TWI452940B

TWI452940B - 高強度放電燈控制方法及高強度放電燈供電系統

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Publication number: TWI452940B
Application number: TW099140923A
Authority: TW
Inventors: Piotr Adamowicz
Original assignee: Azo Digital Sp Z O O
Priority date: 2009-12-10
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2014-09-11
Also published as: DE112010004753T5; CA2781342A1; US8866399B2; ES2514740A2; HUE027686T2; EP2510758B1; GB2488068B; WO2011071398A2; HUP1200448A2; BR112012012438A2; TR201206604T1; CN102918931B; ES2514740A8; WO2011071398A3; CN102918931A; GB201208685D0; ES2514740B1; EA201290233A1; TW201130384A; US20120119666A1

Description

高強度放電燈控制方法及高強度放電燈供電系統

本發明有關一種高強度放電燈控制方法及一種高強度放電燈供電系統。

高強度放電燈具有100至150流明/瓦(lm/W)的高發光效率，因此被廣泛用於都市及大幅面照明系統中。典型的高強度放電燈點火系統及供電系統中，具有一電感式鎮流電路(BALLAST)及一起動器；起動器在鎮流電路上產生高電壓，直到電燈點著的那一刻為止。點著之後，鎮流電路的電感會限制通過電燈的電流量。為了減少電極的老化，具有限流電感(BALLAST)的高強度放電燈最常使用方波電源電壓作為其電源。

從交流(AC)電源對放電燈供電的典型系統，係由一個二極體整流器及一功率因數校正系統(PFC)組成，這些構成大約400伏特(V)的內部穩定電壓源。此電壓供電給一電子開關(電晶體)級聯系統；此電子開關級聯系統可為全電橋型或半電橋型，並由適當的控制單元來控制，是具有設定值的交流電壓源；依照此交流電壓設定值，串聯電感之值會將流經電燈的電流限定在該設定值。具有調節後頻率的電路加上與電燈並聯且與電感串聯的電容後，獲得一串聯共振電路。在開關級聯中產生之交流電壓，其頻率接近此共振電路之自共振頻率，可以誘發該電路之電容內產生一高交流電壓。此電壓係用於起始放電燈的點火。

OSRAM公司於2009年3月發表一份文件，名稱為「高強度放電燈-有關降低瓦數的技術資訊」，其中探討降低與調節放電燈供電的方法。在典型的解決方案中，用於穩定電燈供電的唯一元件是電感，至於以設定的電流穩定度及電源頻率為基準的功率調節，則是經由選擇電感以達預測的功率。此種解決方法對電源參數的變化很敏感；在實務中，必須建構個別的供電網以供都市照明系統之用。

使用頻率超過1千赫(kHz)的電力供給高強度放電燈時，會造成聲波的形成，聲波在相當寬廣的供電頻率範圍內(從1千赫(kHz)到1兆赫(MHz))，都會造成聲共振的出現。此種現象會使通過電漿的電流失去穩定，造成放電電弧不穩定、電燈閃爍，在極端情況中，甚至會造成燈口的機械性損壞。消除此種效應的典型方法在於，對高強度放電燈供應兩種電壓-其中主要的一種具有可發生共振的頻率範圍，另一種的頻率較高，可使放電電弧穩定化。歐洲專利說明書EP1327382揭示一種放電燈的供電方法，其中，為了降低不利的聲共振，所以使用頻率調變(FM)及脈寬調變(PWM)來調節供給鎮流電路(BALLAST)的方波電壓，如此可產生供電電波額外的振幅調變(AM)。

根據以上討論的解決方案，電燈供電的調節包括測量電燈電極上的電流與電壓，以及改變供電電壓電波的參數，例如，改變電壓振幅、改變頻率、或改變其填充因數。

為了誘發高強度放電燈的點火，必須產生2.5千伏特(kV)至15千伏特(kV)的高電壓。產生適當電壓的方法之一是，對具有電感並包括電容的電路供電，該電容係與該電感串聯，並與電燈並聯；前述電感與電容形成一串聯共振電路，其中之電流頻率接近電路之自然共振頻率。到達點火電壓後，由於與電燈並聯之電容上產生高電壓，所以開始電燈的點火。

國際公告WO2008/132662揭示在系統內配合使用點火系統與限流電感及採用開關(電晶體)級聯之全電橋型供電系統，以於與電燈並聯之電容上發生點火的時刻產生一高電壓，或用於偵測電燈內放電電弧的衰減。

在共振串聯點火系統的情況時，在共振電容上獲得高電壓的效率將視該電容的容量而定。實務中，為了讓電流強度的值範圍對電燈系統而言為安全(最高20安培(A))，以便在共振電容上得到大小約為數千瓦或數十千瓦的電壓，共振電容之容量係限於數毫微法拉。另一方面，此電容的容量與共振電壓直接相關。

(其中：f 代表共振頻率；L 代表電感；C 代表電容量)

共振頻率亦視限流電感L 之值而定，電感則視供電給放電燈的頻率及電壓而定，也視供給電燈的預期功率而定。通常，用超聲頻供電給功率範圍在30至400瓦(W)之間的電燈時，電感L 之值的範圍在數十微亨(μH)至數毫亨(mH)之間。因此，在這些系統中得到的以下式表示的Q因數值相當高：

