CN103458594B - 一种hid灯声共振抑制方法及镇流器 - Google Patents

一种hid灯声共振抑制方法及镇流器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种HID灯声共振抑制方法，该方法通过检测是否产生了声共振，当产生了声共振时，改变镇流器提供的调频电流频率，以达到抑制声共振的目的，该镇流器，包括消声共振模块。本发明的有益效果是，由于增加了消声共振模块，最大可能地抑制了声音共振，保证了放电电弧的最佳稳定性。这些特性使产品对每种类型的灯管和不同功率都能实现稳定运行。

Description

一种HID灯声共振抑制方法及镇流器
技术领域
本发明涉及HID灯的镇流器领域，特别涉及一种消除HID灯声共振的方法的HID灯声共振拟制方法及具体实现了该方法的镇流器。
背景技术
高强度气体放电灯（HID）在达到稳定的弧光放电时，共放电的特征区域放电正柱区是一段典型的高气压等温等离子体。在放电灯管内，气体原子浓度很高，电子的自由程很少，电子与气体原子之间发生弹性碰撞的频率很高，调制电场的能量很容易通过电子传递给气体原子，从而引起与外加调制电场同频率的气体压力波。可能引起放电管内放电气体的压力波形成驻波，即发生声谐振。频率范围非常宽，其中包含了电子镇流器通常使用的工作频率。
HID在调频工作下具有声共振（声谐振）现象，使得调频电子镇流器的应用受到了影响。所谓声共振现象是指HID类在调频电流驱动时，表现出的放电电弧不稳定性。当HID灯工作在5～700KHz频率范围时，很多频段会出现明显的光输出波动并伴以电流、电压起伏、电弧弯曲、摇晃。当频率降低到最低不稳定频率时电弧可能熄灭、甚至导致电弧管炸裂。
声共振现象表现为放电电弧的不稳定、电弧弯曲、摇晃，严重时会出现断电弧，甚至便电弧管爆裂，产生共振的因素有很多，比如放电管的形状、尺寸、管中气体压力、温度、灯的使用寿命等，而且对于不同厂家，不同批号的灯，声共振频率范围也不相同，更重要的是，随着灯的使用寿命的延长，声共振点也会有所改变，因此解决声共振有很大难度。
在小功率的放电灯中，由于灯管尺寸小谐振频率很高，使用低频方波的驱动方式能有效解决声共振问题。在紫外线固化行业，由于固化的面积大、能量密度要求高，灯管的功率都在几千瓦到几十千瓦之间。灯管尺寸理所当然的变得很大，共振频率随之下降。在进入实用的电子镇流器工作频率段时，仍然会发生声共振现象，造成紫外线输出的辐射量下降的问题，同时不稳定的声共振 电流造成镇流器的损坏。
目前，检测声共振的方法有很多，其中有一种是通过检测发生声共振时类的电流的方法，该方法所提出的声共振检测方法理论依据基于声共振发生时灯电流会发生变化。通过实验观察，HID灯在调频工作发生声共振时，其灯电流主要包括3种频率成份：一是镇流器提供的调频电流频率；二是纹波频率；三是声共振引起的电流。检测电路将前两种电流滤去，留下声共振电流，将其放大，就可以说明HID灯是否牌声共振状态。与其它检测方法一样，该方法也非常复杂，实用性不强。
发明内容
本发明的目的是针对上述缺陷，提供一种HID灯声共振抑制方法及镇流器。
本发明的技术方案是：一种HID灯声共振抑制方法，该方法通过检测是否产生了声共振，当产生了声共振时，改变镇流器提供的调频电流频率，以达到抑制声共振的目的，包括以下步骤，
步骤A、进行灯管电流同相检测的步骤，该步骤中同时检测镇流器输出线流出电流和流入电流；
步骤B、判断同时检测的镇流器输出线流出电流和流入电流是否同相相等的步骤，如果流出电流和流入电流同相相等，锁定当前镇流器提供的调频电流频率，结束；否则转向步骤C；
步骤C、在低频范围内线性改变镇流器提供的调频电流频率，转向步骤A。
进一步的，上述的HID灯声共振抑制方法中：所述的步骤B中包括如下步骤：
步骤B01、流出电流和流入电流同相相减生成差值的步骤；
步骤B02、对所述的差值进行放大的步骤；
步骤B03、对放大后的差值进行整形的步骤，该步骤中对放大后的差值进行高低判断产生高低电平的逻辑脉冲信号；
步骤B04、对所述的脉冲信号的脉宽进行检测，当脉宽超过设定阈值时，判定流出电流和流入电流同相不相等。
