CN1044886A - 高低压气体放电灯的调光点灯装置 - Google Patents

Abstract

气体放电灯的点灯及调光装置，用于高低压钠灯、汞灯、金属卤化物灯的点灯及调光。由CMOS数字集成电路及VMOS器件构成的PCM式DC/AC功率转换器为主，设有高频镇流器及由灯管电流控制的自动高压触发器。解决了传统气体放电灯点灯装置工作电压范围窄、效率低、功率因数差、不能调光的问题。使气体放电灯能在150-240V的电压范围内正常工作，并能由手动或计算机对灯进行调光，使气体放电灯成为可调光灯。拓宽了气体放电灯的使用范围、改善了功率因数、提高了效率(节电约10％)。

Description

本发明高低压气体放电灯的调光点灯装置涉及一种电子技术，适用于对汞灯、钠灯、金属卤化物灯等气体放电灯进行调光点灯的装置。

目前，各种气体放电灯具有光输出大、发光率高、寿命长等优点，是一种理想的节能新光源，在世界上得到了广泛的应用。图一列出了几种常见的气体放电灯的光、电参数随电源电压有效值变化的曲线。其中（a）为汞灯、（b）为钠灯、（c）、（d）为金属卤化物灯。Ue为电源电压有效值、U为灯管电压、I为灯管电流、P为灯管功率、F为光通量、H为灯管光效、Tc为色温。分析这些曲线，可以发现这些气体放电灯的输出光通量都随电源电压（有效值）的变化而大幅度的变化，其发光效率却变化不大。似乎可以用改变电源电压的方式对气体放电灯进行调光。然而，工作在交流电压下的气体放电灯在电源电压每半周结束时要熄灭，下半周开始后又重新着火。重新着火需要一定的电压幅值，如果电源电压大幅度下降，重新着火就会变得困难，甚至不能重新着火而造成灯熄灭。灯管熄灭时的电源电压称为熄灭电压。熄灭电压与灯管类型、工作电压、点灯装置及工作位置等因素都有关，使用由电阻、电感、电容或漏磁变压器构成的各种传统点灯装置时气体放电灯的熄灭电压一般在电源电压的80-90%范围内。实际使用中，能稳定工作的电源电压比上述范围还窄，故使用传统点灯装置不能用改变电压幅值来对气体放电灯进行调光，否则，会使灯熄灭。所以，使用传统点灯装置的气体放电灯存在着光控制特性差、闪烁指数高等弱点，为此人们把它列入不可调光的光源，大大限制了其应用范围。

本发明的目的是应用电子技术设计一种高低压气体放电灯的调光点灯装置，该调光点灯装置能够在保持灯管稳定工作的点灯条件下，采用了时间比率控制原理，应用脉冲宽度调制方式，在不改变灯管工作电压幅值的条件下，利用改变灯管工作电压及工作电流有效值的办法来达到控制光通量，进行调光点灯的目的。

本发明高低压气体放电灯的调光点灯装置的工作原理是：

1.构思原理：本装置输出电压波形为对称双极性矩型脉冲（图二），其灯管工作电压有效值Ea与幅值Um、周期Ts及脉宽τ的关系可用下式表示：

$\mathrm{Ea\; =}\sqrt{\mathrm{2\; \tau \; /\; T\; s}}\mathrm{U\; m}$

由图二，保持电压幅值Um不变，调整τ值的大小，改变脉冲的占空比，即可调节灯管工作电压Ea的大小。

设灯管熄灭电压幅值为Uo，电压幅值Um为一大于Uo的适当值，并使之在较大范围调节τ值时基本保持不变，就能使Ea在较大范围内变化时灯管保持稳定工作而不致熄灭。

在时间τo内，电压幅值为零，气体放电灯的会熄灭，然后在下一个半周开始时重新着火。若τo太长，也会造成不能重新着火使灯熄灭。对于不同的气体放电灯，允许τo的最大值约在5-15mS范围内。为此根据图二，利用时间比率控制原理，采用较高的工作频率（约20KHZ），进行脉冲宽度调制，使灯管电流在τo内基本连续，扩大了τ的调节范围。