(Q 代表品質因數；R 代表系統的等值串聯電阻；L 代表電感；C 代表電容量)，同時共振曲線呈現陡坡之特徵，在此種情況下，選擇放電燈特殊共振點火系統的感應頻率時必須非常精確。由於商業產品參數有規定公差，所以電感與電容量實際值的多樣化造成系統共振頻率的擴展，如此進而迫使技術實施時必須使用電源電壓頻率的改變，以產生高電壓。通常，以串聯共振點火系統而言，供給共振系統的頻率下降，從高於系統共振頻率之值經過與發生點火共振頻率接近的過共振頻率，並趨向操作頻率(在此頻率時，電感將電流值限制為對應設定的功率)。由於感應頻率逐漸接近共振頻率，若在無電燈或電燈損壞的情況時，共振電路中會發生電壓與電流突然增加，此種情形會導致電路損壞或其他系統元件的故障。在實際的系統安排中，由於此種風險而必須使用保護性系統。

本發明提供另一種控制高強度放電燈的方法及另一種高強度放電燈供電系統。

本發明之高強度放電燈控制方法包括：從一開關級聯對一鎮流電路及一電燈供應一可變頻率及固定填充因數之信號，該鎮流電路包括至少一電容及至少一電感；本發明之特徵在於，其中使用半電橋型電子開關級聯所供應的定期變化頻率與50對50%固定填充因數之信號，而該電子開關級聯與該鎮流電路及電燈連接；其中，該鎮流電路包括至少第一電容、該電燈，並包括形成一共振電路之第一電感及第二電容。較佳是，藉由控制由一控制單元產生的固定頻率與可變填充因數之方波信號，而從信號產生器獲得前述定期變化頻率與50對50%固定填充因數之信號。尤其，該鎮流電路包括第二電感，將電燈與第二電容分開。尤其，較佳利用測量元件在穩定電壓源與電子開關級聯之間測量供電電流值，並根據獲得之值決定第二電容端點與接地間的電流值以及第二電感端點與接地間之電流值。

較佳是，在高強度放電燈的點火模式中，供應高電壓及定期變化頻率之信號以激勵共振電路；該激勵信號之最高頻率低於低共頻率值；由於此頻率，包括第一電感及第二電容之共振電路中，其第二電容上產生的電壓位準足以使電燈點火。尤其，在該點火模式中，於供應定期變化頻率之信號期間，較佳使用測量元件測量第二電容端點與接地間的電流值，並與比較器單元之比較器內的設定電流值比較；當電流值超過設定值時，即停止信號傳送。或者，在該點火模式中，於供應定期變化頻率之信號期間，較佳使用測量元件測量第二電感端點與接地間的電流值，並與比較器單元之比較器內的設定電流值比較；當電流值達到設定值時即停止激勵信號之傳送，同時開始電燈供電模式中的信號傳送。

較佳是，在高強度放電燈的供電模式中，係使用從最低值到最高值再從最高值到最低值的循環方式作平穩調變的頻率。

較佳是使用隨期間比的變化而產生的頻率變化來調節對電燈供應之功率；所稱期間比係指頻率增加期間與頻率降低期間之比。

尤其，該高強度放電燈為鈉氣燈。為了頻率變化，特別使用至少一個調變頻率，且調變深度不超過15%，同時，頻率增加期間與頻率降低期間之期間比在0.1至10的範圍內。較佳是，調變後頻率為50千赫(kHz)，調變頻率為240赫茲(Hz)，而調變深度為10%。

尤其，該高強度放電燈為金屬鹵化物燈。為了頻率變化，特別使用至少一個調變頻率，且調變深度不超過20%，同時，頻率增加期間與頻率降低期間之期間比在0.1至10的範圍內。較佳是，調變後頻率為130千赫(kHz)，調變頻率為240赫茲(Hz)，而調變深度為10%。較佳是，藉由改變控制單元中脈寬調變(PWM)之填充比來調節供應給電燈的功率。其中係使用微晶片控制來執行控制單元中脈寬調變(PWM)填充比的改變。

較佳是根據第二電感端點與接地間的電流值來偵測放電電弧衰減，尤其是該值與比較器單元內一比較器上為了讓電燈適當操作而設定的電流值比較為更低時；然後繼續電燈點火模式。較佳是，檢查當第二電感端點與接地間的電流值異於比較器單元內之比較器上設定的電燈適當點火電流值，尤其是在電燈所需冷卻期間後執行點火嘗試後有上述情況時，則根據第二電感端點與接地間的電流值來偵測無電燈或電燈損壞無法操作之情況。

