CN1080781A - 无电极放电灯 - Google Patents
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Abstract
在无电极放电灯中使用一个E类推挽放大器以
提供对电感线圈的有效的功率传送和减少由这个灯
向周围环境发射无线电频率干扰的数量。使用一个
双绕的或其它类型的多线绕法的电感线圈,最好是中
心抽头的,以便进一步减少无线电频率干扰的问题。
Description
本发明涉及无电极放电灯,特别是涉及用于高效无电极放电灯的一个装置,它产生的无线电频率干扰电平是可接受的。
无电极放电灯是使用一个电感线圈将电磁能耦合到气体混合物,如典型的金属气化物和惰性气体,这种气体混合物是装在密封的容器中的。使用一个振荡器来产生高频信号,该信号被放大并传送到电感线圈。一般地讲,这种灯工作在两个阶段。在开始工作阶段,电感线圈产生一个电场,这个电场电离一些气体分子,产生离子,离子又碰撞其它的分子,因而进一步产生离子。这个过程继续下去直到达到稳态阶段,在其中,主要由电感线圈产生的磁场维持一个环行的带电粒子的等离子区。带电粒子流激发金属气化物的原子,产生主要是在UV频谱的辐射,它撞击涂复在容器壁上的磷层。结果,磷被激发并产生可见光。
这类的灯称为无电极荧光灯。其它类型的无电极放电灯直接从装在密封容器中的气体产生可见光。
无电极放电灯,特别是无电极荧光灯比白炽灯的效率高得多且寿命更长。例如,无电极荧光灯发光效率为60-80流明/瓦,而典型的钨白炽灯的发光效率仅为15-17流明/瓦。因而无电极放电灯提供了非常明显的节能的前景。但是,这个技术的发展已受到几个问题的限制,其中最主要的问题是产生无线电频率干扰(RFI)。该电感线圈起着一个天线的作用,即使这种灯工作在FCC(联邦通信委员会)批准的频率(例如,6.78或13.56MHz),但是典型地该灯产生的基频的谐波是不在批准的波段内。另一个问题是减少在高频信号传送到电感线圈之前对它放大中产生的衰耗。这些问题的解决是特别困难的,因为用于解决这些问题的装置必须在电发光灯泡范围内并且不应过度地增加发光灯泡的制造成本。
E类放大器众所周知是高效率的,它们在无电极放电灯中的使用已在美国专利4245178中叙述。构成E类放大器的理论已在授予美国专利3919656号中叙述,在此引用供参考。但是4245178的专利只叙述单端E类放大器,没有提供解决RFI的问题。单端E类放大器产生一个半波正弦波,它具有丰富的谐波。此外,4245178的专利利用包含在园形柱心上的一个反馈线圈的自振荡电路来提供电灯的工作频率,但是这个装置不能获得稳定的频率。
本发明的原理提供解决效率和RFI问题的经济有效的办法。
根据本发明,使用包含两个开关元件的E类推挽放大器来放大无电极放电灯中的高频信号。推挽放大器最好是平衡的并且产生一个改善的全波正弦波,它比半波正弦波具有低得多的谐波含量。
电感线圈是直接耦合到DC电源,电感线圈可以是中心抽头的,而且它与等离子区构成了负载。电容与电感线圈并联,这些电容值的选择,以使在比工作频率低的频率时与电感线圈产生谐振,因此在工作频率时这个并联组合好象是一个电容。
在一个优选的实施例中,一个电感与每个开关元件(典型地是场效应晶体管FET)串联。该电感与线圈/电容组合件相组合以提供一个衰减的串联谐振电路,它大大地减少了在FET转换期间由于使整个电路工作在E类方式所产生的能量损失。该电感还用于使线圈负载的阻抗与开关元件的阻抗相匹配。电容与电感一起构成一个低通滤波器,它大大地减少了传送到线圈的谐波。
