專利名稱：陰極加熱式氣體放電燈的鎮流電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及諸如熒光燈那樣的陰極加熱式氣體放電燈的鎮流電路，更具體地說涉及對這種鎮流電路的陰極加熱電路性能的改進。
某些類型的氣體放電燈，比如有一種熒光燈，包括一對具有內阻的陰極，當分別有電流流過的時候，陰極就發熱，以后將這種陰極稱為電阻加熱式陰極。電阻加熱出現在以下兩種情況中一是當陰極通過燈中的電弧放電也被加熱、燈處于穩定工作狀態期間，另一是在燈點亮之前所謂的陰極預加熱期間。這種燈的陰極被設計成在燈正常工作時發射電子。這樣的陰極一般由鎢或類似金屬制成，在陰極未涂層的情況下被加熱并發射電子時，陰極容易破裂。因此，陰極一般涂一層電子發射材料以利于發射電子，同時保護陰極金屬使其免受損壞。
在上述類型的熒光燈中，燈點亮之前對陰極預加熱期間，需要將陰極加熱到至少大約700℃，以便從陰極得到所要求的熱電子發射。在燈穩定工作期間，需要對陰極連續加熱至大約500℃，以便陰極更好地保持熱電子發射，并使陰極壽命得以延長。
陰極加熱式熒光氣體放電燈的典型電源或如一般所稱“鎮流”電路在加熱燈陰極的電路中采用正溫度系數(PTC)的電阻，在陰極預加熱期間和燈處于穩定工作狀態期間都對陰極加熱。氣體放電燈具有一對電阻加熱式陰極，每個陰極具有與諧振電源電路相連的端子，諧振電源電路向燈提供雙向電流。另一對陰極端子之間經串聯的電容與一個正溫度系數(PTC)的電阻相連，從而形成一個電路，向電阻加熱式陰極提供電流，并對它們加熱。可以在美國專利第4，647，817;4，782，268和5，122，712號中找到采用PTC電阻的鎮流電路的例子。
PTC電阻起初以某一阻抗值導通電流，然后隨著消耗電能而變熱，其阻抗值便增加。于是，當燈鎮流電路開始激勵時，較大的電流流過PTC電阻，從而流經電阻加熱式陰極。在燈點亮之前的陰極預加熱期間，對陰極快速加熱，以便燈陰極達到所需的高溫，使燈點亮。PTC電阻是這樣選擇的，當它使得燈電壓增加到足以使燈點亮的值，并且陰極預加熱期間快要結束時，其阻抗變為高。然后在燈的穩定工作期間，燈電壓下降，降至低于陰極預加熱期間的電壓。在燈穩定工作期間，減小的電流流經電阻加熱式陰極，其結果例如對一個20瓦燈的鎮流電路來說，PTC電阻的功耗大約為1瓦，這意味著大約5%的無效功率。
因此，需要為陰極加熱式氣體放電燈提供一種鎮流電路，在燈穩定工作期間能夠實現較高的功率效率。
上述鎮流電路更進一步的缺點是對采用給定PTC電阻的電阻加熱式陰極的范圍進行了限制。不同種類的燈有不同類型的電阻加熱式陰極(例如2Ω、6Ω等)。于是就需要更多的適合不同類型的電阻加熱式陰極的陰極加熱電路，來更好地適應更多種類的燈。
此外，還要求在不增加費用或使電路過于龐大的情況下實現上述優點。避免電路過于龐大對于小型的低壓熒光燈來說是非常重要的，這種燈采用標準的愛迪生式螺絲座，以便安裝在通常也適合于白熾燈的燈座中，并且這種燈采用緊湊的多軸外殼或放電腔，光線從被電激發至放電狀態的適當填充物中發出。這種小型燈的鎮流電路緊湊地安裝在愛迪生式螺絲座中，并與之非常靠近，所以要嚴格限制鎮流電路的大小。
因此，本發明的一個目的是為陰極加熱式氣體放電燈提供一種鎮流電路，該電路采用高效陰極加熱電路，與上述先有技術的陰極加熱電路相比，更適合于不同種類的陰極。
