CN1883239A - 驱动金属卤化物灯的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种气体放电灯(2)用交流工作。在正持续时间(τ_P)内产生具有正电流强度(|I_P|)的正灯电流(I_P)。在负持续时间(τ_N)内产生具有正电流强度(|I_N|)的正灯电流(I_N)。占空比(D＝τ_P/(τ_P+τ_N))不等于50％。电流比(R＝|I_p|/|I_N|)不等于1。

Description

驱动金属卤化物灯的方法和装置

本发明一般涉及一种用于驱动气体放电灯、特别是HID灯、更具体为金属卤化物灯的方法和装置。尽管本发明的很多方案还可适用于不同的灯类型，但是本发明特别涉及具有相对大长宽比的金属卤化物灯，即长度/直径比大于3或甚至4；通常情况下，长宽比一般为2左右。

气体放电灯是公知的。一般情况下，它们包括以气密方式封闭放电室的发光容器、位于放电室中的可电离填充物和彼此相对设置的一对电极，每个电极连接到相关的电流导体上，而电流导体从放电室穿过灯容器伸出到外部。在工作期间，在所述电极上施加电压，并且在所述电极之间发生放电，使灯电流流过电极之间。尽管可以在相对宽范围的工作电流内驱动单个的灯，但是灯通常都设计成用于在特殊灯电压和灯电流下工作，因而消耗特殊的额定电功率。在这个额定电功率，灯将产生额定量的光。由于HID灯对于本领域技术人员来说是公知的，因此这里不必详细讨论它们的结构和工作情况。

高压放电灯通常由输送换向DC电流的电子镇流器来驱动。用于这种灯的电子镇流器或驱动器通常包括用于接收AC电源的输入、用于将AC电源电压整流成整流电压的整流器、用于将整流电压转换成更高的恒定电压的DC/DC增压转换器、用于将所述更高恒定电压转换成更低恒定电压(灯电压)和更高DC电流(灯电流)的降压转换器，以及用于规则地改变这个DC电流的方向和DC电压的极性的换向器。降压转换器用作电流源。通常，换向器在大约100Hz数量级的频率下工作。因此，实际上，灯正常情况下在恒定电流值下工作，灯电流在非常短的时间(换向阶段)内按照对称方式规则地改变其方向，即，在每个电流周期的50％期间，电极作为阴极工作，在每个电流周期的另一50％期间，作为阳极工作。这种工作方式将表示为方波电流工作。本领域技术人员应该清楚的是，在平均状态下，灯电流在方波电流工作中为零。

美国专利US6369518介绍了一种系统，其中为了控制电极温度和因此控制最冷点的温度而构成占空比。

金属卤化物灯的一个问题是：它们在水平取向上的行为与它们在垂直取向上的行为不同。在水平取向上，颗粒的空间分布大致是均匀的。在垂直取向上，颗粒的空间分布取决于沿着灯轴的位置。这种现象表示为偏析，是由类似于对流和扩散的物理效应产生的，上述对流和扩散都是由灯内的气条件决定的。偏析的量取决于环境，如可电离填充物的压力和材料类型。偏析效应随着电极间隔增加而增加，即随着长宽比增加而增加。

在金属卤化物灯中，由于光是由原子产生的，因此偏析导致的结果是：光强度和光颜色沿着灯的中心轴不再是恒定的，并且灯的总光性能和技术性能将与水平工作时获得的总光性能和技术性能不同。

本发明的一般目的是能影响金属卤化物灯在其垂直取向上的发光能力。

更特别地，本发明旨在影响金属卤化物灯的效率。

在一个方案中，本发明旨在消除偏析效果，理想地尽可能地保持光强度和光颜色沿着灯的中心轴不变。在特定目的中，本发明旨在提供一种灯组件，其自动地保持恒定的效率，而与灯取向无关。

在另一方案中，本发明旨在影响强度，并优选还影响由金属卤化物灯产生的光的色温。在特定目的中，本发明旨在提供一种具有可变色温的灯组件，其能在很大范围内改变色温。

具体地说，本发明旨在影响灯特性，如金属卤化物灯的效率和/或色温，同时用具有保持在零值的DC分量的灯电流驱动灯。在特定的目的中，本发明旨在提供一种具有可变色温的灯组件，它能在很大范围内改变色温，同时保持灯电流的零DC分量。

不用说，本发明的原理还可适用于将灯电流的DC分量保持在任何恒定值。

根据本发明的重要方案，金属卤化物灯用换向电流工作，所述换向电流具有不同于50％的占空比D和不同于1的电流比R。占空比D和电流比R彼此相对选择，以至于在平均值上，灯电流的DC分量具有所希望的值，优选为零。

根据本发明的另一重要方案，金属卤化物灯用换向电流工作，所述换向电流具有不同于50％的占空比D和不同于1的电流比R。为了改变效率和/或色温，占空比D和电流比R按照以下方式同时改变，从而在平均值上，灯电流的DC分量保持恒定，优选为零。结果是，根据灯类型，将在不改变灯电流的DC分量的情况下，改变效率和/或色温。

