專利名稱：電子鎮流器的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及用于高亮度放電燈點火的電子鎮流器，特別涉及用于控制在初始的非穩態工作模式期間施加給燈的電壓和/或電流的電子鎮流器。
在啟動高亮度放電燈(HID)中，燈要經歷三個階段。這些階段包括擊穿、輝光放電和熱電子電弧。擊穿需要將高電壓施加給電極。擊穿之后，該電壓必須足夠高，以維持輝光放電和加熱電極進行熱電子發射。一旦在啟動階段中熱電子發射開始，就必須維持電流，直至電極達到其穩態的溫度。在達到電弧狀態后，燈便按穩態工作模式在低水平的電流下工作。
燈的壽命和效率受這種啟動順序的影響，因為元件的數值和公差會影響這種啟動順序。對于點火來說，在預擊穿周期中，必須使燈電極達到高電壓并持續規定的時間。常規燈的特征在于，在達到擊穿時具有最小電壓電平和持續時間。電壓的典型最小范圍為約2至3KV，持續時間的典型最小范圍為約10-100ms。
用脈沖諧振電路可以實現用于擊穿的高電壓要求。由于元件的公差變化，因而在電路與電路之間有不同的電路達到諧振時的頻率和所產生的諧振電壓。這種變化導致，要將脈沖諧振電路設計成可耐約4至5KV的額定脈沖電壓，就是說，在電路中要設計可耐大大超過啟動燈所需的2至3KV范圍的電壓。這會導致脈沖諧振電路成本的無謂增加。
一旦實現擊穿，燈進入非熱電子輝光階段。在該階段中，電壓必須足夠高，以維持電子的流動。由可產生二次電子發射的陰極的正離子轟擊產生電子。當由陰極電壓降確定的正離子的動能足夠大時，會發生電極濺射。電極濺射產生例如鎢的揮發性物質，該物質凝結在燈的內表面，并使燈的內表面黑化。隨著燈黑化的加深，穿過燈殼的光透射減少，從而降低了可見光水平。淀積在壁上的鎢吸收輻射，從而加熱燈內壁至其最佳溫度以上。這將導致燈壽命的縮短。
必須在使輝光狀態持續時間最短和使電場幅度最小之間維持適當的平衡，以使燈效率和燈壽命最大。由于供給電極的能量的降低將延長輝光狀態的持續時間，而供給電極的能量的增加會因濺射增加而縮短燈的壽命，所以難以實現這種平衡。
與非熱電子輝光階段相比，在熱電子電弧階段期間，燈電壓降低而燈電流增加。在熱電子電弧階段期間，仍可以發生殘余的濺射。在熱電子電弧階段期間，在施加足夠高的電流來加熱電極之后，電流降低，隨后燈在穩態的條件下工作。
因此，期望提供改進的電子鎮流器，在該電子鎮流器中可以減小元件公差的變化。該鎮流器還在使輝光狀態持續時間最短和使電場幅度最小之間提供了適當的平衡，從而使燈效率和燈壽命兩者都最大。
一般來說，按照本發明的第一方面，電子鎮流器包括諧振點火器、激勵器和控制器，該電子鎮流器用于啟動在進入穩態工作模式之前有擊穿階段、非熱電子輝光階段和熱電子電弧階段的高亮度放電燈。諧振點火器施加跨接在燈上的燈電壓。激勵器響應變化的控制信號，以便按變化的工作頻率激勵諧振點火器。控制器根據燈的各階段產生變化的控制信號。在擊穿之前，控制器調整控制信號，以降低工作頻率，向下掃描與預定的點火電壓相等的燈電壓。一旦進入輝光階段，還要調整控制信號，以便使輝光階段內的持續時間最短。一旦進入熱電子電弧階段，控制器進一步調整控制信號，以便增加燈電流。
通過調整控制信號從而降低工作頻率，掃描與預定的點火電壓相等的燈電壓，控制器可以限定最大啟動電壓，使電子鎮流器元件不必設計成可耐象4至5KV那樣高的電壓。也可以調整控制信號，在使輝光狀態持續時間最短和使電場幅度最小之間提供適當的平衡，使燈效率和燈壽命兩者都最大。在非熱電子輝光階段中，調整頻率，將電壓降低至已知的在燈表面產生最小黑化的電平，同時該電壓仍足夠高以便保持連續的非熱電子發射。由于特別的重要性，在熱電子電弧(即啟動)階段期間，控制器進一步調整頻率，以在降低電壓時增加電流，支持熱電子發射的開始，還繼續使燈的黑化最小。隨后，由控制器調整頻率，以便降低電流和增加電壓，達到燈的穩態條件。
