高亮度放電燈的控制的制作方法

專利名稱：高亮度放電燈的控制的制作方法
技術領域：
本發明主要涉及用于控制高亮度放電燈運行的控制器和電路。它還主要涉及控制高亮度放電燈運行的方法。
背景技術：
高亮度放電(HID)燈包括高壓鈉燈、金屬鹵化物燈和水銀蒸汽燈。它們與例如熒光燈截然不同。例如，它們往往在高壓和高溫下運行，它們直接發出可見光(盡管它們可能也包括一些熒光粉涂層)，并且它們通常是具有帶小電極間距的電弧管的緊湊光源。它們往往具有較高額定功率，例如150瓦以上。
氣體放電燈通常需要某些形式的調節元件，以允許它們啟動和運行。市場上有許多種用于熒光燈的不同的控制器，但是用于HID的較少。
一般來說，HID燈系統將使用電感鎮流器，該電感鎮流器被設計為使得燈以假定恒定電源電壓的其近似設計功率運行。然而在實際安裝中，輸入電源電壓可能由于電源線的擾動等而改變，并且這可導致燈被過驅動或欠驅動。其它因素也可能影響燈的正常運行，比如由燈老化、制造公差造成的燈之間的不同和由環境情況引起的改變。
如果燈被過驅動，它可能呈現不利特性，比如過熱、燈壽命降低、電極損傷、效率降低和低色溫。相反，如果燈被欠驅動，往往會導致光輸出低、效率降低、高色溫和電弧管破裂的不利特性。

發明內容
本發明的一個目的是提供用于控制HID燈運行的新的有益的控制器、電路和方法。
從一個方面看，本發明提供一種用于高亮度放電燈的控制器，該控制器包括電路，該電路具有主鎮流器，用于電源和燈之間的電連接，該主鎮流器被配置為向所述燈提供初級電流；電流注入器，用于向所述燈注入次級電流，所述次級電流比所述初級電流弱，并且所述注入器包括用于改變所述次級電流量的控制單元，所述控制單元被配置為監測一或多個與所述燈和/或所述電源有關的參數，并基于所述被監測的一個參數或多個參數，改變提供的次級電流量。
本發明使用固定的主鎮流器，能夠提供不在主動控制下的主要燈電流，同時還使用可變的較小注入電流，以基于與燈和電源情況相關的反饋，改變總的燈電流。
本發明能實現一種基于燈特性改變或電源變化的燈的適當控制，同時使用只需額定的針對較小注入電流的控制電子裝置，因而允許使用小而便宜的元件。因此本發明提供一種用于HID燈的實用智能控制器，能夠監測燈和電源情況，并且能夠修改燈功率以提高燈的運行，例如提供穩定的功率運作和/或穩定的光輸出。
優選地，該控制單元監測流過燈的電流，并且據此改變所述次級電流。這允許所述控制器補償例如電源的改變，以便所述燈可以運行在穩定功率，而不管例如電源電壓的各種變化。
進一步優選地，所述控制單元監測燈兩端的電壓，并基于此電壓確定希望的燈電流。于是該控制單元可向所述燈提供合適的次級電流。通過監測燈電壓，所述控制器可以隨時間補償燈特性的改變。例如，控制單元可改變燈電流以使所述燈以恒定功率運行，或可以操作燈電流，以提供希望的電流曲線。在后一種情形，例如，燈電流可以在整個燈壽命期間增加，以維持合適的光輸出(否則可能會因為燈的改變而下降，例如由于放電材料的損失)。
因此本發明可以在一個實施例中提供一種具有電流和電壓傳感裝置的電流注入裝置，以創建一種可以在各種電源和燈情況下提供燈功率的全面控制的智能系統。將燈維持在基本不變的功率水平，有助于確保燈不被欠或過驅動，并增加所述燈的壽命，同時在很長時間內維持燈的光輸出，有助于提高所述燈可被使用的效率，例如它不需要在其壽命的開始階段為過度照明而被運行，以在其壽命的結束階段維持足夠高的光輸出。
所述電流注入裝置可以被操作，以在電路內任意的合適點將電流注入進所述電路。在一種形式中，所述電流注入裝置運行，以在所述主鎮流器和燈之間的點將電流注入到所述電路中。
所述電流注入裝置可以采用任意合適的形式。例如它可以采取開關模式電源的形式。在一種形式中，所述電流注入裝置包括無源電流限制器(passivecurrent limiter)(例如電阻或電容器，但優選是控制鎮流器)，和在有效位置和無效位置之間轉換所述控制鎮流器的開關(例如，觸發三極管)，其中所述控制鎮流器在所述有效位置將電流注入到所述燈中。
該電流注入器可以配備與所述主鎮流器分離的電源，例如大約為100伏。然而，在一個優選實施例中，所述電流注入器被連接到與所述主鎮流器相同的電源上。在此情形中，例如所述控制鎮流器可以被置于與所述主鎮流器成并聯型排布，盡管通常這將只是暫態方式，并且僅用于所述電源周期的一部分持續時間，在所述開關處于有效位置期間。
所述控制單元優選監測跨過所述鎮流器的電壓，以提供用于所述次級電流的輸入的同步信號。
