CN1826032A - 用于具有电流测量装置的高压放电灯的电子镇流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子镇流器和一种用于高压放电灯的运行方法。在电流测量期间，尤其是为了电流调整，只考虑电流的特定极性的开关阶段。

Description

用于具有电流测量装置的高压放电灯的电子镇流器

技术领域

本发明涉及用于高压放电灯的电子镇流器及相应的运行方法。

背景技术

使用电子镇流器的高压放电灯的运行本身是传统的。这种镇流器包括变流器，经常是具有两个开关晶体管的半桥变流器和具有四个开关晶体管的全桥变流器。在灯持续运行期间，简单地说，这些变流器给灯产生DC电压电源，这些DC电压电源在低频时在它们的极性方面发生交替。在这种纯粹是DC运行的情况下，由于不对称引起的发生在灯中的干扰现象得到避免，但是，同时也是干扰的更高频率基本上和灯隔离开来。

在这些镇流器的情况下，测量灯电流也是熟知的，以便例如在超过或未达到特定的阈值时提供一种安全断路，或为调整灯电流或具有相应信号的灯功率提供一种调整电路。在变流器操作期间，产生了通过开关晶体管的电流的交替极性的开关阶段(switching phase)，以至于为处理在测得的电流信号中产生的极性改变，在现有技术里已经证明了各种各样的解决方法。

发明内容

本发明基于的技术问题是，详细说明用于运行高压放电灯的电子镇流器及相应的运行方法，其中能够以有利的方式进行电流测量。

本发明首先涉及用于运行高压放电灯的电子镇流器，该电子镇流器具有变流器，该变流器具有至少两个为灯产生电源的开关晶体管，该电子镇流器利用了对开关晶体管的开关操作，该开关晶体管具有通过灯的电流的极性交替的开关阶段，其特征在于具有测量电阻的电流测量装置，该电流测量装置和开关晶体管中的至少一个串联连接，并被设计成只在正好具有所述极性中的一种极性的变流器开关阶段期间进行电流测量，本发明还涉及具有这样的镇流器和合适的高压放电灯的相应的照明设备，最后还涉及用于运行高压放电灯的相应的运行方法。

在从属权利要求中详细说明了优选的改进，以下将详细解释。在这种情况下，单独的特征隐含地涉及到装置方面和本发明的方法方面，在这两方面之间没有示出特有的区别。

本发明的基本思想在于避免在现有技术中熟知的技术复杂性，因为测量装置的具有交替电流极性的电流测量只是在特定极性的开关阶段内进行的。因此，用测量电阻器以简单的方式测量电流是可能的，另外在评估方面又不复杂。

已经表明，或多或少的持续的电流测量对许多应用来说实际上是不必要的，就极性改变而言为此所需的技术复杂性产生了不必要复杂和昂贵的解决方案。这里所述的变流器电路表明了其稳定性，该稳定性对高压放电灯的典型的整流频率和所得到的开关阶段长度是足够的，这意味着间歇的电流测量模式是可行的。

本发明已经被证明对具有两个开关晶体管的半桥变流器是非常成功的。在这种情况下高压放电灯被连接到两个开关晶体管之间的中心抽头上，并且优选地利用其另一端子被容性地连接到半桥变流器的至少一个电源电势上。电容耦合意味着，位于半桥变流器的两个电源电势之间的中间位置处的电势基本上被加到这个灯端子上。在这种情况下电容耦合具有优势，即在因中间电势和电源电势间的中点值之间的偏差而引起不对称的情况下，电容耦合具有“自返回(self-returning)”效果，也即在某种程度上，在灯运行方面具有平衡效果。这结合灯电流测量是有利的，该灯电流测量是在特定的开关阶段中进行的，也即关于极性不对称。

变流器优选是数字控制的，也即将开关晶体管导通和关闭的信号是由数字电路产生的。出于这个目的，优选使用可编程微控制器。

另外，本发明尤其是在数字控制情况下适合于采用电流或功率调节的应用。在这种情况下，调节电路在数字控制的情况下是该数字控制的一部分。在这种情况下，数字变流器控制器尤其可以使用占空比来控制，也即开关阶段的相对持续时间。

