專利名稱：啟動和運行有可加熱電極燈絲放電燈的電路裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種啟動和運行放電燈的電路裝置。本發明尤其涉及在放電燈的起輝前進行放電燈電極螺旋狀燈絲預熱的電路裝置。
背景技術：
啟動和運行放電燈的電路裝置用在放電燈的電子運行裝置中。啟動放電燈在下文中理解為在預熱時段中預熱放電燈的電極螺旋狀燈絲，和在起輝時段中放電燈的起輝。帶有預熱時段和起輝時段的放電燈的啟動在英語中也稱為程序啟動。起輝時段后接運行時段，在此時段中放電燈有電弧放電。
根據現有技術帶有程序啟動的放電燈的電子運行裝置需要包含控制單元的電路裝置，所述控制單元控制預熱時段、起輝時段和運行時段的過程和順序。
公知地電路裝置具有經匹配網絡向電極螺旋狀燈絲的一端饋送電能的逆變器。相應地另一端經諧振電容器連接。諧振電容器和燈的扼流圈是諧振回路的一部分，所述的諧振回路具有一諧振頻率，它在無阻尼的情況下為本征頻率。需要匹配網絡以把逆變器的源阻抗變換成適于運行放電燈的運行裝置的源阻抗。所述諧振回路一般地是匹配網絡的組成部分。
逆變器在逆變器輸出端產生具有逆變器頻率的逆變器電壓，所述的逆變器頻率在預熱時段中處在大于本征頻率的高的預熱頻率。這樣地選擇諧振電容器和預熱頻率的值使得產生流經電極螺旋狀燈絲的為相應的燈類型帶來足夠預熱的加熱電流。
在預熱時段以后在起輝時段中逆變器頻率下降，直到接近本征頻率，在連接著的放電燈上調節出引起放電燈起輝的起輝電壓。
放電燈起輝后接著是運行時段。在此時段中向調節器饋送調節量，例如燈的功率或者燈電流。所述的調節器經調節量這樣地作用于逆變器頻率使得產生所希望的燈功率或所希望的燈電流。
所述的現有技術以各種實施形式說明在下列文獻中EP 0 845928(Mita)EP 0 930 808(Kanazawa)在現有技術中需要控制單元，所述控制單元按時間上正確的順序調節出在相應的時段所要求的逆變器頻率。此外，控制單元在預熱時段和起輝時段必須停止燈功率或者燈電流的調節，因為在這些時段中要求與燈功率或燈電流無關的逆變器頻率。
在本發明涉及的放電燈的運行裝置中隨著成本壓力的上升，省掉運行裝置的部分部件越來越重要。
發明內容
本發明可以使之節省上述控制單元。
本發明的任務是提出成本合算的啟動和運行放電燈的電路裝置，它實現有預熱時段、起輝時段和運行時段的放電燈的啟動和運行。
該任務用如下所述的具有權利要求1的前序部分特點的電路裝置通過根據權利要求1的特征部分的特點解決。特別有利的擴展于從屬權利要求中給出。
該任務基本上是通過找出不需要控制單元地實現預熱時段、起輝時段和運行時段的電路裝置解決的。
根據本發明的電路裝置具有預熱電阻，所述預熱電阻在預熱時段經電極螺旋狀燈絲引起諧振回路的阻尼，由此把諧振回路的諧振頻率從本征頻率下降到阻尼諧振頻率。在預熱時段后預熱電阻采取設計得使諧振回路的諧振頻率接近本征頻率的阻值。
調節器經影響逆變器頻率的設定信號來調節燈電流或者燈功率。術語燈電流是指流經連接到燈接線柱上的放電燈的氣體放電的電流。
在第一調節器輸入端(B1)上饋入第一電學量，此第一電學量與燈電流相對應，在此對于不存在氣體放電的情況下所述第一電學量取啟動值，而在存在氣體放電的情況下第一電學量在最小的值以上。
根據本發明把電路裝置設計得，在第一電學量取啟動值的情況下調節器把逆變器調節到啟動頻率，所述啟動頻率在阻尼諧振頻率與本征頻率之間。啟動頻率給出時間長度如第一電學量處于最小值以下的時間長度。因此在第一電學量低于最小值時不進行控制。在此狀態下所述電路裝置或在預熱時段在起輝時段。時段的方式通過預熱電阻的值確定。
