CN1304628A - 高亮度电灯的点火器 - Google Patents

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Abstract

一个用于镇流电路的改进的高亮度放电(HID)点火电路使用一个在其次级线圈两端设置一个电容器的有隙变压器。镇流电路包含一个DC电源、一个下变频器、一个整流器和该点火电路。整流器的输出被提供给串联的有隙变压器的次级线圈和灯。灯是一个HID灯,诸如金属卤灯、高压汞灯、或金属汽灯。在电缆上向灯提供电源。灯的点火由点火电路控制,除了有隙变压器的次级线圈和电容器外,该点火电路还包含一个电感器,有隙变压器的初级线圈,两个SIDAC以及一个电阻与一个电容器的并联组合,它们全部串联在下变频器的输出之间。有隙变压器的设计参数的选择,使得有隙变压器在满负载电流时不饱和。有隙变压器的次级线圈两端的电容器调节次级电路的共振频率,以对点火脉冲整形,使得能在为镇流电路设计的整个范围的负载条件下,包括由电缆的长度引起的变化的负载电容的条件下,满足灯的点火脉冲技术要求。

Description

高亮度放电灯的点火器
本发明一般涉及可用于高亮度放电灯的电路，更具体来说，涉及高亮度放电灯的点火电路。
高亮度放电(HID)灯，如金属卤、高压钠、高压汞和金属汽，要求在点火后，才能在它们的“电弧”级(arc stages)中工作，发出它们额定的亮度。HID灯的点火要求在灯的电极之间应用一般是几千伏的高压脉冲。灯运行由称为“镇流电路”的电路执行。灯点火由点火电路执行，点火电路可以包含在镇流电路中，构成镇流电路的一部分。
图1表示一个可用于点燃和运行HID灯38的镇流电路10。直流(DC)电压由DC源12生成，对DC源的适当设计是本领域中众所周知的。来自DC源12的电压被提供给下变频器14，后者起着一个电压比DC源12的输出低的电源的作用。对下变频器14的适当设计是本领域中众所周知的。下变频器14的输出被提供给整流器(commutator)16，对整流器的适当设计是本领域中众所周知的。整流器16的输出向串联的变压器30的次级线圈34和灯38施加一个周期转向的电流。电能是通过电缆36提供给灯38的，电缆的长度范围一般在一英尺左右到十五英尺。
灯38的点火是由点火电路20控制的。除次级线圈34外，点火电路20还包括电感器22，变压器30的初级线圈32，两个SIDAC 24和26，以及电阻28与电容器29的并联组合，它们在下变频器14的输出之间串联连接。
点火电路20如下所述地工作，以点燃灯38。位于下变频器14的输出的一个电容器(未予示出)根据下变频器14中的一个三极管开关(未予示出)的开关频率和工作循环而充电。SIDAC 24和26两端的电压等于位于下变频器14的输出的电容器两端的电压，直到发生SIDAC 24和26的击穿(breakover)，此时，一个电压脉冲被施加到初级线圈32并以一个高压脉冲耦合到次级线圈34。为保证初级线圈32与次级线圈34之间的良好耦合，以便获得良好的点火脉冲，变压器30的芯子是无间隙的。SIDAC 24和26保持导通(ON)，直到流经它们的电流降到它们的保持电流以下时才关闭(OFF)。此时，电容器29通过电阻28放电。现在，如果灯38已经点着，下变频器14通过整流器16向灯38提供一个大电流，但是下变频器14的输出电压降到SIDAC 24和26的击穿电压以下，使得点火电路20变得不起作用。另一方面，如果灯38没有点着，位于下变频器14的输出的电容器两端的电压就开始增加，直到变得等于SIDAC 24和26的击穿电压，于是该点火循环重复进行。电感器22限制di/dt，以保护SIDAC24和26。
适合设计用于驱动100W陶瓷金属卤灯的点火电路20的各种部件的值如下：电感器22-47μH；SIDAC 24-MKP1V120型或相当型号；SIDAC 26-MKP1V120型或相当型号；电阻28-10KΩ；电容器29-220nF。变压器30是无间隙类型的，含有一个四部分的E25/13/11线轴，一个3C85铁氧体磁心，一个9匝0.45金属线的初级线圈和一个132匝0.45金属线的次级线圈。
不幸的是我们发现，当灯38吸收大负载电流时，镇流电路10向灯38提供相当大的波纹电流。波纹电流一般是由下变频器生成的，但是在电路10中，当向灯38提供的大电流流经次级线圈34时，变压器30饱和，次级线圈34变得不能降低波纹电流。这个大波纹电流在灯38中产生共鸣，这会使灯38熄灭，缩短其寿命，引起各种灯维护问题。
