CN1362002A - 电子镇流器电路 - Google Patents

Abstract

用于气体放电灯的驱动器波形(30)是由镇流器电路产生的。波形(30)具有基本上垂直上升部分(31),形成在T0与T1之间的、约10微秒时间的在电流－I1和+I1之间的瞬时的过渡,这是小于峰值电流IP的电流值。然后在以受控制的转换速率的过渡上升时,波形(30)以直线形式上升部分(32)上升到用数字(33)表示的稳定的峰值电流IP。峰值电流IP在T2与T3之间被保持,它占据周期时间的40%到80%之间。然后,在T3出现向下倾斜,波形具有直到时间T4的倾斜下降转换速率部分(34),这时出现在时间T4和T5之间的、电流从+I1到－I1的瞬时过渡。该驱动器波形减小高频谐波的生成以及提高电弧稳定性。

Description

电子镇流器电路

引言

本发明涉及用于气体放电灯的电子镇流器电路，具体地、但不排除用于公共安全或适宜的应用。

电子镇流器电路被研制用来给出稳定的电压，以便驱动气体放电灯等等。然而，由于灯以高频进行驱动，它们遇到许多问题：不稳定的电弧、很差的波峰因数、以及电路中引起的高频声音谐波，所有这些问题大大地降低灯的使用寿命和光输出的质量，市面上可提供的镇流器使用相当简单的方式通过流过电感的高频负载电流来驱动灯。工业界许多人都知道这些问题，所以，似乎还没有能够完全解决这个问题的、市面上可供使用的产品。

这样的电子镇流器的例子是在PCT专利申请No.WO 95/22194中描述的电子镇流器。这个镇流器利用方波电压波形来驱动灯。这样的方波波形(有时被称为驱动波形)被认为是用于气体放电灯的特别适合的波形。然而，这种镇流器被认为并不能解决以上的问题，特别是在为灯运行提供稳定的电弧和阻止高频声音谐波方面。

灯的高频脉冲趋向于在电路中产生不稳定的电弧。电弧特性会随每次开灯或再次关灯而变化，以及这在每次交流(AC)循环时出现，但在高频时，这会每秒出现20,000次，这对于电弧稳定性有决定性影响。电弧强度会变动，它也对降低灯寿命起作用。

高频电弧谐振是工业界所承认的一个问题。据认为，具有这样的高频谐振也会使得金属焊缝在灯内振动，因此，将在焊接点处出现物理结构疲劳。本发明的目的是提供一种电子镇流器电路，它克服现有的、用于驱动气体放电灯的方法中的固有的问题。实际上，所需要的是提供一种灯负载电流波形，它将产生稳定的电弧、低的波峰因素和使得高频声音谐波最小化。

发明概要

按照本发明，提供了这样一种电子气体放电灯镇流器电路，它提供交变的、基本上呈方波波形，其特征在于，镇流器包括控制装置，用于提供这样一种电流波形，它具有一个在小于峰值电流的电流值之间的基本上瞬时的过渡阶段，然后是一个趋向峰值电流的逐渐过渡阶段，从而使所提供的波形具有基本上垂直上升的部分、倾斜上升的转换速率(Slew rate)的部分、基本上水平的稳定峰值部分、倾斜下降的转换速率部分、和基本上垂直的下降部分，后面跟随着一个镜像的负电流波形。

所述逐渐过渡阶段可以形成一个基本上呈直线的波形部分或两个基本上以直线互连的波形部分，它们分别具有朝向峰值部分上升的和从峰值部分下降的变化速率。可替换地，所述逐渐过渡阶段形成一个弧形的波形部分，它可以是正弦波的一部分。

