CN1123055C - 整体的hid反射灯 - Google Patents

Abstract

一种整体的反射灯，包括一个容纳高压气体放电管的密封罩。一个壳体，它具有用于接受密封罩的一个边缘部分和载有带螺纹的一个相对的基底部分。用于点火和运行上述放电装置的镇流器被装在壳体内部的带螺纹的座与密封罩之间。密封罩上包括一个反射面，用于反射放电管发出的光。这一反射面还能提供有效的热控制，防止放电装置产生的热量造成镇流器过热。这种整体灯的光度学参数和发光效率优于相应的卤化物以及卤化物IR反射灯，并且其整体外形可以与相应的灯相配合。

Description

整体的HID反射灯

发明的背景

本发明涉及一种整体的反射灯，它包括一个可受激励而发光的光源，一个反射体，它具有一个用于为光源发出的光定向的反射面，以及一个灯座，灯座上有灯接点以便与光源形成电连接。

此类灯在工业中是常见的，并且通常包括例如镀铝的抛物面反射器(PAR)灯。PAR灯具有一个坚固的灯罩以及内部具有抛物面反射面的压制玻璃反射体和一个对反射体形成气密密封的压制玻璃盖。以往的光源是一种白炽灯丝。近来的光源采用了卤素燃烧器，它的效率比惯用的白炽灯丝要高。进一步发展的技术是采用卤素燃烧器，它包括覆盖在燃烧器包套上或是燃烧器包套内部或外部的一个套管上的红外反射涂层。该涂层将原来被浪费的红外线反射返回到灯丝上。这样就会增加灯丝的温度，并且在给定的功率消耗下增加有用光的输出。

PAR灯具有许多不同的型号，并且具有许多不同的用途。这些用途包括一般的室内和室外的投射和泛光照明，例如用于建筑物，雕像，喷泉以及运动场照明，也用于重点照明场合，例如零售商店的陈列橱窗，旅馆，饭店和剧院等等。

作为普遍追求高效节能照明的一个步骤，近来的美国政府立法(统称为国家能源政策法案，National Energy Policy Act″EPACT″)已经规定了包括镀铝的抛物面反射器(PAR)灯在内的许多种通用灯的灯光效率值。这些最低效率值从1995年起生效，只有满足这些效率等级的产品才能获准在美国销售。PAR-38白炽灯的效率值是针对各种功率范围来制订的。例如，51-66W的灯必须满足每瓦特11流明(LPW)，67-85W的灯必须满足12.5 LPW，86-115W的灯必须满足14 LPW，而116-155W范围的灯必须满足14.5 LPW。

目前在市场上具有铝制反射涂层和白炽灯丝的PAR 38灯很少能够通过EPACT标准而其商业上可接受的寿命又可达1000小时左右。而能达到这种水平的也只是刚刚超过了最低标准，并且不大可能再有进一步的实质进步。因此，市场会很快地转向具有卤素燃烧器或是卤素IR(红外)燃烧器的PAR灯。

然而，普通的卤素或卤素IR灯的缺点之一是在其满足效率的同时却只有较短的寿命。例如，市场上通用的90W灯的平均寿命是大约2500小时，而60W的卤素IR灯仅仅是稍长一点，达到3000小时。人们总是希望能明显地延长灯的寿命，因为更换灯泡的费用很容易超过需要更换的灯本身的费用，特别是那些安装在高处灯具内的灯。另一个缺点是发光效率仅限于20LPW以下。例如，90W卤素PAR灯的发光效率大约是16LPW，而具有卤素IR燃烧器的60W PAR灯的发光效率大约是19LPW。如果要保证这些灯的一定寿命，可期望的效率的进一步提高仅有5％。再有一个缺点就是钨丝灯的最高色温只能限制在3650K，也就是钨的熔点。然而，为了获得市场上可以接受的寿命，色温的范围通常被限制在2600-3000K。实践中总是希望使灯具有不同的色温，只有这样的灯才能适应特殊的用途。例如在阴冷环境下，通常希望有暖色温(例如3000K)，而在温暖环境下则希望具备冷色温(例如4500K)。

另一种公知的反射灯包括一个吹制的玻璃罩，并且包含一种裸露的白炽灯丝。这种灯通常被称为″R″灯，其发光效率甚至比PAR灯更低，大约是在9-11LPW的范围，并且具有相同的色度学限制。

发明概要

因此，本发明的一个目的是提供一种能够提高效率的反射灯。

本发明的另一目的是提供一种能够提高灯的寿命的反射灯。

本发明的再一目的是提供这样一种反射灯，它的色温和现色性等等光度学参数具有较大的灵活性。

本发明的又一目的是提供这样一种灯，它可以在白炽灯和卤素PAR灯以及白炽″R″灯的同样灯具中使用。

按照本发明，上述目的是用一种整体的反射灯来实现的，该反射灯包括一个可受激励而发光的光源，一个反射体，它具有一个用于为光源发出的光定向的反射面，以及一个灯座，灯座上有灯接点以便与光源形成电连接。