較佳是，偵測到放電電弧衰減並繼續電燈點火後，降低對電燈輸送的功率值；若電弧未衰減，則保持該功率值；若是電弧衰減之情況，則繼續點火模式並重試降低功率之程序。

本發明之高強度放電燈供電系統包括穩定電壓源，該穩定壓源供電至一半電橋型或全電橋型電子開關級聯，而該電子開關級聯與一電燈及一鎮流電路連接；該鎮流電路包括至少一電容及至少一電感；該系統包括一電壓或電流調節頻率信號產生器及一用以產生已調變寬度脈衝之產生器控制單元，根據本發明之特徵在於，該系統包括電壓或電流調節頻率及固定填充因數之信號產生器，而該控制單元包括至少一個固定頻率與可變填充因數之信號產生器；其中，控制單元輸出端係連接信號產生器之控制輸入端，使控制單元可以對信號產生器輸送已調變寬度之脈衝，而該已調變寬度之脈衝可改變信號產生器的操作頻率；其中，信號產生器係連接半電橋型電子開關級聯，該鎮流電路包括第一電容、第一電感、第二電容，且包括第二電感將電燈與第二電容分開。較佳是，該鎮流電路包括之第一電容及第一電感係位於電燈之輸入端點，第二電容係與電燈並聯，以及，該鎮流電路包括之第二電感係位於電燈之輸出端點，將電燈與第二電容分開；其中，第一電感及第二電容係彼此串聯安排並形成共振電路的一部份。尤其，開關級聯輸出端上產生的電壓信號為方波，且其填充因數為50%。尤其，本系統包括位於穩定電壓源與電子開關級聯之間的測量元件，用於測量供電電流值。或者，本系統包括測量元件用以測量流經共振電路之電流，而該共振電路係包括第一電感及第二電容。尤其，本系統包括測量元件用以測量流經電燈之電流。較佳是，該等測量元件為電阻式測量單元。或者，該等測量元件為感應式測量單元。

較佳是，控制單元包括產生器脈寬調變(PWM)及比較器單元，而比較器單元係控制產生器脈寬調變(PWM)。尤其，產生器脈寬調變(PWM)係微晶片，具有脈寬調變(PWM)輸出，其由比較器單元控制。

較佳是，所述高強度放電燈為鈉氣燈。

或者，所述高強度放電燈為金屬鹵化物燈。

根據本發明之高強度放電燈控制方法及供電系統顯示許多優點，這些優點構成多種照明系統應用實施例中共同使用的主要解決方案。本系統之特徵在於高效率，其比傳統電磁解決方案的效率更高；本發明與各種最新科技的電子設計比較時，其特徵亦在於配置簡化的控制與執行系統。本發明之控制方法及系統配置提供電燈點火模式中的安全功能，因為可以消除過電壓或過電流導致的系統損壞風險。此外，根據本發明之控制方法提供電燈供電參數的自動調節，並可選擇將功率消耗穩定在特別設定的位準。其次，本發明方法可以調節電燈耗用的功率，並可設定一自我調節量。利用本發明的方法與系統，可提供更長的適當的電燈有效利用期間；而且，由於其中實施適應性演算法，所以舊電燈的照明期間可以顯著延長。

在照明系統中利用本發明的解決方案，可以獲得照明而無頻閃效應(反觀傳統的解決方案中，會發生閃爍效應，其頻率比電源頻率高出兩倍，亦即100赫茲(Hz)或120赫茲(Hz))。

此外，由於本發明系統中使用功率因數校正(PFC)模組，所以可消除被動功率損失(因為功率因數對應cosφ=0.99)，如此可使導線與電源線中的電阻性耗損降低。由於可以使用的輸入電壓範圍寬廣，且對電壓變化具有高抗性，所以不需設立個別的動力網來供應公用照明系統之電源。

根據本發明之高強度放電燈供電系統，如圖1所示，係從一交流電網供電的，並包括一400伏特(V)左右的內部穩壓源；此穩壓源通常包括一個二極體整流器及一功率因數校正系統(PFC)。穩壓源供電給電子開關級聯，諸如半電橋型，其包括電晶體T1及T2作為電子鑰匙。開關級聯在信號產生器(CONTROL1)的控制下，變成具有設定值之交流電源，基此，串聯電感L1之值將流經電燈(LAMP)的電流限制在一設定量。系統補充與電燈(LAMP)並聯且與電感L1串聯的電容C2後，可獲得一串聯共振電路。開關電晶體T1及T2之級聯內產生交流電壓，其頻率與包括電感L1及電容C2之電路的自然共振頻率接近，誘導電容C2上發生高交流電壓，此電壓被用於誘使放電燈(LAMP)點火。

信號產生器(CONTROL1)包括產生器1，其具有經由電壓或電流控制的可變頻率，並具有固定的填充因數(50/50%)。信號產生器(CONTROL1)係連接控制單元(CONTROL2)，後者包括固定頻率與可變填充因數脈寬調變(PWM)之產生器2，用以修正產生器1的頻率。本系統包括另一額外電感L2，將電燈(LAMP)與電容C2分開。令人驚訝的是，使用額外電感L2及具有下述特徵的控制單元(CONTROL2)，可以穩定放電燈(LAMP)的操作並實現根據本發明之創新控制方法，尤其是高強度放電燈的點火、供電及功率調節方法。

圖2顯示圖1所示高強度放電燈供電系統之較佳變化。藉由此種變化可以控制電燈的操作，尤其可以控制高強度放電燈(LAMP)的耗電量。根據圖2之系統，在功率因數校正系統(PFC)、電子鑰匙T1、T2之級聯、及系統其餘部份之間，包括測量元件A1。測量元件A1係用於測量供電電流值。測量元件A1可為電阻式測量單元或感應式測量單元。

根據圖2之系統包括比較器單元3，其包括至少一個比較器，位於控制單元(CONTROL2)內。比較器單元3係連接於測量元件A1之結果輸出端，並比較輸出結果與一設定值，藉以分析其狀態；而比較結果用於修正產生器2的輸出參數；如此導致信號產生器(CONTROL1)的輸出參數改變，而信號產生器(CONTROL1)控制電子鑰匙T1、T2的級聯並導致電燈(LAMP)操作參數的改變。