理想地，所述瞬时阶段占据峰值电流的25％和90％之间，优选地在峰值电流的70％和80％之间。

所述逐渐过渡阶段当它接近于峰值电流时具有减小的电流速率改变，该过渡阶段占据周期时间的20％和60％之间，或理想地，占据周期时间的30％和50％之间。

本发明提供一种镇流器电路，其中控制装置包括：

电流值传感器；

信号发生器；以及

连接在电流值传感器与信号发生器之间的控制器。

在一个实施例中的电流值传感器和控制器包括一个用于向数模变换器进行信号馈送的微控制器，该数模变换器又把控制信号提供给信号发生器，该信号发生器包括脉冲宽度调制器。

本发明也提供了一种驱动电子气体放电灯的方法，包括：

提供交变电流波形，它具有峰值以及处在正负峰值以下的一个控制值之间的瞬时过渡；

检测所述控制值，使得电流以受控制的转换速率增长到峰值电流；

检测所述峰值电流以及使峰值电流在预先设置的时间间隔内保持为恒定值；

在所述预先设置的时间间隔的结尾处，使得电流从峰值电流以所述受控制的转换速率减小到所述控制值；

检测所述控制值；以及

产生瞬时过渡。

理想地，低频电流是通过使用高频电路来提供的，包括：

使用切换模式技术来合成输入功率交流波形；以及

变换最终得到的波形的极性。

优选地，通过使用功率因数控制根据灯的条件来改变波形的占空因数和改变脉冲宽度，以便控制输入功率，从而使峰值电流保持在预先设置的数值内。

发明详细说明

以下，从参照附图描述的、仅仅作为例子给出的本发明的某些实施例的的说明，可以更清楚地了解本发明，其中：

图1是显示本发明的原理特性的方框图；

图2是按照本发明的电子镇流器电路的示意性表示的一部分；

图2(a)到2(d)是图2的同样的表示部分的放大图；

图3是电子镇流器电路的示意性表示的第二部分；

图3(a)到3(d)是图3的同样的表示部分的放大图；以及

图4到7是由电子镇流器电路产生的、用于驱动灯的方波波形的例子。

因为镇流器电路由大量传统的部件(诸如滤波器、电感、MOSFET等等)组成，所以参照镇流器电路的功能和使用来描述镇流器电路。本领域技术人员很容易了解各种各样的部件的运行。因此，例如，详细地描述整流器电路，诸如在本电路中使用的整流器电路3，将是无意义的。

参照图1，图上显示了按照本发明的镇流器(用参考数字1表示)，它由主电源16供电，用于驱动气体放电管或灯15。

参照图2，图上显示了镇流器2的电子电路的一部分。通常的AC主电源16被馈送到触点2，以及被整流器3进行全波整流，以便在触点4上提供功率，从而驱动气体放电灯15(在这个图上未示出)。

参照图2，图上显示了电子镇流器控制电路1的另一个部分。电路1包括功率因数控制器21和脉冲宽度调制器22，用于帮助控制具有方波电流形式的用于灯的驱动信号，它们的运行由微控制器23控制。在电子镇流器控制电路1的各个部分之间的接口在图2和3上用参考数字20表示。

更详细地参照该电路，AC主电源被输入到触点2和全波电桥整流器3。后者是由多个滤波器、电感和电阻实现的。在全波电桥整流器3的输出端是一个功率因数控制电感10，它用于附加地进一步平滑DC电压，如果存在有任何起伏的话。电感10有一个抽头，以及连同着MOSFET 11一起工作。参照图3，把电路的另一个部分连接到功率因数控制器21，它确保能够维持一个正确的功率因数，从而使电路具有最佳性能。电容5确保跨过被连接到气体放电管的触点4上的电压保持为常数。

电感6被连接到触点4之一，该电感6还被连接到用来驱动灯的负载电桥。

灯的驱动和适当的波形的提供都是由MOSFET来完成的，它们总的用参考数字7(a)到7(d)表示。提供高压的适当的点火是由MOSFET9(a)和9(b)来完成的，而图2的放大器电路8(a)到8(d)以及图3所示的26(a)和26(b)被使用来驱动这些MOSFET。

