TWI279166B - Circuit apparatus - Google Patents

Description

1279166 A7 _________ 五、發明説明（1 ) 本發明係與一種用以點燃並操作一高強度放電（HID)電燈 之方法和電路有關。本發明特別可適用於’以成本列為重要 考慮因素之一的各式高電量商用HID裝置。 各種HID燈通常係將採用之一種氣體及/或蒸氣密封裝入 一容器或放電容器内，於電燈隱定工作期間内，傳導電力 並以種特定波長放射光線。其波長係取決於所採用之蒸 氣或多種蒸氣的性質而定。HID燈通常都有一種負電壓一電 流特性。因此，此等電燈都需要一鎮流電路，於電燈穩定 操作期間内用以穩定流經電燈之電流。任一 HID燈開始操作 時’都需要一高電壓脈波，此一脈衝通常係由一點燈器或 點燃電路供應。該點燃器可構成鎮流電路的一部分，特別 是在新式電子鎮流電路中。通常一 Hm燈均有兩個電極，當 電燈在操作時，兩個電極之間即發生放電作用。 為啟動或點燃一盞HID燈，一般而言，有四個階段必須 在設計該鎖流電路及點燃器配合操作程序時列入考慮。第 一階段是轉折（b r e a k 〇 v e r )階段，在此一階段内，係將一 相當高的電壓脈衝（例如：3仟伏特）施加在Hm燈的兩極之 間，俾可使電子由氣體及/或蒸氣分子中釋放出來以啟動導 電程序。通常，該鎮流及點燃器必須在1〇微秒的期間内供 應該項南電壓脈衝。於施加10微秒鐘之3仟伏特電壓脈衝 之後，即進入交接狀態。由於所設計之電燈和鎮流電路之 各種條件因素之影響，此一交接期間可能長達數百微秒。 在此一時段内，該鎮流電路必須能夠對該電燈供應大約為 280至300伏特之電壓。如此始可將氣體及（或）蒸氣帶入一 -4 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐) 1279166 A7 B7 五、發明説明（2 ) 種可產生放電作用的穩定狀態操作程序。 交接程序完成後’該HID燈即可進入升高階段。在升高 階段期間開始時’電燈内的溫度，内部壓力及電壓相當 低。在升高階段期間内，電壓由相當低的電壓值，例如大 約20伏特升高至一個相當於穩定電壓操作電壓值，或稱之 為電燈電壓，例如大約為90伏特，其升高所需時間約為一 分鐘或一分多鐘。經過該一分鐘電壓升高期之後，電燈即 進入第四及最後階段，亦即穩定狀態操作階段。在穩定狀 態期間内’電燈即在其原設計之正常溫度及壓力條件下發 射光線。 一般言之，HID燈係以交流電維持其穩定操作，因此， 在穩定狀態下’電燈係根據一振盪電流信號保持操作。在 一些新式電子鎮流電路中，最好利用在一正電流及負電流 之間振盪的低頻方波形信號來維持HID燈的持續操作。依此 種設計，其穩定狀態時的電力係一 100赫茲之方形波電流所 屢生的可在正負90伏特之間振盈之電燈電壓。 上述四個操作階段要求驅動電燈並啟動及操作該電燈之 電路須能提供一預定之信號。更明確言之，該驅動電路須 月& &供大約為時10微秒之轉折（b r e a k ο V e r)點燃脈衝，後 隨以強度約為280至300伏特之交接期電壓且須持續供應數 百微秒，然後再提供上述之升高階段所需之穩定狀態電 壓。圖1所示先前科技所設計用以提供上述預定信號之電 路裝置範例圖。通常，HID燈用之一些新式電子·鎮流電路或 開關式電力控制器均設有一前置調節器，將輸入電壓（例 張尺度適财® S家標準(CNS) A4規格(21GX297公爱） ---- 1279166 A7 B7 五、發明説明（3 ) 如：公用電源供應之交流電壓）轉變成一種相當高之直流電 壓（例如：400伏特電壓）。·以此種設計形成的高值直流電壓 即可供應一鎮流電路裝置内所含電燈點燃及電燈操作電路 所需要之電源。在點燃階段，係於連接端子1〇2和1〇4之間施 加一大約為400伏特之信號電壓。該400伏特電壓信號流經 裝置130和電感器134後，於電容器132兩端出現一大約為3〇〇 伏特之電壓信號。 該電容器132使點燃器1〇5於大約1〇微秒之期間内產生一 持續存在且電壓值大約高達3仟伏特之高壓脈衝，之後， 該點燃器105實際上形同一短路電路。該點燃器1〇5通常係 由前述電容器132兩端產生的電壓觸發以產生上述3仟伏特 之電壓脈衝。在該起始脈衝之後，且當該點燃器已戒為一 有效短路電路時，由電容器132供應之大約在28〇至3〇〇伏特 的電壓即由電容器132經由該點燃器1〇5送至Hm燈1〇8。此項 280至300伏特之電壓於交接階段完成前持續供應之時間約 為數百微秒。交接階段結束後，控制器11()立即開始升高及 穩定狀態操作程序。在穩定狀態期間内，控制器削將各開 關136至139之閘極電壓加以㈣’俾可使上述之振盈方波 k號被送至電燈108處。 圖1所示電路裝置，其問題乃係复 J % 7诉具成本固使用組件的數 目較多而隨之提高。更明確言之，因 Μ兩该裝置必須產生一 種可定期改變極性之方波形信號，右搞 在換向器内就需要四個 開關裝置120(例如電晶體）。此四〇番 〆、電日日态與控制器110施 加至各該開關用電晶體閘極電壓配合 ^ _ 6 _ 輝作以產生所需之方