本发明还提供一种实施上述的HID灯声共振抑制方法的镇流器，包括消声共振模块，所述的消声共振模块包括信号检测模块和输出频率控制模块；
所述的信号检测模块包括检测镇流器输出线流出和流入电流的灯电流同相检测模块；对所述的灯电流同相检测模块进行放大的信号放大模块；对信号放大模块的输出进行高低电平二值化形成脉宽信号的波形整形模块；
所述的输出频率控制模块包括时钟产生模块，对波形整形模块输出的脉宽信号进行判断判定是否有声共振的电平识别模块；以时钟产生模块的信号为基础根据电平识别模块识别的信号，在低频范围内线性改输出频率的压控频率产生模块。
进一步的，上述的HID灯声共振抑制方法的镇流器中：所述的灯电流同相检测模块包括电流传感器模块，所述的电流传感器模块的原边和副边分别穿过所述的镇流器的两根输出线，所述的电流传感器模块的输出端通过电流/电压转换电路输出表示镇流器输出线流出和流入电流之间的差异的电压信号。
进一步的，上述的HID灯声共振抑制方法的镇流器中：所述的电流/电压转换电路包括电阻R4、电阻R5和电容C9，所述的电阻R4、电阻R5和电容C9并联组成关联电路，所述的关联电路一端地另一端接所述的电流传感器模块的输出端。
进一步的，上述的HID灯声共振抑制方法的镇流器中：所述的信号放大模块包括运算放大器IC4，所述的运算放大器IC4的输入信号为所述的灯电流同相检测模块输出的镇流器输出线流出和流入电流之间的差异的电压信号，所述的运算放大器IC4的输入信号从所述的运算放大器IC4的第2脚和第3脚输入，从 第6脚输出。
进一步的，上述的HID灯声共振抑制方法的镇流器中：在运算放大器IC4的第2脚和第3脚输入端还设置有保护电路，所述的保护电路包括相互反接的二极管D3和二极管D4，所述的二极管D3的阳极和二极管D4的阴极接入输入信号与运算放大器IC4的第3脚之间；所述的二极管D3的阴极和二极管D4的阳极接入地与运算放大器IC4的第2脚之间。
进一步的，上述的HID灯声共振抑制方法的镇流器中：在所述的保护电路与运算放大器IC4的输入信号、保护电路与地之间还分别设置有限流电阻R9和限流电阻R8，所述的运算放大器IC4的放大输出端还设置有滤波电路，所述的滤波电路包括滤波电阻R3和滤波电容C7，所述的运算放大器IC4的放大输出端通过滤波电阻R3和滤波电容C7串连接地。
进一步的，上述的HID灯声共振抑制方法的镇流器中：所述的波形整形模块包括施密特触发器IC3，所述的被整形信号在输入所述的施密特触发器IC3之前还设置有信号限幅电路。
在采用了上述技术方案后，由于在电子镇流器中增加了消声共振模块，可以通过寻找不同的工作频率避开与灯管自身参数有关声共振频段。从而解决了紫外线固化灯管在低频方工作情况下因声共振导致电弧不稳定的技术问题。
本发明的有益效果是，由于增加了消声共振模块，最大可能地抑制了声音共振，保证了放电电弧的最佳稳定性。这些特性使产品对每种类型的灯管和不同功率都能实现稳定运行。
以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。
附图说明
图1是本发明实施例1方法流程图。
图2是本发明实施例1镇流器结构方框图。
图3是本发明实施例1中使用的灯电流同相检测模块原理图。
图4是本发明实施例1中使用的信号放大模块原理图。
图5是本发明实施例1中使用的波形整形模块原理图。
图6是本发明实施例1中使用的主控模块理图。
具体实施方式
实施例1，如图2所示，本实施例是一种带有消声共振功能的紫外线固化电子镇流器，具有消声共振模块，该消声共振模块包括消声共振模块包括信号检测模块和输出频率控制模块。信号检测模块包括灯管电流同相检测模块、信号放大模块和波形整形模块。灯管电流同相检测模块利用电流传感器相位相反幅度相同，电感应方向相互抵消的原理，检测电子镇流器输出线两线流出流入电流，检测整个工作时间实时的电流波形，发生声共振时，流入流出电流将不相等。
检测模块输出电流差值信号如图3所示。
