加熱放電燈的電極的設備的制作方法

專利名稱：加熱放電燈的電極的設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及加熱放電燈的電極的設備，放電燈由一個包括一個為放電燈提供放電功率的開關式電源(SMPS)的放電功率產生器驅動。
鎮流器廣泛用來為放電燈提供可控電源。通常，鎮流器包括一個預調節器，例如是對電力網(230V 50Hz)的交流電進行整流的雙整流器(double rectifier)。經整流的電力網(300-400V的DC母線電壓)驅動一個放電功率產生器，為放電燈供電。放電功率產生器包括一個接在預調節器與放電燈之間的開關式電源(SMPS)，用來保證放電燈高效率AC工作。鎮流器例如可以用來保持向放電燈提供恒定功率以保持所選擇的光強度，也可以用來使放電燈的光強度可控變弱。
許多種放電燈需要在點火前對燈管電極加熱。在點火階段開始前，燈管受到對兩個燈管電極的預熱處理。在起動階段和穩定階段期間，燈管的電極可能還需要加熱。通常，放電燈的燈管電極必須產生足夠的放電，以得到長的開關壽命、穩定的發光過程和最小的端部變黑。
在有些應用中，除了上面提到的放電功率產生器之外，還用一個加熱功率產生器來實現加熱電極。除用放電功率產生器驅動放電燈之外，用一個另外的功率產生器加熱電極，使加熱電極可以與為放電燈提供的放電功率相互獨立，從而可以隨時更為精確地對電極進行加熱。
GB 2316 246 A揭示了一種配有獨立的為熒光燈電極進行加熱的加熱電路的功率產生器。這種加熱電路將電極保持在特定的溫度。然而，這種產生器是DC供電的，加熱電路根據來自溫度傳感器和燈光傳感器的信號來控制燈管的溫度。因此，對加熱電路的控制是根據燈管溫度而不是根據提供給燈管電極的熱量。此外，這種設備比較復雜，而且需要燈管溫度傳感器。
本發明的目的是提供一種比較簡單的對放電燈的電極可控加熱的設備。
按照本發明，這個目的由一種加熱放電燈的電極的設備達到，放電燈由一個包括一個為放電燈提供放電功率的開關式電源(SMPS)的放電功率產生器驅動，這種設備包括一個電極加熱功率產生器，它包括至少一個開關元件、一些與開關元件連接的初級變壓器繞組和一些與放電燈的一個或多個電極連接的次級變壓器繞組；一個控制器，用來向開關元件提供至少一個控制向所述放電燈電極提供的加熱功率的控制信號；以及一個反饋裝置，用來將一個表示電極上耗散的熱量的信號反饋給控制器；其中，控制器包括一個可以預先存儲至少一個電極加熱基準值的存儲器，控制器可編程來根據反饋信號控制對電極的加熱使得在電極上耗散的熱量保持在預先存儲的電極加熱基準值。因此，控制器將如由反饋信號表示的電極的實際加熱與一個預先存儲在控制器存儲器內的基準值相比較。控制器對向放電燈電極提供的加熱功率進行調整到或者保持在預先存儲的基準值。由于不同的燈類型可能需要不同的基準值以得到最佳的加熱效果，所以預先存儲的基準值最好與對于實際在用的燈類型是最佳的加熱值相應。
在一個優選實施例中，控制器配有一個可以預先存儲多個各與不同的燈類型相應的電極加熱基準值的存儲器，并且控制器可編程來選擇與實際在用的放電燈相應的電極加熱基準值。由于最佳加熱可以對于不同的燈類型是不同的，所以這將為實際在用的燈管提供改善的加熱特性。此外，這些軟件可控的燈管加熱基準值將使一個特定的加熱設備可適合于多種燈類型。這使得這個加熱設備的實施例變得更為通用，減少對于不同的燈類型所需的加熱設備類型和減少廠家的存儲容量。
