專利名稱：電子鎮流器電路的制作方法
引言本發明涉及用于氣體放電燈的電子鎮流器電路，具體地、但不排除用于公共安全或適宜的應用。
電子鎮流器電路被研制用來給出穩定的電壓，以便驅動氣體放電燈等等。然而，由于燈以高頻進行驅動，它們遇到許多問題不穩定的電弧、很差的波峰因數、以及電路中引起的高頻聲音諧波，所有這些問題大大地降低燈的使用壽命和光輸出的質量，市面上可提供的鎮流器使用相當簡單的方式通過流過電感的高頻負載電流來驅動燈。工業界許多人都知道這些問題，所以，似乎還沒有能夠完全解決這個問題的、市面上可供使用的產品。
這樣的電子鎮流器的例子是在PCT專利申請No.WO 95/22194中描述的電子鎮流器。這個鎮流器利用方波電壓波形來驅動燈。這樣的方波波形(有時被稱為驅動波形)被認為是用于氣體放電燈的特別適合的波形。然而，這種鎮流器被認為并不能解決以上的問題，特別是在為燈運行提供穩定的電弧和阻止高頻聲音諧波方面。
燈的高頻脈沖趨向于在電路中產生不穩定的電弧。電弧特性會隨每次開燈或再次關燈而變化，以及這在每次交流(AC)循環時出現，但在高頻時，這會每秒出現20,000次，這對于電弧穩定性有決定性影響。電弧強度會變動，它也對降低燈壽命起作用。
高頻電弧諧振是工業界所承認的一個問題。據認為，具有這樣的高頻諧振也會使得金屬焊縫在燈內振動，因此，將在焊接點處出現物理結構疲勞。本發明的目的是提供一種電子鎮流器電路，它克服現有的、用于驅動氣體放電燈的方法中的固有的問題。實際上，所需要的是提供一種燈負載電流波形，它將產生穩定的電弧、低的波峰因素和使得高頻聲音諧波最小化。
發明概要按照本發明，提供了這樣一種電子氣體放電燈鎮流器電路，它提供交變的、基本上呈方波波形，其特征在于，鎮流器包括控制裝置，用于提供這樣一種電流波形，它具有一個在小于峰值電流的電流值之間的基本上瞬時的過渡階段，然后是一個趨向峰值電流的逐漸過渡階段，從而使所提供的波形具有基本上垂直上升的部分、傾斜上升的轉換速率(Slew rate)的部分、基本上水平的穩定峰值部分、傾斜下降的轉換速率部分、和基本上垂直的下降部分，后面跟隨著一個鏡像的負電流波形。
所述逐漸過渡階段可以形成一個基本上呈直線的波形部分或兩個基本上以直線互連的波形部分，它們分別具有朝向峰值部分上升的和從峰值部分下降的變化速率。可替換地，所述逐漸過渡階段形成一個弧形的波形部分，它可以是正弦波的一部分。
理想地，所述瞬時階段占據峰值電流的25％和90％之間，優選地在峰值電流的70％和80％之間。
所述逐漸過渡階段當它接近于峰值電流時具有減小的電流速率改變，該過渡階段占據周期時間的20％和60％之間，或理想地，占據周期時間的30％和50％之間。
本發明提供一種鎮流器電路，其中控制裝置包括電流值傳感器；信號發生器；以及連接在電流值傳感器與信號發生器之間的控制器。
在一個實施例中的電流值傳感器和控制器包括一個用于向數模變換器進行信號饋送的微控制器，該數模變換器又把控制信號提供給信號發生器，該信號發生器包括脈沖寬度調制器。
本發明也提供了一種驅動電子氣體放電燈的方法，包括提供交變電流波形，它具有峰值以及處在正負峰值以下的一個控制值之間的瞬時過渡；檢測所述控制值，使得電流以受控制的轉換速率增長到峰值電流；檢測所述峰值電流以及使峰值電流在預先設置的時間間隔內保持為恒定值；在所述預先設置的時間間隔的結尾處，使得電流從峰值電流以所述受控制的轉換速率減小到所述控制值；檢測所述控制值；以及產生瞬時過渡。
理想地，低頻電流是通過使用高頻電路來提供的，包括使用切換模式技術來合成輸入功率交流波形；以及變換最終得到的波形的極性。
