开关。通过该措施可以使放电灯的点燃时刻与点燃能量去耦，并且点燃能量可以被调节到预先确定的值。
用于点燃放电灯的根据本发明的电路装置和根据本发明的方法的其他有利的改进方案和扩展方案从其他从属权利要求和以下的说明中得到。
附图说明
参照以下对实施例的说明以及参照附图得到了本发明的其他优点、特征和细节，在附图中相同的或者功能相同的元件设置有相同的附图标记。其中：
图1示出了根据现有技术的用于点燃放电灯的电路装置，
图2示出了第一实施形式的用于点燃放电灯的根据本发明的电路装置，其具有二极管作为去耦元件，
图3示出了第二实施形式的用于点燃放电灯的根据本发明的电路装置，其带有二极管作为去耦元件，该二极管是电感型升压转换器的一部分，该电感型升压转换器使用点燃变压器的初级绕组作为电感线圈，
图4示出了第三实施形式的用于点燃放电灯的根据本发明的电路装置，其带有二极管作为去耦元件以及带有电感型升压转换器，
图5示出了第四实施形式的用于点燃放电灯的根据本发明的电路装置，其带有点燃变压器的初级绕组作为去耦元件并且带有用于提高第二电压的开关段，
图6示出了一些相关的信号，它们说明了在点燃电容器的充电电压为500V时的根据本发明的电路装置的工作方式，
图7示出了一些相关的信号，它们说明了在点燃电容器的充电电压为700V时的根据本发明的电路装置的工作方式。
图8示出了第五实施形式的用于点燃放电灯的根据本发明的电路装置，该电路装置带有二极管D1作为去耦合元件并且带有火花隙SG作为第一开关。
具体实施方式
图2示出了第一实施形式的用于点燃放电灯的根据本发明的电路装置，其带有二极管D1作为去耦元件并且带有火花隙SG作为第一开关。通过二极管D1可能的是，在火花隙SG上施加比在点燃电容器C1上更高的电压U2。对此，二极管的负极与火花隙SG相连。点燃电容器C1在此根据本发明一直被充电到预先确定的第一电压U1，以便保证恒定的点燃能量。第二电压U2被施加到火花隙SG上，该第二电压高到足以让火花隙SG击穿(即接通)。这例如可以通过外部的、在此未示出的电压源来实现。通过二极管D1将两个电压彼此去耦并且可以独立地调节。对此的前提条件自然是：火花隙的最小击穿电压在第一电压U1以上。在点燃电容器C1上的第一电压U1被调节到能够实现预先确定的所希望的点燃脉冲能量的值上。该电压可以固定地调节，或者也可以根据工作状态可变地调节。通常，在点燃脉冲能量和点燃脉冲的最大电压之间存在关联，使得具有更高的点燃脉冲能量的点燃脉冲在其他相同的初级回路参数的情况下也始终引起点燃脉冲的更高的最大电压。为了顾及到整个系统的绝缘，点燃脉冲于是可以生成为使得其可以根据恰好所处的工作状态始终可靠地点燃灯，但同时并未不必要地高，以便不让系统的绝缘性承受过大的负荷。
原则上，足够高的电压可以以两种方式施加到火花隙上：如上面已经描述的那样，可以将电压源施加到火花隙上，该电压源足够高以便让火花隙击穿。然而也可以将电荷施加到与火花隙并联连接的电容器C2上，通过电荷于是在电容器上并且由此也在火花隙上产生第二电压U2。电容C2可以包括火花隙的寄生电容和与其连接的部件例如二极管D1。然而，电容也可以由该电容和与火花隙并联连接的实际电容器的电容组成。这取决于实际的条件和根据本发明的电路装置的设计。优选地，电容C2选择得明显小于点燃电容器C1的电容，优选C2＜0.3*C1。由此实现了将电容C2对点燃能量的影响保持为小到可忽略。