上述实施例提供了一种反射灯，它可以用来替代包括卤素灯和卤素PAR灯以及公知的″R″灯等等已知的具有白炽灯丝的PAR灯，并具有明显的节能效果。按照本实施例的这种灯可以象相应的灯一样安装在相同的灯具中，通过螺纹拧在相同的灯座中，并且使用相同的动力线电压。这样就能简化更换工作。此外，除了明显地改善发光效率之外，还可以通过选择不同的金属卤化物填充成分来设计气体放电装置，从而使其获得比公知的PAR灯和R灯范围更宽的色度学参数，例如色温等等。这样，灯的设计者就能获得很大的灵活性，使这种灯能够适合特定的环境。按照一种商业上可行的实施方案，灯的外形基本上处在PAR 38灯的ANSI外形之内，这种外形在公共场所的照明中是广泛采用的。

按照另一个实施例，在灯的正常工作期间，在电流的频率低于灯的最低谐振频率时，放电装置不会出现灯的交流电流的声频谐振，并且由镇流电路来激发放电灯，从而使灯的交流电流具有基波频率和各种谐波，这种谐波是基波频率的整倍数。基波频率和灯的最低谐振频率(对电流而言)都高于约19KHz，并且高于灯的最低谐振频率的谐波的幅值不足以产生声频谐振。

HID灯通常希望在高频交流下运行，因为这样就能明显地缩小镇流器电感元件的尺寸，并且比在60Hz运行条件下可以在一定程度上提高整体效率，因为镇流器的损耗下降了。然而，高频运行在现有技术的系统中是有限制的，因为在镇流器的基波频率上或是其附近会出现声频谐振。发生声频谐振的频率取决于许多因素，这其中包括放电管的尺寸(即长度，直径，腔体端面的形状，有无管状体等等)，气体填充的密度，运行温度，以及灯的方位。本文中使用的″声频谐振″是指可以使放电电弧产生干扰的谐振达到了人眼可以看到的程度。

根据F.Bernitz在Symp.Light Sources，Karlsruhe 1986上发表的文章″An Autotracking System For Stable Hf Operation of HID Lamps″(“HID灯稳定高频运行用的自动跟踪系统”)，在公知的现有技术系统中，放电装置的声频谐振既出现在低频和中频范围(例如100-500Hz和5000-7000Hz)也出现在高于19KHz的高频范围。石英制成的放电管具有由高端和低端频率所限定的非常有限的狭窄运行窗口，这种出现声频谐振的高、低频率界限取决于尺寸的严格控制。由于放电管是石英玻璃制成的，在高速生产中很难对尺寸进行严格的控制。因此，即使是相同类型和功率的放电装置，系统的设计者也会面临狭窄的运行窗口问题，这种窗口不仅对不同制造商的灯来说是不同的，而且同一制造商造出的灯也是不同的。现有技术的系统主要是依靠复杂的检测，并且采用避开声频谐振运行的方案。然而，此类系统的电路既昂贵又复杂，因而体积庞大，并且不能适用于整体的灯。

然而，按照上述实施例，本发明已经证明了可以对电弧放电装置进行选择，使它的最低声频谐振频率(对电流而言)出现在明显高于19KHz声频的频率上，在一个实施例中，这一频率是30KHz，这样就能在19KHz以上和最低谐振频率之间的窗口中安全地操作。这样就能获得比较简单，紧凑和费用低廉的镇流电路，不需要复杂的检测或是运行方案。

值得注意的是，声频谐振从技术上来看是由灯的功率引起的，也就是灯的电流和电压的乘积。因此，声频谐振可用电源频率来确定，该频率通常是灯的电流频率的二倍。然而，对于在给定的镇流器上使用的给定的放电装置来说，发生声频谐振时对应的灯电流频率是容易确定的。因此，在本文中用灯的电流频率和灯的功率频率来表示声频谐振频率，并且只要给定了其中之一就可以根据上述1∶2的关系确定另外一个频率。

本发明的另一个依据在于声频谐振不仅可以由基波驱动频率产生，也可以由普通电子镇流器的输出电流(或是功率)的谐波产生。即使基波频率明显地低于灯的谐振频率，但高于灯的最低谐振频率并具有足够幅值的谐波仍然会造成声频谐振。因此，为了无谐振的运行，镇流器的驱动信号中超过灯的最低谐振频率的任何谐波必须具有足够低的幅值，以免引起声频谐振。

在又一个实施例中，镇流器在灯的稳态运行期间使基波频率基本上保持恒定。这样就能省掉现有技术的系统中用于充电和频率扫描以及维持恒定功率的许多控制元件，从而进一步降低灯的镇流器的成本和尺寸。