本發明的另一個目的是在不增加費用或使電路過于龐大的情況下為陰極加熱式氣體放電燈提供一種達到上述目的的鎮流電路。
根據本發明，提供了一種氣體放電燈的鎮流電路，氣體放電燈具有一對電阻加熱式陰極，在先于燈點亮的陰極預加熱期間和燈穩定工作期間，陰極都通過電阻方式加熱。鎮流電路包括在母線導體上提供對地的直流母線電壓的裝置，以及根據直流母線電壓向諧振負載電路提供雙向電流的轉換器。諧振負載電路包括氣體放電燈，連接在燈陰極之間、且兩端的電壓隨著燈電壓的變化而變化的諧振電容，以及與諧振電容串聯并與諧振電容一起確定雙向燈電流的諧振頻率和幅度的諧振電感。向電阻加熱式燈陰極供電的裝置提供電能，對陰極加熱。還包括一個電路，它使燈電壓在陰極預加熱期間一直低于一個預定值，從而避免這一期間燈被點亮;該電路包括將燈的第一陰極保持在基本恒定電壓下的裝置，以及將燈的第二陰極箝位在低于預定值的電位上的裝置。該箝位裝置包括正溫度系數(PTC)阻抗元件，如PTC電阻，它與燈的第二陰極相連，并通過正極性箝位二極管與母線導體串聯，還通過負極性箝位二極管與地線串聯。
通過以下結合附圖所作的描述，本發明的上述目的和優點以及進一步的目的和優點將變得非常明顯，附圖中
圖1是根據先有技術的燈和包括陰極加熱電路的燈鎮流電路的示意圖，其中一部分是以框圖形式出現的。
圖2是表示正溫度系數(PTC)電阻的阻抗值與電阻的溫度之間關系的曲線，阻抗值的單位為歐姆，溫度的單位為攝氏度(℃)，流經PTC電阻的電流為50kHz。
圖3表示陰極預加熱期間、燈點亮期間和燈穩定工作期間開始時燈電壓與時間的關系曲線。
圖4是根據本發明的第一實施例的燈和包括陰極加熱電路的燈鎮流電路的示意圖，其中一部分是以框圖形式出現的。
圖5是根據本發明的第二實施例的燈和包括陰極加熱電路的燈鎮流電路的示意圖，其中一部分是以框圖形式出現的。
圖1表示先有技術電路100，以下對它的說明將有助于理解本發明。電路100包括直流母線電壓源105，它在母線導體110上產生母線電壓VB。如同在本領域中已知的那樣，直流母線電壓源105一般包括對交流電源線上的電壓進行整流的全波整流器，還可以有選擇地加上功率因數校正電路。同時，諧振負載電路包括諸如小型低壓熒光燈那樣的氣體放電燈115，以及橫穿放電燈與之并聯的諧振電容CR，還包括與燈和諧振電容的并聯電路串聯的諧振電感LR。包括正溫度系數(PTC)電阻120和電容125的串聯電路與燈115并聯，該串聯電路對燈陰極加熱，這在以后說明。
上述諧振負載電路連接在電路節點130和135之間，并以以下方式提供雙向電流。電路節點130是串聯連接的開關S1和S2的公共節點，開關S1和S2可以是MOSFET或雙極結型晶體管(BJT)，它們依次連接在母線導體110和地線140之間。柵極驅動電路145使開關S1和S2交替導通(也就是說使垂直方向上的開關端子的上部分和下部分交替接通)。于是，當開關S1導通時(S2關斷)，電路節點130的電位與母線導體110的電位相同;而當開關S2導通時(S1關斷)，電路節點130的電位與地線140的電位相同。同時，右面節點135的電壓基本保持恒定，一般為母線導體110上的母線電壓VB的一半;這可以通過連接在節點135和母線導體110之間的電容150以及連接在節點135和地線之間的電容155來實現。在上述開關S1和S2交替地將節點130與母線導體110和地線連接的作用下，雙向電流經諧振電感LR供給燈115。