所述控制鎮流器可以具有任意合適的阻抗和額定值。優選地，所述控制鎮流器具有大于主控制鎮流器阻抗的阻抗。
當以穩定功率運行燈時，所述控制鎮流器與所述主鎮流器的伏-安額定功率之比可以在大約0.2到0.4之間，例如0.3，并且所述控制鎮流器具有約為所述主鎮流器阻抗的1.2倍的阻抗。在額定電源電壓下，初級電流與次級電流之比可以在2.5到8.0的范圍內，例如4.0。如此，例如初級電流可以是次級電流的大約4倍。
通常，當試圖補償電源的變化時，在額定電源電壓下的燈電流需要包括所述初級電流和次級電流兩者的成分，而非所述次級電流為零。這是因為所述次級電流不能是負的，因此在額定電源電壓下必定已經存在次級電流成分，從而在電源電壓增加時，可以減少所述次級電流進行補償。
當操作所述燈以在穩定的光輸出下運行很長一段時間時，所述次級電流可以被控制來隨時間增加所述燈功率，以補償所述燈效率的損失，效率是指每單位輸入功率的光輸出。所述主鎮流器和電流注入器可以被配置為使得在最大次級電流處，比如在所述燈壽命的結束，初級電流與次級電流之比在大約2.0到9.0之間，且優選為大約3.0。例如在一個實施例中，所述主鎮流器與次級鎮流器的阻抗之比大約可在0.7到0.9之間，優選為大約0.8。
通常，電流注入裝置通過控制所述控制鎮流器被切換進主電路的時間量，來將變化的電流量注入到所述電路中，并且所述電流注入裝置僅在每個周期的部分中運行。優選地，所述電流注入裝置作為暫態現象操作。例如，所述電流注入裝置可以運行，以在每個周期內兩次把電流注入到所述電路中。它也可以額外地或可替代地運行，以在每個周期的90°和270°處，把絕對值最大的電流注入到所述電路中。在另一種形式中，當電源頻率是50赫茲時，所述電流注入裝置運行，以每秒鐘100次把電流注入到所述電路中。在使用開關模式電源時，可以與控制鎮流器一起提供進一步的控制開關，或者所述開關模式電源自身可以基于燈電流和電壓被合適地控制，并且在此情形中，可以在所述初級電流的整個交流周期中提供所述次級電流。
在本發明的又一形式中，所述電路包括變壓器，比如升壓變壓器，把電壓注入到所述電路中，以便于所述燈的啟動。例如，這可以把50伏注入到所述電路中，以幫助所述燈的啟動。這在啟動舊燈中特別有幫助。
作為對啟動的另一個幫助，所述控制單元可以被配置為不管燈電流和電壓如何，啟動時以例如最大的高次級電流運行，以便幫助所述燈啟動。在啟動時，例如所述控制單元可在電源的最初100個周期內以高次級電流運行。
在另一實施例中，所述控制單元可以包括降低亮度特征。如此，所述控制單元可以包括定時器或手動開關等，以便在希望的時間，所述燈可以通過降低次級電流量，例如降低到零，來運行于通常的光輸出要求之下。
本發明還擴展為包括根據上面的控制器在內的照明系統和燈裝置，并且擴展為使用這種控制器來提供燈控制的方法。
從另一個方面看，本發明提供一種高亮度放電燈控制器，該控制器包括主鎮流器，用于電源和燈之間的電連接，該主鎮流器被配置為向所述燈提供初級電流；電流注入器，用于向所述燈注入次級電流，所述次級電流比所述初級電流弱，并且是可變的。
從又一個方面看，本發明提供一種控制高亮度放電燈照明的方法，該方法包括以下步驟提供主鎮流器，以從電源向燈提供初級電流，提供電流注入器，用于向所述燈提供小于所述初級電流的次級電流，并且改變所述次級電流量，以控制總的燈電流。
如此，可以從這方面看，本發明通過使用可以被控制的較小次級電流，提供一種智能電源。
從再一個方面看，本發明提供一種用于控制高亮度放電燈運行的電路，該電路包括(a)被電連接在電源和燈之間的主鎮流器；(b)用于把電流注入到所述電路中的電流注入裝置；(c)用于測量流過所述燈的電流的電流傳感裝置；和(d)用于測量所述燈兩端的電壓的電壓傳感裝置；其中所述電流注入裝置運行，以基于來自所述電流傳感裝置和電壓傳感裝置兩者的測量結果，把電流注入到所述電路中，以控制所述燈的功率。
按照本發明的另一方面，提供一種控制高亮度放電燈運行的方法，該方法包括以下步驟(a)測量流過所述燈的電流；(b)測量所述燈兩端的電壓；和(c)把電流注入到所述燈中；其中所述電流基于流過所述燈的電流和所述燈兩端的電壓的測量結果，被注入到所述燈中。
按照本發明的另一方面，提供一種用于高亮度放電燈的磁力調節器，包括(a)被電連接在電源和燈之間的主鎮流器；(b)用于把電流注入到所述燈中的電流注入裝置；(c)用于測量流過所述燈的電流的電流傳感裝置；(d)用于測量所述燈兩端的電壓的電壓傳感裝置；其中所述電流注入裝置運行，以基于來自所述電流和電壓傳感裝置兩者的測量結果，把電流注入到所述燈中，以控制所述燈的功率。