在另一個優選實施例中，對于控制器進行編程以便為電極提供對實際放電功率電平最佳化的加熱功率。例如，在點火前實際放電功率電平為零時可以對燈管的電極進行預熱。在燈管上沒有放電電壓的情況下加熱電極將改善點火過程。此外，在燈管變暗時(在穩定階段期間)，流過燈管電極的電流可以成為低于限定的最小電流值。預定的最小電流值主要取決于所用的放電燈類型。如果燈管電流小于所述最小電流值，就需要對電極加熱，而如果燈管電流大于所述最小電流值，則可以停止對電極加熱。此外，在燈管電流小于最小電流值的情況下，所需的加熱通常要加強，如下面還要說明的那樣。
因此，在另一個優選實施例中，控制器包括一個可以預先存儲作為變暗等級的函數的多個電極加熱基準值的存儲器，而且控制器可編程來選擇與實際變暗等級相應的電極加熱基準值。實際變暗等級最好由控制器根據從放電功率產生器接收到的表示在用的放電燈實際變暗等級的信號確定。因此，對于控制器進行編程，以便根據放電燈變暗等級修改向電極提供的加熱功率。這樣，浪費的能量最少，而電極的壽命最理想。
在另一個優選實施例中，控制器可編程來根據從放電功率產生器接收到的信號確定在用的燈管實際工作階段，并且從預先存儲在存儲器內的多個預先存儲的電極加熱基準值中選擇與所確定的工作階段相應的基準值。放電燈的最佳工作取決于燈管的工作階段，即取決于預熱階段、點火階段、起動階段和穩定階段，或者燈管壽命的開始階段或結束階段等。此外，在某種情況下燈管工作必須滿足一些附加要求。例如，對于一些特殊應用可能需要將燈管的啟動時間從1.5s減少到0.5s。這進而又要求在燈管的預熱階段期間向燈管電極提供較大的熱量。這可以通過為燈管的這個工作階段指定一些經修改的基準值來達到。
在又一個優選實施例中，對于控制器進行編程以便在檢測到一個表示任何電極有短路的信號時使加熱功率產生器切斷。這樣，加熱功率產生器的變壓器，如下面要說明的那樣，只需要耐短路較短時間。可以利用前面提到的反饋信號來作為指示短路的信號。
加熱功率產生器在一個優選實施例中包括一個帶有變壓器的脈沖寬度可控半橋變換器。這個半橋適合在電壓通常為300-500V的DC母線電壓的高壓電源下工作。各個開關元件的選通驅動信號由控制器產生。通過改變半橋的開關元件的脈沖寬度，可以調整加到燈管電極上的電壓。在下面要說明的實施例中，加熱功率產生器包括串聯的一個第一開關元件和一個第二開關元件，變壓器的初級繞組接在第一和第二開關元件之間。
加熱功率產生器在另一個優選實施例中包括一個脈沖寬度可控逆向變換器。在下面要說明的這個實施例中，逆向變換器包括一個開關元件，通過變壓器的初級繞組接到一個電壓源上，而變壓器的次級繞組直接與電極連接。由于變壓器的次級繞組直接與燈管電極連接，即沒有諸如二極管之類的電子器件的介入，因此電極可以是AC工作的，并且可以提供更多的熱能。此外，這種逆向變換器電路可以在母線電壓高達400V甚至還高的情況下工作。采用這種逆向變換器的布局在比較低的電壓Vdd(通常為10-15V)下也可能工作。
將表示在電極上耗散的熱量的信號反饋給控制器的反饋裝置在另一個優選實施例中包括一個接在一個開關元件和地之間的電阻元件(例如一個電阻器)和一條將這個電阻元件上的平均電壓作為反饋信號反饋給控制器的分路。平均電壓給出了相當好的在燈管電極上耗散的能量的指示。
在以下對本發明的兩個優選實施例的說明中給出了其他一些優點、特征和細節。在本說明所參考的附圖中

圖1為使放電燈工作的鎮流電路和加熱放電燈的電極的加熱設備的原理圖；圖2為圖1原理圖的一部分；圖3為燈管電極加熱設備的第一實施例的原理圖；圖4為燈管電極加熱設備的第二實施例的原理圖；以及圖5為作為電弧電流Ilamp的函數的電極電壓Velec的曲線圖。