柵極驅動電路145一般被稱為自諧振型電路，它利用來自上述諧振負載電路的反饋，產生適合于控制開關S1和S2的信號。
燈115包括電阻加熱式陰極115A和電阻加熱式陰極115B。虛線包圍電阻加熱式陰極115A和115B，它表示閉合的玻璃燈罩。電阻加熱式陰極的下端子從燈115向下延伸，分別與諧振電容CR的各個端部相連。電阻加熱式陰極的上端子分別與包括PTC電阻120和電容125的串聯電路的各個端部相連。
PTC電阻120和電容125共同作用，得到下述燈陰極115A和115B的所要求的加熱特性。PTC電阻的工作狀態如圖2所示，圖2表示作為元件溫度函數的阻抗值的變化情況。圖2中的曲線是一個例子，所示PTC電阻在典型的20℃的環境溫度下阻抗值為額定值0.6kΩ，加熱到135℃時阻抗值為額定值1.8kΩ，流經電阻的電流為50kHz。由于元件中寄生電容的影響，PTC電阻120的阻抗與頻率有關。當電流流經電阻、電阻被加熱到大約120℃以上時，PTC電阻的阻抗值一般將開始迅速地增加。PTC電阻從一般的20℃的環境溫度升高到所說的其阻值開始迅速增加的溫度如120℃，需要經過一段時間，總的來說這是為了限制陰極預加熱期間燈的電壓，從而延遲燈的點亮時間，直到燈陰極已經達到所需要的高溫，如同在上面本發明的背景中所提到的那樣。
圖3表示陰極預加熱期間、燈點亮期間和燈穩定工作期間開始時燈電壓VL與時間的關系曲線。如圖所示，基本是正弦的燈電壓確定峰值電壓的包絡線300。陰極預加熱期間為t0至t1，t0是電能最初加在燈上、PTC電阻120例如處于圖2所示20℃的環境溫度下的時刻，t1是PTC電阻120例如達到120℃以后其阻抗值開始迅速增加的時刻。陰極預加熱時間一般持續大約0.5秒。
陰極預加熱期間，PTC電阻120的阻抗值保持在它的下限附近，例如0.6kΩ，并加在由諧振電感LR、并聯諧振電容CR和燈構成的諧振電路上。陰極預加熱期間，由于與穩定狀態的燈電壓相比，加在PTC電阻120和電容125兩端的電壓較高，而PTC電阻的阻抗又處于最小值，所以PTC電阻120消耗相當大的電能。陰極預加熱期間的燈電壓幅度進一步通過選擇電容125的值來控制。
在圖3所示的t1時刻，PTC電阻120的阻抗值開始迅速增加，從而使燈電壓增大到足以點亮燈的臨界值，如圖中電壓包絡線300的點302所示。然后在時刻t2，燈電壓迅速下降到穩定狀態值，如304所示。
在燈穩定工作時，需要連續加熱燈的陰極115A和115B至例如500℃，以便陰極按要求進行熱電子發射，并使陰極壽命得以延長，如同在上面本發明的背景中所提到的那樣。為此，燈穩定工作期間PTC電阻120導電，構成了一個向燈陰極115A和115B供電的閉合電路。由于穩定工作狀態下燈的電壓較低，如圖3所示，所以這時PTC電阻120將在較低的溫度下工作;不過它仍將消耗大約1瓦的功率，為20瓦燈功耗的5%。
此外，圖1中先有技術的陰極預加熱電路即PTC電阻120和電容125對將要加熱的各種類型的燈陰極的適應范圍很窄，例如燈陰極的電阻是變化的，如2Ω、6Ω等。于是需要一種包括陰極預加熱電路的燈鎮流電路，這種陰極預加熱電路將更適合于范圍更大的被加熱的陰極類型。
