CN1228912A - 通用高强度放电电子起动器 - Google Patents

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Abstract

一种用于高强度放电装置(80)的电子起动器(60)。本发明包括电压控制的振荡器,其谐振频率由施加的正向电压和另一个谐振电路(62,64)决定,所述另一个谐振电路包括所述高强度放电装置(80)为其一部分。

Description

通用高强度放电电子起动器
本发明涉及用于高强度放电灯和具有类似特性的所有装置的电子起动器。
以往，已经设计了几种装置用于启动和操作高压钠灯和其它高强度放电装置。但是，这些装置大多使用50/60赫兹公共电网，需要又大又重的镇流器或电感器。再有，许多这些装置涉及开关较大电流，该较大电流加速了灯组件和相关电路的损耗，会缩短其寿命，并产生可能干扰其它电子设备的有害谐波。1975年Bodine,Jr.和Rosiak在题为“用于高压钠灯的启动和操作镇流器”的美国专利No.3,889,152中披露了一种这类装置。该装置涉及当电容器电压达到预定电平时触发控制整流器。该方法有以上提到的缺点。
就申请人所知与本申请最接近的相关文献是由国际整流器协会(233 Kansas Street,El Segundo,CA90245)公布的申请说明AN-973,其中，该申请解释了制造者的MOSFET晶体管(HEXFET商标)如何应用于荧光灯和高强度放电灯。
另一相关文献涉及1992年Johns提出的题为“通用电子镇流器系统”的美国专利No.5,130,611。正如上述相关文献那样，该发明使用开关装置，其在大电流强度产生与上述结果相同的负作用。
在现有技术中这些相关文献或其它装置都没有采用以300千赫兹范围的高频电场在高强度放电装置负载中电离蒸汽(vapor)，在电离后，因装置阻抗对整个谐振电路的影响使频率下降，并保持20至100千赫兹之间的工作频率。按照上述制造者等的指教，通过不保持工作频率的稳定，可以使有害谐波和失真最小。
反映最接近主题的其它专利提供了一些或多或少的复杂特性，它们不能以有效和经济的方式解决问题。这些专利都不具有本发明的新颖特征。
本发明的主要目的之一在于提供一种电子起动器装置，该装置可以与所有高强度放电装置包括高强度放电灯一起使用，使需要的启动时间最短。
本发明的另一目的在于提供一种用于高强度灯装置中的节省电能同时可维持相同亮度的装置。
本发明的再一目的在于提供一种包括振荡器的装置，其给出在300千赫兹频率的启动电能和在AC输入线路频率(50-60Hz)下在20至100KHz之间变化的工作频率。
本发明的又一目的在于提供一种保持有害谐波和失真为最小化的装置。
本发明的又一目的在于提供一种体积小重量轻的用于高强度放电装置的电子起动器装置。
本发明的又一目的在于提供一种产生最少脉冲和其它有害谐波的电子起动器装置。
本发明的又一目的在于提供一种能最大化功率因数至接近1.0的电子起动器装置，从而不需要一般在使用普通镇流器时所需的补偿电容器。
本发明的又一目的在于提供一种尽管工作在高频下但产生最小热量的电子起动器装置。
在说明书的以下部分中，将说明本发明的其它目的，其中，该详细说明是为了完整地公开本发明，但并不对其加以限制。
按照上述目的和其它有关目的，参照附图，从以下说明中将更完整地明白本发明涉及的结构细节和部件组成，其中：
图1表示本发明的简化方框图。
图2A表示提供在使用普通镇流器B和使用本发明A的高强度放电灯时随时间变化的电流强度特性的曲线图。
图2B表示采用本发明时公共网输入电压V和电流I与相位关系的实质波形。
图3表示本发明一个优选实施例的示意图。
参照图1，其中用序号10表示本发明，可以观察出本发明基本上包括整流器电路20，振荡器电路40，谐振镇流器电路60和高强度放电负载80。针对该申请的目的，我们特别把高强度放电灯作为负载80，但除灯以外，还有其它可以利用本发明优点的高强度装置。当负载80被去掉或存在其它异常情况时，保护电路100使振荡器电路60停止工作。
图1是总体方框图，它表示本发明的简化形式。从220V.A.C.的公共网获得300V.D.C.的可变整流D.C.电源。把可变D.C.电压施加给振荡器电路40，其中它的谐振频率是施加的可变D.C.电压的函数，并确定谐振电路60的元件的额定值。为了获得该可变D.C.电压，在本优选实施例中，把电容器21的电容选择在很小的7微法范围内。在上述参考的申请说明中，选择的电容量为100微法，换句话说，高出一个数量级。该说明是按照提供稳定的D.C.输出的普通标准，与本发明采用的标准相反。灯负载80与电容器62并联，以供给所需的电离电压，而电感器64起到限流器的作用。
通过对谐振镇流器电路60提供可变D.C.电压，振荡频率也根据预定的范围变化。如上所述，产生可变D.C.电压源的一个简单方式是选择特别小的滤波电容器。在优选实施例中，选择振荡确定部件和可变电压，以提供相对于60Hz A.C.电网在0.00833秒(1/2×60)内从20KHz变至100KHz的振荡频率。