如果預熱電阻的值低，就有較高的加熱電流流經電極螺旋狀燈絲電路裝置處于預熱時段。諧振回路的諧振頻率受電極螺旋狀燈絲阻抗的實部和預熱電阻抑制成為阻尼諧振頻率。根據本發明啟動頻率超過阻尼諧振頻率。啟動頻率和阻尼諧振頻率之間的偏差，以及諧振回路的阻尼的作用使得連接著的放電燈上有不足以起輝的電壓。
在預熱時段以后預熱電阻的阻值上升，從而諧振回路的諧振頻率上升并且接近于逆變器依然輸出的啟動頻率。與此同時諧振回路的阻尼作用下降。這兩個作用都導致電路裝置轉入起輝時段。在起輝時段期間在連接著的放電燈上存在有其值高到可起輝放電燈的電壓。
從而產生根據本發明導致超過最小值的第一電學量的燈電流。以此調節器開始工作；這就是說調節器調定引起所希望的燈功率或者所希望的燈電流的逆變器頻率。在這種狀態下所述的電路裝置處于運行時段。
通過所示的根據本發明的調準阻尼諧振頻率、本征頻率、啟動頻率、啟動值、最小值和預熱電阻不需要前述的控制電路裝置的時段順序的控制單元。
下面參照附圖借助于實施例進一步說明本發明。
所述的附圖示出根據本發明的用于啟動和運行放電燈的電路裝置的實施例。
下文中電阻用字母R、晶體管用字母T、線圈用字母L、放大器用字母A、二極管用字母D，節點電位用字母N而電容器用字母C，各后接一個數字標出。
具體實施例方式
在圖中示出根據本發明的用于啟動和運行放電燈的電路裝置的實施例。
在連接端J1和J2上可以連接市電電壓。在此實施例中用市電運行所述電路裝置。然而本發明不限于用市電運行。根據本發明的電路裝置例如可以用電池電壓運行。
在圖中經過由兩個電容器C1、C2和兩個線圈L1、L2組成的濾波器把市電電壓引到由二極管D1、D2、D3、D4組成的全橋整流器。所述的全橋整流器在其正輸出端，節點N21上提供相對于基準節點N0的經整流的市電電壓。
如果所涉電路裝置用于以市電電壓運行的運行裝置中，它們必須遵從有關市電電流諧波的相關規定，例如IEC1000-3-2。為了保證遵從這些規定，電路技術上需要有降低市電諧波的措施。這樣的措施之一是裝入所謂的電荷泵。電荷泵的優點在于是為之實現需要較少的電路技術費用。
電荷泵的拓撲包含有整流器經電子泵開關與主儲能器耦連。由此在整流器和電子泵開關之間出現一個泵節點。所述泵節點經泵網絡與逆變器輸出端耦連。所述泵網絡可以含有可同時分配給匹配網絡的部件。電荷泵的原理在于在逆變器頻率的半周期中通過泵節點從市電電壓提取能量并且緩沖寄存在泵網絡中。在隨后的逆變器頻率的半周期中把緩沖寄存的電能通過電子泵開關饋送到主儲能器上。
因此與逆變器頻率合拍地從市電電壓提取電能。一般地電子運行裝置包括抑制市電電流頻譜成分的濾波電路，所述市電電流頻譜成分為逆變器頻率或者在此頻率之上。也就是說可以這樣地設計電荷泵使得電網電流的諧波部分小到能夠符合所述的規定。以下的文獻詳細地說明放電燈的電子運行裝置的電荷泵Qian J.，Lee F.C.，Yamauchi T.”Analysis，Design andExperiments of a High-Power-Factor Electronic Ballast”，IEEETransactions on Industry Applications，Vol.34，No.3，May/June1998Qian J.，Lee F.C.，Yamauchi T.”New Continuous Current ChargePump Power-Factor-Corretion Electronic Ballast”，IEEETransactions on Industry Applications，Vol.35，No.2，March/April 1999因為不論是電荷泵還是本發明都意味著很小的電路技術費用，所述把本發明與電荷泵結合使用是有利的。
