CN102918931B - 用于控制高强度气体放电灯的方法和高强度气体放电灯的供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于控制高强度气体放电灯的方法，包括：将来自开关级联的、具有可变频率和恒定占空因子的信号供给至镇流器电路和灯，镇流器电路包括至少一个电容器和至少一个电感，该方法使用从与镇流器电路和灯9连接的半桥型电子开关级联供给的具有周期性波动频率和恒定占空因子50比50%的信号，其中，镇流器电路至少包括第一电容器（C1）、灯，并且包括构成谐振电路的第一电感（L1）和第二电容器（C2）。还涉及包含稳定的电压源的高强度气体放电灯的供电系统，所述电压源向与灯和镇流器连接的半桥型或全桥型电子开关级联供电，镇流器包括至少一个电容器和至少一个电感，该系统包括具有受电压或电流调节的频率信号的发生器以及生成宽度调制的脉冲的发生器控制单元。该系统的特征在于包括具有受电压或电流调节的频率和恒定占空因子的信号发生器（CONTROL1）以及包括具有恒定频率和可变占空因子的至少一个信号发生器的控制单元（CONTROL2）。控制单元（CONTROL2）的输出端与信号发生器（CONTROL1）的控制输入端连接，使得控制系统（CONTROL2）适于将改变信号发生器（CONTROL1）的工作频率的宽度的调制脉冲传输至信号发生器（CONTROL1），并且其中，信号发生器（CONTROL1）与半桥型的电子开关（T1，T2）级联连接，以及镇流器包括第一电容器（C1）、第一电感（L1）、第二电容器（C2），并且包括将灯（LAMP）与第二电容器（C2）隔离的第二电感（L2）。

Description

用于控制高强度气体放电灯的方法和高强度气体放电灯的供电系统

本发明涉及用于控制高强度气体放电灯的方法和高强度气体放电灯的供电系统。

高强度气体放电灯由于高效能（范围为100流明/瓦至150流明/瓦）而广泛用在城市和大型照明系统中。在高强度气体放电灯的典型点火和供电系统中，具有电感镇流器（BALLAST）和用于在灯点火时刻之前在该镇流器上生成高电压的启辉器。点火之后，镇流器的电感限制流过灯的电流。为了降低电极的退化，通常使用方波电源电压来给具有限流电感（BALLAST）的高强度气体放电灯供电。

用于从交流市电电源向放电灯供电的典型系统由二极管整流器和功率因数校正系统（PFC）构成，其为具有约400V稳定电压的内部电源。该电压向全桥或半桥式的电子开关（晶体管）级联系统供电，其中由合适的控制系统控制的该级联系统是具有设定值的交流电压源，串联电感的值将流过灯的电流限制为设定值。对具有稳定频率的电路补充与灯并联且与电感串联的电容器，以获得串联谐振电路。通过在开关级联中生成频率接近该电路的自谐振频率的交流电压而在所述电路的电容器中感应出高交流电压。该电压用于启动放电灯的点火。

欧司朗公司在2009年3月出版的文档“High Intensity Dischargelamps-Technical information on reducing the wattage”讨论了用于降低并调节供给至放电灯的功率的方法。在典型的方案中，用于稳定供给至灯的功率的唯一元件是电感，而通过为预测功率选择电感来以所设置的电流稳定性和市电频率进行功率调节。这种方案对市电电源参数的变化敏感，并且实际上，其迫使构建用于城市照明系统的独立供电网络。

使用超过1kHz的频率向高强度气体放电灯供电会导致形成声波，其在供电过程的宽频率范围（从1kHz至1MHz）内导致声谐振的发生。该现象使流过等离子体的电流不稳定，从而导致放电电弧不稳定和灯闪烁，并且在极端情况下甚至导致灯头的机械损坏。消除该影响的典型方法在于向高强度灯供给两个过程的电压：主过程为会发生谐振的频率范围，以及第二过程为使放电电弧稳定的更高频率。欧洲专利说明书EP 1327382公开了向放电灯供电的方法，其中，为了降低不利的声谐振，使用对镇流器（BALLAST）供电的方波电压的频率调制（FM）和脉冲宽度调制（PMW），这导致了对供电波的附加幅度调制（AM）。

根据所讨论的方案，对供给至灯的功率的调节包括测量灯电极上的电流和电压并且改变供电电压波的参数，例如，改变电压幅度、改变频率或改变其占空因子。

为了诱发高强度气体放电灯点火，需要生成2.5kV到15kV的高压。用于生成适当电压的方法之一是向具有电感且包括电容器的电路供电，所述电容器与电感串联且与灯并联连接，该电容器和电感构成串联谐振电路，其中电流的频率接近电路的自由振荡谐振频率。在达到点火电压后，作为在与灯并联的电容器上生成高电压的结果而开始灯的点火。

国际公布WO 2008/132662公开了：在具有限流电感的系统和采用一个开关（晶体管）级联的全桥型供电系统中，使用点火系统对与灯并联的电容器在点火时刻生成高电压，或者检测灯中的放电弧衰减。

在串联谐振点火系统的情况下，在谐振电容器上获得高压的有效性取决于所述电容器的电容。实际上，针对对于灯系统而言安全的电流强度的值范围（达到20A），为了在谐振电容器上获得大约几千伏或几十千伏的电压，电容器的电容被限制为几毫微法。另一方面，该电容器的电容与谐振频率直接相关。