如图4和图4A所示，普通的谐振镇流器电路，例如国际整流器说明(international rectifier notes)描述的，对于带有较低功率因数的A.C.输入呈现电抗负载，并且谐波集中在40KHz区域内。按照本发明，使振荡频率变化和把有害的谐波以相当小的密度分布在较宽波段上。后者更容易处理和更容易消除或滤除。
图1以简化形式表示本发明的启动后工作。下面，说明启动电路。利用电感器64的阻抗，振荡电流基本上流过谐振镇流器电路60，以限制电流强度，防止击穿状态。开关电路S1和S2产生电容器62和63的周期性充电。如果未连接灯负载80，这种周期性操作在一定谐振频率下发生，在优选实施例中，该频率在300KHz附近。由于灯负载80与电容器62并联(电离后)，根据由整流器组件20施加的电压，优选实施例中在启动电离作用达到(在该点之前灯负载80基本上相当于开路)20KHz和100KHz之间的某个频率后，谐振频率下降。当频率下降时，在62两端间的电感性阻抗增加。为了使效率最大，在工作频率下电容器62的电容性阻抗应该接近负载的工作阻抗。
保护电路100包括开关电路S3，当在电感器64的次级上感应的电压超过预定值时，该电路把开关电路S1的控制门短路，使其截止。否则，如果振荡器电路40被允许在谐振频率下长期地运行(当灯负载80被损害或拆除时)，那么电路将烧毁。该保护电路100在上述IR说明中有描述。
按照图3所示的那样，本发明的工作原理如下。首先，当供给A.C.电源时，如上所述将其整流并允许其波动。电容器41通过电阻42充电。在优选实施例中这些元件的额定值分别为10微法和2兆欧。电容器41在约2秒内充电至约32伏。DIAC 43额定为32伏，并将其通过限定电阻43’(未在前述申请说明中公开)和阻值100欧的电阻45与晶体管44的栅极连接。晶体管44采用零件(part)号No.IRF 740的MOSFET晶体管，或采用Harris和Motorola制造的等效器件。当电容器41上的电压超过32伏时，晶体管44(或者IRF 740 MOSFET晶体管)导通，通过变压器46的初级线圈46＇接通用于谐振电路60的电路。同时，电容器41通过阻值额定为1千欧的电阻47放电，或按比其充电快约20倍的速度放电。
根据串联的电容器62和63的总电容，将电感器64设计为在约300MHz的瞬时起动频率下谐振。在优选实施例中，电感器64包括有35匝No.12导线的初级线圈64＇和有三匝No.30导线的次级线圈64″。电容器62是0.033微法的电容器，而电容器63则是相当大的1.5微法。由于电容器62的电抗明显大于电容器63的电抗，所以这两个电容器上的大部分电压将出现在电容器62的两端，而该电容器与灯负载80并联。但是，一旦灯负载80开始导通，那么电容器62上的电压就下降至灯负载80的正常电压，振荡器电路40的谐振和振荡频率就下降至20千赫兹(由电容器63和电感器64和电容器62的有效串联谐振确定，受基本断开的电容器62的影响较小)和100千赫兹之间。按这些低的工作频率和“Q”，电感器64限制通过已电离的灯负载80的电流。这些低的频率是可以大约在20KHz和100KHz之间变化的工作频翠，从而分散产生的谐波。
变压器46的线圈46＇有三匝No.22的导线，当晶体管44导通和电容器62及63充电时，该线圈在一个方向导通电流。在达到完全充电后，由于晶体管44现在截止，所以电流间断，存储在变压器46中的磁场能量在相反极性的线圈46″(19匝，No.30导线)中感应电压，该电压使MOSFET晶体管48(与晶体管44类似)导通，为电容器62和63通过初级线圈46＇的放电提供通路。一旦电离，由于电容器62实际被旁路所以频率自动地下降，从该点开始由电感器64的电抗实际限定流过灯负载80的电流。
以该方式，在不需要使用大功率镇流器的情况下，灯负载80被提供了必要的高频能量。即使上述相关申请说明(图11，第6页)显示需要两个“E”铁心来组成变压器，而本发明只需要一个“E”铁心和一个“I”铁心就足够了。这降低了部件的重量，这对于公共照明是特别需要的。
如上所述，保护电路100监视电感器64的初级线圈64＇上的电压，如图3所示。在次级线圈64″上感应的电压用二极管101整流，并用于对电容器102充电。在正常工作下在电容器102上有约20伏的电压。但是，如果该电压超过预定电压，即选择的DIAC 103的额定值(优选实施例中为32伏)，那么晶体管104(与晶体管44类似)导通，下拉晶体管44的栅极，从而使振荡截止。当灯负载80被拆除或未按其规格工作时，会出现电压的持续上升。
在高频(高于公共电网50-60Hz)下工作的优点之一在于，电感元件的尺寸和重量下降。
上述说明表示对本发明的目的和优点的最佳理解。按照本发明的构思可构成不同的实施例。应该指出，这里披露的所有内容都仅是说明性的，并不构成对本发明的限定。
由上述各段的说明可知，这种电子起动器的改进型完全可以供所有高强度放电装置包括高强度放电灯使用，这种电子起动器使启动需要的时间最短。

