CN1110044A - 阴极加热式气体放电灯的镇流电路 - Google Patents
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Abstract
具有一对电阻加热式阴极的气体放电灯镇流电
路，在先于灯点亮的阴极预加热期间和灯稳定工作期
间都对阴极加热。镇流电路包括提供直流母线电压
的装置和提供双向电流的转换器。谐振负载包括灯、
谐振电容和电感。供电装置对阴极加热。还包括一
个电路，它使灯电压在预加热期间低于预定值，避免
灯被点亮；该电路包括将灯的第一阴极保持在基本恒
定电压下和将第二阴极箝位在低于预定值的电位上
的装置。箝位装置包括正温度系数阻抗元件。
Description
本发明涉及诸如荧光灯那样的阴极加热式气体放电灯的镇流电路，更具体地说涉及对这种镇流电路的阴极加热电路性能的改进。
某些类型的气体放电灯，比如有一种荧光灯，包括一对具有内阻的阴极，当分别有电流流过的时候，阴极就发热，以后将这种阴极称为电阻加热式阴极。电阻加热出现在以下两种情况中：一是当阴极通过灯中的电弧放电也被加热、灯处于稳定工作状态期间，另一是在灯点亮之前所谓的阴极预加热期间。这种灯的阴极被设计成在灯正常工作时发射电子。这样的阴极一般由钨或类似金属制成，在阴极未涂层的情况下被加热并发射电子时，阴极容易破裂。因此，阴极一般涂一层电子发射材料以利于发射电子，同时保护阴极金属使其免受损坏。
在上述类型的荧光灯中，灯点亮之前对阴极预加热期间，需要将阴极加热到至少大约700℃，以便从阴极得到所要求的热电子发射。在灯稳定工作期间，需要对阴极连续加热至大约500℃，以便阴极更好地保持热电子发射，并使阴极寿命得以延长。
阴极加热式荧光气体放电灯的典型电源或如一般所称“镇流”电路在加热灯阴极的电路中采用正温度系数（PTC）的电阻，在阴极预加热期间和灯处于稳定工作状态期间都对阴极加热。气体放电灯具有一对电阻加热式阴极，每个阴极具有与谐振电源电路相连的端子，谐振电源电路向灯提供双向电流。另一对阴极端子之间经串联的电容与一个正温度系数（PTC）的电阻相连，从而形成一个电路，向电阻加热式阴极提供电流，并对它们加热。可以在美国专利第4，647，817;4，782，268和5，122，712号中找到采用PTC电阻的镇流电路的例子。
PTC电阻起初以某一阻抗值导通电流，然后随着消耗电能而变热，其阻抗值便增加。于是，当灯镇流电路开始激励时，较大的电流流过PTC电阻，从而流经电阻加热式阴极。在灯点亮之前的阴极预加热期间，对阴极快速加热，以便灯阴极达到所需的高温，使灯点亮。PTC电阻是这样选择的，当它使得灯电压增加到足以使灯点亮的值，并且阴极预加热期间快要结束时，其阻抗变为高。然后在灯的稳定工作期间，灯电压下降，降至低于阴极预加热期间的电压。在灯稳定工作期间，减小的电流流经电阻加热式阴极，其结果例如对一个20瓦灯的镇流电路来说，PTC电阻的功耗大约为1瓦，这意味着大约5%的无效功率。
因此，需要为阴极加热式气体放电灯提供一种镇流电路，在灯稳定工作期间能够实现较高的功率效率。
上述镇流电路更进一步的缺点是对采用给定PTC电阻的电阻加热式阴极的范围进行了限制。不同种类的灯有不同类型的电阻加热式阴极（例如2Ω、6Ω等）。于是就需要更多的适合不同类型的电阻加热式阴极的阴极加热电路，来更好地适应更多种类的灯。
此外，还要求在不增加费用或使电路过于庞大的情况下实现上述优点。避免电路过于庞大对于小型的低压荧光灯来说是非常重要的，这种灯采用标准的爱迪生式螺丝座，以便安装在通常也适合于白炽灯的灯座中，并且这种灯采用紧凑的多轴外壳或放电腔，光线从被电激发至放电状态的适当填充物中发出。这种小型灯的镇流电路紧凑地安装在爱迪生式螺丝座中，并与之非常靠近，所以要严格限制镇流电路的大小。
因此，本发明的一个目的是为阴极加热式气体放电灯提供一种镇流电路，该电路采用高效阴极加热电路，与上述先有技术的阴极加热电路相比，更适合于不同种类的阴极。
本发明的另一个目的是在不增加费用或使电路过于庞大的情况下为阴极加热式气体放电灯提供一种达到上述目的的镇流电路。