我们也发现，如果改变用于携带向灯38提供的电流的电缆36的长度，特别是增加电缆36的长度时，会使灯点火不可靠。
所以，需要有能减少由大体如图1中所示类型的镇流电路向灯38发出的波纹电流，同时让灯点火过程不过分地对电缆36的长度敏感的装置和方法。
相应地，本发明的一个目的是提供一种帮助减少灯38处的波纹电流的HID灯点火电路。
本发明的另一个目的是提供一种对电缆长度的实用范围内的灯的电缆长度不过分敏感的HID灯点火电路。
这些和其它目的是在本发明的各种实施例中实现的。例如，本发明的一个实施例是一个用于有预定点火脉冲技术要求和预定最大工作负载电耗技术要求的高亮度放电灯的点火电路。该点火电路包含一个有一个初级线圈和至少一个次级线圈的有隙变压器，该变压器是额定的，以避免因流经其次级线圈的最大工作负载电流而饱和；一个与有隙变压器的次级线圈并联的第一电容器；与有隙变压器的次级线圈串联的第一和第二灯连接接点；一个与有隙变压器的初级线圈串联的电源开关；一个与有隙变压器的初级线圈连接的第二电容器。
本发明的另一个实施例是一个用于点燃和控制高亮度放电灯的电子镇流电路。该镇流电路包含一个DC电源；一个与DC电源相连的整流器；一个有一个初级线圈和至少一个次级线圈的有隙变压器；一个点火次级电路，它包含：有隙变压器的次级线圈、一个与有隙变压器的次级线圈并联的第一电容器、在整流器的输出之间与有隙变压器的次级线圈串联的第一和第二灯连接接点；一个点火初级电路，它包含：一个电感器、有隙变压器的初级线圈、一个依赖电压的击穿元件；一个串联在DC电源的输出之间的第二电容器；点火初级电路进一步有一个与该第二电容器并联的电阻。
图1是所发现的向灯发出高波纹电流的镇流电路的示意电路图。
图2是按照本发明在图1的镇流电路中采用、以改善其总体性能的一个改进的点火电路的示意电路图。
图3是表示在图2的点火电路的工作期间在冷灯(cold lamp)(开路)两端的电压的波形图。
图4是表示在图2的点火电路的工作期间点火脉冲进入3pF负载的波形图。
图5是表示在图2的点火电路的工作期间点火脉冲进入100pF负载的波形图。
图6是表示在图2的点火电路的工作期间点火脉冲进入150pF负载的波形图。
图7是按照本发明在图1的镇流电路中采用、以改善其总体性能的另一个改进的点火电路的示意电路图。
图2表示了一个具有改进的HID点火电路120的镇流电路100。镇流电路100类似于镇流电路10，不同的是，变压器130是个有隙变压器，并且在有隙变压器的次级线圈134的两端设置一个电容器136。具体来说，由DC源12生成直流(DC)电压，来自DC源12的电压被提供给下变频器14，下变频器14的输出被提供给整流器16，整流器16的输出被提供给串联的有隙变压器130的次级线圈134和灯38。电能是通过电缆36提供给灯38的。灯38是高亮度放电(HID)灯，如金属卤灯、高压钠灯、高压汞灯和金属汽灯。灯38的点火由点火电路120控制。除次级线圈134和电容器136外，点火电路20还包括电感器22，有隙变压器130的初级线圈132，两个SIDAC 24和26，以及电阻28与电容器29的并联组合，它们在下变频器14的输出之间串联连接。
对有隙变压器130的设计参数的选择，使得有隙变压器130在满负载电流时不饱和。结果，次级线圈134即使在满负荷电流时也保持有足以削弱由下变频器14发出的波纹电流的电感。次级线圈134最好在向灯28输送的负载电流的整个范围都能有效地削弱由下变频器14发出的波纹电流。由于波纹电流产生灯38中的共鸣，而共鸣会使灯38熄灭，缩短其寿命，引起各种灯维护问题，所以需要削弱波纹电流。应当明白，一般来说，在满负载电流时不饱和的变压器不能用于代替有隙变压器130。
除了有隙变压器130的作用外，点火电路120的工作方式与图1的点火电路20的基本相同。具体来说，SIDAC 24和26两端的电压等于位于下变频器14的输出的电容器两端的电压，直到发生SIDAC 24和26的出穿，此时，一个电压脉冲被施加到初级线圈132并以一个高压脉冲耦合到次级线圈134。SIDAC 24和26保持导通，直到流经它们的电流降到它们的保持电流以下时才关闭。此时，电容器29通过电阻28放电。现在，如果灯38已经点着，下变频器14通过镇流器16向灯38提供一个大电流，但是下变频器14的输出电压降到SIDAC 24和26的击穿电压以下，使得点火电路120变得不起作用。另一方面，如果灯38没有点着，位于下变频器14的输出的电容器两端的电压就开始增加，直到变得等于SIDAC 24和26的击穿电压，于是该点火循环重复进行。电感器22限制di/dt，以保护SIDAC 24和26。