在运行过程中，在一个周期上MOSFET 7(a)和7(d)工作。电流通过MOSFET 7(a)、电感6流到触点4和气体放电管，然后再流到MOSFET7(d)。在出现反向电流时，MOSFET 7(c)和7(b)工作，电流从MOSFET7(c)、以相反方向通过通过触点4、气体放电管和电感6，然后再流到MOSFET 7(b)。MOSFET 7(a)和7(b)通过接口20被连接到脉冲宽度调制器22。这里配备有一个控制装置，它由脉冲宽度调制器22、微控制器23和数模变换器(DAC)25提供。在运行时，脉冲宽度调制器22以传统的方式提供波形给MOSFET 7(a)到7(d)。

参照图4，在时间T0，电流瞬时上升到一个被存储在微控制器23中的预先设置的控制数值。当这个控制值达到时，微控制器23开始按照被存储在微控制器23中的程序使DAC 25递增。所以转换速率被控制，以及电流以控制的方式斜坡上升。当电流达到峰值时，微控制器23停止增加DAC 25，并使其保持不变，从而在时刻T2与T3之间得到恒定的电流。在时刻T3，微控制器23使DAC 25递减，从而使得电流电平以受控制的转换速率下降直至时刻T4，此时电流达到控制值。

再次参照图4，图上显示被使用来驱动气体放电灯15的电流的波形。波形的形状略微夸大，以便于了解。实际上，垂直部分并不像图上所显示的那样倾斜，因为它发生在非常短的时间间隔内。在T0与T1之间和在T4与T5之间的间隔因此显得大得多。另外，讨论主要针对在总的由参考数字30表示的线以上的正的电流波形。波形和它的形状由微控制器23控制。在T0与T1之间，具有一个发生在大约10微秒内的、在-I1和+I1之间的基本上瞬时的过渡，它形成瞬时过渡阶段，其波形30具有基本上垂直上升的部分31。从T1到T2，电流在过渡阶段中逐渐上升，给出一个向上倾斜的转换速率部分32，一直达到恒定峰值电流IP。波形的这个稳定峰值部分被表示为参考数字33。电流上升是以受控制的电流转换速率进行的。峰值电流在T2与T3之间被保持，在T3时它开始在另一个逐渐过渡阶段中降低，从而给出一个向下倾斜的转换速率部分34，直至电流等于+I1时的时刻T4为止。然后，在T4与T5之间，出现在+I1和-I1之间的另一个几乎瞬时的过渡，使波形30具有基本上垂直下降的部分35，导致一个镜像的负的波形，总的用参考数字36表示。

在-I1和+I1之间、以及显然地在+I1和-I1之间的突然的过渡可以使得用于熄灭电弧的时间最小化。因此，这大大地增加在与形成原先的电弧有关的条件相同的或非常类似的条件下形成新的电弧的概率。这有助于灯的稳定性。根据这种突然的过渡，这种向峰值电流的受控制的上升和然后受控制的下降，提供了一种适当的转换速率，它能避免引起声音谐波的可能性，这种声音谐波会使得灯的机械构件“振铃”。据认为，这种振铃会造成焊接疲劳，使得灯管的过早地出现故障。和缓的转换速率可以减小声音谐波的幅度。最后，通过提供平坦的顶部，可使得波形的波峰因数(峰值与RMS值的比值)最小化。

再次参照图2，有四个运算放大器24(a)，(b)，(c)，(d)，24(a)，它们用于测量在触点4上的电压，该电压将被馈送到脉冲宽度调制器22。第二运算放大器24(b)把该电压的指示以经过滤波的形式提供给微控制器23。下一个运算放大器24(c)在工作时与电阻13一起起作用，从而将触点4上的电压反馈到运算放大器24(c)，然后再馈送到微控制器23。最后的一个运算放大器24(d)与数模变换器(DAC)25一起运行。微控制器23向DAC 25指示：它需要特定的功率输出，DAC25产生一个电压，该电压通过运算放大器24(d)传送到脉冲宽度调制器22，这样，它控制处理过程，得到一个加到触点、从而加到气体放电灯管15的正确的功率。