圖3顯示根據圖2所示系統的另一變化。圖3之系統包括額外的測量元件A2及A3及比較器單元3內與之對應的比較器。測量元件A2、A3係用於測量電流值。測量元件A2、A3可為電阻式測量單元、感應式測量單元或以上二者之組合。以測量元件A2、A3所在之系統點位置所決定的電流直接測量值為基礎，不論在電燈的點火模式或操作模式中，都可以實現高階的測量與控制程序。測量元件A2係與電容C2及電源負極連接，其設計係用於測量流經電容C2的電流。測量元件A3係與電感L2及電源負極連接，其設計係用於測量流經電感L2的電流。

由測量元件A2及A3決定的或由測量元件A2或A3所在之系統點位置所決定的量測電流值，在比較器單元3內與設定值作比較，並以此種比較修正產生器2的輸出參數，如此導致信號產生器(CONTROL1)輸出的適當變更。

令人驚訝的是，根據本發明之供電系統可以實現新穎的高強度放電燈點火方法。目前，(頻率1千赫(kHz)以上，尤其是超聲頻的)放電燈供電點火系統中使用的共振點火方法，包括對共振電路L1-C2供應一交流電壓，其頻率高於L1-C2電路的共振頻率。其次，將頻率降至接近共振頻率之值；在此頻率值時，共振電容上產生的電壓足以讓電燈點火。點火之後，進一步發生頻率下降，直到限流電感L1將流經電燈(LAMP)的電流限定在設定值為止。此種方法會使頻率與共振頻率無可避免地變為相等，若在無電燈或電燈損壞的情況時，會導致共振電容上產生極高電壓，其值大致為供電系統消耗的電流值。由於高電壓與高電流值會造成點火系統損壞，所以必須使用適當的測量-保護系統。

根據本發明之共振點火方法，包括對共振電路供應頻率定期變動的電壓。根據本發明，係對共振電路供應具有定期頻率變化的低共振頻率。圖4中顯示點火期間的頻率可變動性圖。圖中的F代表頻率軸，T代表時間軸，F_res. 代表電路L1-C2的共振頻率，F_stat. 代表(發生點火時的)固定頻率，F_max. 代表動態點火時的最大調變頻率值，F_min. 代表動態點火時的最小調變頻率值。對包括電感L1及電容C2的串聯共振電路所供應的交流電壓，其範圍從最低頻率F_min. 到最高頻率F_max. ，而此頻率的定期變化在此二值之間。頻率F_min. 與頻率F_max. 都不僅低於共振頻率F_res. 而且也低於F_stat. ，亦即低於發生點火之固定頻率。

必須強調且令人驚訝的是，頻率F_max. 之值總是小於F_stat. 之值。由於以上所述，共振電路消耗的電流也低於使用過共振頻率之最新技術方法中所消耗的電流。

本發明點火方法之原理如圖5所示，其中顯示對點火共振系統供應固定頻率之電壓V(_{ignition F stat} )及調變頻率之電壓V(_{ignition F mod.} )時，從點火共振系統中獲得的電壓曲線圖。曲線圖中，V軸代表決定電容C2電壓/輸入電壓比V_(C2) /V_(In) 之軸，F(kHz)軸代表頻率軸，「操作」範圍表示在操作階段時的頻率調變範圍，「調變後點火」範圍對應動態點火期間之頻率調變範圍，而「靜態點火」代表電容C2上的電壓足以點火時的固定頻率。F_res. 代表L1-C2電路的共振頻率。

令人驚訝的是，實驗結果顯示最大頻率F_max. 與共振頻率間可達的差異程度，可使點火系統於點火期間消耗的電流不會超過最大許可值，不論實際系統的共振頻率值範圍如何(因為些系統中使用的商業產品其真實電感及電容值種類繁多)。在實驗期間，各系統接受的測試中，電晶體T1、T2級聯的電源電壓相當於395伏特(V)，各元件參數之值及其公差分別相當於：電容C1為47毫微法拉(nF)(+/-5%)；電感L1為600微亨(μH)(+/-10%)；電容C2為1.175nF(+/-5%)；電感L2為25微亨(μH)(+/-10%)。包括電感L1及電容C2之電路其共振頻率值相當於190千赫(kHz)左右。根據圖4及圖5內定義的原則，頻率值在F_min. 140千赫(kHz)至F_max. 160千赫(kHz)的範圍內變化，其中，頻率為240赫茲(Hz)，而且此頻率值的增、減期間相等。實驗期間，使用根據圖1之系統，對功率範圍在70瓦(W)至400瓦(W)範圍內的高強度鈉氣放電燈及金屬鹵化物放電燈進行點火測試，並使用如圖4及圖5之新穎頻率調變方法來引發點火。在微冷(溫度50℃以下)及溫熱鈉氣燈的情況，當供電已調變共振系統之供電時間為10毫秒(ms)時，點火效率可達80%。將時間延長至30毫秒(ms)時，不論是微冷燈及溫熱至正常操作條件再冷卻至大氣溫度達1分鐘的兩種情況中，皆可使效率增加至100%。在金屬鹵化物燈的點火情況中，調變時間分別等於50毫秒(ms)時，曾經達到100%的點火效率。溫熱至正常操作條件的燈，需要總共5分鐘的冷卻期間才能重新點火。

