CN1350419A - 放电灯点亮方法及放电灯点亮设备 - Google Patents

放电灯点亮方法及放电灯点亮设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及通过相对简单的电路结构实现减小灯闪烁的程度的一种放电灯点亮方法及放电灯点亮设备。供电单元1将AC功率(Po)提供给放电灯3,且控制单元2控制供电单元1以使在所述AC脉冲电流(Io)的一半周期(τ/2)期间,在从所述半周期(τ/2)的上升朝向所述半周期的结束过去的时间上,逐渐地增加所述AC功率(Po)的瞬时值。

Description

放电灯点亮方法及放电灯点亮设备
发明领域
本发明涉及适于通过提供AC功率给放电灯来点亮该放电灯的一种放电灯点亮方法及放电灯点亮设备。更具体地，涉及在高压放电灯、高压水银灯或超高压水银灯通过AC功率被驱动的应用中是理想的一种放电灯点亮方法及放电灯点亮设备。
发明背景
已知可通过向高压放电灯提供例如约50-500Hz频率的低频AC功率来相对高效地驱动高压放电灯，如美国专利4,485,434及类似中所公开的。
然而，当通过施加AC功率来点亮高压放电灯时，依据于高压放电灯的电极温度和电极表面的状态，在电极上生成放电电弧的位置变得不稳定，导致一有问题的现象，其中放电电弧在该电极的始发点从一给定点跳到另一点。该现象表现为灯光的闪烁(灯闪)。
出版的专利申请号为501919/1998的PCT国际申请的日文翻译文本公开了一种用于减小这样的灯光闪烁的程度的装置。在现有技术出版物中公开的该发明是通过在各对应于灯电流的半周期的若干间隔上生成具有与灯电流相同极性的一电流脉冲并在该灯电流上的各半周期的终端相位期间将这样生成的电流脉冲叠加在该灯电流以抑制灯光闪烁。
然而，在上述的现有技术出版物中公开的该发明中，在一特定时间长度上持续的一电流脉冲必须与该灯电流的各半周期的终端相位同步地生成且这样生成的电流脉冲必须在特定定时叠加在灯电流上。而且，需要设定用于生成该电流脉冲的一参考值。因此，用于生成电流脉冲的电路必须实现先进的时间管理功能，而这需要复杂的电路结构。
发明内容
本发明的一个目的在于提供通过相对简单的电路结构实现的一种放电灯点亮方法及放电灯点亮设备，其可被采用以减小灯闪烁的程度。
本发明的再一个目的在于提供一种放电灯点亮方法及放电灯点亮设备，其通过减小对放电灯的电冲击程度来延长放电灯的寿命。
为了实现上述目的，在根据本发明的放电灯点亮方法中，当通过提供AC功率点亮放电灯时，该AC功率被提供作为一AC脉冲电流和一AC脉冲电压，且该放电灯通过在从该AC脉冲电流的半周期的上升朝向该半周期的结束所过去的时间上的该半周期期间逐渐增大该AC功率的瞬时值而被驱动。
由于在从该AC脉冲电流的半周期的上升朝向该半周期的结束所过去的时间上，在提供给该放电灯的AC脉冲电流的半周期期间，该AC功率的瞬时值被逐渐增大，提供给该放电灯的AC功率的电平在各半周期的结束处达到最大值，允许放电灯的电极的温度在该半周期的结束处升高到一高水平。这稳定了放电电弧并减少了灯闪烁的发生。
根据本发明的高放电灯点亮方法，其中在从该AC脉冲电流的半周期的上升朝向该半周期的结束所过去的时间上，在提供给该放电灯的AC脉冲电流的半周期期间，该AC功率的瞬时值被逐渐增大，仅要求实现AC脉冲电流波形控制。不需要任何用于叠加电流脉冲的时间管理。结果，实现了电路结构的简化。该AC功率被控制以使实现在放电灯中要求的平均功率电平。这样，该放电灯被高可靠性地驱动。
另外，由于在从该AC脉冲电流的半周期的上升朝向该半周期的结束所过去的时间上，该AC功率的瞬时值被逐渐增大，放电灯所遭受的电冲击的程度被减小以有利于延长放电灯的使用寿命，不象通过在灯电流上叠加一阶梯形(stepped)的电流脉冲所实现的现有技术那样。