通过下面参照附图的说明将进一步解释本发明的这些和其它方案、特征和优点，其中附图中的相同参考标记表示相同或相似的部件，其中：

图1示意性地表示金属卤化物灯的实施例；

图2示意性地表示灯组件；

图3是表示在其水平取向中沿着灯的中心轴的颗粒分布的曲线；

图4是表示在其垂直取向中沿着灯的中心轴的颗粒分布的曲线；

图5示意性地表示离子漂移；

图6是示意性地表示电子镇流器的方框图；

图7A-C是表示电流波形的曲线；

图8是表示作为平均灯电流函数的色温的测量结果的曲线；

图9是表示作为平均灯电流函数的效率的测量结果的曲线；

图10是与图7A-C相对比的曲线，表示根据本发明的电流波形；

图11是表示根据本发明的对于电流波形的作为占空比的函数的色温的测量结果的曲线；

图12是表示根据本发明的对于电流波形的作为占空比的函数的效率的测量结果的曲线；

图13是根据本发明的电子灯驱动器的示意方框图；

图14是根据本发明的另一电子灯驱动器的的示意方框图；

图15示意性地表示取向检测器。

首先，参照图1-4介绍金属卤化物灯的一般工作以及灯取向的结果。

图1示意性地表示金属卤化物灯的可行实施例，一般表示为参考标记1。灯1包括透光容器2，在所示实施例中，透光容器具有圆柱形状并具有内部直径Di；然而，其它形状也是可行的。尽管在本发明的上下文中没有重点提到，但是容器2优选由陶瓷材料构成；作为替换物，容器2可以由石英构成。在其纵向端部，用相容材料的插塞或端帽3、4以气密方式封闭容器2。容器2和插塞和/或端帽3、4封闭放电室5，放电室5的直径等于容器2的内径Di，并且具有由端帽3和4之间的距离确定的轴向长度Li。长宽比AR定义为Li/Di比。

在放电室5的内部，以相互距离EA设置两个电极6、7，并基本上与容器2的中心轴对准。按照气密方式，电极导体8分别经过端帽3、4从电极6、7延伸出去。如果端帽3、4由石英制成，则导体8可以熔化到石英中。通常情况下，电极6、7将由不同于电极导体8的材料的材料构成；举例来说，电极6、7可以由钨构成。

在放电容器2的内部，即在放电室5中，设置可电离填充物。在稳定状态工作期间，填充物通常包括含有主要量的汞(Hg)的气氛。通常，该气氛还包括入氙(Xe)和/或氩(Ar)等元素。在实际例子中，其中放电容器2中的总压力在1-2atm数量级，氩和氙可以按照1∶1的比例存在。在另一实际例子中，其中总压力在10-20atm数量级，放电室可以含有汞和相对少量的氩。下面将商业上可获得的灯的这些例子分别表示为相对低压灯和相对高压灯。

放电容器2还含有一种或多种金属卤化物物质。尽管这些可包括溴化物或其它卤化物，但是这些物质通常包括碘化物。这种可行物质的典型例子是碘化锂、碘化铈、碘化钠。其它物质也可以使用。

金属卤化物是作为饱和系提供的，包括过量的盐，从而在灯工作期间，熔化了的盐池(pool)将位于放电室5内。下面将假设盐池位于放电室5内部的最低位置上。

在工作中，放电将在电极6、7之间延伸。由于放电的高温，所述物质将电离，并产生光。产生的光的颜色对于不同物质是不同的；例如，由碘化钠产生的光是红色，而碘化铈产生的光是绿色的。通常，灯将含有合适物质的混合物，并且将选择这种混合物的组分，即所述物质的身份以及它们的相互比例，以便获得特殊的所希望的总颜色。

图2表示安装在灯泡或外壳11中的灯1，所述灯泡或外壳11在其一端具有标准连接灯头12，其适合于螺旋固定到标准灯匹配装置(未示出)中。灯1轴向地与灯泡11对准。灯1由两个支撑导体13和14支撑，它们都合适地分别连接到电极导体8和9上，并且电连接到灯头12的电触点上。

下面将灯1和其周围灯泡11的组合表示为灯组件10。

图2表示在水平取向的灯组件10，即放电容器2的中心轴水平地设置。在这个取向中，电极6和7之间的放电电弧将使它的电弧轴是水平取向的。在这个取向，放电容器2内部的颗粒的空间分布，沿着其中心轴基本上是均匀的，如图3中的水平线H所示。图3是表示作为沿着放电容器2的中心轴的位置的函数的颗粒分压或颗粒浓度的曲线。这个位置由图3的水平轴表示，其中，以参考形式，表示了端帽3和4以及电极6和7的位置。该曲线只涉及电极6和7之间的空间，即电弧的位置。

尽管实际上可电离成分的混合物的组分可以变化，使得每种单独的可电离成分的分压将具有不同的值，但这并没有在图3中示出。应该指出的是，对于本讨论的内容来说，成分分压的准确值不是相关的，因此图3的垂直轴不表示任何尺度标记。只有在所述水平线H的水平上，标出了100％的值。这个值对应成分分压沿着等轴达到的“最大”值。因此，由于所有成分分压沿着等轴基本上是恒定(因此等于最大值)，因此在图3中只用一个水平线H表示所有相互不同的分压。

重要的是实现以下方案：在灯的某位置上，灯1的发光性能取决于在所述某位置上的可电离成分的分压。在所述某位置上的特殊成分的分压越高，则产生的光越多，并具有对应这个特殊成分的特殊光谱性能。因此，如果沿着灯的中心轴的成分的分压是恒定的，如图3中的线H所示，则灯1的发光性能整体上沿着灯1的中心轴也是恒定的，即恒定的发光强度和恒定的颜色。

图4表示与灯1的垂直取向相关的偏析问题。图4是与图3对比的，并且还以参考方式示出了对应灯1的水平取向的水平线H。另外，图4涉及灯1的垂直取向，其中燃烧电弧将使它的电弧轴是垂直取向的。在所示例子中，假设第二电极7是下电极，而第一电极6是上电极，对应图1所示。曲线(A)-(E)表示在这个条件下，颗粒分压不是恒定的，而是根据位置变化的。更特别地，随着到下电极7的距离增加，颗粒分压减小。这种现象是自然现象，是由发生在放电室5内的对流和扩散的组合引起的，这是本领域技术人员都清楚的。

偏析的效果可能是更严重的或更轻微的，取决于环境。作为一般规则，随着放电室5内的压力增加，这种效果变得更严重。例如，曲线(A)可能涉及1-2atm数量级的相对低压情况，而曲线(E)可能涉及在10-20atm数量级的相对高压情况。