放电管上最好包括一种陶瓷的壁，此处所说的″陶瓷壁″是指一种耐火材料制成的壁，例如单晶体金属氧化物(例如蓝宝石)，多晶体金属氧化物(例如致密的多晶体烧结氧化铝；钇-铝金刚砂，或是氧化钇)，以及多晶体非氧化物材料(例如氮化铝)。这些材料允许壁的温度达到1400-1600K的高温，并且足以耐受卤化物、卤素和Na(钠)的化学侵蚀。这样做的优点在于可以采用小尺寸的陶瓷材料放电管。另外，使用陶瓷材料时允许的公差比惯用的石英玻璃压制技术的公差小得多。降低公差有助于使灯与灯之间的声频谐振特性和色度学性能有更好的一致性。

按照另一实施例的放电装置包括一个具有端壁的圆柱形中心区。端壁之间被一个轴向的距离″L″分开，中心区的内径是″ID″，并且L∶ID的比例大约是1∶1。在陶瓷放电管中具有这种中心区的灯是已知的，例如(Gevens等人的)美国专利US5424609号。然而，这种已公开的灯内部的中心区不是1∶1的，而是更长更窄，其L∶ID的比例大于或等于4∶3。本发明人发现，大约1∶1的比例对于灯的最低共振频率而言具有良好的效果。按照这一比例，纵向(由尺寸L控制)的第一声频谐振与径向和水平方向(由尺寸ID来控制)的第一声频谐振基本上吻合。一般说来，当比例逐渐偏离1∶1时，较大的尺寸会使径向/水平或纵向上各自出现声频谐振的频率降低，由此确定了灯的最低谐振频率。

按照一个非常良好的实施例，系统中包括多个放电管，其各自的最低共振频率(对电流而言)都在约19KHz以上，并且受到镇流器的激励而同时发光。据本发明人所知，在用石英玻璃制成的任何实用的放电装置中，对电流而言的最低共振频率没有一个能超过约19KHz。另外，即使是采用上述具有约1∶1的L∶ID比例的陶瓷放电管，按照本发明人的预料，最低共振频率(对电流而言)在19KHz以上的这种放电装置的最大额定功率大约是35瓦特。本实施例的意义在于可以提供相对较高的光输出量，但仍可在19KHz以上工作而不会出现声频谐振。

最好是把多个放电装置装入灯的同一个罩中。放电装置可以采用串联的电连接。串联连接的放电装置可以保证各个装置具有相同的灯电流。

在又一个实施例中，反射灯包括多个(例如一对)在电气上并联连接的放电管。在这种结构中，其中一个放电装置会点火燃烧，而另一个则不会点火。然而，当一个放电装置的寿命结束时，另一个放电装置就会点火燃烧，从而可以有效地延长其寿命使其达到具有的放电装置数的整数倍。这种方式的另一个优点是可以在瞬间再次触发正在使用的灯，因为在一个放电装置熄灭时，原本没有燃烧的另一个较冷的放电装置就会点火。

放电管上最好具有辅助起动装置，其一端围绕着放电管的一个延长的闭合插头结构延伸，而第二端直接连接到对面的引线上。

按照再一个实施例的光源是一种高压气体放电装置，并且

该灯进一步包括

(i)一个压制的玻璃灯罩，它采用气密方式密封，并且容纳高压气体放电装置，压制的玻璃灯罩包括一个具有反射面的反射体，

(ii)一个壳体，其第一端部上载有灯座，第二端部用于接纳灯罩，以及

(iii)用于激励放电装置发光的镇流器，镇流器被安装在壳体内部，处在压制的玻璃灯罩和第一端部之间，镇流器上包括一对输入端子，各自电连接到灯座上对应的触点，以及一对输出端子，分别电连接到放电装置，

灯罩被容纳在壳体的第二端部，其反射面的位置可以将放电装置产生的光和热从镇流器上反射出去。

在研究中已经发现，即使是在灯座朝上(base-up)的状态下，压制的玻璃反射体仍可以将放电装置产生的大部分热量从镇流器元件上带走。这得益于反射面本身和压制玻璃的厚度。与此相比，美国专利US4490649号中所述的那种没有反射面的吹制的薄壁玻璃罩需要在罩内安装一个具有IR反射膜的内部玻璃隔板，以便获得适当的镇流器温度。这种方式的结构非常复杂，因为连接到放电装置的引线必须要穿过隔板。

按照另一实施例的整体灯包括一个电路板，镇流器的电路元件安装在其第一侧和第二侧上，电路板被安装在壳体内部，其第一侧面对着反射体，而第二侧面对着灯座。电路板在壳体内的反射体和电路板之间限定了一个第一舱室，并且在电路板和灯座之间限定了一个第二舱室，电路板基本上是无孔的，并且被固定在壳体上，用于阻止壳体内第一舱室和第二舱室之间的空气流通。这种结构的优点在于电路板可以起到气流屏障的作用，防止空气循环，阻止反射体上发热的后表面通过壳体内部的对流向电路元件传递热量。美国专利US4490649号采用的是一种轴向安装的电路板，并且在壳体内的电路板和灯罩之间有一个附加的绝缘材料体，与其相比，本发明的结构比较简单。

在又一个实施例中，镇流器采用极性不变的DC灯电流来使放电装置运行。这样做的优点是不会出现声频谐振，这样就能减轻对用高频AC运行的电弧管的形状等方面的限制，同时仍可以采用紧凑的电路，制成紧凑的整体反射灯。