本发明还公开了一种采用上述的放电灯点亮方法的一种放电灯点亮设备。该放电灯点亮设备包括一供电单元和一控制单元。该供电单元将AC功率提供给该放电灯。该AC功率被提供作为一AC脉冲电流和一AC脉冲电压。
该控制单元对该供电单元进行控制以使从该AC脉冲电流的半周期的上升朝向该半周期的结束所过去的时间上，在该AC脉冲电流的半周期期间，该AC功率的瞬时值被逐渐增大。
显然地可被利用以实现根据本发明的放电灯点亮方法的该放电灯点亮设备可稳定放电电弧并减少灯闪烁的发生。另外，由于它不要求任何时间管理而仅要求AC脉冲电流波形控制，实现了电路结构的简化。
本发明还公开了在该放电灯点亮设备中可被采用的具体电路结构实例。通过以下参照附图，对本发明的结果特征和优点进行详细地说明。这些附图简单地示出了这些实例。
图1是根据本发明的放电灯点亮设备中采用的结构的方框图；
图2是提供给放电灯的AC电压、AC电流和AC功率的波形图；
图3是根据本发明的放电灯点亮设备的一具体实施例的方框图；
图4是在图3的放电灯点亮设备中的信号发生单元和命令信号发生单元中可被采用的具体电路结构的电路图；
图5是被提供以便于说明在图4所示的信号发生单元和命令信号发生单元执行的电路操作的波形图；
图6示出了根据本发明的放电灯点亮设备中可被采用的控制单元的另一个例子。
实现本发明的最佳方式
图1是根据本发明的放电灯点亮设备中采用的结构的方框图。该图中的放电灯点亮设备包括一供电单元1和一控制单元2。该供电单元1将AC功率(Po)提供给放电灯3。DC功率被正常地提供给供电单元1的输入端子(T11)和(T12)。供电单元1在其内部功率转换电路将该DC功率转换成AC功率并将得到的AC功率提供给输出端子(T21)和(T22)。其两端被连接至输出端子(T21)和(T22)的放电灯3接收自输出端子(T21)和(T22)提供的AC功率(Po)。如果供电单元1在其输入侧上被设置有用于将交流转换成直流的功率转换电路，AC功率可被输入到输入端子(T11)和(T12)。
图2(a)示出了提供给放电灯3的AC脉冲电压(Vo)的波形，图2(b)类似地示出了提供给放电灯3的AC脉冲电流(Io)的波形及图2(c)示出了AC功率(Po)的波形。
如图所示，AC功率(Po)被提供作为AC脉冲电流(Io)和AC脉冲电压(Vo)。AC脉冲电流(Io)和AC脉冲电压(Vo)的频率可被设定在例如50至500Hz的范围内。
控制单元2实现对供电单元1的控制(S)，从而AC功率(Po)的瞬时值在从AC脉冲电流(Io)的半周期(τ/2)的上升朝向该半周期的结束过去的时间上，在该半周期期间被逐渐地增大。
提供给放电灯13的电压基本上是根据放电灯3的类型被确定的。如图2(a)所示，提供给放电灯3的AC脉冲电压(Vo)表现为具有几乎恒定的瞬时值(绝对值)的一矩形波。如果该AC脉冲电压(Vo)的瞬时值(绝对值)几乎是恒定的，上述的对AC脉冲电压(Vo)的波形的控制可通过从AC脉冲电流(Io)的半周期(τ/2)的上升朝向该半周期的结束过去的时间上逐渐增大AC脉冲电流(Io)的瞬时值(绝对值)而被实现。例如，在从时间点(t0)至时间点(t1)的半周期(τ/2)期间，在时间点(to)(在上升处)的瞬时值(Io)被增大(Δi)到在时间点(t1)(在结束处)的瞬时值(i1)。在从时间点(t1)至时间点(t2)的半周期(τ/2)期间、从时间点(t2)至时间点(t3)的半周期(τ/2)期间、从时间点(t3)至时间点(t4)的半周期(τ/2)期间、从时间点(t4)至时间点(t5)的半周期(τ/2)期间等，该瞬时值被以类似的方式增大。注意到在负半周期期间，例如在从时间点(t1)至时间点(t2)的半周期期间，AC脉冲电流(Io)的瞬时值被处理作为绝对值。
