CN1256852A - 电子镇流器 - Google Patents

Abstract

一种电子镇流器,可降低高亮度放电灯的黑化,降低在灯和镇流器元件上由过高电压和电流流动产生的应力,并增加灯的寿命。用镇流器控制器实现这些优点,该控制器在灯启动的三个阶段期间和每一阶段期间校正灯的工作频率,将灯电压限定在预定电平。

Description

电子镇流器

本发明一般涉及用于高亮度放电灯点火的电子镇流器，特别涉及用于控制在初始的非稳态工作模式期间施加给灯的电压和/或电流的电子镇流器。

在启动高亮度放电灯(HID)中，灯要经历三个阶段。这些阶段包括击穿、辉光放电和热电子电弧。击穿需要将高电压施加给电极。击穿之后，该电压必须足够高，以维持辉光放电和加热电极进行热电子发射。一旦在启动阶段中热电子发射开始，就必须维持电流，直至电极达到其稳态的温度。在达到电弧状态后，灯便按稳态工作模式在低水平的电流下工作。

灯的寿命和效率受这种启动顺序的影响，因为元件的数值和公差会影响这种启动顺序。对于点火来说，在预击穿周期中，必须使灯电极达到高电压并持续规定的时间。常规灯的特征在于，在达到击穿时具有最小电压电平和持续时间。电压的典型最小范围为约2至3KV，持续时间的典型最小范围为约10-100ms。

用脉冲谐振电路可以实现用于击穿的高电压要求。由于元件的公差变化，因而在电路与电路之间有不同的电路达到谐振时的频率和所产生的谐振电压。这种变化导致，要将脉冲谐振电路设计成可耐约4至5KV的额定脉冲电压，就是说，在电路中要设计可耐大大超过启动灯所需的2至3KV范围的电压。这会导致脉冲谐振电路成本的无谓增加。

一旦实现击穿，灯进入非热电子辉光阶段。在该阶段中，电压必须足够高，以维持电子的流动。由可产生二次电子发射的阴极的正离子轰击产生电子。当由阴极电压降确定的正离子的动能足够大时，会发生电极溅射。电极溅射产生例如钨的挥发性物质，该物质凝结在灯的内表面，并使灯的内表面黑化。随着灯黑化的加深，穿过灯壳的光透射减少，从而降低了可见光水平。淀积在壁上的钨吸收辐射，从而加热灯内壁至其最佳温度以上。这将导致灯寿命的缩短。

必须在使辉光状态持续时间最短和使电场幅度最小之间维持适当的平衡，以使灯效率和灯寿命最大。由于供给电极的能量的降低将延长辉光状态的持续时间，而供给电极的能量的增加会因溅射增加而缩短灯的寿命，所以难以实现这种平衡。

与非热电子辉光阶段相比，在热电子电弧阶段期间，灯电压降低而灯电流增加。在热电子电弧阶段期间，仍可以发生残余的溅射。在热电子电弧阶段期间，在施加足够高的电流来加热电极之后，电流降低，随后灯在稳态的条件下工作。

因此，期望提供改进的电子镇流器，在该电子镇流器中可以减小元件公差的变化。该镇流器还在使辉光状态持续时间最短和使电场幅度最小之间提供了适当的平衡，从而使灯效率和灯寿命两者都最大。

一般来说，按照本发明的第一方面，电子镇流器包括谐振点火器、激励器和控制器，该电子镇流器用于启动在进入稳态工作模式之前有击穿阶段、非热电子辉光阶段和热电子电弧阶段的高亮度放电灯。谐振点火器施加跨接在灯上的灯电压。激励器响应变化的控制信号，以便按变化的工作频率激励谐振点火器。控制器根据灯的各阶段产生变化的控制信号。在击穿之前，控制器调整控制信号，以降低工作频率，向下扫描与预定的点火电压相等的灯电压。一旦进入辉光阶段，还要调整控制信号，以便使辉光阶段内的持续时间最短。一旦进入热电子电弧阶段，控制器进一步调整控制信号，以便增加灯电流。

通过调整控制信号从而降低工作频率，扫描与预定的点火电压相等的灯电压，控制器可以限定最大启动电压，使电子镇流器元件不必设计成可耐象4至5KV那样高的电压。也可以调整控制信号，在使辉光状态持续时间最短和使电场幅度最小之间提供适当的平衡，使灯效率和灯寿命两者都最大。在非热电子辉光阶段中，调整频率，将电压降低至已知的在灯表面产生最小黑化的电平，同时该电压仍足够高以便保持连续的非热电子发射。由于特别的重要性，在热电子电弧(即启动)阶段期间，控制器进一步调整频率，以在降低电压时增加电流，支持热电子发射的开始，还继续使灯的黑化最小。随后，由控制器调整频率，以便降低电流和增加电压，达到灯的稳态条件。