1279166 A7 —____B7___ 五、發明説明（4 ) 波信號。圖2所示裝置係依據先前技術所設計之另一具體 實例，用以將四個預定階段所需之信號傳送至一 HID燈 210。圖2所示裝置使用兩個串聯電容器22〇和222。其功能 為一分壓器。HID燈係連接在點燃器1〇5和接點2〇8之間。該 系統不須使用四個不同電晶體產生穩定狀態期間所使用的 方波#號。其替方法是僅需使用兩個電晶體224和226。在 穩定狀態期間内，電燈210係連接在連接點2〇8上，兩個電 晶體224及226能以高頻率以及不同工作週期比操作。因 此，控制器218的操作方式如果設計成可使兩只電晶體224 及226能以適當的工作週期交替轉換接通及關斷狀態，即可 提供所需要之穩定狀態所需·之電流和電壓。由於該Hm燈兩 個電極中有一個電極係連接在電容器22〇和222所形成之分 壓器之中間點上，故僅須使用兩只電晶體224及226即可產 生具有極性變化之方波形信號。 但圖2所示具體實例在點燃操作期間會發生問題。更明 確吕之’為了在交接操作階段能夠將大約為28〇伏特之電壓 供應至電燈210的兩極之間，故在連接點214和216之間必須 有一 560伏特之電壓。因為此一強度增加之電壓僅於初期點 燃操作期間始有需要，因而導致電路組件方面的重大壓 力。因為電路組件增多，不僅提高故障率，而且為了使用 既能耐受該項高壓而又品質優良之電路組件，以致使其製 造成本幾乎與使用圖1中四個開關裴置所需成本相差無 幾。 -7- 本紙張尺度適用t目®家辟(CNS) A4^(21GX297公着) 1279166 A7