按照另一方面，提供一種用于高亮度放電燈的控制單元，該燈被串聯電連接到主鎮流器，該控制單元包括(a)用于把電流注入到所述燈的電流注入裝置；(b)用于測量流過所述燈的電流的電流傳感裝置；和(c)用于測量所述燈兩端的電壓的電壓傳感裝置；其中所述電流注入裝置運行，以基于來自所述電流傳感裝置和電壓傳感裝置兩者的測量結果，把電流注入到所述燈中，以控制所述燈的功率。
按照另一方面，提供一種用于高亮度放電燈的控制單元，該控制單元包括(a)被電連接在電源和燈之間的主鎮流器；(b)用于把電流注入到所述燈中的電流注入裝置；(c)用于測量流過所述燈的電流的電流傳感裝置；和(d)用于測量所述燈兩端的電壓的電壓傳感裝置；其中所述電流注入裝置運行，以基于來自所述電流傳感裝置和電壓傳感裝置兩者的測量結果，把電流注入到所述燈中，以控制所述燈的功率。
按照再一方面，提供一種用于控制高亮度放電燈的電路，該電路包括(a)被電連接在電源和燈之間的主鎮流器；(b)次級鎮流器；
(c)用于測量流過所述燈的電流的電流傳感裝置；(d)用于測量所述燈兩端的電壓的電壓傳感裝置；和(e)控制單元，用于依賴來自于所述電流和電壓傳感裝置的測量結果，把所述次級鎮流器切換進和切換出所述電路。
應該理解，關于本發明第一方面而說明的可選擇特征，也可以同樣地應用于每個被說明的其它方面。


通過參照圖示本發明實例形式的附圖，本發明的實施例將在下文中加以描述。應該理解，附圖的特殊性并不取代本發明前面說明的一般性。附圖中圖1為表示根據本發明一個實施例的控制器和運行燈的元件的排列的示意性框圖；圖2為可以被用在圖1的控制器中的電子開關控制單元的示意性框圖；圖3為可以被用在圖1的控制器中的微處理器開關控制單元的示意性框圖；圖4為可以用來運行開關控制單元的電源的示意性框圖；圖5為進一步示出被布置以運行燈的電路元件的示意圖；圖6a和6b為分別示出在電源電壓為240V-10％情況下次級(控制)鎮流器中流動的次級電流(注入電流)和主鎮流器中流動的初級電流的曲線圖；圖7a和7b為分別示出在電源電壓為240V情況下次級(控制)鎮流器中流動的次級電流(注入電流)和主鎮流器中流動的初級電流的曲線圖；圖8a和8b為分別示出在電源電壓為240V+10％情況下次級(控制)鎮流器中流動的次級電流(注入電流)和主鎮流器中流動的初級電流的曲線圖；圖9為示出圖6到圖8中每種情況下流過燈的總電流的圖(對于所示的各種電源電壓變化而言，電流基本不變)；
圖10為表示本發明的另一實施例的示意圖；圖11為用于典型HID燈的流明特性曲線圖；圖12為示出如何運行燈以確保設置(維持)照明水平的典型HID燈的流明特性曲線圖；圖13為依照標準鎮流器和依照根據本發明一個實施例的控制器運行的典型HID燈的燈功率特性曲線圖；和圖14為類似于圖13的圖，示出與根據本發明一個實施例的控制器相關的能源節省。
具體實施例方式
參見圖1，該圖表示根據本發明一個實施例配置的照明系統的元件排列的示意性框圖。
該電路包括交流電源1，具有被連接到置于具有點火器3和HID燈4的電路中的燈控制器5的端子1A和1B。點火器3可以是任意適于HID燈的初始啟動的常規點火器，點火器3優選地是電子點火器。燈4可以是任意合適的HID燈。盡管本發明可以控制任意合適的HID燈，但本發明特別適合于控制高壓鈉燈、金屬鹵化物或水銀蒸汽放電燈，并且適合于控制額定功率在大約150瓦到2000瓦之間的燈，例如額定功率在大于和等于大約250瓦、400瓦或1000瓦的燈。該電路還包括連接在端子1A和1B兩端的功率因數校正電容2。控制器5可以與新燈一起使用，或者它也可以被翻新為現有的燈。
在本發明的此實施例中示出的控制器5是在點A、B和C具有端子的三端子裝置。控制器5包括變壓器6，該變壓器6是充當把電壓注入到燈電路以方便燈啟動的升壓變壓器。變壓器6與燈電路串聯連接，把大約50伏的交流電壓注入到電路中，并隨后注入到燈中。這有助于燈的啟動，尤其在它老化時。
變壓器6被電連接到主鎮流器7，在此實例中，主鎮流器7是電感線圈，并被用作燈的初級電流限制和電壓下降元件。控制鎮流器8和電子開關(例如觸發三極管)9作為電流注入器而被置于與主鎮流器7并聯。