在圖1中，使放電燈LP工作的工作設備1(鎮流器)的輸入端子A、B接到通常是電力網M(220V，50Hz)的電源上。輸入端子A、B接到預調節器2上，預調節器2可以是接成串聯的一個整流二極管橋、一個上變頻器和一個能量緩沖器。二極管橋對電力網M進行整流，提供一個在300到500V之間的DC供電電壓或母線電壓UDC。預調節器2與開關式電源(SMPS)3連接。SMPS為放電燈LP供電。在高頻工作(低壓燈)的情況下，開關式電源最好包括一個諸如半橋或全橋變換器之類的矩形波電壓變換器，用來將DC供電電壓變換成高頻率的AC電壓。在方波電流工作的情況下，開關式電源包括一個下變頻器和一個換向器。半橋-全橋電路或換向器具有端子D、E。
鎮流器1的工作由鎮流器控制器4控制。
此外，鎮流器1配有一個外部加熱設備5，用來在點火前預熱階段和/或在點火后起動或穩定狀態階段加熱燈管LP的電極。外部加熱設備5可以由控制器6控制。
在圖2中更詳細地示出了圖1所示的電路的一部分。具體地說，圖2示出了加熱設備5和它的控制器6。可選地，在鎮流器控制器4和加熱設備控制器6之間配置一條傳輸線13，用來在這兩個控制器之間傳輸數據。還示出了分別與變壓器T的次級繞組7和8連接的燈管電極e1、e2。變壓器T的初級繞組9是加熱設備5的一部分。
在圖3中，示出了加熱設備5的第一優選實施例。加熱設備實現為一個帶變壓器T的半橋變換器。這個半橋包括串聯的一個第一開關元件S1和一個第二開關元件S2。第二開關元件S2可以接到任何適當的電源上，例如接到放電功率產生器(在圖3中示為電源1)的預調節器2提供的母線電壓UDC上。變壓器T的初級繞組9(通過電容器10)接在第一和第二開關元件之間。開關元件的控制由包括一個存儲器和一個處理器(未示出)的可編程微控制器6提供。微控制器6向第一開關元件S1提供一個第一脈沖寬度調制(PWM)控制信號PWM1，而通過電平移動器11向第二開關元件S2提供第二脈沖寬度調制控制信號PWM1。
在另一個優選實施例(未示出)中，在開關元件的源線內有一個比較小的電阻，其結果是較好地處理短路情況。
通過改變PWM1和PWM2的脈沖寬度可以控制加到燈管電極e1、e2上的電壓，從而控制提供給燈管電極的加熱功率。此外，在地和第一開關元件S1之間接有一個歐姆電阻器14，而且配置了一條接至微控制器6的分路12。通過分路12可以向控制器6提供一個反饋信號FB。反饋信號FB是電阻器14上的平均電壓，用來監視加熱設備5所消耗的功率(電流×供電電壓)。
這個功率表示燈管LP的電極e1、e2實際消耗的熱能。這個反饋回路確立了一種得到改善的對實際提供給燈管電極的功率進行的控制。
在圖4中，示出了加熱設備5的第二優選實施例。在這個實施例中，加熱設備5實現為一個與變壓器T組合的逆向變換器。這個逆向變換器包括一個開關元件S3，通過變壓器T的初級繞組15接到電壓源U上。二極管16用來保護開關元件S3，防止在開關元件S3切斷時變壓器T的去偶感應引起的電壓尖脈沖。變壓器T的次級繞組7和8直接與燈管LP的電極e1、e2連接。開關元件S3由微控制器6控制。微控制器6產生脈沖寬度可變而頻率固定的矩形波電壓信號PWM3。在預熱階段期間，脈沖寬度為最大值，對燈管電極進行最大量的加熱，而在燈管工作期間，脈沖寬度可以小一些，這取決于所需的加熱量。在燈管的暗光工作期間，即在鎮流器1輸出的放電功率設置為降低的暗光電平時，鎮流器控制器4通過傳輸線13向加熱設備的控制器6提供一個表示所設置的暗光電平的暗控制信號。微控制器6對于暗控制信號的每個值來確定提供給開關元件S3的控制信號的正確脈沖寬度，因此對開關元件S3進行控制。
所述實施例的逆向變換器可以接到一個低DC電壓源上，例如接到也用作微控制器的工作電壓的12V左右的電壓Vdd上。然而，由于變壓器T的次級繞組直接與燈管的電極e1、e2連接而沒有二極管元件，因此可以使用AC電壓源，其結果是能夠向電極提供更多的熱能。