在圖中經二極管D5和D6向兩個泵節點N22和N23饋送經整流的市電電壓。因此圖中所示的實施例具有兩個所謂的泵支路。為了把泵支路相互退耦需要二極管D5和D6。在僅有一個泵支路的情況下可以把一個泵節點直接與整流器輸出端，也就是節點21連接。在此要注意使整流器中采用的二極管能足夠快速地開關以跟隨逆變器頻率。如果不是這種情況，在僅一個泵支路的情況下也要在整流器輸出端與泵節點之間接入快速二極管。在圖2的實施例中泵節點與整流器的正輸出端耦連。從文獻中也已知其中泵節點與整流器的負輸出端連接的電荷泵拓撲。
從泵節點N22和N23各有一個實施為二極管D7和D8的電子泵開關通向節點N24。在N24與N0之間接入實施為電解電容器C3的主儲能器。
如果本發明要實施得沒有電荷泵，節點N21必須與節點N24連接。然后取消部件D5、D6、D7、D8、C8、C9和L4。
C3饋給實施為半橋的逆變器。然而還可以使用其它的換能器拓撲，譬如反向變流器或者全橋。有利地對燈功率在5W至300W之間時使用半橋，因為這樣產生成本合算的拓撲。半橋主要包含兩個半橋晶體管T1和T2的串連電路和兩個耦合電容器C4和C5的串連電路。兩個串連電路都與C3并聯。半橋晶體管的連接節點N25和耦連電容器的連接節點N26構成逆變器的輸出端，在其上存在有具有逆變器頻率的三角波形的逆變器電壓。
在N25與燈電壓節點N27之間接入燈扼流圈L3。在N27上連接連接端J3，本實施例中在此連接端上接有兩個放電燈Lp1和Lp2的串聯電路。然而本發明也可以用一個或多個燈實施。電流通過放電燈Lp1和Lp2流經連接端J8，通過測量變壓器的繞組W1流到節點N26。因此逆變器電壓基本上施加在兩個放電燈Lp1和Lp2和燈扼流圈L3的串連電路上。
在J3中饋入的電流不僅流經放電燈Lp1和Lp2的氣體放電，而且還經第一放電燈Lp1的外螺旋狀燈絲流到連接端J4。從該處繼續地經過加熱變壓器的繞組W4、繼續地經過可變電阻R1、繼續地經過測量變壓器的繞組W3流向連接端J7。在連接端J7上連接第二放電燈Lp2的外螺旋狀燈絲，其另一端通向連接端8。放電燈Lp1和Lp2的兩個內螺旋狀燈絲分別經連接端J5和J6與加熱變壓器的繞組W5連接。通過此段文字說明的裝置，逆變器電壓不僅引起流經放電燈Lp1和Lp2的氣體放電的電流，而且還引起流經外螺旋狀燈絲的加熱電流，并且經過加熱變壓器還引進流經放電燈Lp1和Lp2的內螺旋狀燈絲的加熱電流。如果要只運行一個放電燈就可以取消加熱變壓器。
加熱電流基本上在放電燈Lp1和Lp2的起輝前預熱時段期間需要作為螺旋狀燈絲預熱的預熱電流。加熱電流的值基本上由可變電阻R1確定。在預熱時段中R1的值小到足以達到由燈的數據所規定的預熱電流。在預熱時段后R1的值上升，從而與通過放電燈Lp1和Lp2的氣體放電的電流相比流過可忽略的加熱電流。在本實施例中R1通過所謂的PCT或者說冷導體實現。在此涉及冷狀態下有很小的電阻的電阻器。通過加熱電流該冷導體被加熱，由此其電阻值上升。R1還可以通過電子開關實現，所述的電子開關在預熱時段閉路然后打開。與此開關串連地可以接入有恒定阻值的電阻。由此可以有從預熱時段到起輝時段的快速過渡。