关于使功率增大而对特征的要求仅是功率的瞬时值必须随着时间的流逝而逐渐地增大，且因此，可表现为曲线地增大而非图中所示的简单的增大。然而，注意到由于可能在AC脉冲电流(Io)的上升表现出的尖峰波形所导致的任何功率波形被忽略不计。
如上所说明的，由于在根据本发明的放电灯点亮方法和放电灯点亮设备中，当时间从提供给放电灯3的AC脉冲电流(Io)的半周期(τ/2)的上升朝向该半周期的结束流逝时，在该半周期(τ/2)期间，AC功率(Po)的瞬时值被逐渐地增大。提供给放电灯3的AC功率(Po)的电平在半周期(τ/2)的结束达到其最大值以允许放电灯的电极温度在半周期(τ/2)的结束达到一高电平。结果，放电电弧被稳定且灯闪烁的发生被减少。
由于在根据本发明的放电灯点亮方法和放电灯点亮设备中，从AC脉冲电流(Io)的半周期(τ/2)的上升朝向该半周期的结束流逝的时间上，在该半周期(τ/2)期间，AC功率(Po)的瞬时值被逐渐地增大，相比于当一阶梯形电流被提供时放电灯所受到的电冲击的程度，放电灯3所受到的电冲击的程度被减轻。这样，放电灯3的使用寿命被延长。
而且，由于仅AC功率(Po)的波形需要被控制且当将一电流脉冲叠加在灯电流上时所要求的时间管理不再需要，电路结构被简化。
在附图中给出的实施例中，通过控制AC脉冲电流(Io)的波形来控制AC功率(Po)的波形。而在理论上可通过构成确定AC功率(Po)的电平的另一元素的AC脉冲电压(Vo)的波形来实现类似的控制。提供给放电灯3的电压的电平基本上由放电灯3的类型确定。因此，实践中更可行的是进行对AC脉冲电流(Io)的波形的控制。
AC脉冲电流(Io)的平均值(Iav)(见图2(b))被控制以使实现放电灯3中所需的平均功率(Pav)的电平(见图2(c))。结果，放电灯3以较高的可靠程度被驱动。
根据本发明，AC功率(Po)的波形被控制。为此，包含功率信息的检测信号S(IV)例如被从供电单元1提供给控制单元2(见图1)。
图3是根据本发明的放电灯点亮设备的一特定例子的方框图。在图中所示的该放电灯点亮设备中，包括一转换器11和一反相器12的供电单元1还设置有一高压发生单元13。
转换器11切换提供给输入端子(T11)或(T12)的一输入DC功率(Pin)并通过将其转换成DC功率来输出该切换输出。转换器11的切换频率可被设定在例如10至500kHz的范围内的一值。
反相器12将自转换器11输出的DC功率转换成AC功率并将该转换导致的AC功率输出。被构成为一种矩形波发生电路的反相器12生成一矩形AC脉冲电流和一矩形AC脉冲电压。反相器12通过一反相器驱动电路24提供的驱动脉冲信号(S10)和(S01)而被驱动。当驱动脉冲信号(S01)是高电平(逻辑值1)时，通过反相驱动脉冲信号(S01)所获得的驱动脉冲信号(S10)被设至低电平(逻辑值0)，且当驱动脉冲信号(S01)是低电平(逻辑值0)时，驱动脉冲信号(S10)被设至高电平(逻辑值1)。另外，当两驱动脉冲信号(S10)和(S01)被切换时，它们被保持在高电平的一周期被设定。可替换地，当两驱动脉冲信号(S10)和(S01)被切换时，它们被保持在低电平而非高电平的一周期可被设定。
通过驱动脉冲信号(S10)和(S01)被确定的反相器12的切换频率被选择为小于转换器11的切换频率的一值。例如，转换器11的切换频率可被选择为在10至500kHz的范围内的一值，而反相器12的切换频率可被选择为在50至500Hz的范围内的一值。
在该实施例中，供电单元1还被设置有在转换器12后面一级的高压发生单元13。该高压发生单元13生成实现点亮放电灯3所需的一值的电压并将该电压提供给输出端子(T21)和(T22)。