在先前提到的在灯中用于极性换向的变流器开关阶段中，变流器也可以被设计成把提供给灯的电源输出电压与该灯相匹配，也即特别是降低它。因此，除了负责极性换向的半桥功能以外(例如60Hz-400Hz)，本发明的该优选实施例还通过两个开关晶体管之一的间歇开关操作而在该开关晶体管的一个开关导通阶段内分别工作为一个降压变流器。在任何情况下都是必要的灯感应器可以在这种情况下作为降压变流器的电感。

这尤其可以结合升压变流器来进行，该升压变流器被连接在半桥变流器的前面作为功率因数校正电路。对于功率因数校正电路，升压变流器是特别简单和有效的选择，但是和其他更复杂的功率因数校正电路相比具有的缺点是，其只能产生超过电源系统电压峰值的电压。这意味着半桥变流器的中心抽头随该电压偏移而振荡，也即灯将半个该电压偏移看成是电源电压振幅。这个数值对于高压放电灯的持续运行可能会太大，由于这个原因使用上述的降压变流器功能。

在用于电流测量的开关阶段中，该电流测量随后另外发生在相关的开关晶体管的开关导通阶段(相对于降压变流器操作)内。然后，测得的电流值由于已知的降压变流器操作的时间参数而可以被转换为实际的灯电流(也即，考虑锯齿形电流/时间积分(integrals))。

结合上述的电流调整电路或功率调整电路，或在测得的电流值的其他应用中，在那些没有电流测量的开关阶段期间优选地参考来自于在前面紧挨着的开关阶段中所存储的值。这些存储值可以是存储的测量电流值或由这些值确定的其它存储值。在任何情况下，使用一个参考前一开关阶段内的电流测量的值。另外，在该开关阶段内的电流测量可以是峰值确定或电流平均值，或另外是在开关阶段内的特定时间点处的电流测量(可能是相对短范围内的平均)，例如在其中点。因此，在这种情况下，在一个时间周期内进行电流测量，该周期与开关阶段的长度相比相对较小。

这里，有必要阐明一个事实，即术语“电流的交替极性的开关阶段”涉及灯电流，因此也涉及(半桥)变流器开关阶段，但不涉及降压变流器开关阶段(在高得多的频率下)。然而，流过开关晶体管的电流本身也由于降压变流器的操作而交替。相对于由于降压变流器操作而导致的电流极性改变，可以在(半桥)变流开关阶段内的那些出现正确(总是相同)极性的时间点处进行测量，和/或可以通过容性的低通滤波器(RC低通滤波器)而方便地分出跨越测量电阻器的电压。通过低通滤波器产生在时间上的某一平均或平滑，结果是高频组件不会破坏评估。另一方面，不需要设计低通滤波器使得在整个开关阶段上确定平均值(在灯中的极性换向意义上)。

附图说明

参考实施例，下面将更详细地解释本发明。这里所描述的单独的特征以其它的结合对本发明也可能是必要的。尤其是，以上所述和以下所述总是既涉及设备方面又涉及本发明的方法方面。

图1表示的是根据本发明的镇流器的电路示意图。

图2表示的是用来说明在图1中示出的镇流器的开关晶体管时序的时间轮廓示意图。

图3表示的是在图2中所示的时序的情况下运行图1所示的镇流器的测量图。

具体实施方式

图1表示的是本身就熟知的具有两个开关晶体管S₁和S₂的半桥拓扑图。所述的开关晶体管S₁和S₂在两个电源分支之间串联连接，在这两个电源分支之间施加中间电路电压U₁。通过系统电压的整流和相应的滤波，以及借助于升压变流器的功率因数校正产生中间电路电压U₁。