根据本发明的另一个方面,使用双绕的或其它类型多线绕法电感线圈,最好是一个中心抽头的线圈。也可以使用同轴线圈。多线绕法线圈使得在离开该线圈有一定距离的该线圈的相邻绕组之间的电场偶极子相抵消。因而,显著地减少RFI的问题。
图1说明无电极放电灯的方框图。
图2A说明根据本发明的一个放大器的优选实施例的电路图。
图2B,2C和2D说明根据本发明可选择的实施例的电路图。
图3说明由本发明的放大器产生的波形。
图4说明可与本发明一起使用的频率陷波的电路图。
图5A说明根据本发明的另一个方面的双绕线圈。
图5B说明双绕线圈的示意图。
图6说明在双绕线圈中的导线的截面图,表示相邻导线的电场。
图7A示意说明中心抽头的双绕线圈。
图7B说明中心抽头的四线绕法的线圈。
图8A,8B和8C说明分别与单端线圈,中心抽头线圈和双绕线圈有关的共模电压。
图9说明包括一个同轴线圈的一个实施例。
图10A和10B说明包括多线绕法线圈和单端驱动放大器的实施例。
图1中说明无电极放电灯10的总的方框图。电源11整流从电力线来的AC电压并将DC电源供给振荡器12和放大器13。振荡器12典型地是晶体驱动的。由放大器13放大的输出传送到园柱形的电感线圈14,电感线圈14位于伸进密封的容器15中的一个空腔中。密封的容器15包含金属气化物的混合物,典型地是水银和很少的气体。当由振荡器12产生的并由放大器13放大的高频信号传送到电感线圈14时,在容器15内产生了电场和磁场,并形成了带电粒子的等离子区,如上所述。环行的带电粒子与金属气化原子碰撞,激发它们并使它们发生辐射。在荧光放电灯中,辐射一般是在UV频谱内,并且发射到涂复在容器15内侧的磷上,同时激发了磷,而磷又发出可见的辐射。在另一类型的无电极放电灯中,可见光是直接由气体的原子发射的。本发明的原理可应用于这两类型的无电极放电灯。此外,在电感线圈被看成是无铁芯时,本发明的原理也可应用于具有磁芯的电感线圈。
如上所述,在开发这个技术中的两个主要问题是使从线圈14到周围环境的辐射的传输减至最小,包括振荡器12工作的频率的基波和谐波,并使从电源11到电感线圈14的电源传送中的损失最小。
这两个问题在图2A所示的放大器13的实施例中都得到了减轻。放大器13为推挽型的E类放大器。电感线圈是中心抽头的并且用图表示为具有一个等效的并联电阻RL的两个电感Lc和Lc′,电阻RL代表等离子体的加载效应。放大器13包括开关场效应晶体管(FET)Q1和Q′,每个FET与另一个FET不同相工作(即,在另一个FET导通时,这个FET截止,这里称为“推挽方式”)并且具有50%的负载周期。但是,不脱离本发明的原理,FET Q1和Q1′的负载周期可以减少。电感L1和L1′与线圈14串联连接,而电容C1和C1′放在电感14的各自侧和地之间。FET Q1和Q1′表示为分别具有固有电容Coss和Coss′。
优选的实施例是完全平衡的,这意味着Q1和Q1′是相同的FET,而且L1=L1′,C1=C1′以及Lc=Lc′。
几个一般的观察结果有助于了解图2所示的电容的设计和工作情况。代表中心抽头的电感线圈14的元件(Lc,Lc′和R1)与电容C1和C1′在工作频率时起着一个电容的作用,这个电容性的单元分别与电感L1和L1′一起工作,以构成一个陷波谐振电路,陷波谐振电路使得根据上述美国专利3919655号中所述的在FET Q1和Q1′的转换功率损失减至最小。这些关系保证在它们截止时跨在FETQ1和Q1′上的电压基本上等于零(实际上是VDS(SAT)),而在它们导通时跨在FET Q1和Q1′上的电压和通过FET Q1和Q1′的电流基本上是零。正如在3919655号专利中和别处描述的,满足这些条件(这里称为“E类条件”)将使得FET Q1和Q1′在导通与截止状态之间转换间隔期间的功率损失(电压×电流)最小。