参见附图和下文中的详细描述可以清楚地了解本发明的上述和其他方面，特征及其优点。

附图简述

图1表示一个具有单一构造的整体HID反射灯，它包括一个密封的反射单元，一个镇流器，以及容纳镇流器并且夹持灯的反射单元的一个壳体；

图2详细地表示了图1的灯中使用的放电管；

图3是用来使图1的灯工作的一个高频镇流器的框图；

图4(a)和4(b)是两个曲线图，表示装有陶瓷电弧管的金属卤化物灯与石英电弧管相比在相关的色温(CCT)和现色性(CRI)方面具有优异的稳定性；

图5表示叠加在ANSI规格的PAR 38外形上的按照本发明的一个PAR38整体HID灯的外形；

图6(a)表示两个放电装置串联连接的安装结构；以及

图6(b)表示两个放电装置并联连接的安装结构。

优选实施例描述

图1所示的HID整体反射灯200具有一个密封的反射单元225，它被封装在容有镇流器300的壳体250中。反射单元具有一个以气密方式用盖密封的玻璃灯罩227，并且容纳一个高压放电管3。

灯罩227包括一个压制的玻璃反射体，它具有一个基底部分229和延伸到反射体边缘231的一个抛物面230。(图1)由压制的玻璃透镜233构成的盖被气密地密封到反射体的边缘231上。抛物面230具有一个光轴234，在光轴上有一个焦点235，在抛物面上还有一个构成反射面的例如由铝制成的反射涂层237。适合作反射涂层的其他材料还包括银和多层的二向色性涂层。反射体的基底部分包括套筒239，导电支撑体240，241以气密的方式通过它而延伸。导电支撑体分别被连接到放电管3的馈入装置40，50。放电管3是横跨着光轴234设置的。导电支撑体还支撑着一个围绕放电管3的光透射套管243。由于灯罩227中充有气体，如果没有适当尺寸的套管，在灯的操作期间就会维持对流。光透射套管243通过控制放电管3的对流冷却，提供一种热调节。

壳体250是用合成树脂材料模制而成的，它可以承受密封的反射单元和镇流器所达到的工作温度。合适的材料包括PBT，聚碳酸酯，polyethermide，polysulphine，以及polyphenylsulphine。壳体的边缘部分251夹持住密封反射单元的边缘231的外表面，并且提供了一个肩部，用来将灯200固定在标准的PAR灯具中。环形的肩部253为反射体上相应的法兰245提供了一个支座。由边缘251来固定密封的反射单元，用一个轴向的弹性接头顶住肩部253。在壳体的边缘部分对面有一个用来接受带螺纹的座275的基座部分。带螺纹的座与镇流器300的输入引线310，311形成无焊连接。壳体还包括另一个肩部255，用来支撑镇流器的电路板320。肩部255上包括通过电路板的各个孔延伸的接头(未示出)。利用塑料焊接等方式使电路板压住接头的端部，将电路板保持在肩部上。

套管243和/或透镜225的结构可以遮住放电管3发出的UV光。采用UV遮光玻璃，例如掺入铈或钛的玻璃，或是二向色性涂层一类的UV滤光片就可以获得这种UV遮挡功能。这种UV遮光玻璃和滤光片在现有技术中是公知的。在放电管3的壁上也可以采用这种滤光片。

另外，放电装置发出的光的颜色可以通过陶瓷放电管3，套管243，或是透镜225的彩色修正材料来改变，或是用这些元件上的彩色修正滤光片来改变，例如使用二向色性的滤光片。

在图2中更详细地表示了放电管3(不是真实的比例)。放电管3是用陶瓷制成的，也就是具有陶瓷的壁。放电管的中心区是由圆筒形的壁311构成的，其内径为″ID″，各端由端壁部分32a，32b封闭，各个端壁部分32a，32b构成了放电空间11的端面33a，33b。端壁部分各自具有一个开口，在开口中用烧结的接头S以气密的方式将陶瓷封闭插头34，35固定在端壁部分32a，32b中。陶瓷封闭插头34，35限定了放电管上相对的端区，并且在长度L以外变窄，分别容纳具有端头4b，5b的一个相应电极4，5的引线40，41；50，51。利用一个釉面的陶瓷接头10从背对放电空间的一侧以气密的方式将引线连接到封闭插头34，35上。

电极端头4b，5b间的相互距离是″EA″。引线上各自包括例如由MoAl₂O₃合金陶瓷制成的高强度耐卤化物部分41，51，以及借助于釉面陶瓷接头10以气密的方式固定在相应封闭插头34，35上的部件40，50。釉面陶瓷接头延伸到大约4mm的一段距离。部件40，50是用金属制成的，其膨胀系数与封闭插头非常相配。例如，Nb(铌)是一种非常合适的材料。采用这种引线结构的灯可以在任何所需的位置使用。