由于有隙变压器130将脉冲从点火电路120的初级端向次级端耦合的作用较差，所以在次级线圈134的两端连接一个电容器136。电容器136调节变压器216的次级电路的共振频率，以对点火脉冲整形，使得能在为镇流电路100设计的整个范围的负载条件下，包括由电缆36的长度引起的变化的负载电容的条件下，满足灯38的点火脉冲技术要求。电容器136有益于促进可靠的灯点火。对电容器136的值的选择，既要在一定程度稳定点火电路120的总电容，又要向灯38生成点火脉冲。电容器136的值最好大于负载电路中包括电缆36的电容以及次级线圈134中固有电容在内的所有其它电容的总和。
适合设计用于驱动100W陶瓷金属卤灯的点火电路20的各种部件的值如下：电感器22-47μH；SIDAC24-MKP1V120型或相当型号；SIDAC 26-MKP1V120型或相当型号；电阻28-10KΩ；电容器29-220nF。变压器130是有隙类型的，含有一个四部分的E25/13/11线轴，一个3C85铁氧体磁心，一个9匝0.45金属线的初级线圈、一个132匝0.45金属线的次级线圈和一个总共0.6mm的气隙，后者最好以本领域众所周知的方式通过提供两个0.3mm的气隙而实现。最好将次级线圈134中的匝数保持在实用的水平，以避免在次级线圈134中产生太大的电阻。给定这些值后，变压器130的初级电路中的自然共振频率约为43kHz，变压器130的次级电路中的自然共振频率约为200kHz，耦合系数的数量级约为0.6至0.7。如果与次级线圈耦合的点火脉冲能够由电容器136来整形，以满足灯38的点火脉冲技术要求，则可以为在整个范围电流时实现次级线圈34中希望的电感量而改变变压器130的间隙。
应当明白，要提高满负载电流时次级线圈136的电感，可能需要以本领域众所周知的方式对镇流电路100的控制动态特性(controldynamics)进行调整。这些调整相当依赖于以本领域众所周知的方式用于DC源12、下变频器14、和整流器16的特定设计。
应当明白，镇流电路100的各种部件以及有隙变压器130的设计的给定值仅仅是示意性的，根据电路设计人的特定标准和偏好，也适合采用其它值和设计。此外，可以用各种其它类型的部件和电路来替代点火电路120中使用的特定部件，同时保留点火电路120的基本功能。例如，可以用诸如电源MOSFET和IGBT的其它电源开关代替SIDAC24和26来在变压器130的初级电路中生成脉冲。这种最好有但不必非要有击穿特性的电源开关，是本领域的熟练人员非常了解的。
图3中表示的是具有开式灯负载(open lamp load)的镇流电路100的工作，开路灯负载实质上代表进入发光阶段之前进入冷灯的操作。y轴是以1.00kV递增的开路电压(OCV)，而时间则显示在以0.5ms递增的x轴上。该波形显示镇流电路100的标准特性，镇流电路中施加的电压是重复的约150Hz的方波，每半个周期至少有一个点火脉冲。最大观测点火脉冲电压是3.82kV。最小观测点火脉冲电压是2.49kV。在图3中所示的时间刻度上，不可能观测到点火脉冲的细节。
图4、5和6中分别显示了对应3pF、100pF和150pF的电容负载的点火脉冲的形状。3pF的电容负载基本上是个开路，而100pF的电容负载是10英尺长的连接灯38的电缆的通常电容负载，150pF的电容负载是15英尺长的连接灯38的电缆的通常电容负载。在这些图中，y轴是以1.00kV递增的开路电压(OCV)，而时间则显示在以0.5ms递增的x轴上。对所有推荐的应用来说。一般规定诸如100W金属卤灯的灯的点火脉冲要有3.0kV到4.0kV的峰值和至少持续约1.0μs宽度的2.7kV电平。其它类型的灯具有不同的点火脉冲技术要求。
如图4中可见，点火电路120在电容负载是3pF时发出的一个在技术要求内的点火脉冲。峰值是3.82kV,2.7kV的宽度约为1.2μs。可观测到平均电压有些下降，但是这种下降并不重要。