电感L1和L1′提供阻抗匹配,而电容C1和C1′起着低通滤波器的作用,减少基波频率(由振荡器12确定)的谐波到达电感线圈14。
放大器13的设计是采用在几个对抗的因素中间找到最佳的折衷。下面叙述这个过程的一般方法。
1、电感线圈14的电感和负载被用于确定它在加电的无电极放电灯中工作的情况。
2、选择FET Q1和Q1′具有的输出电容和击穿电压与放大器的功率输出要求相一致。
3、计算在所需的工作频率时与电感线圈14一起产生谐振所要求的电容(Cx)。
4、计算串联电感L1和L1′的值,以便提供必要的阻抗变换,使电感线圈14的阻抗与FET Q1和Q1′的各个阻抗匹配。
5、计算电容C1和C1′的值以便在FET Q1和Q1′中的一个FET导通时对所需的工作频率提供串联谐振。
6、使用计算的值,在一个计算机上模拟陷波谐振电路的性能以获得在FET Q1和Q1′的源极端子上的最佳电压波形,即,从V=O开始,在FET截止时,在源极端子上的电压应该变化,以致于在该FET导通时V=0和dv/dt=0。
7、选择提供需要的输出功率所必须的供电电压Vcc。
8、建立和测试用从计算机模拟得到的元件值所构成的试验电路板,并且根据需要调整这些数值以满足如上所述的具有选择的线圈/等离子区条件的“E类条件”。
正如本领域的技术人员会知道的,元件如线圈电感,等离子区负载阻抗,线圈的寄生电容,线圈和电容器容差,FET寄生变量,门驱动信号的幅度/阻抗,和布局寄生效应都将对设计有一些影响。最后的解决方案将是考虑所有的这些变量的最后折衷。
现在给出根据本发明构成一个放大器的方法的例子。在该例子中,假定Lc=Lc′=1.15μH,RL=4KΩ,耦合系数K=0.9,和有负载时的Q≌10。Q1和Q1′是具有固定电容Coss≌40pF和击穿电压Vp=200V的FET。该灯工作在fo=13.56MHz。
功率输出Po由下面的关系式得到:
Po≌0.8CossVp2fo
得到Po≌18瓦。
要求与电感线圈谐振的电容Cx确定如下:
Cx≌30pF
为了保持放大器平衡,在电感线圈14的每一侧应放置这个电容的一半(60pF)。
接着,计算串联电感L1=L1′的值,以便提供分别在电感线圈14与FET Q1和Q1′之间的匹配。下列方程式叙述这个关系:
(RL)/(Q2) ( (4LC+2L1)/(4LC) )2= (VP 2)/(2P0)
代入RL,Q1Vp和Po的值得到:
( (4LC+2L1)/(4LC) )2= 25 (4LC+2L1)/(4LC) = 5
由于Lc=1.15μH,因而得到
2L1=18.4μH
L1=9.2μH
由此,阻抗匹配的条件得到串联电感L1=L1′=9.2μH。
下面,计算C1=C1′,以提供在fo=13.56MHz时FET Q1和Q1′之一导通时的串联谐振。(虽然串联谐振电路的实际频率应稍大于fo以满足E类的条件,产生的差错可以很容易通过模拟或试验进行校正)。
L1和C1的值通过如上所述的模拟和试验进一步精选。在大多数情况下,从L1和C1得到的值将保证这些元件起着对于基频以上的谐波的低通滤波器的作用。如果一个特定的谐波频率需要进一步衰减,则可以在串联电感L1和电感线圈14之间连接图4所示形成的、包含一个电容C2和一个电感L2的频率陷波电路。在串联电感L1′和电感线圈14之间可以连接一个类似的陷波电路。
与诸如在上面参考的美国专利4245178中叙述的单端E类放大器不同,本发明的推挽放大器提供在图3中所表示类型的改进的全波正弦波。这个波形比单端E类放大器的半波输出具有低得多的谐波含量。
图2B和2C说明根据本发明的放大器的可选择的实施例。图2B中所示的放大器是一个扼流圈耦合的、DC连接电路装置,而图2C中所示的放大器是一个扼流圈耦合的、AC连接电路装置。电感线圈可以有或者可以没有中心抽头,如虚线所示。
