CN2273480Y - 一种高强度气体放电灯的电子镇流器 - Google Patents
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Abstract
一种高强度气体放电灯的电子镇流器,包括电源整流器、滤波器、逆变器、镇流电感器,其特征在于逆变器的输出端还设有控制器,它将输出高频电流取样转换成两路信号叠加后送入控制元件的输入端,其输出端控制逆变器的工作频率和输出电流。它有效控制“声共振”现象,还具有异常状态保护功能,选用逐流滤波器或有源谐波滤波器,功率因数高,它还具有结构简单,成本低廉的优点。广泛适用于高压钠灯,汞灯和金属卤化物灯的配套运行。
Description
本发明属电子技术领域，更进一步涉及一种高强度气体放电灯的电子镇流器。
高强度气体放电灯(亦称HID灯)包括高压钠灯、汞灯和金属卤化物灯，其发光效率和使用寿命是白炽灯的五倍以上；与荧光灯相比，它的体积小，功率大，在照明灯具中配光控制容易，所以应用范围广。
目前市场上与之配套使用的镇流器极大多数是电感式的，缺点是体积大、笨重、功率因数低、损耗极大。如今国内外对高强度气体放电灯的电子镇流器研制者不少，而市场上成品却极少见，原因何在？这是因为根据威达论文的观点，高强度气放电灯的电子镇流器所产生的高频振荡电压如果与放电灯内壁的反射波同相，导致放电灯内产生驻波，即所谓“声共振”现象。它的危害性是灯被触发点燃后，几分钟内工作电流急剧增大，使放电电弧不稳定，处于失控状态，并立即熄弧。这样经过多次重复点燃后，最终烧毁电子镇流器或损坏放电灯。这种“声共振”现象在高压钠灯和金属卤化物灯中表现尤为严重。
专利名称为《高压钠灯高频电子镇流器》(授权公告号：CN2178977Y)，设有脉冲控制模块M，由整流管QL、场效应管V1、V2和串联谐振式启辉电路构成的半桥式开关电源电路，通过继电器J控制谐振的启振和钠灯启辉及启辉后的停振。优点是安装方便，提高了功率因数。其缺点同样未提出解决“声共振”的技术方案。
中国专利《高压气体放电灯电子镇流器》(公告号2119073U)公开了用于高压气体放电灯的电子镇流器，它由输入滤波及保护电路、整流滤波电路、高频振荡开关电路、高压触发器、高压触发关断电路、输出电路组成。该技术虽然解决了高频逆变、高压点火启动难题，却没有提出解决“声共振”引起的电弧不稳的方案，况且测试表明，其功率因数仅0.6以上。
发表在(日本>照明学会志1988年第72卷第2期上题为《高强度气体放电灯电子点灯线路的研究》一文中针对HID灯由“声共振”引起的电弧不稳、熄弧现象，经过大量实验，提出解决方案有以下四种：
1、直流分时操作附加方式；
2、直流叠加方式；
3、1KHz分时操作附加方式；
4、矩形波叠加方式。
论文作者在结论中指出：矩形波叠加方式是唯一有效的方法。其电路方案是一个切换频率为42KHz半桥逆变电路，另外再设一个结构相同而切换频率120Hz的矩形波的半桥逆变电路，其输出的矩形波叠加到42KHz的高频电流上点燃HID灯，两种不同的频率的工作电流有效地破坏了HID灯内的“声共振”，使光输出稳定。由于它增设一个矩形波逆变电路，电路复杂，成本大增，难以大量推广应用。
日本松下电工株式会社申请的《高压放电灯点亮装置》(公开号：CN1119820A，公开日：1996年4月3日)公开了一种高压放电灯的点亮装置，包括至少一对开关元件导通和截止的方法把直流电转换成交流电的逆变电路，其中在未点亮状态，开关元件的转换频率被设置成大于与灯并联连接的串联谐振电路的谐振频率，能启动灯。但在放电灯点亮状态时被置成小于谐振电路的谐振频率，并处于不发生共鸣的范围内，同时可利用串联谐振电路内的电容器上的电压将点亮高压放电灯。其控制装置以间歇式激励，它进一步包含一装置，用以检测点亮时高压放电灯随容性振荡时的一对开关元件之间连接点上的容性振荡，中止把控制装置的控制信号施加给逆变电路内的开关元件。它比美国专利第4592849号和第4868463号要实用些，能平滑地实现从高压放电灯启动到平稳点亮的连续操作，还避免了高频点亮时的共鸣。结合附图，从说明书描述中看出该发明的电路复杂程度与上述论文所述的电路方案相仿。
本发明的目的是提供一种与现有技术相比，结构简单、成本低廉、功率因数高、具有异常状态保护功能，又能有效消除“声共振”现象的一种高强度气体放电灯的电子镇流器。