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}$

（其中：f—谐振频率，L—电感，C—电容）。

谐振频率还取决于限流电感L的值，其取决于向放电灯供电的频率和电压以及供给至灯的期望功率。通常，在在通过声学上过程供应功率为30W到400W范围的灯的情况下，电感L的值的范围为几十微亨到几毫亨。结果，在这些系统中所获得的Q因数值等于下式：

$Q=\frac{1}{R}\sqrt{\frac{L}{C}}$

（Q—品质因数，R—系统的替代串联电阻，L—电感，C—容量）为高，并且谐振曲线由斜率限定，这导致需要对放电灯的特定谐振点火系统的感应频率进行非常精确的选择。由于商品参数的可接受容限、电感和电容的实际值的多样化导致系统的谐振频率的扩展，这又迫使实现利用供电电压频率的改变来生成高电压的技术。通常，对于串联谐振点火系统，向谐振系统供电的频率从高于系统的谐振频率的值、经过接近应该发生点火的谐振频率的过谐振频率而向工作频率（电感将电流限制为对应于设置功率的值的频率）而减小。随着感应频率越接近谐振频率，在缺少灯或灯损坏的情况下，在谐振电路中发生电压和电流突然增长，这会导致电路损坏或其他系统元件的故障。在系统的实际布置中，所述风险迫使使用保护系统。

本发明提供了用于控制高强度气体放电灯的替代方法和高强度气体放电灯的供电系统。

一种用于控制高强度气体放电灯的方法，包括：将来自开关级联的、具有可变频率和恒定占空因子的信号供给至镇流器电路和灯，所述镇流器电路包括至少一个电容器和至少一个电感，根据本发明其特征在于，使用从与所述镇流器电路和所述灯连接的半桥型电子开关级联供给的、具有周期性波动频率和恒定占空因子50比50%的信号，其中，所述镇流器电路至少包括第一电容器、所述灯，并且包括构成谐振电路的第一电感和第二电容器。优选地，通过对控制单元生成的、具有恒定频率和可变占空因子的方波信号进行控制，而从信号发生器获得所述具有周期性波动频率和恒定占空因子50比50%的信号。尤其是，所述镇流器包括将所述灯与所述第二电容器隔离的第二电感。特别低，优选地借助于测量元件测量稳定的电压源与所述电子开关的级联之间的供电电流的值，并且基于所获得的值，确定所述第二电容器的端子与地之间的电流值以及所述第二电感的端子与地之间的电流值。

优选地，在高强度气体放电灯的点火模式下，供给具有高电压和周期性波动频率的信号以激励所述谐振电路，所述激励信号足以使所述灯点火，所述激励信号的最高频率低于次谐振频率值，对于该频率，在包括第一电感和第二电容器的谐振电路中的第二电容器上生成电压电平。特别地，在点火模式下，在供给具有周期性波动频率的信号期间，优选地借助于测量元件测量所述第二电容器的端子与地之间的电流值，将该电流值与比较器单元的比较器中所设置的电流值进行比较，并且当该电流值超过所述设置值时，停止信号传输。可选地，在点火模式下，在供给具有周期性波动频率的信号期间，优选地借助于测量元件测量所述第二电感的端子与地之间的电流值，将该电流值与比较器单元的比较器中所设置的电流值进行比较，并且当该电流值达到所述设置值时，停止传输所述激励信号，并且开始灯（LAMP）供电模式下的信号传输。

优选地，在高强度气体放电灯的供电模式下，使用从最低值至最高值且再次从最高值至最低值的周期平滑调制的频率。

优选地，使用随着频率增大的时间段与频率减小的时间段之比的变化而变化的频率，来执行对供给至所述灯的功率的调节。

特别地，所述高强度气体放电灯是钠灯。针对频率变化，使用至少一个调制频率且调制深度不超过15%，以及频率增大的时间段与频率减小的时间段之比在从0.1到10的范围内。优选地，调制后频率为50kHz，调制频率为240Hz，并且调制深度为10%。

特别地，所述高强度气体放电灯（LAMP）是金属卤化物灯。针对频率变化，使用至少一个调制频率且调制深度不超过20%，而且频率增大的时间段与频率减小的时间段之比在从0.1到10的范围内。优选地，调制后频率为130kHz，调制频率所述240Hz，并且调制深度为10%。优选地，通过改变所述控制单元中的PWM过程的占空因子，来调节供给至所述灯的功率。使用微芯片控制来执行所述控制单元中的PWM过程的占空因子的改变。

优选地，基于所述第二电感的端子与地之间的电流值检测放电电弧衰减，尤其在所述值远低于针对适当的灯操作而在所述比较器单元中的比较器上设置的电流值时，并且接着恢复灯点火模式。优选地，当所述电流值不同于针对适当的灯点火而在所述比较器单元中的比较器上设置的值时，尤其是在灯冷却所需的时间段之后而尝试点火之后，基于所述第二电感的端子与地之间的电流值检测使得灯操作变得不可能的灯缺失或灯损坏。

优选地，在检测所述放电电弧衰减并恢复灯点火之后，减小传输至所述灯的功率值，并且如果所述弧没有衰减，则维持所述功率值，并且在所述弧衰减的情况下，恢复所述点火模式，并且重新尝试减小功率的步骤。

