CN1366795A - 用于气体放电灯的启辉器电路 - Google Patents

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Abstract

一个用于气体放电灯的启辉器电路包括一个电感性启辉脉冲发生电路和一个电容性定时电路。该脉冲发生电路包括一个与在定时电路中的一个电容相串联以单向限制公共电流的单向压敏开关。

Description

用于气体放电灯的启辉器电路
本发明涉及用于气体放电灯的点亮的启辉器电路，尤其涉及这种灯的点亮，该气体放电灯在比其工作电压高得多的电压处点亮。
气体放电灯的共同特性是它们负阻和高启辉电压。用于为这种电灯供电的电路装置通常包括一个用于补偿负阻的，诸如镇流器的限流装置，并通常包括用于产生点亮该灯的高压脉冲的启辉器电路。这种启辉器电路一般地包括一个用于实现高压脉冲的连续产生直到灯点亮的压敏开关(例如一个硅对称二端开关元件)。当点亮灯后，在灯两端的电压由一个较高的开路电压(OCV)降低到一个较低电压，该较低电压使得开关变换到一个非导通状态从而实现脉冲产生过程的终止。这种镇流器的一个例子在U.S.专利5319286中有描述。
在一些情形中，该启辉器电路可以过载到使得该压敏开关失效的电压点处。这对于重复将这种高压脉冲施加给不能稳定点亮的灯的启辉器电路尤其是一问题。
本发明的一个目的是提供一个用于点亮一个气体放电灯的电路，该电路在产生启辉脉冲期间降低在压敏开关上的应力。
一个用于点亮气体放电灯的通用电路装置包括一个电感性脉冲发生电路，该脉冲发生电路包括一个压敏开关，而一个定时电路包括一个用于确定以何种频率程度产生脉冲的定时电容。已经发现这种电路装置可以产生通过开关的AC电流，该AC电流既增大了开关上的应力又不利地影响了定时电路的操作。在这种灯不能稳定点亮的情形下，或需要许多启辉脉冲以带入一个稳定点亮状态的情形下，这种AC电流可以这样实现电容器的充电和/或放电，从而使得该定时电路在比开关可以容忍的频率更高的频率处允许重复脉冲发生。
根据本发明，用于点亮一个气体放电灯的电路装置包括一个定时电路和电感性脉冲发生电路，该定时电路包括用于限制脉冲发生频率的定时电容，该电感性脉冲发生电路包括一个与该电容电连接的单向压敏开关。该装置单向地限制在每一脉冲期间通过该开关和电容的串联电流。
图1为本发明是在其上改进的一个电路装置的示意图。
图2A，2B和2C示出了图1所示电路装置的操作期间产生的波形。
图2D示出了根据本发明的一个电路装置中产生的波形。
图3为根据本发明第一实施例的一个电路装置的示意图。
图4为根据本发明第二实施例的一个电路装置的示意图。
图5为根据本发明第三实施例的一个电路装置的示意图。
图6为一个可替换的电路元件的示意图。
图1示出了一个在WO00/69224中描述的镇流器。具体地，图1示出了一个镇流器，该镇流器包括一个DC电压源12，一个具有输出端子141和143的变换器14，一个整流器16，和一个启辉器电路I，其中在这两个输出端子141和143之间连接有一个输出电容器145。在一个示例性实施例中的换流器为一个用作电流源的向下变换器(downconverter)，并向整流器16和启辉器电路I提供一个被DC电源12所提供的电压更低的电压。整流器16被配置来将一个周期性反向的电流经变压器30的次级绕组34和经一根电缆38提供给气体放电灯L。
除了次级绕组34之外，启辉器电路I还包括一个电感22，一个初级绕组32，一个硅对称二端开关元件S，和一个电阻28和电容29的并联组合，上面所有元件都电地串联在变换器14的输出端子141和143之间。优选地，如在此所引用的WO 00/69224＝US 6,144,171所述的，变压器是在全灯电流时不饱和的一种类型(例如有隙变压器)而电容36电地跨接在次级绕组34上。这会减弱由变换器14所释放的纹波电流。
