CN1589593A

CN1589593A - 加热放电灯的电极的设备

Info

Publication number: CN1589593A
Application number: CNA028232232A
Authority: CN
Inventors: M·贝; A·W·布伊
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-11-23
Filing date: 2002-11-05
Publication date: 2005-03-02
Also published as: WO2003045117A1; JP2005510834A; US20050067973A1; EP1452073A1; AU2002366061A1

Abstract

使放电灯工作的电子镇流器包括一个向放电灯提供放电电流的第一开关式电源和一个对放电灯的电极加热的第二开关式电源。第二开关式电源配有一个包括一个存储至少一个电极加热基准值的存储器的功率控制回路。

Description

加热放电灯的电极的设备

本发明涉及加热放电灯的电极的设备，放电灯由一个包括一个为放电灯提供放电功率的开关式电源(SMPS)的放电功率产生器驱动。

镇流器广泛用来为放电灯提供可控电源。通常，镇流器包括一个预调节器，例如是对电力网(230V 50Hz)的交流电进行整流的双整流器(double rectifier)。经整流的电力网(300-400V的DC母线电压)驱动一个放电功率产生器，为放电灯供电。放电功率产生器包括一个接在预调节器与放电灯之间的开关式电源(SMPS)，用来保证放电灯高效率AC工作。镇流器例如可以用来保持向放电灯提供恒定功率以保持所选择的光强度，也可以用来使放电灯的光强度可控变弱。

许多种放电灯需要在点火前对灯管电极加热。在点火阶段开始前，灯管受到对两个灯管电极的预热处理。在起动阶段和稳定阶段期间，灯管的电极可能还需要加热。通常，放电灯的灯管电极必须产生足够的放电，以得到长的开关寿命、稳定的发光过程和最小的端部变黑。

在有些应用中，除了上面提到的放电功率产生器之外，还用一个加热功率产生器来实现加热电极。除用放电功率产生器驱动放电灯之外，用一个另外的功率产生器加热电极，使加热电极可以与为放电灯提供的放电功率相互独立，从而可以随时更为精确地对电极进行加热。

GB 2316 246 A揭示了一种配有独立的为荧光灯电极进行加热的加热电路的功率产生器。这种加热电路将电极保持在特定的温度。然而，这种产生器是DC供电的，加热电路根据来自温度传感器和灯光传感器的信号来控制灯管的温度。因此，对加热电路的控制是根据灯管温度而不是根据提供给灯管电极的热量。此外，这种设备比较复杂，而且需要灯管温度传感器。

本发明的目的是提供一种比较简单的对放电灯的电极可控加热的设备。

按照本发明，这个目的由一种加热放电灯的电极的设备达到，放电灯由一个包括一个为放电灯提供放电功率的开关式电源(SMPS)的放电功率产生器驱动，这种设备包括：

一个电极加热功率产生器，它包括至少一个开关元件、一些与开关元件连接的初级变压器绕组和一些与放电灯的一个或多个电极连接的次级变压器绕组；

一个控制器，用来向开关元件提供至少一个控制向所述放电灯电极提供的加热功率的控制信号；以及

一个反馈装置，用来将一个表示电极上耗散的热量的信号反馈给控制器；

其中，控制器包括一个可以预先存储至少一个电极加热基准值的存储器，控制器可编程来根据反馈信号控制对电极的加热使得在电极上耗散的热量保持在预先存储的电极加热基准值。因此，控制器将如由反馈信号表示的电极的实际加热与一个预先存储在控制器存储器内的基准值相比较。控制器对向放电灯电极提供的加热功率进行调整到或者保持在预先存储的基准值。由于不同的灯类型可能需要不同的基准值以得到最佳的加热效果，所以预先存储的基准值最好与对于实际在用的灯类型是最佳的加热值相应。