一种用于高强度气体放电灯的供电系统，其包括稳定的电压源，并且电压源向与灯和镇流器连接的半桥型或全桥型电子开关级联供电，所述镇流器包括至少一个电容器和至少一个电感，所述系统包括具有受电压或电流调节的频率信号的发生器以及用于生成宽度调制的脉冲的发生器控制单元，其特征在于，所述供电系统包括具有受电压或电流调节的频率和恒定占空因子的信号发生器以及包括至少一个具有恒定频率和可变占空因子的信号发生器的控制单元，其中，所述控制单元的输出端与信号发生器的控制输入端相连接，使得所述控制系统适于向所述信号发生器传输用于改变所述信号发生器的工作频率的、宽度调制的脉冲，并且所述信号发生器与半桥型的电子开关级联相连接，并且所述镇流器包括第一电容器、第一电感、第二电容器，并且包括将所述灯与所述第二电容器隔离的第二电感。优选地，所述镇流器在所述灯的输入端子上包括第一电容器和第一电感以及与所述灯并联连接的第二电容器，并且在所述灯的输出端子上包括将所述灯与所述第一电容器隔离的第二电感，其中，所述第一电感和所述第二电容器彼此串联布置并且构成所述谐振电路的一部分。特别地，在所述开关级联的输出端上生成的电压信号是方波，并且其占空因子是50%。所述系统尤其包括在所述稳定电压源和所述电子开关级联之间的用于测量供电电流值的测量元件。可选地，所述系统包括用于测量流过所述谐振电路的电流的测量元件，所述谐振电路包括所述第一电感和所述第二电容器。特别地，所述系统包括用于测量流过所述灯的电流的测量元件。优选地，所述测量元件是电阻测量单元。可选地，所述测量元件是电感测量单元。

优选地，所述控制单元包括所述发生器和控制所述发生器PWM的比较器单元。特别地，所述发生器PWM是由所述比较器单元控制的微芯片，其具有PWM输出。

优选地，所述高强度气体放电灯是钠灯。

可选地，所述高强度气体放电灯是金属卤化物灯。

根据本发明的用于控制高强度气体放电灯的方法和供电系统展现许多优点，其预定通常用在照明系统的实际实施例中的主题方案。该系统的特征在于高于传统电磁方案的高效率，并且其特征在于与现有技术的电子模型的状态相比简化控制和执行系统的布置。由于消除了由过多电压或电流导致系统损坏的风险，该控制方法和系统布置提供了灯点火模式下的安全运行。此外，通过将消耗的功率稳定在特定的设置电平，根据本发明的控制方法提供了对灯供电参数的自动调节。接下来，根据本发明的方法使得能够通过可以设置自调节电平来调节灯消耗的功率。利用根据本发明的方法和系统提供了更长时期的适合的灯利用，并且由于所实现的自适应算法，磨损的灯的照明时期显著延长。

在照明系统中利用根据本发明的方案使得能够获得照明而不会引起频闪效应（与传统的方案相反，其中，在高于主频两倍（即，100Hz或120Hz）的频率处发生闪烁效应）。

此外，由于在根据本发明的系统中实现功率因数校正模块PFC，实现了无源功耗的消除（由于功率因数对应于cosφ=0.99），这导致导线和供电线的电阻损耗的降低。使用宽范围的输入电压和高电阻来进行电压改变的可能性使得能够消除对建立用于供给市政照明系统的独立电力网络的需要。

本发明由附图示出，其中，图1示出具有基本拓扑结构的根据本发明的系统；图2示出配备有用于动态功率调节的装置的根据本发明的系统；图3示出配备有用于动态功率调节的装置和辅助测量单元的根据本发明的系统；图4示出在根据点火模式运行的系统中频率变化与时间的关系曲线的图；图5示出根据点火模式运行的系统中的电压变化；图6示出在控制单元输出端上和信号发生器输出端上流动的电压；图7示出流过灯的电流与信号发生器的输出频率的关系曲线的图；图8示出与信号发生器连接的控制单元的示例性方案；图9示出系统中安装钠灯时的频率变化的图；图10示出系统中安装金属卤化物灯时的频率变化的图；图11示出灯供电系统消耗的电流、比较器的对应输出状态以及这些状态的异步采样值的变化；图12示出数字功率调节的示例性算法的逻辑环。

图1所示的根据本发明的、用于高强度气体放电灯的供电系统是从交流网络供电的，并且包括约400V的内部稳定电压源，其典型地包括二极管整流器和功率因数校正系统PFC。稳定电压源向诸如半桥型的电子开关级联供电，该电子开关级联包括用作电子键的晶体管T1和T2。作为信号发生器CONTROL1进行控制的结果，开关级联成为具有设定值的交流源，对于该设置值交流源，串联电感L1的值将流过灯LAMP的电流限制为所设置的水平。该系统补充有与灯LAMP并联且与电感L1串联的电容器C2，以获得串联谐振电路。在开关T1和T2的级联中生成频率接近包括电感L1和电容器C2的电路的自由振荡谐振频率的交流电压，会促使在电容器C2上出现高交流电压，该电压用于促使放电灯LAMP点火。