图3示出了第二实施形式的用于点燃放电灯的根据本发明的电路装置，其带有二极管D1作为去耦元件，该二极管是电感型升压转换器3的一部分，该电感型升压转换器使用点燃变压器的初级绕组作为电感线圈。借助该电路装置不再需要电压源来提供第二电压U2。电感型升压转换器3作为对电容C2的电荷泵来工作并且在数个周期中在电容器C2上产生电压，该电压足以点燃火花隙。通过借助数个周期来产生第二电压U2，可以非常精确地调节连接到点燃电压U3上的气体放电灯5的点燃时刻。齐纳二极管ZD1在此用于降低在第二开关S1上的电压，该第二开关实施为晶体管。由于在数个周期达到火花隙的击穿的情况下电感型升压转换器3的效率不重要，所以齐纳二极管ZD1可以与第二开关或者开关晶体管S1串联地设置。由此，开关晶体管S1必须针对低的截止电压来设计。在齐纳二极管ZD1中的损耗在此不重要。由于具有小的截止电压的开关晶体管明显成本更为低廉，所以该手段有利于将根据本发明的电路装置的成本保持较低。齐纳二极管ZD1的齐纳电压必须选择得小于第一电压U1的稳态值(即点燃电容器C1最后所充电到的电压U1)。这是必要的，因为否则在开关/晶体管S1接通时会没有电流流经开关/晶体管。用数字表示，齐纳二极管ZD1的齐纳电压Uzener应为点燃电容器C1上的电压U1的0.2到0.95倍：Uzener＝(0.2..0.95)*U1。电感型升压转换器3使用点燃变压器TR的初级绕组作为电感线圈。这要求所有部件的精确协调，由此点燃变压器和电感型升压转换器可以最优地实现其功能。但在一些情况下，针对绕组L1不能将作为点燃变压器TR的初级绕组的功能与作为电感型升压转换器3的电感线圈的功能统一，因为两个应用要求的绕组L1的电感值并不能统一。在该情况下，使用了根据本发明的电路装置的第三实施形式。
图4示出了第三实施形式的用于点燃放电灯的根据本发明的电路装置，其带有二极管作为去耦元件以及带有电感型升压转换器。电感型升压转换器在此包括附加的电感线圈L3、附加的二极管D2和从第二实施形式中已知的齐纳二极管ZD1和开关S1的串联电路。电感型转换器的输入端在此连接到点燃电容器C1的充电电压上。然而，在某些应用中有意义的是，使用其他内部电压源来为电感型转换器3供电。该实施形式尽管需要比第二实施形式更多的器件，但也可以同时在更为复杂的边界条件下可靠地点燃更难启动的气体放电灯。该实施形式具有最多的设计自由度，由此可以通过相应地使器件值匹配在实践上解决任何这样复杂的点燃任务。电感型升压转换器在此又作用在电容C2上，该电容可以实施为寄生电容或者实施为寄生电容和实际的电容器的并联电路。通过短时接通并且又关断开关或者开关晶体管S1，将存储在电感线圈L3中的电荷传递到电容上，这导致在电容C2上的电压的显著升高。这对应于第二实施形式的工作方式，只是在此电感线圈L3和电容C2可以更好地彼此协调。开关或者开关晶体管S1可以多次相继地接通和又关断。但在特定的情况下，也可能的是：所需的第二电压U2随着开关或者开关晶体管S1的一次接通且又关断而产生。
在以下的表中说明了第三实施形式的优选的扩展方案的器件值：
 C1   68nF
 C2   0..5nF
 L1   1.3μH
 L2   700μH
 LD   不存在
 U1   200V..700V
 D1   具有600V截止电压的二极管
 D2   具有600V截止电压的二极管
 ZD1   具有400V的齐纳电压的齐纳二极管
 L3   470μH
 SG   具有800V±20％的击穿电压的火花隙
电压U1在此可以根据所希望的点燃能量而从200V至700V变化。点燃能量在此可以取决于气体放电灯5的灯状态，例如其在热的灯的情况下可以更大。在500V的电压U1的情况下，点燃能量例如为0.5*70nF*(500v)2＝8.75mJ，对应于17kV的点燃脉冲大小。在700V的电压U1的情况下，点燃脉冲能量例如为0.5*70nF*(700v)2＝17.15mJ，对应于22kV的点燃脉冲大小。开关/开关晶体管S1的接通时间在此根据电压U1来变化，使得开关/开关晶体管闭合的持续时间在更高的电压U1的情况下减小，以便降低开关/开关晶体管S1的电压负载和电流负载。开关/开关晶体管S1的接通持续时间因此在500V的第一电压U1的情况下为2.5μs，而在700V的第一电压U1的情况下为0.2μs。