每个电极4，5包括一个电极棒4a，5a，棒上靠近端头4b，5b的位置设有绕组4c，5c。电极端头靠着端壁部分的端面33a，33b。放电装置的进一步的说明及其封闭插头的结构可以参见美国专利US5442609号。

由一定长度的导线构成的辅助起动装置260被固定在放电装置3上，其一端261连接到引线40。另一端262是围绕着对面的封闭插头结构而延伸的一个环。在环的区域内，封闭插头结构有一个处在部分51和封闭插头35的内壁之间的间隙，在此间隙中装有起动和缓冲气体。如果在引线40，50之间提供点火脉冲，起动脉冲的前沿就会使环262的区域内的起动和缓冲气体发生电离。这种电离作用会产生自由电子和UV(紫外)光，它进一步产生电子，从而降低起动时所需的电压。

声频谐振防护

本发明的整体HID反射灯的一个重要特征是对放电管进行选择，使其最低声频谐振频率(对灯的电流而言)出现在明显高于19KHz左右声频的频率上。这样就提供了较大的频率窗口，使镇流器能够在声频范围以上工作，不会导致电弧的闪烁或产生引起放电管3熄灭甚至损坏的电弧偏移。

在一个优选实施例中，按照图1的灯是作为一种改型的灯而制造的，用来替代PAR 38灯，例如用于大商场开放区域等公共场所照明的高帽(high hat)灯具中的灯。放电装置的额定功率是20W。放电管是用多晶氧化铝制成的，其内径ID是3.0mm，电极端头之间的间隙″EA″是2.0mm。封闭插头34，35被烧结在端壁部分32a，32b中，基本上与端壁部分形成的端面33a，33b齐平。电极上具有一个钨棒4a，5a，在其端头4b，5b上设有钨丝绕组4c，5c。各个电极端头与相邻端面之间的距离大约是0.5mm。在本优选实施例中，ID在端面33a，33b之间的整个“L”的3.0mm距离上保持不变。

放电管中填充2.3mg的Hg和3.5mg的NaI，DyI₃以及TlI其克分子比为90∶1.4∶8.6。放电管中还包含作为起动和缓冲气体的Ar(氩)。密封的反射罩227内的填充气体具有75％的氪，其余是N₂，压力是400Torr。套管243的壁厚是1mm，与放电管3的壁31的间隙是2mm。在本实施例中用汞作为缓冲剂，以便使电弧电压稳定在一定水平上，使它能作为已知的白炽反射灯的更新产品。也可以使用锌和氙等其他缓冲剂。

在灯的额定工作条件下，这种放电管的最低谐振频率在30KHz以上(对灯的电流而言)。此处存在着两组声频谐振，首先是在放电管的长度(轴向)方向上，其次是水平/径向的谐振。理想的情况是使各组的最低谐振频率基本上相同，因为镇流器操作窗口的上限是由最低的谐振频率来确定的。纵向的基波频率是由fl0＝C/(2*L)确定的，而水平/径向的基波频率是由far0＝1.84*C/(π*ID)决定的，如图2所示，其中的″L″和″ID″是放电空间的长度和内径，而″C″是声音的速度。然而，声音的速度取决于放电空间中气体的温度梯度，并且发现它在纵向和水平/径向方向上是不同的。本发明人根据试验发现，对于具有上述填充物的放电管来说，纵向谐振的声速大约是420m/s，而在水平/径向方向上大约是400m/s。对于上述特定的3mm×3mm L∶ID的放电管来说，fl0≈70KHz，far0≈80KHz(对功率频率而言)。它们分别对应35和40KHz的电流频率，并且可以被认为是足够接近且基本上相同。然而，为了使其更加接近，直径ID可以做得稍大于长度L，这样能降低水平/径向的基波频率，使其接近纵向的基波共振频率。因此，在本发明灯中，放电管的尺寸L和ID最好是能够满足L≤ID≤1.2L的关系。

另外还需要注意，电极的插入深度对最低声频谐振率的影响很小，插入的深度仅是第二到第三数量级的影响。

由于在放电管3的最低电流共振频率与19KHz声频之间存在较大的频率窗口，镇流器在灯的工作期间可以有恒定的频率，这样就能大大简化其结构和成本。根据以下对上述放电装置的进一步说明，灯电流的基波工作频率被选择在24KHz的额定值。这样就为放电装置的30KHz最低谐振频率提供了大约5KHz的净空。另一方面还涉及到对基波频率的高次谐波幅值进行控制，以防止这些高次谐波产生声频谐振。在以下对镇流器的说明中会讨论这一问题。

镇流器

图3表示用来使图1的灯工作的一个高频灯镇流器的框图。镇流器的输入端I₁，I₂通过输入引线310，311连接到整流电路110，向DC-AC逆变器120提供一个DC输入。谐振输出电路130通过导电支撑体240，241连接到图1的放电管3，并且连接到DC-AC逆变器。控制电路140控制逆变器120使灯点火，并且在点火之后使灯工作在基本上恒定的灯电流频率，该频率高于19KHz，而低于灯的最低谐振频率。镇流器包括一个软起动电路，用于产生逐渐增加的点火电压。一个低压电源(未示出)在逆变器开始振荡之前的电路起动阶段和逆变器振荡期间提供控制电路的操作电源。一个停止电路150在检测到放电管3熄灭时，关断逆变器级，并且重新提供为放电管3点火的起动脉冲。提供的点火脉冲的额定时间是50ms，额定的脉冲重复频率是400ms。