信号发生器CONTROL1包括具有受电压或电流控制的可变频率和恒定占空因子（50/50%）的发生器1。信号发生器CONTROL1与控制单元CONTROL2连接，该控制单元包括具有恒定频率和可变占空因子的PWM发生器2，该发生器用于修改发生器1的频率。该系统包括将灯LAMP与电容器C2隔离的附加电感L2。令人惊喜地，引入附加电感L2和具有下述特性的控制单元CONTROL2提供了稳定放电灯LAMP操作以及实现根据本发明的创新控制方法（尤其是点火方法），从而供给并调节高强度气体放电灯的功率。

图2示出图1所示的用于高强度气体放电灯的供电系统的优选变型。该变型使得能够控制灯操作，尤其是控制高强度气体放电灯消耗的功率。根据图2的该系统包括在PFC系统与电子键T1和T2的级联之间的测量元件A1以及系统的剩余部分。测量元件A1用于测量供电电流值。测量元件A1可以是电阻测量单元或电感测量单元。

根据图2的系统在控制单元CONTROL2中包括比较器单元3，比较器单元3包括至少一个比较器。比较器单元3与测量元件A1的输出结果连接，并且通过将该输出结果与设置值进行比较来分析其状态，并且使用该比较的结果来修改发生器2的输出参数，这导致信号发生器CONTROL1的输出参数变化，该信号发生器CONTROL1控制电子键T1、T2的级联并导致灯LAMP操作参数的变化。

图3示出根据图2的系统的另一变型。图3的系统包括附加测量元件A2和A3以及比较器单元3中的相应比较器。测量元件A2和A3用于测量电流值。测量元件A2和A3可以是电阻测量单元、电感测量单元或其组合。基于测量元件A2和A3所位于的系统点中所确定的电流的直接测量值，在灯的点火模式和工作模式两者下都实现了高级测量和控制过程。与电容器C2以及与电源的负极连接的测量元件A2被设计用于测量流过电容器C2的电流。与电感L2以及与电源的负极连接的测量元件A3被设计用于测量流过电感L2的电流。

将由测量元件A2、A3确定的或在系统中A2或A3所位于的点处所确定的电流的测量值与比较器单元3中的设置值进行比较，并且基于这样的比较，修改发生器2的输出参数，这导致信号发生器CONTROL1的输出的适当变化。

令人惊喜地，根据本发明的供电系统使得能够实现用于高强度气体放电灯的点火的创新方法。在迄今为止所使用的放电灯的供电-点火系统中的谐振点火方法包括利用频率高于L1-C2电路的谐振频率的交流电压过程向谐振电路L1-C2供电。接下来，将频率减小至接近谐振频率的值，在该谐振频率处，在谐振电容器上所生成的电压足以进行灯点火。在点火之后，频率进一步减小，直到限流电感L1将流过灯LAMP的电流限制为设置值为止。该方法导致该频率不可避免地等于谐振频率，并且在缺少灯或灯损坏的情况下，这导致在谐振电容器上以供电系统消耗的电流的实质值生成非常高的电压。由于高电压和高电流值可能引起点火系统的损坏，因此，需要使用适当的测量保护系统。

根据本发明的谐振点火方法包括以具有周期性波动频率的电压向谐振电路供电。根据本方法，通过周期性的频率改变向谐振电路提供次谐振频率。图4中示出点火期间频率变化的曲线图。在该曲线图上，F表示频率轴，T表示时间轴，F_res.表示电路L1-C2的谐振频率，F_stat.表示恒定频率（在该恒定频率处，点火发生），F_max.表示在动态点火时调制频率的最大值，以及F_min.表示在动态点火时调制频率的最小值。向包括电感L1和电容器C2的串联谐振电路供给范围从最低频率F_min.到最高频率F_max.的交流电压过程，其中该频率在这些值之间周期性改变。频率F_min.和频率F_max.两者不仅都低于谐振频率F_res.而且还低于F_stat.（即，点火发生时的恒定频率）。

必须强调，频率F_max.的值令人惊喜地始终低于值F_stat.。由于上述原因，谐振电路消耗的电流也低于根据使用过谐振频率的现有技术的状态的方法中消耗的电流。

图5示出根据本发明的点火方法的原理，该图示出在点火谐振系统中所获得的电压的曲线图，其中以具有恒定频率的电压V_{(ignition Fstat.)}和具有调制频率V_{(ignition F mod.)}的电压向该系统供电。在该曲线图上，轴V表示确定电容器C2的电压与输入电压的比率V_(C2)/V_in的轴，轴F(kHz)表示频率轴，范围Operation（工作）表示在工作相处的频率调制的范围，范围Modulated Ignition（调制点火）对应于动态点火期间频率调制的范围，以及Static Ignition（静态点火）表示电容器C2上的电压足以进行点火的恒定频率。F_res.表示L1-C2电路的谐振频率。