根据本发明，提供了一种气体放电灯的镇流电路，气体放电灯具有一对电阻加热式阴极，在先于灯点亮的阴极预加热期间和灯稳定工作期间，阴极都通过电阻方式加热。镇流电路包括在母线导体上提供对地的直流母线电压的装置，以及根据直流母线电压向谐振负载电路提供双向电流的转换器。谐振负载电路包括气体放电灯，连接在灯阴极之间、且两端的电压随着灯电压的变化而变化的谐振电容，以及与谐振电容串联并与谐振电容一起确定双向灯电流的谐振频率和幅度的谐振电感。向电阻加热式灯阴极供电的装置提供电能，对阴极加热。还包括一个电路，它使灯电压在阴极预加热期间一直低于一个预定值，从而避免这一期间灯被点亮;该电路包括将灯的第一阴极保持在基本恒定电压下的装置，以及将灯的第二阴极箝位在低于预定值的电位上的装置。该箝位装置包括正温度系数（PTC）阻抗元件，如PTC电阻，它与灯的第二阴极相连，并通过正极性箝位二极管与母线导体串联，还通过负极性箝位二极管与地线串联。
通过以下结合附图所作的描述，本发明的上述目的和优点以及进一步的目的和优点将变得非常明显，附图中：
图1是根据先有技术的灯和包括阴极加热电路的灯镇流电路的示意图，其中一部分是以框图形式出现的。
图2是表示正温度系数（PTC）电阻的阻抗值与电阻的温度之间关系的曲线，阻抗值的单位为欧姆，温度的单位为摄氏度（℃），流经PTC电阻的电流为50kHz。
图3表示阴极预加热期间、灯点亮期间和灯稳定工作期间开始时灯电压与时间的关系曲线。
图4是根据本发明的第一实施例的灯和包括阴极加热电路的灯镇流电路的示意图，其中一部分是以框图形式出现的。
图5是根据本发明的第二实施例的灯和包括阴极加热电路的灯镇流电路的示意图，其中一部分是以框图形式出现的。
图1表示先有技术电路100，以下对它的说明将有助于理解本发明。电路100包括直流母线电压源105，它在母线导体110上产生母线电压VB。如同在本领域中已知的那样，直流母线电压源105一般包括对交流电源线上的电压进行整流的全波整流器，还可以有选择地加上功率因数校正电路。同时，谐振负载电路包括诸如小型低压荧光灯那样的气体放电灯115，以及横穿放电灯与之并联的谐振电容CR，还包括与灯和谐振电容的并联电路串联的谐振电感LR。包括正温度系数（PTC）电阻120和电容125的串联电路与灯115并联，该串联电路对灯阴极加热，这在以后说明。
上述谐振负载电路连接在电路节点130和135之间，并以以下方式提供双向电流。电路节点130是串联连接的开关S1和S2的公共节点，开关S1和S2可以是MOSFET或双极结型晶体管（BJT），它们依次连接在母线导体110和地线140之间。栅极驱动电路145使开关S1和S2交替导通（也就是说使垂直方向上的开关端子的上部分和下部分交替接通）。于是，当开关S1导通时（S2关断），电路节点130的电位与母线导体110的电位相同;而当开关S2导通时（S1关断），电路节点130的电位与地线140的电位相同。同时，右面节点135的电压基本保持恒定，一般为母线导体110上的母线电压VB的一半;这可以通过连接在节点135和母线导体110之间的电容150以及连接在节点135和地线之间的电容155来实现。在上述开关S1和S2交替地将节点130与母线导体110和地线连接的作用下，双向电流经谐振电感LR供给灯115。
栅极驱动电路145一般被称为自谐振型电路，它利用来自上述谐振负载电路的反馈，产生适合于控制开关S1和S2的信号。
灯115包括电阻加热式阴极115A和电阻加热式阴极115B。虚线包围电阻加热式阴极115A和115B，它表示闭合的玻璃灯罩。电阻加热式阴极的下端子从灯115向下延伸，分别与谐振电容CR的各个端部相连。电阻加热式阴极的上端子分别与包括PTC电阻120和电容125的串联电路的各个端部相连。