逆变器120最好是采用把MOSFET开关接成推拉式输出的半桥式的逆变器。从半桥式逆变器的两个中点上引出的半桥式逆变器的输出是一种高频的基本上是方波的信号。

共振输出电路130是一种LC-网络，并且包括一个电感器的初级线圈，电感器与起动电容串联连接在中点之间。共振电路被调谐在工作频率的三次谐波上。放电管3与起动电容并联地电连接。LC-网络具有波形整形和限流功能，并以出现在半桥式逆变器各中点的高频方波输出向放电管3提供灯电流。

控制电路140控制着MOSFET开关的开关频率和脉冲宽度，在灯被点火之后用基本上不变的频率向放电管3提供灯的电流。

镇流器在接通期间产生大约28KHz的初始频率。这样就能有效地使已经调谐到24KHz额定操作频率的三次谐波(大约72KHz)的谐振输出电路130的LC-网络失调。这样，MOSFET开关就可以在非谐振状态下接通，而通过这些开关的电流要比谐振状态下的电流小得多。经过大约10ms之后，逆变器的频率被移到24KHz的设计范围，使放电管3点火。

停止电路150提供50ms的脉冲点火电压。该停止电路包括一个开关Q1，当开关Q1导通时，就把控制电路的低压电源去掉了。开关Q1主要是由出现在电感的二次线圈上的过电压来控制的。在产生点火脉冲的过程中，如果放电装置没有点火，或是如果放电管在逆变器振荡期间熄灭，就可能出现这种过电压。二次线圈两端的过电压会使开关Q1导通。

灯的效率：光度学参数

上述的PAR 38实施例具有22W的系统功率，灯消耗大约20W，镇流器的损耗大约是2W。表1比较了这种灯(INV.)和市场上的90W卤化物PAR 38以及具有卤化物IR燃烧器的60W PAR 38的光度学和色度学参数。此外还表示了两种已知的吹制玻璃反射器或是″R″灯，一种是85WVR40，另一种是120W VR40。按照本发明的上述各灯的数据是根据一组20个采样获得的。各种样品灯发出的光具有3000K的相关色温度(CCT)和＞85的现色性指数(CRI)。灯的发光效率是60LPW。与具有卤化物IR燃烧器的60W PAR 38灯相比，发光效率提高了233％，比90W卤化物PAR 38灯提高了314％。另外，放电装置的预期寿命大约是10,000小时，这是已知的60W卤化物IR和90W卤化物PAR 38灯的3到4倍。

                               表1

灯	功率(W)	流明	效率(LPW)	扩展(泛光)度	CCTK	CRI
							INV.	22	1320	60	28	3000	85-87
90W	90	1280	14.5	28	2900	100
							60W IR	60	1100	18	29	2800	95
85WVR40	85	925	10.9
							120WVR40	120	1150	9.6

很明显，这种整体灯的寿命和发光效率都明显地超过了市场上的卤化物和卤化物IR PAR灯以及吹制玻璃反射器的白炽灯。另外，通过用已知的金属卤化物工艺改变放电装置的填充成分，灯的设计者在控制光度学参数的问题上比采用白炽灯丝发光的灯具有更大的控制能力，特别是对于相关色温的控制问题。

采用具有陶瓷壁的金属卤化物放电装置和低功率的一个显著的优点在于(a)相对于燃烧位置和(b)灯与灯之间的明显的色度学的一致性。这种一致性可以认为是由于物理尺寸较小而获得的，在工作期间，小的尺寸可以在灯的填充物中形成更均匀的温度特性，并且在高速的制造过程中可以保持陶瓷材料的严格尺寸控制，这样就能获得灯与灯之间的一致性。经研究发现，陶瓷放电管的尺寸可以保持在1％以内(六个西格马)，而普通石英电弧管工艺的尺寸仅能控制在10％左右。

图4(A)和4(B)分别是典型的低功率陶瓷金属卤化物(CDM)灯和典型的石英金属卤化物灯的CCT和CRI曲线，用燃烧位置的函数来表示，而燃烧位置是用偏离垂直的灯座朝上(VBU)燃烧位置的角度来表示的。从CCT来看，在偏离VBU 0-90度的范围内，石英灯的变化大约是600K，而CDM灯的变化仅有75K。同样，对CRI来说，当石英金属卤化物灯出现10 CRI左右的变化时，CDM灯的变化仅有2.5CRI。