实验结果令人惊喜地表明：尽管实际系统的谐振频率值有所扩展（因这些系统中所使用的商品的实际电感和电容值的多样性而生成），但最大频率F_max.可以与谐振频率不同，从而使得点火期间点火系统所消耗的最大电流不会超过最大可接受值。在实验期间，系统经过如下测试：晶体管T1、T2级联的供电电压总计达到395V，并且元件参数的值及其容限分别总计达到：对于电容器C1为47nF（±5%）；对于电感L1为600μF（±10%）；对于电容器C2为1,175nF（±5%）；对于电感L2为25μF（±10%）。包括电感L1和电容器C2的电路的谐振频率值总计达到约190kHz。根据图4和图5中所定义的原理，频率值在从F_min.（140kHz）到F_max.（160kHz）的范围内变化，其中该频率为240Hz，以及增大频率值的时间段和减小频率值的时间段相等。在实验期间，使用根据图1的系统并且采用图4和图5中的频率调制的创新方法，针对功率在70W到400W范围的高强度钠放电灯和金属卤化物放电灯进行点火测试。在钠灯冷（温度低于50℃）并对其加热的情况下，点火效率在利用调制过程对谐振系统供电10ms时总计达到80%。在灯冷以及加热至正常工作条件并以室温冷却了1分钟时段这两种情况下，将该时间延长至30ms导致点火效率增加至100%。在对金属卤化物灯点火的情况下，针对分别等于50ms的调制时间实现了100%的点火效率。对于被加热至正常工作条件的灯的重新点火需要总计为5分钟的冷却时段。

在点火期间，晶体管T1、T2的级联以及具有电感L1和电容器C2的谐振电路消耗的平均功率不超过50W，而电流的瞬时平均值（时间低于50μs）不超过几安培。这些被证实对于基于单极晶体管的半桥型和全桥型典型系统而言安全的值使得能够在足以进行灯点火的时段期间维持高电压。在壳体中缺少灯的情况下，不会发生这些元件的电流过载。因此，令人惊喜地，使用根据本发明的方法能够消除使用附加元件来保护供电系统不被损坏的必需性。

在使用现有技术状态的方案的情况下，声谐振现象是与利用频率超过1kHz的交流电流供电的高强度气体放电灯的开发有关的重要难题。所述现象使放电电弧不稳定，从而导致灯闪烁，甚至在极端情况下，导致灯头的机械损坏。在基于半桥或全桥以及镇流器拓扑的已知系统中，借助于复杂的调制方法（即基于频率的FM和基于幅度的AM两者）消除或限制该现象。令人惊喜地，通过使用根据图1的系统（以及图2和图3的优选方案），能够使用相对简单的频率调制技术实现所述不利现象的消除，其中，图1的系统针对现有技术的状态包括将灯与谐振电容器C2隔离的附加电感L2。在根据本发明的方法中，如图1所示，使用包括发生器2（具有恒定频率和可变占空因子的发生器）的控制单元CONTROL2，控制单元CONTROL2控制包括发生器1的信号发生器CONTROL1，并且接着控制电子键T1和T2的级联，以使得级联键T1和T2的输出端上的频率电压过程对应于发生器1（电流或电压控制的、具有可变频率和恒定占空因子的发生器）的频率。根据具有恒定频率和可变占空因子PWM（诸如，图8所示的包括在控制单元CONTROL2中的PWM1和/或PWM2）的发生器的输出来控制发生器1。

图8示出电流控制的、具有恒定占空因子和可变频率的发生器1，以及包括PWM发生器单元的发生器2，其中，PWM1表示第一PWM发生器，以及PWM2表示第二PWM发生器，R_(Fmin)表示确定发生器1的最低频率的电阻器，以及元件R’、R”、R”、R”’、R””、C、C’表示无源电阻-电容元件。

在所进行的实验中，使用飞兆半导体公司提供的集成电子系统FSFR2100作为信号发生器CONTROL 1以及T1和T2键的级联，其中包括可变频率的电流控制发生器、单级晶体管级联的控制器和所述晶体管的级联。图6示出通过发生器PWM2的输出对信号发生器CONTROL1进行频率控制的原理。信号发生器CONTROL1的频率F（CONTROL1）在发生器PWM2的输出状态为高（其在控制系统CONTROL2的输出端上被示为F（CONTROL2））时增大，而在所述输出状态为低时减小，所述变化是恒定的但不一定是线性的。图8示出通过发生器PWM2状态的变化来实现信号发生器CONTROL1的频率变化的非线性函数的示例性系统。在该系统中使用单极晶体管和R、R’、R”、R”、R”’、R””、C、C’，以使得发生器PWM2输出端上的高态对应于信号发生器CONTROL1频率的增大，而低态对应于该频率的减小。根据本发明的系统中的频率变化导致流过灯LAMP的电流值的变化。图7中描绘了该关系，根据该关系，曲线Ⅱ表示开关T1和T2级联的输出端上的电压过程V（V），曲线Ⅰ表示对应于这些变化的、流过灯LAMP的电流值变化I（A）的过程。如图7所示，频率越低，传输至灯的电流和功率就越高，而频率越高，传输至灯的电流和功率就越低。基于使用根据本发明的系统所进行的实验，可看出，通过利用约240Hz频率以10%调制深度，对供应给电容器C1、电感L1、灯LAMP、电感L2的串联线路的、频率在30kHz到100kHz范围内的电压过程进行频率调制，从而能够实现功率在70W到400W范围内的钠放电灯的稳定操作，其中该调制深度为最高频率或最低频率（根据图9，为F_max，F_min）之间的差的绝对值与其算术均值的商。以百分数来表示调制深度。实际上，调制深度可以由如下等式表示：