控制单元2包括一功率计算单元20、一命令信号发生单元22、一信号发生单元21和一脉冲宽度控制单元23。该功率计算单元20通过一算术运算，计算对应于一电压检测信号S(V)和一电流检测信号S(I)的功率电平并生成一功率检测信号S(IV)。
该电压检测信号S(V)是通过一电压检测电路14检测转换器11的输出侧上的电压而获得的。转换器11的输出电压是一DC电压，但也包含有关于提供给放电灯3的AC脉冲电压(Vo)的电压信息。因此，电压检测信号S(V)可被利用作为输出电压信息。
电流检测信号S(I)是通过一电流检测电路15检测流过电源线的电流而获得的。流过电源线的电流实质上等同于流至放电灯3的AC脉冲电流(Io)。因此，电流检测信号S(I)可被利用作为有关AC脉冲电流(Io)的信息。
命令信号发生单元22生成命令信号(S1)，其瞬时值随着时间的流逝而逐渐地增大。更具体地说，命令信号(S1)具有在AC脉冲电流(Io)的半周期(τ/2)的上升朝向该半周期的结束的时间上逐渐增大的一瞬时值。在图中所示的实施例中，命令信号发生单元22通过使用驱动脉冲信号(S10)和(S01)而生成与驱动脉冲信号(S10)和(S01)同步的命令信号(S1)。由于在图中的所示的实施例中，命令信号(S1)实现了一三角形(锯齿形)波形，在后该命令信号(S1)被称之为三角波命令信号(S1)。
来自命令信号发生单元22的该三角波命令信号(S1)以及来自功率计算单元20的功率检测信号S(IV)被提供给信号发生单元21。该信号发生单元21然后输出对应于由功率检测信号S(IV)相对于三角波命令信号(S1)所表现出的误差的一信号(ΔPo)。
脉冲宽度控制单元23根据来自信号发生单元21的信号(ΔPo)，实现对转换器11的脉冲宽度控制。更具体地，具有三角波振荡电路26的脉冲宽度控制单元23通过使用自三角波振荡电路26提供的三角波信号和自信号发生单元21提供的信号(ΔPo)，生成具有对应于信号(ΔPo)的一脉冲宽度的信号并将这样生成的信号提供给转换器11以控制转换器11的切换操作。
当转换器11进行与上述的脉冲宽度控制相对应的切换操作时，转换器11的输出侧上的电压和电流被电压检测电路14和电流检测电路15所检测。电压检测信号S(V)和电流检测信号S(I)被提供给功率计算单元20，功率计算单元20相应地将功率检测信号S(IV)提供给信号发生单元21。该功率检测信号S(IV)在信号发生单元21与三角波命令信号(S1)相比较并生成对应于该误差的信号(ΔPo)。因此，脉冲宽度控制单元23进行对转换器11的与信号(ΔPo)相对应的脉冲宽度控制。该脉冲宽度控制是在此时沿功率检测信号S(IV)相对于三角波命令信号(S1)的误差被减小的方向所进行的。
通过上述的反馈控制，实现了使功率检测信号S(IV)相对于自三角波振荡电路26提供的三角波命令信号的误差被减小到零的控制。换言之，对于功率检测信号S(IV)，实现了等同于三角波命令信号(S1)的波形。由于由在放电灯3的电子管电压确定的，功率检测信号S(IV)中包含的电压信息和电流信息中的电压信息几乎是恒定的，AC脉冲电流(Io)的波形被允许实际上具有等同于三角波命令信号(S1)的的波形特性。换言之，实现了使得在AC脉冲电流(Io)的半周期(τ/2)的上升朝向该半周期的结束的时间上，在该半周期(τ/2)期间，AC脉冲电流(Io)的瞬时值(Δi)逐渐地增大的波形。
图4是在图3中所示的放电灯点亮设备中包括的信号发生单元21和命令信号发生单元22可采用的具体电路结构的电路图。该命令信号发生单元22包括一晶体管(Q1)、一AND(与)门(IC3)和一缓冲器(IC1)。