另外，对于灯与灯之间的色稳定性来说，用陶瓷放电管的低功率金属卤化物通常具有30K的色温度标准偏差。对于用石英电弧管的低功率金属卤化物灯来说，标准的偏差高达150-300K。很窄的色温分散性是重要的，因为它可以使具有陶瓷金属卤化物放电装置的整体灯成为可接受的灯以替代用于室内和商店照明的卤化物PAR灯。事实上，如果使用许多具有陶瓷放电装置的反射灯，例如把它们装在天花板中，它们看起来是基本上一致的，不象石英金属卤化物灯那样人们可以看出灯与灯之间的明显差别。

按照本发明的整体灯的一个重要方面在于实现了对整体外形的改进，使其完全能适合于相应类型灯的外形之内；本实施例表示了装入ANSI规格的PAR 38灯的情况。这样的整体PAR 38 HID灯可以更新装入为普通PAR 38灯设计的所有灯具中。图5表示了叠加在ANSI规格外形的PAR 38灯上的图1的灯的外形。其尺寸(mm)为：P1＝135；P2＝135；P3＝28.2；P4＝40.4；P5＝26.8；P6＝48.8；P7＝540。

有几种特征使这样的封装变得容易。首先是采用了总长度很小的小型HID光源。20W电弧管的全长是22mm。这样小的全长允许将电弧管在反射体内部相对于光轴横向地定位，将反射体套在符合ANSI规格之内具有最大边缘尺寸的外壳内。在这种PAR 38实施例中，密封的反射罩227是一个PAR 36灯罩，从边缘231上测量的的内侧直径是96mm。外侧直径大约是110mm。这种横向安装方式还允许使用轴向较薄的反射体，为镇流器留有足够的空间。

使用后壁比较厚的压制玻璃反射体结合着设在后壁上的反射涂层可以获得有效的绝热性能，防止放电装置辐射的能量造成镇流器过热。在这种情况下，反射体基底部分的最小厚度是3mm。电路板的外边缘被紧密地固定在肩部255上，这样就能有效地延缓从靠近反射器的较热的第一舱室“A”到处于电路板和灯座之间的第二舱室“B”的空气循环，从而提供额外的热保护。在灯座朝上的操作状态下从灯罩内部测得的温度是足够低的，可以保证电路的寿命达到放电管3的水平。一般来说，电路的最高温度应该低于100℃。在上述的灯中，从电路板320的反射器一侧测得的温度是83℃，而镇流器元件一侧的温度是75℃。在电路板与镇流器一侧的灯罩之间的舱室B中，空气的温度是74℃。电路元件的最高温度是81℃。

在充气的厚壁压制玻璃罩内部并且被套管围住的放电管3的热调节作用可以有助于对光度学参数进行控制，允许灯在较宽的环境条件范围内工作，而不会有明显的光度学参数的变化。

放电管的小物理尺寸以及1∶1等级的L∶ID尺寸对有效地缩小镇流器的尺寸来说也很重要。对放电管的电流来说，其最低声频共振频率大约是30KHz，这样就有足够的窗口可以使镇流器工作在19KHz以上，并且在灯的工作期间保持镇流器的频率不变。高频工作的重要性在于能够缩小镇流器电感元件的物理尺寸。工作在固定的频率上可以简化镇流逆变器的控制，从而缩小其尺寸(及其成本)。

在图1中，放电管3设在一个充气的灯罩227内，灯罩与盖233密封在一起，放电管被石英玻璃套管围住，并用连接到引线240，241的连接条支撑着。

对灯罩227进行密封的主要理由是防止引线40，50和240，241发生氧化。如果引线上具有防氧化的保护涂层，也可以采用环氧树脂密封等不那么严密的气密密封方式代替边缘231上的玻璃焊接密封。

另外，通过足够的热量控制，固定在灯的相应外形之内的HID反射灯也可以用除玻璃之外的其他反射体构成，例如一种具有反射涂层的高温塑料，例如在高温塑料上沉积铝或是银，或者是采用聚酯薄膜片。反射体/表面可以作为外壳的整体部分而构成。

图6(A)表示多个(图中是两个)放电管3(a)，3(b)以串联方式电连接在如图1所示的反射体内部的安装结构。与图1中对应的元件采用了相同的标号。放电管3(a)的一端40(a)固定在引线240上，而放电管3(b)的一端50(b)连接到另一条引线241。串联连接是通过架在放电管3(a)，3(b)的引线50(a)和40(b)上的导电元件403完成的。元件401，402是不导电的，用来提供附加的机械支撑。为了简化而没有表示出点火辅助装置260。当两个放电管同时工作时，灯提供大约二倍的光输出。各个放电管的最低谐振频率是30KHz左右，而镇流器提供额定频率为24KHz的灯电流，因此不会产生声频谐振。值得注意的是，单个放电管的额定功率是40W，相当于两个20W的放电管，而它的最低灯谐振频率更加接近19KHz或是低于19KHz，明显地低于每个20W的两个放电管的谐振频率。因此，如果使用两个放电管，就能在19KHz以上保留很大的无谐振操作窗口，同时仍保持比较大功率的灯以获得更大的光输出。尽管在图中仅仅表示了两个放电管，使两个以上的放电管同时工作也是可能的，只需要对电路进行适当的修改，以便为灯提供准确的点火和操作电压。为了改善点火特性，在灯内也可以安装其他点火辅助装置，例如公知的UV增强器。