鑒於以上各項缺點，乃有需要發展一種改良技術，製造 一種HID燈點燃電路，不僅使用數目較少之開關裝置，又可 無須使用如圖2所示需要較高電壓裝置之條件下仍能操 作。 、 先前科技製品所發生之上述及其他問題可由本發明所揭 示製造一種HID燈點燃及操作電路之技術予以克服、本發明 揭不之裝置使用兩個電晶體，足可對HID燈提供維持其持續 操作所需要的穩定狀態方形波電壓。在點燃操作期間，利 用一個開關將兩個電容器所組成之電壓分壓器中一個電容 器與點燃電路之間的連接切斷。此種設計可使輸入電壓全 部施加於一個連接中之電容器上，從而可足夠之點燃用電 壓。點燃階段結束後，即可利用開關動作將第二個電容器 接入電路中，與第一個電容器再度形成一電壓分壓器，並 可將脈衝式之穩定狀態操作電壓提供至該電燈使用。 圖1所示係一以先前技術所設計用以點燃一 HID燈裝置之 點燃器範例圖； 圖2所示係另一以先前技術所設計用以點燃一 HID燈裝置 之點燃器範例圖；及 圖3所示乃係依據本發明原理所設計用以點燃一 HID燈裝 置之點燃裝置具體範例。 附圖1及附圖2所示電路裝置已於前文中說明在先，不再 贅述。 圖3所示裝置包括兩個電晶體354及356，供電電容器350及 352，電容器36〇，以及控制電路31(^如傳統裝置一樣，有 -8 · 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 1279166 A7 B7

一點燃器312係連接至該HID燈314。 雖然為簡化目的在本圖3中並未繪示，但兩個電晶體354 及356之閘極係連接至控制器310，俾使控制器31〇能於以下 說明之適當時間上將裝置354及356之電源接通或切斷。在 電容器352兩端跨接一開關320。該開關之形式可採用一固 態電路裝置，例如一 MOSFET或採用其他可輕易取得之開 關。該開關亦可連接至控制器310，此方便電路之控制。電 容器350和352之電容量可設定在22微法拉和68微法拉之間。 在操作中，係將一大約為400伏特之起始匯流電壓施加連 接端子318和316之間，自開關320係由控制器310將其保持在 切斷狀態。如此即可使連接點328和連接端子316之間形成 短路狀態，從而可將400伏特之輸入電壓全部跨接於電容器 350兩端。電晶體354和356係以高頻率及適當之工作週期比 操作。俾可使280至300伏特之間的電壓跨接於一 36〇之兩 端’進而觸發該點燃器312。 轉折（break over)及接交階段結束後，系統即進入升高 P白#又’且必須準備使本系統開始以交流電壓操作。控制器 310監控系統之操作狀態，並於電燈已進入升高階段時，將 開關320設定在開路（切斷）位置。藉由移除一 mqsfeT或類 似裝置某一相關閘極電壓的方式即可達成此一目的。 切斷（斷開）該一開關後，跨接在端子316和318之間的4〇〇 伏特電壓現在即可分配在電容器35〇和352之間。該電路因 而變成和圖2所示裝置一樣，可將穩定狀態方形波電流及 電壓提供至HID燈314供其穩定操作之需。因此，利用兩個 -9 - 本紙張尺度適用中國國家標A4規格(210X297公釐)

裝 訂

1279166 A7 __ —_ B7 五、發明説明（7~Γ ^ " — 串聯電容裔並於轉折（break〇ver)階段及交接階段以開關 動作將其中一個電容器和電路之間的連接切斷，即可達成 減少組件數的目的，而無須因使用耐高壓阻件以抵抗兩個 端子316和318之間電壓升高所需增加之設計製造成本。 自點燃階段至穩定狀態階段所需之過度期間必須正確設 疋更月確σ之，以上所說在穩定操作期間係以交流電壓 操作，係因驅動該HID燈之信號是極性交替變化之方波信號 也重要之點乃在於控制器正確測知交接階結束時間並立 即斷開該開關320，俾可將電容器352接回至電路。完成此 種設計的方法有數種。其中一項方法是以控制器監測在該 HID燈314兩極之間量得之阻抗值。在交接階段結束時該項 阻抗值會下降，因為燈管中的氣體變為更具導電性也。 另一方法係以該控制器測量提供至Hm燈之電流量，因 為在交接階段結束時由於電燈阻抗之降低會發生供應電流 突增的現象。 不論以何種方法測知交接階段之結束，在交接階段結束 時控制器310即會斷開該開關32〇之連 一電容器35。放電時即會自動開始充電。但端電： 者之間的總電屢值實質上仍保持恒定不變。當電容器35〇及 352中每只電容器之端電壓到達大約2〇〇伏特時，控制器 立即開始以適當方式轉換兩個電晶體354和356的接通與切 斷狀態，以產生該HID燈穩定操作所需要的穩定狀態交流脈 衝信號。 藉由選擇兩個電容器350及352具有標準之大約為47法拉 -10 · 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)' ---—-

