CN1143607C - 用于探测高亮度放电灯的电弧不稳定性的探测电路 - Google Patents
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Abstract
用于探测高压气体放电灯中电弧不稳定性的电路。该电路具有整流器装置和低通滤波器,用以由灯电压获得准RMS电压,该电压具有有包含来自逆变器开关的切换的寄生噪声的第一区域和在第一区域之间的宽的第二区域,该第二区域基本上没有寄生噪声。准RMS电压只在第二区域期间被采样,使采样具有高的信息噪声比。采样信号可以被用于在气体放电灯中探测和控制电弧不稳定性的各种方法中。
Description
发明的背景技术
1.发明的领域
本发明涉及对工作于高频的高压气体放电灯的电灯参数进行采样以探测电弧不稳定性的探测电路。本发明还涉及包括该探测电路的灯镇流器。
2.现有技术的描述
诸如汞蒸气灯、金属卤化物灯和高压钠灯这样的高压放电(HID)灯一般借助于磁镇流器工作在常规电力线频率或略高于上述频率,例如60到100Hz。希望提供一种电子镇流器,它使HID灯工作在约20kHz以上的高频下。与常规的低频磁镇流器相比,对于低压汞蒸气荧光灯来说已变得日益流行的高频镇流器允许镇流器的磁性元件的大小和重量极大地降低。
但是将高频电子镇流器用于HID灯的主要障碍是在高频工作时可能出现的声共振/电弧不稳定性。声共振至少会引起非常扰人的电弧闪烁。在最坏的情况下,声共振可引起放电电弧熄灭,或者更糟糕地永久存在,被放电容器壁折射,并损坏放电容器壁,而这将造成放电容器破裂。
F.Bernitz,Symp.Light Sources,Karlsruhe 1986的论文“AnAutotracking System for Stable Hf Operation of HID Lamps”披露了一种在扫描范围上的中心频率左右连续改变灯工作频率的控制器。扫描频率是通过扫描范围并使工作频率被重复的频率。控制器检测灯电压以评定电弧不稳定性。由所检测的灯电压获得控制信号,以便在100Hz和几Khz之间改变扫描频率,从而实现稳定工作。但是该系统从未被商品化。U.S.专利5569984(Holstlag)公开了一种通过评定灯的电参数的偏差来避免电弧不稳定性的方法。在Holstlag中,频率扫描被用于探测稳定的工作频率,但灯然后就工作在一个固定的频率下,只要放电电弧在该频率下保持稳定。这与在工作期间连续扫描灯工作频率的以上参考的Bernitz论文的方法相反。
两种技术共同之处在于都对灯的电参数进行检测。Holstlag’984指教可以使用灯电压,但其缺点是必须在灯电压波形内的一个确定点触发采样时刻。Holstlag指教由于比单独的灯电流或电压具有高得多的信号噪声比,检测电导率(conductivity)是有利的。Holstlag还指教至少从不需要在灯电压周期中的确定点进行触发的观点看使用灯电导率是有利的。当使用电导率时,为消除信号中的噪声,需要同时采集灯电压和电流,但同时采样并不需要被锁定在灯电压周期中的一个特定点。
发明概述
本发明的目的是提供一种用于对电灯参数进行采样的改进方法的探测电路,该方法适用于在气体放电灯中探测电弧不稳定性,该探测电路广泛适用于不同功率、类型、尺寸或物理或化学成分的灯。
本发明还有一个目的是提供一种包括这种探测电路的灯镇流器。
概括地说,根据本发明的探测电路包括探测放电灯的放电电弧的移动的装置,该放电灯借助于镇流器电路工作在高频,该镇流器电路具有至少一个开关,在灯工作期间该开关以高频率周期性地进行切换,并且其中灯电压是正弦的,并具有一个基本周期,该基本周期具有对应于所述至少一个开关的切换的第一极性的第一部分和有与第一极性相反的第二极性的第二部分。该电路包括用于检测跨接在气体放电灯上的AC灯电压,并借助低通滤波器对灯电压进行滤波的装置,使得经滤波的灯电压包括:(i)周期性出现的第一区域,该区域具有来自所述开关的切换的寄生噪声,和(ii)第二区域,在所述第一区域之间,所述第二区域相对于所述第一区域来说基本上没有来自所述DC/AC转换器的所述开关的寄生噪声。经滤波的灯电压只在所述第二区域内被采样。