图中，电流传感器T的第1、3、2、4两组引脚分别接入到振流器与HID灯之间，如图所示的X4、X5接输出到HID灯。本实施例中电流传感器模块TR1的型号是LA55-P。电流传感器模块TR1的输出端是第7号引脚，5、6号引脚加入的是电源，本实施例采用的是15V电源。在电流传感器模块TR1的输出端并联的R4、R5、C9将电流传感器检测的电流变为电压信号Vx。如图3所示，本实施例中，HID灯电流从电流传感器模块1脚和3脚流入，从2脚和4脚流出到HID灯，由于1、3脚相位相同，从1脚流入，2脚流出，经HID灯返回到4脚再到3脚。HID灯正常工作时流入，流出相等，电流传感器输出0电流，HID声共振时，1、2与4、3脚电流不相等，两线电流没有完全抵消，电流传感器输出两线电流没有抵消的差值信号电流，电流在R4、R5、C9上形成电压降输出，输出电压幅度U=I×R。
信号放大模块如图4所示，将微小的差别信号放大，达到波形整形模块逻辑 信号幅度要求。本实施例中采用型号为OP07的运算放大器IC4，用于放大电流检测模块的微小信号，由检测模块输出电流差值信号Vx从2、3脚输入，放大后从6脚输出Vxx，经R3、C7过滤干扰信号。两个二极管D3、D4的作用是防止输入电压太高，保护IC4不损坏。
波形整形模块如图5由施密特触发器组成，施密特触发器自身有对电平阈值的要求，阈值规定为1.4V-2.1V，区别高低电平。并且施密特触发器可以把边沿变化缓慢的周期信号变换为边沿很陡的矩形信号Vxxx。便于后面电路准确识别信号。当信号放大模块输出的信号Vxx幅度大于2.1V时，波形整形模块输出高电平信号。幅度小于1.4V时，波形整形模块输出低电平信号。控制系统包括时钟产生模块，电平识别模块和压控频率产生模块。电平识别模块根据逻辑电平宽度判断是否发生了声共振情况，同时过滤错误的干扰窄脉冲信号。 
如图5所示，二极管D1、D2用于限制信号放大模块输入的信号Vxx幅度。施密特触发器IC3的型号是74HC14。电容C4、C5是去耦电容，消除干扰信号。
电平识别模块如图6所示，它实时检测波形整形模块输出的逻辑电平的时间宽度，当高电平输出时间宽度大于10ms时，则认为灯泡产生了产共振。时钟产生模块用于产生基准的时钟频率，用于开始工作的输出频率。压控频率产生模块以时钟产生模块的信号为基础根据电平识别模块识别的信号Vxxx，在低频范围内线性改变输出频率。时钟产生模块由4MHz晶振产生，通过计数器对4MHz时钟计数，计数一次为0.25μs，产生250Hz信号要启示录8000次，2ms后输出电平翻转再计录8000次输出电平再次翻转产生250Hz交变信号。当电平识别模块检测到发生了声共振，压控频率产生模块就将计录次数改为计录8001次，输出频率将改变为249.968Hz，当频率改变后电平识别模块仍然检测发生了声共振，压控频率产生模块就将计录次数改为8002次，输出频率将改为249.937Hz， 以此类推，输出频率线性下降。当声共振停止，进锁定当前的工作频率，用当前的频率运行。实际应用中时钟产生模块输出250Hz，低频范围在250Hz——50Hz之间。通过改变压控频率产生模块时基信号，频率线性改变速率<0.05Hz，实现平稳的频率过渡。
本部分完成判断和产生控制信号，本实施例中采用处理器利用程序完成各项控制，电路图中有单片机IC2，其型号为12C2052AD。单片机IC2的稳压电源为由IC1、C1、ZD1、C2组成的5V供电稳压电源，单片机型号为HT7550-1。单片机的时钟电路由CL1、C10、C11与单片机IC2内部电路组成4MHz频率产生电路，产生4MHz时钟。经施密特触发器IC3波形整形的脉冲信号，由单片机IC2的11脚输入，由程序组成的电平识别模块，压控频率产生模块，对输入信号进行识别，经调整后的250Hz交变信号从8、9脚输出。
本实施例的控制过程通过检测是否产生了声共振，当产生了声共振时，改变镇流器提供的调频电流频率，以达到抑制声共振的目的，包括以下步骤，
步骤A、进行灯管电流同相检测的步骤，该步骤中同时检测镇流器输出线流出电流和流入电流；
步骤B、判断同时检测的镇流器输出线流出电流和流入电流是否同相相等的步骤，如果流出电流和流入电流同相相等，锁定当前镇流器提供的调频电流频率，结束；否则转向步骤C；
该步骤B包括：
步骤B01、流出电流和流入电流同相相减生成差值的步骤；