在開關9處于關閉位置時，控制鎮流器8以暫態方式與主鎮流器7處于并聯類型的關系中，例如僅在部分交流電源周期期間中。這種結構運行，以把流過控制鎮流器8的電流注入到節點10。開關控制單元12控制開關9，以在合適的時刻把附加電流注入到主電路中，并且持續合適的時間。電流傳感器11配備在節點10的下游，以向開關控制單元12提供電流信號。由此開關控制單元12控制電子控制開關9的操作，以調節注入到節點10并隨后注入燈4中的電流。控制單元12執行控制燈4運行的邏輯功能和定時。控制單元12的輸入是燈電壓(VL)、鎮流器電壓(VB)和燈電流(IL)。控制單元12的輸出是給電子開關9的信號。控制單元12由電源13運行，該電源13可以是額定電壓為5伏的直流調節電源。
控制單元12可以被配備為例如電子的或微處理器元件。
圖2中示意性示出用于運行燈的開關控制單元12的電子形式的操作。控制單元12包括產生燈電流(IL)的整流形式的全波整流器14和放大器15。然后此信號被供應給平均值濾波器16，該平均值濾波器16對被整流的燈電流平均，并產生與此燈電流(IL)成比例的直流信號。全波整流器18接收燈電壓(VL)并對其進行處理，以產生整流形式，然后傳給平均值濾波器19，該平均值濾波器對被整流的燈電壓進行平均，以產生與此燈電壓(VL)成比例的直流信號。然后此信號被供應給非線性放大器20，適當地綜合燈的伏-安特性，并由此產生特定燈電壓所要求的電流信號，也就是它基于實際燈電壓確定希望的燈電流，以提供例如恒定的燈功率。此信號由啟動電流設置點放大器21處理。然后來自啟動電流設置點放大器21的信號傳給第一比較器22，以將來自平均濾波器16的實際燈電流與設置點值比較。比較器22產生邏輯高或邏輯低，然后由積分器23(與積分器初始化電路23A一起運行)向上傾斜或向下傾斜，以產生表示燈4要求的附加電流幅值的緩慢變化的直流信號，該信號可以由控制鎮流器8中的開關提供。
斜波發生器26產生由電流(IL)過零啟動并由鎮流器電壓(VB)過零復位的三角波形。電流和鎮流器電壓的過零分別從過零探測器17和28獲得。探測器28的輸入從將鎮流器電壓用作其輸入的全波整流器27獲得，而探測器17的輸入從由整流器14和放大器15輸出的燈電流的整流形式獲得。斜波發生器26的輸出表示燈所需電流的相位，并且提供用于觸發開關9的同步信號。
積分器23和斜波發生器26的輸出被傳送給第二比較器24，以產生變化的相移(phase shifted)方波，該方波由脈沖發生器25處理，以產生用于圖1中所示觸發三極管9的柵極點火脈沖。
用于運行燈的微處理器形式的開關控制單元12被示意性地示出在圖3中。控制單元12接收燈電流(IL)信號，并把此信號傳給全波整流器29和放大器30，以產生燈電流的整流形式。此信號被傳送給采樣和保持電路31，以獲取燈電流，然后傳給把燈電流轉換為8位數字化數字的模數轉換器(ADC)32。然后轉換后的8位電流數字被傳送給微處理器33。ADC 32以2kHz的頻率運行。
微處理器33的另一個輸入是燈電壓信號(VL)，該信號經過全波整流器35，以產生燈電壓整流形式。然后此信號被傳給采樣和保持電路36，并傳給模數轉換器37，以把燈電壓轉換為8位數字化數字。然后此轉換后的8位電壓數字被傳給微處理器33。ADC 37以2kHz的頻率運行。該微處理器把8位電流和電壓數字相乘，以獲得燈中的瞬時功率，并產生這些乘積的和，以獲得燈中每周期的功率。然后將該功率與燈的參考(設置點)功率比較，也就是希望燈運行的希望功率值。然后，取決于實際與設置點燈功率之間的差，由該微處理器產生并輸出數字1或零。
一個特別合適的微處理器是包含存儲的程序的8位微處理器，以控制數據采集和轉換、執行功率計算并產生要求的數字輸出。微處理器33的輸出被傳給積分器34(與積分器初始化電路34A一起運行)，以把從微處理器的數字輸入向上傾斜或向下傾斜，并產生表示燈要求的電流幅值的緩慢變化的直流信號。斜波發生器41產生由電流過零啟動并由鎮流器電壓過零復位的三角波形。電流和鎮流器電壓的過零從它們各自的過零探測器42和43獲得，探測器42從燈電流的全波整流器29和放大器30接收輸入，而探測器43從鎮流器電壓的全波整流器40接收輸入。斜波發生器41的輸出表示燈要求的電流的相位，并且提供用于觸發開關9的同步信號。
積分器34和斜波發生器41的輸出被饋給第二比較器38，該比較器產生變化的相移方波，該方波由脈沖發生器39處理，以產生用于圖1中所示的觸發三極管9的柵極點火脈沖。
圖4是適于運行開關控制單元12的電源13的電路圖。電源13包括240伏/12伏降壓變壓器44，其輸出被連接到全波二極管橋式整流器45上。電壓調節器46被電連接到整流器45上，并產生可以用來為控制單元供電的5伏直流調節電壓。