电感22通过限制在击穿时流过硅对称二端开关元件的电流的变换速率来保护硅对称二端开关元件。电容器36对当使用一个有隙变压器时由初级绕组32到次级绕组34的减少的耦合进行补偿。电容器36调节变压器30的次级电路的谐振频率和使启辉脉冲成形，从而使得灯L的启辉脉冲规格在整流器所涉及的所有负载条件范围(包括受电缆36长度影响的变化的负载电容)内都一致。
在运作时，DC电源为变换器14上电之后，变换器的内部切换电路(未示出)对输出电容充电145。硅对称二端开关元件两端的电压等于电容器145两端的电压。当该电压达到硅对称二端开关元件的击穿电压时，电容器145将一个电流脉冲通过初级绕组32，硅对称二端开关元件，和并联的RC组合28，29来放电，并实现一个高压脉冲在次级绕组34处的产生。当电容器29充电到接近于电容器上的电压而通过硅对称二端开关元件的电流变得低到足够使它保持导通时，电流脉冲终止。然后，硅对称二端开关元件关断(即，进入非导通状态)而电容器29通过电阻28放电。
如果该第一高压脉冲(被变压器变化到一个高压脉冲)已经点亮该灯L，则该灯L的阻抗值掉至一个低值，将电容器145放电到一个远低于硅对称二端开关元件S击穿电压的电压值，而启辉器电路将变为非激活状态。然而，启辉器电路将保持在备用状态并且如果灯熄灭则立即变为重激活状态。
如果脉冲未点亮灯，则电容器29将通过电阻28放电直到硅对称二端开关元件两端的电压再次超过其击穿电压，然而将重复脉冲产生序列。该RC定时电路的时间常数被设为长到足够使硅对称二端开关元件的击穿比每一整流器周期一次更频繁。
启辉器电路I的一个优势在于它可以快速启动一个已经熄灭的灯的能力。这在电源时不时掉电的情况下时有利的，但是经常发现有时当灯由第一脉冲不稳定地启动时使得硅对称二端开关元件过载。在这种情况下，启辉器电路将重复尝试点亮灯并且硅对称二端开关元件可能出故障。
这种故障相信是由于两个归因因素所产生的。一个因子是由在启辉器电路的各种谐振所产生的和通过硅对称二端开关元件的铃流脉冲。采用图1的实施例作为例子，无论何时当灯L不处于一个点亮状态，变换器14将电容145放电直到达到硅对称二端开关元件的击穿电压。在此时，硅对称二端开关元件两端的电压突然减低到几乎为零并且基本上完全的击穿电压出现在电感22和初级绕组32的串联组合的两端。电感22容易达到饱和，所以几乎所有电压都会非常快地初级绕组两端，并以非常高的递升比例(例如15∶1)耦合到次级绕组34。由次级绕组所产生的最终高压脉冲由整流器施加到灯L的两端。在这一脉冲的一部分期间，电流通过包括电感22，初级绕组32，变压器30的漏电感，硅对称二端开关元件S，电容器29和经由变压器的耦合通过电容36的谐振电路。这一复杂的谐振电路可以被认为包括两部分-一个主要由初级绕组32和电容器29决定的初级谐振电路，和一个主要由变压器漏电感和电容器36决定的次级电路。
以1.0微秒/每一分隔的尺度所绘制的图2A显示了由图1的电路装置在金属卤化灯启动期间同时产生的第一和第二示例性波形iS和vS。波形iS表示通过硅对称二端开关元件的电流并显示了三个铃流脉冲PS。波形vS表示在灯L两端的电压并显示了在三个连续整流周期中在灯L两端交替的正和负电压，每一个周期具有一个间隔T。该波形vS还显示了三个振铃高压脉冲PL，这些脉冲是在变压器30的输出端产生的并作为通过变压器初级绕组32的电流脉冲PS的结果施加到灯的两端。
