CN1299540C - 为具有自动补偿寄生电容的气体放电灯供电的装置 - Google Patents
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Abstract
配置的电路为具有一个与其相关的可能寄生负载电容范围的气体放电灯供电。电路包括一个触发脉冲源，优选是一个电抗源，它存储有足够将范围内最大值的寄生负载电容充电到至少是灯最小触发电压的能量。电压钳位元件将触发脉冲的峰值电压限制在可以加到灯上的最大允许电压之内，即使是在范围内最小值寄生负载电容的情况下。源和电压钳位元件合作，在整个寄生负载电容范围内自动为灯提供峰值电压完全处在允许限制之内的高能触发脉冲。
Description
技术领域
本发明涉及在远远高于其工作电压的电压上触发的气体放电灯的供电装置。
背景技术
气体放电灯的共同特性是其负阻和高触发电压。为此类灯供电的电路典型包括一个限流装置，例如镇流器，来补偿负阻，而且通常包括产生触发灯的高电压脉冲的触发电路。这样的触发电路通常包括一个电压灵敏开关(例如双向开关元件)，该开关持续产生高电压脉冲，直到灯触发。触发之后，灯两端的电压从较高的开路电压(OCV)降到较低的电压，这使开关转换到非导电状态，并中止产生脉冲。在美国专利号5,825,139中讲述了此类镇流器的一个例子。
触发电路必须能够启动气体放电灯，而不管与灯相关的寄生电容的负载影响。此类寄生电容典型可以在电路电连接到灯所使用的接线和夹具中，甚至在灯中找到。设计能有效补偿此类寄生电容的触发电路很困难，原因在于寄生电容随，例如，将触发或镇流电路电连接到灯所使用的接线长度而显著变化。如不加补偿，那么加到灯上的峰值电压就会随着寄生电容的增加而降低。
发明内容
本发明的一个目的是提供为包含触发气体放电灯的电路的气体放电灯供电的装置，所述电路自动补偿与灯相关的寄生负载电容的影响。
本发明的另一个目的是提供此类不会大量增加电路成本或复杂度的补偿。
根据本发明，配置的电路为气体放电灯供电，该灯有一个与其相关的寄生负载电容可能值的范围，该范围从较低的电容值到较高的电容值。电路包括一个触发脉冲源，该脉冲源包括一个能够使值较高的寄生负载电容充电到至少是灯的最小触发电压的能源。配置的电压钳位装置用于在较小寄生电容值情况下，将加在灯上的触发脉冲峰值电压限制在允许的最大电压之内。
能源和电压钳位装置一起能够在整个预定义的寄生负载电容值的范围内将峰值触发脉冲电压保持在足够恒定的值。就另一个优点而言，在范围内除了寄生负载电容最大值之外的所有值处，触发脉冲与已知电路相比将持续更长的时间(因此具有增加的能量级)。
附图说明
图1是根据本发明第一实施方案的电路布置的示意图。
图2是图1布置的及时的瞬时等效电路。
图3a到图3f举例说明了由图1实施方案产生的触发脉冲。
图4是根据本发明第二实施方案的电路布置的示意图。
具体实施方式
图1举例说明了本发明使用的电磁镇流器的典型实施方案。此镇流器包括一个交流电源10和一个自耦变压器12，在第一串联回路中通过灯供电导线Wlamp、共用导线Wcom与气体放电灯电连接，双导线电缆的长度从镇流器的输出端T0到灯L。自耦变压器由具有初级绕组12A和次级绕组12B的镇流器感应线圈组成。双向电压灵敏开关S在第二串联回路中与电容14和初级绕组12A电连接。在此实施方案中开关S是一个双向开关元件。电阻16和RF阻塞线圈18串行电连接在节点J(连接双向开关元件S的一端和电容14)和共用导线Wcom之间。变阻器V电连接在灯供电导线Wlamp和共用导线Wcom之间。该变阻器的功能在概括讲述了图1电路的工作方式之后再解释。
在工作时，在源10产生的交流电压的每个正周期期间，电容14通过包含自耦变压器12、电阻16和线圈18的路径充电。如果灯还没有触发，那么电容14充电，直到电压超过双向开关元件S的导通门限。当双向开关元件导通时，电容上的电压加到初级绕组12A两端，从而在次级绕组12B两端产生增加的电压，使得在输出端T0产生高压触发脉冲。该脉冲通过电缆W1加到灯L上。
当通过双向开关元件S的电流接近零时，双向开关元件关闭，电容电压随交流源的电压增加，直到再次超过双向开关元件的导通电压。电阻16与电容14一起形成了一个定时电路。该电路的RC时间常数决定了电容充电电压相对于交流源10产生的电压相位的相位偏移。有利的是，可确定该时间常数，使导通电压出现在交流源所产生的峰值电压附近，并使得每半个周期产生至少一个触发脉冲。
在每负半个周期期间，图1电路以同样的方式工作，但是用反向流动的电流产生一个高压触发脉冲。电路持续产生触发脉冲，直到灯导电。当导电时，灯电压快速减少并稳定在低得不会使电容14再次充电到双向开关元件S导通电压的电压上。然后触发脉冲停止，而灯通过交流源10和自耦变压器12的作用保持导电。