此外，偏析的效果在灯的一端(所示例子中的上端)趋于最容易引人注意。靠近下电极7，在本例中颗粒浓度实际上是“正常的”，即与水平条件相同，如由以下事实所示的：在下电极7的部位上，所有曲线在水平线H上彼此相交。在其它部位，颗粒浓度偏离靠近下电极7的它们的值，随着到下电极7的距离增加，偏差也增加，并终止于靠近上电极6的最大偏差。作为一般规则，这种效果随着放电室5的长度Li增加而变得更严重。

此外，偏析的严重程度对于相同灯内的不同元件是不同的。例如，在碘化铈的情况下的偏析比碘化钠情况下的偏析更严重，因而曲线(B)可以代表碘化铈，而曲线(A)可以代表碘化钠。然而，这不是必须意味着碘化钠的分压总是高于碘化铈的分压。

偏析影响灯1的效率，这是因为在一定单位空间内产生的光量与在这个单位空间内光产生颗粒的量成正比，这对于本领域技术人员来说是很清楚的。因此，偏析导致灯的光输出总体上减少。而且，偏析导致光强沿着灯长度不均匀地分布；更特别是，灯的较高部分将产生比灯的较低部分更少的光。

上面已经适用了如果灯只含有一种发光物质的情况。在物质的混合物的情况下，上述情况也适用，但是对于混合物中的各种成分适用于不同的程度，如前所述。由于灯产生的光的总底色(colorimpression)取决于来自混合物的各种成分的光贡献，一方面，偏析导致灯产生的光的颜色总体上变化，另一方面，偏析导致沿着灯的长度上的不均匀颜色分布。

这种效果在灯1的上末端上是最容易引起注意的，而在灯的下末端的情况看起来好像是正常的。如图4所示，在下电极7上，发光成分的相对分压基本上对应水平取向的情况，并且产生的光与设计期望值相一致。相反，在上电极6上，相对分压相对于水平取向的情况有偏差，偏差的程度对于不同成分是不同的。例如，在灯包含预定比例的碘化钠和碘化铈的混合物的情况下，由碘化钠产生的微红色光的量(例如，曲线A)在上电极6上将减少，这是因为上电极6附近的钠原子的浓度减少了，而由碘化铈产生的绿色光的量(例如：曲线B)将减少，这是因为铈原子的浓度减少了。由于在上电极6上，微红色光的强度以及绿色光的强度减小，因此上电极6周围的总光强度也将减小。由于绿色光的减少量比微红色光的减少量大，因此在上电极6周围产生的光的总底色将偏向微红色。

曲线(D)和(E)表示偏析可以严重到在上电极6周围的一定量空间将实际上没有任何发光离子的程度。剩余的是由汞缓冲气体产生的背景辉光。

本发明基于以下认识：电场导致离子传输，结果是，在相反方向上也传输相同元素的原子。这可以示意性地如下所示。考虑到彼此垂直上下叠加的两个电极56和57，上电极56相对于下电极57带负电，如图5中示意性地所示的。这些电极之间的电场由箭头E表示。带正电的粒子P+将感觉到将它推向带负电的上电极56的力。在平衡状态下，将在上电极56附近形成带正电粒子的云状物58，这有效地屏蔽了上电极56带负电，由此减小电场E。

上面已经介绍了直流的情况。在交流的情况下，或者在具有交流方向的“恒定”电流的情况下，在电流周期的第一部分期间带电粒子向一个电极传输，并在电流周期的第二部分期间带电粒子向另一电极传输。带电粒子还感觉到来自对流和/或引力的力以及由灯中的电荷云产生的力。

本发明通过控制放电室中的颗粒分布而控制了由金属卤化物灯产生的光(量和/或色温)。具体地说，根据本发明的实施例，以不同于50％的占空比和不同于1的电流比产生灯电流，并且选择成，使得在平均值情况下，电流的DC分量具有零值。这里，如将要更详细地介绍解释的，电流比定义为正电流幅度和负电流幅度之间的比例。组合改变占空比和电流比同时保持电流的DC分量为零，这取决于灯类型，将导致颗粒分布的改变，因此导致色温和/或效率的改变。

下面将介绍根据本发明的驱动器装置的可行实施例。图6是示意性地表示用于驱动灯1的驱动器装置或电子镇流器60的方框图。电子镇流器或驱动器60通常包括用于接收AC电源的输入端61、用于对AC电源电压进行整流的整流器62、用于将整流电源电压转换成更低的恒定电压(灯电压)的降压转换器64以及用于在极短时间内(换向阶段)规则地改变这个DC电流的方向和DC电压的极性的换向器65。

通常情况下，驱动器设计成使其输出可以看作构成具有交流方向但具有恒定电流值的电流源，并具有50％的占空比，即，该电流在电流周期的50％期间具有一个方向，在电流周期的其余时间内具有相反方向。因此，每个灯电极在电流周期的50％期间作为阴极工作，而在每个电流周期的其余50％期间作为阳极工作，并且平均电流I_AV等于零。图7A是表示作为时间函数的灯电流I_L的曲线，表示这个方波电流工作。图中清楚地示出了灯电流的大小保持基本上恒定(incom)，但是电流的方向在规定基础上改变，表示电流符号从正向负的变化，反之亦然。

下面，将具有一个方向的电流表示为“正”电流I_P，而具有相反方向的电流表示为“负”电流I_N，这是任意的，电流方向与表示“正”相关。

此外，正电流Ip的电流强度将表示为“正”强度|I_P|，而“负”电流的电流强度将表示为“负”强度|I_N|。电流比R将定义为R＝|I_P|/|I_N|；对于方波电流操作，R＝1。

