CN1438830A - 带可变频率点亮功能的放电灯的工作电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型用于低压放电灯1的工作电路，其中的数字控制器12被设计成：针对流过灯线圈10的过大电流，通过逐渐降低点亮操作的工作频率，触发安全关断装置的关断操作，以随后提高工作频率。以这种方式，例如，可以通过重复脉冲式的点亮过程直到关断操作或者通过一个在最低频率处的连续点亮过程，在该连续点亮过程中不出现关断，总体上实现点亮。本发明具有的优点在于：温度波动和元件公差不敏感，并且通常灯线圈10具有相对小的外形尺寸。

Description

带可变频率点亮功能的放电灯的工作电路

技术领域

本发明涉及放电灯的工作电路，尤其涉及低压放电灯的工作电路。

这种放电灯一般拥有一个交流电压发生器，利用该交流电压发生器将一个确定频率施加到放电灯的电极上，以便一方面点亮放电灯，另一方面在点亮之后维持运行。很久以来这种工作电路的一般细节已经为人所知，不必在此所详细解释。

背景技术

尤其是，已经知道将所述工作电路设计成：利用与放电灯相连的谐振电路的谐振峰进行点亮操作。为此目的，将用于点亮操作的频率设置在谐振电路的谐振频率附近(该值主要地相对于稍后施加的连续工作频率增大)。该谐振电路通过谐振效应产生进行点亮操作所需的电压幅度。

另外，已经公知在放电灯的工作电路中构建安全关断装置，将其设计成：用来在不允许的高交流电压发生器电源电流出现时关断电源。由此避免损坏工作电路和/或避免危险。

发明内容

从已经概述的现有技术出发，本发明基于以下问题：在放电灯的点亮方面改进工作电路。

为此目的，根据本发明，设置有放电灯的工作电路，该电路拥有交流电压发生器，该发生器可以产生不同频率的交流电源功率以点亮放电灯和使放电灯工作，该工作电路被设计成在一个谐振电路的谐振峰的频率处点亮放电灯，所述谐振电路与放电灯相连接；并且所述工作电路拥有一个安全关断装置，该安全关断装置在交流电压发生器的不允许的高电源电流区内的阈值处关断电源。

与现有技术相反，本发明并不从上述固定的预定点亮频率着手，而是从开始时的大概过高设置的频率出发到较低频率，逐渐地改变频率，所述安全关断装置监测交流发生器的电源电流。如果在降低频率的过程中，谐振电路被充分激励并且将灯点亮，由于放电灯电气性能发生改变使得谐振电路的谐振频率大大降低。则通常不会产生不允许的高电源电流。如果在运行过程中仍然出现过高的电源电流，根据本发明，所述安全关断装置当然会再次作出反应。但是，正如本发明所述，这与点亮过程基本无关。

另一方面，如果由于过于接近谐振电路的谐振频率导致频率下降的过程中出现不允许的高电源电流(在这种情况下，放电灯还不会被点亮)，那么根据本发明，安全关断装置会进行响应。

对要设计的工作电路，不完全停止运行是必需的，例如，但是以相对已经进行关断的频率而增大的频率重新尝试关断。本发明总体上并没有规定具体如何进行。但是下文大致对各种不同的优选实施变型进行了说明。但是有必要再次偏离该关断频率。

因此，根据本发明的工作电路，可以处于以下状态：几乎“感觉到”谐振电路的共振，此时，所述安全关断装置阻止损坏。这使得：谐振频率的波动不导致点亮干扰以及大大降低不同电路组件的特性参数随时间和温度发生变化。这不仅提高了可靠性，而且由于减小了对元件选择的要求从而具有明显的经济上的优点。

常规的低压放电灯通常与一个所谓的灯线圈串联。在电流电压特性曲线的导数值为负的灯中，该线圈是必需的。显然本发明并不局限于这种放电灯。但是本发明采用灯线圈具有相当大的优点。现有技术的困难之处在于：在一定的电流值处，灯线圈饱和。所述灯线圈的饱和会导致工作电路的不稳定性，这种不稳定性是不能被容忍的。这是常规低压放电灯采用安全关断装置的主要原因。但是，灯线圈的饱和电流在相当大程度上与温度有关，因此，考虑到可能会出现的高温，为了谨慎起见必须设置灯线圈。因为，另一方面，必须利用工作电路为以常规方式的固定的预定点亮频率来点亮放电灯产生相当大的点亮电压，以确保即使在低温时进行可靠的点亮。高的点亮电压必然要求相对大的灯线圈电流。总之会导致：出于可靠性和安全性的考虑，构造过大的灯线圈，而这种过大的灯线圈对于大多数的应用确根本不需要。这在结构尺寸和结构重量方面成为缺点，另外当然在经济上也存在缺点。