在本发明的特征中，在预定的时间周期内控制器按预置的工作频率维持控制信号，在所述预定时间周期内灯电压保持在预定的点火电压下。通过至多在预定的时间周期内供给预定的电压，降低所有元件上的应力，从而延长元件的寿命。在本发明的另一特征中，在非热电子辉光阶段期间，在预定的时间周期内控制器可以按预置的工作频率维持控制信号。在本发明的又一特征中，在热电子电弧阶段期间，在预定的时间周期内控制器可以按预置的工作频率维持控制信号。

因此，本发明的目的在于提供改进的电子镇流器，该电子镇流器提高了灯寿命并使HID灯的灯黑化最小。

本发明的另一目的在于提供改进的电子镇流器，该电子镇流器可降低成本和所需元件的复杂性，以便有效地使灯导通和避免这些元件的早期失效。

因此，本发明包括彼此相互关联的一个或多个步骤，和用于使这些步骤有效的结构、元件的组合和部件排列的装置的具体特征，所有这些都示例于下面详尽的公开中，而本发明的范围将由权利要求限定。

图1是按照本发明的HID电子镇流器的方框图；

图2a、2b和2c表示在灯导通的各阶段期间谐振点火器的传输特性；和

图3是展示按照本发明的方法的流程图。

图1表示用于高亮度放电灯(HID)的高频电子镇流器的优选实施例的方框图。由谐振点火器3对灯9点火，该谐振点火器接收来自激励器2(例如，桥接电路)的激励电压和电流。激励器2由控制信号40触发，该控制信号控制激励谐振点火器3的大电流信号20的产生。由控制信号40确定信号20的频率和施加给灯9的最终电压30。大电流信号20为脉冲串的形式。激励器2和检测器5都由电源1供电。由控制器(例如，微控制器)4提供控制信号40。由控制信号40确定激励器2的工作频率。

图2a表示与灯9组装在一起的谐振点火器3在灯击穿前的传输特性，在非导通状态下，灯9处于有效的开路，而谐振点火器3有普通谐振电路的传输特性。在谐振频率f_O时，电压将达到峰值电压V_P。图2a还示出电压V_MIN，该电压表示给定类型的灯被驱动达到击穿所需要的最小规定电压，其条件是在最小的规定的持续时间(未示出)施加该电压。

在理论上，应该这样设计谐振点火器3，以使电压V_P与电压V_MIN相等，就是说，正好在谐振频率f_O时控制信号40激励谐振点火器3，从而仅施加要求的最小电压V_MIN。点火器3内实际元件的数值将确定频率f_O的实际值，以及围绕谐振频率f_O的波形宽度d和峰值电压V_P的幅度。

如图2a所示，在f_X频率时激励谐振点火器3的电路，产生电压V_X。如图2a所示，如果频率f_O和宽度d的规定值这样设定，以使电压V_X低于电压V_MIN，那么灯可以不点火。普通的谐振点火器被这样设计，假设不顾元件值的变化，频率f_O被相对地抑制，而电压V_P足够大，以致包括激励频率的宽大范围，在该范围中电压V_X可以至少等于电压V_MIN。抑制频率f_O需要具有严密公差的元件，这会增加元件的成本。普通谐振点火器的峰值电压V_P被设计成至少为要求的最小电压V_MIN的一倍半至三倍，以补偿在不同灯中击穿特性的偏差。普通的点火器被设计成，即使在谐振频率f_O附近激励，也将在峰值电压V_P下工作规定的最小持续时间。就是说，普通的谐振点火器设计成在两倍于所需电压的电压下工作，从而引入附加的成本并缩短元件的寿命。

但是，按照本发明，谐振点火器3在最小的所要求的电压电平V_MIN下工作，从而可避免上述附加的成本和附加的元件应力(stress)。控制器4控制控制信号40，以便在远远高于额定谐振频率的频率f_H下初始激励谐振点火器。随后，控制器4降低激励频率，同时通过检测器5检测跨接在灯9上的电压。通过降低频率而接近额定谐振频率，将增加灯9上的电压。当灯上的测量电压在频率f_I下达到V_MIN时，控制器4中断频率的下降，并继续按该频率激励灯达到规定的最小持续时间。