此外，“正”电流I_P的持续时间将表示为“正”持续时间τ_P，而“负”电流I_N的持续时间将表示为τ_N。电流周期t＝τ_P+τ_N。占空比D将定义为D＝τ_P/t；对于方波电流工作，D＝50％。

图7B是表示用于改变色温的一种可能性的曲线。在这种情况下，正强度|I_P|不同于负强度|I_N|，而电流具有50％的占空比。因此，R≠1和D＝50％。应该看出，平均电流I_AV不同于由虚线表示的零。由于电流强度与每单位时间传输的粒子的数量成正比，因此在正电流期间比在负电流期间传输的粒子更多，因而，在平均情况下，将导致粒子传输与平均电流I_AV成正比。下面将粒子传输的这种机理用短语“电流比机理”表示。

图7C是表示用于改变色温的第二种可能性的曲线。在这种情况下，正强度|I_P|等于负强度|I_N|，而电流具有不同于50％的占空比。因此，R＝1和D≠50％。这将看出，平均电流I_AV不等于零，由虚线I_AV表示。在占空比的正半部和负半部，每单位时间传输的粒子的数量将是相同的，但是由于正持续时间τ_P比负持续时间τ_N长，因此在占空比的正半部期间比在占空比的负半部期间将传输更多的粒子，因而，在平均状态下，将导致粒子传输与平均电流I_AV成正比。下面将粒子传输的这种机理用短语“占空比机理”来表示。

如下面所述的，粒子分布的最后偏移对于电流比机理和占空比机理来说是不同的。可以发现可能的示例，实际上灯电压基本上独立于灯电流。因此，在电流比机理的情况下，当占空比等于50％时，平均灯电压将基本上等于零。另一方面，在占空比机理的情况下，平均灯电压将不等于零，与占空比成正比，导致在带电粒子云上产生合力。

本发明建议按照使平均电流保持在零的方式改变占空比D和电流比R。这在图10中示出了，其中图10表示根据本发明的灯电流的例子的曲线。在本例中：

-电流周期是10ms(100Hz)；

-正电流持续时间τ_P等于4ms；

-负电流持续时间τ_N等于6ms；

-正电流强度|I_P|等于528mA；

-负电流强度|I_N|等于352mA。

因此，电流比R＝|I_P|/|I_N|等于1.5，而比例τ_P/τ_N也等于1.5。容易看出，在这种情况下，根据以下公式，平均电流I_AV等于零：

$I_{\mathrm{AV}}=\frac{\left|I_P\right|\·{\mathrm{\τ}}_P-\left|I_N\right|{\·\mathrm{\τ}}_N}{{\mathrm{\τ}}_P+{\mathrm{\τ}}_N}---\left(1\right)$

实验1

在第一实验中，在大约75W的灯功率、在具有100Hz的换向频率的灯电流下驱动一个实验HID灯。占空比设置为D＝50％，电流比设置为R＝1，因而平均电流I_AV为零，平均灯电压大约为零。灯的rms电压大约为170V，灯的rms电流大约为440mA。测量光的色温；表现为大约2750K。这个结果在图8中用标记181表示，这是表示作为平均灯电流(水平轴)函数的色温(垂直轴)的曲线。而且，测量灯效率；它呈现为大约831m/W。这个结果在图9中作为表示191表示，这是作为平均灯电流(水平轴)函数的表示效率(垂直轴)的曲线。

实验2

在第二实验中，使用相同的灯，保持占空比在D＝50％和平均灯电压为零不变，改变电流比以获得平均灯电流I_AV的DC偏移。相对于平均灯电流I_AV测量光的色温；结果在图8中绘制成曲线182。此外，相对于平均灯电流I_AV测量效率；结果在图9中绘制成曲线192。在电流比R≈2.6(|I_P|＝706mA，|I_N|＝270mA)时，在平均灯电流|I_AV|≈218mA实现了大约3930K的色温和大约661m/W的效率；在这种情况下，灯的rms电压升高到大约180V，灯的rms电流升高到大约490mA。

实验3

在第三实验中，使用相同的灯，保持灯电流的值基本上在440mA和灯电压的值基本上在170V不变，改变占空比以获得平均灯电流I_AV的DC偏移和平均灯电压的偏移。相对于平均灯电流I_AV测量光的色温；结果在图8中绘制成曲线183。此外，相对于平均灯电流I_AV测量效率；结果在图9中绘制成曲线193。在平均灯电流|I_AV|≈96mA实现了大约4250K的色温和大约651m/W的效率；在这种情况下，灯的rms电压升高到大约175V，灯的rms电流降低到大约430mA，并且平均灯电压升高到大约40V。

应该注意到适用以下关系式：

      |I_AV|＝|1-2δ|·|I_rms|和|V_AV|＝|1-2δ|·|V_rms|

其中δ＝τ₁/(τ₁+τ₂)。

当比较上述实验结果时，可以清楚地看出，为了改变色温或为了改变效率，通过改变占空比D来改变平均电流比通过改变电流比R来改变平均电流更有效。例如，通过将电流比从1变为0.66而将平均电流从零改变为-90mA将导致色温从2750K改变为3200K，即改变了+450K，而通过将占空比D从50％变为大约40％而将平均电流从零变为-90mA，将导致色温从2750K变为大约4100K，即改变了+1350K。这可以通过为了获得色温变化所涉及的不同机理(“占空比机理”和“电流比机理”)来解释。

实验4

在第四实验中，使用相同的灯，保持平均灯电流I_AV为零，改变占空比和电流比。相对于占空比D测量光的色温；结果在图11中绘制成曲线184。此外，相对于占空比D测量效率；结果在图12中绘制成曲线194。这些曲线清楚地表明可以改变灯特性同时保持平均灯电流I_AV为零。