为了实现功率在70W至400W范围内的金属卤化物灯的稳定操作，利用调制深度为10%约240Hz的频率过程对用于向如下串联线路供电的电压过程的频率进行调制：该串联线路包括电容器C1、电感L1、灯LAMP、电感L2，其中，该频率的范围从100kHz到200kHz。

图9中示出根据本发明的系统中的频率变化的曲线图，所述变化使得使得能够实现钠灯的稳定操作，并且图10示出针对金属卤化物灯的曲线图（其中，F表示频率轴，T—时间轴，F_max.—向臂C1、L1、LAMP、C2供电的电压过程的最大频率，以及F_min.—向臂C1、L1、LAMP、C2供电的电压过程的最小频率）。在灯LAMP是钠灯的情况下，根据本发明的系统的元件参数以及根据图10的图表中的参数的示例性值如下：电容器C1为47nF，电感L1为600μH，电容器C2为1,175nF，电感L2为25μH，F_max.为60kHz，F_min.为46kHz，灯功率为100W，以及来自PFC单元的电压值总计为390V。在灯LAMP是金属卤化物灯的情况下，根据本发明的系统的元件参数以及根据图10的图表中的参数的示例性值如下：电容器C1为47nF，电感L1为200μH，电容器C2为550pF，电感L2为25μH，F_max.为140kHz，F_min.为120kHz，灯功率100W，以及来自PFC单元的电压值总计为390V。

由于PFC单元的输出电压具有与负载无关的恒定平均值，因此，该单元所消耗的电流可以用于测量并控制灯LAMP消耗的功率。

图2示出根据图1的系统，其中添加了电流测量元件A1并配备有具有至少一个比较器的比较器单元3（作为控制单元CONTROL2的一部分），比较器单元3与测量元件A1的结果输出相连接。根据本发明的系统的这种布置能够执行对灯LAMP消耗的功率的自动控制功能。图11示出灯LAMP消耗的电流值的变化和比较器输出的相应状态的示例图，其中，I(X)是指电流的设定值，将该设定值与灯LAMP消耗的瞬时电流值进行比较，利用测量元件A1测量所述电流值，而I(A1)是利用测量元件A1测量出的电流值。瞬时电流值取决于向镇流器（BALLAST）和灯LAMP（图7所示）供电的频率。当电流的可变范围的最大值低于所设置的电流值I(X)时，来自比较器单元3的比较器输出状态为低[BIT(comp)=0]。当该范围的最低值高于I(X)时，来自比较器单元3的比较器输出状态为高[BIT(comp)=1]。当I(X)的值在可变范围内时，所述过程是快速变化的方波波形（位0-1的变化）。优选地，为了维持根据本发明的系统中的消耗功率的系统调节的高精度，选择I(X)的值，使得值I(X)在所测量的电流的可变范围内。在自动功率调节的模拟系统中，通过对惯性系统R-C进行积分来求比较器单元3中的比较器输出上的快速变化方波电压过程的平均，从而得到与平均电流值和灯LAMP消耗的功率对应的缓慢变化电压。

该电压可以对控制单元CONTROL2中的发生器2的PWM过程的占空因子直接进行调制。以这种方式（减小使频率减小的时间与使频率增大的时间之比，即，根据比较器3的输出上的平均电压值限制供给至灯的功率）实现的关系以不差于1%的精度将该功率稳定在设置电平上。在微芯片系统中，使用诸如图12所示的示例性简单算法利用如图11所示的不低于几千赫的频率在比较器单元3中对比较器输出状态S{BIT(comp)}进行采样，使得能够实现比1%更好的调节精度。示例性算法的实行在于根据位S{BIT(comp)}的状态增大或减小辅助变量A。在达到设置值（即正的B或负的C）之后，适当地减小或增大控制单元CONTROL2的发生器2的占空因子，并且使变量A的值归零。改变B和C的值可以改变灯LAMP消耗的功率的稳定值。根据本发明的系统配备有2.2欧姆的电阻器（用作电流测量元件）、由爱特梅尔公司提供的模拟比较器LM393和微控制器ATMEGA8（用作PWM2发生器）。

在根据本发明的这种系统中，所实现的消耗功率的精度水平优于1%，并且功率稳定仅取决于测量电阻器A1的参数的稳定性。

图3示出根据图2的系统，其中添加了附加电流测量元件A2、A3。图3的系统实施例使得能够容易实现控制点火系统的附加优选功能。电流测量元件A2可以用于监测流过点火谐振电路的电流值，并且在示例性实施例中，其是与微芯片FSFR2100的过载检测输入端连接的0.1欧姆的电阻器，并且保护该电路免受过大电流和免于损坏。电流测量元件A3可以用于检测灯LAMP的存在和更适当的灯点火。缺少流过元件A3的电流等同于缺少流过灯LAMP的电流，从而等同于缺少灯或者其损坏从而使得适当的点火变得不可能。在根据本发明的示例性系统中，测量元件A3是0.5欧姆的测量电阻器，并且利用该电阻器上的电压降测量的流过该电阻器的电流的值在与比较器单元3中所设置的值进行比较之后，导致控制单元CONTROL2的微控制器ATMEGA8的控制输入端上的状态改变。

与微控制器协作的测量元件A3的示例性优选使用包括在光渐弱检测的情况下降低供给至灯的功率，这使得能够操作无法在额定功率电平适当地操作的磨损的灯。

Claims (41)

