CN1390083A

CN1390083A - 电子消除直线型灯中的辉纹

Info

Publication number: CN1390083A
Application number: CN02122443.9A
Authority: CN
Inventors: D·J·卡奇马里克; L·R·内罗尼
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2003-01-08
Anticipated expiration: 2022-06-05
Also published as: US6465972B1; JP2003031390A; EP1265461A2; EP1265461A3; CN100459823C; JP4115170B2

Abstract

本发明提供了一种由系统电源22供电的照明系统20。该照明系统包括与系统电源22有效连接的镇流器26,其中镇流器26用来产生灯输入信号。将灯输入线路30进行有效连接,以接收灯输入信号。另外,气体放电灯32与被配置的接收灯输入信号的灯输入线路30有效连接。然后,将调幅电路36有效连接到灯输入线路30,其中调幅电路36被配置成在气体放电灯32接收灯输入信号之前,周期性调制灯输入信号幅度。调幅电路36的工作使灯输入信号周期调幅,另外,还消除了在灯32中否则出现的视觉辉纹。

Description

电子消除直线型灯中的辉纹

技术领域

本发明涉及改进直线型荧光灯的视觉现象，更具体地说涉及消除可能会在气体放电灯中出现的视觉辉纹(visual striation)。

背景技术

一般而论，气体放电灯会有每端有电极的细长充气管。电极间的电压加速电子运动。这就引起电子与气体原子的碰撞产生正离子和额外的电子，形成包含正和负载流子的气态等离子体。电子连续流向灯的阳极，正离子流向其阴极维持灯中的放电和进一步加热电极。放电产生具有一个波长的辐射发射，该波长取决于具体的所充气体和放电的电参数。

荧光灯是一种气体放电灯，在灯的内表面涂覆有荧光磷。磷可以由从放电和荧光而产生的紫外线辐射所激发，产生可见光。

在气体放电灯工作期间，如荧光灯，能产生通常所说的辉纹现象。辉纹是光强区出现的黑带。这一现象可以产生灯所不希望的闪光效应。图1示出了辉纹现象的一个例子，它描述直线型灯10用添加氪作为缓冲气体以改善灯的功效。图1中，灯10具有辉纹区12，辉纹作为黑带出现且沿着灯长度方向移动。我们知道气体放电灯中的辉纹是在冷态施加载荷和其它应用如含氪灯中发生的。

已经提出各种各样的有关辉纹为什么会发生的理论。例如，Sullivan的美国专利5,001,386，一般认为辉纹是由于高频电流加强了使电极之间电荷分布发生变化的驻波而产生的。

Sullivan试图通过把注入的直流元件叠加到传送交流电的顶部的方法解决辉纹问题。该技术的缺点是要求必须清除在市场上现有的常用的高频镇流器而用可以注入直流偏压元件的唯一镇流器代替。并且通过附加直流偏压，把灯中的汞移动到一端，产生不平衡的光输出，有可能引起灯的损坏。已建议提高灯照明系统的峰值系数来消除通常的辉纹。但是，有人提出提高波峰因数会增加灯的应力，从而导致灯寿命的缩短。

因此，提供现有设备的改型或升级是有利的，它不需要替代目前常用的高频镇流器。

发明内容

本发明提供了一种由系统电源供电的照明系统。该照明系统包括与系统电源相连接的镇流器，其中镇流器用来产生灯输入信号。为接收灯的输入信号，将灯输入线路有效连接。此外，气体放电灯与被配置的灯的输入线路有有效接以接收灯输入信号。然后，将调幅电路与灯输入线路有效连接，其中将调幅电路配置成在气体放电灯接收到灯输入信号以前，能周期地调制振幅。调幅电路的工作导致对灯输入信号的周期性调幅，消除了否则在灯中存在的视觉辉纹。

附图说明

图1示出一种对终端用户产生闪光效果的有辉纹带的典型的荧光灯；

图2示出在密闭的风琴管里的压力驻波；

图3描述了实施本发明概念的系统的高平面视图；

图4示出一个标准的电弧电流正弦函数或灯输入电流；

图5描述了利用本发明的构思所获得的灯输入电流；

图6示出本发明的调幅电路更详细的视图；

图7描述了调幅电路的另一个实施方案；

图8示出灯所集成的调幅电路；

图9说明了作为与灯相连组件的调幅电路；

图10描述了一种嵌入镇流器的调幅电路；和

图11说明用单个调幅电路运行多个灯的系统。附图组件清单20 照明系统22 系统电源26 镇流器30 灯输入线路32 气体放电灯36 调幅电路60 调幅电子线路80 调幅电源98 开关装置144 气体放电灯146 第二气体放电灯