2.本发明高低压气体放电灯的调光点灯装置电路结构方框图由图三中的整流滤波器、DC/AC功率转换器、电流检测环、高频镇流器、气体放电灯、光/电隔离器、时钟振荡器、V/W调制器、分相驱动器、过流保护单元、高频整流滤波器、高压触发器、触发控制器等构成。

由220V、50Hz工频电源经二极管D₁₀～D₁₃整流滤波电路转换为直流电源，DC/AC功率转换器Q₄、Q₅在分相驱动电路Q₁、Q₂的控制下，将其转换成波型为矩型的高频电源（频率约20KHz）。此高频电源经过电流检测环L₃、L₄后，由低损耗的高频镇流器L₅向气体放电灯的提供稳定的高频电流。

由光/电隔离器IC₂和数字集成电路构成的时钟振荡及V/W（电压/脉宽）调制器是本装置的控制核心，以电子计算机或其它控制器送来的0～20mA电流信号为基准，通过驱动电路控制DC/AC功率转换器输出电流的有效值。当控制信号等于0mA时，对应输出一个根据不同的气体放电灯的所整定的最小电流值，当控制信号等于20mA时，则对应输出一个根据不同的气体放电灯的所整定的最大电流值。电流检测环检测出灯管的工作电流值，当灯管的工作电流大于根据不同的气体放电灯的所整定的最大电流值时，过流保护电路开始工作，限制电流不再继续增加，保护气体放电灯的不致因过电流而损坏。

高压触发电路（SCR、C₁₃、L₅、L₆）用于没有引燃电极的气体放电灯的启动，当电路开始接通时，气体放电灯的没有引燃，电流检测环输出为零，触发控制电路使高压触发电路输出间隔约0.5S、幅值约6000V、脉宽约2μs的高压脉冲，将气体放电灯触发引燃。当灯引燃后，电流检测环输出大于零，触发控制电路使高压触发电路关断。当断电或其它原因使灯熄灭后，触发控制电路使高压触发电路自动延时2-15分钟后再触发，保护气体放电灯不致频繁启动。

此外，本装置还设置了电源熔断器、电源指示灯及防止产生无线电干扰噪声的电源射频噪声滤波器。

本发明调光点灯装置电路图五具体说明：

1.由COMS数字集成电路组成的带光/电隔离的脉冲宽度调制控制电路是本装置的核心。为了简化电路、提高可靠性，全部电路由IC₂～IC₅四块集成电路组成，其中IC₂是光/电耦合器，IC₃是多功能触发器CD4047，其内部包含了一个时钟（CP）振荡器、一个二分频器及输出电路。可输出一路CP信号和二路互为反相的1/2频率CP信号。

CD4047的1、2、3脚是CP振荡器的外接定时电路端，CP频率的高低由R₆、C₇决定。13脚输出CP信号，10、11脚输出二路互为反相的1/2频率CP信号。

IC₄定时器NE555组成基准电压-三角波比较型V/W调制器，由IC₃的13脚送来的占空比为1∶1的矩型CP脉冲经过R₅、C₉组成的积分电路转换为三角波后，进入IC₄控制电压端5脚与IC₄高触发端6脚的控制电压进行比较调制。

这里设IC₄的5、6、3脚的电压分别为U₅、U₆、U₃。V/W调制过程可由图四说明：具有恒定频率和幅度的三角波电压U₅在电压比较器里与基准电压U₆进行比较。凡是三角波高于基准电压时，输出电压U₃为高电平，相反，则为低电平。这样，调整U₆的值，当U₆升高时，输出脉冲变窄;当U6降低时，输出脉冲则变宽。最后，由3脚输出脉宽调制后的频率与CP相同的矩型脉冲。

IC    2-四与非门CD4011的两个门作为分相调制，另外两个门接为反相器，作输出隔离。

2.手动控制/计算机控制信号由输入口K₁、K₂送入光/电耦合器IC₂的1、2脚，从5脚输出一个隔离的与之对应的电流，这个电流经R₂在IC₄的6脚上产生一个电压信号，对输出脉宽进行调制。