在本發明的特征中，在預定的時間周期內控制器按預置的工作頻率維持控制信號，在所述預定時間周期內燈電壓保持在預定的點火電壓下。通過至多在預定的時間周期內供給預定的電壓，降低所有元件上的應力，從而延長元件的壽命。在本發明的另一特征中，在非熱電子輝光階段期間，在預定的時間周期內控制器可以按預置的工作頻率維持控制信號。在本發明的又一特征中，在熱電子電弧階段期間，在預定的時間周期內控制器可以按預置的工作頻率維持控制信號。
因此，本發明的目的在于提供改進的電子鎮流器，該電子鎮流器提高了燈壽命并使HID燈的燈黑化最小。
本發明的另一目的在于提供改進的電子鎮流器，該電子鎮流器可降低成本和所需元件的復雜性，以便有效地使燈導通和避免這些元件的早期失效。
因此，本發明包括彼此相互關聯的一個或多個步驟，和用于使這些步驟有效的結構、元件的組合和部件排列的裝置的具體特征，所有這些都示例于下面詳盡的公開中，而本發明的范圍將由權利要求限定。
圖1是按照本發明的HID電子鎮流器的方框圖；圖2a、2b和2c表示在燈導通的各階段期間諧振點火器的傳輸特性；和圖3是展示按照本發明的方法的流程圖。
圖1表示用于高亮度放電燈(HID)的高頻電子鎮流器的優選實施例的方框圖。由諧振點火器3對燈9點火，該諧振點火器接收來自激勵器2(例如，橋接電路)的激勵電壓和電流。激勵器2由控制信號40觸發，該控制信號控制激勵諧振點火器3的大電流信號20的產生。由控制信號40確定信號20的頻率和施加給燈9的最終電壓30。大電流信號20為脈沖串的形式。激勵器2和檢測器5都由電源1供電。由控制器(例如，微控制器)4提供控制信號40。由控制信號40確定激勵器2的工作頻率。
圖2a表示與燈9組裝在一起的諧振點火器3在燈擊穿前的傳輸特性，在非導通狀態下，燈9處于有效的開路，而諧振點火器3有普通諧振電路的傳輸特性。在諧振頻率fO時，電壓將達到峰值電壓VP。圖2a還示出電壓VMIN，該電壓表示給定類型的燈被驅動達到擊穿所需要的最小規定電壓，其條件是在最小的規定的持續時間(未示出)施加該電壓。
在理論上，應該這樣設計諧振點火器3，以使電壓VP與電壓VMIN相等，就是說，正好在諧振頻率fO時控制信號40激勵諧振點火器3，從而僅施加要求的最小電壓VMIN。點火器3內實際元件的數值將確定頻率fO的實際值，以及圍繞諧振頻率fO的波形寬度d和峰值電壓VP的幅度。
如圖2a所示，在fX頻率時激勵諧振點火器3的電路，產生電壓VX。如圖2a所示，如果頻率fO和寬度d的規定值這樣設定，以使電壓VX低于電壓VMIN，那么燈可以不點火。普通的諧振點火器被這樣設計，假設不顧元件值的變化，頻率fO被相對地抑制，而電壓VP足夠大，以致包括激勵頻率的寬大范圍，在該范圍中電壓VX可以至少等于電壓VMIN。抑制頻率fO需要具有嚴密公差的元件，這會增加元件的成本。普通諧振點火器的峰值電壓VP被設計成至少為要求的最小電壓VMIN的一倍半至三倍，以補償在不同燈中擊穿特性的偏差。普通的點火器被設計成，即使在諧振頻率fO附近激勵，也將在峰值電壓VP下工作規定的最小持續時間。就是說，普通的諧振點火器設計成在兩倍于所需電壓的電壓下工作，從而引入附加的成本并縮短元件的壽命。
但是，按照本發明，諧振點火器3在最小的所要求的電壓電平VMIN下工作，從而可避免上述附加的成本和附加的元件應力(stress)。控制器4控制控制信號40，以便在遠遠高于額定諧振頻率的頻率fH下初始激勵諧振點火器。隨后，控制器4降低激勵頻率，同時通過檢測器5檢測跨接在燈9上的電壓。通過降低頻率而接近額定諧振頻率，將增加燈9上的電壓。當燈上的測量電壓在頻率fI下達到VMIN時，控制器4中斷頻率的下降，并繼續按該頻率激勵燈達到規定的最小持續時間。
電壓VMIN和最小持續時間是假設使給定類型的所有燈點火時的規定值；有些燈將按較低的電壓和較短的持續時間點火。檢測器電路5檢測流過燈9的電流。當燈9點火時，電流流過燈9。一旦電流開始流過燈9，檢測器電路5就將電流檢測信號提供給控制器4。根據該信號，控制器4引起非熱電子輝光階段。點火器3按產生電壓VMIN的頻率工作，直至燈電流流動或直至經過了最小非熱電子持續時間，無論哪個更快地出現。