步骤B02、对所述的差值进行放大的步骤；
步骤B03、对放大后的差值进行整形的步骤，该步骤中对放大后的差值进行高低判断产生高低电平的逻辑脉冲信号；
步骤B04、对所述的脉冲信号的脉宽进行检测，当脉宽超过设定阈值时，判定流出电流和流入电流同相不相等。
步骤C、在低频范围内线性改变镇流器提供的调频电流频率，转向步骤A。

Claims (8)

1.一种HID灯声共振抑制方法，该方法通过检测是否产生了声共振，当产生了声共振时，改变镇流器提供的调频电流频率，以达到抑制声共振的目的，其特征在于：包括以下步骤，
步骤A、进行灯管电流同相检测的步骤，该步骤中同时检测镇流器输出线流出电流和流入电流；
步骤B、判断同时检测的镇流器输出线流出电流和流入电流是否同相相等的步骤，如果流出电流和流入电流同相相等，锁定当前镇流器提供的调频电流频率，结束；否则转向步骤C；该步骤包括：
步骤B01、流出电流和流入电流同相相减生成差值的步骤；
步骤B02、对所述的差值进行放大的步骤；
步骤B03、对放大后的差值进行整形的步骤，该步骤中对放大后的差值进行高低判断产生高低电平的逻辑脉冲信号；
步骤B04、对所述的脉冲信号的脉宽进行检测，当脉宽超过设定阈值时，判定流出电流和流入电流同相不相等；
步骤C、在低频范围内线性改变镇流器提供的调频电流频率，转向步骤A。
2.一种实施权利要求1所述的HID灯声共振抑制方法的镇流器，其特征在于：包括消声共振模块，所述的消声共振模块包括信号检测模块和输出频率控制模块；
所述的信号检测模块包括检测镇流器输出线流出和流入电流的灯电流同相检测模块；对所述的灯电流同相检测模块进行放大的信号放大模块；对信号放大模块的输出进行高低电平二值化形成脉宽信号的波形整形模块；
所述的输出频率控制模块包括时钟产生模块，对波形整形模块输出的脉宽信号进行判断判定是否有声共振的电平识别模块；以时钟产生模块的信号为基础根据电平识别模块识别的信号，在低频范围内线性改输出频率的压控频率产生模块。
3.根据权利要求2所述的HID灯声共振抑制方法的镇流器，其特征在于：所述的灯电流同相检测模块包括电流传感器模块(TR1)，所述的电流传感器模块(TR1)的原边和副边分别穿过所述的镇流器的两根输出线，所述的电流传感器模块(TR1)的输出端通过电流/电压转换电路输出表示镇流器输出线流出和流入电流之间的差异的电压信号。
4.根据权利要求3所述的HID灯声共振抑制方法的镇流器，其特征在于：所述的电流/电压转换电路包括电阻R4、电阻R5和电容C9，所述的电阻R4、电阻R5和电容C9并联组成关联电路，所述的关联电路一端地另一端接所述的电流传感器模块(TR1)的输出端。
5.根据权利要求2所述的HID灯声共振抑制方法的镇流器，其特征在于：所述的信号放大模块包括运算放大器IC4，所述的运算放大器IC4的输入信号为所述的灯电流同相检测模块输出的镇流器输出线流出和流入电流之间的差异的电压信号，所述的运算放大器IC4的输入信号从所述的运算放大器IC4的第2脚和第3脚输入，从第6脚输出。
6.根据权利要求5所述的HID灯声共振抑制方法的镇流器，其特征在于：在运算放大器IC4的第2脚和第3脚输入端还设置有保护电路，所述的保护电路包括相互反接的二极管D3和二极管D4，所述的二极管D3的阳极和二极管D4的阴极接入输入信号与运算放大器IC4的第3脚之间；所述的二极管D3的阴极和二极管D4的阳极接入地与运算放大器IC4的第2脚之间。
7.根据权利要求6所述的HID灯声共振抑制方法的镇流器，其特征在于：在所述的保护电路与运算放大器IC4的输入信号、保护电路与地之间还分别设置有限流电阻R9和限流电阻R8，所述的运算放大器IC4的放大输出端还设置有滤波电路，所述的滤波电路包括滤波电阻R3和滤波电容C7，所述的运算放大器IC4的放大输出端通过滤波电阻R3和滤波电容C7串连接地。
8.根据权利要求2所述的HID灯声共振抑制方法的镇流器，其特征在于：所述的波形整形模块包括施密特触发器IC3，所述的被整形信号在输入所述的施密特触发器IC3之前还设置有信号限幅电路。
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