圖5為圖示根據本發明一個方面的控制器的基本元件和原理的電路圖。所示電路包括具有流過其中的電流(IB)的主鎮流器7。控制鎮流器8通過觸發三極管開關9與主鎮流器連接，以把控制電流注入到主鎮流器電路中，如此提供對燈電流的控制。觸發三極管開關9接收例如來自于圖2或3的控制單元12的控制信號，以操作開關。在電流IC被注入到節點10的有效位置，觸發三極管開關9閉合，而且控制鎮流器8與主鎮流器一起被置于電路中。附加電流被注入到電路中，IC被加到流過主鎮流器的電流IB上，以提供燈電流IL＝IB+IC。在觸發三極管開關9打開時，燈電流IL僅僅是流過主鎮流器的電流IB。被說明和示出的控制鎮流器8、開關9和控制單元12可以被考慮為注入器，以在每個周期中觸發三極管開關9閉合的持續時間內向電路中注入電流IC。通過電流注入器的此電流的注入可以被看作暫態現象，可以與以下穩態現象相比控制鎮流器在整個周期內被簡單地與主鎮流器并聯放置，因此僅僅改變了主鎮流器的阻抗。因而，控制鎮流器8只在交流電源1的整個周期的部分持續時間內與主鎮流器連接，輸入的控制電流量取決于周期中開關9保持閉合的時間長度。
如此，主鎮流器為燈提供主要的固定電流(假定電源穩定)，并且附加的小電流作為控制電流被注入，以補償電源和燈特性的變化。這使得能夠通過采用只需適應小控制電流的便宜的電子元件來改變總的燈電流，從而可以提供實用且劃算的HID燈控制器。
燈電流的監測允許控制器維持希望的燈電流，而不管電源電流的變化，同時燈電壓的監測允許控制器基于希望的燈運行情況來設置希望的電流，例如它可以改變燈電流以確保燈以恒定功率運行。可能會出現燈電壓的改變，例如由于隨時間發生的燈管特性的改變。本實施例也能處理由公差作用(tolerance effect)等引起的燈之間的變化。主鎮流器電壓的監測可以有助于使控制電流的輸入同步。
圖6到圖9示出了圖5中所示的電路在三個電源電壓值下的運行，它們是(a)240V-10％、(b)240V(額定)和(c)240V+10％。
圖6a和6b分別是240V-10％電壓下控制鎮流器電流IL和主鎮流器電流IB的曲線圖。最大絕對值IC＝2.5A是在90°和270°被注入。最大絕對值IB＝3.5A出現在90°和270°。這些值在節點10相加，以在90°和270°提供6.0A的最大絕對燈電流(IL)。流過燈的總電流(IL)顯示在圖9中。
圖7a和7b分別是240V(額定)電壓下控制鎮流器電流IL和主鎮流器電流IB的圖。最大絕對值IC＝2.0A在90°和270°處被注入。最大絕對值IB＝4.0A出現在90°和270°處。這些值在節點10相加，以在90°和270°處提供6.0A的最大絕對燈電流(IL)。流過燈的總電流(IL)也顯示在圖9中。
圖8a和8b分別是示出240V+10％電壓下控制鎮流器電流IL和主鎮流器電流IB的曲線圖。最大絕對值IC＝1.5A在90°和270°被注入。最大絕對值IB＝4.5A也出現在90°和270°。穿過燈的總電流(IL)也顯示在圖9中。
對應于大致恒定的燈功率，燈電流(IL)對于所有三種電壓變化而言大致恒定。
在上述實施例中，測量了燈電流(IL)和燈電壓(VL)，并且調整控制鎮流器電流，以確保使燈功率保持恒定。主鎮流器中的電流不受控制，并且將由于電源電壓變化、燈的老化以及其它因素和干擾而改變。為了補償這些影響，控制鎮流器每周期被切換到電路中精確的時間量，以把正確的電流量注入到燈中，從而使燈功率保持恒定。
主鎮流器和次級鎮流器的額定功率(rating)和阻抗比在電路的運行中很重要。在一個優選實施例中，控制鎮流器的額定功率大約在主鎮流器的額定功率的0.2到0.4倍之間，且優選為大約0.3倍。在另一個優選實施例中，控制鎮流器的阻抗大約為主鎮流器阻抗的1.2倍。
對于控制鎮流器，鎮流器中的最大電流(100％占空因數(duty cycle))發生在電源電壓最小或燈電壓最小時。控制鎮流器中的最小電流(0％占空因數)發生在電源電壓最大或燈電壓最大時。因此，應該基于預期變化確定控制鎮流器的額定功率。
對于主鎮流器，主鎮流器中的最大電流發生在電源電壓最大或燈電壓最小時。主鎮流器中的最小電流發生在電源電壓最小或燈電壓最大時。
主鎮流器應該被設置為提供小于希望的額定燈電流的電流，以便控制鎮流器在額定供電電壓下施加附加電流。這確保電源電壓增加到額定值以上時，可以通過控制電流的降低來補償。