1.一种用于控制高强度气体放电灯的方法，包括：

将来自电子开关级联(T1,T2)的信号供给至镇流器电路和灯(LAMP)，所述镇流器电路至少包括第一电容器(C1)和第一电感(L1)，所述镇流器电路还包括由所述第一电感(L1)和第二电容器(C2)构成的谐振电路，

生成(CONTROL1)用于控制所述电子开关级联的、具有可变频率和恒定占空因子的信号；

对所述具有可变频率的信号的所述生成(CONTROL1)进行控制(CONTROL2),其中，所述控制(CONTROL2)包括：使用具有恒定频率和可变占空因子的控制信号来周期性地改变所述生成(CONTROL1)的频率，以使得所生成(CONTROL1)的用于控制所述电子开关级联的信号的频率在第一频率与第二频率之间周期性地波动,

其特征在于，所述镇流器电路还包括将所述灯(LAMP)与所述第二电容器(C2)隔离的第二电感(L2)，

其中，在所述高强度气体放电灯的点火模式下，供给至所述镇流器电路的信号为用于激励所述镇流器电路的、具有高电压和周期性波动频率的激励信号，所述激励信号在最高频率F_max.与最低频率F_min.之间周期性地波动，其中，所述最高频率F_max.低于次谐振频率值F_stat.，并且所述次谐振频率值F_stat.低于所述谐振电路的谐振频率F_res.，其中，对于该次谐振频率F_stat.，在所述谐振电路中的所述第二电容器(C2)上生成的电压电平足以使所述灯(LAMP)点火。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过控制单元(CONTROL2)对生成具有恒定频率和可变占空因子的方波信号进行控制，而从信号发生器(CONTROL1)获得具有周期性波动频率和恒定占空因子50比50％的信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助于测量元件(A1)测量稳定的电压源(PFC)与所述电子开关级联(T1，T2)之间的供电电流的值，并且基于所获得的值，确定所述第二电容器(C2)的端子与地之间的电流值以及所述第二电感(L2)的端子与地之间的电流值。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，借助于测量元件(A1)测量稳定的电压源(PFC)与所述电子开关级联(T1，T2)之间的供电电流的值，并且基于所获得的值，确定所述第二电容器(C2)的端子与地之间的电流值以及所述第二电感(L2)的端子与地之间的电流值。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述点火模式下，在供给所述具有周期性波动频率的信号期间，借助于测量元件(A2)测量所述第二电容器(C2)的端子与地之间的电流值，将该电流值与比较器单元(3)的比较器中所设置的电流值进行比较，并且当该电流值超过所述设置的电流值时，停止信号传输。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述点火模式下，在供给所述具有周期性波动频率的信号期间，借助于测量元件(A3)测量所述第二电感(L2)的端子与地之间的电流值，将该电流值与比较器单元(3)的比较器中所设置的电流值进行比较，并且当该电流值达到所述设置的电流值时，停止传输所述激励信号，并且开始灯(LAMP)供电模式下的信号传输。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述点火模式下，在供给所述具有周期性波动频率的信号期间，借助于测量元件(A3)测量所述第二电感(L2)的端子与地之间的电流值，将该电流值与比较器单元(3)的比较器中所设置的电流值进行比较，并且当该电流值达到所述设置的电流值时，停止传输所述激励信号，并且开始灯(LAMP)供电模式下的信号传输。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述高强度气体放电灯的供电模式下，使用从最低值F_min.至最高值F_max.且再次从最高值至最低值的周期平滑调制的频率。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使用随着频率增大的时间段与频率减小的时间段之比的变化而变化的频率，来执行对供给至所述灯(LAMP)的功率的调节。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述高强度气体放电灯是钠灯。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，针对频率变化，使用至少一个调制频率且调制深度不超过15％，以及频率增大的时间段与频率减小的时间段之比在从0.1到10的范围内。

12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，针对频率变化，使用至少一个调制频率且调制深度不超过15％，以及频率增大的时间段与频率减小的时间段之比在从0.1到10的范围内。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，调制后频率为50kHz，调制频率为240Hz，并且调制深度为10％。

14.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述高强度气体放电灯(LAMP)是金属卤化物灯。

15.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，针对频率变化，使用至少一个调制频率且调制深度不超过20％，而且频率增大的时间段与频率减小的时间段之比在从0.1到10的范围内。

16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，针对频率变化，使用至少一个调制频率且调制深度不超过20％，而且频率增大的时间段与频率减小的时间段之比在从0.1到10的范围内。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，调制后频率为130kHz，调制频率为240Hz，并且调制深度为10％。

18.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，通过改变所述控制单元(CONTROL2)中的PWM过程的占空因子，来调节供给至所述灯(LAMP)的功率。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，使用微芯片控制来执行控制单元(CONTROL2)中的PWM过程的占空因子的改变。

20.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，基于所述第二电感(L2)的端子与地之间的电流值检测放电电弧衰减，在所述电流值远低于针对适当的灯(LAMP)操作而在所述比较器单元(3)中的比较器上设置的电流值时，并且接着恢复灯(LAMP)点火模式。

21.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，基于所述第二电感(L2)的端子与地之间的电流值检测放电电弧衰减，在所述电流值远低于针对适当的灯(LAMP)操作而在所述比较器单元(3)中的比较器上设置的电流值时，并且接着恢复灯(LAMP)点火模式。