在相当大的程度上，触发脉冲的峰值电压是由自耦变压器12的储能电容和电容14相对于与灯L相关的寄生负载电容的值而确定。自耦变压器12和电容14在发挥影响时充当为寄生电容充电提供能量的电抗源。由于寄生电容值增加，所以将其充电到触发灯所需的电压所需的能量也增加。可以增加电路的电抗存储电容(例如通过增加电容14的值)以补偿寄生电容的负载，但是这个方法只有当寄生电容是已知而且不会改变的情况有效。
根据图1所示的本发明的实施方案，对寄生电容值范围的自动补偿是通过变阻器V、自耦变压器和电容14的合作完成的。这些组件共同合作，在整个与电路和灯相关的寄生负载电容值的选定范围内自动调节加在灯L上的峰值脉冲电压。在此范围内任意负载电容值的情况下，实际加到灯上的峰值脉冲电压应该至少要等于触发灯所需的最小电压，但不要大于可以加在灯上的最大允许触发电压。这些电压是由为其设计电路的特定类型的灯的制造商规范确定的。
为了理解变阻器V和电容14的相互合作，参考图2会有所帮助，图2描述了图1所示电路在双向开关元件S一导通之后的等效电路。在此等效电路中，导电的双向开关元件为一导线取代，电容Cp代表与灯相关的总寄生电容(例如电缆、灯L和灯夹具的寄生电容)。
在双向开关元件导通后的瞬间：
-电容14上的电压加到了初级绕组12A的两端，并逐渐增加到次级绕组12B两端呈现的较高的电压。
-初级绕组和次级绕组两端的电压增加到然后由源10产生的瞬时电压，从而将峰值触发脉冲电压加到导线Wlamp和Wcom两端。
-电容14主要成为沿着从镇流器输出端到灯L的路径为所有寄生电容充电，也就是电容Cp充电的有效能源。
-灯L还没有触发，因此可以认为是开路。
电容14的值大到足够使范围内的最大寄生负载电容充电到大于触发灯所需的最小电压。在范围内寄生电容值较小的情况下，电容14的值将会很大。即，它可以使值较小的寄生电容充电到高于所需的触发电压(例如高于灯的最大允许触发电压)。但这是由变阻器V阻止的，变阻器的工作方式类似于齐纳二极管，但是能够钳位非常高的电压(例如几千伏数量级的电压)。只要加在变阻器两端的电压低于其额定工作电压，它就有非常高的阻抗。选择特定的变阻器，使其具有高于所需触发电压，但低于最大允许触发电压的钳位电压。
例如，图1所示类型的特定电路设计用于通过负载寄生电容主要来源的电缆W1，触发所需最小触发电压为3kV，但最大允许触发电压为4kV的金属卤化灯并为其供电。电缆的长度依靠灯的安装，范围从0到50英尺。相应的电缆寄生电容的范围从0到1500pf左右。使用在表I中列出的电路元件，电路装置产生如图3a到图3f所示的，用于长度从0到50英尺的电缆的触发脉冲。在这整个电缆长度范围内，峰值触发脉冲电压保持在大约3.37kV到3.46kV的范围之内。请注意，如果从电路中去掉变阻器，那么加到灯上的峰值脉冲电压范围从6kV(对于0英尺的电缆而言)到3.4kV左右(对于50英尺的电缆而言)。还请注意，与已有的电路相比，触发脉冲随着寄生负载电容(电缆长度)的减少将持续更长的时间(并具有增加的能量级)。在电缆长度较长的情况下，能量级(由脉冲波形下面的面积代表)将与供给现有技术中的可比电路的能量级大致相同。在其它所有电缆长度的情况下，能量级将会更高，因此提供了增长了的启动功率。
图3a到图3f是从示波器测量所拍摄的照片。
表I
用于图1电路的典型元件
参考数字# 描述
10 277 VRMS源
12 N匝的抽头自耦变压器
12A 0.1N匝的初级绕组
12B 0.9N匝的次级绕组
S 230V双向开关元件
14 0.458μF电容
16 4k欧姆，18瓦电阻
18 45mH扼流线圈
W1 三导线，16AWG绝缘铜质电缆
V S14K1000型和S14K320型串联EPCOS片状变阻
器(总最大钳位电压＝3810V@50A)
图4举例说明了本发明中使用的电子镇流器的典型实施方案。该镇流器包括直流电源11、在输出端131和133之间连接有一个输出电容135的变流器13、整流器15和触发电路I。此典型实施方案中的变流器是一个向下变流器，充当了一个电流源，在整流器15和触发电路I上加了一个电压，该电压低于直流源11所施加的电压。装配的整流器15是通过变压器30的次级绕组34和电缆38，为气体放电灯L提供周期性反转的电流。
触发电路I除了次级绕组34之外还包括感应线圈22、初级绕组32、双向开关元件S和并联的电阻28和电容29，所有这些元件都串行电连接在变流器13的输出端131和133之间。如此处参考引用的、于1999年5月7日申请的美国专利应用序列号09/306,911中所讲述的，变压器优选是不会在完全灯电流时饱和的一种(例如抽头变压器)，电容36电连接在次级绕组34两端。这抑制了由变流器13产生的电流起伏。