本發明克服了上述陰極加熱電路持續耗電同時對不同類型的燈陰極又缺乏適應性的缺點，本發明的一個實施例如圖4中的電路400所示。圖4中，與圖1類似的部分用類似的參考號表示(例如，直流母線電壓源405類似于直流母線電壓源105)。類似于圖1，圖4中通過左面節點430交替地與處于母線電壓VB的母線導體410和地線連接，將雙向電流提供給諧振負載電路，該電路包括諧振電感LR、諧振電容CR和燈415，右面節點435的電壓基本保持恒定，一般為母線電壓VB的一半。
然而，燈415具有電阻加熱式陰極415A，它通過與之并聯的變壓器副邊繞組470供電。繞組470最好與諧振電感LR耦合。類似地，燈的電阻加熱式陰極415B與副邊繞組475并聯，副邊繞組475也最好與諧振電感LR耦合。當燈加在諧振電路上時，與燈穩定工作期間電感兩端的較低電壓相比，陰極預加熱期間諧振電感LR兩端的電壓較高，因此對燈陰極415A和415B的驅動電壓較高。
本發明的電路400利用了例如如圖2所示的PTC電阻480的阻抗與溫度有關的特性。PTC電阻480通過電容485與燈陰極415A相連。PTC電阻480的另一端通過正極性箝位二極管D1與母線導體410相連，還通過負極性箝位二極管D2與地線440相連。參照圖3中燈電壓與時間的關系曲線，對本發明來說也具有類似的包絡線300，盡管在陰極預加熱期間，由于箝位二極管D1和D2的作用，燈的峰值電壓將被箝位或受到限制。下面說明這一過程。
從圖3中的t0時刻開始，PTC電阻480處于圖2所示典型的20℃的環境溫度下。在圖3中的t1時刻之前，PTC電阻480一直保持在0.6kΩ的較低的阻抗值上，t1是電阻例如達到120℃以后其阻抗值開始迅速增加的時刻(圖2)。在圖3的時刻t0至t1的陰極預加熱期間，電容485和PTC電阻480一起，維持所要求的較低的燈電壓。
當與燈陰極415A相連的節點490的電位高于母線電壓VB時，箝位二極管D1導通，電流I1流經PTC電阻480和箝位二極管D1。這時，跨接二極管D1的陽極與陰極之間的壓降固定在很小的值上，對于由一個p-n結實現的箝位二極管來說，一般約為0.7伏。(不用p-n結二極管而用其它的電子器件也能得到類似的低的正向壓降，這對本領域的一般技術人員來說是很顯然的，因此這里采用更一般的術語“箝位二極管”。)當電流I1流經箝位二極管D1時，燈陰極415A便被箝位在低于母線電壓VB的某個電壓上。這時，右面節點435保持基本恒定。對本發明來說，燈陰極415B上“基本恒定”的電壓足以使上述燈陰極415A上的箝位電壓非常低，從而防止了燈在陰極預加熱期間被點亮。
當節點490的電位低于地線440的電位時，箝位二極管D2導通，電流I2以與上述電流I1相反的方向流經PTC電阻480，于是在二極管D2的兩端存在一個固定的陽極至陰極的壓降。這時，燈陰極415A被箝位在比地線400的電位還要低的電位上，所低的電位值為二極管D2、電阻480和電容485之間的壓降。如上所述，在陰極預加熱期間，電流I1和I2交替流動，以便將燈陰極415A上的電壓箝位。
一旦燈到達穩定工作狀態，并且其電壓已經下降到如圖3所示的304段，存在于燈陰極415A上的電壓既不足以使箝位二極管D1正向偏置，也不足以使箝位二極管D2正向偏置，其結果PTC電阻480中不再流過交替的電流I1和I2，因此PTC電阻不再消耗功率，實現了高效率的陰極加熱電路。