點火期間，電晶體T1、T2之級聯與包括電感L1與電容C2的共振電路所消耗的平均功率未超過50瓦(W)，而電流瞬間平均值(時間低於50微秒(μs))未超過數安培。這些值經證明對於以單極電晶體為基礎的半電橋型及全電橋型典型系統是安全的，因此可以在該期間維持足使放電燈點火的高電壓。若在燈殼內無放電燈的情況時，這些元件並未發生電流過載。因此，令人驚訝地，使用本發明方法時，不再需要使用額外元件來保護供電系統避免損壞。

以最新科技方法開發交流電源頻率高於1千赫(kHz)的的高強度放電燈時，聲共振現象是與此開發相關的重大難題。此種現象會使放電電弧失去穩定，造成電燈閃爍；在更極端的情況中，甚至造成燈口的機械性損傷。習知以半電橋或全電橋及鎮流電路等配置為基礎的系統中，為了消除或限制此種現象，是利用繁複的調變方法，包括以頻率為主的調頻(FM)及以振幅為主的調幅(AM)。圖1所示系統(及圖2與圖3所示較佳樣態)係與最新科技相關，其包括額外的電感L2將電燈與共陣電容C2分隔。令人驚訝的是，使用圖1及圖2與圖3所示系統時，使用相當簡單的頻率調變技術，即可消除前述不利的現象。根據本發明的方法，係使用控制單元(CONTROL2)，如圖1所示，其包括產生器2(具有固定頻率與可變填充因數)，以此控制包含產生器 1的信號產生器(CONTROL1)，其次控制電子鑰匙T1、T2級聯；在其控制方式中，級聯鑰匙T1及T2輸出端的頻率電壓對應產生器1之頻率(產生器1具有可變頻率與固定填充因數，包括電流或電壓控制)。產生器1是由具有固定頻率與可變填充因數脈寬調變(PWM)的產生器的輸出來控制；脈寬調變(PWM)產生器諸如圖8所示的第一產生器(PWM1)及/或第二產生器(PWM2)，係包含在控制單元(CONTROL2)內。

圖8顯示的產生器1是電流控制的產生器，其具有固定填充因數與可變頻率，而產生器2則包括多個產生器脈寬調變(PWM)的單元；其中PWM1代表第一產生器脈寬調變(PWM)，PWM2代表第二產生器脈寬調變(PWM)，R(_{F min.} )代表決定產生器1最低頻率的電阻器，而元件R’、R”、R”、R'''、R''''、C、C’代表無源電阻-電容元件。

在進行的實驗中，係使用Fairchild公司供應的積體電子系統FSFR2100作為信號產生器(CONTROL1)及T1、T2鑰匙級聯，其中已包括可變頻率的電流控制式產生器、單極電晶體級聯控制器、以及該等電晶體之級聯。圖6顯示以產生器PWM2的輸出來控制信號產生器(CONTROL1)頻率的原理。當產生器PWM2的輸出狀態為高時(在控制單元(CONTROL2)輸出端上顯示為F(CONTROL2))，信號產生器(CONTROL1)的頻率F(CONTROL1)增加；當產生器PWM2的輸出狀態為低時，信號產生器(CONTROL1)的頻率F(CONTROL1)下降；此種變化為固定但未必為線性。圖 8舉例顯示的系統可以實現信號產生器(CONTROL1)隨產生器PWM2狀態變化而變化頻率的非線性函數。此系統中使用雙極電晶體及元件R’、R’、R”、R'''、R''''、C、C’，以使產生器PWM2輸出端上的高態對應信號產生器(CONTROL1)的頻率增加，而其低態對應此頻率的下降。本發明系統中的頻率變化導致流經電燈(LAMP)的電流值變化。圖7顯示此種關係；根據圖7，曲線II代表開關T1、T2級聯輸出端上的電壓V(V)，曲線I代表流經電燈(LAMP)的電流值變化I(A)，其關係對應此種變化。如圖7所示，頻率越低則電流及輸往電燈的功率越高，而頻率越高則電流及輸往電燈的功率越低。根據使用本發明系統所進行的實驗顯示，電壓經頻率調變產生30至100千赫(kHz)的頻率範圍並供應至電容C1、電感L1、電燈(LAMP)、及電感L2之串聯線路時，功率範圍在70至400瓦(W)內的鈉氣放電燈可以達到穩定的操作，其中，當調變深度等於10%時，頻率約為240赫茲(Hz)，是最高或最低頻率(根據圖9分別為F_max. 、F_min. )與二者算數平均數之差的絕對值與此平均值的商數。調變深度是以%表示的。實務中，調變深度可用以下等式表示：調變深度=(F_max. -F_min. )/(F_max. +F_min. )x100%

為了使功率範圍70至400瓦(W)的金屬鹵化物放電燈達到穩定操作，電壓頻率係調變為100至200千赫(kHz)的範圍並供應給電容C1、電感L1、電燈(LAMP)、及電感L2之串聯線路，其中，當調變深度10%時，頻率約為240赫茲(Hz)。