通過所述的螺旋狀燈絲預熱裝置，在預熱時段通過阻尼在下節中要說明的諧振回路的諧振頻率小于其本征頻率。根據本發明在預熱時段中選擇低于本征頻率的逆變器頻率。有利地從而得到較高的加熱電流并且從而得到短的預熱時段。
燈電壓節點N27經第一諧振電容器C6與泵節點N23連接。在N23與N0之間接入第二諧振電容器C7。C6和C7與燈扼流圈L3構成諧振回路。為了確定諧振回路的本征頻率，把C6和C7看成串連的。C6和C7對本征頻率的有效電容值從而是電容值C6和C7的乘積除以其和的商。如果在預熱時段后接近其本征頻率激勵諧振回路，就經燈出現導致放電燈起輝的起輝電壓。在起輝后L3與C6和C7協同起匹配網絡的作用，它把逆變器的輸出阻抗轉換成運行放電燈所需要的阻抗。
通過把C6和C7與泵節點N23連接，L3、C6和C7的結合不僅起諧振回路和匹配網絡的作用而且同時還起泵網絡的作用。如果在N23上的電位低于瞬時的市電電壓，泵網絡L3、C6、C7從市電電壓提取電能。如果N23上的電位超過主儲能器C3上的電壓，就把從市電電壓取得的電能輸出到C3。通過選擇C6和C7的電容值的比例，可以把網絡L3、C6、C7的作用調準為泵網絡。C7的電容值選得越大，網絡L3、C6、C7作為泵網絡的作用越小。如果要不用電荷泵地實施本發明就可以取消C7。
另一個泵作用由接在N23與半橋晶體管T1、T2的連接節點N25之間的電容器C8得出。C8也不僅起泵網絡的作用，而是在同時完成緩沖電容器的作用。緩沖電容器一般地公知為在逆變器中減少開關負載的措施。
第二泵支路的泵網絡包含泵扼流圈L4和泵電容器C9的串連電路。這種泵網絡連接在半橋晶體管T1、T2的連接節點N25與泵節點N22之間。在本實施例中采用兩個泵支路，從而把所泵的電能劃分到多個部件上。從而可以達到較低成本地形成部件的規格。由此在設計所泵的電能對放電燈運行參數的依從性方面還得到一定的自由度。然而本發明還可以僅用一個泵支路實現。
半橋晶體管T1、T2設計為MOSFET。還可以為此使用其它的電子開關。為了控制T1和T2的柵極在該實施例中設有集成電路IC1。在本例中IC1是國際整流器公司的開關電路，型號是IR2153。在市場上可以得到這種類型電路的取代開關電路；例如STM公司的L6571。開關電路IR2153含有所謂的高-側驅動器，用之也可以控制半橋晶體管T1，盡管它在基準電位N0上沒有連接端。為此需要一個二極管D10和一個電容器C10。
IC1的運行電壓供電經IC1的連接端1進行。為此在圖2中在IC1的連接端1與N0之間設有電壓源VCC。可以怎樣實現該電壓源VCC一般地公知有多個可能性。在最簡單的情況下IC可以經過一個電阻從所整流的市電供電。
除了半橋晶體管的運行電路之外，IC1只包括一個振蕩器，其振蕩頻率可以經連接端2和3調節。由于本發明在IC1中不需要控制裝置的費用。因此可以為IC1使用低成本類型的。所述的振蕩器的振蕩頻率與逆變器頻率相當。在連接端2和3之間接有調準頻率的電阻R3。在連接端3與N0之間接入調準頻率的電容器C11和雙極型晶體管T3的發射-集電極電路的串連電路。與T3的發射-集電極電路相并聯地接入二極管D9，從而可以使C11充電和放電。通過T3的基極端與N0之間的電壓可以設定逆變器頻率，并且從而模調節電路構成設定量。T3的基極端與設定量節點N28連接。從而可以把T3、IC1以及其布線理解為調節器。