400瓦金屬鹵化物燈的實驗結果表明，對于±10％的電源電壓變化，燈電流的變化大約為±0.5％，燈電壓的變化大約為±1.5％，并且燈功率的變化大約為2.5％。在此例中，在恒定的電源電壓下，燈提取包括2.5安培主鎮流器電流和大約1安培的控制鎮流器電流在內的3.5安培，且最大控制電流大約為2安培。
現在參見圖10到14說明運行任意一個上述實施例的控制器5的另一種方法，其中控制器在燈壽命期間補償其效率的降低，以維持恒定的流明輸出，而不是上述實施例中說明的恒定燈功率。
如圖10中所示，該控制器再次包括一起向燈4供應電流的主鎮流器70和電流注入器80。框70和80示出了本實施例中初級電流和次級電流的電流曲線。
在HID燈4的壽命期間，燈在設定燈功率運行下的光輸出量(效率)隨時間降低。這是由燈4自身特性的改變而引起的，例如氣體隨時間擴散出燈電弧管等。這種情形表示在圖11中，其中到燈壽命結束時，燈的效率降低了25％。
為了克服這一問題，標準的做法是設計照明系統，以便在燈壽命開始時提供過照明，從而在被替換時，燈將以要求的照明水平(“維持”照明水平)運行。這樣，如圖12中所示，照明系統將被設計為在其壽命的開始處運行，以提供要求(維持)光輸出的133％，從而使得在其壽命的結束時，它將輸出至少被維持的光量。
這種照明方式暗含著能量的使用，導致提供過度照明需要的電力的浪費，并且還導致這種照明方式引起的伴隨的燈壽命的縮短。
然而，根據本發明的此實施例，控制由電流注入器80注入的電流，例如控制鎮流器8和由控制單元12控制的開關9，以便隨時間增加燈功率，以補償效率的降低。如此，主鎮流器70被配置為提供用于運行燈4的初級電流，該電流被設置到約為新燈必須的功率，以輸出由照明設計者要求的實際(維持)光量。然后隨著燈老化，控制單元12通過增加更多流過鎮流器8的控制電流，來隨時間增加功率。為了提供抵抗例如功率變化等的穩定性，如在第一實施例中一樣，初級電流可被設置，以使得在燈壽命的開始也需要合適的控制電流量，也就是主鎮流器被配置為提供初級電流，該初級電流小于額定電源電壓下以希望的功率運行燈所需要的電流。
為了確定隨時間注入的控制電流量，電流注入器80監測表示燈使用年限的燈電源電壓。從燈的廠商那里可以獲得大部分燈的燈電壓和燈效率之間的實際關系。配置電流注入器，以便基于被監測的電壓提供合適的電流。這可以由非線性放大器20的合適設計實現于例如控制器2在圖2的實例中，或由提供與微處理器33連接的內存中的查表實現于圖3的實施例中。
圖13示出標準鎮流器A控制的HID燈的燈功率與壽命時間的曲線，和由根據本實施例B的控制器控制的同一HID燈的燈功率與壽命時間的曲線。
可見，在沒有任何功率穩定性控制的情況下，標準鎮流器的燈功率A以有些復雜的方式變化，但是它被設計為提供新燈所需功率的大約140％的平均燈功率，以滿足希望的照明需求。
相反，本控制器的燈功率B顯示了穩定且平穩向上傾斜的燈功率，從而在所有時間內都滿足希望的照明要求，而不需要過度照明。如圖13中所示，這提供了相當可觀的功率節省。在明白還由于以穩定和最小的功率運行燈而延長了燈的壽命時，可以更進一步增加節約。
初級電流與最大次級電流之比可以為例如在大約2.0到9.0之間，3.0為優選比率，最大次級電流是在燈壽命的結束處出現。例如在燈壽命的結束處，初級電流可以提供70％的燈電流，而次級電流可以提供30％的燈電流。這樣的比率為不可控的高初級電流和可由合適的、便宜的元件控制的較低次級電流提供良好平衡。
主鎮流器和電流注入器的控制鎮流器之間的阻抗比，可以在例如大約0.7到0.9之間，優選為大約0.8。
圖10的實施例還顯示了與例如圖1到5中實施例的另外兩個差別，它們也可以提供給這些實施例。如此，電流注入器80不必從與主鎮流器70相同的電源中接收其電源，而可以具有自己的專用電源。
控制電流還可以被進一步改變，例如由開關90改變，以便例如關掉控制電流，并且提供減光器功能。可替代地，例如通過控制單元12，電流注入器自身可以被配置為提供減光功能，即提供偏離正常光輸出的減少的電流輸出。減光器控制可以是手動控制或例如定時控制，以便響應命令或在設定時間階段內減弱照明。
所有上述實施例都通過使用電流注入器來提供對燈的良好控制，該電流注入器操作可控的較低電流，并且以低于初級電流的電流運行。這允許燈輸入電流被改變，并且允許控制器將電流控制為不變值，或控制為例如可以提供上述效率補償的希望的曲線，但是也可以提供其它曲線。