具体实施方式

如图1所示，辉纹带12给终端用户产生了不希望的视觉效果。就此问题，发明人提出一个无实际意义的假设以描述辉纹现象，假设辉纹现象后面的物理内涵可被模型化为在密闭风琴管16里的压力驻波14，如图2所示。该密闭管的共振频率由下式给出：

f_{n} = \frac{n}{4 l} \sqrt{\frac{\frac{C_{p}}{C_{v}} P_{0}}{ρ_{0}}}

其中l是长度单位，n是谐波次数，Cp是等容积时的摩尔容量，Cv是等压时的摩尔容量，P₀是未扰气体压力，ρ₀是压缩区之外的气体密度。

利用该假设，发明人开发了对灯输入电流进行周期性调制的电路。通过采用这种周期方式改变对电流的调制，干扰被认为产生辉纹的重复共振频率，因此就消除了辉纹的视觉现象。

图3说明了一个示例性的结合了本发明构思的灯照明系统20。输入电源22通过输入滤波器24向镇流器26供电。灯输入线路30把输入电流信号从镇流器26供给灯32。根据本发明，在输入线路30结点34处与之相连的是调幅电路36。调幅电路36通过插入周期性调幅信号以周期性间隔改变输入线路30中的输入电流。调幅电路36的工作使得至少部分输入信号发生变化以调制输入电流。

为说明由线路20得到的结果，请注意参照图4和图5，它们示出了氩/氪荧光灯的灯输入电流信号。从图4可以看出，所示的是一个常用的照明系统里的灯输入电流信号38，其中不包括实施本发明的调幅电路。

如线路40所示，输入信号38的峰值基本上全部相等，调幅电路的实施，如图5所示，使有选择地和周期性地改变灯输入电流信号42成为可能，因此，可以采用受控方式对输入信号的值或部分输入信号进行调制。例如，如图5所示，尽管，峰44和峰45的值基本相等，已经将峰48的值调制到一个较低值。更具体地说，在本实施方案中，44和46的值大约为214mA，而峰48调制后的值约为200mA。因此，实际上有14mA的差值。该差值足以去除由共振信号重复引起的正在工作的灯的视觉辉纹。

还要注意所调制的是输入灯的电流值，而不是它的频率。尤其是，图5中的时间周期T1，T2和T3与图4没有改变或彼此没有什么不同。

图6表示根据本发明调幅电路60的实施方案，它也可以作为附属于灯的分离组件去实施，或作为集成在灯上的一个电路并入去实施。图6中的电路60借助于其与灯输入线路30的连接，通过电流互感器62和电容器64，与灯串联。在本实施方案中，电流互感器62是一个电感器，但也可按其它已知的设计方案实施。借助于获取至少一部分在灯输入线路30所载运的灯输入电流，电流互感器62被用来从输入线路30中获取能量。虽然在该图中未示出，但在以前的图中已公开，输入线路30接收来自镇流器26(图3)的灯输入信号。由电流互感器62获得的部分电流通过含有二极管70-76的桥式全波整流器68整流。齐钠二极管78允许电压80(+VDD)的积累，在一个实施方案中，该电压约为5伏，足以供给用于电路60的逻辑电子电路的用电。电路60的设计满足所期望的低功耗要求，因此，经过电流互感器62得到的能量是充裕的。

包括电阻元件84的信号线路82载有半波整流信号88，该信号被转换成电压，并在Schmidt触发器90的输入出现。Schmidt触发器90实际上产生数字输出92，然后，该信号被供给触发电路94。触发电路94实质上是个除二装置，因此，输出信号96变为输入灯电流信号频率的一半。在图6的电路中也显示了共用电容器97。

输出信号96用于控制晶体管98的工作。尤其是用作开关的晶体管98和由二极管102-108组成的全波桥式变换器100，允许在输入线路30里的电容器有选择的旁路。晶体管98的工作充当一个开关，该开关对电流输入的各全循环中的这部分电路短路。因此，工作中电容器94或者与灯串联，或者是个开关，由晶体管98和全波桥式整流器100与灯串联来决定。