由于半桥晶体管S₁和S₂的交替开关操作，它们两者之间的中心抽头在电源分支的电势之间来回切换。相应地，对应于该开关操作的高频交替电势施加到图1所示的电感L₁的左侧端子。电感L₁与高压放电灯、部件G₁串联连接，在电感L₁与高压放电灯之间连接的部件G₁代表本来就熟知的起动电路。该起动电路以对本发明不重要的方式借助于电容放电和升压变换为了起动灯而产生起动脉冲。灯的右侧端子通过两个耦合电容器C₄和C₅连接到两个电源分支。耦合电容器C₄和C₅保证了灯的右侧端子具有以下电势，该电势介于电源分支的电势之间的中间位置。因此该电路能产生横跨灯的半个中间电路电压。滤波电容器C₃和灯并联连接。灯电感L₁和起动电路G₁之间的抽头在所有情况下都通过两个滤波电容器C₁和C₂连接到电源分支。滤波电容器C₁、C₂和C₃的位置不必同时出现。也可能只需要占据一个或两个滤波电容器位置。况且滤波电容器C₂也可以连接到点B而不是点A。

在高压放电灯的实际运行期间，80V-150V数量级的运行电压是必要的，实际上其比通常所用的中间电路电压的一半要小。在这种情况下，因此半桥晶体管S₁在开关阶段期间以定时的方式被中断，其中，例如该半桥晶体管S₁为了在该开关阶段期间和电感L₁一起产生降压变流器操作而在开关阶段期间导通。结果，通过降压变流器操作可以设定预期的灯运行电压。

二极管D₁和D₂是续流二极管，其也可以通过场效应晶体管S₁和S₂的体二极管而实现。

图1还表示了在下部开关晶体管S₂的(下部)端子(其在图中更接近参考电势)和下部电源分支自身上的参考电势之间的电流测量电阻R₁。测得的电压U₃通过包括电阻R₂和电容C₆的电容性低通滤波器被平均，该电压U₃跨过该测量电阻R₁而降落。被平均的电压U₄通过数字微控制器控制装置(在此未示出)供应给评估过程。

测量电阻R₁的开关位置一方面和两个开关晶体管S₁和S₂串联连接，另一方面，直接连接到参考电势(内部接地)。因此，相对于参考电势，评估电压U₄特别简单。

图1中电路的变型自然也可以被构想。例如，不用一个灯电感，可以用两个灯电感，这两个灯电感共同连接到起动电路G₁，但是分开连接到开关晶体管，也即，一个连接到上部开关晶体管S₁的下部端子，另一个连接到下部开关晶体管S2的上部端子。在这种情况下，续流二极管D₁和D₂也可以是交叉连接，也即，用于下部开关晶体管S₂的续流二极管连接到下部开关晶体管S₂的上部端子，并从那里连接到上部电源电势分支，相反，用于上部开关晶体管S₁的续流二极管从上部开关晶体管S₁的下部端子一直连接到下部开关晶体管S₂的下部端子。

图2表示的是图1中两个晶体管S₁和S₂的开关操作的时序的示意性说明。上面部分代表上部晶体管S₁，下面部分代表下部晶体管S₂。可以看出，在该情况下出现两个周期，准确地说是，首先在脉冲群之间有一个长的周期，然后在脉冲群内有一个短的周期。定性地讲，这对应于上述的降压变流器操作和半桥功能的结合，其中短周期代表降压变流器操作，而长周期代表半桥功能。

图3表示的是在图1所示的镇流器上实际测得的信号。在这种情况下，I_L表示图上面区域的灯电流，而图1所示的电压U₃和U₄被表示在图的中心或下面区域。在图下面所示的箭头区域发生半桥整流操作。箭头之前存在开关晶体管S₂断开的一个开关阶段，而在箭头之后的开关阶段中，上部开关晶体管S₁断开。然后各自的其他开关晶体管利用降压变流器的功能进行操作。

箭头之前，U₃在时间上具有低的负平均值，这对测量来说是不重要的。箭头之后，正区域的平均值明显高了一些。尤其可以看出，是在箭头之后和新的开关阶段中，U₄的被R₂和C₆低通滤波的值升高，并保持在一个特定的值。锯齿型结构的电压U₃在平滑后的电压U₄中可以仅被看作为剩余脉动，其对应于降压变流器的功能，也即，灯电感L₁的充电操作和具有线性上升的相应充电电流。由于通过灯电感L₁和滤波电容器C₁-C₃的平滑，降压变流器功能实质上产生一个横跨灯的DC电压，并于是由该DC电压产生直流的灯电流I_L，这清楚地被表示在图的上面区域。电压U₄的上升相比较而言稍微慢了一些，这通过包括R₂和C₆的低通滤波器的延迟效应可以得到解释。