电压V_MIN和最小持续时间是假设使给定类型的所有灯点火时的规定值；有些灯将按较低的电压和较短的持续时间点火。检测器电路5检测流过灯9的电流。当灯9点火时，电流流过灯9。一旦电流开始流过灯9，检测器电路5就将电流检测信号提供给控制器4。根据该信号，控制器4引起非热电子辉光阶段。点火器3按产生电压V_MIN的频率工作，直至灯电流流动或直至经过了最小非热电子持续时间，无论哪个更快地出现。

当灯9未进入击穿时，就没有灯电流。将经过击穿的最小持续时间。为了使热应力最小，控制器4暂停一会儿，使镇流器中的元件冷却；然后，重复上述处理，用激励频率f_H启动。在谐振电路产生要求的最小电压V_MIN前，当频率向下扫描至f_L(低于谐振频率f_o)时，控制器4中断频率扫描，重新开始以上处理。一般来说，当未达到电压V_MIN时，不需要使元件冷却的暂停。

连续重复以上处理，直至检测出灯电流的流动，在此时灯进入非热电子辉光阶段。在击穿时，灯9的阻抗从实际的开路改变为灯电流的导体，从而对谐振点火器3加载。图2b表示与辉光阶段相关的传输函数。传输函数包括在频率f_O附近具有峰值235的低频下的相对平滑部分230，和随后在高于频率f_O的频率下的倾斜部分237的下滑部分。

在辉光阶段期间，电极部分被喷射或溅射。电极中的材料损失最终将导致电极失效，而损失的材料粘附在灯的内表面上，引起降低灯发射光量的黑化。通过设计或通过寿命测试，可以确定最佳辉光阶段的电压，以使电极的有效寿命最长并使灯的黑化最小。按照本发明，将调整工作频率，以在辉光阶段期间将这种最佳电压提供给灯。

根据灯的具体特性，可以按多种方式实现最佳电压。如果对于给定灯型来说，其传输函数有很小的变异，那么可以在控制器4中预定与最佳电压V_OPT相关的特定频率f_OPT。一旦进入辉光阶段，控制器4将调整控制信号40，使谐振点火器3产生最佳频率f_OPT。当相同类型的灯的传输函数有明显的变异时，可以采用迭代法，其中如上所述，控制器4将工作频率设定成额定f_OPT。随后，检测器5将灯电压与电压V_OPT进行比较，并调整激励频率，以达到电压V_OPT。如图2b所示，频率f_OPT处于曲线的倾斜部分(下降)237。当被测量的电压低于电压V_OPT时，工作频率就降低。当被测量的电压高于电压V_OPT时，工作频率就增加。正如在击穿阶段那样，设定下限频率f_L，超过它便不能调整频率。

在整个辉光阶段，使电压维持在最佳电平。按照本发明，当设计或寿命测试显示在辉光周期期间最佳电压应该增加或降低时，就对控制器4编程，以便有效地跟踪该变化的最佳电平。在第一实施例中，将电压维持在最佳辉光阶段电压下达到预定的时间周期(例如，约一秒半)。在另一实施例中，当进入热电子电弧阶段时，根据检测器5检测的灯电流的增加，控制器4再次调整激励器2工作的频率。在该辉光阶段以及随后的阶段期间，连续地检测灯电流。当灯电流增加时，用击穿阶段重新开始整个处理过程。

在热电子电弧阶段开始之时产生热电子发射，灯电流增加，而灯电压明显下降。另一方面，通过设计或寿命测试，可以确定最佳启动电流I_OPT，以使灯9尽可能快地产生充分的热电子发射而不引起过分的电极退化和黑化。在一个实施例中，为稳态电流的约1.25倍至约2倍的启动电流明显地降低了退化和黑化。在热电子电弧(即启动)阶段之后，灯电流减小至其稳态工作电流。为了使这种电流控制有效，可以用相应调整的频率检测电流、电压或阻抗。由设计或测试确定热电子阶段期间特定灯型的电流与电压之间的相互关系，以致可以预定产生I_OPT的启动阶段的电压V_R。图2c表示对应于热电子电弧阶段的典型传输函数。在工作中，控制器4调整控制信号40，以便调整工作频率，直至灯电压等于电压V_R。

在可以实现最佳性能同时使退化和黑化最小的范围内，电压或电流的宽大范围通常是有效的。在这些条件下，或当不需要最佳性能时，可以确定额定谐振频率f_R，对控制器编程以便将工作频率调整到该额定频率。因此，在辉光阶段或电弧阶段中不必要求达到电流或电压最佳值的迭代频率调整。