在一个优选实施例中，控制器配有一个可以预先存储多个各与不同的灯类型相应的电极加热基准值的存储器，并且控制器可编程来选择与实际在用的放电灯相应的电极加热基准值。由于最佳加热可以对于不同的灯类型是不同的，所以这将为实际在用的灯管提供改善的加热特性。此外，这些软件可控的灯管加热基准值将使一个特定的加热设备可适合于多种灯类型。这使得这个加热设备的实施例变得更为通用，减少对于不同的灯类型所需的加热设备类型和减少厂家的存储容量。

在另一个优选实施例中，对于控制器进行编程以便为电极提供对实际放电功率电平最佳化的加热功率。例如，在点火前实际放电功率电平为零时可以对灯管的电极进行预热。在灯管上没有放电电压的情况下加热电极将改善点火过程。此外，在灯管变暗时(在稳定阶段期间)，流过灯管电极的电流可以成为低于限定的最小电流值。预定的最小电流值主要取决于所用的放电灯类型。如果灯管电流小于所述最小电流值，就需要对电极加热，而如果灯管电流大于所述最小电流值，则可以停止对电极加热。此外，在灯管电流小于最小电流值的情况下，所需的加热通常要加强，如下面还要说明的那样。

因此，在另一个优选实施例中，控制器包括一个可以预先存储作为变暗等级的函数的多个电极加热基准值的存储器，而且控制器可编程来选择与实际变暗等级相应的电极加热基准值。实际变暗等级最好由控制器根据从放电功率产生器接收到的表示在用的放电灯实际变暗等级的信号确定。因此，对于控制器进行编程，以便根据放电灯变暗等级修改向电极提供的加热功率。这样，浪费的能量最少，而电极的寿命最理想。

在另一个优选实施例中，控制器可编程来根据从放电功率产生器接收到的信号确定在用的灯管实际工作阶段，并且从预先存储在存储器内的多个预先存储的电极加热基准值中选择与所确定的工作阶段相应的基准值。放电灯的最佳工作取决于灯管的工作阶段，即取决于预热阶段、点火阶段、起动阶段和稳定阶段，或者灯管寿命的开始阶段或结束阶段等。此外，在某种情况下灯管工作必须满足一些附加要求。例如，对于一些特殊应用可能需要将灯管的启动时间从1.5s减少到0.5s。这进而又要求在灯管的预热阶段期间向灯管电极提供较大的热量。这可以通过为灯管的这个工作阶段指定一些经修改的基准值来达到。

在又一个优选实施例中，对于控制器进行编程以便在检测到一个表示任何电极有短路的信号时使加热功率产生器切断。这样，加热功率产生器的变压器，如下面要说明的那样，只需要耐短路较短时间。可以利用前面提到的反馈信号来作为指示短路的信号。

加热功率产生器在一个优选实施例中包括一个带有变压器的脉冲宽度可控半桥变换器。这个半桥适合在电压通常为300-500V的DC母线电压的高压电源下工作。各个开关元件的选通驱动信号由控制器产生。通过改变半桥的开关元件的脉冲宽度，可以调整加到灯管电极上的电压。在下面要说明的实施例中，加热功率产生器包括串联的一个第一开关元件和一个第二开关元件，变压器的初级绕组接在第一和第二开关元件之间。

加热功率产生器在另一个优选实施例中包括一个脉冲宽度可控逆向变换器。在下面要说明的这个实施例中，逆向变换器包括一个开关元件，通过变压器的初级绕组接到一个电压源上，而变压器的次级绕组直接与电极连接。由于变压器的次级绕组直接与灯管电极连接，即没有诸如二极管之类的电子器件的介入，因此电极可以是AC工作的，并且可以提供更多的热能。此外，这种逆向变换器电路可以在母线电压高达400V甚至还高的情况下工作。采用这种逆向变换器的布局在比较低的电压V_dd(通常为10-15V)下也可能工作。

将表示在电极上耗散的热量的信号反馈给控制器的反馈装置在另一个优选实施例中包括一个接在一个开关元件和地之间的电阻元件(例如一个电阻器)和一条将这个电阻元件上的平均电压作为反馈信号反馈给控制器的分路。平均电压给出了相当好的在灯管电极上耗散的能量的指示。