应该注意的是，实现了定量效果，例如，达到了占空比例如可能取决于灯类型和工作条件如电流强度的色温。

在本实验中，当将图11和图12的结果与图8和9的结果相比较时，获得了至少一个优点。当色温用作参考特征时，在实验4的情况下相应的效率更高。

图13是根据本发明的适用于灯控制的电子灯驱动器160的示意方框图。该驱动器包括控制器150，其具有用于接收来自用户输入器件152的用户命令S_U的输入端151；在典型实施例中，用户输入器件152可以是电位计。控制器150具有耦合到换向器65的第一控制输出155，用于设置换向器65的占空比。控制器150还具有耦合到降压转换器64的第二控制输出154，用于控制灯电流强度。控制器150设计成适于其控制信号S_D、S_I，使得平均灯电流I_AV保持在零。应该注意到，如果希望的话，可以将控制器150设计成适于其控制信号，使得平均灯电流保持在不同于零的恒定值上。

在一个实施例中，控制器150可以与灯电流传感器159相关，例如与灯串联耦合的电阻器，提供表示实际或平均灯电流的测量信号S_L，其中在电流传感器输入端158通过控制器150接收测量信号S_L，由此提供电流反馈回路。响应接收用户命令S_u，控制器150可以改变其第一控制信号S_D的设置，从而改变占空比D的设置，并且响应测量信号S_L而可以改变其第二控制信号S_I，以便保持平均灯电流I_AV在恒定值。或者，响应接收用户命令S_U，控制器150可以改变其第二控制信号S_I的设置，从而改变电流比R的设置，并且响应测量信号S_I而可以改变其第一控制信号S_I，以便保持平均灯电流I_AV在恒定值。

在另一实施例中，控制器可以与存储器156相关，存储器156含有例如表格形式的信息，例如包括占空比D和电流比R之间的关系，或者例如包括一方面输入信号与第一控制信号S_D的设置与另一方面第二控制信号S_I之间的关系。这种信息可以是由制造者提供的预定信息。响应接收用户命令S_U，控制器150可以改变其第一控制信号S_D的设置来改变占空比D的设置，并且可以在所述存储器156中的信息基础上相应地改变其第二控制信号S_I。或者，响应接收用户命令S_U，控制器150可以改变其第二控制信号S_D的设置来改变电流比R的设置，并且可以在所述存储器156中的信息基础上相应地改变其第一控制信号S_D。或者，响应接收用户命令S_u，控制器150可以在所述存储器156中的信息基础上同时改变其第二控制信号S_I的设置以及其第一控制信号S_D的设置。

在一个方案中，本发明旨在针对安装在垂直取向时，解决影响对于水平工作的灯性能的偏析问题，这种问题将导致降低的效率，如通常在低压灯(1-2atm)中发生的。根据本发明的这个方案，现在提供一种装置，可以减小偏析并因此提高效率。甚至可以提供一种灯系统，其中，甚至在不同灯取向的情况下，可以根据希望来控制灯的效率，并且可以将灯的效率设置为某个预定值。甚至可以提供一种灯系统，效率自动保持不变，而与灯取向无关。

应该注意的是，在工作期间，金属卤化物灯在灯内部的某个部位上含有盐池。这种盐池经受颗粒的两种流动：进入盐池的颗粒流入，离开盐池的颗粒流出。在稳定状态下，流入和流出平衡。如果改变灯电流的占空比D和电流比R，将影响流入和流出，这取决于占空比的每部分中的电流分量的大小和方向。在稳定状态下，将建立流入和流出之间的新平衡，这与灯内的新粒子分布有关。

可以有意选择占空比D和电流比R的组合，例如以便增加偏析；在这种情况下，偏移所述平衡，使得更多的粒子进入盐池。然而，在本发明的特殊实施方式中，选择占空比D和电流比R的组合，例如从而有效地消除或至少减少上述偏析效果。为了达到这个效果，离子流必须远离盐池流动，以便补偿偏析。在这种情况下，在平均状态下，上电极6相对于下电极7是负的。

此外，对于一个特殊灯样品，将具有对应特殊最佳占空比的一个特殊最佳电场。这个最佳占空比对于相同类型的不同灯将基本上是相同的，并且这种最佳值可以由制造者通过实验来确定。因此，可以提供一种驱动装置160，其具有模式选择开关167，该模式选择开关167具有分别对应特殊电极(例如，第一电极6)是在上方(U)还是在下方(D)的、对应在水平位置(H)或垂直位置(U、D)操作灯1的三个位置U、H、D。

如果灯1安装成垂直取向，则用户可以将模式选择开关167设置为其U位置或其D位置，这取决于电极是在上方还是在下方。通常，这将对应灯泡11的灯头12朝下安装(灯泡“直立”)还是灯头12朝上安装(灯泡“悬挂”)。驱动器160通过产生占空比D(D≠50％)和电流比R(R≠1)的预定最佳组合来响应这种选择。

如果灯是对称的，直立灯泡情况下的偏析与悬挂灯泡情况下的偏析相同，则为了校正向上取向的电流设置与向下取向的电流设置是可比的。如果灯不是对称的，则这两个电流设置可能是彼此不同的。

假设某电极(7；6)相对于另一电极(6；7)是正的周期的持续时间分别表示为(T₇；T₆)；则，总电流周期T_T＝T₆+T₇。现在占空比D_U(对应模式选择开关167处于其U位置的情况)可以定义为比值T₇/T_T，而占空比D_D(对应模式选择开关167处于其D位置的情况)定义为比值T₆/T_T。在对称灯的情况下，D_D＝1-D_U。

在上述实施例中，模式选择开关167是用户可控制的。然而，在优选实施例中，本发明还提供借助金属卤化物灯用于产生光的系统，其中自动设置与水平操作可比的最佳工作条件，并适于实际灯取向。这意味着用户不受某个规定灯取向的限制，而且用户不必为灯驱动器选择最佳工作条件；不管用户希望将灯设置成哪个取向，驱动器自动地适于在最佳模式下工作。