图5示出了第四实施形式的用于点燃放电灯的根据本发明的电路装置，其带有点燃变压器的初级绕组作为去耦元件并且带有用于提高第二电压的开关段。这给出了第二实施形式的略微简化的实施形式。在此，点燃变压器TR的初级绕组用作去耦元件，这导致：所有对于点燃所需的过程必须非常快速地进行，因为点燃变压器TR的初级绕组作为电感性部件对于直流电压和低频的交流电压是可通过的。理想情况下，在此在电容上的电压U2随着第二开关S1的仅仅一个开关过程而产生。通过短时接通S2，在阈值开关S1上形成谐振过电压。由此，在短时中电压U2显著地高于电压U1。谐振的电压过冲仅仅短时地出现在阈值开关上。这导致阈值开关或者火花隙SG必须非常快速地开关，以便能够利用该效应。如果火花隙SG过于缓慢地开关，则电压U1和U2又已经变得相同，并且点燃机制不起作用。为了改进阈值开关的响应，有利的是延长谐振的电压过冲的持续时间。这可以通过增大有效的初级电感和通过增大电容C2来实现。对此，附加的电感可以与初级绕组(L1)串联连接和/或附加的电容与阈值开关并联连接。附加的电感器在此可以实施为使得其在SG接通之后在C1放电时进入饱和。这具有如下优点：在SG击穿时仅仅小的电压降落在附加的电感器上并且由此仅仅略微减小了点燃脉冲大小。
在如下的表中说明了第四实施形式的一个优选扩展方案的器件值：
  C1   68nF
  C2   0.5..5nF
  L1   1.3μH
  LD   1..5μH
  L2   700μH
  U1   500V..600V
  ZD1   具有400V的齐纳电压的齐纳二极管
  SG   具有800V±20％的击穿电压的火花隙
具有非常快速的阈值开关或者快速的火花隙SG的开关机制自然也可以以根据本发明的方式应用于如图1中的已知的电路装置上。如果在此由外部的在此未示出的电压源来将电压施加到火花隙SG上，并且火花隙SG快速地开关，则可以借助L1将在点燃电容器C1上施加的电压U1与触发阈值开关或者火花隙SG的电压U2去耦，而无需额外的器件。这给出了根据本发明的点燃方法的最简单的实施形式，并且仅仅需要快速开关的第一阈值开关和如下电压源：该电压源能够以非常高的电压改变速度将电压施加到阈值开关上。
图6和7示出了一些相关的信号，它们说明了在500V或者700V的点燃电容器的充电电压时根据本发明的电路装置的工作方式。在此在2μs/DIV的时间轴上绘制有电压U1、U2、U3和在第二开关或者开关晶体管S1上的电压。这些信号的基础是第三实施形式的根据本发明的电路装置。在时刻t1，第二开关S1或者电感型转换器的晶体管接通，这可以在电压US1上清楚地看到，该电压降低到零。在时刻t2，第二开关S1或者电感型转换器的晶体管又关断，于是开始振荡，该振荡也在火花隙电压U2中反映出来。该电压在关断时刻突然升高确定的值。在该例子中，设计选择为已在一次开关过程中达到用于击穿火花隙的电压。但原理上，也可以在多个开关过程之后才情况如此。明显可看到的是：点燃电容器上的电压U1与火花隙上的电压U2无关。在时刻t3，火花隙击穿并且电压U1放电成在初级回路中的回路电流，该回路电流在点燃变压器TR的次级侧生成点燃电压U3的高的点燃电压变化过程。如果将图6和图7二者进行比较，则可以清楚地看到在点燃电容器C1上的电压U1和点燃电压U3之间的关系。在图6中，点燃电容器C1被充电到500V的电压并且得到的最大点燃电压为大约17kV。在图7中，点燃电容器被充电到700V的电压，并且最大点燃电压为大约22kV。还可以清楚地看到的是在第二开关S1的接通时间和点燃电容器C1上的电压U1之间的开头所提及的关系。如果点燃电容器C1被充电到500V(图6)，则第二开关S1被接通大约2.5μs。这对应于时刻t1到t2之间的时间段。如果点燃电容器C1被充电到700V(图7)，则第二开关S1仅仅被接通大约200ns。
