CN1726744A - 改进的高频电子镇流器 - Google Patents

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J·延查克
H·A·范埃斯维尔德
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Abstract

一种用于驱动高亮度放电(HID)灯的方法和镇流器，包括产生用于HID灯的频率非常高的驱动信号；产生低频调制信号；用调制信号以预定的低的初始调制程度对驱动信号进行振幅调制；测量跨HID灯的灯电压；确定灯电压的标准偏差；比较标准偏差和预定的最小水平；如果标准偏差高于预定的最小水平，则逐渐增加调制程度，并重复振幅调制步骤、测量步骤、确定步骤和比较步骤；并且如果标准偏差低于预定的最小水平，则保持振幅调制为确定的程度。

Description

改进的高频电子镇流器
技术领域
本发明涉及对各种类型气体放电灯操作的控制，具体地，涉及在气体放电灯的高频范围内的电子镇流器操作性能的改进。
背景技术
如本领域中所公知的，高亮度放电(HID)气体放电灯当工作在高频下时受到声共振的损害，根据灯的类型上述高频就是指在几kHz和几百kHz之间。但是，在下述这种气体放电灯中声共振被明显地削弱了，其中在这种气体放电灯中，当灯工作在非常高的频率，即高于最高的声共振(例如，对于400W的金属卤化物灯是150kHz)的频率下时，声共振就不会对这些气体放电灯的性能产生负面的影响。但是，在VHF范围内操作气体放电灯的结果是产生了电磁干扰。此外，当气体放电灯工作在VJF灯电流下时，电极温度调制(即，阳极和阴极温度之间的差别)消失了。这导致出现了不同的电极工作条件，这可导致电极上的电弧附属物发生变化。当400W的金属卤化物灯工作在高频，甚至高达500kHz的频率下时，已经发现了与电弧极附属物有联系的电弧不稳定性。
气体放电灯的背弧包含在灯的电极线圈背面的电弧的电弧附属物，与在电极顶端处的电弧的理想电弧附属物相对。这可以影响电弧管末端的热平衡，而其又可以影响蒸气压力。因此，影响了灯的颜色性能。
有多种公知的用于在高频下稳定地操作HID灯的方法。第一种方法是在低于最低的声共振频率的电流频率下工作。这种方法局限于功率非常低的灯，这是因为声共振频率范围超过了灯管的内径。对于更高瓦特数(更大)的灯来说，最低的声共振频率低于40kHz功率频率(20kHz电流频率)，电路可产生声频噪声。第二种方法是找到“共振自由限幅(resonace free window)”，其位于声共振频率之间。这种方法决定性地取决于灯的尺寸。在制造公差内很小的改变或者在灯的整个寿命中灯参数的改变都可能使该“限幅”消失。针对这种方法的一种变型是在弱共振范围内的扫频。同样，频率范围非常依赖于灯的尺寸。用于稳定地操作HID灯的第三种方法是充分增加频率，以使得抑制声共振。在这种情况下，很难保证不再产生非常弱的共振。这些弱共振的频率不可预见地从一个灯变化到另一个灯，并甚至可以从一个工作周期变化到另一个工作周期。在VHF的频率扫描无法完全证实可成功地消除这些不稳定性。
本发明的一个目的是能够以非常高的频率驱动HID灯，同时消除电弧的不稳定性。该目的是在驱动高亮度放电(HID)灯的方法中实现的，该方法包括以下步骤：产生用于所述HID灯的频率非常高的驱动信号；产生低频调制信号；用所述调制信号以10％到30％的程度对所述驱动信号进行振幅调制；以及提供所述振幅调制后的驱动信号给所述HID灯。
申请人已经发现，当调制信号的频率基本上为100Hz，并且驱动信号的频率在100kHz到500kHz的范围内时，可得到HID灯的电弧的稳定性。
由于每个灯的性能直接与稳定性有关，所以在本发明的优选实施例中，驱动高亮度放电(HID)灯的方法包括以下步骤：产生用于所述HID灯的频率非常高的驱动信号；产生低频调制信号；用所述调制信号以预定的低的初始调制程度对所述驱动信号进行振幅调制；测量所述HID灯上的灯电压；确定所述灯电压的标准偏差；比较所述标准偏差与预定的最小水平；如果所述标准偏差高于所述预定的最小水平，则逐渐增加所述调制程度，并重复所述振幅调制步骤、所述测量步骤、所述确定步骤和所述比较步骤；以及，如果所述标准偏差低于所述预定的最小水平，则保持所述振幅调制在所述预定程度。该方法可以修改为，当驱动频率为初始值时首先尝试该振幅调制。然后，如果当振幅调制量达到预定量时标准偏差没有下降到低于预定的最小水平，则可逐渐增加(或减小)驱动频率，并重复该过程，直到达到驱动频率和振幅调制量的适当组合为止。
