TWI433182B - 高壓放電燈用啓動變壓器 - Google Patents

Description

高壓放電燈用啟動變壓器

本發明係有關一種高壓放電燈用啟動變壓器、電子鎮流器及配備有該啟動變壓器之燈系統以及其在投影機系統上的應用。

高壓放電燈已被用在不同的應用領域特別是視訊投影機的領域。特別是這也包括具有特別高照度且對應地具有較高之燈電壓的情況。

高壓放電燈必需以非常高於燈之連續操作的啟動電壓加以啟動，一般情況下會因為這個目的而使用多個啟動變壓器。

這種啟動變壓器在對稱實施例中具有至少三個繞組，初階繞組(下文中的「第三繞組」)中的啟動脈波係藉由啟動變壓器向上提高為具有相當可觀之較大電壓之「第一」和「第二」繞組(二階繞組)中的啟動脈波，且該第一和第二繞組一般而言係相對於高壓放電燈呈對稱的。這所造成的缺點為這些繞組係於燈電路中作串聯連接且因此會在連續操作期間取決於燈電流之位準產生某些電阻耗損。電阻性熱耗損不僅會產生和因此未用之電氣功率有關的問題同時也產生了不可容許的高溫度或是造成和冷卻以及因為這個目的而設置像風扇之可用裝置有關的阻礙性技術要求。

不過，假如因為必要電壓轉換比例則絕對必需要每單位長度有相當數目的圈數，另一方面可在沒有限制下加大導線截面因為如是在變壓器核心外圍需要額外的纏繞空間且因此將部分的繞組定位在離核心更遠處。與總磁場之最終的較差耦合作用會減小其繞組－到－繞組的電壓，結果轉而需要更多的繞組。結果，不僅稍微加大了非活性的電阻同時也增加了變壓器的電感值，結果會在高壓放電燈之操作期間施行習知之燈電流通電程序的情況中妨礙了啟動變壓器所配備之電子鎮流器的性能。明確地說，這裡發生的光凹陷現象會變得更明顯，因為可藉由增加電感而減慢整流期間的電流反轉作用。

從上述說明可以看出，必需在設計啟動變壓器時將各種合格的形態帶到較佳的折衷型式上。特別是高亮度放電燈(HID)用之啟動變壓器更是如此，其中可能出現特別高的啟動電壓，且非常特別是在使用像投影機應用領域，特別是用於較大格式之視訊型後方投影機之情況中所出現的較高燈功率。

本發明係以詳述一種可在實體尺寸、非電抗電阻與電感之間提供較佳折衷之啟動變壓器的技術問題提出的。除此之外，本發明將會詳述一種對應配備的電子鎮流器、一種含有這種電子鎮流器而具有適當之高壓放電燈的燈系統且最後將會詳述該啟動變壓器、電子鎮流器及燈系統的較佳應用。

為了這個目的，本發明關心的是一種高壓放電燈用啟動變壓器，其中具有位於共同核心上的第一、第二和第三繞組，其中該第一和第二繞組係套在該核心之軸向的分開區域上，而該第三繞組係軸向地重疊於該第一和第二繞組上，其特徵為該第一和第二繞組具有至少兩個層且係設計成於各層內呈連續的；以及一種具有這種啟動變壓器的高壓放電燈用電子鎮流器，一種具有該電子鎮流器及一適當高壓放電燈的燈系統且最後將會關心其於投影系統特別是後方投影系統，且特別是視訊投影系統上的應用。

較佳的精煉型式係詳述於申請專利範圍之各附屬項中且將會更詳盡地解釋如下。此例中，係在未明顯地詳述這些形態之間的差異下說明有關本發明之不同形態的特性。

根據本發明之啟動變壓器的特徵為將該第一和第二繞組亦即應該產生啟動電壓的繞組設計成各位於兩個連續層內。此例中意圖以該「連續」一詞表達各繞組並未如同習知設計一般被分裂成多個隔室。結果，可將各室壁所需要的容積用於各繞組且因此能確保各繞組到一般稱作鐵心之變壓器核心有更大的「平均鄰近度」。