上述實施例的各種變化也是可能的，還可以使用不同的電流注入電路。例如，如所述的，電流注入器，例如鎮流器8和開關9，可以從與主鎮流器7分開的電源接收它們的輸入能量。開關模式的電源也可以代替控制鎮流器8(可能是開關9)，并且例如可以提供圖10的電流注入器80。在此情形中，附加電流可以在整個交流電源的周期內起作用，但是根據需要提供較低或較高的均方根電流。
在任意一個上述實施例中，在燈啟動時，例如在主交流電流的最初100個周期內，電流注入器可以以高次級電流運行，例如最大次級電流，以有助于燈的啟動。這將不考慮那時的燈電壓或電流。
本燈照明系統可以用在許多不同的情形中，例如街道照明、運動場照明以及諸如倉庫和工廠照明的工業照明。
應該理解，在不背離本發明范圍的情況下，可以對前面說明的部分做出各種改變、增加和/或修改，并且本發明可以用本領域技術人員理解的多種方式在上述教導的燈中實現。
權利要求
1.一種用于高亮度放電燈的控制器，該控制器包括一電路，該電路具有主鎮流器，用于電源和該燈之間的電連接，該主鎮流器被配置為向所述燈提供初級電流；電流注入器，用于向所述燈注入次級電流，所述次級電流比所述初級電流弱，并且所述注入器包括用于改變所述次級電流量的控制單元，所述控制單元被配置為監測一或多個與所述燈和/或電源有關的參數，以便基于所述被監測的一個參數或多個參數，改變被供應的次級電流量。
2.如權利要求1所述的控制器，其中所述控制單元監測流過所述燈的電流。
3.如權利要求1或2所述的控制器，其中所述控制單元監測所述燈兩端的電壓，并基于所述電壓確定希望的燈電流。
4.如前述權利要求中任意一項所述的控制器，其中所述控制單元監測所述主鎮流器兩端的電壓，以使所述次級電流與初級電流同步。
5.如前述權利要求中任意一項所述的控制器，其中所述電流注入器在所述主鎮流器和燈之間的點將電流注入。
6.如前述權利要求中任意一項所述的控制器，其中所述電流注入器包括用于提供所述次級電流的單獨電源。
7.如權利要求1到5中任意一項所述的控制器，其中所述電流注入器被連接到與所述主鎮流器相同的電源上。
8.如前述權利要求中任意一項所述的控制器，其中所述電流注入器包括開關模式的電源電路。
9.如權利要求1到7中任意一項所述的控制器，其中所述電流注入器包括無源電流限制器和開關，并且所述控制單元激活該開關，以控制被注入的電流量。
10.如前述權利要求中任意一項所述的控制器，其中所述電流注入器包括次級鎮流器和開關，并且所述控制單元激活該開關，以控制被注入的電流量。
11.如權利要求9或10所述的控制器，其中所述開關是觸發三極管。
12.如前述權利要求中任意一項所述的控制器，其中所述電流注入器具有大于所述主鎮流器阻抗的阻抗。
13.如前述權利要求中任意一項所述的控制器，其中所述控制單元控制次級電流量，以使該燈以基本恒定的功率運行。
14.如權利要求13所述的控制器，其中所述主鎮流器被配置為提供初級電流，該電流為在額定電源輸入電壓下所要求的燈電流的X％，并且所述電流注入器提供在額定電源輸入電壓下所要求的燈電流的100-X％，其中X約為額定電源電壓中的預期變化的兩倍。
15.如權利要求13或14所述的控制器，其中所述主鎮流器和電流注入器被配置為以大約7∶3到9∶1、且優選為8∶2的比率提供初級電流和次級電流。
16.如權利要求13、14或15所述的控制器，其中電流注入器包括次級鎮流器，該次級鎮流器具有約為所述主鎮流器阻抗的1.2倍的阻抗。
17.如權利要求13到16中任意一項所述的控制器，其中所述電流注入器包括次級鎮流器，并且其中所述次級鎮流器與主鎮流器的伏-安額定功率之比在大約0.2到大約0.4之間，并且優選為0.3。
18.如權利要求1到12中任意一項所述的控制器，其中所述控制單元被配置為向燈電壓曲線提供預定的燈電流。
19.如權利要求1到12中任意一項所述的控制器，其中所述控制單元被配置為提供隨時間增加的燈電流，以補償所述燈的效率隨時間的降低。
20.如權利要求1到12中任意一項所述的控制器，其中所述控制單元被配置為監測燈電壓，并基于燈電壓來調整燈電流，以使燈功率的增加補償燈的效率隨時間的降低。
21.如權利要求18到20中任意一項所述的控制器，其中所述主鎮流器和電流注入器被配置，以使在最大次級電流下，初級電流與次級電流之比在大約2.0到大約9.0之間，且優選為3.0。
22.如權利要求17到21中任意一項所述的控制器，其中所述電流注入器包括次級鎮流器，并且其中所述主鎮流器與次級鎮流器的阻抗之比在大約0.7到大約0.9之間，并且優選為大約0.8。
23.如前述權利要求中任意一項所述的控制器，其中所述控制單元包括減光器控制，用于減少次級電流量，以使所述燈以低于正常運行期間的功率運行。