为实现上述目的，本发明的解决方案是：一种高强度气体放电灯的电子镇流器，是一个装在壳体内的电子线路，由电源整流器、滤波器、逆变器、镇流电感器构成，其特征在于所述的逆变器的输出端、高强度气体放电灯HID的供电回路中，还设有消除“声共振”的控制器(4)，其内部装有一个控制元件T4，T4的输出端OUT与所说的逆变器(3)中的一只功率管的控制极连接，功率管的输入、输出信号公共电极与T4的D端连接，T4的输入端Sr分别接有整流二极管D14和触发二极管D15的串联电路及电容器C10，D14的正极与C10的另一端接在HID工作电流取样绕组N2的一端，N2的另一端与T4的D端相连接，D14负极还接有滤波电容器C9。这样N2根据HID工作电流的大小采样，一路经D14的信号和另一路通过C10的信号叠加后，送入控制元件T4的输入端，T4的导通与截止的工作状态受控于此两路叠加信号强弱的程度，使逆变器的工作频率随HID工作电流的变化自动改变，导致HID内的“声共振”不能维持而遭破坏，光输出平稳。
当HID老化或损坏、灯头打火，输出短路时，取样绕组N2中的电流增大或感应电压增高，送入控制元件T4输入端的信号最强，T4导通，最终使逆变器中受控制的功率管关断而获得保护，电源整流电路输出端接有逐流滤波器或有源谐波滤波器，使整流二极管的导通角增大。
本发明的优点是：控制器将高压气体放电灯的工作电流的变化采样，把两路信号叠加后作用于控制元件，改变逆变器的工作频率，有效地消除了“声共振”现象，并控制HID的工作电流不超过设计指定值。当负载开路或短路时又能使逆变器自动停止工作，实现异常状态保护。选用逐流滤波器或有源谐波滤波器，功率因数得以提高。本发明只设一个半桥逆变器，因而结构简单，成本低廉。
下表是本发明与电感式镇流器用于100W高压钠灯的性能对照表。
| 项 目 名 称 | 本 发 明 | 电感镇流器 |
| 电源电压(V) | 220 | 220 |
| HID功率(W) | 100 | 100 |
| 输入电流(A) | 0.46～0.50 | 1.20～1.40 |
| 输入功率(W) | 96～106 | 110～120 |
| 功率因数(r) | 0.95～0.99 | 0.36～0.40 |
| 光通量(lm) | 8500 | 7000 |
| 启动时间 | ≤5S | ≤3min |
| 再启动时间 | ≤3min | ≤10min |
| 温升 | ≤25℃ | ≤60℃ |
| 重量(kg) | ≤1.0 | ≤4.5 |
现结合附图对本发明作进一步的描述。
图1为本发明电子线路框图；
图2为本发明一种实施例的电原理图；
图3为本发明的控制器T4是可控硅的电原理图；
图4为本发明的控制器T4是三极管的电原理图；
图5为本发明的控制器T4是集成电路的电原理图；
图6为本发明的滤波器是有源谐波滤波器的电原理图。
本发明是一种高强度气体放电灯的电子镇流器，设有电源整流器(1)、滤波器(2)、逆变器(3)、镇流电感器(5)，其特征在于逆变器(3)的输出端还设有控制器(4)，它串联在镇流电感器(5)、高强度气体放电灯HID的供电回路中。控制器(4)的一个输出端接在逆变器(3)的一个功率管T2的控制极。控制器(4)包括B2、D14、D15、C9、C10、R9、R10和T4，其中B2初级绕组N1串联在HID的供电回路中，次级绕组N2的一端接参考地端，另一端分别接整流二极管D14的正极和电容器C10、D14的负极串联着电阻器R9和触发二极管D15。电容器C9的正极与D14的负极连接，C9的负极接地端。D15的另一端与控制元件T4的输入端Sr连接，T4的输出端OUT与逆变器(3)的功率管T2的控制极连接，T4的D端接地。电容器C9的两端并联正温度系数的热敏电阻器R8，B2的次级绕组N2两端并联电阻器R7。图1是本发明电子线路框图，图2是本发明一种实施例的电原理图。图中电源整流器(1)内设有D1-4所构成的桥式整流电路，交流输入端接有保险丝BX，共模抗干扰滤波器由L0和C0构成。滤波器(2)是一个逐流滤波器，设有D5、D6、D7按顺向串联，其负极接电源整流器(1)的正输出端，正极接参考地端。电容器C1与D5、D6并联，C2与D6、D7并联。逆变器(3)内还设有延时电路，包括三极管T3、电阻器R3、R4和电容器C4。T3的集电极接在触发二极管D9与触发电容器C3的公共接点上，发射极接地端。R3和C4串联，上端接功率管T2的集电极，下端接T3的基极，R4并联在基极与发射极上。