優選地，通過使用功率因數控制根據燈的條件來改變波形的占空因數和改變脈沖寬度，以便控制輸入功率，從而使峰值電流保持在預先設置的數值內。
發明詳細說明以下，從參照附圖描述的、僅僅作為例子給出的本發明的某些實施例的的說明，可以更清楚地了解本發明，其中
圖1是顯示本發明的原理特性的方框圖；圖2是按照本發明的電子鎮流器電路的示意性表示的一部分；圖2(a)到2(d)是圖2的同樣的表示部分的放大圖；圖3是電子鎮流器電路的示意性表示的第二部分；圖3(a)到3(d)是圖3的同樣的表示部分的放大圖；以及圖4到7是由電子鎮流器電路產生的、用于驅動燈的方波波形的例子。
因為鎮流器電路由大量傳統的部件(諸如濾波器、電感、MOSFET等等)組成，所以參照鎮流器電路的功能和使用來描述鎮流器電路。本領域技術人員很容易了解各種各樣的部件的運行。因此，例如，詳細地描述整流器電路，諸如在本電路中使用的整流器電路3，將是無意義的。
參照圖1，圖上顯示了按照本發明的鎮流器(用參考數字1表示)，它由主電源16供電，用于驅動氣體放電管或燈15。
參照圖2，圖上顯示了鎮流器2的電子電路的一部分。通常的AC主電源16被饋送到觸點2，以及被整流器3進行全波整流，以便在觸點4上提供功率，從而驅動氣體放電燈15(在這個圖上未示出)。
參照圖2，圖上顯示了電子鎮流器控制電路1的另一個部分。電路1包括功率因數控制器21和脈沖寬度調制器22，用于幫助控制具有方波電流形式的用于燈的驅動信號，它們的運行由微控制器23控制。在電子鎮流器控制電路1的各個部分之間的接口在圖2和3上用參考數字20表示。
更詳細地參照該電路，AC主電源被輸入到觸點2和全波電橋整流器3。后者是由多個濾波器、電感和電阻實現的。在全波電橋整流器3的輸出端是一個功率因數控制電感10，它用于附加地進一步平滑DC電壓，如果存在有任何起伏的話。電感10有一個抽頭，以及連同著MOSFET 11一起工作。參照圖3，把電路的另一個部分連接到功率因數控制器21，它確保能夠維持一個正確的功率因數，從而使電路具有最佳性能。電容5確保跨過被連接到氣體放電管的觸點4上的電壓保持為常數。
電感6被連接到觸點4之一，該電感6還被連接到用來驅動燈的負載電橋。
燈的驅動和適當的波形的提供都是由MOSFET來完成的，它們總的用參考數字7(a)到7(d)表示。提供高壓的適當的點火是由MOSFET9(a)和9(b)來完成的，而圖2的放大器電路8(a)到8(d)以及圖3所示的26(a)和26(b)被使用來驅動這些MOSFET。
在運行過程中，在一個周期上MOSFET 7(a)和7(d)工作。電流通過MOSFET 7(a)、電感6流到觸點4和氣體放電管，然后再流到MOSFET7(d)。在出現反向電流時，MOSFET 7(c)和7(b)工作，電流從MOSFET7(c)、以相反方向通過通過觸點4、氣體放電管和電感6，然后再流到MOSFET 7(b)。MOSFET 7(a)和7(b)通過接口20被連接到脈沖寬度調制器22。這里配備有一個控制裝置，它由脈沖寬度調制器22、微控制器23和數模變換器(DAC)25提供。在運行時，脈沖寬度調制器22以傳統的方式提供波形給MOSFET 7(a)到7(d)。
參照圖4，在時間T0，電流瞬時上升到一個被存儲在微控制器23中的預先設置的控制數值。當這個控制值達到時，微控制器23開始按照被存儲在微控制器23中的程序使DAC 25遞增。所以轉換速率被控制，以及電流以控制的方式斜坡上升。當電流達到峰值時，微控制器23停止增加DAC 25，并使其保持不變，從而在時刻T2與T3之間得到恒定的電流。在時刻T3，微控制器23使DAC 25遞減，從而使得電流電平以受控制的轉換速率下降直至時刻T4，此時電流達到控制值。