图3是展示控制灯启动的方法的流程图。为了使灯9点火，在步骤310，将工作频率f设定为f_H。由一连串步骤320-328组成的循环降低该频率，直至灯电压达到电压V_MIN。在步骤320，测量灯电压。在步骤328，只要灯电压仍未达到电压V_MIN(如步骤324所确定的那样)和工作频率不等于或低于频率下限f_L(如步骤326所确定的那样)，就使工作频率下降。当达到下限频率时，在步骤310将频率重新设置为f_H。在步骤315，检测整个处理的灯电流。一旦灯9点火，正如步骤315所确定的那样，该处理通过步骤340进入辉光阶段。

当灯电压已经达到电压V_MIN，而灯电流还未流动时，在步骤330启动持续时间计时器。经过一连串步骤334-336的处理循环，直至灯电流如步骤334所确定的那样流动或如步骤336所确定的那样已经经过最小灯点火持续时间DMIN。当已经经过最小灯点火持续时间DMIN时，在步骤312该处理进入冷却周期，然后在步骤310重新开始。在步骤334，当确定灯电流正在流动时，该处理通过步骤340进入辉光阶段。

在步骤340，将工作频率设定为额定辉光阶段最佳频率f_OPT。与步骤320-328的循环类似，可以使用迭代处理，以便调整频率达到电压V_OPT。在电子镇流器的优选实施例中，通过步骤344-346，将工作频率按额定频率f_OPT保持持续时间DOPT。在步骤346，检测灯电流。正如电流中断所指示的那样，在灯9熄灭时，和在步骤312的冷却周期之后，经步骤310重新开始处理。在经过持续时间DOPT后，通过步骤350该处理进入启动阶段。

在步骤350，将工作频率设定为额定启动阶段频率f_R。与步骤320-328的循环相似，可以使用迭代处理，以便调整频率从而达到电压V_R或电流I_OPT。在优选实施例中，通过一连串步骤354-356，将工作频率按额定频率f_R保持持续时间DR。在经过持续时间DR后，该处理返回到步骤395，进入稳态工作模式。

现在可以容易理解，通过控制器4精确控制贯穿点火三个阶段的激励器频率，可以降低灯的退化和黑化。尤其是可以采用较低电压和功率的镇流器元件。还可以实现在这些元件上的应力的减小。

因此，可以看出，从上述说明中可有效地实现上述目标并使这些目标变得明显。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以改变提供上述方法的电子镇流器及其结构，例如，控制器4可以包括电压或电流检测器，免除对离散电压比较器或电流检测器5的需要。控制器4可以将激励信号20直接提供给谐振点火器3；该点火器3可以由电压倍增器构成，对于经谐振进行的灯点火来说该倍增器不需要达到高电压信号。尽管借助于高点火电压灯已经论述了本发明，但其中的基本原理并不限于要求高点火电压的灯。

Claims (5)

1.一种电子镇流器，用于启动在进入稳态工作模式之前有击穿阶段、非热电子辉光阶段和热电子电弧阶段的高亮度放电灯(9)，该电子镇流器包括：

谐振点火器(3)，用于施加跨接在灯上的灯电压；

激励器(2)，响应于变化的控制信号，按变化的工作频率激励谐振点火器；和

控制器(4)，根据灯的不同阶段产生变化的控制信号，

其中，在击穿之前，控制器调整控制信号，以便降低工作频率，进行朝向等于预定点火电压的灯电压扫描；并且，一旦进入辉光阶段，控制器还调整控制信号，以使辉光阶段内的持续时间最小；此外，一旦进入热电子电弧阶段，控制器还调整控制信号，以便增加灯电流。

2.如权利要求1所述的电子镇流器，其中，在灯电压保持在预定点火电压期间，控制器按预置的工作频率将控制信号维持预定的时间周期(330、336)。

3.如权利要求1或2所述的电子镇流器，其中，在非热电子辉光阶段期间，控制器按预置的工作频率将控制信号维持预定的时间周期(334)。

4.如权利要求1、2或3所述的电子镇流器，其中，在热电子电弧阶段期间，控制器按预置的工作频率将控制信号维持预定的时间周期(354)。

5.如权利要求1、2、3或4所述的电子镇流器，其中，激励器的工作频率在热电子电弧阶段比在非热电子辉光阶段低。

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