圖9顯示本發明系統中可使鈉氣放電燈達到穩定操作的頻率變化圖，圖10顯示本發明系統中可使金屬鹵化物放電燈達到穩定操作的頻率變化圖(其中F代表頻率軸，T代表時間軸，F_max. 代表供應至C1、L1、LAMP、C2各元件的最大電壓頻率，F_min. 代表供應至C1、L1、LAMP、C2各元件的最小電壓頻率)。若電燈(LAMP)為鈉氣放電燈時，本發明系統元件之舉例性參數值及圖9所示圖表中的參數如下：電容C1為47毫微法拉(nF)，電感L1為600毫亨(mH)，電容C2為1.175nF，電感L2為25微亨(μH)，F_max. 為60千赫(kHz)，F_min. 為46千赫(kHz)，電燈功率為100瓦(W)，功率因數校正系統(PFC)單元的電壓值相當於390伏特(V)。若電燈(LAMP)為金屬鹵化物放電燈時，本發明系統元件之舉例性參數值及圖10所示圖表中的參數如下：電容C1為47nF，電感L1為200微亨(μH)，電容C2為550pF，電感L2為25微亨(μH)，F_max. 為140千赫(kHz)，F_min. 為120千赫(kHz)，電燈功率為100瓦(W)，功率因數校正系統(PFC)單元的電壓值相當於390伏特(V)。

由於功率因數校正系統(PFC)單元輸出電壓具有固定的平均值，其與負載無關，所以此單元消耗的電流可用於測量及控制電燈(LAMP)消耗的功率。

圖2顯示圖1所示系統補充電流測量元件A1並配備具有至少一個比較器的比較器單元3。比較器單元3是控制單元(CONTROL2)的一部份，並與測量元件A1的結果輸出端連接。本發明系統之此種安排可以執行電燈(LAMP)消耗功率之自動控制功能。圖11舉例顯示電燈(LAMP)消耗電流值的變化圖及比較器輸出的對應狀態。圖11中，I(X)表示設定的電流值，電燈(LAMP)的瞬時消耗電流值係與設定電流值I(X)作比較，前述電流值係使用測量元件A1測量之，而I(A1)是使用測量元件A1測得的電流值。瞬時電流值視供應至鎮流電路(BALLAST)與電燈(LAMP)的頻率而定(即圖7所示者)。當電流可變範圍的最高值低於設定電流值(I(X))時，比較器單元3的比較器輸出端狀態為低[BIT(comp)=0]。當此範圍的最低值高於設定電流值(I(X))時，比較器單元3的比較器輸出端狀態為高[BIT(comp)=1]。當設定電流值(I(X))在可變範圍內時，前述電壓為快速變化方波波形(BIT 0-1的變化)。較佳是，為了使本發明系統內維持高精密度的系統消耗功率調節，選擇設定電流值(I(X))時，係使設定電流值(I(X))落在測得電流的可變範圍內。在自動功率調節的類比系統中，比較器單元3內的比較器輸出端上，其快速變化方波電壓可藉由積分慣性裝置R-C加以平均，達到對應平均電流值及電燈(LAMP)消耗功率的慢速變化電壓。

此電壓可以直接調變控制單元(CONTROL2)內產生器2的脈寬調變(PWM)填充因數。以此種方式達到的關係可降低減少頻率與增加頻率之時間比，亦即，根據比較器3輸出端上的平均電壓值來限制供應至電燈的功率，因此可將此功率穩定在設定的位準上，其精確度不低於1%。在微晶片系統中，使用如圖12舉例所示的簡單演算法，在頻率不低於數千赫(kHz)的情況下，如圖11所示，在比較器單元3中進行比較器輸出端狀態的抽樣(S{BIT(comp)})，可以達成優於1%的調節精密度。前述舉例性演算法的功能在於增加或減少輔助變數A，視比較器輸出端狀態的抽樣(S{BIT(comp)})位元的狀態而定。達到設定值正數B或負數C後，控制單元(CONTROL2)的產生器2其填充因數會發生適當的增減，且變數A之值變零。改變設定值正數B及負數C之值可以改變電燈(LAMP)消耗功率的穩定值。本發明系統配備2.2歐姆的電阻器(作為電流測量元件)、類比式比較器LM393、及ATMEL公司供應的微控制器ATMEGA8(作為PWM2產生器)。

根據本發明此種系統，其可達成的消耗功率穩定化精密度水準優於1%，且功率穩定化僅與測量電阻器A1的參數穩定度相依。

圖3顯示圖2所示系統補充了額外的電流測量元件A2、A3。圖3所示系統實施例可使控制點火系統易於實施其他額外的較佳功能。電流測量元件A2可用於監看流經點火共振電路之電流值；而且，在例舉的實施例中，0.1歐姆的測量電阻器係與微晶片FSFR2100的過載偵測器輸入端連接，保護此電路避免電流超過太多，並避免電路損壞。電流測量元件A3可用於偵測電燈(LAMP)是否存在以及電燈是否正確點火。若無電流流經元件3，等於無電流流經電燈(LAMP)，因此也等於沒有電燈或是電燈損壞造成無法正確點火。根據本發明之例舉性系統中，測量元件A3是0.5歐姆的測量電阻器，根據此電阻器上的電壓降可測量流經此電阻器的電流值，與比較器單3內設定的值相比較後，使控制單元(CONTROL2)之微控制器ATMEGA8的控制輸入端上產生狀態變化。

測量元件A3與微控制器合作的例舉較佳使用法，包括在偵測到光線時強時弱的情況時，減少供應至電燈的功率；當用舊的電燈無法在額定功率級適當操作時，如此可以使舊電燈操作。