1279166 A7 _______ B7 五、發明説明（8 ) 的電容量之方式，即可使電容器352之充電所需時間保持在 1〇〇毫秒以下之限度。定時設計是一重要因素，如將該項充 電時間保持在較短之時間上，則HID燈314即不能在一較長 的直流操作模式下操作，因而易導致電燈之損害。 倘若電燈於施加壓力期間内熄滅，應於重新點燃前先使 電容器352放電。控制器310將會測知電燈之熄滅動作，並 於重新點燃之前，使電容器352通過開關320進行放電動 作。放電電流量應經由控制器31〇加以限制，以避免大量電 流損毀開關320。 上述限制放電之設計可藉由以控制器31〇以開關動作將一 附加電阻引入電容器352和接地點之間的通路内，以限制電 流排放之路徑，如圖3中所示之附加電阻321。理想的設計 是將該放電電阻（321)設置在該開關32〇之分路内，此乃表 示於電燈之穩定操作期間内該電阻係由該開關320將其與電 路之間的連接切斷。另一種方法亦可利傳統方法依據裝置 之特性調節閘極電壓以提供正確數值電流量的方式使控制 器此以適當方式驅動該開關320，達到限制可容許通過開關 320的電流。電容器352—旦完成放電動作，控制器31〇即可 切斷開關320之連接重新啟動點燃作業程序，將相關電壓施 加至電容器350的兩端。 雖然以上已提供具體實例據以說明本發明之原理，但熟 諳本技術領域者應可瞭解，也可利用不同的修改及變更方 法實行本發明。例如：於點燃階段及其後之穩定狀態階段 期間可利用分離式的供電電源。而電路中的開關32〇也可採 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210X297公釐） ----

裝 訂

1279166 A7 B7 五、發明説明（9 ) 用不同的開關裝置。舉凡該等修改方法均應屬於本發明申 請專利事項適用範圍涵蓋之項目。 -12- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X 297公釐)

Claims (1)