Claims (8)

1．一种用于气体放电灯负载的电子起动器，包括：
A)电源装置，用于供给周期性变化的正向电压；
B)电压控制的振荡器，有选择地连接所述电源装置，根据与所述电源装置的连接，供给约300千赫兹的启动振荡信号；
C)把谐振频率供给所述振荡器装置的装置，包括与串联的第一和第二电容型电抗元件串联的电感型电抗元件，和与所述第二电容型电抗元件并联的所述负载，以便当所述负载被电离时所述组件的工作谐振频率下降，其中所述工作谐振频率在20千赫兹和100千赫兹之间周期性地变化；
D)检测装置，用于监视在所述电感型电抗元件两端的电压；和
E)使与所述检测装置连接的所述振荡器装置停止工作的装置，当检测出预定电压时使所述振荡器装置停止工作。
2．如权利要求1所述的电子起动器，其特征在于，用于供给正向电压的所述电源装置包括带有输出端的全桥整流器。
3．如权利要求2所述的电子起动器，其特征在于，用于供给可变正向电压的所述电源装置包括在所述输出端的电容元件，以供给波动的电压波形。
4．如权利要求3所述的电子起动器，其特征在于，所述第一电容型电抗元件的电容至少比所述第二电容型电抗元件的电容大10倍。
5．如权利要求4所述的电子起动器，其特征在于，所述第二电容型电抗元件具有在0.01和0.05微法之间的电容范围。
6．如权利要求5所述的电子起动器，其特征在于，用于使所述振荡器装置停止工作的所述装置包括与所述电感型电抗元件耦合的次级电感线圈，以使在所述次级电感线圈上感应的电压与流过所述电感型电抗元件的电流成正比。
7．如权利要求6所述的电子起动器，其特征在于，所述振荡器装置包括晶体管开关电路。
8．如权利要求7所述的电子起动器，其特征在于，所述振荡器装置包括RC电路，用于以预定频率使所述振荡器装置振荡。
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