1‧‧‧產生器

2‧‧‧產生器

3‧‧‧比較器單元

A1‧‧‧測量元件

A2‧‧‧測量元件

A3‧‧‧測量元件

BALLAST‧‧‧鎮流電路

BIT(comp)‧‧‧比較器輸出端狀態

C1‧‧‧電容

C2‧‧‧電容

CONTROL1‧‧‧信號產生器

CONTROL2‧‧‧控制單元

F‧‧‧頻率

F_res. ‧‧‧共振頻率

F_stat. ‧‧‧固定頻率

F_max ‧‧‧動態點火時最大調變頻率值

F_min. ‧‧‧動態點火時最小調變頻率值

I(A1)‧‧‧測量元件A1測得的電流值

I(X)‧‧‧設定電流值

L1‧‧‧電感

L2‧‧‧電感

LAMP‧‧‧電燈

PFC‧‧‧功率因數校正系統

PWM1‧‧‧第一產生器

PWM2‧‧‧第二產生器

R’、R”、R”、R'''、R''''、C、C’‧‧‧無源電阻-電容元件

R_{(F min.)} ‧‧‧決定產生器1最低頻率的電阻器

S{BIT(comp)}‧‧‧比較器輸出端狀態抽樣

T‧‧‧時間

T1‧‧‧電晶體

T2‧‧‧電晶體

V_{(ignition F stat.)} ‧‧‧固定頻率電壓

V_{(ignition F mod.)} ‧‧‧調變頻率電壓

圖1顯示根據本發明之系統的基本整體配置；圖2顯示根據本發明之系統配備動態功率調節裝置；圖3顯示根據本發明之系統配備動態功率調節裝置及輔助測量單元；圖4顯示系統根據點火模式運作時相對時間的頻率變化圖；圖5顯示系統根據點火模式運作時的電壓變化；圖6顯示控制單元輸出端及信號產生器輸出端的運轉電壓；圖7顯示流經電燈之電流與信號產生器輸出頻率之對照圖；圖8顯示控制單元之一例舉解決方案，其中係與信號產生器連接；圖9顯示系統內安裝鈉氣燈時的頻率變化圖；圖10顯示系統內安裝金屬鹵化物燈時的頻率變化圖；圖11顯示電燈供電系統耗用電流之變化，其對應比較器之輸出狀態及此等狀態之非同步抽樣值；圖12顯示數位功率調節例舉演算法之邏輯迴路。