工作原理是：50Hz的市电经共模抗干扰滤波器L0和C0、D1-4桥式整流，由D5～7和C1、C2所构成的逐流滤波电路使D1-4的导通角增大，以提高镇流器的功率因数。功率管T1、T2和脉冲变压器B1等构成半桥逆变电路，R1、C3和D9是逆变器(3)的触发电路。D10、D11是保护T1、T2不被反相脉冲所击穿，R2、C5是输出高频电流的移相网络，D8是箝位二极管。C6、C7是HID灯高频工作电流的通路，又隔直流。R5、R6是功率管T1、T2输入端的限流电阻器，使工作更稳定。镇流器一通电，由于逆变器(3)的电源电压未达到规定值，为防止T1、T2互导通，所以开机瞬间正电源通过R1、D8和R2流经R3向C4充电，充电电流流过T3基极、发射极，使T3导通，C3电位接近零，触发二极管不工作。经过0.5～几秒钟后，C4逐渐充足，T3趋向截止，当C3上端电位上升到30V以上时，D9导通，功率管T2被触发导通，逆变器才开始工作，实现延时启动的目的。由于并联在HID灯上的电容器容量C8≤C6和C7，所以逆变器输出的高频电流。在C8上产生数千伏的谐振电压，HID被击穿启辉，工作电流逐渐增大，此时逆变器(3)的工作频率由高向低渐变，当落入HID灯“声共振”频率范围内，此时其工作电流开始上升，与供电回路串联的采样变压器B2的次级N2输出的信号电流也增强，一路流经D14整流，由C9滤波转换成直流信号，经R9限流，当直流电位达到触发二极管D15的触发电压时被击穿，输出一个触发脉冲，送入控制元件T4的输入端Sr；另一路经C10耦合和R10限流的交流信号也同时被送入控制元件T4的输入端。T4的导通或截止的工作状态受控于些两种信号的强弱程度，使逆变器(3)的工作频率随HID的工作电流变化而自动随着改变。“声共振”不能维持而遭破坏，HID的电极放电电弧稳定，由于自动跟踪调节的速度极快，HID灯的光输出很稳定。当温度升高时，具有正温度系数的热敏电阻器R8阻值增大，导致C9上的电位上升，D15被击穿的次数增加，T4导通时间增大，从而也控制了逆变器(3)的输出功率。当HID灯受损坏，输出端出现开路或短路时，都造成B2的初级电流增大或感应脉冲电压增高，最终也使逆变器(3)中的功率管T2关断而获得保护。
图2中T4的输出信号是控制T2的，如果把T4的输出端改接到T1的控制端，此时N2的接地端及T4的D端相应改接到T1的输入信号和输出信号的公共端，其控制器的工作状态和效果两者是相同的。R9和R10可以分别调整两路控制信号的强度，也就调整了控制器(4)的工作灵敏度。
图3、图4、图5是本发明的控制器(4)中的T4是可控硅、三极管和集成电路的电原理图。当控制元件T4是可控硅时，其输出端OUT是阳极，输入端Sr是控制极，其D端是阴极。T4也可以用三极管代替，它的漏极、栅极和源极分别接在可控硅的阳极，控制极和阴极相对应的接点上。T4还可以选用集成电路，其输出端、输入端和接地端也分别接在可控硅的阳极、控制极和阴极相对应的接点上。所选用的可控硅型号为BD169，如果是三极管可选用场效应管，集成电路可选用KW9002之类。由于逆变器(3)正常工作时，功率管T2的控制极上是交变的脉冲电压，可控硅在HID正常工作时是关断的，HID一旦出现异常状态，可控硅根据输入两路叠加信号的强度导通或截止，控制逆变器的工作频率及输出电流，因此镇流器能长时间稳定的工作，不超过设计指令值。
图2所示的采样变压器B2是做成独立式的，初级N1和次级N2是绕在一只磁环上的；而图3所示的B2是与镇流电感器(5)中的L1做成一体的，初级绕组是其内设的L1，次级绕组N2绕在L1上。图4中的N2绕在逆变器(3)的脉冲变压器B1中，此时B2中的初级绕组N1被B1中的初级绕组N0取代。此三种结构的工作原理一样，都是在N2中产生一个与HID工作电流成正比的信号电流。
图6为本发明的滤波器(2)是有源谐波滤波器的电原理图。它主要由集成电路IC、升压电感器L2、二极管D16和开关管T5构成。L2的一端与电源整流器(1)的正输出端连接，另一端与D16的正极连接，D16的负极接逆变器(3)的正电源输入端。开关管T5的漏极与D16的正极连接，源极接地端，栅极与IC的输出端连接，滤波电容器C11并联在滤波器(2)的输出端。这种滤波器电路复杂，成本略高，突出的优点是功率因数比逐流滤波器高，达0.99以上，电流波峰比≤1.50，而电压稳定又极好。
本发明的逆变器(3)内设的功率管T1、T2是双极型三极管，也可以是功率MOS-FET或IGBT，其连接方法是集电极与漏极、基极与栅极、发射极与源极一一对应。M0S-FET的开关速度快，无“二次击穿”现象，与IGBT一样具有负温度系数。它们的工作原理也相近。
Claims (8)