PTC电阻120和电容125共同作用，得到下述灯阴极115A和115B的所要求的加热特性。PTC电阻的工作状态如图2所示，图2表示作为元件温度函数的阻抗值的变化情况。图2中的曲线是一个例子，所示PTC电阻在典型的20℃的环境温度下阻抗值为额定值0.6kΩ，加热到135℃时阻抗值为额定值1.8kΩ，流经电阻的电流为50kHz。由于元件中寄生电容的影响，PTC电阻120的阻抗与频率有关。当电流流经电阻、电阻被加热到大约120℃以上时，PTC电阻的阻抗值一般将开始迅速地增加。PTC电阻从一般的20℃的环境温度升高到所说的其阻值开始迅速增加的温度如120℃，需要经过一段时间，总的来说这是为了限制阴极预加热期间灯的电压，从而延迟灯的点亮时间，直到灯阴极已经达到所需要的高温，如同在上面本发明的背景中所提到的那样。
图3表示阴极预加热期间、灯点亮期间和灯稳定工作期间开始时灯电压VL与时间的关系曲线。如图所示，基本是正弦的灯电压确定峰值电压的包络线300。阴极预加热期间为t0至t1，t0是电能最初加在灯上、PTC电阻120例如处于图2所示20℃的环境温度下的时刻，t1是PTC电阻120例如达到120℃以后其阻抗值开始迅速增加的时刻。阴极预加热时间一般持续大约0.5秒。
阴极预加热期间，PTC电阻120的阻抗值保持在它的下限附近，例如0.6kΩ，并加在由谐振电感LR、并联谐振电容CR和灯构成的谐振电路上。阴极预加热期间，由于与稳定状态的灯电压相比，加在PTC电阻120和电容125两端的电压较高，而PTC电阻的阻抗又处于最小值，所以PTC电阻120消耗相当大的电能。阴极预加热期间的灯电压幅度进一步通过选择电容125的值来控制。
在图3所示的t1时刻，PTC电阻120的阻抗值开始迅速增加，从而使灯电压增大到足以点亮灯的临界值，如图中电压包络线300的点302所示。然后在时刻t2，灯电压迅速下降到稳定状态值，如304所示。
在灯稳定工作时，需要连续加热灯的阴极115A和115B至例如500℃，以便阴极按要求进行热电子发射，并使阴极寿命得以延长，如同在上面本发明的背景中所提到的那样。为此，灯稳定工作期间PTC电阻120导电，构成了一个向灯阴极115A和115B供电的闭合电路。由于稳定工作状态下灯的电压较低，如图3所示，所以这时PTC电阻120将在较低的温度下工作;不过它仍将消耗大约1瓦的功率，为20瓦灯功耗的5%。
此外，图1中先有技术的阴极预加热电路即PTC电阻120和电容125对将要加热的各种类型的灯阴极的适应范围很窄，例如灯阴极的电阻是变化的，如2Ω、6Ω等。于是需要一种包括阴极预加热电路的灯镇流电路，这种阴极预加热电路将更适合于范围更大的被加热的阴极类型。
本发明克服了上述阴极加热电路持续耗电同时对不同类型的灯阴极又缺乏适应性的缺点，本发明的一个实施例如图4中的电路400所示。图4中，与图1类似的部分用类似的参考号表示（例如，直流母线电压源405类似于直流母线电压源105）。类似于图1，图4中通过左面节点430交替地与处于母线电压VB的母线导体410和地线连接，将双向电流提供给谐振负载电路，该电路包括谐振电感LR、谐振电容CR和灯415，右面节点435的电压基本保持恒定，一般为母线电压VB的一半。
然而，灯415具有电阻加热式阴极415A，它通过与之并联的变压器副边绕组470供电。绕组470最好与谐振电感LR耦合。类似地，灯的电阻加热式阴极415B与副边绕组475并联，副边绕组475也最好与谐振电感LR耦合。当灯加在谐振电路上时，与灯稳定工作期间电感两端的较低电压相比，阴极预加热期间谐振电感LR两端的电压较高，因此对灯阴极415A和415B的驱动电压较高。
本发明的电路400利用了例如如图2所示的PTC电阻480的阻抗与温度有关的特性。PTC电阻480通过电容485与灯阴极415A相连。PTC电阻480的另一端通过正极性箝位二极管D1与母线导体410相连，还通过负极性箝位二极管D2与地线440相连。参照图3中灯电压与时间的关系曲线，对本发明来说也具有类似的包络线300，尽管在阴极预加热期间，由于箝位二极管D1和D2的作用，灯的峰值电压将被箝位或受到限制。下面说明这一过程。