旁路电容器64，引起对灯的电流输入增加，然而，开关98打开引起流经电容66的电流，从而导致输入电流下降。

在本实施方案中的电流水平的变化非常小是可以理解的。具体地说，其导致在总量约为214mA电流中减少约为14mA。借助于改变振幅，本调幅电路设计干扰了发生在灯中的共振。

如图3和图6所示的本设计没有增加灯系统的波峰因数，因此，也未增加灯的应力。这个系统也未引入直流偏压，已知一定水平的偏压会引起灯内的汞向一端迁移。这就导致灯一端有亮点，而相对一端出现暗点。增加了图6描述的调幅电路，灯的效率也仅降低大约1/2％或更少。

在另一个实施方案中，可以将调幅电路集成在镇流器中。在该设计中，没有必要包括图6的由二极管桥式电路68和齐钠二极管78所确定的调幅电源。具体地说，从镇流器电路本身来的电源用来给图6的电子线路90-94供电，因此，当点亮；电路如图6的电路与镇流器集成在一起，电流互感器64和信号线路82将继续向Schmidt触发器90提供输入。利用该供电顺序，导致有效的电路，由此使整个照明系统的效率的显著降低少于1/2％。

另外，虽然通过利用Schmidt触发器90，以及电压分配器94的开关技术对实施本实施方案进行了说明，但是其它可替代的设计方法也是可能的。例如，数字计时器可用于控制开关98的工作。此外，为了得到输入电流的调幅，可以在各种设计中采用含有开关98及全波桥式整流器100的开关网络。例如，在另一个实施方案中，在系统里注入一信号也是合适的，由此，增加输入线路电流，而不是采用电容66来减少输入线路电流，可以认为发明人在本发明的范围内考虑了这些设计。另外，本发明的所有实施方案均可以用其它已知的电子控制装置来实施，这些电子控制装置能够调整输入灯电流的振幅。

在这方面，还要注意在图7中说明的另一个实施方案，当镇流器集成了调幅电路110时，可以使用调幅电路。具体地说，如图7所示，由于该电路在镇流器内，不需要产生用于电子线路地单独的电源。而电功率112可直接由镇流器提供。在该实施方案中，用一对开关晶体管，如MOSFETS或其它适合的晶体管114和116，取代带全波桥式整流器100的开关98。

在本设计中，一个信号被周期地施加在连接的栅极与源极之间，漏极与跨过输入线路30的电容118并联。当二个晶体管114和116处于“开启”状态时，它们相当于具有很小阻值的电阻，这取决于它们的RDS值。在这种状态下，输入灯电流被电容118旁路。当晶体管“断开”时，它们作为阻断机构迫使灯输入电流通过电容器118，由于晶体管114和116被捆在一起，当跨过栅极的电压为零时，它们是n-沟道装置，本征二极管切断任何电流的流动，因此，这种电路相当于一个断开的开关。

栅极处于“接通”状态，例如，在栅极和源极之间施加5伏电压。此时，晶体管再次作为具有小数值的电阻，从而短路电容器118。通过把n-沟道器件的电阻降到足够低，跨越晶体管114和116的n-沟道电压不足以开启本征二极管，所以晶体管114和116可以简化为电阻元件。因此，例如，假设电路中有200mA电流，并采用2欧姆晶体管，那么每个晶体管将只有0.4伏电压降。这就导致一个低电压系统。如果晶体管的电流或电阻比较高，那么本征二极管就被开启，系统的电压将包括二极管电压降加上晶体管114和116的RDS。

本发明的一个方面是解决没有对电路效率多余影响的辉纹问题。上述电路达到了此目的。

见图8，该图示出的是体现上述实施方案设计的具有调幅电路组件132的灯130，调幅电路组件经过信号连接点133被结合为灯130的一部分。在该设计中，终端用户会购买到不需要任何镇流器的灯。图9示出了灯130，其中在连接端136将调幅电路组件134插入灯130。图10描述了在镇流器140中集成有调幅电路138的设计。借助于该设计以及如前所述，在调幅电路138中电源的要求。