图2D说明一个栅-阴放大器电路装置,其中晶体管Q1和Q2的输入电容较小,米勒(Miller)反馈效应最小,因此可以使用较小的驱动器。
已经证明,如果电感线圈是双绕的,则无线频率的干扰(RFI)问题显著地减少了。图5A说明一个双线绕法的电感线圈14。在点a开始,该线圈绕到点a′,在该线圈的里面,该导线被引到点b,从这点与第一绕组一起并排绕到点b′。在图5B中用图说明了这个安排。在绕组开始(例如点a)和它结束(如点a′)的两点之间的每个螺旋导线段称为分开的“绕组”。绕该线圈支架一圈的各通道称为“匝”。
当在靠近该线圈的这些点保持强电场时,该技术显著地减少了离开该电感线圈的那些点的电场,所述的强电场是在放电容器中开始电离过程所需要的。就目前所知,在图6中对此说明了理由,图6是线圈绕组通过直径平面的截面图。假定峰-峰电压为60V,端子a和b′在+30V和-30V之间摆动。图中示出了该线圈在点a为+30V和点b′为-30V时的情况。从点a到点a′的各匝是以空白圆圈表示,而从点b到点b′的各匝是以画十字的圆圈表示。图6中所示的电压仅仅是为了说明起见,在点a和b′之间的实际电压大约为200V到300V。
如图6所示,从点a开始该电压每匝降低10V,直到在点a′该电压达到OV为止。点b的电压与点a′的电压相同,而从点b到点b′该电压每匝降低10V,直到在点b′为-30V。
距离d1表示为两个绕组之间的距离,而距离d2等于每个绕组的螺距减去距离d1。因此,结果是得到具有强度等于相邻导线之间的距离乘以导线之间的电压差的一系列偶极子。在图6的右侧表示出每个偶极子的强度和方向。很明显,如果符合下列条件接连的偶极子的方向相向并且相等:
30d1=20d2或者
d2=1.5d1
对于在每半个绕组中具有N匝的一个双线绕法线圈,这个表示式可以简化为:
当满足这个条件时,在完全离开该线圈的那些点(如大于10倍的线圈长度)的偶极子基本上相抵消,而在靠近该线圈的那些点的电场强度与靠近单绕线圈的电场相比是增强的。例如在图6中的点a和b之间的偶极子是30d1,而如果线圈是单绕的(8匝),那么该偶极子的强度等于10d1。
具有几匝的双线绕法线圈的远电场强度可以近似为:
E双绕≌ (Vrm2s)/(4n2r4)
通过比较,单螺线管线圈的远电场近似为:
E单螺线管线圈≌ (Vrm2s)/(r2)
因此,电场的抑制是与双线绕圈的匝数成正比的。
抑制=10log10(E双绕)/(E单螺线管线圈)
=-20log10(2n)
在图7A中,图示的中心抽头双绕线圈用于图2A-2D中所说明的电感线圈是特别有利的。在中心开始和结束线圈的绕组形成更对称的结构并改善远电场抑制。此外,在线圈中心的近电场,由于具有电压差为Vpp(+1/2Vpp到-1/2Vpp)的线圈绕组的紧密的接近度而加强了。
本发明的原理推广到具有任何数量的互相并排排列的绕组的多线绕法的线圈。例如,图7B说明一个四线绕法的线圈。
除了双绕线圈的远电场消除之外,还具有在减少由等离子区本身的信号再辐射方面的其它好处。
在任何频率的等离子区辐射可分为两个组成部分:
(a)由于磁耦合在等离子区中感应的电流和电压所引起的辐射。
(b)通过耦合到电感线圈在等离子区中感应的共模电压。
通过减少驱动电感线圈的信号的谐波含量,感应的磁耦合成分可被减少。等离子区本身不产生被认为是足够大的谐波。假如在图8A,8B和8C中所示的电感线圈和等离子区之间的电容耦合,其共模感应电压可被分析。
简单的分析显示出:对于在图8A,8B和8C中所示的结构的共模电压VCM可由表达式近似为:
单端线圈(图8A):