IC1及其布線的功能也可以通過任意的電壓控制或電流控制振蕩器實現，所述振蕩器通過驅動電路實現對半橋晶體管的控制。
在此實施例的調節電路中采用流經放電燈Lp1和Lp2的氣體放電的電流作為調節量。為此測量變壓器具有繞組W2。測量變壓器的繞線方向設計得從繞組W1的總電流中提取繞組W3中的加熱電流，從而在繞組W2中流過與流經放電燈Lp1和Lp2的氣體放電電流成比例的電流。由二極管D11、D12、D13和D14構成的全橋整流器對流經繞組W2的電流整流并且使該電流通過低阻值的測量電阻R4饋送到N0。從而R4上的電壓降是流經放電燈Lp1和Lp2的氣體放電電流的尺度。通過一個取均值的由電阻R5和電容器C13構成的低通濾波器，R4上的電壓降抵達不反向的測量放大器的輸入端。
所述的測量放大器以公知的方式由運算放大器AMP和電阻R6、R7及R8實現。在該實施例中測量放大器的放大倍數設定為約10。對于在R4上的電壓降有可以直接用作設定量的值的情況下，可以取消測量放大器或者用阻抗變換器，譬如射極跟隨器代替。
測量放大器的輸出端經二極管D15與設定量節點N28連接。從而閉合用于調節流經放電燈Lp1和Lp2的放電的電流的調節電路。需要有二極管D15以用之把N28的電位可以提高到超過由測量放大器規定的值的值。D15的陽極成為第一調節器的輸入端。
根據本發明這樣地設計所述電路裝置，使得無燈電流時N28的電位取啟動值。這樣地選擇啟動值，它低于限定晶體管T3的工作范圍并且從而限定調節器的工作范圍的最小值。從而只要N28的電位低于所述最小值，N28的電位的波動對逆變器頻率就沒有影響。不進行調節；調節電路是不閉合的。
在節點N28的電位的啟動值經T3和IC1引起與啟動頻率相應的逆變器頻率。對于此啟動頻率有利地借助于C11和R3選擇盡可能低的頻率，因為以此實現電極螺旋狀燈絲中的高加熱電流并且因而實現短的預熱時段。
起輝時段對于半橋開關和對于諧振回路的部件產生高的負載。為了對電路裝置進行過載保護，在該實施例中按照附圖設有保護電路。在起輝電壓過高時會因此提高逆變器頻率并且從而產生對諧振回路的本征頻率的較大的差值。
保護電路首先經起輝電壓起作用，所述的起輝電壓借助于一個閾值開關調節。該閾值開關在附圖中用變阻器MOV實現。所述的變阻器處于電容器C12、電阻R2和二極管D17的串連電路中，該串聯電路把燈電壓節點N27與設定值節點N28相連接。D17的陽極產生第二調節輸入端。N28經電阻R9與電容器C14的并聯電路與N0連接。
在N27上相對N0加有一個電壓，該電壓是對由L3、C6和C7形成的諧振回路中振蕩的無功電能的一種尺度，從而是起輝電壓的一種尺度。如果該電壓超過變阻器MOV的閾值電壓，電流就流過R9并且C14充電。從而把設定值節點N28上的電壓提高。這引起逆變器頻率上升并且降低諧振回路中振蕩的無功電能，因為逆變器頻率進一步偏離諧振回路的本征頻率。
在N0與R2和D17的連接點之間接入二極管D16。從而與C2協同工作在N28上施加由變阻器MOV允許通過的電壓的正和負的幅度的和。取代變阻器MOV可以采用任何其它的閾值開關，例如此開關可通過齊納二極管或者抑制二極管構成。變阻器MOV的閾值在該應用例中選擇250Veff。通過較高的值可以在諧振回路中有更多的無功電能，這導致在放電燈Lp1和Lp2上較高的起輝電壓，但是也導致部件的較高的負載。通過變阻器MOV的閾值可以調節出所希望的優化值。