3.用新型大功率VMOS器件组成的半桥（或全桥）高频大功率DC/AC转换电路是本装置的关键。由于气体放电灯是大功率负阻性负载，具有启动时触发电压高、冲击电流大、工作时常产生电流尖峰的特点，因此对转换电路的要求很高。为了适应这些特点，采用了具有电流负温度特性、无二次击穿现象、开关损耗小的VMOS高频大功率半导体器件组成了开关型DC/AC转换电路。对于不同的灯，转换电路的形式不一样。对于高压钠灯，其工作电压一般低于100V，电路接成半桥。对于高压汞灯及金属卤化物灯，其工作电压一般高于100V，电路则接成全桥，在图五中由Q₄、Q₅组成半桥。这样，输出电压与灯管工作电压相差较小，可以使高频镇流器L损耗减小。电路中Q₄、Q₅是莫托洛拉公司生产的IRF352型VMOS管，电容C₁₆、C₁₇、C₁₈的作用是吸收触发电路产生的高压脉冲。

由晶体管Q₁、Q₂组成的驱动器，将IC₅送来的两相脉冲放大，经变压器TR₂、TR₃隔离、稳压管DW DW₂限幅后送入Q₄、Q₅的栅极。

4.由脉冲宽度调制方式控制的自动灯管电流限制电路。是由电流检测环L₃检出从Q₄、Q₅输出的高频电流值，经D₈、D₉整流后送往V/W调制器，对IC₄的6脚输出的脉宽进行控制，当输出的高频电流值超过W₃设定值时，D₆导通，使V/W调制电路的控制电压上升，输出脉宽变窄，输出电压有效值下降，将输出电流限制在整定值附近。

5.具有扼流和高压触发功能的高频镇流器。作为高频镇流器的扼流圈L与触发线圈L绕在同一付铁心上。在灯管启动时，双向晶闸管SCR被触发，电源整流电压通过R₁₂在C₁₃上充有大约300V的电压，通过SCR向L₆放电，使L₅上感应出高达6000V的高压脉冲将灯管击穿，此时L₅起触发器的作用。当灯管启动后，SCR不再被触发，L₅起限制、平滑灯管电流的作用，构成高频镇流器。

6.由灯管电流控制的自动触发及延时再触发控制器。电路中设置了电流检测环L₄。在灯管启动以前，灯管电流为零，L₄无检测电流输出，晶体管Q₃关断，触发二极管D₁₄使双向晶闸管SCR触发导通，如上所述使气体放电灯启动。灯管启动后，灯管电流大于零，L₄有检测电流输出，晶体管Q₃导通，使触发二极管D14短接，SCR不再被触发，触发器停止工作。

当灯管熄灭后，虽然L无检测电流输出，但是，电容C₁₅在灯管点燃期间所充的电要经R₁₅、R₁₄和Q₃的基极-射极回路放电，使Q₃保持导通，保持时间由R₁₅、C₁₅时间常数决定。在Q₃保持期间，触发器停止工作。通常，气体放电灯的冷却时间在2-15分钟之间，实际电路中，是固定C₁₅的值，再根据所使用的气体放电灯规定的冷却时间来确定R₁₅的值。

本发明高低压气体放电灯调光点灯装置电路工作过程是：

1.触发点灯过程

220V 50Hz工频电源由AC₁、AC₂端接入，经过熔断器F₁和L₁、L₂、C₁、C₂组成的RF滤波器后，分为两路。一路经过电源变压器TR₁降压后经辅电源电路转为9V直流电源，作为本机工作电源。另一路经D₁₀、D₁₁、D₁₂、D₁₃及C₁₁、C₁₂组成的整流滤波电路转换为约300V的直流电源后，由Q₄、Q₅组成的DC/AC功率转换器转换为Um约300V的波型为矩型的高频电源（频率约20KHz）。并经电流检测环L₃、L₄及高频镇流器L₅向气体放电灯提供高频电流。