当气体放电灯15运行时，由于长时间的使用和消耗，在触点4上的电压上升。在典型的气体放电管或灯中，该电压可能在开始时为80伏，以及保持上升直至它达到130伏为止，或者当出现循环时甚至会更高。灯管会在从几毫秒到几分钟的时间内接通和关断。在本电路中，这种现象被阻止，因为电路能够实际测量电压上升。最终将会达到电路不再驱动灯管的阶段，但微控制器23可以在电路到达该阶段之前关断它。然而，也可以由电压监视电路来指示：该电压已上升到预定的电平以上，从而指示出灯已接近于它的使用寿命的终点。

为了使灯正确地运行，必须以适当的方式控制灯的点火。为了使灯被点火，灯需要几千伏的高压尖峰。本发明的电路提供在一个基本周期内约5千伏的电压尖峰。这是通过使用点火MOSFET 9(a)和9(b)达到的。当MOSFET 9(b)截止时，被馈送到电感6以便提供输出脉冲的电压便会升高，从而使得在触点4之一上得到约5千伏的电压尖峰。一旦灯点火，电感6就控制进到灯管的电流，这样，它起到限流器的作用。所以，一个电感6在电路中实现两个任务。

本发明的另一个特性是，传递到灯的低频电流波形由使用高频电路的镇流器1来提供。这是通过转换MOSFET 7(c)和7(d)以便改变波形的极性而达到的。镇流器1具有通过调整功率因数控制电压来监视灯管电压的能力。通过改变来自脉冲宽度调制器的脉冲宽度，可使加到灯管的功率被保持不变。这是借助通过MOSFET 11改变占空因数以确保加到灯管功率保持不变而达到的。MOSFET 7(a)和7(b)可被使用来补偿灯管电流的任何下降，这会改变工作周期的宽度。这个方法具有的另一个优点是：灯的控制与主电源无关。

在发生故障时，微控制器23可引起一个信号传递到触点27，该触点27然后可被使用来将一个表示故障的信号引导到中央主站，或使得可视的信令设备运行，这诸如在与本申请所基于的爱尔兰专利申请No.99 0396同一天提交的共同待决的PCT专利申请PCT/IE99/00044中描述的那样，该专利申请的揭示内容在此引用，以供参考。

微控制器23的使用允许形成具有想要的形状的电流波形，将会看到，如果发现其它波形或这种波形的变型对于特定结构的气体放电管是必须的，则它可相对较容易地被提供。

图5显示总的以参考数字40表示的波形，其中波形40中与波形30相同的那些部分用相同的参考数字表示。在本实施例中，逐渐过渡阶段形成两个互联的波形部分41和42：它们以变化的速率上升到峰值和从峰值下降。

现在参照图6，图上显示总的以参考数字50表示的又一个波形，其中与波形30相同的那些部分用相同的参考数字表示。在本实施例中，逐渐过渡阶段形成一个基本上呈现正弦波形的一部分的弧形的波形部分51。

图7显示总的以参考数字60表示的另一个波形，再次地，其中与参照前面的各附图描述的波形相同的那些部分用相同的参考数字表示。这个波形也具有逐渐过渡阶段，它形成弧形的波形部分61。

脉冲宽度调制器和DAC可被合并在一个数字和/或软件实施方案中来实现它们的功能。

虽然以上的实施例显示提供必要的驱动器波形的特别适合的方式，但本领域技术人员将会看到，许多其它的方式可被使用来提供这种波形。本发明的实质在于，以所显示的方式而不是以它达到的方式来修改或改变传统的波形。本发明具体的优点在于，它是能实现这一目的的简单的、经济的和有效的方法。然而，必须懂得的是，本发明的主要方面是认识到需要精确地控制波形，以便提供比现有的灯运行条件更好的条件。本发明的重要的特性是，它能达到快速的过零过渡以便减小电弧熄灭的时间，而同时能补偿所产生的声音谐波。还看到，实验发现，可以根据特定的运行条件和气体放电管或灯的特定结构来提供不同形状的波形，以及改变电流瞬时上升百分数。因此，可以预期，瞬时的电流上升可以是在峰值电流的25％和90％之间。我们发现，在70％与80％之间某个数值是理想的，这是多半由在至今的测试中所使用的特定气体放电管所决定的。同样地，已发现受控制的上升和下降发生在周期时间的20％和60％之间。也就是说，例如，上升发生在周期时间的10％和30％之间，然而，也有可能是在15％和25％之间的某个数，但至今还没有完成足够的工作来精确地估价应当瞬时达到的正确的电流值、或在峰值与该电流电平之间的上升和下降的时间长度，即应当设计达到的瞬时电流。