但是如果根据本发明，将安全关断装置的功能在一定程度上集成到普通的点亮过程中，可以构造相对较小的灯线圈。在本发明的情况下，在点亮过程中出现安全关断不会形成有问题的例外情况发生：伴随出现不进行成功的点亮，而是导致一个被集成在工作电路的普通功能流程中的过程。

最好将所述工作电路构造成：在进行了一次响应安全关断装置请求的关断之后，再次逐渐降低电源频率。在这种情况下，所述工作电路从相对关断频率提高的起始频率出发。从而该点亮过程具有一个基本上重复的特性。

在这种情况下，分别有二个有利的优选实施变型：

对于一个实施变型，将运行电路设计成：在重新进行点亮尝试时，所述工作电路仅仅将频率降低到一个相对上一个关断频率被略微升高的最低频率。但是在这种情况下，安全关断装置仍然保持通电状态，因此可以再次关断。所以该最低频率并不是一定要求达到。如果已经被关断，重复上述过程，所以该频率被逐步降低，而且，如果不进行关断，那么仅仅将该频率略微地降低到相对于上次，也就是第二次的略微提升的关断频率。

以这种方式，该工作电路因此在一定程度上以曾经得知的小步长出发向上提高到较高的频率，知道发现一个最低频率，在该最低频率处不再出现关断。如果还没有进行点亮，那么可以利用该最低频率继续进行点亮过程。通过上述的安全关断装置的采样，该最低频率位于一个最佳的水平，即：尽可能低，并且尽可能接近谐振电路的谐振频率。因此能够高点亮电压而最终不会出现危险的灯线圈饱和问题。对由于不是避免灯线圈饱和的其它原因而采用该安全关断装置，类似的优点仍然适用。

另一个优选实施方式提供：最低频率仍然保持在最开始所处的一个确定值，所述最低频率低到在没有安全关断装置的情况下能够将频率降低到的值。因此，如果已经在该最低频率处，或者相对被升高的频率处进行了关断，则反复地重复进行这些关断。因为安全关断装置响应速度很快能够避免损坏，所以不存在基本问题。因此导致以高的幅度注入点亮脉冲，所述幅度的高度会使安全关断装置总是将该点亮脉冲中断。但是在通常情况下，由于放电介质中已经发生了预电离，重复点亮脉冲会使灯被点亮。因此，重复进行点亮尝试会导致不再出现安全关断的点亮过程。二种变型在实施例中进行了详细说明。

另外，最好全面对点亮过程进行限定，这根据本发明可以一个通过运行变量进行。只要在点亮过程中没有进行点亮，就增大运行变量。如果该运行变量在点亮放电灯之前达到一个特殊的最大值，就中断点亮的尝试，在这种情况下，如果可能的化还可以生成一个故障信息。该运行变量可以以不同方式实施。例如，可以在进行每一个关断操作时增大一个值，或者如果以步进方式降低频率时，使该运行变量与单独频率降低步长相关联。该运行变量也可以是一个简单的时间变量。

本发明的必要应用涉及将半桥谐振器作为交流电压发生器使用。众所周知这种半桥谐振器本身拥有二个开关晶体管，所述开关晶体管的开关操作必须被适当定时。在本发明的情况下，这最好通过一个规定频率的数字控制电路来实现，因此这必须按照本发明的方式构建。尤其是，如实施例中所示，所述用作数字控制电路的工作电路拥有一个微处理器。

如果所述装置以足够高的速度响应，那么安全关断装置的响应阈值可以相当高。具体而言，在使用灯线圈的情况下，该阈值可以是远高于在室温下的灯线圈的额定饱和电流。尤其是，该结果对对元件参数的不敏感或者对工作温度或环境温度的不敏感。因为灯线圈的饱和具有以下效应：在任何情况下，温度升高或者饱和导致的电感降低都会进一步增大灯线圈电流，甚至并本身没有形成阈值的电流峰通常会直接导致增大的电流强度，该电流强度也进入到被设定成相对高的阈值范围。例如，在室温下，可以是阈值的1.3倍，最好是灯线圈饱和电流额定值的1.4倍或者1.5倍。另外优选地，将所述阈值设定为不要高于饱和电流额定值的2.5倍，最好为2倍，尤其是1.8倍。