當燈9未進入擊穿時，就沒有燈電流。將經過擊穿的最小持續時間。為了使熱應力最小，控制器4暫停一會兒，使鎮流器中的元件冷卻；然后，重復上述處理，用激勵頻率fH啟動。在諧振電路產生要求的最小電壓VMIN前，當頻率向下掃描至fL(低于諧振頻率fo)時，控制器4中斷頻率掃描，重新開始以上處理。一般來說，當未達到電壓VMIN時，不需要使元件冷卻的暫停。
連續重復以上處理，直至檢測出燈電流的流動，在此時燈進入非熱電子輝光階段。在擊穿時，燈9的阻抗從實際的開路改變為燈電流的導體，從而對諧振點火器3加載。圖2b表示與輝光階段相關的傳輸函數。傳輸函數包括在頻率fO附近具有峰值235的低頻下的相對平滑部分230，和隨后在高于頻率fO的頻率下的傾斜部分237的下滑部分。
在輝光階段期間，電極部分被噴射或濺射。電極中的材料損失最終將導致電極失效，而損失的材料粘附在燈的內表面上，引起降低燈發射光量的黑化。通過設計或通過壽命測試，可以確定最佳輝光階段的電壓，以使電極的有效壽命最長并使燈的黑化最小。按照本發明，將調整工作頻率，以在輝光階段期間將這種最佳電壓提供給燈。
根據燈的具體特性，可以按多種方式實現最佳電壓。如果對于給定燈型來說，其傳輸函數有很小的變異，那么可以在控制器4中預定與最佳電壓VOPT相關的特定頻率fOPT。一旦進入輝光階段，控制器4將調整控制信號40，使諧振點火器3產生最佳頻率fOPT。當相同類型的燈的傳輸函數有明顯的變異時，可以采用迭代法，其中如上所述，控制器4將工作頻率設定成額定fOPT。隨后，檢測器5將燈電壓與電壓VOPT進行比較，并調整激勵頻率，以達到電壓VOPT。如圖2b所示，頻率fOPT處于曲線的傾斜部分(下降)237。當被測量的電壓低于電壓VOPT時，工作頻率就降低。當被測量的電壓高于電壓VOPT時，工作頻率就增加。正如在擊穿階段那樣，設定下限頻率fL，超過它便不能調整頻率。
在整個輝光階段，使電壓維持在最佳電平。按照本發明，當設計或壽命測試顯示在輝光周期期間最佳電壓應該增加或降低時，就對控制器4編程，以便有效地跟蹤該變化的最佳電平。在第一實施例中，將電壓維持在最佳輝光階段電壓下達到預定的時間周期(例如，約一秒半)。在另一實施例中，當進入熱電子電弧階段時，根據檢測器5檢測的燈電流的增加，控制器4再次調整激勵器2工作的頻率。在該輝光階段以及隨后的階段期間，連續地檢測燈電流。當燈電流增加時，用擊穿階段重新開始整個處理過程。
在熱電子電弧階段開始之時產生熱電子發射，燈電流增加，而燈電壓明顯下降。另一方面，通過設計或壽命測試，可以確定最佳啟動電流IOPT，以使燈9盡可能快地產生充分的熱電子發射而不引起過分的電極退化和黑化。在一個實施例中，為穩態電流的約1.25倍至約2倍的啟動電流明顯地降低了退化和黑化。在熱電子電弧(即啟動)階段之后，燈電流減小至其穩態工作電流。為了使這種電流控制有效，可以用相應調整的頻率檢測電流、電壓或阻抗。由設計或測試確定熱電子階段期間特定燈型的電流與電壓之間的相互關系，以致可以預定產生IOPT的啟動階段的電壓VR。圖2c表示對應于熱電子電弧階段的典型傳輸函數。在工作中，控制器4調整控制信號40，以便調整工作頻率，直至燈電壓等于電壓VR。
在可以實現最佳性能同時使退化和黑化最小的范圍內，電壓或電流的寬大范圍通常是有效的。在這些條件下，或當不需要最佳性能時，可以確定額定諧振頻率fR，對控制器編程以便將工作頻率調整到該額定頻率。因此，在輝光階段或電弧階段中不必要求達到電流或電壓最佳值的迭代頻率調整。
圖3是展示控制燈啟動的方法的流程圖。為了使燈9點火，在步驟310，將工作頻率f設定為fH。由一連串步驟320-328組成的循環降低該頻率，直至燈電壓達到電壓VMIN。在步驟320，測量燈電壓。在步驟328，只要燈電壓仍未達到電壓VMIN(如步驟324所確定的那樣)和工作頻率不等于或低于頻率下限fL(如步驟326所確定的那樣)，就使工作頻率下降。當達到下限頻率時，在步驟310將頻率重新設置為fH。在步驟315，檢測整個處理的燈電流。一旦燈9點火，正如步驟315所確定的那樣，該處理通過步驟340進入輝光階段。