1．．．產生器

2．．．產生器

C1．．．電容

C2．．．電容

CONTROL1．．．信號產生器

CONTROL2．．．控制單元

PFC．．．功率因數校正系統

L1．．．電感

L2．．．電感

LAMP．．．電燈

T1．．．電晶體

T2．．．電晶體

Claims

一種高強度放電燈的控制方法，包括：從一開關級聯對一鎮流電路及一電燈供應一信號，其中該鎮流電路包括第一電容(C1)以及形成一共振電路之第一電感(L1)及第二電容(C2)；一信號產生器(CONTROL1)產生一可變頻率及50對50%固定填充因數之信號來控制該開關級聯；一控制單元(CONTROL2)控制該信號產生器(CONTROL1)中信號之可變頻率；其特徵在於：該控制單元(CONTROL2)使用一固定頻率與變化填充因數之控制信號來定期變化該信號產生器(CONTROL1)之頻率，致使控制該開關級聯定期變化之信號產生器(CONTROL1)產生之信號頻率介於一第一頻率及一第二頻率之間。
如申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於，藉由控制由控制單元(CONTROL2)產生的固定頻率與可變填充因數之方波信號，而從信號產生器(CONTROL1)獲得前述定期變化頻率與50對50%固定填充因數之信號。
如申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於，該鎮流電路包括第二電感(L2)，將電燈(LAMP)與第二電容(C2)分開。
如申請專利範圍第3項之方法，其特徵在於，較佳利用測量元件(A1)在穩定電壓源(PFC)與電子開關(T1、T2)級聯之間測量供電電流值，並根據獲得之值決定第二電容(C2)端點與接地間的電流值以及第二電感(L2)端點與接地間之電流值。
如申請專利範圍第3項之方法，其特徵在於，在高強度放電燈的點火模式中，供應高電壓及定期變化頻率之信號以激勵共振電路；該激勵信號之最高頻率(F_max. )低於低共振頻率值(F_stat. )；由於此頻率(F_stat. )，包括第一電感(L1)及第二電容(C2)之共振電路中，其第二電容(C2)上產生的電壓位準足以使電燈(LAMP)點火。
如申請專利範圍第5項之方法，其特徵在於，在該點火模式中，於供應定期變化頻率之信號期間，較佳使用測量元件(A2)測量第二電容(C2)端點與接地間的電流值，並與比較器單元(3)之比較器內的設定電流值比較；當電流值超過設定值時，即停止信號傳送。
如申請專利範圍第5項之方法，其特徵在於，在該點火模式中，於供應定期變化頻率之信號期間，較佳使用測量元件(A3)測量第二電感(L2)端點與接地間的電流值，並與比較器單元(3)之比較器內的設定電流值比較；當電流值達到設定值時即停止激勵信號之傳送，同時開始電燈(LAMP)供電模式中的信號傳送。
如申請專利範圍第1項之方法，其特徵在於，在高強度放電燈的供電模式中，係使用從最低值(F_min. )到最高值(F_max. )再從最高值到最低值的循環方式作平穩調變的頻率。
如申請專利範圍第8項之方法，其特徵在於，係使用隨期間比的變化而產生的頻率變化來調節對電燈(LAMP)供應之功率，所稱期間比係指頻率增加期間與頻率降低期間之比。
如申請專利範圍第9項之方法，其特徵在於，該高強度放電燈(LAMP)為鈉氣燈。
如申請專利範圍第9項之方法，其特徵在於，為了頻率變化，使用至少一個調變頻率，且調變深度不超過15%，同時，頻率增加期間與頻率降低期間之期間比在0.1至10的範圍內。
如申請專利範圍第11項之方法，其特徵在於，調變後頻率為50千赫(kHz)，調變頻率為240赫茲(Hz)，而調變深度為10%。
如申請專利範圍第9項之方法，其特徵在於，該高強度放電燈(LAMP)為金屬鹵化物燈。
如申請專利範圍第9項之方法，其特徵在於，為了頻率變化，使用至少一個調變頻率，且調變深度不超過20%，同時，頻率增加期間與頻率降低期間之期間比在0.1至10的範圍內。
如申請專利範圍第14項之方法，其特徵在於，調變後頻率為130千赫(kHz)，調變頻率為240赫茲(Hz)，而調變深度為10%。
如申請專利範圍第8項之方法，其特徵在於，藉由改變控制單元(CONTROL2)中脈寬調變(PWM)之填充比來調節供應給電燈(LAMP)的功率。
如申請專利範圍第16項之方法，其特徵在於，使用微晶片控制來執行控制單元(CONTROL2)中脈寬調變(PWM)填充比的改變。
如申請專利範圍第5項之方法，其特徵在於，根據第二電感(L2)端點與接地間的電流值來偵測放電電弧衰減，尤其是該值與比較器單元(3)內一比較器上為了讓電燈(LAMP)適當操作而設定的電流值比較為更低時，然後繼續電燈(LAMP)點火模式。
如申請專利範圍第5項之方法，其特徵在於，當第二電感(L2)端點與接地間的電流值異於比較器單元(3)內之比較器上設定的電燈(LAMP)適當點火電流值，尤其是在電燈所需冷卻期間後執行點火嘗試後有上述情況時，則根據第二電感(L2)端點與接地間的電流值來偵測無電燈或電燈損壞無法操作之情況。
如申請專利範圍第5項之方法，其特徵在於，偵測到放電電弧衰減並繼續電燈點火後，降低對電燈輸送的功率值；若電弧未衰減，則保持該功率值；若是電弧衰減之情況，則繼續點火模式並重試降低功率之程序。
一種高強度放電燈之供電系統，其包括一半電橋型或全電橋型電子開關級聯，而該電子開關級聯與一電燈及一鎮流電路連接；該鎮流電路包括至少一電容及至少一電感；該系統包括一連接該開關級聯並控制該開關級聯的信號產生器(CONTROL1)及一連接於該信號產生器(CONTROL1)並控制該信號產生器(CONTROL1)的控制單元(CONTROL2)，其特徵在於，該控制單元(CONTROL2)是用於產生一個固定頻率與可變填充因數之信號；該信號連接於該信號產生器(CONTROL1)，並定期變化該信號產生器(CONTROL1)之頻率，致使該信號產生器(CONTROL1)控制該開關級聯定期變化之信號頻率介於一第一頻率及一第二頻率之間。
如申請專利範圍第21項之系統，其特徵在於，該鎮流電路包括之第一電容(C1)及第一電感(L1)係位於電燈(LAMP)之輸入端點，第二電容(C2)係與電燈(LAMP)並聯，以及，該鎮流電路包括之第二電感(L2)係位於電燈(LAMP)之輸出端點，將電燈(LAMP)與第二電容(C2)分開；其中，第一電感(L1)及第二電容(C2)係彼此串聯安排並形成共振電路的一部份。
如申請專利範圍第21項之系統，其特徵在於，開關級聯(T1、T2)輸出端上產生的電壓信號為方波，且其填充因數為50%。
如申請專利範圍第21項之系統，其特徵在於，該系統包括測量元件(A1)，其位於穩定電壓源(PFC)與電子開關級聯(T1、T2)之間，用於測量供電電流值。
如申請專利範圍第24項之系統，其特徵在於，該系統包括測量元件(A2)，用於測量流經共振電路之電流，而該共振電路係包括第一電感(L1)及第二電容(C2)。
如申請專利範圍第25項之系統，其特徵在於，該系統包括測量元件(A3)，用於測量流經電燈(LAMP)之電流。
如申請專利範圍第26項之系統，其特徵在於，該等測量元件(A1、A2、A3)為電阻式測量單元。
如申請專利範圍第26項之系統，其特徵在於，該等測量元件(A1、A2、A3)為感應式測量單元。
如申請專利範圍第21項之系統，其特徵在於，控制單元(CONTROL2)包括產生器脈寬調變(PWM)及比較器單元(3)，而比較器單元(3)係控制產生器PWM。
如申請專利範圍第29項之系統，其特徵在於，產生器脈寬調變(PWM)係微晶片，具有脈寬調變(PWM)輸出，其由比較器單元(3)控制。
如申請專利範圍第21項之系統，其特徵在於，所述高強度放電燈(LAMP)為鈉氣燈。
如申請專利範圍第21項之系統，其特徵在於，所述高強度放電燈(LAMP)為金屬鹵化物燈。