感应线圈22通过限制导通后通过双向开关元件的电流的变换速度来保护它。当使用了有隙变压器时，电容36补偿减少了的、从初级绕组32到次级绕组34的耦合。电容36还调整变压器30次级电路的谐振频率，并定形触发脉冲，使得在镇流器设计的整个负载条件范围内，包括因电缆38长度的影响而变化的负载电容，满足灯L的触发脉冲规格。但是该电容不补偿触发脉冲峰值电压的减少量。这是通过电容29与变压器30和通过整流器15电连接在镇流器输出端T0两端的变阻器V的共同合作来完成的。
在工作时，在直流源为变流器13加电之后，变流器的内部开关电路(没有显示)为输出电容135充电。双向开关元件S两端的电压等于电容135两端的电压。当该电压达到双向开关元件的导通电压时，电容135通过初级绕组32、双向开关元件和并联RC组合28、29释放出一个电流脉冲，并在次级绕组34处产生一个高压脉冲。当电容29充电到接近电容135上的电压的时候电流脉冲结束，而通过双向开关元件的电流低到不能使其导通。接下来双向开关元件转换到OFF(即到非导通状态)，电容29通过电阻28放电。
如果这第一个高压脉冲(通过变压器30变换成高压脉冲)触发了灯L，那么灯阻抗降到一个低值，将电容135放电到大大低于双向开关元件S导通电压的电压，并且触发电路将停止作用。但是触发电路会保持在等待状态，如果灯熄灭会立即重新起作用。
如果脉冲没有触发灯，那么电容29会通过电阻28放电，直到双向开关元件两端的电压再次超过其导通电压，然后会重复脉冲产生的顺序动作。该RC定时电路的时间常数确定了每个整流器周期的触发脉冲数量。
在图4的电路中，触发脉冲的峰值电压主要是由变压器30的储能电容和电容29相对于灯L相关的寄生负载电容值而确定的。就是这些电抗部分全部充当为寄生电容充电的能源，并与变阻器V合作，在寄生电容值的整个选定范围内自动调整加到灯上的峰值脉冲电压。
虽然本发明已经参考两个典型实施方案进行了解释，但是在本发明范围内可以有很多不同的实施方案。例如，电压源可以连接到变压器的初级绕组以存储变压器内的能量。如果突然中断了来自电压源的电流，那么变压器可自行作为主要或唯一能源来使寄生负载电容充电。对于另一种方案，使用电容元件和感应元件的谐振电路可以用作为寄生负载电容充电的有效能源。此外，虽然从现用元件中选择的变阻器对于提出的优选实施方案而言是优选的电压钳位设备，但是可以使用其它的设备，可以使用所有满足特定电路和工作要求的可用钳位设备。
Claims (7)
1.一种为气体放电灯(L)供电的装置，具有经电源和共用导线连接灯的输出端子以及含有相关寄生负载电容可能值的范围，该范围从较低的电容值延伸到较高的电容值，所述装置包括：
触发电路，包含用于产生触发脉冲的装置(10，12，14/29)，该触发脉冲能使较高值的寄生负载电容充电到至少是灯(L)的最小触发电压，该用于产生触发脉冲的装置包含一个与所述输出端子之一连接的次级绕组；
其特征在于，所述为灯供电的装置还包括：
限制加到灯上的触发脉冲峰值电压的装置(V)，用于在寄生电容值较小的情况下将加到灯上的触发脉冲峰值电压限制在允许的最大电压之内，该限制峰值电压的装置与所述次级绕组并联。
2.如权利要求1所述的为气体放电灯(L)供电的装置，其特征在于，所述限制加到灯上的触发脉冲峰值电压的装置由一个电压钳位元件(V)构成。
3.如权利要求2所述的为气体放电灯(L)供电的装置，其特征在于，所述用于产生触发脉冲的装置(10，12，14/29)包括一个电抗能量存储装置(12，14/19)，该存储装置能够在已知范围内的任何寄生负载电容值处，以所述电压钳位元件(V)施加给灯至少是最小电压的脉冲，直至一最大电压，以便将加到灯上的触发脉冲电压限制在该最大电压之内。
4.如权利要求1、2或3所述的为气体放电灯(L)供电的装置，其特征在于，所述用于产生触发脉冲的装置(10，12，14/29)用于存储足够的使所述范围内最大值的寄生负载电容充电到至少是灯的最小触发电压的能量，该用于产生触发脉冲的装置包括一个电抗源(12，14/29)。
5.如权利要求1所述的为气体放电灯(L)供电的装置，其特征在于，所述用于产生触发脉冲的装置包括一个容性能源(14)。
6.如权利要求1所述的为气体放电灯(L)供电的装置，其特征在于，所述用于产生触发脉冲的装置的次级绕组形成一个感性能源(12)。
7.如权利要求2或3所述的为气体放电灯(L)供电的装置，其特征在于，所述电压钳位元件包括一个变阻器(V)。
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