从图3中的t0时刻开始，PTC电阻480处于图2所示典型的20℃的环境温度下。在图3中的t1时刻之前，PTC电阻480一直保持在0.6kΩ的较低的阻抗值上，t1是电阻例如达到120℃以后其阻抗值开始迅速增加的时刻（图2）。在图3的时刻t0至t1的阴极预加热期间，电容485和PTC电阻480一起，维持所要求的较低的灯电压。
当与灯阴极415A相连的节点490的电位高于母线电压VB时，箝位二极管D1导通，电流I1流经PTC电阻480和箝位二极管D1。这时，跨接二极管D1的阳极与阴极之间的压降固定在很小的值上，对于由一个p-n结实现的箝位二极管来说，一般约为0.7伏。（不用p-n结二极管而用其它的电子器件也能得到类似的低的正向压降，这对本领域的一般技术人员来说是很显然的，因此这里采用更一般的术语“箝位二极管”。）当电流I1流经箝位二极管D1时，灯阴极415A便被箝位在低于母线电压VB的某个电压上。这时，右面节点435保持基本恒定。对本发明来说，灯阴极415B上“基本恒定”的电压足以使上述灯阴极415A上的箝位电压非常低，从而防止了灯在阴极预加热期间被点亮。
当节点490的电位低于地线440的电位时，箝位二极管D2导通，电流I2以与上述电流I1相反的方向流经PTC电阻480，于是在二极管D2的两端存在一个固定的阳极至阴极的压降。这时，灯阴极415A被箝位在比地线400的电位还要低的电位上，所低的电位值为二极管D2、电阻480和电容485之间的压降。如上所述，在阴极预加热期间，电流I1和I2交替流动，以便将灯阴极415A上的电压箝位。
一旦灯到达稳定工作状态，并且其电压已经下降到如图3所示的304段，存在于灯阴极415A上的电压既不足以使箝位二极管D1正向偏置，也不足以使箝位二极管D2正向偏置，其结果PTC电阻480中不再流过交替的电流I1和I2，因此PTC电阻不再消耗功率，实现了高效率的阴极加热电路。
另外，与先有技术的电路100（图1）相比，由于本发明电路400中的阴极加热电路更容易适合于不同类型的灯阴极，所以它具有更广泛的适应性。这是因为电路设计者除了能够选择PTC电阻480和电容485的值以外，还能够选择副边绕组470和475以及谐振电感LR上的原边绕组之间的匝数比。用常规的技术调节副边绕组470和475上的电压既方便、又经济，只要将副边或与之相关的原边的匝数增加或减少几匝就可以了。
图5表示本发明的另一个实施例，其中与图1和图4类似的部分用类似的参考号表示。图5中，PTC电阻580与第一谐振电容CR1和第二谐振电容CR2之间的节点590相连。本领域的一般技术人员可以很清楚地看出，电容CR1和CR2一起为图5的谐振电路提供了一个等效谐振电容CR 
ff：
CR ff＝CR1×CR2/（CR1+CR2） （1）
第二谐振电容CR2用虚线表示，因为对某些灯击穿电压而言，该电容是不需要的。然而用了第二谐振电容CR2，电路500就可以在母线电压相同的情况下，比电路400更适合于击穿电压较高的灯。这样，将PTC电阻580的一端与电容CR1和CR2之间的节点相连，使得灯阴极515A上的电压不直接箝位，也就是说通过第二谐振电容CR2箝位。这是因为由第一谐振电容CR1和第二谐振电容CR2构成的电容分压器的中间节点590上的电压对出现在谐振电容上的灯电压产生影响的缘故。虽然电路500中没有直接对应于电路400中的电容485的电容（图4），但是电路设计者通过常规的技术选择与PTC电阻580相连的第一谐振电容CR1和第二谐振电容CR2之间的比值，得到图3所示的阴极预加热期间的限压功能。
对图5所示的本发明的电路500而言，25瓦的灯515，额定电压为400伏，作为例子给出的各元件的参数如下：PTC电阻580在20℃时的阻抗是150Ω，热时间常数是13秒，变换温度是120℃，耗热系数是0.0055瓦/℃;谐振电感LR是1.55毫亨;第一谐振电容CR1是0.0027微法;第二谐振电容CR2是0.01微法;电容550是0.1微法;电容555是0.1微法;以及在灯阴极515A和515B中的每一个都是12欧姆的情况下，谐振电感LR中的原边绕组是260匝，绕组570和575每个都是4匝。