附图说明
以下参考附图描述本发明，上述及其它目的和优点将随之在下文中显现出来，附图中：
图1示出了根据本发明的驱动灯的镇流器的电路框图；
图2示出了用于图1所示镇流器中的半桥电路的电路框图；
图3示出了在本发明的一个实施例中的灯电压的曲线图；
图4示出了在本发明的另一个实施例中的灯电压的曲线图；
图5示出了当逐渐增加振幅调制时灯电压的曲线图；
图6示出了不同驱动频率下灯的一个实施例的标准偏差随灯电压变化的曲线图；
图7示出了不同驱动频率下灯的另一个实施例的标准偏差随灯电压变化的曲线图；
图8示出了图2所示实施例的变形，其中灯电压的标准偏差受到监控。
具体实施方式
图1示出了镇流器1的电路框图，其包含向普通的灯3提供灯电流IL的本发明。镇流器1包括电磁干扰滤波器10，用于对提供给它的线电压(line voltage)进行滤波。线电压整流器12对来自滤波器10的线电压进行整流，并提供直流电压VD给升压转换器14。能量缓冲器16跨接升压转换器14的输出，而来自于其的输出还提供给半桥电路18。来自半桥电路18的输出形成镇流器1的输出，并提供给灯3。
图2示出了半桥电路18的实施例。半桥电路18包括串联设置的第一开关T1和第二开关T2，表示为MOSFET，还包括连接在半桥电路18的输入端20和22之间接收电压VD的阻抗Z。串联设置的变压器TF的初级绕组PW、电感器L、第一电容器C1和第二电容器C2连接在第一和第二开关T1和T2间的接点与第二输入端22之间。半桥电路18的输出端24和26跨第二电容器C2设置，并且可连接到灯3。
微控制器28接收来自第一输入端20的电压VD以及来自第二开关T2和阻抗Z间接点的电流ID。此外，一末端连接到地的变压器TF的次级绕组SW提供电流IF给微控制器28。响应于电压VD以及电流ID和IF，微控制器28产生控制电压VFM，用于将电压控制振荡器30的振荡频率控制在所需的灯工作频率上。电压控制振荡器30产生工作频率下的控制电压VC以提供给半桥驱动器电路32。响应于控制电压VC，半桥驱动器电路32产生用于第一和第二开关T1和T2的栅极的驱动信号。通过对总线电压VD进行振幅调制可以完成对灯信号的振幅调制。为此，振幅调制器34包括在输入端20和第一开关T1之间。振幅调制器34具有耦合到微控制器28输出端的控制输入端，用于接收表示所需的振幅调制量的控制信号VAM。应该理解的是，还有用于对灯信号进行振幅调制的其它设置，它们可替换上面描述的实施例。
申请人已发现，为了实现HID灯的稳定操作，仅对用于灯的VHF驱动电压进行振幅调制是不够的。尽管振幅调制波形可以是正弦波、方波、斜波或三角波，但较大的振幅调制量仍然是必要的。在一个实例中，带有陶瓷罩的150W的HID灯工作在500kHz的电流频率下。然后用相当于10％调制的100Hz的100mV方波信号对提供给灯的电压波形进行调制。如图3中所示，波形A表示在没有振幅调制情况下在大约20秒的时间周期内的灯电压VL，而波形B表示在相同时间内经过振幅调制的灯电压VL。显然，如波形A中所示的灯电压较大的变化范围表明电弧的不稳定性。如波形B所示，在具有合适的振幅调制量的情况下，灯电压较大的变化范围得以消除，且灯的工作是稳定的。在第二个实例中，如图4所示，灯工作在400kHz的电流频率下。图4中，波形C表示在没有振幅调制情况下在大约20秒的时间周期内的灯电压VL，而波形D表示在相同时间内经过振幅调制的灯电压VL。
由于每个灯的工作条件都是不同的，并且灯的工作参数可随时间改变，所以可能需要改变振幅调制量。图5示出了逐渐增加振幅调制的效果。具体地，带有陶瓷罩的150W的HID灯工作在500kHz的电流频率下。灯电压VL随时间周期性变化，并且示出具有4秒的间隔。然后逐渐增加VHF信号的振幅调制，直到在250mV(近似25％调制)时灯达到稳定。具体地，波形E示出了在没有振幅调制情况下的灯电压VL，波形F示出了调制程度为100mV时的灯电压VL，波形G示出了调制程度为150mV时的灯电压VL，波形H示出了调制程度为200mV时的灯电压VL，以及波形I示出了调制程度为250mV时的灯电压VL。应理解的是，与波形E-H相比，灯电压VL在波形I中具有明显较小的变化，从而实现相当稳定的操作。当振幅调制取消后，灯回复到不稳定的工作状态(波形J)。