在成功地进行点亮之后，最好继续改变由工作电路提供的电源功率的频率，也就是说可以调节到预定的电源电流。因此，例如出于与点亮过程本身无关的原因由微处理器给出工作频率的变化量也是具有优势的。

尤其是在数字控制电路中的产生数字频率的情况下，逐渐降低频率必须总是以步进的方式实现。为了不对本发明的点亮顺序过程进行配置以免不必要的复杂化，并确保相对快的顺序过程，可以以适当的方式选择在降低频率的步长，所以频率的分辨率也不需要太精细，因为频率分辨率与数字控制的内部最大时钟频率相关。所述内部数字时钟频率最好在10兆赫兹与20兆赫兹之间。典型的半桥谐振器的工作频率位于35千赫兹与105千赫兹之间。频率分辨率，即：在降低频率时的相对步长最好在大约0.2-1％的范围。

附图说明

下面借助于实施例对本发明作详细说明。在这种情况下，所公开的单个特征也可以与其它特征进行组合。此外，显而易见的是本发明具有装置特征和方法特征，按照这二类理解本发明的公开内容。

图1示出了根据本发明的工作电路的示意方框图‘

图2示出了根据本发明第一实施例的图1的工作电路功能的流程图；

图3示出了根据本发明第二实施例的图1的工作电路功能的流程图；

图4大致示出了在第一实施例的情况下，点亮电压随时间的变化关系的一个典型例子；

图5大致示出了在第二实施例的情况下，点亮电压随时间的变化关系的一个典型例子。

优选实施方式

图1中的编号1表示带有二个卷绕灯丝电极2和3的低压放电灯。在接地端子4与中间电路电源电压5之间有一个公知的带有二个开关晶体管6和7的谐振半桥。通过二个开关晶体管6和7的交替开关操作使得中心抽头8可以在中间电路电源电压与接地电位之间来回切换。由此，可以从连接到连接端子5的被整流的中间电路电源电压产生放电灯1的高频电源电压，所述中间电路电源电压经一个通常为常规整流器利用平滑电路从电网电压获得。

在接地端子4和中心抽头8之间串联一个所谓的耦合电容器9、一个灯线圈10和放电灯1。耦合电容器9用来使放电灯与直流分量断开；灯线圈10尤其用于补偿放电灯1电流电压特性曲线的负导数部分。二个电路组件的功能是公知的，不必在此作详细解释。

同样适用于与放电灯1并联并且同样与耦合电容器9和灯线圈10串联的谐振电容器11，谐振电容器11用于产生由出现谐振峰的点亮电压幅度以点亮放电灯1。

迄今为止所述的工作电路完全采用常规方式构建。但是如图1的虚线所述，通过来自数字控制电路12的控制信号控制开关晶体管6和7的控制端子。该数字控制电路12经测量电阻13检测表明通过灯线圈10的电流幅度的信号并且包括响应该电流的安全关断装置。

该数字控制电路12是一个专门设计的包含微处理器和另外辅助电路的微控制器，下面通过其功能对数字控制电路12进行详细描述。本领域技术人员可以理解：在这种情况下涉及以公知的方式被编程的数字电路。

图2示出了根据第一实施例的功能流程。根据图2的流程图顶部开始部分，在开始后的启动操作过程中，首先将运行变量t设为0，为最低频率F_min和最高频率F_start固定一个合适的值。在这种情况下，F_start明显高于假设的用于点亮放电灯1的合适频率，即：具体而言，高于耦合电容器9、灯线圈10、和谐振电容器11构成的谐振电路的谐振频率。最低频率F_min低于该假定的谐振频率。

下一步，将运行变量增加1，也就是首先将它的值增大到1，数字控制器的当前的工作频率F，也就是驱动开关晶体管6和7的时钟频率，因此将放电灯1电源的频率设为最大值F_start。

下面一个运行变量t的询问结果表明：它小于运行变量的最大值，这里是101，从而在下一步该数字控制电路12以频率F运行带有开关晶体管6和7的半桥谐振器。然后，等待一定的时间，这段时间大于包含在数字控制电路12中的安全关断装置的响应时间，然后询问是否已经触发了安全关断装置。该安全关断装置通常在一个谐振范围内进行响应，例如20微秒的范围内，从而等待时间处于小于10微秒的范围内。为了还考虑被延迟的响应时间(线圈加热)，等待时间大约为250微秒。对于该值可以进行必要的简单计算。由于安全关断装置的迅速反应不一定非要较短的时间值。