在本说明中的用语“包括”和“被包括”或它们的任何变化的同义语都应被认为全部是可互换的，以及它们应当被给予最广义可能的解译，以及反之亦然。

本发明并不限于这里描述的实施例，而是在结构和细节方面可以在权利要求的范围内变动。

Claims (15)

1.一种电子气体放电灯镇流器电路，它提供交变的、基本上呈方波波形，其特征在于，镇流器包括控制装置，用于提供这样一种电流波形，它具有一个在小于峰值电流的电流值之间的基本上瞬时的过渡阶段，然后是一个趋向峰值电流的逐渐过渡阶段，从而使所提供的波形(30)具有基本上垂直上升的部分(31)、倾斜上升的转换速率的部分(32)、基本上水平的稳定峰值部分(33)、倾斜下降的转换速率部分(34)、和基本上垂直的下降部分(35)，后面跟随着一个镜像的负电流波形(36)。

2.权利要求1中要求的镇流器电路，其中所述逐渐过渡阶段形成基本上呈直线的波形部分(32，34)。

3.权利要求1中要求的镇流器电路，其中所述逐渐过渡阶段形成朝着峰值部分(33)上升的和从峰值部分(33)下降的、具有变化的速率的两个基本上呈直线的互连的波形部分(41，42)。

4.权利要求1中要求的镇流器电路，其中所述逐渐过渡阶段(60)形成弧形的波形部分(61)。

5.权利要求4中要求的镇流器电路，其中所述波形部分是正弦的一部分(51)。

6.上述的任一权利要求中要求的镇流器电路，其中所述瞬时阶段占据25％和90％之间的峰值电流。

7.上述的任一权利要求中要求的镇流器电路，其中瞬时阶段占据70％和80％之间的峰值电流。

8.上述的任一权利要求中要求的镇流器电路，其中所述逐渐过渡阶段在它接近于峰值电流时具有减小的电流速率改变。

9.上述的任意权利要求中要求的镇流器电路，其中所述过渡阶段占据20％和60％之间的周期时间。

10.上述的任一权利要求中要求的镇流器电路，其中逐渐过渡阶段占据30％和50％之间的周期时间。

11.上述的任一权利要求中要求的镇流器电路，其中控制装置包括：

电流值传感器；

信号发生器；以及

被连接在电流值传感器与信号发生器之间的控制器。

12.权利要求11中要求的镇流器电路，其中电流值传感器和控制器包括微控制器(23)，它馈送给一个数模变换器(25)，后者接下来又把控制信号提供给包括脉冲宽度调制器(22)的信号发生器。

13.一种驱动电子气体放电灯的方法，包括：

提供交变电流波形，它具有峰值以及在正的与负的峰值以下的控制值之间的瞬时过渡；

检测控制值，使得电流以受控制的转换速率增长到峰值电流；

检测峰值电流，以及使峰值电流在预先设置的时间间隔内保持为恒定值；

在预先设置的时间间隔的结尾处，使电流从峰值电流以受控制的速率减小到控制值；

检测控制值；以及

产生所述瞬时过渡。

14.权利要求13中要求的方法，其中低频电流是通过使用高频电路来提供的，包括：

使用切换模式技术来合成输入功率交流波形；以及

变换最终得到的波形的极性。

15.权利要求13或14中要求的方法，其中通过使用功率因数控制根据灯条件来改变占空因数和改变波形的脉冲宽度，以便控制输入功率，从而使峰值电流保持在预先设置的数值内。

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