中心抽头线圈(图8B):
双绕线圈(图8C):
式中VIN是传送到线圈的均方根(rms)电压,C1是线圈的单匝和等离子区之间的电容,C2是等离子区和地之间的电容,N是线圈的总匝数,而x是变数。
可以看到,平衡的线圈结构在等离子区中具有基本上为零的共模感应电压,而单端线圈具有一个有限的共模电压值。对于实际的容差,电气不平衡和不平衡的接地效应的任何不平衡效应将有二次效应。
共模耦合和因此再辐射以及PFI信号可以通下列方法减少:
(a)使用多线绕法线圈结构,以增强每个半线圈之间的耦合并减少电气不平衡。
(b)改善平衡,如使用中心馈送和/或四线绕法线圈结构。
(c)对电感线圈提供平衡推挽驱动。
(d)利用外部接地屏蔽增加C2的值,如在共同持有的申请序列号07/8838750中叙述的,在此引用供参考。
(e)在电感线圈和等离子区之间提供电气屏蔽,如在共同持有的申请序列号07/883972中所叙述的,在此引用供参考。
在一些情况下最好使用分别具有中心导体和屏蔽的同轴电缆,以上面所述的并排绕组相同的方法连接。图9是说明这种结构的一个实施例。在图9中,实线代表中心导体,而虚线代表同轴电缆的外屏蔽。示出了中心抽头的结构,中心抽头CT位于起点S和终点F之间的中间。
另一种方法,在一些应用中希望并排地缠绕线。
多线绕法线圈也可以与单端驱动放大器一起使用,即,这个信号源驱动负载,负载一端连接到该信号源而另一端接地。在这个结构中,加在多线绕法线圈上给等离子区供能的信号是平衡的,因此具有得到低的RFI和耦合到等离子区的低的公共阻抗的好处。在图10A和10B中说明在E类方式中使用单个FET的两个可能结构。在这两图中,电感L1起着电感线圈的串联扼流圈的功能。FET Q1可以是IRF710。在图10A和10B所示的两个实施例之间的差别是图10A的实施例使用单个调谐电容C1,而图10B的实施例使用一对调谐电容C2和C2′。最好是,如果电路的其它元件是一样的,则C1的值应等于一半的C2和C2′的值(这二个应相等)。
在多线绕法线圈与单端放大器一起使用时,一般不给予信号转换,其效果与利用平衡的(推挽)驱动得到的同样好,但是结果比用正常的单绕线圈得到的要好。
上述叙述的实施例是说明性的而不是限定。因此,本领域的技术人员还可知许多其它的实施例,所有这些是在下面的权利要求书中确定的本发明的广泛的范围之内。例如,在某些情况下可以发现具有与图2中说明的电路不同的E类推挽放大器是可适用的。
Claims (25)
1、一种无电极放电灯,包括:
一个包含气体混合物的密封容器;
放置在相邻于所述的密封容器的一个电感线圈;
用于在一个预定频率产生振荡电信号的装置;
一个放大器,用于放大所述的振荡信号,所述的放大器包括:
第一开关装置和第二开关装置,所述的第一和第二开关装置是彼此不同相地接通的,使得所述的第一和第二开关装置的一个开关装置处于关断状态而所述开关装置的另一个开关装置处于接通状态;
连接在所述的第一和第二开关装置之间的陷波谐振电路,当所述第一和第二开关装置的一个开关装置处于关断状态时,所述的陷波谐振电路以这样的方法谐振:当所述开关装置关断时,加在第一和第二开关装置的每个开关装置的电压基本上是零,而当所述开关装置接通时,加在所述第一和第二开关装置的每个开关装置上的电压和通过它们的电流基本上是零。
2、根据权利要求1的无电极放电灯,其中所述的电感线圈构成所述陷波谐振电路的一个部分。
3、根据权利要求2的无电极放电灯,其中所述电感线圈有一个中心抽头,所述的中心抽头连接到DC电压源。
4、根据权利要求3的无电极放电灯,其中所述陷波谐振电路包括电感,选择所述电感的值使所述电感线圈的阻抗分别与所述第一和第二开关装置的阻抗匹配。