如果安全关断装置没有被触发，那么由于适当选择F_start的值所所预计的是：实现一个过程顺序，经一个是否当前频率对应所述最低频率的中间询问，在当前情况下当然要否认，在下一步，其中把当前频率降低一个步长单位。在该实例的情况下，从10兆赫兹的数量级的数字控制电路12的内部工作频率，因此频率分辨率大约为100纳秒。这对应放电灯1的大约50千赫兹的典型工作频率情况下的0.5％幅度数量级的步长。

另外，把运行变量t提高1，也就是提高到2。因为t还继续小于100，经过从下面询问的负输出又移到顶部，并且等待一个等待时间：是否安全关断装置已经被触发。逐步重复该顺序来降低实际频率并增大运行变量t直到出现以下三种可能情况之一：

首先，在一个确定的频率F处会出现关断操作。然后该相应的询问向右通过肯定输出端离开，从而将新的最大值和起始频率F_start固定到高于该关断频率的三个频率步长中的一个值。然后，运行变量t又增加1，从处于高于该关断频率的三个步长的起始频率重复上述步骤顺序。因此，该顺序反复地感受到总是重复进行新的关断操作，在每一种情况下，它在关断操作高于当前关断频率的三个频率步长之后重新开始，在这些反复重复期间，当前关断频率当然会改变。

第二，应当在所述反复重复过程中进行实施立即降低谐振频率的灯点亮。这是由于降低与谐振电容器11并联的灯的阻抗造成的。因此，现在没有发生另外的关断操作，因为灯线圈电流没有处于谐振峰位置。因此被大约布置在图2中部关于触发的询问被定为“否”。随后的询问涉及电流的工作频率是否处于所述最低频率F_min。这种情况假定不是所概述的情况，所以在适当数目的循环之后进一步降低工作频率直到达到了F_min值。然后以确定灯已经被点亮来回答上述询问作为结束，所以数字控制电路12现在切换到连续工作模式。在该连续工作模式过程中，改变频率F使其通过灯线圈10被调整到一个恒定的电流上。

第三，但是，还会出现发生总是进行关断的情况，也就是说，直到运行变量t到达值101还没有点亮灯。那么由在图2上数第三处的相应的询问步骤的“是”输出得出结论，没有使灯点亮。由此关断半桥谐振器，并且如果必要的化，生成一个故障信号。

如果直到t＝100的范围内还没有把频率降低到F_min，由于没有正常的点亮，会导致另外一种可能。在这种实施例的情况下，F_start之间F_min的间隔通常大约为20-30频率步长，因此在到达t＝101之前，按照正常的顺序已经发生了F＝F_min。如果这种情况没有发生，也就是说，如果在F＞F_min，时t＝101，那么可能存在故障，所以出于安全原因放电灯没有继续工作。因此，必须考虑F_start与F_min之间的间隔来使t的最大值被选得充分大。

典型的数值为在大约100-200毫秒的总时间范围有几百次关断操作。因此，如已经讨论过的有足够时间的等待关断操作。

图4大致示出了点亮电压相对时间轴的典型曲线的一个例子，作为举例，有大约100个顺序排列的点亮脉冲。但是，图4示出在大约100毫秒之后，还没有进行点亮的情况。因此，图2的流程图最终导致布置于图2的上数第三的询问中变量t的幅度被看成值101，因此控制电路12关断。

图3和图5更加具体地示出了第二实施例。图2和图3之间的差别在于：对所述询问给出一个肯定的响应，如大约在图2和3的中部的安全关断，不仅将F_start固定在高于关断频率三个步长的频率，而且将F_min固定在高于关断频率一个步长的频率。因此，如果由于相对关断频率而言，切换频率提高了三个步长而没有发生新的关断操作，对所述关断的询问的否定响应导致将实际频率F与高于上述关断的F_min值进行比较。但是，如果在重新通过上循环的情况下，还发生关断，那么总是将F_start提高三个步长高于该关断频率直到不再发生关断。

在图3的流程图的下部，在关断询问的否定响应之后，进行与Fmin的比较，并且在否定响应的情况下，首先将F降低一个步长，而t增大一个步长。只要运行变量t还没有到达最大值，这导致位于该关断询问之上的等待位置。因此，如果成功到达F_min而没有在F_min发生关断，那么必须在直到t＝100的时间之内进行点亮。如果没有进行点亮，这不能通过图3的流程图确定。因此控制电路12必须通过测量灯电流确定是否已经进行了点亮操作。