此外，在地和開關元件S3之間接有一個歐姆電阻器18，而且配置了一條接至微控制器6的分路19。通過分路19可以向控制器6提供反饋信號FB。正如前面提到的那樣，反饋信號是電阻器18上的平均電壓，用來監視加熱設備5消耗的功率(電流×供電電壓)。這個功率表示燈管LP的電極e1、e2實際消耗的熱能。
在控制器5的存儲器內存儲有對于不同燈管類型的多個電極加熱功率基準，每個功率基準屬于一種特定的燈管類型。由于不同的燈管類型在不同的工作階段(預燃、點火、起動、在全或暗等級穩定工作)期間可能需要不同的加熱能量，所以與特定燈管類型有關的預先存儲的基準值設置為與對于所述特定燈管類型為最佳的能量相應。控制器5能選擇符合實際在用的燈管類型的功率基準值。這種選擇可以通過用戶干預，例如在通過硬件或軟件向控制器指出在燈管的接線端C、D之間接的是哪種類型的燈管后實現，也可以在控制電路裝有用于確定所接燈管類型的裝置的情況下自動實現。
除了取決于燈管類型之外，最佳電極加熱功率還可以取決于變暗等級。在這種情況下，微控制器6編程成對加熱功率產生器(即圖3中的半橋或圖4中的逆向變換器)進行控制，使得在使燈管變暗、放電功率產生器提供的燈管電流成為小于一個預定的最小電流值Ilamp.min時對電極加熱。在燈管進一步變暗、燈管電流進一步減小時，控制器6將使加熱功率產生器提供更多的功率以增強對燈管電極的加熱。這種控制情況進一步如圖5所示。圖5示出了一條曲線，表示電極電壓Velec作為流過燈管的電極之一的燈管電流Ilamp的函數。為了簡單起見，省略了電極電壓作為另一個電極的燈管電壓的函數的曲線。然而，這條曲線通常與前面提到的曲線是相同的，因為兩個電極將同樣加熱。
在燈管以100％等級工作時，不必另外用加熱設備對電極加熱。然而，在燈管變暗、燈管電流Ilamp減小到最小燈管電流Ilamp，min時，電極需要另外用加熱設備加熱。燈管電流越小，電極需要用加熱設備另外的加熱就越多。這樣，將增加電極的壽命，同時減少浪費的能量。
實際變暗的等級可以由控制器根據表示在用的放電燈實際變暗等級的信號確定。這個信號由放電功率設備1的微控制器4產生，通過傳輸線13(圖1)發送給加熱功率設備5的微控制器6。對于微控制器6進行編程，以便根據變暗等級信號來修改提供給電極的加熱功率。這樣，可以節約能量和延長電極的壽命。
需要的加熱量還可以取決于燈管的工作階段，該信息可以從鎮流器控制器4得出。在這種情況下，表示燈管的工作階段的信號由鎮流器控制器4產生，發送給加熱設備控制器6。于是，控制器6從它的存儲器中選擇給出對當前的燈管類型和燈管的當前工作階段為最佳的加熱的基準值。
在又一個實施例中，對于微控制器6進行編程，以便對一個指示任何燈管電極e1、e2有短路的信號進行檢測。這個信號可以是上面提到的反饋信號，也可以是任何其他適合于這個用途的信號。檢測到短路后，微控制器6中斷脈沖寬度調制控制信號PMW1(控制信號PMW2和/或PWM3)。結果，加熱功率產生器5切斷。因此，加熱功率產生器5只需要耐短路比較短的時間，從而電路可以簡化。
在以上這些實施例中，工作設備1的控制器4和加熱設備5的控制器包括兩個獨立的微控制器。然而，也可以想象將工作設備1的控制器4和加熱設備5的控制器6組合在一個微控制器內。這將進一步簡化這種電路的設計和實現。
本發明并不局限于以上所說明的本發明的這些優選實施例；本發明要求保護的權利由權利要求書規定，可以設想在本發明的范圍內可以有許多變型。
權利要求