再次參照圖4，圖上顯示被使用來驅動氣體放電燈15的電流的波形。波形的形狀略微夸大，以便于了解。實際上，垂直部分并不像圖上所顯示的那樣傾斜，因為它發生在非常短的時間間隔內。在T0與T1之間和在T4與T5之間的間隔因此顯得大得多。另外，討論主要針對在總的由參考數字30表示的線以上的正的電流波形。波形和它的形狀由微控制器23控制。在T0與T1之間，具有一個發生在大約10微秒內的、在-I1和+I1之間的基本上瞬時的過渡，它形成瞬時過渡階段，其波形30具有基本上垂直上升的部分31。從T1到T2，電流在過渡階段中逐漸上升，給出一個向上傾斜的轉換速率部分32，一直達到恒定峰值電流IP。波形的這個穩定峰值部分被表示為參考數字33。電流上升是以受控制的電流轉換速率進行的。峰值電流在T2與T3之間被保持，在T3時它開始在另一個逐漸過渡階段中降低，從而給出一個向下傾斜的轉換速率部分34，直至電流等于+I1時的時刻T4為止。然后，在T4與T5之間，出現在+I1和-I1之間的另一個幾乎瞬時的過渡，使波形30具有基本上垂直下降的部分35，導致一個鏡像的負的波形，總的用參考數字36表示。
在-I1和+I1之間、以及顯然地在+I1和-I1之間的突然的過渡可以使得用于熄滅電弧的時間最小化。因此，這大大地增加在與形成原先的電弧有關的條件相同的或非常類似的條件下形成新的電弧的概率。這有助于燈的穩定性。根據這種突然的過渡，這種向峰值電流的受控制的上升和然后受控制的下降，提供了一種適當的轉換速率，它能避免引起聲音諧波的可能性，這種聲音諧波會使得燈的機械構件“振鈴”。據認為，這種振鈴會造成焊接疲勞，使得燈管的過早地出現故障。和緩的轉換速率可以減小聲音諧波的幅度。最后，通過提供平坦的頂部，可使得波形的波峰因數(峰值與RMS值的比值)最小化。
再次參照圖2，有四個運算放大器24(a)，(b)，(c)，(d)，24(a)，它們用于測量在觸點4上的電壓，該電壓將被饋送到脈沖寬度調制器22。第二運算放大器24(b)把該電壓的指示以經過濾波的形式提供給微控制器23。下一個運算放大器24(c)在工作時與電阻13一起起作用，從而將觸點4上的電壓反饋到運算放大器24(c)，然后再饋送到微控制器23。最后的一個運算放大器24(d)與數模變換器(DAC)25一起運行。微控制器23向DAC 25指示它需要特定的功率輸出，DAC25產生一個電壓，該電壓通過運算放大器24(d)傳送到脈沖寬度調制器22，這樣，它控制處理過程，得到一個加到觸點、從而加到氣體放電燈管15的正確的功率。
當氣體放電燈15運行時，由于長時間的使用和消耗，在觸點4上的電壓上升。在典型的氣體放電管或燈中，該電壓可能在開始時為80伏，以及保持上升直至它達到130伏為止，或者當出現循環時甚至會更高。燈管會在從幾毫秒到幾分鐘的時間內接通和關斷。在本電路中，這種現象被阻止，因為電路能夠實際測量電壓上升。最終將會達到電路不再驅動燈管的階段，但微控制器23可以在電路到達該階段之前關斷它。然而，也可以由電壓監視電路來指示該電壓已上升到預定的電平以上，從而指示出燈已接近于它的使用壽命的終點。
為了使燈正確地運行，必須以適當的方式控制燈的點火。為了使燈被點火，燈需要幾千伏的高壓尖峰。本發明的電路提供在一個基本周期內約5千伏的電壓尖峰。這是通過使用點火MOSFET 9(a)和9(b)達到的。當MOSFET 9(b)截止時，被饋送到電感6以便提供輸出脈沖的電壓便會升高，從而使得在觸點4之一上得到約5千伏的電壓尖峰。一旦燈點火，電感6就控制進到燈管的電流，這樣，它起到限流器的作用。所以，一個電感6在電路中實現兩個任務。