实际上，在相关的开关阶段中在中间点大致检测到电压U₄，并用于评估的目的。为了这个目的，利用降压变流器操作的时间参数的知识，开关晶体管S₁和S₂的半桥变流器功能(如半桥整流操作)所需的占空比在微控制器中从U₄被计算出。在这种情况下，将灯电流调整到一个预定的需要的灯电流值。如果相应的开关导通或开关断开次数和/或占空比是已知的，那么它们被存储起来并被用作操作的基础，直到在隔一个开关阶段或相同极性的下一个开关阶段中的下一个测量。这在某种程度上是间歇的调整操作。

总体上，本发明因此使得以成本效率方式检测或调整或设定灯电流成为可能，其在控制和元件的复杂性方面是简单的。

Claims (14)

1、用于运行高压放电灯(L)的电子镇流器，

该电子镇流器具有变流器，该变流器具有至少两个为灯(L)产生电源的开关晶体管(S₁，S₂)，

该电子镇流器利用了对开关晶体管(S₁，S₂)的开关操作，该开关晶体管(S₁，S₂)具有通过灯(L)的电流的极性交替的开关阶段，

其特征在于具有测量电阻(R₁)的电流测量装置(R₁，R₂，C₆)，该电流测量装置和开关晶体管(S₁，S₂)中的至少一个串联连接，并被设计成只在正好具有所述极性中的一种极性的变流器开关阶段期间进行电流测量。

2、权利要求1所述的镇流器，其中变流器是正好具有两个开关晶体管(S₁，S₂)的半桥变流器。

3、权利要求2所述的镇流器，其中灯(L)一方面连接到半桥变流器的两个开关晶体管(S₁，S₂)之间的中心抽头，另一方面，通过电容性耦合(C₄，C₅)连接到半桥变流器的电源电势的至少一个。

4、前述权利要求之一所述的镇流器，具有用来控制变流器操作的数字控制装置。

5、权利要求4所述的镇流器，其中数字控制装置是微控制器。

6、前述权利要求之一所述的镇流器具有用于调整灯电流或灯功率的电流调整电路或功率调整电路。

7、前述权利要求之一，至少是权利要求2所述的镇流器，其被设计使得半桥变流器在开关阶段内作为降压变流器操作。

8、前述权利要求之一所述的镇流器，其中升压变流器作为功率因数调整电路并为给变流器产生电源电势而连接到变流器的前面。

9、前述权利要求之一所述的镇流器，其被设计使得在开关阶段期间没有电流测量的情况下，参考由先前的开关阶段的电流测量所确定的存储值。

10、前述权利要求之一所述的镇流器，其中横跨测量电阻(R₁)的电压通过电容性低通滤波器(R₂，C₆)被分出。

11、前述权利要求之一所述的镇流器，其中分别在正好具有一个极性的变流器的开关阶段的小部分中进行电流测量。

12、一种照明设备，其具有如前述权利要求之一所述的镇流器以及适合于此的高压放电灯(L)。

13、一种运行具有镇流器的高压放电灯(L)的方法，其中用于灯(L)的电源由具有至少两个开关晶体管(S₁，S₂)的变流器产生，开关晶体管(S₁，S₂)利用通过灯(L)的电流的极性交替的开关阶段进行操作，

其特征在于，借助于电流测量装置(R₁，R₂，C₆)，通过电流测量装置(R₁，R₂，C₆)的测量电阻(R₁)只在正好具有所述极性中的一个极性的变流器开关阶段期问进行电流测量，其中所述电流测量装置与开关晶体管(S₁，S₂)的至少一个串联连接。

14、如权利要求13所述的运行灯(L)的方法，具有在权利要求2-10的一个中所述的镇流器。

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