当电路开始接通时气体放电灯没有引燃，灯管电流为零，电流检测环L₄无电流输出，晶体管Q₃关断，触发二极管使双向晶闸管SCR触发导通，直流电源经R₁₂充在C₁₃上的大约300V的电压，通过SCR向L₆放电，使L₅上感应出高达6000V的高压脉冲将灯管击穿启动。当灯管启动后，灯管电流大于零，L₄有检测电流输出，晶体管Q₃导通，使触发二极管及电容C₁₄短接，SCR不再被触发，触发器停止工作。灯管在由高频镇流器L₅提供的稳定高频电流下正常工作。

2.调光过程

由电子计算机或其它控制器送来的0-20mA（或0-10mA）电流控制信号由接口K₁、K₂送入光/电耦合器IC₂的1、2脚，从5脚输出一个隔离的与之对应的电流，这个电流经R₂在IC₄的6脚上产生一个电压信号，对输出脉宽进行调制，并通过驱动电路控制DC/AC功率转换器输出电流的有效值。当控制信号等于0mA时，对应输出一个根据不同的气体放电灯所整定的最小电流值，当控制信号等于20mA（或10mA）时，则对应输出一个根据不同的气体放电灯所整定的最大电流值。电流检测环检测出灯管的工作电流值，当灯管的工作电流大于根据不同的气体放电灯所整定的最大电流值时，过流保护电路开始工作，限制电流不再继续增加，保护气体放电灯不致因过电流而损坏。

微调电位器W₁用于最大脉宽的设置，调整W₁可以改变灯管工作电流的最大值。微调电位器W₂用于最小脉宽的设置，调整W₂可以改变灯管工作电流的最小值。微调电位器W₃用于灯管过电流保护值的整定，调整W₃可以改变灯管工作电流的最大设定值。

本发明的效果是：

1.采用了时间比率控制原理，应用脉冲宽度调制方式，利用改变灯管工作电压及工作电流有效值的办法来控制气体放电灯的光通量，进行调光点灯，使气体放电灯由不可调光光源一跃成为可调光光源，拓宽了气体放电灯的应用范围。

2.采用了较高的工作频率（约20KHz），有效地克服了频闪现象降低了闪烁指数，提高了光的质量，满足了国民经济和人民生活的需要。

3.由NG-250钠灯电/光测试数据表中带＊的两项结果可以说明，本装置具有约93%的高效率，比传统点灯装置提高效率约10%，是一种很有发展前途的电子高效节能点灯装置。

NG-250钠灯电/光测试数据表

电  压（V)	电  流（A)	总功率(W)	光通量(Lm)	总光效(Lm/W)	灯功率(W)	装置效率(%)	说  明
								242	3.20	390	30800	79.0			电感镇流器
*220	2.80	310	26250	84.7	260	83.87%	电感镇流器
								198	2.50	250	20650	82.6			电感镇流器
242	2.50	350	31500	90.0			本点灯装置
								220	2.40	300	27650	92.2			本点灯装置
*214	2.20	280	26250	93.8	260	92.86%	本点灯装置
								198	2.00	235	21910	93.2			本点灯装置
150	1.40	135	9310	69.0			本点灯装置

4.本装置可使气体放电灯在150V～240V的电源电压范围内正常稳定的工作，解决了使用传统点灯装置的气体放电灯工作电压范围窄，电源电压波动时容易熄灭的弱点。

DJZ-400高光效金属卤化物灯样机实验数据表

电  压（V)	电  流（A)	功  率(W)	说    明	电  压（V)	电  流(A)	功  率（W)	说  明
								235	2.44	573		230	2.38	547
225	2.31	520		220	2.25	495
								215	2.15	462		210	2.10	441
205	2.00	410		200	1.92	384
								195	1.83	357		190	1.72	327
185	1.63	302		180	1.53	275
								175	1.46	256		170	1.37	233
165	1.28	211		160	1.20	192
								155	1.11	172		150	1.03	154
145	0.94	136		135	0.78	105
								130	0.70	91		125	0.00	0	熄灭

图一是几种常见的气体放电灯的光、电参数随电源电压有效值变化的曲线。其中（a）为汞灯、（b）为钠灯、（c）、（d）为金属卤化物灯。变量Ue为电源电压有效值、U为灯管电压、I为灯管电流、P为灯管功率、F为光通量、H为灯管光效、Tc为色温。