22.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，当所述电流值不同于针对适当的灯(LAMP)点火而在所述比较器单元(3)中的比较器上设置的值时，在灯冷却所需的时间段之后而尝试点火之后，基于所述第二电感(L2)的端子与地之间的电流值检测使得灯操作变得不可能的灯(LAMP)缺失或灯损坏。

23.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，当所述电流值不同于针对适当的灯(LAMP)点火而在所述比较器单元(3)中的比较器上设置的值时，在灯冷却所需的时间段之后而尝试点火之后，基于所述第二电感(L2)的端子与地之间的电流值检测使得灯操作变得不可能的灯(LAMP)缺失或灯损坏。

24.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述电流值不同于针对适当的灯(LAMP)点火而在所述比较器单元(3)中的比较器上设置的值时，在灯冷却所需的时间段之后而尝试点火之后，基于所述第二电感(L2)的端子与地之间的电流值检测使得灯操作变得不可能的灯(LAMP)缺失或灯损坏。

25.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，在检测所述放电电弧衰减并恢复灯点火之后，减小传输至所述灯的功率值，并且如果所述弧没有衰减，则维持所述功率值，并且在所述弧衰减的情况下，恢复所述点火模式，并且重新尝试减小功率的步骤。

26.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，在检测所述放电电弧衰减并恢复灯点火之后，减小传输至所述灯的功率值，并且如果所述弧没有衰减，则维持所述功率值，并且在所述弧衰减的情况下，恢复所述点火模式，并且重新尝试减小功率的步骤。

27.一种用于高强度气体放电灯的供电系统，其包括与灯(LAMP)和镇流器连接的半桥型或全桥型电子开关级联(T1，T2)，所述镇流器包括至少一个电容器和至少一个电感，所述系统包括连接至所述电子开关级联的、用于控制所述电子开关级联的发生器(CONTROL1)以及连接至所述发生器(CONTROL1)的、用于控制所述发生器(CONTROL1)的控制单元(CONTROL2)，

其中，所述控制单元(CONTROL2)适于生成具有恒定频率和可变占空因子的信号，所述信号连接至所述发生器(CONTROL1)以周期性地改变所述发生器(CONTROL1)的频率，使得来自所述发生器(CONTROL1)的用于控制所述电子开关级联的信号的频率在第一频率与第二频率之间周期性地波动，

其特征在于，所述镇流器在所述灯(LAMP)以及与所述灯(LAMP)并联连接的第二电容器(C2)的输入端子上包括第一电容器(C1)和第一电感(L1)，并且在所述灯(LAMP)的输出端子上包括将所述灯(LAMP)与所述第一电容器(C2)隔离的所述第二电感(L2)，其中，所述第一电感(L1)和所述第二电容器(C2)彼此串联布置并且构成谐振电路的一部分，

其中，在高强度气体放电灯的点火模式下，供给至所述镇流器电路的信号为用于激励所述镇流器电路的、具有高电压和周期性波动频率的激励信号，所述激励信号在最高频率F_max.与最低频率F_min.之间周期性地波动，其中，所述最高频率F_max.低于次谐振频率值F_stat.，并且所述次谐振频率值F_stat.低于所述谐振电路的谐振频率F_res.，其中，对于该次谐振频率F_stat.，在所述谐振电路中的所述第二电容器(C2)上生成的电压电平足以使所述灯(LAMP)点火。

28.根据权利要求27所述的系统，其特征在于，在所述电子开关级联(T1，T2)的输出端上生成的电压信号是方波，并且其占空因子是50％。

29.根据权利要求27或28所述的系统，其特征在于，所述系统包括在稳定电压源(PFC)和所述电子开关级联(T1，T2)之间的用于测量供电电流值的测量元件(A1)。

30.根据权利要求27或28所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于测量流过所述谐振电路的电流的测量元件(A2)。

31.根据权利要求29所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于测量流过所述谐振电路的电流的测量元件(A2)。

32.根据权利要求27或28所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于测量流过所述灯(LAMP)的电流的测量元件(A3)。

33.根据权利要求29所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于测量流过所述灯(LAMP)的电流的测量元件(A3)。

34.根据权利要求30所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于测量流过所述灯(LAMP)的电流的测量元件(A3)。

35.根据权利要求31所述的系统，其特征在于，所述系统包括用于测量流过所述灯(LAMP)的电流的测量元件(A3)。

36.根据权利要求29所述的系统，其特征在于，所述测量元件(A1，A2，A3)是电阻测量单元。

37.根据权利要求29所述的系统，其特征在于，所述测量元件(A1，A2，A3)是电感测量单元。

38.根据权利要求27或28所述的系统，其特征在于，所述控制单元(CONTROL2)包括所述发生器PWM和控制所述发生器PWM的比较器单元(3)。

39.根据权利要求38所述的系统，其特征在于，所述发生器PWM是由所述比较器单元(3)控制的微芯片，其具有PWM输出。

40.根据权利要求27或28所述的系统，其特征在于，所述高强度气体放电灯(LAMP)是钠灯。

41.根据权利要求27或28所述的系统，其特征在于，所述高强度气体放电灯(LAMP)是金属卤化物灯。