24.如前述權利要求中任意一項所述的控制器，其中所述控制單元被配置為在所述燈啟動時，例如對于所述電源的最初大約100個周期，所述次級電流被設置為高電流，而不考慮所述被監測的參數。
25.如前述權利要求中任意一項所述的控制器，其中所述控制器被配置為向高壓鈉燈、金屬鹵化物燈或水銀蒸汽燈提供能量。
26.如前述權利要求中任意一項所述的控制器，包括用于把電壓注入到所述燈中以方便燈啟動的變壓器，例如升壓變壓器。
27.如前述權利要求中任意一項所述的控制器，其中所述電流注入器作為暫態現象運行，以注入電流。
28.如前述權利要求中任意一項所述的控制器，其中所述電流注入器僅在部分交流電源周期中運行。
29.如前述權利要求中任意一項所述的控制器，其中所述電流注入器運行，以在每周期中兩次將電流注入到所述電路中。
30.如權利要求26所述的控制器，其中所述電流注入器運行，以在所述周期的大約90°和大約270°處，把絕對值最大的電流注入到所述電路中。
31.如前述權利要求中任意一項所述的控制器，其中所述控制單元通過控制所述電流注入器把電流注入到所述主鎮流器電路中的時間量，來控制輸入到所述燈中的次級電流量。
32.一種照明系統，包括燈和根據前述權利要求中任意一項的控制器。
33.一種高亮度放電燈控制器，該控制器包括主鎮流器，用于電源和該燈之間的電連接，該主鎮流器被配置為向所述燈提供初級電流；電流注入器，用于向所述燈注入次級電流，所述次級電流比所述初級電流弱，并且是可變的。
34.一種控制高亮度放電燈照明的方法，該方法包括以下步驟提供主鎮流器，以從電源向燈提供初級電流；提供電流注入器，用于向所述燈提供小于所述初級電流的次級電流；并且改變所述次級電流量，以邊控制總的燈電流。
35.一種用于控制高亮度放電燈運行的電路，該電路包括(a)用于電連接電源和該燈的主鎮流器；(b)用于把電流注入到所述電路中的電流注入裝置；(c)用于測量流過所述燈的電流的電流傳感裝置；和(d)用于測量所述燈兩端的電壓的電壓傳感裝置；其中所述電流注入裝置運行，以基于來自于所述電流傳感裝置和電壓傳感裝置兩者的測量結果，把電流注入到所述電路中，以控制所述燈的功率。
36.一種控制高亮度放電燈運行的方法，該方法包括以下步驟(a)測量流過所述燈的電流；(b)測量所述燈兩端的電壓；和(c)在較大的初級電流的峰值，把次級電流注入到所述燈中；其中所述次級電流基于所述燈中的電流和電壓的測量結果，被注入到所述燈中。
37.一種用于高亮度放電燈的磁力調節器，包括(a)被電連接在電源和該燈之間的主鎮流器；(b)用于把電流注入到所述燈中的電流注入裝置；(c)用于測量流過所述燈的電流的電流傳感裝置；和(d)用于測量所述燈兩端的電壓的電壓傳感裝置；其中所述電流注入裝置運行，以基于來自于所述電流傳感裝置和電壓傳感裝置的測量結果，把電流注入到所述燈中，以控制所述燈的功率。
38.一種用于高亮度放電燈的控制單元，該燈被電連接到主鎮流器上，所述控制單元包括(a)用于把電流注入到所述燈中的電流注入裝置；(b)用于測量流過所述燈的電流的電流傳感裝置；(c)用于測量所述燈兩端的電壓的電壓傳感裝置；其中所述電流注入裝置運行，以基于來自所述電流傳感裝置和電壓傳感裝置的測量結果，把電流注入到所述燈中，以控制所述燈的功率。
39.一種用于控制高亮度放電燈的電路，該電路包括(a)被電連接在電源和該燈之間的主鎮流器；(b)控制鎮流器；(c)用于測量流過所述燈的電流的電流傳感裝置；(d)用于測量所述燈兩端的電壓的電壓傳感裝置；和(e)控制單元，用于依賴來自于所述電流和電壓傳感裝置的測量結果，把該次級鎮流器切換進和切換出所述電路。
全文摘要
一種用于高亮度放電燈(4)的控制器(5)，包括主鎮流器，用于向該燈(4)提供初級電流；和電流注入器，其在所示情形中包括控制鎮流器(8)和由控制單元(12)控制的開關(9)(例如觸發三極管)。所述電流注入器將次級電流注入到所述燈(4)中，該次級電流小于所述初級電流，并且可由控制單元(12)改變，例如通過改變該控制鎮流器(8)被切換進該電路的交流周期內的時間量。該控制器(5)允許所述燈(4)被控制為，例如以恒定功率(可變的光輸出)或者以恒定的光輸出(可變功率)運行。
文檔編號H05B41/392GK1820555SQ200480019378
公開日2006年8月16日 申請日期2004年5月7日 優先權日2003年5月8日
發明者理查德·杜魯茲耐克 申請人:活性反應堆有限公司