根据探测电路的一个有利的实施例,用于在第二区域内进行采样的装置在至少一个开关的切换之后在固定时间进行采样。这可以通过将用来控制开关的切换的切换信号作为触发信号而方便的实现,在出现触发信号之后在固定时间获取样值。固定时间的采用具有算法简单的优点,而切换信号的使用利用了在市售镇流器中已经存在的信号。
最好探测电路包括在滤波之前将AC灯电压进行整流以获得经整流的灯电压信号,该灯电压信号只具有只有一个极性的信号部分。
根据另一实施例,探测电路包括用于在整流和滤波前降低灯电压量值的装置,以便降低元件成本。
本发明还涉及包括这种探测电路的镇流器。
参看下面仅为说明性的而非限制性的详细描述和附图,本发明的这些和其它目的、特征和优点将变得显而易见。
附图的简要描述
图1是表示因例如可能随电弧不稳定性一起出现的电阻率变化引起的灯电压的变化;
图2(a)是39W CDM灯的灯电压曲线;
图2(b)是在利用本发明的探测电路采样时同一39W CDM灯的准RMS电压曲线;
图3是镇流器的一部分的示意图,示出了根据本发明的将灯电压转换成准RMS电压的电路块。
图4是实施图3的电压转换块的电路图;以及
图5是表示作为镇流器存储电容器的函数的各种灯参数的波纹。
优选实施例的详细描述
上述U.S.专利(Holstlag’984)披露了通过检查灯的电参数的偏差来探测电弧不稳定性的灯镇流器或控制器。在该’984专利中,灯控制器包括DC源,升压转换器(也是通常所知的预调节器),高频DC-AC方波逆变器和点火器。控制器包括一个微处理器,该微处理器可用软件编程以控制逆变器的工作、检测灯参数并调节工作频率以避免声共振。
代替对电导率进行采样,可以仅采样灯电压或电流,它们也都受电弧移动的影响。本说明书将在后面讨论只使用电流的缺点。但是为获得与[(G)相差不大的标准差,必须仔细对电压数据进行采样,因为电压数据具有比电导率低的信号噪声比。需要对电压采样进行触发,使其在灯电压信号周期中的相同点发生,否则不管灯状态如何正弦波形状都将使信号看起来不稳定。由于以用于DC-AC逆变器30的开关的驱动信号的形式已经可以获得触发信号,因而可以相对容易地进行触发。其次良好的定时可以使信号噪声比好得多。实际上,重要的是信息噪声比。获取样值的最佳位置是当电弧开始移动时发生最大的偏差的波形相位。
当电弧移动时电阻率增大。为确定获得最佳信息噪声比的电压波形的最佳相位,通过使用简单的电阻器作为电弧移动的一阶近似来进行测量。借助于半桥和LCC点火器,分别使用200、300和400A的电阻器来获取三个波形。这些波形示于图1。逆变器的开关进行切换的时刻被标以“S”。很明显,采样的最佳时刻与开关切换的时刻不一致,因为全部三个曲线的电压在该点基本相同(例如在11Ts)。因此需要相对于开关切换点的延迟时间。在没有更多个延迟时间的情况下,一个固定的延迟时间是不适合的,因为在灯工作期间,灯工作频率将会改变以避免诸如由声共振引起的电弧不稳定性。为了对于每种频率都在相同的相位采样,延迟时间变成频率的函数。但是,具有随频率而改变的延迟时间需要额外的电路和/或软件和或更昂贵的微控制器,并且一般意味着更高成本的镇流器。
为回避对于依赖于频率的采样方案的需要,根据本发明的方法将灯电压转换成“准RMS电压”。首先使用简单的电阻分压器降低灯电压幅度。随后将该低电压整流和滤波,以产生“准RMS电压”。“准RMS电压”意味着代表AC信号的DC电压。滤波器截止频率的选择非常重要。通常截止频率与为防止灯熄灭而对电弧移动进行探测和反作用所需的响应时间有关。截止频率必须足够低,从而使高频信号(35到40kHz)被充分衰减,以允许由被采样的灯电压信号精确地探测电弧移动,其中逆变器在所述高频下驱动灯。截止频率可以不必太低,否则对灯变化的探测将会太慢。另一方面,如果频率太高,信号就不会被滤波。已发现对于39W CDM灯来说2kHz和5kHz的截止频率是可接受的。