这种系统170示于图14中。这个系统170包括前面参照图13所述的灯驱动器或镇流器160，然而，没有用户可控制的模式选择开关167。系统170还包括用于接收灯组件10的灯头12的配件168，配件168具有连接到换向器65的输出端的接触件，这实质上是公知的。

系统170还包括用于检测灯1实际取向以及用于提供具有控制信号S的控制器150的位置检测器80，所述控制信号S表示这种取向，而灯驱动器160适于根据对应取向检测器检测到的实际灯取向的最佳工作条件来驱动灯。在这方面，驱动器160的响应性与上述相同，这对于本领域技术人员来说都是很清楚的。

实际上，可以使用适于产生表示取向的可检测信号的任何检测器。图15表示这种取向检测器的可行实施例。在本实施例中，取向检测器80包括例如由玻璃制成的圆柱形容器81，圆柱形容器81具有带有较大直径沟槽82的中心部分。容器81被密封并含有少量导电液83，例如汞。第一对接触电极84设置在其第一轴向端部附近的容器81内，连接到穿过容器81的壁延伸的第一组导体85。同样，第二对电极86设置在与第二组导体87相关的相反轴向端部。一组两个环形电极88设置在所述沟槽内，连接到穿过容器81层的壁延伸的第三组导体89。

图15中，示出了水平取向的检测器80。导电液83已经移动到容器81的最下部位置，在这种情况下，是所述沟槽82，并接触两个中心电极88。因此，在两个相应导体89之间形成导电路径。同样，如果检测器80设置成竖直取向，则导电液83接触圆柱的轴向端部上的电极84、86。

所述导体85、87、89耦合到驱动器160的控制器150；因此，控制器150接收检测器输出信号，并且控制器150获得灯1的取向并相应地驱动灯。

取向检测器80可以设置在灯组件10的灯泡11内。然而，必须提供用于向驱动器引导传感器信号的灯头12中的触点。因此，优选地，传感器与用于灯组件10的所述配件68相关，这种配件必须总是具有与装配在其中的灯相同的取向。则传感器和驱动器之间的固定连接是可行的。

如上所述，由于占空比D不等于50％和电流比R不等于1，因此将产生远离盐池的离子流。D和50％之间的差越高，离子流越强。另一方面，通过原子的回流可以保持盐池。优选地，D和50％之间的差不应该选择成太大，因为那样的话盐池可能位移到不同的位置，并导致产生偏析。

在另一方案中，本发明旨在提供一种具有可变彩色性能的灯系统。优选用于这种实施方式的驱动器示于图13中，并理解到省略了用户可控制模式选择开关167。输入器件152，如电位计产生控制信号，该控制信号可以在预定范围内连续变化。输入器件152可以是用户可控制的，但是也可以适当编程的控制器。

而且，驱动器160产生换向电流，其占空比D和电流比R可以通过用户直接或通过适当编程的控制器来改变，以便按照希望改变偏析的量。实际上，占空比D可以从0改变到100％。这里，为了将偏析减小到所希望的程度，上电极6可以相对于下电极7为负的，如上所述，但是为了增加偏析和提高彩色偏析效果或彩色改变效果，上电极6也可以相对于下电极7是正的。

在该方案中，应该注意到，在具有10-20atm数量级的相对高压的金属卤化物灯的情况下，组合改变占空比与电流比惊人地发现对产生的光的颜色具有很大影响。

利用这种系统，可以控制灯，从而使适当限定的线在标准XY颜色或色度图中运行。利用盐混合物的组分，可以选择这个图中的某个零色点。通过组合改变换向电流的占空比和电流比，同时保持平均电流恒定，优选为零，灯的色点沿着与所述零色点相交的线偏移。这条线的角度取决于总灯压力和灯中的汞量：在低压灯的情况下(即总灯压力低于大约3atm)，所述线将基本上平行于色等温线，而在高压灯的情况下(即总灯压力高于大约10atm)，所述线将基本上垂直于色等温线，这涉及色温的很大变化。

本发明的这个方案可以在垂直灯取向以及水平灯取向中实现。如上所述，如果金属卤化物灯垂直安装，则将产生偏析，并且通过施加不等于50％的占空比并结合不等于1的电流比，可以减小或增加这种偏析。这种情况下重要的特征在于：可以通过改变占空比并结合电流比同时保持平均电流恒定来同时改变粒子分布。这个特征不限于垂直灯取向。

在水平灯取向中，将在某个位置形成盐池，在对称的、细长的灯的情况下，所述某个位置通常是灯的一端或两端。如前所述，在颗粒流入和流出盐池的入流和出流之间存在平衡，对应于灯内部某种颗粒分布。根据本发明，这就可以通过改变占空比并结合电流比同时保持平均电流恒定来偏移粒子分布。这种现象还可以称为“占空比感应分布偏移”。

为了获得限定的初始状况，可以使灯在DC电流(例如占空比0％)下工作。然后，一段时间之后，盐池将位于灯两端之一上；现在偏析处于最大值。

从开始的情况来看，通过将占空比从0％增加同时改变占空比，可以减小偏析。随着增加占空比，在入流和出流之间建立新的平衡，盐池开始基本上位于原位。通过增加占空比到大约50％，可以消除偏析。大于50％的占空比导致盐池的不希望传输。

在0％和50％之间的占空比范围确定灯的颜色范围，这可由本发明的方案来实现。当占空比是0％时，由灯产生的光可以用色度图中的某个色点来代表。还将称为“水平零”色点的这个色点的准确位置取决于灯内的元素的混合物的成分，并且可以通过适当地选择这种成分进行选择，这对于本领域技术人员来说都是很清楚的。如果占空比增加，则色点将远离水平零色点偏移。当占空比达到50％时，达到终点。因此，色点将运行一条线，以下将其称为“色线”，其具有由水平零色点定义的一个端点，和由50％占空比定义的相反端点。这包括在1500K和2000K之间数量级的色温的变化。