一电容器(C1)被连接在晶体管(Q1)的集电极和发射极之间。一电阻器(R1)的一端和一电阻器(R2)的一端被连接至该集电极与电容器(C1)连接的连接点。一DC电压S(DC)被提供给电阻器(R1)的另一端，而电阻器(R2)的另一端被连接至电容器(C1)与晶体管(Q1)连接的连接点。一电阻器(R4)被连接在晶体管(Q1)的基极和发射极之间，一电阻器(R3)的一端被连接至电阻器(R4)的一端与该基极的连接点。
驱动脉冲信号(S10)和(S01)被分别提供给AND门(IC3)的两输入端子之一。与驱动脉冲信号(S10)和(S01)的上升和下降相对应，AND门(IC3)生成具有非常小的脉冲宽度的一脉冲信号(S0)。电阻器(R3)的另一端被连接至AND门(IC3)的输出端。这样，在AND门(IC3)生成的脉冲信号(S0)经电阻器(R3)被提供给晶体管(Q1)的基极。
缓冲器(IC1)的输入端子(+)被连接至晶体管(Q1)的集电极和电容器(C1)相互连接的连接点。
信号发生单元21被设置有一运算放大器(IC2)。在命令信号发生单元22生成的三角波命令信号(S1)经电阻器(R6)被提供给运算放大器(IC2)的一输入端子(-)，而功率检测信号S(IV)经一电阻器(R5)被输入给一输入端子(+)。一电阻器(R7)和有一电阻器(R8)与一电容器(C2)组成的一串联电路被连接在运算放大器(IC2)的输入端子(-)和输出端子之间。
接着，参照图5说明在图4中的信号发生单元21和命令信号发生单元22执行的电路操作。如图5(a)和(b)所示，当驱动脉冲信号(S10)和(S01)被切换时它们都被保持在高电平的一周期被设定。结果，在驱动脉冲信号(S10)和(S01)被提供给AND门(IC3)后，如图5所示，具有非常小的脉冲宽度的一脉冲信号(S0)被生成，同时驱动脉冲信号(S10)经历一下降(或上升)且驱动脉冲信号(S01)经历一上升(或下降)。
当该脉冲信号(S0)在一时间点(too)被提供给晶体管(Q1)的基极时，晶体管(Q1)被启通。结果，在连接至晶体管(Q1)的集电极的电容器(C1)的一端(a)的电位在时间点(too)被几乎设定至地电平(0)，如图5(d)所示。由于脉冲信号(S0)在一非常短的时间后变为耗散的，晶体管(Q1)仅被启通非常短的时间周期且然后被关断。
一旦晶体管(Q1)被关断，电容器(C1)被一经电阻器(R1)提供的DC电压S(DC)进行充电，导致在电容器(C1)的一端的端子电压上升，如图5(d)所示。电容器(C1)的一端的电压的升高的上升斜度与电容器(C1)和电阻器(R1)的时间常数相对应被确定。
在电容器(C1)的一端的端子电压保持上升直至脉冲信号(S0)接着移位至高电平的一时间点(to1)之前。然后，当脉冲信号(S0)在时间点(to1)移位至高电平以启通晶体管(Q1)时，在电容器(C1)的一端(a)的电位被几乎设至地电平(0)。
通过该重复性的操作，生成图5(d)中所示的三角波(锯齿波)信号(S1)。该三角波命令信号(S1)实现了精确的与提供给反相器12的驱动脉冲信号(S10)和(S01)的同步。
该三角波命令信号(S1)经过缓冲器(IC1)被提供给组成该信号发生单元21的运算放大器(IC2)的输入端子(-)。在该运算放大器(IC2)，提供给输入端子(-)的该三角波命令信号(S1)与提供给输入端子(+)的功率检测信号之间的误差被放大。结果，对应于该三角波命令信号(S1)与提供给输入端子(+)的功率检测信号S(IV)之间的误差的信号(ΔPo)被从信号发生单元21输出。该信号(ΔPo)被提供给脉冲宽度控制单元23，实现对应于由信号(ΔPo)指示的值的一脉冲宽度的一控制信号被从脉冲宽度控制单元23提供给转换器11且沿由功率检测信号S(IV)相对于三角波命令信号(S1)所表现的误差被减小的方向进行该脉冲宽度控制，如先前所描述的。