1、一种高强度气体放电灯的电子镇流器，是一个装在壳体内的电子线路，由电源整流器(1)、滤波器(2)、逆变器(3)、镇流电感器(5)构成，其特征在于所述的逆变器(3)的输出端、高强度气体放电灯HID的供电回路中还设有控制器(4)，其内部装有一个控制元件T4，T4的输出端OUT与所说的逆变器(3)中的一只功率管的控制极连接，功率管的输入输出公共电极与T4的D端连接，T4的输入端Sr分别接有整流二极管D14和触发二极管D15的串联电路及电容器C10，D14的正极与C10的另一端接在HID工作电流取样绕组N2的一端，N2的另一端与T4的D端相连接，D14的负极还接有滤波电容器C9，这样N2根据HID工作电流的大小采样，一路经D14的信号和另一路通过C10的信号叠加后，送入控制元件T4的输入端，T4导通或截止的工作状态受控于此两路的叠加信号的强弱程度，使逆变器(3)的工作频率随HID工作电流的变化而自动改变。
2、依照权利要求1所述的高强度气体放电灯的电子镇流器，其特征在于所述的控制器(4)内设的控制元件T4是可控硅，其输出端OUT是阳极，输入端Sr是控制极，D端是阴极；T4也可以用三极管代替，它的漏极、栅极和源极分别接在可控硅的阳极、控制极和阴极相对应接点上；T4还可以选用集成电路，其输出端、输入端和接地端也分别接在可控硅的阳极、控制极和阴极相对应的接点上。
3、依照权利要求1或2所述的高强度气体放电灯的电子镇流器，其特征在于所述的控制器(4)中的绕组N2是绕在镇流电感器(5)的L1上，也可以绕在逆变器(3)的脉冲变压器B1上，还可以单独绕在一个磁性体上，另设一个初级绕组N1，构成变压器B2，N1是串联在HID的供电回路中，三种接法的工作原理相同，都是在N2中产生一个与HID工作电流成正比的信号电流。
4、依照权利要求1或2所述的高强度气体放电灯的电子镇流器，其特征在于所述的控制器(4)中的电容器C9两端并联正温度系数的热敏电阻器R8。
5、依照权利要求1或2所述的高强度气体放电灯的电子镇流器，其特征在于所说的逆变器(3)内还设有延时电路，其中三极管T3的集电极接在触发二极管D9与触发电容器C3的公共接点上，发射极接地端，R3和C4串联，上端接功率管T2的集电极，下端接T3的基极。
6、依照权利要求1所述的高强度气体放电灯的电子镇流器，其特征在于所说的滤波器(2)是一个逐流滤波器，设有D5、D6、D7按顺向串联，其负极接电源整流器(1)的正输出端，正极接参考地端，电容器C1与D5、D6并联，C2与D6、D7并联，使电源整流器(1)内的二极管导通角增大。
7、依照权利要求1所述的高强度气体放电灯的电子镇流器，其特征在于所说的滤波器(2)是一个有源谐波滤波器，它由集成电路1C、升压电感器L2、二极管D16和开关管T5构成，L2的一端与电源整流器(1)的正输出端连接，另一端与D16的正极连接，D16的负极接逆变器(3)的正电源输入端，开关管T5的漏极与D16的正极连接，源极接地端，栅极与IC的输出端连接，滤波电容器C11并联在滤波器(2)的输出端。
8、依照权利要求1所述的高强度气体放电灯的电子镇流器，其特征在于所说的逆变器(3)内设的功率管T1和T2是双极型三极管，也可以是功率MOS-FET或IGBT，其连接方法是集电极与漏极、基极与栅极、发射极与源极一一对应。
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| CN1838852B (zh) * | 2005-03-24 | 2010-09-08 | 厦门通士达照明有限公司 | 电子镇流器的保护方法及电路 |
| CN101868107A (zh) * | 2010-05-11 | 2010-10-20 | 深圳市金码盈科电子有限公司 | 二次无灯丝启动气体放电灯的方法及电子镇流器 |
| CN104716941A (zh) * | 2013-12-13 | 2015-06-17 | 上海普锐马电子有限公司 | 导通时间可编程控制的高频高压电子开关 |
| CN111586912A (zh) * | 2020-04-30 | 2020-08-25 | 吴江华能电子有限公司 | 一种hid灯控制电路及其工作方法 |
-
1996
- 1996-10-06 CN CN 96240085 patent/CN2273480Y/zh not_active Expired - Fee Related
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