图11表明了一个系统，该系统具有把调幅电路140在通常为共用的变换器或镇流器142里结合为一体，镇流器142被用来为多盏灯144，146，148供电。通过这种设计，可以采用单个调幅电路140来消除多盏灯的视觉辉纹。

如上所述，本发明可以用许多形式实现。在上述实施方案中，元件名称和/或图6和图7电路参数包括：

变换器电感62(2个耦合1.0电感)……100μH；1mH

电容器66 …………………………………………………22μF

二极管72-76……………………………………均为DIN4148

齐钠二极管78 ………………………………… 5V，DIN4740

电阻84 ………………………………………………… 100K

Schmidt触发器90 ……………………National Semi CD40106

电容器91……………………………………………………100mF

触发电路94……………………………National Semi CD4013

晶体管98……………………………………………… IRF 510

二极管桥式电路102-108 ………………………均为DIN4148

电容器118 ……………………………………………… 22mF

晶体管114，116………………………………Fairchild 6303N

额外的平衡元件也可以加在图6和图7的电路中是可以理解的。此外，虽然可以采用各种各样的灯，对于用所提供的数值，所采用的灯可以工作在120/277伏特交流电压、60赫兹线路的电源上，此处的灯可以是气体放电灯，如充有T8稀有气体的直线型荧光灯。

虽然本发明主要描述与荧光灯有关，但这里所描述的电路可以用于控制任何类型的气体放电灯。由于在以上描述的电路中可以做某些变化，仍没有脱离本发明所涵盖的范围，其意图是对以上描述或附图显示所包含的全部内容以直观的方式加以解释，而无限定的含意。

Claims

1.一种由系统电源(22)供电的照明系统(20)，该照明系统包括：

与系统电源(22)有效连接的镇流器(26)，该镇流器用来产生灯输入信号；

被有效连接的灯输入线路(30)用来接收灯输入信号；

与灯输入线路有效连接的气体放电灯(32)，用来接收灯输入信号；并且

调幅电路(36)与灯输入线路(30)有效连接，将调幅电路配置成在气体放电灯接收灯输入信号之前通过，通过调幅信号的注入，周期性调制灯输入信号幅度，其中，灯输入信号的周期性调幅消除了灯(32)的视觉辉纹。

2.根据权利要求1的系统，其中调幅电路包括：

由调幅电源(80)供电的调幅电子线路(60)；和

由调幅电子学线路进行有效控制的开关装置(98)。

3.根据权利要求1的系统，该系统还包括至少一个由镇流器(26)供电的第二气体放电灯(146)，其中，集成在镇流器(26)中的调幅电路(36)周期性地调制气体放电灯(144)和至少第二气体放电灯(146)的输入灯信号。

4.根据权利要求1的系统，其中调幅电路包括：

从灯输入线路(30)的电流中产生电压的调幅电源(80)；

由调幅电源供电的调幅电子学线路(60)；和

由调幅电子学线路(60)进行有效控制的开关装置(98)。

5.根据权利要求1的系统，其中调幅电路(36)被集成在灯(32)中。

6.根据权利要求1的系统，其中调幅电路(36)是一个集成在镇流器和灯之间的组件。

7.根据权利要求1的系统，其中调幅电路(36)被集成在镇流器中。

8.根据权利要求1的系统，其中当所配置地调幅电路(36)用作连接至气体放电灯的组件时，或集成在气体放电灯中时，调幅电路(36)可使系统的效率降低大约1/2％或更少。

9.权利要求1的系统，其中调幅电路(36)降低系统(20)的效率约小于1/2％。

10.根据权利要求1的系统，其中调幅信号的注入调制了灯输入信号的电流值，而保持频率不变。

11.一种向照明系统(20)中的气体放电灯(32)提供信号的方法，照明系统(20)消除了在灯中出现的视觉辉纹，该方法包括：

镇流器(26)产生灯输入信号；

经过灯输入线路(30)，向气体放电灯(32)提供灯输入信号；

把调幅电路(36)的周期性调幅信号注入灯输入信号中，由此，改变灯输入信号的峰值改变以便消除视觉辉纹。

12.根据权利要求11的方法，其中注入周期性调幅信号起到改变灯输入信号的重复共振信号的作用。

13.根据权利要求11的方法，其中调幅信号的注入调制了灯输入信号的电流值，而使频率保持不变。