另一个归因因素是当灯开始点亮时，RC定时电路和硅对称二端开关元件的相互作用。此时灯阻抗的突然降低不仅会使得电容145放电，还会在硅对称二端开关元件关断之前至少使得电容器29部分放电。这减少了由RC定时电路所产生的延迟，这取决于这种法定发生的程度和当硅对称二端开关元件关断时在电容29上所剩余的最终电压。如果灯开始点亮，从而将电容器29放电到一定程度，但是接着就熄灭了，硅对称二端开关元件会在很小延迟之后或没有延迟地再次击穿。这在灯在稳定点亮之前反复地脱离点亮状态或不能稳定地点亮(例如有缺陷或接近其寿命末端)时尤其对硅对称二端开关元件产生压力。在这些情形下，启辉器电路可以比整流器更高的速率产生脉冲。以0.1微秒/每一分隔的尺度绘制的图2B显示了在单个整流周期的一部分中珍重多脉冲产生的例子。这种高速率的脉冲产生过程可引起硅对称二端开关元件在超出其规格的功率水平处工作。
根据本发明，启辉器电路被修改以改变其中定时器电容和压敏开关相互作用的方式。特别地，在图1的电路装置中，一个二极管与硅对称二端开关元件S相电串联，如图3所示。同时，这两个部件形成一个只允许电流单向流过的单向压敏开关。这防止电容器29通过硅对称二端开关元件的放电。结果，电容器29可预期地充电到由在电容器145上电压所确定的一个正电压并且可预期地限制硅对称二端开关元件击穿的速率。
与硅对称二端开关元件和RC定时电路相串联的二极管的引入还消除了振铃。这在图2C和2D中显示。以5.0微秒/每一分隔的尺度绘制的图2C显示了通过图1所示的硅对称二端开关元件的单个铃流脉冲PS。通过插入二极管D，如图3所示，只有脉冲的第一峰值部分PS1通过该硅对称二端开关元件。以2微秒/每一分隔的尺度绘制的图2D显示了在图3所示电路装置的工作期间通过二极管D和硅对称二端开关元件S的实际启辉电流脉冲PS。
从而，在硅对称二端开关元件的功耗以两种方式被减少。第一，启辉电流脉冲通过硅对称二端开关元件的速率可预期地由电容性定时脉冲来控制。第二，在每一电流脉冲期间单级功耗由多峰值铃流的功耗减少到只有第一峰值的功耗。
本发明还有利地与各种具有脉冲类型启辉器的镇流器一起使用。图4显示了一个典型磁性镇流器的实施例，该镇流器包括根据本发明的一个与一个电容性定时电路相串联的单向压敏开关。该镇流器包括一个AC源40和一个具有初级绕组42A和次级绕组42B的自动变压器42，该初级绕组和次级绕组与气体放电灯L相串联。
包括一个硅对称二端开关元件S和一个二极管D的单向压敏开关与电容器44和初级绕组42A相串联。电阻46和RF阻挡线圈48被串联在二极管的阴极和一个将灯L连接到AC源40的导体之间的。
运行中，在来自源40的AC源的每一正周期期间，电容器44通过包括变压器42，电阻46和线圈46的路径进行充电。如果灯仍然没有点亮，则电容器44充电直到其电压超过硅对称二端开关元件S的击穿电压。该电容器然后通过包括初级绕组42A，硅对称二端开关元件S和二极管的路径快速放电，使得一个高压启辉脉冲由AC源40和变压器42的串联组合施加给灯L。当通过硅对称二端开关元件的电流接近零点，则硅对称二端开关元件关断并且电容器电压跟随AC源的电压直到它再次超过硅对称二端开关元件的击穿电压。该电阻46与电容器44形成一个定时电路。该电路的RC时间常数确定了在电容器充电电压中的，相对于AC电源信号相位的相移。有利地，这个时间常数是这样形成的，使得击穿电压在接近AC电源峰值电压处形成和这样形成的，使得在AC电源的每半个周期内只产生一个启辉脉冲。与图3所示实施例相似地，二极管D阻止高频铃流脉冲流过包括电容器44和硅对称二端开关元件S的串联电路。否则，当灯点亮(和关断硅对称二端开关元件)时在电容器上的瞬态电压可能不可预期并可能导致在硅对称二端开关元件中相同过载。