图2(a)是39W CDM(陶瓷放电容器)灯的灯电压(VLAMP)曲线,而图2(b)示出了相应的准RMS电压Vquasi-RMS。在图2(b)中,切换点被标以“S”。图2(b)示出在这些切换点的附近准RMS电压有一个由逆变器开关的切换引起的被标以“N”的寄生噪声区。为获得高的信息噪声比,在这些“N”区中进行采样是不利的。但是,在这些寄生噪声区之间是相对来说无噪声的区域,被标以“NF”,在该区域中可以获得有较高信息噪声比的样值。注意,考虑到与图2(a)相比图2(b)的电压刻度降低了很多,因而“NF”区域中变化范围是较小的。
由于准RMS电压的“NF”区域相对较宽,因而可以在该区域中的任何地方获取样值。这给予采样的触发相当大的容限。这样,可以将固定的延迟时间用于触发由微处理器进行的准RMS电压采样,而且尽管为避免声共振工作频率有合理的改变,采样也仍将在相对宽的“NF”区域进行。这样,可以使用固定时间的触发,这简化了信号处理,允许较低成本的微处理器。这与需要延迟时间随频率变化的直接采样灯电压的情况相反。
图3示意地示出一种镇流器,该镇流器包括用于确定电弧不稳定性的根据本发明的探测电路。所示的镇流器包括用于将AC电力线转换成120Hz DC的DC源10和用于向DC-AC逆变器30提供DC电压的预调节器20(也就是已知的升压转换器)。在图3中,点火器40是由电容器C6、C7和电感器L2形成的LCC点火器。DC-AC逆变器包括由开关SW1、SW2的控制栅处的驱动信号DRS1、DRS2驱动的开关SW1、SW2。如进一步示出的那样,探测电路具有装置200,该装置200包括用于降低跨接在灯上的正弦灯电压幅度的装置(210),用于整流的装置220和用于借助于低通滤波器进行滤波的装置230。低通滤波器230的输出信号是准RMS电压,该电压构成用于将准RMS电压转换成数字信号的A/D转换器240的输入信号。该数字信号被输入微控制器250,该微控制器250实施软件中任何合适的控制方法的各步骤。微控制器的输出是方波信号,作为向半桥驱动器260的输入,该半桥驱动器260给半桥开关SW1、SW2提供切换信号DRS1、DRS2。A/D转换器可以是Analog Devices ADC0820,微控制器可以是Philips 40MHz 87C750,半桥驱动器可以是来自International Rectifier的IR2111。
图4示出用于实现块200的功能的电路。灯电压在镇流器输出端O1、O2处被检测,并被包括电阻器R211、R212的分压器降低了量值。然后用二极管D221将这一减小了的灯电压VRL整流。二极管D222是齐纳二极管,用于抗瞬变保护。在该实施方案中所示的低通滤波器230是一个二阶低通切比雪夫滤波器。该滤波器包括其反相输入端通过电阻器R236连接到地而其非反相输入端通过电阻器R233、R234连接到二极管D221的阴极上的运算放大器OA1。电阻器R233提供对所检测的灯电压幅度的进一步衰减,并连接在地和二极管D221与电阻器R234间的节点之间。电容器C232连接在地和电阻器R235与运算放大器OA1的非反相输入端间的节点之间。滤波器126的输出O3连接到运放OA1的输出和电容器C231的一端上,该电容器C231的另一端连接到电阻器R234和R235之间的节点上。所选择的切比雪夫滤波器的截止频率是按公知的方式,通过对电阻器R236、R237、R234、R235和电容器C231和C232的值的选择来实现的。
将利用预调节器即功率因数校正电路来实施以标准公用线为动力而运转的市售镇流器。在实际中,这意味着提供给桥的DC电压(Vbus)将具有基本上为120Hz(对于欧洲是100Hz)的波纹分量。该波纹分量将通过LCC网络而传播,横跨灯端子而出现,并调制灯电压和电流的高频包络。由于低通滤波器的截止频率远高于120Hz,准RMS电压也将受影响。
如图5所示,在灯电压和电流上波纹分量的影响是不同的。在该图5中粗线(AA)代表总线电压,并显示出波纹分量随增大的存储电容而减小。灯亮度(BB)紧随该波纹。图5还清楚地显示出即使在低“C”值下灯也能够维持恒定的电压(灯电压曲线CC),然而灯电流(弯曲的DD)则有非常大的波纹。这与HID灯的电压源特性一致,并且有非常重要的意义。相对较大的电流波纹使将准RMS电压用作确定电弧稳定性的重要信号比用电导率作为该信号更有利,由此避免了在电导率中可能存在的电流波纹的影响。