除此之外，該第一和第二繞組應該各含有兩個層亦即該第一繞組之內層和外層以及該第二繞組之內層和外層，而該第一和第二繞組自然係套在該核心之軸向的分開區域內。(此例中「軸向」一詞指的是該核心的縱軸，但是也意圖包含非圓柱狀的幾何或此外稍微彎曲的核心且因此指的是變壓器的幾何，結果「軸向」因此意指「沿著該核心的縱軸方向」，因此各繞組的單獨繞組都是沿著周邊方向而伸展的。)已證明至少兩個層的設計特別有利於達成小型的實體尺寸。特別較佳的是兩個或三個層，就軸向的實體尺寸而言三個層是稍微更有利的而就熱學形態而言兩個層是稍微更有利的。特別較佳的是將明確的兩個層用於該第一和第二繞組。

除此之外，可在這類層之間設置例如Kapton膜、PE絕緣膜或是玻璃纖維條之類的層絕緣體以便為各層之間比軸向相鄰之各圈更高的電壓提供有效的絕緣。至於對產生熱能而言同時對實體尺寸而言很重要之各單獨圈的封裝密度，這類層絕緣體最後會更有利於該繞組電線本身已強化的絕緣護套作用。

根據本發明另一較佳精煉型式，上述各層應該是於第一層內從外側(軸向地)向內纏繞，而於第二層內再次從該第一層之內部終端開始向外纏繞且可於其他層內進一步依對應方式加以纏繞。因此此例中該第一層內各繞組的連接結構係軸向地位於外側之上，且於兩層式設計的例子裡該第二層內各繞組的連接結構也是軸向地位於外側之上。這提供了一種電壓技術形式的較佳解決方法。特別是，可使各第二層在軸向方向上稍微更短些，且此例中可將之纏繞到未達定位在其底下之第一層的軸向外側終端處以便提供一些軸向間隔並提供一絕緣路徑。該第一和第二層之這類不同纏繞長度之間的較佳比例係落在從1.1：1到1.5：1的範圍內。較佳的是該第一繞組連同第二繞組之最底層的軸向長度相對於該變壓器核心之平均直徑的比例為2.5：1到3.5：1。(此例中，無意以「平均核心直徑」一詞將圓柱狀幾何列入考量)

反之，上述有關第一和第二繞組而無關第三繞組的解釋係落在低電壓一側上。該第三繞組一般而言可設計成具有超出該第一和第二繞組很少圈的繞組。此例中，相對於上述有關第一和第二繞組之註解，較佳的是使該繞組電線本身是經多次絕緣的而不設置任何其他層絕緣體。歸因於每單位長度中的圈數在任何情況下都是很低的，故在此不屬於封裝密度的問題。

如同初始時所提及的，本發明也有關一種本發明這類啟動變壓器的電子鎮流器。此例中，可將該電子鎮流器設計成用在等於或大於10kV的啟動電壓。這類啟動電壓可出現在例如HID燈特別是功率量值等級為100到200瓦之HID燈的例子裡。如上所述，較佳的是將本發明用在投影系統且特別是後方投影系統及視訊投影系統的領域中。此例中，各HID燈都具有必需以落在有限的可用實體容積之內的電力加以啟動並供應的可觀功率。因為空間及產生噪訊的緣故，除了能量效益的問題以外基本上和冷卻有關的問題也是很重要的。