图6(B)表示以并联方式电连接的一对放电管3(a)，3(b)的安装结构。在这种情况下，引线240，241上有各自的导电的十字形的棒240(a)，241(b)电连接到各自的一个引线40(a)，40(b)；50(a)，50(b)，并且对放电管3(a)，3(b)起到机械支撑作用。这种并联结构可以使灯的寿命有效地加倍，这是因为放电管之间的阻抗稍有差别，因此仅有一个放电管能够点火和发光。当一个放电管的寿命结束时，另一个放电管就可以接替。这样还能提供瞬间的再触发功能。例如，如果正在工作的放电管由于电源中断而熄灭，由于温度比较高，其阻抗可能很大，因而不能点火。然而，原来没有工作的另一个放电管的温度要低得多，因此比较容易点火。

DC操作的优点在于完全避免了声频谐振，并且很简单。然而，其缺点是，随着操作位置的变化以及对含盐离子的移动的敏感性，DC操作的放电装置对颜色的变化更加敏感。

以上参照图1表示和说明的具有陶瓷放电装置的HID灯在5000小时的工作过程中具有合格的色度学和光度学输出。

Claims (11)

1.一种整体的HID反射灯(200)，所说HID反射灯包括一个反射体(225)和一个灯座(275)，反射灯在工作时具有预定的外形和总光通量，上述HID反射灯包括：

一个壳体(250)，它具有包容一个内部空间的壁，上述壁的环形边缘部分(251)限定了上述壳体的发光窗口，以及一个相对的基座部分，上述壳体从上述边缘部分到上述基座部分的直径总体上是逐渐缩小的，

固定在上述基座部分上的灯座(275)，

相对于上述壳体设置的一个高压电弧放电管(3)，

位于上述壳体内部的一个反射面，用于通过上述发光窗口反射出上述放电管(3)发出的光，以及

设在上述壳体内部的一个镇流器(300)，用于激励上述放电管(3)使其发光，上述镇流器包括连接到上述灯座的输入端子以及连接到上述放电管的输出端子。

2.按照权利要求1的整体HID反射灯，其特征是进一步还包括以气密的方式容纳上述放电管(3)并且构成上述反射面的一个压制玻璃的密封灯罩，上述反射面规定了一个光轴(234)，而上述放电管对上述光轴是横向设置的。

3.按照权利要求1或2的整体HID反射灯，其特征是上述壳体(250)是由合成树脂材料制成的。

4.按照权利要求1或2的整体HID反射灯，其特征是上述放电管(3)具有汞、金属卤化物以及稀有气体的填充物。

5.按照权利要求1或2的整体HID反射灯，其特征是上述放电管的最低的灯谐振电流频率大于19KHz，这相当于大于38KHz的最低灯功率频率，上述镇流器以基波功率频率和上述基波功率频率的谐波来使上述放电管工作，上述谐波高于38KHz并且低于灯的最低共振功率频率，而高于上述最低共振功率频率的上述谐波的幅值不足以产生声频谐振。

6.按照权利要求1或2的整体HID反射灯，其特征是上述放电管(3)具有陶瓷的壁(31)。

7.按照权利要求1或2的整体HID反射灯，其特征是所述放电管包围了一个放电空间，上述放电空间具有最低的纵向声频谐振频率和最低的水平/径向声频谐振频率，上述放电空间的尺寸可以使上述最低纵向声频谐振频率和上述最低水平/径向频率相同。

8.按照权利要求1或2的整体HID反射灯，其特征是上述镇流器包括开关装置，用于提供通过放电管的具有固定极性的电流。

9.按照权利要求1或2的整体HID反射灯，其特征是上述放电管(3)包括一个具有平面端壁部分(32a，32b)的圆筒形中心区域，上述端壁部分的轴向距离是L，上述中心区域在整个上述距离L上具有不变的内径ID，并且L∶ID的比例是1∶1。

10.按照权利要求1或2的整体HID反射灯，其特征是上述放电管被压制玻璃的密封灯罩包围，所述灯罩由反射表面构成并被定位成可以将上述放电管产生的光和热从镇流器上反射出去。

11.按照权利要求1或2的整体HID反射灯，其特征是上述镇流器包括具有第一侧面和第二侧面的电路板(320)，上述镇流器的电路元件装在这些侧面上，上述电路板(320)被装在上述壳体(250)内，使上述第一侧面面对着上述反射体，而上述第二侧面面对着上述灯座，上述电路板在上述壳体内部限定了由上述反射体和上述电路板的第一侧面包围的第一舱室(A)，并且限定了由上述电路板的第二侧面和上述灯座包围的第二舱室(B)，上述电路板是无孔的，并且固定在上述壳体(250)上，从而阻止了上述壳体内的上述第一舱室与上述第二舱室之间的空气流通。

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