在以下对本发明的两个优选实施例的说明中给出了其他一些优点、特征和细节。在本说明所参考的附图中：

图1为使放电灯工作的镇流电路和加热放电灯的电极的加热设备的原理图；

图2为图1原理图的一部分；

图3为灯管电极加热设备的第一实施例的原理图；

图4为灯管电极加热设备的第二实施例的原理图；以及

图5为作为电弧电流I_lamp的函数的电极电压V_elec的曲线图。

在图1中，使放电灯LP工作的工作设备1(镇流器)的输入端子A、B接到通常是电力网M(220V，50Hz)的电源上。输入端子A、B接到预调节器2上，预调节器2可以是接成串联的一个整流二极管桥、一个上变频器和一个能量缓冲器。二极管桥对电力网M进行整流，提供一个在300到500V之间的DC供电电压或母线电压U_DC。预调节器2与开关式电源(SMPS)3连接。SMPS为放电灯LP供电。在高频工作(低压灯)的情况下，开关式电源最好包括一个诸如半桥或全桥变换器之类的矩形波电压变换器，用来将DC供电电压变换成高频率的AC电压。在方波电流工作的情况下，开关式电源包括一个下变频器和一个换向器。半桥-全桥电路或换向器具有端子D、E。

镇流器1的工作由镇流器控制器4控制。

此外，镇流器1配有一个外部加热设备5，用来在点火前预热阶段和/或在点火后起动或稳定状态阶段加热灯管LP的电极。外部加热设备5可以由控制器6控制。

在图2中更详细地示出了图1所示的电路的一部分。具体地说，图2示出了加热设备5和它的控制器6。可选地，在镇流器控制器4和加热设备控制器6之间配置一条传输线13，用来在这两个控制器之间传输数据。还示出了分别与变压器T的次级绕组7和8连接的灯管电极e₁、e₂。变压器T的初级绕组9是加热设备5的一部分。

在图3中，示出了加热设备5的第一优选实施例。加热设备实现为一个带变压器T的半桥变换器。这个半桥包括串联的一个第一开关元件S₁和一个第二开关元件S₂。第二开关元件S₂可以接到任何适当的电源上，例如接到放电功率产生器(在图3中示为电源1)的预调节器2提供的母线电压U_DC上。变压器T的初级绕组9(通过电容器10)接在第一和第二开关元件之间。开关元件的控制由包括一个存储器和一个处理器(未示出)的可编程微控制器6提供。微控制器6向第一开关元件S₁提供一个第一脉冲宽度调制(PWM)控制信号PWM1，而通过电平移动器11向第二开关元件S₂提供第二脉冲宽度调制控制信号PWM1。

在另一个优选实施例(未示出)中，在开关元件的源线内有一个比较小的电阻，其结果是较好地处理短路情况。

通过改变PWM1和PWM2的脉冲宽度可以控制加到灯管电极e₁、e₂上的电压，从而控制提供给灯管电极的加热功率。此外，在地和第一开关元件S₁之间接有一个欧姆电阻器14，而且配置了一条接至微控制器6的分路12。通过分路12可以向控制器6提供一个反馈信号FB。反馈信号FB是电阻器14上的平均电压，用来监视加热设备5所消耗的功率(电流×供电电压)。这个功率表示灯管LP的电极e₁、e₂实际消耗的热能。这个反馈回路确立了一种得到改善的对实际提供给灯管电极的功率进行的控制。

在图4中，示出了加热设备5的第二优选实施例。在这个实施例中，加热设备5实现为一个与变压器T组合的逆向变换器。这个逆向变换器包括一个开关元件S₃，通过变压器T的初级绕组15接到电压源U上。二极管16用来保护开关元件S₃，防止在开关元件S₃切断时变压器T的去偶感应引起的电压尖脉冲。变压器T的次级绕组7和8直接与灯管LP的电极e₁、e₂连接。开关元件S₃由微控制器6控制。微控制器6产生脉冲宽度可变而频率固定的矩形波电压信号PWM3。在预热阶段期间，脉冲宽度为最大值，对灯管电极进行最大量的加热，而在灯管工作期间，脉冲宽度可以小一些，这取决于所需的加热量。在灯管的暗光工作期间，即在镇流器1输出的放电功率设置为降低的暗光电平时，镇流器控制器4通过传输线13向加热设备的控制器6提供一个表示所设置的暗光电平的暗控制信号。微控制器6对于暗控制信号的每个值来确定提供给开关元件S₃的控制信号的正确脉冲宽度，因此对开关元件S₃进行控制。