本發明的另一個特性是，傳遞到燈的低頻電流波形由使用高頻電路的鎮流器1來提供。這是通過轉換MOSFET 7(c)和7(d)以便改變波形的極性而達到的。鎮流器1具有通過調整功率因數控制電壓來監視燈管電壓的能力。通過改變來自脈沖寬度調制器的脈沖寬度，可使加到燈管的功率被保持不變。這是借助通過MOSFET 11改變占空因數以確保加到燈管功率保持不變而達到的。MOSFET 7(a)和7(b)可被使用來補償燈管電流的任何下降，這會改變工作周期的寬度。這個方法具有的另一個優點是燈的控制與主電源無關。
在發生故障時，微控制器23可引起一個信號傳遞到觸點27，該觸點27然后可被使用來將一個表示故障的信號引導到中央主站，或使得可視的信令設備運行，這諸如在與本申請所基于的愛爾蘭專利申請No.99 0396同一天提交的共同待決的PCT專利申請PCT/IE99/00044中描述的那樣，該專利申請的揭示內容在此引用，以供參考。
微控制器23的使用允許形成具有想要的形狀的電流波形，將會看到，如果發現其它波形或這種波形的變型對于特定結構的氣體放電管是必須的，則它可相對較容易地被提供。
圖5顯示總的以參考數字40表示的波形，其中波形40中與波形30相同的那些部分用相同的參考數字表示。在本實施例中，逐漸過渡階段形成兩個互聯的波形部分41和42它們以變化的速率上升到峰值和從峰值下降。
現在參照圖6，圖上顯示總的以參考數字50表示的又一個波形，其中與波形30相同的那些部分用相同的參考數字表示。在本實施例中，逐漸過渡階段形成一個基本上呈現正弦波形的一部分的弧形的波形部分51。
圖7顯示總的以參考數字60表示的另一個波形，再次地，其中與參照前面的各附圖描述的波形相同的那些部分用相同的參考數字表示。這個波形也具有逐漸過渡階段，它形成弧形的波形部分61。
脈沖寬度調制器和DAC可被合并在一個數字和/或軟件實施方案中來實現它們的功能。
雖然以上的實施例顯示提供必要的驅動器波形的特別適合的方式，但本領域技術人員將會看到，許多其它的方式可被使用來提供這種波形。本發明的實質在于，以所顯示的方式而不是以它達到的方式來修改或改變傳統的波形。本發明具體的優點在于，它是能實現這一目的的簡單的、經濟的和有效的方法。然而，必須懂得的是，本發明的主要方面是認識到需要精確地控制波形，以便提供比現有的燈運行條件更好的條件。本發明的重要的特性是，它能達到快速的過零過渡以便減小電弧熄滅的時間，而同時能補償所產生的聲音諧波。還看到，實驗發現，可以根據特定的運行條件和氣體放電管或燈的特定結構來提供不同形狀的波形，以及改變電流瞬時上升百分數。因此，可以預期，瞬時的電流上升可以是在峰值電流的25％和90％之間。我們發現，在70％與80％之間某個數值是理想的，這是多半由在至今的測試中所使用的特定氣體放電管所決定的。同樣地，已發現受控制的上升和下降發生在周期時間的20％和60％之間。也就是說，例如，上升發生在周期時間的10％和30％之間，然而，也有可能是在15％和25％之間的某個數，但至今還沒有完成足夠的工作來精確地估價應當瞬時達到的正確的電流值、或在峰值與該電流電平之間的上升和下降的時間長度，即應當設計達到的瞬時電流。
在本說明中的用語“包括”和“被包括”或它們的任何變化的同義語都應被認為全部是可互換的，以及它們應當被給予最廣義可能的解譯，以及反之亦然。
本發明并不限于這里描述的實施例，而是在結構和細節方面可以在權利要求的范圍內變動。
權利要求