如图5中可见，点火电路120在电容负载是100pF时发出的一个在技术要求内的点火脉冲。峰值是3.46kV,2.7kV的宽度约为1.3μs。可观测到平均电压有些下降，但是这种下降并不重要。
如图6中可见，点火电路120在电容负载是150pF时发出的一个在技术要求内的点火脉冲。峰值是3.26kV,2.7kV的宽度约为1.0μs。可观测到平均电压有些下降，但是这种下降并不重要。
总之，图4至6显示，对于一个宽范围的期望负载电容，点火电路120发出的一个在技术要求内的点火脉冲。在获得这个性能的同时，提供满负载电流的大电容，以辅助削弱波纹电流。
图7中表示了一个具有改进的HID点火电路620的镇流电路600。镇流电路600的各种部件的电路类似于镇流电路100的部件和电路，不同的是，点火电路120中的SIDAC24和26、电阻28和电容29已经被MOSFET电源开关替代。具体来说，点火电路620包括一个与有隙变压器130的初级线圈132串联的MOSFET 626和一个与MOSFET 626连接的控制电路624。控制电路624是按本领域众所周知的方式设计的，用于通过按MOSFET两端的电压开关MOSFET 626来控制脉冲生成。二极管622通过限制关闭期间的过压来保护MOSFET 626。
本文中所陈述的对本发明及其应用的说明是说明性的，而不是要限制如以下权利要求中所陈述的本发明的范围。对本文中披露的实施例的改变和修改是可能的，实施例的各种元件的实际替代件和等同物是本领域的熟练人员已知的。可以在不偏离如以下权利要求中所陈述的本发明的范围和精神的情况下改变和修改本文中披露的实施例。

Claims (10)

1．一种用于有预定点火脉冲技术要求和预定最大工作负载电耗技术要求的高亮度放电灯的点火电路(120、620)，包含：
一个具有初级线圈(132)和至少一个次级线圈(134)的有隙变压器(130)，该变压器是额定的，以避免因流经其次级线圈的最大工作负载电流而饱和；
一个与有隙变压器的次级线圈并联的第一电容器(136)；
与有隙变压器的次级线圈串联的第一和第二灯连接接点；
一个与有隙变压器的初级线圈串联的电源开关(24、26、622、626)；和
一个与有隙变压器的初级线圈连接的第二电容器(29)。
2．如权利要求1中所述的点火电路，其中，第一电容器(136)有一个电容，变压器的次级线圈有一个电感，对第一电容器的电容和变压器的次级线圈的电感的选择，使得点火电路在对灯的点火期间发出一个符合灯(38)的点火脉冲技术要求的点火脉冲。
3．如权利要求1或2中所述的点火电路，进一步包含一个与第一和第二灯连接接点相连的电缆(36)，电缆有一个电容，并且第一电容器具有的的电容大于电缆的电容。
4．如权利要求1中所述的点火电路，其中，电源开关包含一个依赖于电压的击穿电路(22、622、624、626)。
5．如权利要求4中所述的点火电路，其中，电源开关包含一对串联的SIDAC(24、26)。
6．如权利要求4中所述的点火电路，其中，电源开关包含一个IGBT。
7．如权利要求4中所述的点火电路，其中，电源开关包含一个MOSFET(626)。
8．如权利要求4中所述的点火电路，进一步包含一个与第二电容(29)并联的电阻(28)，该并联的电阻和第二电容与依赖于电压的击穿元件(24、26)是串联的。
9．如权利要求1中所述的点火电路，进一步包含一个与有隙变压器(130)的初级线圈(132)串联的电感器(22)。
10．一种用于点燃和控制高亮度放电灯(38)的电子镇流电路(100)，包含：
一个有输出接点的DC电源(12、14)；
一个有与DC电源的输出接点相连的输入接点并且有输出接点的镇流器(16)；
一个有初级线圈(132)和至少一个次级线圈(134)的有隙变压器(130)；
一个点火次级电路，它包含：有隙变压器的次级线圈(134)，一个与有隙变压器的次级线圈并联的第一电容器(136)，在整流器的输出接点之间与有隙变压器的次级线圈串联的第一和第二灯连接接点；一个点火初级线圈，它包含：一个电感器(22)，有隙变压器的初级线圈(132)，依赖于电压的击穿元件(24、26)；一个在DC电源的输出接点之间串联的第二电容器(29)，点火初级电路进一步具有一个与第二电容并联的电阻(28)。
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