图二是本装置时间比率分析图。

图三是高低压气体放电灯调光点灯装置电路方框图。

图四是本装置V/W调制波形图。

图五是本装置电路图。

图六是本装置的外形结构图。

本发明的实施例为：

装置包括了气体放电灯点灯所需的全部设备，因此，既可以作为调光装置使用又可以作为普通点灯装置使用，还可以作为低压气体放电灯的调光点灯装置使用。

1.不调光使用方法

将机内跳线端K接至9V电源+极，K接至9V电源-极。输出插口接通与本装置规定相符合的气体放电灯，电源线接通220V电源，合上电源开关既可正常工作。

2.利用本机手动调光

接线同不调光使用方法，将机内微调电位器W₁换为电位器并装上旋钮，调整W₁可以改变灯管工作电流的大小，达到调光的目的。

3.手动/计算机远距离调光

将0-20mA（或0-10mA）的手动/计算机控制信号接入插口K₁、K₂（注意：K₁接+极，K₂接-极），改变手动/计算机控制信号即可改变灯管工作电流的大小，达到调光的目的。实际控制距离取决于手动/计算机控制信号源电流环负载能力的大小。

Claims (6)

1、一种高低压气体放电灯的调光点灯装置，由电感、电容、变压器组成，其特征是：由整流滤波器整流二极管D₁₀～D₁₃，DC/AC功率转换器VMOS管Q₄、Q₅，电流检测环L₃、L₄，高频镇流器L₅，气体放电灯，光电隔离器1C₂，时钟振荡器1C₃，V/W调制器IG₄，分相驱动器1C₅、晶体管Q₁、Q₂，过流保护元件W₃、二极管D₆、电阻R₄，高频整流二极管D₇、D₈、D₉、电容C₁₀、C₁₅，高压触发器L₅、L₆，触发控制器晶体管Q₃，晶闸管SCR等组成触发点灯调光装置。

2、根据权利要求1所述的调光点灯装置，其特征是由220V、50Hz工频电源经二极管D₁₀～D₁₅及电容C₁₁、C₁₂整流滤波转换为约300V的直流电源后，由Q₄、Q₅管组成DC/AC功率转换器转换为Um约300V的高频矩形波电源，并经电流检测环L₃、L₄及高频镇流器L₅向气体放电灯提供高频电流。当气体放电灯未引燃时，灯管电流为零，电流检测环L₄无检测电流输出，晶体管Q₃截止，触发二极管D₁₄使双向晶闸管SCR触发导通，直流电源经R₁₂充在C₁₃上的大约300V的电压，通过SCR向L₆放电，使L₅上感应出高达6000V的高压脉冲将灯管击穿启动，构成触发点灯装置。

3、根据权利要求1所述的调光点灯装置，其特征是电流控制信号由接口K₁、K₂送入光/电耦合器IC₂的1、2脚，从5脚输出电流经R₂在IC₄的6脚上产生一个电压信号，对输出脉宽进行调制，并通过驱动电路控制DC/AC功率转换器输出电流的有效值。当控制信号等于0mA时，对应输出一个根据不同的气体放电灯所整定的最小电流值，当控制信号等于20mA时，则对应输出一个根据不同的气体放电灯所整定的最大电流值的电路组成的调光装置。

4、根据权利要求1所述的调光点灯装置，其特征是：电流检测环L₃检测出灯管的工作电流值，当灯管的工作电流大于根据不同的气体放电灯所整定的最大电流值时，过流保护电路开始工作，限制电流不再继续增加，保护气体放电灯不致因过电流而损坏的电路。

5、根据权利要求1所述的调光点灯装置，其特征是：当灯管启动后，灯管电流大于零，L₄有检测电流输出，晶体管Q₃导通，使触发二极管D₁₄及电容C₁₄短接，SCR不再被触发，触发器停止工作的电路。

6、根据权利要求1所述的调光点灯装置，其特征是当灯管熄灭后，L₄无检测电流输出，电容C₁₅在灯管点燃期间所充的电要经R₁₅、R₁₄和Q₃的基极一射极回路放电，使Q在2-15分钟之间保持导通，触发器停止工作的电路。

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