第1圖顯示的是一種根據本發明之燈系統的方塊電路圖。圖中右邊區域中顯示的是一種HID型高壓放電燈L且係經由兩個連接結構連接到電子鎮流器(也顯示於圖中)上。該HID燈L之連接結構會引致諧振電容器C_{r e s} 經由啟動變壓器之第一繞組w1和第二繞組w2的分接作用。電力控制型轉換器電路PCS(電力控制供應)係經由所耦接之諧振電感L_{r e s} 連接到該諧振電容器上。此中並未顯示該電子鎮流器的細節，因為它們是熟悉習知設計的人所熟知的，且對本發明而言不具關鍵的重要性。該轉換器PCS可以是一種降階轉換器，該諧振電感L_{r e s} 及諧振電容器C_{r e s} 係藉由該轉換器PCS內連接於該降階轉換器之下游的全電橋加以驅動的。這種轉換器電路係供應有來自功率倍率校正電路，特別是升階轉換器之直流中間電路電壓，並由此產生HID燈L用供應電壓，而歸因於該轉換器之降階轉換器的功能使其形式符合取決於燈之操作狀態的電壓(在啟動之後的接收階段然後再進行連續操作)，且係藉由非常低頻的全電橋(full bridge)而互通。

落在超過10kV範圍內之非常高的啟動電壓必需依另一種方式產生。為了這個目的，設置一種電容電路C係藉由充電電路CC加以充電且可經由火花縫隙SG產生放電。可透過上述啟動變壓器之第三繞組w3送出對應之像脈波的放電電流，其中該第三繞組w3係耦接於該第一繞組w1和第二繞組w2上。此例中，對每一個該第一繞組w1和第二繞組w2而言，該啟動變壓器之繞組圈數的比例係落在從1：10到1：15的範圍內，亦即總體而言係落在從1：20到1：30的範圍內。此例中，係以如第1圖所示具繞組意味的符號，標示出該第一繞組w1和第二繞組w2上所加的啟動電壓。

該充電電路CC可藉由從該諧振電容器C_{r e s} 導出的電壓加以供應。

第2圖的目的是解釋該啟動變壓器之三個繞組w1,w2和w3的連接結構以利對第3圖的理解。因此電流流動的方向是透過繞組w1從3到1，透過繞組w2從6到4(參照第1圖)以及透過繞組w3從5到2，反之亦然。參考符號F代表的是當作該啟動變壓器之核心的鐵棒。

第3圖係用以顯示標示為F而呈伸長狀矩形之鐵心的側面圖示。一開始提及的軸向方向指的是紙面上的水平方向。該鐵心具有圓形截面。如圖中左手邊所示，該第一繞組w1係依下列方式纏繞到鐵心之上，從左上方之3開始向前跑出紙面且再次向下穿進紙面亦即沿著從左側觀看時的順時鐘方向纏繞直到啟動變壓器由虛線標出的中心點M為止，並以相同的纏繞方式從該處回纏亦即於第二外部層內沿著軸向的相反方向直到該下邊區域內之連接為結構止。這個繞組在該第一繞組之軸向長度的內部(大概)67%中具有兩個層而在外部33%中具一個層。

相同的結果也適用於右半邊的第二繞組w2，其中僅顯示了連接結構4和6以及前三個最外側繞組。

各例中係在第一層與第二層之間插入多個玻璃纖維條，這種用於該第一繞組之層絕緣體LI係標示於頂部或是底部的左邊區域內。雖則圖中未標示，然而可輪流地將相同的配置應用在右邊及第二繞組w2上。

最後，從符號5開始直到符號2為止的邊界粗描線段顯示的是以三圈形式纏繞於兩個繞組w1和w2之上的第三繞組w3。此例中，未使用任何其他層絕緣體，取代的是為繞組電線作多次絕緣。

這種啟動變壓器在實體尺寸、電阻損耗和冷卻需求以及轉換比例之間提供了一種最佳化的折衷型式。

明確地說，係於第一和第二繞組之個別的第一層中使用了24圈而於其第二層中使用了16圈，結果所計算出的轉換比例總共是3：80。在此同時，連接結構3和1或6和4上各繞組終端之間的軸向距離在變壓器總長度中超過15%的長度上是顯得非常大的，結果此例中儘管該設計不含任何隔室也不致出現任何絕緣問題。也可使這類軸向距離變得更小，使其能夠以相同的實體尺寸或是更小的軸向實體尺寸達成甚至更大的轉換比例。