图4所示实施例可以只在AC源电压的正半周期产生启辉脉冲。图5示出了可以在正半周期和负半周期产生启辉脉冲的一个实施例。该镇流器电路与图4所示的相同，除了包含两个反极性的单向压敏开关，它们以负极性相互电连接。在正半周期中，电容器44以一个方向通过包括硅对称二端开关元件S1和二极管D1的第一开关放电。在负半周期中，电容器44以反方向通过包括硅对称二端开关元件S2和二极管D2的第二开关放电。
应注意到，本发明不限于在此公开的特定示例性电路装置。而且它也不限于使用单个类型的所公开的单向压敏开关，即与一个二极管相串联的硅对称二端开关元件。例如，图6中显示了一个可对这种开关替换的构造。这种开关包括一个与一个二极管D相串联的三端双向可控硅开关元件(triac)并具有一个压敏触发器电路。该触发器电路包括一个电连接在该三端双向可控硅开关元件的栅极和第一端子之间的齐纳二极管Z，和一个电连接在该该三端双向可控硅开关元件的栅极和第二端子之间的电阻R60。

Claims (10)

1.用于气体放电灯(L)的启辉器电路，所述电路包括：
a.一个递升变压器(30，42)的初级绕组(32，42B)，所述变压器适用于到该灯的电连接；
b.电连接到变压器的，用于在初级绕组中产生一个电流脉冲的脉冲发生器，所述脉冲发生器包括，电串联的：
i.一个定时电容(29，44)；和
ii.一个用于在电流脉冲产生期间单向地限制通过电容的电流的单向压敏电流开关。
2.权利要求1的启辉器电路，其中单向压敏电路开关包括与一个二极管相串联的一个硅对称二端开关元件。
3.用于气体放电灯(L)的启辉器电路，所述电路包括：
a.一个递升变压器(30，42)的初级绕组(32，42B)；
b.电连接到变压器的，用于在初级绕组中产生一个电流脉冲的脉冲发生器，所述脉冲发生器包括，电串联的：
i.一个压敏电流开关；
ii.一个定时电容(29，44)；和
iii.一个用于在电流脉冲产生期间单向地限制通过电容的电流的单向压敏电流开关。
c.用于到灯的电连接的变压器的次级绕组(34，42A)。
4.权利要求3的启辉器电路，其中该压敏电流开关包括一个与一个二极管D相串联的硅对称二端开关元件(5)。
5.权利要求3的启辉器电路，其中该定时器电路包括一个RC定时电路。
6.权利要求3的启辉器电路，其中该定时器电路包括一个与该电容器相并联的电阻(28)。
7.权利要求3的启辉器电路，其中该定时电路包括一个与该电容相串联的电阻(46)。
8.用于一个气体放电灯(L)的启辉和工作电路，所述电路包括：
a.一个DC电源(12，14)；
b.电连接到灯和到DC电源的，用于以周期地反转极性地为所述灯供电的整流器(16)；
c.一个变压器(30，42)的初级绕组；
d.一个电连接到变压器的，用于在初级绕组中产生一个电路脉冲的脉冲发生器，所述脉冲发生器包括，电串联的：
i.一个压敏电流开关；
ii.一个电容性定时电路；
iii.一个用于单向地限制到电容性定时电路的充电电流的二极管；
iv.用于到灯的电连接的变压器的次级绕组(34，42A)。
9.用于产生点亮一个气体放电灯(L)的脉冲的点亮装置，所述电路装置包括一个定时电路，该定时电路包括一个用于限制所述脉冲产生的速率的定时电容器(29，44)和一个包括一个单向压敏开关的电感性脉冲发生电路，所述开关与该电容相串联以单向地限制通过该开关和电容的公共串联电流。
10.一个用于产生点亮一个气体放电灯(L)的脉冲的电路装置，所述电路装置包括一个定时电路，该定时电路包括一个用于限制所述脉冲产生的速率的定时电容器(29，44)和一个包括一个交替-电流-导通的压敏开关的电感性脉冲发生电路，该改进型包括一个电连接到该压敏开关和连接到该定时电容器用于单向地限制通过该开关和电容的公共串联电流的二极管(D)。
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