通过上述的反馈操作，在运算放大器(IC2)执行一控制操作以使消除提供给输入端子(-)的该三角波命令信号(S1)与提供给输入端子(+)的功率检测信号之间的误差。结果，如图5(d)和5(e)所示，对于AC脉冲电流(Io)，实现了等同于三角波命令信号(S1)的波形的波形。即，AC脉冲电流(Io)实现了一波形，从而其瞬时值(Δi)在从半周期(τ/2)的上升(too)到结束(t01)的该半周期(τ/2)期间逐渐增大。图5(f)示出了AC脉冲电压的波形且图5(g)示出了AC功率的波形。
图6示出了在根据本发明的放电灯点亮设备中可被采用的控制单元的另一例子。在该图中，与图4中相同的元件用相同的参考数字表示。在该实施例中，电流检测信号S(I)和电压检测信号S(V)被输出给一数字信号处理单元26。该数字信号处理单元26数字地计算与电流检测信号S(I)和电压检测信号S(V)相对应的功率电平。该数字信号处理单元26还输出一数字信号，其电平对应于该被数字地计算的功率电平和目标电平之间的差。该数字信号在一数/模转换单元27被转换成一模拟量且然后这样获得的模拟值被提供给该命令信号发生单元22。
电流检测信号S(I)被提供给在信号发生单元21中包括的运算放大器(IC2)的输入端子(+)，且在命令信号发生单元22生成的电流检测信号S(I)和三角波命令信号(S1)之间的差在运算放大器(IC2)被放大，从而获得信号(ΔPo)，其值对应于该误差。尽管参照附图，相对于具体实施例对本发明进行了图示和描述，本发明并不限于这些实施例且本领域的熟练技术人员可理解在不脱离的本发明的精神、范围和教义的前提下，可作出各种形式及细节上的改变。
如上所述，本发明实现了以下优点。
提供了可通过采用一相对简单的电路结构来减小灯闪烁的程度的一种放电灯点亮方法和放电灯点亮设备。
提供了通过减小电冲击的程度而有助于延长放电灯的使用寿命的一种放电灯点亮方法和放电灯点亮设备。

Claims (6)

1、一种放电灯点亮方法，包括有步骤：
提供AC功率给一放电灯，所述AC功率包括一AC脉冲电流和一AC脉冲电压；及
通过在所述AC脉冲电流的一半周期期间，在从所述半周期的上升朝向所述半周期的结束过去的时间上，逐渐地增加所述AC功率的瞬时值，激励所述放电灯。
2、根据权利要求1的放电灯点亮方法，还包括有步骤：
控制所述AC脉冲电流以使实现所述放电灯所需的一平均功率电平。
3、一种放电灯点亮设备，包括：
一供电单元，用于提供AC功率给一放电灯，所述AC功率包括一AC脉冲电流和一AC脉冲电压；及
一控制单元，用于控制所述供电单元以使在所述AC脉冲电流的一半周期期间，在从所述半周期的上升朝向所述半周期的结束过去的时间上，逐渐地增加所述AC功率的瞬时值。
4、根据权利要求3的放电灯点亮设备，其中：
所述控制单元控制所述AC脉冲电流以使实现所述放电灯所需的一平均功率电平。
5、根据权利要求3或4的放电灯点亮设备，其中
所述供电单元包括：
一转换器，切换一输入DC功率并输出通过转换一切换输出所获得的一DC功率；及
一反相器，输出通过转换所述转换器输出的所述DC功率成一AC功率所获得的所述AC功率；及
所述控制单元包括：
一功率计算单元，通过计算与在所述转换器的输出侧上检测的一电压检测信号和一电流检测信号相对应的功率而生成一功率检测信号；
一命令信号发生单元，生成具有在时间上逐渐增大的一瞬时值的命令信号；
一信号发生单元，被提供有所述功率检测信号和所述命令信号并输出一信号，该信号指示对应于由所述功率检测信号相对于所述命令信号所表现的误差的一值；及
一脉冲宽度控制单元，与自所述信号发生单元提供的所述信号相对应地对所述转换器进行脉冲宽度控制。
6、根据权利要求5所述的放电灯点亮设备，其中：
所述，命令信号发生单元生成与所述转换器的驱动脉冲信号同步的一命令信号。
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