所述实施例的逆向变换器可以接到一个低DC电压源上，例如接到也用作微控制器的工作电压的12V左右的电压V_dd上。然而，由于变压器T的次级绕组直接与灯管的电极e₁、e₂连接而没有二极管元件，因此可以使用AC电压源，其结果是能够向电极提供更多的热能。

此外，在地和开关元件S₃之间接有一个欧姆电阻器18，而且配置了一条接至微控制器6的分路19。通过分路19可以向控制器6提供反馈信号FB。正如前面提到的那样，反馈信号是电阻器18上的平均电压，用来监视加热设备5消耗的功率(电流×供电电压)。这个功率表示灯管LP的电极e₁、e₂实际消耗的热能。

在控制器5的存储器内存储有对于不同灯管类型的多个电极加热功率基准，每个功率基准属于一种特定的灯管类型。由于不同的灯管类型在不同的工作阶段(预燃、点火、起动、在全或暗等级稳定工作)期间可能需要不同的加热能量，所以与特定灯管类型有关的预先存储的基准值设置为与对于所述特定灯管类型为最佳的能量相应。控制器5能选择符合实际在用的灯管类型的功率基准值。这种选择可以通过用户干预，例如在通过硬件或软件向控制器指出在灯管的接线端C、D之间接的是哪种类型的灯管后实现，也可以在控制电路装有用于确定所接灯管类型的装置的情况下自动实现。

除了取决于灯管类型之外，最佳电极加热功率还可以取决于变暗等级。在这种情况下，微控制器6编程成对加热功率产生器(即图3中的半桥或图4中的逆向变换器)进行控制，使得在使灯管变暗、放电功率产生器提供的灯管电流成为小于一个预定的最小电流值I_lamp.min时对电极加热。在灯管进一步变暗、灯管电流进一步减小时，控制器6将使加热功率产生器提供更多的功率以增强对灯管电极的加热。这种控制情况进一步如图5所示。图5示出了一条曲线，表示电极电压V_elec作为流过灯管的电极之一的灯管电流I_lamp的函数。为了简单起见，省略了电极电压作为另一个电极的灯管电压的函数的曲线。然而，这条曲线通常与前面提到的曲线是相同的，因为两个电极将同样加热。

在灯管以100％等级工作时，不必另外用加热设备对电极加热。然而，在灯管变暗、灯管电流I_lamp减小到最小灯管电流I_lamp，min时，电极需要另外用加热设备加热。灯管电流越小，电极需要用加热设备另外的加热就越多。这样，将增加电极的寿命，同时减少浪费的能量。

实际变暗的等级可以由控制器根据表示在用的放电灯实际变暗等级的信号确定。这个信号由放电功率设备1的微控制器4产生，通过传输线13(图1)发送给加热功率设备5的微控制器6。对于微控制器6进行编程，以便根据变暗等级信号来修改提供给电极的加热功率。这样，可以节约能量和延长电极的寿命。

需要的加热量还可以取决于灯管的工作阶段，该信息可以从镇流器控制器4得出。在这种情况下，表示灯管的工作阶段的信号由镇流器控制器4产生，发送给加热设备控制器6。于是，控制器6从它的存储器中选择给出对当前的灯管类型和灯管的当前工作阶段为最佳的加热的基准值。

在又一个实施例中，对于微控制器6进行编程，以便对一个指示任何灯管电极e₁、e₂有短路的信号进行检测。这个信号可以是上面提到的反馈信号，也可以是任何其他适合于这个用途的信号。检测到短路后，微控制器6中断脉冲宽度调制控制信号PMW1(控制信号PMW2和/或PWM3)。结果，加热功率产生器5切断。因此，加热功率产生器5只需要耐短路比较短的时间，从而电路可以简化。