该分量的幅度极强地由预调节器的存储/波纹滤波电容器的值确定。用于探测电弧不稳定性的控制算法不应将由这种波纹引起的变化与灯不稳定性混淆。因此,应选择大的存储电容器来衰减该波纹。当波纹在A/D转换器240的分辨率以下时获得最佳的性能。由于存储电容器的价格和尺寸随其值而增加,因而存在在为使探测器性能最佳而选择大存储电容器与镇流器的成本和尺寸之间的折衷方案。对于每个镇流器,通过测试可以确定最佳的存储电容器。对于39W CDM灯发现33TF和47TF存储电容器可提供可接受的结果。
根据本发明的探测电路相对于电导率来说具有优势,因为只需要对电压进行采样。这通过消除对用于电流信号的A/D转换器的需要而降低了成本。此外,准RMS电压受120Hz波纹的影响比如图5所示包括灯电流的电导率受灯电流的影响要小得多。
所披露的准RMS信号还高度独立于频率,允许更简单的采样方案。
Claims (6)
1.用于探测气体放电灯的放电电弧的移动的探测电路,该放电灯具有灯电压,并由DC/AC逆变器驱动,被检测的灯电压是正弦的,并具有一个基本周期,该基本周期有具有第一极性的第一部分和具有与第一极性相反的第二极性的第二部分,所述DC/AC逆变器包括至少一对开关,每个开关在灯电压基本周期的相应部分期间被切换,所述探测电路包括:
(i)用于检测跨接在所述放电灯上的灯电压的装置,该被检测的灯电压是正弦的,并具有一个基本周期,该基本周期有具有第一极性的第一部分和具有与第一极性相反的第二极性的第二部分;
(ii)用于借助低通滤波器对经整流的灯电压进行滤波的装置,该DC/AC逆变器包括在灯工作期间周期性地被切换的至少一个开关,经滤波整流的灯电压包括周期性出现的第一区域,该区域具有来自对DC/AC逆变器的相应开关切换的寄生噪声,和第二区域,位于所述第一区域之间,所述第二区域相对于所述第一区域来说基本上没有来自所述DC/AC转换器的所述开关的寄生噪声;以及
(iii)用于在所述第二区域内对经滤波整流的灯电压进行采样的装置。
2.如权利要求1的探测电路,其特征在于,所述探测装置还包括用于降低灯电压量值的电路。
3.如权利要求3的探测电路,其特征在于,所述探测电路还包括产生切换信号以对所述至少一个开关进行切换的控制装置,所述用于采样的装置接收所述切换信号,并在接收所述切换信号之后在固定时间进行采样。
4.如权利要求1、2或3的探测电路,其特征在于,所述低通滤波器的截止频率足够低的以获得稳定的采样信号,同时足够高以保持灵敏,以便探测电弧移动。
5.如权利要求1、2或3的探测电路,还包括用于将AC灯电压整流的装置,以获得经整流的灯电压信号,该灯电压信号只具有所述基本周期的只有所述第一和第二极性之一的部分。
6.用于使高压放电灯工作于高频的灯镇流器,所述镇流器包括:
用于提供DC电压的DC源;
用于将所述DC电压转换成高频AC电压的DC/AC逆变器,该AC电压用于在放电灯内维持柱放电;和
用于探测所述放电灯中电弧不稳定性的探测电路,包括
(i)用于检测跨接在所述放电灯上的灯电压的装置,该被检测的灯电压是正弦的,并具有一个基本周期,该基本周期有具有第一极性的第一部分和具有与第一极性相反的第二极性的第二部分;所述DC/AC逆变器包括至少一对开关,每个开关在灯电压基本周期的相应部分期间被切换;
(ii)用于借助低通滤波器对灯电压进行滤波的装置,所述DC/AC逆变器包括在灯工作期间周期性地被切换的至少一个开关,被滤波的灯电压包括周期性出现的第一区域,该区域具有来自对DC/AC逆变器的相应开关切换的寄生噪声,和第二区域,位于所述第一区域之间,所述第二区域相对于所述第一区域来说基本上没有来自所述DC/AC转换器的所述开关的寄生噪声;以及
(iii)用于在所述第二区域内对被滤波的灯电压进行采样的装置。
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