1.一種電子氣體放電燈鎮流器電路，它提供交變的、基本上呈方波波形，其特征在于，鎮流器包括控制裝置，用于提供這樣一種電流波形，它具有一個在小于峰值電流的電流值之間的基本上瞬時的過渡階段，然后是一個趨向峰值電流的逐漸過渡階段，從而使所提供的波形(30)具有基本上垂直上升的部分(31)、傾斜上升的轉換速率的部分(32)、基本上水平的穩定峰值部分(33)、傾斜下降的轉換速率部分(34)、和基本上垂直的下降部分(35)，后面跟隨著一個鏡像的負電流波形(36)。
2.權利要求1中要求的鎮流器電路，其中所述逐漸過渡階段形成基本上呈直線的波形部分(32，34)。
3.權利要求1中要求的鎮流器電路，其中所述逐漸過渡階段形成朝著峰值部分(33)上升的和從峰值部分(33)下降的、具有變化的速率的兩個基本上呈直線的互連的波形部分(41，42)。
4.權利要求1中要求的鎮流器電路，其中所述逐漸過渡階段(60)形成弧形的波形部分(61)。
5.權利要求4中要求的鎮流器電路，其中所述波形部分是正弦的一部分(51)。
6.上述的任一權利要求中要求的鎮流器電路，其中所述瞬時階段占據25％和90％之間的峰值電流。
7.上述的任一權利要求中要求的鎮流器電路，其中瞬時階段占據70％和80％之間的峰值電流。
8.上述的任一權利要求中要求的鎮流器電路，其中所述逐漸過渡階段在它接近于峰值電流時具有減小的電流速率改變。
9.上述的任意權利要求中要求的鎮流器電路，其中所述過渡階段占據20％和60％之間的周期時間。
10.上述的任一權利要求中要求的鎮流器電路，其中逐漸過渡階段占據30％和50％之間的周期時間。
11.上述的任一權利要求中要求的鎮流器電路，其中控制裝置包括電流值傳感器；信號發生器；以及被連接在電流值傳感器與信號發生器之間的控制器。
12.權利要求11中要求的鎮流器電路，其中電流值傳感器和控制器包括微控制器(23)，它饋送給一個數模變換器(25)，后者接下來又把控制信號提供給包括脈沖寬度調制器(22)的信號發生器。
13.一種驅動電子氣體放電燈的方法，包括提供交變電流波形，它具有峰值以及在正的與負的峰值以下的控制值之間的瞬時過渡；檢測控制值，使得電流以受控制的轉換速率增長到峰值電流；檢測峰值電流，以及使峰值電流在預先設置的時間間隔內保持為恒定值；在預先設置的時間間隔的結尾處，使電流從峰值電流以受控制的速率減小到控制值；檢測控制值；以及產生所述瞬時過渡。
14.權利要求13中要求的方法，其中低頻電流是通過使用高頻電路來提供的，包括使用切換模式技術來合成輸入功率交流波形；以及變換最終得到的波形的極性。
15.權利要求13或14中要求的方法，其中通過使用功率因數控制根據燈條件來改變占空因數和改變波形的脈沖寬度，以便控制輸入功率，從而使峰值電流保持在預先設置的數值內。
全文摘要
用于氣體放電燈的驅動器波形(30)是由鎮流器電路產生的。波形(30)具有基本上垂直上升部分(31),形成在T0與T1之間的、約10微秒時間的在電流－I1和+I1之間的瞬時的過渡,這是小于峰值電流IP的電流值。然后在以受控制的轉換速率的過渡上升時,波形(30)以直線形式上升部分(32)上升到用數字(33)表示的穩定的峰值電流IP。峰值電流IP在T2與T3之間被保持,它占據周期時間的40%到80%之間。然后,在T3出現向下傾斜,波形具有直到時間T4的傾斜下降轉換速率部分(34),這時出現在時間T4和T5之間的、電流從+I1到－I1的瞬時過渡。該驅動器波形減小高頻諧波的生成以及提高電弧穩定性。
文檔編號H05B41/16GK1362002SQ00810476
公開日2002年7月31日 申請日期2000年5月17日 優先權日1999年5月17日
發明者S·諾尼, T·杜爾茨, M·奎蘭, P·麥卡錫 申請人:努恩特克有限公司