如果初始情况相反，即通过开始设置占空比为100％，将占空比从100％变化到50％，将基本上产生相同的结果。

因此，对于高压灯(10-20atm)来说，可以在1500-2000K数量级的范围内改变色温。

在具有对称几何机构的灯的情况下，盐池将具有优选位置，即灯中的最冷位置，它通常是灯的一端。假设这个优选位置对应通过设置0％的占空比而获得的初始位置。在发生盐池传输之前，现在可以将50％以上的占空比增加到有限程度。因此，色温变化范围将是较大的。

在垂直灯取向的情况下，这个范围甚至更宽(2500-3000)K，这是由于以下事实：这种情况下，盐池通常位于灯的一端，即灯的最冷点，通常是下端。在这种情况下，当将上述相同灯从水平取向转换到垂直取向时，在平均DC电流保持零时，可能发生偏析，并且色温可能偏移。这个偏移将取决于灯内元素混合物的成分，并取决于偏析的量。而且，由灯产生的光可以由色度图中的色点来表示，现在将其称为“垂直零”色点。

如果改变占空比和电流比的组合，则偏析将增加或减小，这取决于灯的取向，而在这两种情况下，色温都将偏移。

在垂直燃烧的灯的情况下，由于对流而使放电是不对称的。通常，灯上端的温度高于灯下段的温度。因此，盐成分的分压可能恰好高于发生浓缩之前的盐池上方的分压。由于这个原因并由于以下事实：这个效果对于所有盐成分不是同样程度地发生，因此从没有偏析到最大偏析的范围可能对应色温的附加变化，并且最大色温变化可能大于水平安装灯时的情况。

因此，对于垂直安装的高压灯(10-20atm)，就可以获得大约2500-3000K的色温变化。

利用这种系统，还表现为可以提供多色灯。为了解释这一点，再次参考图4。如前所述，偏析的严重程度对于不同物质是不同的，并且对于根据本发明通过占空比和电流比的光控组合引起的增强偏析也是同样适用。对于用方波工作的灯来说，假设曲线(A)和(B)分别代表碘化钠和碘化铈。对于通过为了增强偏析而选择的占空比和电流比的组合工作的相同灯来说，假设曲线(C)和(D)分别代表碘化钠和碘化铈。然后，该灯将表现为三带光。在灯的最低区域I中，光的颜色接近于“正常”白光，尽管偏向微红色。在灯的第二区域II中，位于第一区域的上方，几乎完全不存在碘化铈，并且发射的光不再有来自碘化铈的任何绿色成分：现在光的颜色完全由碘化钠确定，即红色。在灯的第三区域III中，在第二区域之上，几乎完全不存在碘化钠，并有发射的光不再具有来自碘化钠的任何红色成分；如果灯不含有任何其它盐，则这个第三区将发射来自汞缓冲气体的蓝绿色光。如果灯具有带有少量偏析的第三种盐成分，则由这种第三成分产生的光将占优势。

因此，具有不同颜色的多带的非常艳丽的效果是可行的。

本领域技术人员应该清楚，本发明不限于上述典型实施例，而是在不脱离所附权利要求书限定的发明保护范围的情况下可以做各种改变和修改。

前面已经参照方框图介绍了本发明，所述方框图表示了根据本发明的器件的功能决。应该理解的是，一个或多个这些公能块也可以在硬件中实现，其中这种功能决的功能由单独硬件部件来执行，但是也可以将这些功能决的一个或多个在软件中实施，因而这种功能块的功能由计算机程序的一个或多个程序线或者可编程器件如微处理器、微控制器、数字信号处理器等来执行。

此外，应该注意的是，由本发明提出的灯电流控制由已有灯驱动器中的合适的软件或硬件配件容易地实现。

Claims (39)

1.一种用交流驱动气体放电灯(2)的方法，该方法包括以下步骤：

在正持续时间(τ_P)内产生具有正电流强度(|I_p|)的正灯电流(I_P)；

改变灯电流的方向；

在负持续时间(τ_N)内产生具有负电流强度(|I_N|)的负灯电流(I_N)；

其中占空比(D＝τ_P/(τ_P+τ_N))不等于50％；

并且其中电流比(R＝|I_p|/|I_N|)不等于1。

2.根据权利要求1的方法，其中平均电流(I_AV)基本上等于零。

3.根据权利要求1的方法，其中通过改变占空比(D)和电流比(R)来改变灯特性，而平均电流(I_AV)保持在恒定值。

4.根据权利要求3的方法，其中平均电流(I_AV)的恒定值基本上等于零。

5.根据权利要求3的方法，其中占空比(D)和电流比(R)基本上同时改变。

6.根据权利要求3的方法，其中响应用户命令而改变占空比(D)，其中测量平均电流(I_AV)，并且为了有效地保持平均电流(I_AV)在其恒定值上而改变电流比(R)。

7.根据权利要求3的方法，其中响应用户命令而改变电流比(R)，其中测量平均电流(I_AV)，并且为了有效地保持平均电流(I_AV)在其恒定值上而改变占空比(D)。

8.根据权利要求3的方法，其中响应用户命令，组合地改变电流比(R)和占空比(D)，同时满足电流比(R)和占空比(D)之间的预定关系。

9.根据权利要求3的方法，其中响应用户命令，根据来自存储器的信息改变电流比(R)和占空比(D)。

10.一种用于驱动气体放电灯的电子驱动器(1)，该驱动器设计成执行权利要求1-9中的任何一个方法。

11.一种用于驱动气体放电灯的方法，所述气体放电灯特别是HID灯，更特别是金属卤化物灯，最特别是具有大于3或甚至4的纵横比的金属卤化物灯，其中给该灯输送换向DC电流；