5、根据权利要求4的无电极放电灯,其中所述电感是串联在所述第一开关装置和所述电感线圈之间,并且串联在所述第二开关装置和所述电感线圈之间。
6、根据权利要求4的无电极放电灯,其中所述陷波谐振电路包括电容,选择所述电容的值,以使在低于产生振荡信号的所述装置的频率与电感线圈谐振。
7、根据权利要求1的无电极放电灯,其中所述第一和第二开关装置的每个开关装置包括一个晶体管。
8、根据权利要求1的无电极放电灯,其中所述第一和第二开关装置的每个开关装置包括一个场效应晶体管。
9、根据权利要求1的无电极放电灯,包括与所述电感线圈一起用于谐振的装置,它具有一个自然频率基本上等于产生振荡电信号的所述装置的频率。
10、根据权利要求9的无电极放电灯,包括用于转换所述电感线圈阻抗的装置,以使所述电感线圈的阻抗分别与所述第一和第二开关装置的阻抗匹配。
11、根据权利要求10的无电极放电灯,包括用于滤波电信号的装置,该电信号具有的频率基本上大于用于产生振荡电信号的所述装置的频率。
12、一种无电极放电灯,包括用于将电磁能耦合到包含在密封容器中的气体的一个电感线圈,和用于将振荡电信号提供给所述电感线圈的一个驱动装置,所述驱动装置包括一个放大器,所述放大器满足E类条件并且以推挽方式工作。
13、根据权利要求12的无电极放电灯,其中所述的电感线圈是多线绕法的,所述多线绕法电感线圈有多个绕组,所述绕组的各匝互相相邻排列在线圈支架上,在所述放大器的输出端之间的导电通路中至少连接两绕组。
14、根据权利要求1的无电极放电灯,其中所述的电感线圈是多线绕法的,所述多线绕法电感线圈有多个绕组,所述绕组的各匝互相相邻排列在线圈支架上,在所述放大器的输出端之间的导电通路中至少连接两个绕组。
15、根据权利要求14的无电极放电灯,其中所述电感线圈是双绕的。
16、根据权利要求15的无电极放电灯,其中所述电感线圈包括同轴电缆。
17、根据权利要求14的无电极放电灯,其中所述电感线圈是四线绕法的。
18、根据权利要求14,15,16或17的无电极放电灯,其中所述电感线圈是中心抽头的,所述电感线圈的中心抽头连接到一个恒压源。
19、一种无电极放电灯,包括:
一个含有气体混合物的密封容器;
用于在一个预定频率产生振荡信号的装置;
一个放大器,用于放大所述振荡信号,所述放大器有一对输出端;
放置在邻近所述密封容器的一个多线绕法的电感线圈,所述多线绕法电感线圈有多个绕组,所述绕组的各匝互相相邻排列在线圈支架上,在所述放大器的输出端之间的导电通路中至少连接两个所述的绕组。
20、根据权利要求19的无电极放电灯,其中所述电感线圈是双绕的。
21、根据权利要求20的无电极放电灯,其中所述电感线圈包括同轴电缆。
22、根据权利要求19的无电极放电灯,其中所述电感线圈是四线绕法的。
23、根据权利要求19的无电极放电灯,其中所述放大器是一个单端放大器。
24、根据权利要求19,20,21,或22的无电极放电灯,其中所述电感线圈是中心抽头的,所述电感线圈的中心抽头连接到一个恒压源。
25、一种无电极放电灯,包括:
一个含有气体混合物的密封容器;
放置在邻近所述密封容器的一个电感线圈;和
用于将振荡电信号传送到所述电感线圈的装置,所述的装置有一对输出端;
所述电感线圈包括有多匝的第一绕组和有多匝的第二绕组,所述第一绕组和所述第二绕组放置在一个线圈支架上,以致所述第一绕组的各匝与所述第二绕组的各匝相邻放置,所述第一绕组的第一端接到所述第二绕组的第一端,所述第一绕组的第二端接到所述输出端的一端,所述第二绕组的第二端接到所述输出端的另一端。
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