鉴于上述情形，申请人确信，可以通过检查灯电压VL的标准偏差来确定所需的振幅调制量。当灯的电弧变得不稳定时，它偏离了正常的长度，并且产生一个电压分布。在示例性的研究中，10毫秒时间周期(相当于振幅调制信号的一个周期)内的灯电压波形被数字化，并计算出有效电压。这种测量被重复500次，并计算出这500次测量的标准偏差。每次标准偏差测量的总时间大约为10秒。70W的圆柱形放电灯在没有振幅调制的情况下工作在从250到300kHz的整数VHF电流频率下。在这51个离散的频率中，只有3个是稳定的(在400kHz以上持续不稳定)。在用100Hz方波进行的30％振幅调制情况下，这些频率中的34个是稳定的。图6中说明了该情况，其中绘出了在250到300kHz的电流频率下，在没有振幅调制(圆点50)和具有振幅调制(三角形52)情况下的500次电压测量的标准偏差。标准偏差为0.1处的水平线是电弧稳定性(＜0.1)和电弧不稳定性(＞0.1)的近似分界线。对于100Hz的方波和100Hz的正弦波，研究了稳定这种70W灯所需的百分比振幅调制的效果。VHF频率是285kHz，在没有振幅调制时是不稳定的。对于方波调制，20％到30％调制下的电弧是稳定的，对于正弦波调制，15％到30％调制下的电弧是稳定的。
研究了方波和正弦波在30％振幅调制情况下的调制频率。进行方波调制时，在100和400Hz时灯是稳定的，而在200Hz时，放电有一个周期性的运动。到500Hz时，在底部电极处存在快速的闪烁，并且在1000Hz时灯是不稳定的。进行正弦波调制时，在100Hz和200Hz时电弧是稳定的，而在400Hz时，有间歇的不稳定。到500Hz时，灯是不稳定的。调制频率的下限是通过由灯功率和光输出的强调制所导致产生的闪烁感来确定的。
在第二个实例中，利用振幅调制稳定了带有石英罩的100W非圆柱形HID灯。在从150到200kHz的所有51个VHF频率下，灯沿垂直方向是不稳定的。在增加了30％方波振幅调制时，在这些频率中的许多频率下灯的稳定性显著地增加了。图7中说明了该情况，其中绘出了在没有振幅调制(圆点54)和具有振幅调制(三角形56)情况下的500次电压测量的标准偏差。
考虑到上述情况，申请人设计出了图2中所示电路的变型方案。如图8中所示，灯电压VL被提供给模数(A/D)转换器40。然后，数字化了的灯电压被提供给标准偏差电路42，其计算在预定时间周期内的灯电压的标准偏差。然后将该标准偏差提供给阈值检测器44，其确定标准偏差什么时候低于表示灯稳定工作的预定水平。阈值检测器44的输出被提供给微控制器28。
工作中，微控制器28开始时不产生用于振幅调制器34的输出调制信号。根据阈值检测器44的输出，微控制器28开始以预定的最小量产生输出调制信号，并逐渐增加振幅调制量，同时通过A/D转换器40、标准偏差电路42和阈值检测器44监控结果。一旦灯电压的标准偏差下降到低于阈值检测器44中的预定阈值，微控制器28就停止增加振幅调制量，然后保持在该最佳程度上。
上述过程之后，灯电压的标准偏差可能仍高于预定阈值。因而，微控制器28需要改变灯的工作频率，然后重复振幅调制量逐渐增加的操作。为此，上述工作过程做如下修改，微控制器28最初提供控制信号给VCO30，使VCO30以预定的初始频率工作。根据阈值检测器44的输出，微控制器28开始以预定的最小量产生输出调制信号，并逐渐增加振幅调制量，同时通过A/D转换器40、标准偏差电路42和阈值检测器44监控结果。一旦灯电压的标准偏差下降到低于阈值检测器44内的预定阈值，微控制器28就停止增加振幅调制量，然后保持在该最佳程度上。如果一旦振幅调制量达到例如30％时灯电压的标准偏差没有下降到预定阈值以下，则微控制器28就逐渐增加VCO30的频率，然后重复振幅调制量逐渐增加的操作。该过程延续至获得频率和振幅调制量的合适组合为止。
对于本领域的技术人员来说，存在对本文中所公开的结构的各种变更和修改。但是，应理解的是，上面所描述的实施例仅是为了说明的目的，而不能认为是对本发明的限定。所附权利要求的范围意在包括不脱离本发明精神的所有这些修改。