该方法包括以下步骤：将占空比(D)设置为不等于50％的值，将电流比(R)设置为不等于1的值，从而获得在灯内的所希望的颗粒分布。

12.根据权利要求11的方法，其中占空比(D)和电流比(R)的组合设置成使得换向电流具有等于零的平均电流强度。

13.根据权利要求11的方法，其中为了改变灯的效率和/或为了改变灯的色温，改变占空比(D)和电流比(R)的组合。

14.根据权利要求13的方法，其中占空比(D)和电流比(R)的组合改变成使得换向电流的平均电流强度基本上恒定。

15.根据权利要求13的方法，用于操作灯，使得其效率是与取向基本无关，并且其中确定灯的实际取向。

16.根据权利要求11的方法，其中灯设置成垂直取向，并且设置占空比(D)和电流比(R)的组合，以便减小并优选消除偏析。

17.根据权利要求11的方法，其中设置占空比(D)和电流比(R)的组合，以便增加偏析。

18.根据权利要求11的方法，其中灯设置成水平取向，并且设置占空比(D)和电流比(R)的组合，从而影响颗粒分布的偏移，从而改变灯效率和/或改变灯的色温。

19.根据权利要求11的方法，其中灯设置成水平取向，并且其中设置占空比(D)和电流比(R)的组合，从而影响粒子分布的偏移，将位于该位置的色线上的色点设置为不同于水平零色点。

20.根据权利要求11的方法，其中灯设置成垂直取向，并且其中设置占空比(D)和电流比(R)的组合，从而影响粒子分布的偏移，将位于该位置的色线上的色点设置为不同于垂直零色点。

21.根据权利要求19或20的方法，其中为了使色点在所述色线上运行，改变占空比(D)和电流比(R)的组合。

22.根据权利要求21的方法，在水平取向安装的高压灯(高于10atm)上实施，其中色温在具有大约1500-2000K数量级的宽度范围上改变。

23.根据权利要求21的方法，在垂直取向安装的高压灯(高于10atm)上实施，其中色温在具有大约2500-3000K数量级的宽度范围上改变。

24.一种用于根据权利要求1-9或11-23中任何一项的方法来驱动气体放电灯的驱动装置，所述气体放电灯特别是HID灯，更特别是金属卤化物灯，最特别是具有大于3或甚至4的纵横比的金属卤化物灯，所述设备包括：

用于产生电流的电流产生装置；

用于接收所述电流并具有用于连接到灯的输出的换向装置，所述换向装置设置成用于改变所述电流的方向，其中占空比不等于50％，电流比不等于1。

25.根据权利要求24的驱动装置，换向装置设置成用于保持平均电流强度等于零。

26.根据权利要求24的驱动装置，其中换向装置设置成用于对具有可变的占空比的所述电流换向。

27.根据权利要求24的驱动装置，换向装置设置成用于保持平均电流强度恒定。

28.根据权利要求26的驱动装置，其中驱动器还包括用于接收控制信号的控制输入端，其中驱动器响应在其控制输入端接收到的控制信号，相应地设置占空比(D)和电流比(R)的组合。

29.根据权利要求28的驱动装置，驱动装置设有耦合到所述控制输入端的模式选择开关，模式选择开关具有两个、优选为三个的位置。

30.根据权利要求29的驱动装置，设置成产生换向电流，其具有基本上等于零的平均电流强度以及预定的占空比(D)和电流比(R)的组合，所述组合取决于与灯的取向相关的模式选择开关(167)的位置。

31.根据权利要求30的驱动装置，其中当所述模式选择开关(167)位于表示灯的直立取向的第一位置(U)上时，占空比(D)具有不等于50％的预定第一值(D_U)，并且当所述模式选择开关位于表示灯(1)的悬挂取向的第二位置时，占空比具有预定第二值(D_D)；

并且其中D_D≠D_U。

32.根据权利要求18的驱动装置，设计成用于驱动对称灯，其中D_D＝100％-D_U。

33.根据权利要求28的驱动装置，适于可变粒子分布偏移，其中该驱动装置设有耦合到所述控制输入端的控制设置器件(152)；

其中控制设置器件(152)设置成用于产生在预定范围内可连续变化的控制信号(S_U)；

该驱动装置设置成响应所述控制信号，连续地改变换向灯电流的占空比(D)和电流比(R)的组合。

34.根据权利要求24-32任一项的驱动装置，适于在灯的起动阶段产生占空比等于50％的所述电流。

35.具有自动的与取向无关的效率能力的系统，用于驱动气体放电灯，所述气体放电灯特别是HID灯，更特别是金属卤化物灯，最特别是具有大于3或甚至4的纵横比的金属卤化物灯，该系统能用基本上与取向无关的效率操作灯，该系统包括：

根据权利要求24-33中任一项的驱动器；

位置检测器(80)，其具有耦合到驱动器的控制输入端的至少一个输出端；该位置检测器设置成用于检测灯的实际取向，并用于在其所述输出端产生表示这个取向的控制信号。

36.根据权利要求34的系统，其中驱动装置响应位置检测器输出信号而设置占空比(D)和50％之间的差，这取决于与灯取向相关的模式选择开关的位置。

37.根据权利要求34的系统，其中当所述位置检测器输出信号具有表示灯的直立取向的第一值时，驱动装置响应位置检测器输出信号而产生具有不等于50％的预定第一值(D_U)的占空比，当所述位置检测器输出信号具有表示灯的悬挂取向的第二值时，所述驱动装置响应位置检测输出信号而产生具有不等于50％的预定第二值的占空比(D_D)；

并且其中D_D≠D_U。

38.根据权利要求36的系统，设计成用于驱动对称灯，其中D_D＝100％-D_U。

39.根据权利要求34的系统，还包括用于接收灯组件(10)的灯头(12)的配件(168)，所述配件具有连接到换向器的输出端的触头，其中所述位置检测器与所述配件相关。

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