在以上这些实施例中，工作设备1的控制器4和加热设备5的控制器包括两个独立的微控制器。然而，也可以想象将工作设备1的控制器4和加热设备5的控制器6组合在一个微控制器内。这将进一步简化这种电路的设计和实现。

本发明并不局限于以上所说明的本发明的这些优选实施例；本发明要求保护的权利由权利要求书规定，可以设想在本发明的范围内可以有许多变型。

Claims

1.一种加热一个放电灯的电极的设备，所述放电灯由一个包括一个为所述放电灯提供放电功率的开关式电源(SMPS)的放电功率产生器来驱动，所述设备包括：

一个电极加热功率产生器，所述电极加热功率产生器包括至少一个开关元件、与所述开关元件连接的初级变压器绕组以及与所述放电灯的一个或多个电极连接的次级变压器绕组；

一个控制器，用来向所述开关元件提供控制向所述灯的电极提供的加热功率的至少一个控制信号；

一个反馈装置，用来将一个表示在所述电极上耗散的热量的信号反馈给所述控制器；

其中，所述控制器包括一个可以预先存储至少一个电极加热基准值的存储器，所述控制器可编程来根据反馈信号控制对电极的加热以便使得在电极上耗散的热量保持在预先存储的电极加热基准值。

2.按照权利要求1所述的设备，其中所述至少一个控制信号是一个由所述控制器向所述至少一个开关元件提供的脉冲宽度调制信号。

3.按照以上任何一个权利要求所述的设备，其中所述加热功率产生器包括一个带有变压器的脉冲宽度可控半桥变换器。

4.按照权利要求3所述的设备，其中所述半桥变换器包括串联的一个第一开关元件(S₁)和一个第二开关元件(S₂)，所述变压器的初级绕组连接在所述第一和第二开关元件之间。

5.按照权利要求4所述的设备，包括一个电平移动器，用来移动所述第二开关元件(S₂)的脉冲宽度调制(PWM)控制信号的电平。

6.按照权利要求1或2所述的设备，其中所述加热功率产生器包括一个脉冲宽度可控逆向变换器。

7.按照权利要求6所述的设备，其中所述逆向变换器包括一个通过所述变压器的初级绕组连接到一个电压源上的开关元件(S₃)，所述变压器的次级绕组直接与所述电极连接。

8.按照以上任何一个权利要求所述的设备，其中所述反馈装置包括一个连接在一个开关元件和地之间的电阻元件和一条将所述电阻元件上的平均电压作为反馈信号反馈给所述控制器的分路。

9.按照以上任何权利要求所述的设备，其中对于所述控制器进行编程以便为所述电极提供对实际放电功率电平最佳的加热功率。

10.按照以上任何一个权利要求所述的设备，其中所述控制器包括一个可以预先存储多个各与不同灯管类型相应的电极加热基准值的存储器，所述控制器可编程来选择与实际在用的放电灯相应的电极加热基准值。

11.按照以上任何一个权利要求所述的设备，其中所述控制器包括一个可以预先存储作为变暗等级的函数的多个电极加热基准值的存储器，所述控制器可编程来选择与实际变暗等级相应的电极加热基准值。

12.按照权利要求11所述的设备，其中所述控制器可编程以便根据一个从所述放电功率产生器接收到的表示在用的放电灯的实际变暗等级的信号来确定实际变暗等级。

13.按照以上任何一个权利要求所述的设备，其中所述控制器可编程以便根据一个从所述放电功率产生器接收到的信号来确定在用的灯的实际工作阶段和从预先存储在存储器内的多个预先存储的电极加热基准值中选择与所确定的工作阶段相应的基准值。

14.按照以上任何一个权利要求所述的设备，其中对于所述控制器进行编程以便在检测到一个表示任何一个所述电极中短路时使所述加热功率产生器切断。

15.按照权利要求14所述的设备，其中所述指示短路的信号是反馈信号。