如果在到达F_min之前或者在到达F_min时没有发生关断，又一次相对于关断频率分别提高F_start和F_min三个步长和一个步长，并如前所述重复该过程。如果关断发生得过于频繁，其结果是在图3的上部循环到达t＝101。这同样终止所述流程。

因此，本实施例的目的在于：可以确定F_min的值，该值高于发生关断时的频率一个步长。但是在这种情况下，刚好不再在F_min进行关断。因此F_min是在点亮模式中的最低的可能的连续频率。因此保持该连续频率直到t已经到达值101。这在图5中进行了说明，在进行了有限次尝试之后，进行连续点亮操作，这种连续点亮操作同样是100毫秒幅度的数量级。另外，在所示的例子中，安全关断装置12的阈值通常是灯线圈10的室温额定饱和电流的1.6倍。

Claims (10)

1.用于放电灯(1)的工作电路，所述工作电路拥有一个交流电压发生器(6，7)，该交流电压发生器(6，7)可以用不同频率(F)产生交流电源功率以点亮并且运行该放电灯(1)，

其中将所述工作电路设计成：在与放电灯(1)错接的谐振电路(9-10)出现谐振峰的频率处点亮放电灯(1)；

并且所述工作电路拥有一个安全关断装置(12)，该装置(12)在交流电压发生器(6，7)的不允许的高电源电流的范围内的阈值处关断电源功率，

其特征在于，将所述工作电路设计成：在开始进行点亮放电灯(1)时逐渐降低电源功率的频率(F)，并且如果应当通过所述安全关断装置(12)关断电源功率时，相对于关断频率提高该频率(F)，以便开始进行新的点亮尝试，所述关断频率是关断电源功率时的频率。

2.根据权利要求1的工作电路，将所述工作电路设计成：在一次关断之后，通过一个新的点亮尝试从相对于关断频率提高的频率(F_start)出发又逐渐降低所述频率(F)。

3.根据权利要求2的工作电路，将所述工作电路设计成：在进行新的点亮尝试时，将所述频率(F)从被升高的频率(F_start)降低到一个相对于关断频率被略微升高的频率(F_min)，如果在这种情况下，安全关断装置(12)不关断，和，倘若安全装置(12)在这种情况下被关断，为了又一次进行新的点亮尝试将所述频率从相对上一个关断频率被升高的频率(F_start)降低到一个相对于上一个关断频率被略微升高的频率(F_min)，倘若在这种情况下该安全关断装置(12)没有被关断，和如果在这种情况下该安全关断装置(12)即使被关断，以上述方式继续进行。

4.根据权利要求2的工作电路，将所述工作电路设计成：在进行新的点亮尝试时，逐渐将频率(F)降低到一个预定的最低频率(F_min)，倘若该安全关断装置(12)在这种情况下没有被关断，并且，如果该安全关断装置(12)在这种情况下被关断，为了又一次进行新的点亮尝试将该频率(F)从一个相对于该关断频率提高的频率(F_start)出发逐渐降低到预定的最低频率(F_min)，倘若该安全关断装置(12)在这种情况下没有被关断，和，如果在这种情况下该安全装置(12)被关断，重复上述过程。

5.根据权利要求3或者4的工作电路，将所述工作电路设计成：在重复进行点亮尝试期间，将运行变量(t)增大，并且在该运行变量(t)到达一个预定的最大值时，进行点亮尝试。

6.根据上述权利要求之一的工作电路，其中，交流电压发生器是一个带有开关晶体管(6，7)的半桥谐振器，通过产生频率(F)的数字控制电路(12)对所述开关晶体管(6，7)的开关操作定时。

7.根据上述权利要求之一的工作电路，其中，放电灯(1)按与等线圈(10)串联，安全关断装置(12)监测灯线圈电流(13)。

8.根据权利要求7的工作电路，其中安全关断装置(12)的阈值位于室温下的灯线圈(10)饱和电流的1.3倍与2.5倍之间。

9.根据上述权利要求之一的工作电路，将所述工作电路设计成：在成功进行点亮之后将所述频率(F)调节到电源电流上。

10.根据上述权利要求之一的工作电路，将所述工作电路设计成：以谐振电路谐振频率的0.2％与1％之间的步长按照步进方式逐渐降低频率。

Images