1279166 f [ο / j /§ 六、申請專利範圍 丨.：種…置，可適用於啟動及操作高強度放電(Η 燈（3 14)，包括： 個用以提供驅動電壓之雷 电& <電壓分壓器（3 5 0，3 5 2 ); 及 -種用以在該HID燈(314)之一預定啟動階段後切換 ()»玄電壓分廢益之_部份至該電路内之構件。 2.如申請專利範圍第】項之電路裝置，其中之預定階段是 一交接階段。 3·如申請專利範圍第2項之電路裝置，其中該電壓分壓器 包含至少兩個電容器（3 5 0，3 5 2 )。 4.如申請專利範圍第3項之電路裝置，其中用以執行切換 (3 2 0 )之構件進一步包括一個用以監測傳送至該η〗d燈 (3 1 4 )之電壓或電流（3 1 〇 )以及用以於該電壓或電流中 發生一預定變更時切換該電壓分壓器（3 5 〇，3 5 2 )之該 部分的裝置。 5 · —種用以將電力供應至一高強度放電（H j…燈（3夏4 )之 方法，該方法包括下列各步驟： 引發一種轉折（breakover)階段而傳送一足以啟動該 ΗID燈之初始信號； 維持5亥彳§ s虎持續足夠長的時間以提供一交接階段；及 於該Η I D燈（3 1 4 )之該交接階段後，分割該信號且繼 續提供因該分割所產生的兩個穩定狀態信號給該ΗID燈 (3 1 4 )使其操作於一穩定狀態階段。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210X297公釐) 1279166 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 6 ·如申明專利範圍第5項之方法，進一步包括測量傳送至 4 Η I D燈（3 1 4 )之電流之步驟，以決定何時分割該初始 信號。 7 ·如申請專利範圍第6項之方法，進一步包括以下步驟： 監測在該穩定狀態内跨越該Η I D燈（3 1 4 )兩極之間的 電信號； 依據该監測結果決定該Η I D燈（3 1 4 )是否已於穩定狀 態操作時熄滅；以及 若媳滅’逐漸增加該兩個穩定狀態信號其中之一至與 該初始信號相等強度。 8 ·如申請專利範圍第7項之方法，進一步包括於該逐漸增 加化號強度至該相等強度之步驟完成後再啟動該電燈之 步驟。 9 .如申請專利範圍第8項之方法，其中該逐漸增加信號係 受到切換與一電容器（3 2 〇 )串聯之一放電電阻（3 2 1 )的 影響。 10·如申請專利範圍第6項之方法，其中每一該兩個穩定狀 恶信號係被傳送至不同的兩個開關裝置（3 5 4，3 5 6 )， 且其中該兩個開關裝置（3 5 4，3 5 6 )係交替地被導通及 斷開。 11.一種可用以驅動一高強度放電（hid)燈㈠夏4)之電路裝 置’包括： 第一電谷器（350)，其連接於一第一端子（318)和 -2- A BCD 1279166 申請專利範圍 一弟一連接點（3 2 8 )之間，以及一第二電容器（$ $ 2 )， 其連接於該第一連接點和一第二端子（3 1 6 )之間； 一點燃器（3 1 2 )’其連接於該第一連接點和一第二連 接點（3 3 0 )之間； 一第一開關（3 5 4 )，其連接於該第一端子和第二連接 點之間，以及一第二開關（3 5 6 )，其連接於該第二端子 和第二連接點之間； 一第三開關（3 2 0 >，其連接於該第一連接點和第二端 子之間，及 一控制器（3 1 0 )，用以於該第三開關（3 2 〇 )閉合（導電） 時啟動該HID燈（314)，並於該HID燈（314)進入一升 高階段時切換該第三開關（3 2 〇 )至開路狀態。 12. 如申請專利範圍第丨丨項之電路裝置，其中該控制器 (3 1 0 )亦會於穩定操作内交替地切換將該第一及第二開 關（3 5 4，3 5 6 )導通或斷開，以由一輸入電壓產生一大 體上為方形之波。 13. 如申請專利範圍第1 1項之電路裝置，其中該控制器 (3 1 0 )包括一個可用以確認該η j D燈是否已於操作時熄 滅之構件’若已熄滅，則使得該第二電容器（3 5 2 )逐漸 進行放電。 14·如申请專利範圍第丨3項之電路裝置，其中該逐漸放電 係藉由以一種足以限制使用預定方式流經該電晶體之電 流的方式來驅動一電晶體（3 2 〇 )之閘極電位。 3-

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15· —種用以驅動一hid^ * 、 初 川燈（314)之電路裝置，包括·· 用乂將來自一電源之電力由電源來源傳送至該Η⑴燈 (314)之構件； °應於傳送该電源、用以監測該η Ζ D燈（3 1 4 )之一特 性的構件；及 。。用X切換一裝置（3 5 2 )至該電路内以實現一電壓分壓 1§ ( 3 5 0，3 5 2 )之構件。 士申。月專利範圍第丨5項之電路裝置，其中該被監測之 特性係為電流。· 17·如申％專利範圍第1 6項之電路裝置，其進一步包括一 瓜測裔’用以監測該Η I D燈（3 1 4 )以決定該ΗI D燈是否 於細作時熄滅，若熄滅，則使該電容器（3 5 2 )逐漸放 電。 -4 -本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)