Claims (13)

1.一种驱动高亮度放电(HID)灯(3)的方法，包括以下步骤：
产生(28、30、32)用于所述HID灯的非常高频率的驱动信号；
产生(28、34)低频调制信号；
用所述调制信号以10％到30％的程度对所述驱动信号进行振幅调制(34、T1、T2)；以及
提供(PW、L、C1)所述振幅调制后的驱动信号给所述HID灯(3)。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述调制信号的频率基本上为100Hz。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述驱动信号的频率在100kHz到500kHz的范围内。
4.一种驱动高亮度放电(HID)灯(3)的方法，包括以下步骤：
(a)产生(28、30、32)用于所述HID灯的非常高频率的驱动信号；
(b)产生(28、34)低频调制信号；
(c)用所述调制信号以预定的低的初始调制程度对所述驱动信号进行振幅调制(34、T1、T2)；
(d)测量(40)所述HID灯上的灯电压；
(e)确定(42)所述灯电压的标准偏差；
(f)比较(44)所述标准偏差与预定的最小水平；
(g)如果所述标准偏差高于所述预定的最小水平，则逐渐增加(28、34)所述调制程度，并重复步骤(c)、(d)、(e)和(f)；以及
(h)如果所述标准偏差低于所述预定的最小水平，则保持所述振幅调制在所述确定的程度。
5.如权利要求4所述的方法，其中，所述驱动信号的频率在100kHz到500kHz的范围内。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述调制信号的频率基本上为100Hz。
7.如权利要求6所述的方法，其中，最初将所述驱动信号设定在所述频率范围的底部，如果在步骤(f)当振幅调制量达到预定量时所述标准偏差没有下降到所述预定的最小水平以下，则逐渐增加驱动信号频率，并且在步骤(b)重复以初始程度和逐渐增加的程度作振幅调制的所述方法。
8.一种用于驱动高亮度放电(HID)灯(3)的电子镇流器(1)，所述镇流器包括：
直流电压的电源(10、12)；
转换器(14)，用于将所述直流电压转换成直流驱动电压；
用于产生用于所述HI D灯的非常高频率的驱动信号的装置(28、30、32)；
用于产生低频调制信号的装置(28、34)；
用于用所述调制信号以10％到30％的程度对所述驱动信号进行振幅调制的装置(34、T1、T2)；和
用于将所述振幅调制后的驱动信号提供给所述HID灯(3)的装置(PW、L、C1)。
9.如权利要求8所述的电子镇流器(1)，其中，所述调制信号的频率基本上为100Hz。
10.如权利要求8所述的电子镇流器(1)，其中，所述驱动信号的频率在100kHz到500kHz的范围内。
11.一种用于驱动高亮度放电(HID)灯(3)的电子镇流器(1)，所述镇流器包括：
直流电压的电源(10、12)；
转换器(14)，用于将所述直流电压转换成直流驱动电压；
用于产生用于所述HID灯的非常高频率的驱动信号的装置(28、30、32)；
用于产生低频调制信号的装置(28、34)；
用于用所述调制信号以预定的低的初始调制程度对所述驱动信号进行振幅调制的装置(34、T1、T2)；
用于测量所述HI D灯上的灯电压的装置(40)；
用于确定所述灯电压的标准偏差的装置(42)；和
用于比较所述标准偏差和预定的最小水平的装置(44)；
其中，如果所述标准偏差高于所述预定的最小水平，则所述振幅调制装置(28、34)逐渐增加所述调制程度，并且所述测量装置(40)、所述确定装置(42)和所述比较装置(44)重复它们各自的功能；以及
如果所述标准偏差低于所述预定最小水平，则所述振幅调制装置(28、34)保持所述振幅调制为所述确定的程度。
12.如权利要求11所述的电子镇流器(1)，其中，所述驱动信号的频率在100kHz到500kHz的范围内。
13.如权利要求12所述的电子镇流器(1)，其中，所述调制信号的频率基本上为100Hz。
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