1.一種加熱一個放電燈的電極的設備，所述放電燈由一個包括一個為所述放電燈提供放電功率的開關式電源(SMPS)的放電功率產生器來驅動，所述設備包括一個電極加熱功率產生器，所述電極加熱功率產生器包括至少一個開關元件、與所述開關元件連接的初級變壓器繞組以及與所述放電燈的一個或多個電極連接的次級變壓器繞組；一個控制器，用來向所述開關元件提供控制向所述燈的電極提供的加熱功率的至少一個控制信號；一個反饋裝置，用來將一個表示在所述電極上耗散的熱量的信號反饋給所述控制器；其中，所述控制器包括一個可以預先存儲至少一個電極加熱基準值的存儲器，所述控制器可編程來根據反饋信號控制對電極的加熱以便使得在電極上耗散的熱量保持在預先存儲的電極加熱基準值。
2.按照權利要求1所述的設備，其中所述至少一個控制信號是一個由所述控制器向所述至少一個開關元件提供的脈沖寬度調制信號。
3.按照以上任何一個權利要求所述的設備，其中所述加熱功率產生器包括一個帶有變壓器的脈沖寬度可控半橋變換器。
4.按照權利要求3所述的設備，其中所述半橋變換器包括串聯的一個第一開關元件(S1)和一個第二開關元件(S2)，所述變壓器的初級繞組連接在所述第一和第二開關元件之間。
5.按照權利要求4所述的設備，包括一個電平移動器，用來移動所述第二開關元件(S2)的脈沖寬度調制(PWM)控制信號的電平。
6.按照權利要求1或2所述的設備，其中所述加熱功率產生器包括一個脈沖寬度可控逆向變換器。
7.按照權利要求6所述的設備，其中所述逆向變換器包括一個通過所述變壓器的初級繞組連接到一個電壓源上的開關元件(S3)，所述變壓器的次級繞組直接與所述電極連接。
8.按照以上任何一個權利要求所述的設備，其中所述反饋裝置包括一個連接在一個開關元件和地之間的電阻元件和一條將所述電阻元件上的平均電壓作為反饋信號反饋給所述控制器的分路。
9.按照以上任何權利要求所述的設備，其中對于所述控制器進行編程以便為所述電極提供對實際放電功率電平最佳的加熱功率。
10.按照以上任何一個權利要求所述的設備，其中所述控制器包括一個可以預先存儲多個各與不同燈管類型相應的電極加熱基準值的存儲器，所述控制器可編程來選擇與實際在用的放電燈相應的電極加熱基準值。
11.按照以上任何一個權利要求所述的設備，其中所述控制器包括一個可以預先存儲作為變暗等級的函數的多個電極加熱基準值的存儲器，所述控制器可編程來選擇與實際變暗等級相應的電極加熱基準值。
12.按照權利要求11所述的設備，其中所述控制器可編程以便根據一個從所述放電功率產生器接收到的表示在用的放電燈的實際變暗等級的信號來確定實際變暗等級。
13.按照以上任何一個權利要求所述的設備，其中所述控制器可編程以便根據一個從所述放電功率產生器接收到的信號來確定在用的燈的實際工作階段和從預先存儲在存儲器內的多個預先存儲的電極加熱基準值中選擇與所確定的工作階段相應的基準值。
14.按照以上任何一個權利要求所述的設備，其中對于所述控制器進行編程以便在檢測到一個表示任何一個所述電極中短路時使所述加熱功率產生器切斷。
15.按照權利要求14所述的設備，其中所述指示短路的信號是反饋信號。
全文摘要
使放電燈工作的電子鎮流器包括一個向放電燈提供放電電流的第一開關式電源和一個對放電燈的電極加熱的第二開關式電源。第二開關式電源配有一個包括一個存儲至少一個電極加熱基準值的存儲器的功率控制回路。
文檔編號H05B41/24GK1589593SQ02823223
公開日2005年3月2日 申請日期2002年11月5日 優先權日2001年11月23日
發明者M·貝, A·W·布伊 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司