另外，與先有技術的電路100(圖1)相比，由于本發明電路400中的陰極加熱電路更容易適合于不同類型的燈陰極，所以它具有更廣泛的適應性。這是因為電路設計者除了能夠選擇PTC電阻480和電容485的值以外，還能夠選擇副邊繞組470和475以及諧振電感LR上的原邊繞組之間的匝數比。用常規的技術調節副邊繞組470和475上的電壓既方便、又經濟，只要將副邊或與之相關的原邊的匝數增加或減少幾匝就可以了。
圖5表示本發明的另一個實施例，其中與圖1和圖4類似的部分用類似的參考號表示。圖5中，PTC電阻580與第一諧振電容CR1和第二諧振電容CR2之間的節點590相連。本領域的一般技術人員可以很清楚地看出，電容CR1和CR2一起為圖5的諧振電路提供了一個等效諧振電容CR ffCR ff＝CR1×CR2/(CR1+CR2) (1)
第二諧振電容CR2用虛線表示，因為對某些燈擊穿電壓而言，該電容是不需要的。然而用了第二諧振電容CR2，電路500就可以在母線電壓相同的情況下，比電路400更適合于擊穿電壓較高的燈。這樣，將PTC電阻580的一端與電容CR1和CR2之間的節點相連，使得燈陰極515A上的電壓不直接箝位，也就是說通過第二諧振電容CR2箝位。這是因為由第一諧振電容CR1和第二諧振電容CR2構成的電容分壓器的中間節點590上的電壓對出現在諧振電容上的燈電壓產生影響的緣故。雖然電路500中沒有直接對應于電路400中的電容485的電容(圖4)，但是電路設計者通過常規的技術選擇與PTC電阻580相連的第一諧振電容CR1和第二諧振電容CR2之間的比值，得到圖3所示的陰極預加熱期間的限壓功能。
對圖5所示的本發明的電路500而言，25瓦的燈515，額定電壓為400伏，作為例子給出的各元件的參數如下PTC電阻580在20℃時的阻抗是150Ω，熱時間常數是13秒，變換溫度是120℃，耗熱系數是0.0055瓦/℃;諧振電感LR是1.55毫亨;第一諧振電容CR1是0.0027微法;第二諧振電容CR2是0.01微法;電容550是0.1微法;電容555是0.1微法;以及在燈陰極515A和515B中的每一個都是12歐姆的情況下，諧振電感LR中的原邊繞組是260匝，繞組570和575每個都是4匝。
在為電路400和500選擇元件值的過程中，一般先選擇母線電壓VB、燈、諧振電感和諧振電容的值。假定不存在上述箝位作用的情況下燈電壓是非常標準的正弦波，于是通過選擇電路400中的PTC電阻480和電容485，以及選擇電路500中的PTC電阻580和第一諧振電容CR1和第二諧振電容CR2之間的比值，一般都可以得到很好的結果。
從以上的描述中可以看到，本發明為陰極加熱式氣體放電燈提供了一種采用陰極加熱電路的鎮流電路，這種陰極加熱電路比上述先有技術的陰極加熱電路更有效、更適合于不同類型的陰極，同時又不增加費用或使電路過于龐大。
雖然以上結合附圖對本發明的具體實施例進行了說明，但是對本領域的一般技術人員來說可以做許多修改。例如，上述PTC電阻可以用也具有正溫度系數的元件代替。此外，變壓器副邊繞組470也可以與和諧振電容CR2串聯的原邊繞組耦合。起始電流與流經CR2的工作電流之比大于起始電壓與LR兩端的工作電壓之比。這使得陰極515A和515B的工作電壓較低。最終效果是減小了每個陰極的損耗，而陰極損耗將縮短陰極壽命。因此應該懂得，本發明的權利要求旨在囊括所有的這些修改，而所有的這些修改也都在本發明的精神和范圍之中。
權利要求