當燈電壓已經達到電壓VMIN，而燈電流還未流動時，在步驟330啟動持續時間計時器。經過一連串步驟334-336的處理循環，直至燈電流如步驟334所確定的那樣流動或如步驟336所確定的那樣已經經過最小燈點火持續時間DMIN。當已經經過最小燈點火持續時間DMIN時，在步驟312該處理進入冷卻周期，然后在步驟310重新開始。在步驟334，當確定燈電流正在流動時，該處理通過步驟340進入輝光階段。
在步驟340，將工作頻率設定為額定輝光階段最佳頻率fOPT。與步驟320-328的循環類似，可以使用迭代處理，以便調整頻率達到電壓VOPT。在電子鎮流器的優選實施例中，通過步驟344-346，將工作頻率按額定頻率fOPT保持持續時間DOPT。在步驟346，檢測燈電流。正如電流中斷所指示的那樣，在燈9熄滅時，和在步驟312的冷卻周期之后，經步驟310重新開始處理。在經過持續時間DOPT后，通過步驟350該處理進入啟動階段。
在步驟350，將工作頻率設定為額定啟動階段頻率fR。與步驟320-328的循環相似，可以使用迭代處理，以便調整頻率從而達到電壓VR或電流IOPT。在優選實施例中，通過一連串步驟354-356，將工作頻率按額定頻率fR保持持續時間DR。在經過持續時間DR后，該處理返回到步驟395，進入穩態工作模式。
現在可以容易理解，通過控制器4精確控制貫穿點火三個階段的激勵器頻率，可以降低燈的退化和黑化。尤其是可以采用較低電壓和功率的鎮流器元件。還可以實現在這些元件上的應力的減小。
因此，可以看出，從上述說明中可有效地實現上述目標并使這些目標變得明顯。在不脫離本發明的精神和范圍的情況下，可以改變提供上述方法的電子鎮流器及其結構，例如，控制器4可以包括電壓或電流檢測器，免除對離散電壓比較器或電流檢測器5的需要。控制器4可以將激勵信號20直接提供給諧振點火器3；該點火器3可以由電壓倍增器構成，對于經諧振進行的燈點火來說該倍增器不需要達到高電壓信號。盡管借助于高點火電壓燈已經論述了本發明，但其中的基本原理并不限于要求高點火電壓的燈。
權利要求
1.一種電子鎮流器，用于啟動在進入穩態工作模式之前有擊穿階段、非熱電子輝光階段和熱電子電弧階段的高亮度放電燈(9)，該電子鎮流器包括諧振點火器(3)，用于施加跨接在燈上的燈電壓；激勵器(2)，響應于變化的控制信號，按變化的工作頻率激勵諧振點火器；和控制器(4)，根據燈的不同階段產生變化的控制信號，其中，在擊穿之前，控制器調整控制信號，以便降低工作頻率，進行朝向等于預定點火電壓的燈電壓掃描；并且，一旦進入輝光階段，控制器還調整控制信號，以使輝光階段內的持續時間最小；此外，一旦進入熱電子電弧階段，控制器還調整控制信號，以便增加燈電流。
2.如權利要求1所述的電子鎮流器，其中，在燈電壓保持在預定點火電壓期間，控制器按預置的工作頻率將控制信號維持預定的時間周期(330、336)。
3.如權利要求1或2所述的電子鎮流器，其中，在非熱電子輝光階段期間，控制器按預置的工作頻率將控制信號維持預定的時間周期(334)。
4.如權利要求1、2或3所述的電子鎮流器，其中，在熱電子電弧階段期間，控制器按預置的工作頻率將控制信號維持預定的時間周期(354)。
5.如權利要求1、2、3或4所述的電子鎮流器，其中，激勵器的工作頻率在熱電子電弧階段比在非熱電子輝光階段低。
全文摘要
一種電子鎮流器,可降低高亮度放電燈的黑化,降低在燈和鎮流器元件上由過高電壓和電流流動產生的應力,并增加燈的壽命。用鎮流器控制器實現這些優點,該控制器在燈啟動的三個階段期間和每一階段期間校正燈的工作頻率,將燈電壓限定在預定電平。
文檔編號H05B41/24GK1256852SQ99800247
公開日2000年6月14日 申請日期1999年1月6日 優先權日1998年1月7日
發明者M·肖恩, P·許恩赫 申請人:皇家菲利浦電子有限公司