電阻R2的阻值影響根據本發明的對調節電路在設定量節點N28上的介入作用的強度。設定量節點N28上的電壓與逆變器頻率之間非線性關系也是有利的。這種非線性關系在該應用例中通過T3的非線性特性曲線實現。此外它還受IC1中振蕩器頻率對IC1的連接端3上的電壓的依從性的影響。在N27上的電壓的強烈上升由于非線性導致超比例的逆變器頻率上升，由此防止部件的過載，譬如C3的電壓負載或者T1和T2的電流負載。
起輝后流過燈電流，所述的燈電流把節點28上的電位提高到處于T3的工作范圍中的值。從而調節電路對電流關閉。T3經IC1設定引起所希望的燈電流的頻率。
權利要求
1.用于啟動和運行放電燈(Lp1和Lp2)的電路裝置，具有以下的特征*一個逆變器，它在逆變器輸出端(N25、N26)上輸出具有逆變器頻率的逆變器電壓，*在逆變器的輸出端(N25)上放電燈(Lp1、Lp2)可以經匹配網絡(L3、C6、C7)，經燈卡頭(J3-J6)與電極螺旋狀燈絲連接，所述的匹配網絡(L3、C6、C7)具有帶有本征頻率的諧振回路(L3、C6、C7)，*預熱電阻(R1)，它在預熱時段中經過電極螺旋狀燈絲引起諧振回路(L3、C6、C7)的阻尼，由此把諧振回路(L3、C6、C7)的諧振頻率從本征頻率下降到阻尼諧振頻率，*起輝時段，其中預熱電阻(R1)取引起與預熱時段比較降低諧振回路(L3、C6、C7)的阻尼的值，因此諧振回路(L3、C6、C7)的諧振頻率接近本征頻率。*調節輸出端輸出設定信號的調節器，其中調節器輸出端這樣地與逆變器耦連使設定信號影響逆變器頻率，*第一調節器輸入端，其中饋入第一電學量，所述的第一電學量與連接著放電燈(Lp1、Lp2)的氣體放電的電流相應，其中，對于未出現氣體放電的情況，所述第一電學量取啟動值，并且對于存在氣體放電的情況，第一電學量超過一個最小值，其特征在于，對于第一電學量取啟動值的情況，調節器引起處于阻尼諧振頻率和本征頻率之間的逆變器頻率，并且對于第一電學量超過最小值的情況，調節器引起導致所希望的燈電流或者所希望的燈功率的逆變器頻率。
2.如權利要求1所述的電路裝置，其特征在于，調節器具有第二調節輸入端，向其中經閾值開關(MOV)饋送第二電學量，所述的第二電學量相應于第二運行量，所述的第二運行量是在諧振回路(L3、C6、C7)中振蕩的無功電能的一種尺度，其中第二電學量的值在超過閾值開關(MOV)的閾值時引進逆變器頻率的較大的值。
3.如以上權利要求之一所述的電路裝置，其特征在于，逆變器含有電荷泵。
4.如以上權利要求之一所述的電路裝置，其特征在于，逆變器是半橋逆變器。
5.如以上權利要求之一所述的電路裝置，其特征在于，預熱電阻(R1)是具有正溫度系數的隨溫度變化的電阻。
6.如權利要求1至4之一的電路裝置，其特征在于，預熱電阻(R1)與電子開關串連連接。
7.啟動和運行具有如權利要求1所述電路裝置的放電燈的方法，具有以下的步驟*通過預熱電阻(R1)經連接的放電燈的電極螺旋狀燈絲阻尼諧振回路(L3、C6、C7)，*撤消諧振回路(L3、C6、C7)的阻尼。
全文摘要
用于啟動和運行放電燈(Lp1、Lp2)的電路裝置，具有燈電流的調節和電極螺旋狀燈絲的預熱。對于預熱時段、起輝時段和運行時段的順序不需要控制裝置。這通過其阻值在預熱時段后改變的預熱電阻結合本發明的調節器特性達到。
文檔編號H05B41/295GK1558706SQ20041000352
公開日2004年12月29日 申請日期2004年1月29日 優先權日2003年1月28日
發明者B·魯多爾夫, B 魯多爾夫 申請人:電燈專利信托有限公司