1.一種氣體放電燈的鎮流電路，氣體放電燈具有一對電阻加熱式陰極，在先于燈點亮的陰極預加熱期間和燈穩定工作期間，陰極都加熱，所述鎮流電路包括(a)對地的直流母線電壓源；(b)根據所述直流母線電壓向諧振負載電路提供雙向電流的轉換器；(c)所述諧振負載電路包括氣體放電燈，連接在所述燈陰極之間、且兩端的電壓隨著燈電壓的變化而變化的諧振電容，以及與所述諧振電容串聯并與所述諧振電容一起確定雙向燈電流的幅度和諧振頻率的諧振電感；(d)向電阻加熱式燈陰極供電的裝置，由此對所述陰極加熱；以及(e)一個電路，它使燈電壓在陰極預加熱期間一直低于一個預定值，從而避免這一期間燈被點亮；所述電路包括(Ⅰ)與所述燈的第一陰極相連的恒壓電路，它將所述第一陰極保持在基本恒定的電壓下；以及(Ⅱ)與所述燈的第二陰極相連的箝位電路，它將所述第二陰極箝位在低于所述預定值的電位上；所述箝位電路包括正溫度系數(PTC)元件，它與所述燈的第二陰極相連，并通過正極性箝位二極管與所述母線導體串聯，還通過負極性箝位二極管與所述地串聯。
2.權利要求1的燈鎮流電路，用于包括熒光燈的氣體放電燈。
3.權利要求1的燈鎮流電路，其中所述PTC阻抗元件包括PTC電阻。
4.權利要求1的燈鎮流電路，其中所述向電阻加熱式燈陰極供電的裝置，對每個陰極而言，都有一個與所述諧振電感相互耦合的電感繞組，并與所述陰極構成串聯電路。
5.權利要求1的燈鎮流電路，其中第二諧振電容與所述第一諧振電容串聯，并連接在所述燈陰極之間，于是兩個所述串聯電容與所述諧振電感共同作用，設定雙向燈電流的幅度和諧振頻率。
6.權利要求5的燈鎮流電路，其中所述轉換器包括一對串聯地連接在所述母線導體和地線之間的開關，它們的公共節點與所述諧振負載電路相連。
7.權利要求1的燈鎮流電路，其中所述箝位電路還包括與位于所述諧振電容的一端和所述箝位二極管之間的所述PTC阻抗元件串聯的電容，用于在陰極預加熱期間設定燈電壓的值。
8.權利要求7的燈鎮流電路，其中所述轉換器包括一對串聯地連接在所述母線導體和地線之間的開關，它們的公共節點與所述諧振負載電路相連。
9.權利要求1的燈鎮流電路，其中所述恒壓電路包括一對串聯在所述母線導體和地線之間的電容，它們的公共節點與一個燈陰極相連。
10.權利要求1的燈鎮流電路，其中所述轉換器包括一對串聯地連接在所述母線導體和地線之間的開關，它們的公共節點與所述諧振負載電路相連。
11.權利要求1、2、3、5和7中任何一個的燈鎮流電路，其中所述轉換器包括一對串聯地連接在所述母線導體和地線之間的開關，它們的公共節點與所述諧振負載電路相連;并且其中所述供電裝置通過各自的電感繞組對陰極加熱，這些電感繞組與所述諧振電感相互耦合，并與每個所述陰極構成串聯電路。
全文摘要
具有一對電阻加熱式陰極的氣體放電燈鎮流電路，在先于燈點亮的陰極預加熱期間和燈穩定工作期間都對陰極加熱。鎮流電路包括提供直流母線電壓的裝置和提供雙向電流的轉換器。諧振負載包括燈、諧振電容和電感。供電裝置對陰極加熱。還包括一個電路，它使燈電壓在預加熱期間低于預定值，避免燈被點亮；該電路包括將燈的第一陰極保持在基本恒定電壓下和將第二陰極箝位在低于預定值的電位上的裝置。箝位裝置包括正溫度系數阻抗元件。
文檔編號H05B41/298GK1110044SQ9411982
公開日1995年10月11日 申請日期1994年12月6日 優先權日1993年12月6日
發明者D·J·卡奇馬力克, L·R·內龍, M·M·西森, K·W·哈斯 申請人:通用電氣公司