在为电路400和500选择元件值的过程中，一般先选择母线电压VB、灯、谐振电感和谐振电容的值。假定不存在上述箝位作用的情况下灯电压是非常标准的正弦波，于是通过选择电路400中的PTC电阻480和电容485，以及选择电路500中的PTC电阻580和第一谐振电容CR1和第二谐振电容CR2之间的比值，一般都可以得到很好的结果。
从以上的描述中可以看到，本发明为阴极加热式气体放电灯提供了一种采用阴极加热电路的镇流电路，这种阴极加热电路比上述先有技术的阴极加热电路更有效、更适合于不同类型的阴极，同时又不增加费用或使电路过于庞大。
虽然以上结合附图对本发明的具体实施例进行了说明，但是对本领域的一般技术人员来说可以做许多修改。例如，上述PTC电阻可以用也具有正温度系数的元件代替。此外，变压器副边绕组470也可以与和谐振电容CR2串联的原边绕组耦合。起始电流与流经CR2的工作电流之比大于起始电压与LR两端的工作电压之比。这使得阴极515A和515B的工作电压较低。最终效果是减小了每个阴极的损耗，而阴极损耗将缩短阴极寿命。因此应该懂得，本发明的权利要求旨在囊括所有的这些修改，而所有的这些修改也都在本发明的精神和范围之中。
Claims (11)
1、一种气体放电灯的镇流电路，气体放电灯具有一对电阻加热式阴极，在先于灯点亮的阴极预加热期间和灯稳定工作期间，阴极都加热，所述镇流电路包括：
(a)对地的直流母线电压源；
(b)根据所述直流母线电压向谐振负载电路提供双向电流的转换器；
(c)所述谐振负载电路包括气体放电灯，连接在所述灯阴极之间、且两端的电压随着灯电压的变化而变化的谐振电容，以及与所述谐振电容串联并与所述谐振电容一起确定双向灯电流的幅度和谐振频率的谐振电感；
(d)向电阻加热式灯阴极供电的装置，由此对所述阴极加热；以及
(e)一个电路，它使灯电压在阴极预加热期间一直低于一个预定值，从而避免这一期间灯被点亮；所述电路包括：
(Ⅰ)与所述灯的第一阴极相连的恒压电路，它将所述第一阴极保持在基本恒定的电压下；以及
(Ⅱ)与所述灯的第二阴极相连的箝位电路，它将所述第二阴极箝位在低于所述预定值的电位上；所述箝位电路包括正温度系数(PTC)元件，它与所述灯的第二阴极相连，并通过正极性箝位二极管与所述母线导体串联，还通过负极性箝位二极管与所述地串联。
2、权利要求1的灯镇流电路，用于包括荧光灯的气体放电灯。
3、权利要求1的灯镇流电路，其中所述PTC阻抗元件包括PTC电阻。
4、权利要求1的灯镇流电路，其中所述向电阻加热式灯阴极供电的装置，对每个阴极而言，都有一个与所述谐振电感相互耦合的电感绕组，并与所述阴极构成串联电路。
5、权利要求1的灯镇流电路，其中第二谐振电容与所述第一谐振电容串联，并连接在所述灯阴极之间，于是两个所述串联电容与所述谐振电感共同作用，设定双向灯电流的幅度和谐振频率。
6、权利要求5的灯镇流电路，其中所述转换器包括一对串联地连接在所述母线导体和地线之间的开关，它们的公共节点与所述谐振负载电路相连。
7、权利要求1的灯镇流电路，其中所述箝位电路还包括与位于所述谐振电容的一端和所述箝位二极管之间的所述PTC阻抗元件串联的电容，用于在阴极预加热期间设定灯电压的值。
8、权利要求7的灯镇流电路，其中所述转换器包括一对串联地连接在所述母线导体和地线之间的开关，它们的公共节点与所述谐振负载电路相连。
9、权利要求1的灯镇流电路，其中所述恒压电路包括一对串联在所述母线导体和地线之间的电容，它们的公共节点与一个灯阴极相连。
10、权利要求1的灯镇流电路，其中所述转换器包括一对串联地连接在所述母线导体和地线之间的开关，它们的公共节点与所述谐振负载电路相连。
11、权利要求1、2、3、5和7中任何一个的灯镇流电路，其中所述转换器包括一对串联地连接在所述母线导体和地线之间的开关，它们的公共节点与所述谐振负载电路相连;并且其中所述供电装置通过各自的电感绕组对阴极加热，这些电感绕组与所述谐振电感相互耦合，并与每个所述阴极构成串联电路。
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