图8示出了第五实施形式的用于点燃放电灯的根据本发明的电路装置，其带有二极管D1作为去耦元件并且带有火花隙SG作为第一开关，该实施形式类似于第一实施形式。在该实施形式中示例性地示出了点燃回路中的电感器不仅必须包括点燃变压器的初级电感器L1，而且与其串联地也可以连接电感线圈LD，它们一同形成电感器L。该电路变形方案自然也可以应用于所有其他实施形式中。通过该措施可能的是，可以使L的电感值更好地与电路的要求相匹配。这尤其在第二实施形式和第四实施形式中会是有利的，因为在此部件(尤其是升压转换器的电感值)的精确协调通常导致转换器效率的升高。由此可能的是，在不利的情况下借助一些成本低廉的器件显著地提高转换器效率并且由此显著提高整个电路装置的效率。

Claims (9)

1.一种用于点燃放电灯的电路装置，具有初级回路，该初级回路包括第一开关(SG)、点燃电容器(C1)和电感器(L)的串联电路，其中该开关实施为阈值开关并且电感器包括点燃变压器(TR)的初级绕组(L1)，并且该初级回路构建为在点燃变压器(TR)的次级绕组(L2)上生成用于放电灯的点燃脉冲，其特征在于，该初级回路具有两个去耦的电压：第一电压(U1)，点燃电容器(C1)充电到所述第一电压并且所述第一电压基本上与点燃脉冲的能量相关；和第二电压(U2)，所述第二电压是施加到第一开关(SG)上的并且控制第一开关(SG)的开关时刻，其中第一电压(U1)小于第一开关(SG)的阈值，
其中，在第一电压(U1)和第二电压(U2)之间设置有电感器(L)或者设置有与二极管(D1)串联的电感器(L)，其中二极管(D1)的负极与第一开关(SG)相连。
2.根据权利要求1所述的电路装置，其特征在于，电感器(L)包括点燃变压器(TR)的初级绕组(L1)与附加电感线圈(LD)的串联电路。
3.根据权利要求2所述的电路装置，其特征在于，附加电感线圈(LD)在点燃电容器(C1)放电时在点燃瞬间饱和。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电路装置，其特征在于，第一开关(SG)是火花隙或者硅对称二端开关元件，或者是带有作用相同的阈值特征的器件。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的电路装置，其特征在于，与阈值开关(SG)并联连接有电容(C2)。
6.根据权利要求5所述的电路装置，其特征在于，该电路装置具有可控电压源或可控电流源或者直流电压转换器或者电荷泵用于对并联电容(C2)充电。
7.根据权利要求6所述的电路装置，其特征在于，直流电压转换器是带有第二开关(S1)的电感型升压转换器(3)。
8.根据权利要求7所述的电路装置，其特征在于，与第二开关(S1)串联设置有齐纳二极管(ZD1)，其中齐纳二极管(ZD1)的正极与所述第二开关相连。
9.一种用于借助初级回路点燃放电灯的方法，该初级回路包括第一开关(SG)、点燃电容器(C1)和电感器(L)的串联电路，其中该开关实施为阈值开关，并且电感器包括点燃变压器(TR)的初级绕组(L1)，并且初级回路构建为在点燃变压器(TR)的次级绕组(L2)上生成用于放电灯的点燃脉冲，其特征在于包括如下步骤：
-将点燃电容器(C1)充电到第一电压(U1)，
-将第二电压(U2)施加到第一开关(SG)上，以便接通该第一开关，
其中，在第一电压(U1)和第二电压(U2)之间设置有电感器(L)或者设置有与二极管(D1)串联的电感器(L)，其中二极管(D1)的负极与第一开关(SG)相连。
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