因此能夠以可靠的方式啟動一種具有非常小之啟動變壓器以及超過10kV之啟動電壓的150瓦HID燈。不過，透過該第一繞組w1和第二繞組w2產生之非電抗電阻是非常小的，結果於連續操作期間沒有任何過多的冷卻需求，且儘管在窄小的空間條件下也能使用很小的空氣流量且因此能使用安靜的風扇。該燈系統係用於後方投影電視上。相較於習知設計，可很容易地將該啟動變壓器且因此整個電子鎮流器容納於更小的實體容積內，且因此可在選擇其他組件時找到非常好的經濟性/技術性折衷型式。

C．．．電容電路

CC．．．充電電路

C_{r e s} ．．．諧振電容器

F．．．鐵核心

L．．．高壓放電燈

LI．．．層絕緣體

L_{r e s} ．．．諧振電感

M．．．啟動變壓器之中心

PCS．．．轉換器

SG．．．火花縫隙

w1．．．第一繞組

w2．．．第二繞組

w3．．．第三繞組

以下將參照一模範實施例詳細解釋說明，其中所揭示的各單獨特性也能以其他組合成為本發明的基本特性且轉而在未明顯指出其差異下指的是有關本發明之不同形態的特性。

第1圖顯示的是一種具有電子鎮流器之燈系統以及所連接之高亮度放電燈(HID)的簡略電路圖。

第2圖係用以顯示第1圖之電子鎮流器中啟動變壓器之連接結構的電路圖。

第3圖顯示的是如第1圖和第2圖所示之啟動變壓器之設計的示意圖。

F．．．鐵核心

LI．．．層絕緣體

M．．．啟動變壓器之中心

Claims (12)

1. 一種高壓放電燈(L)用啟動變壓器，含有：位於共同核心(F)上的第一、第二和第三繞組(w1,w2,w3)，其中該第一和第二繞組(w1,w2)係套在該核心(F)之軸向分開區域上，而該第三繞組(w3)係軸向地重疊於該第一和第二繞組(w1,w2)上，其特徵為該第一和第二繞組(w1,w2)具有至少兩個層且係設計成於各層內呈連續的。
2. 如申請專利範圍第1項之啟動變壓器，其中該第一和第二繞組(w1,w2)具有明確的兩個層。
3. 如申請專利範圍第1或2項之啟動變壓器，其中係在各層之間設置有層絕緣體(LI)。
4. 如申請專利範圍第1或第2項之啟動變壓器，其中該第一和第二繞組(w1,w2)係於第一層從外部向內纏繞，並於第二層從該第一層之內側終端開始再次向外纏繞。
5. 如申請專利範圍第1或第2項之啟動變壓器，其中位於該第二層內之該第一和第二繞組(w1,w2)係沿著軸向纏繞使之尚未達到定位於其下方之第一層的終端。
6. 如申請專利範圍第5項之啟動變壓器，其中該第一和第二層之軸向繞組長度的比例為1.1：1到1.5：1。
7. 如申請專利範圍第1或第2項之啟動變壓器，其中該第一繞組(w1)之最底層的軸向長度連同該第二繞組(w2)之最底層的軸向長度相對於平均核心直徑的比例為2.5：1到3.5：1。
8. 如申請專利範圍第1或第2項之啟動變壓器，其中呈電線形式的第三繞組(w3)係經多次絕緣的。
9. 一種高壓放電燈(L)用電子鎮流器，其具有如申請專利範圍第1至8項中任一項之啟動變壓器。
10. 如申請專利範圍第9項之電子鎮流器，係設計成用在至少為10kV的啟動電壓。。
11. 一種燈系統，具有如申請專利範圍第9或10項之電子鎮流器以及適當的高壓放電燈(L)。
12. 一種投影系統，特別是後方投影系統且特別是視訊投影系統中，其使用了如申請專利範圍1至8項中任一項之啟動變壓器，如申請專利範圍第9或10項之電子鎮流器或者如申請專利範圍第11項之燈系統。