專利名稱：用于控制高強度氣體放電燈的方法和高強度氣體放電燈的供電系統(tǒng)的制作方法
用于控制高強度氣體放電燈的方法和高強度氣體放電燈的供電系統(tǒng)本發(fā)明涉及用于控制高強度氣體放電燈的方法和高強度氣體放電燈的供電系統(tǒng)。高強度氣體放電燈由于高效能(范圍為100流明/瓦至150流明/瓦)而廣泛用在城市和大型照明系統(tǒng)中。在高強度氣體放電燈的典型點火和供電系統(tǒng)中，具有電感鎮(zhèn)流器(BALLAST)和用于在燈點火時刻之前在該鎮(zhèn)流器上生成高電壓的啟輝器。點火之后，鎮(zhèn)流器的電感限制流過燈的電流。為了降低電極的退化，通常使用方波電源電壓來給具有限流電感(BALLAST)的高強度氣體放電燈供電。用于從交流市電電源向放電燈供電的典型系統(tǒng)由二極管整流器和功率因數(shù)校正 系統(tǒng)(PFC)構(gòu)成,其為具有約400V穩(wěn)定電壓的內(nèi)部電源。該電壓向全橋或半橋式的電子開關(guān)(晶體管)級聯(lián)系統(tǒng)供電，其中由合適的控制系統(tǒng)控制的該級聯(lián)系統(tǒng)是具有設(shè)定值的交流電壓源，串聯(lián)電感的值將流過燈的電流限制為設(shè)定值。對具有穩(wěn)定頻率的電路補充與燈并聯(lián)且與電感串聯(lián)的電容器，以獲得串聯(lián)諧振電路。通過在開關(guān)級聯(lián)中生成頻率接近該電路的自諧振頻率的交流電壓而在所述電路的電容器中感應(yīng)出高交流電壓。該電壓用于啟動放電燈的點火。歐司朗公司在2009年3月出版的文檔“High Intensity DischargeIamps-Technical information on reducing the wattage”討論了用于降低并調(diào)節(jié)供給至放電燈的功率的方法。在典型的方案中，用于穩(wěn)定供給至燈的功率的唯一元件是電感，而通過為預(yù)測功率選擇電感來以所設(shè)置的電流穩(wěn)定性和市電頻率進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。這種方案對市電電源參數(shù)的變化敏感，并且實際上，其迫使構(gòu)建用于城市照明系統(tǒng)的獨立供電網(wǎng)絡(luò)。使用超過IkHz的頻率向高強度氣體放電燈供電會導(dǎo)致形成聲波，其在供電過程的寬頻率范圍(從IkHz至IMHz)內(nèi)導(dǎo)致聲諧振的發(fā)生。該現(xiàn)象使流過等離子體的電流不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致放電電弧不穩(wěn)定和燈閃爍，并且在極端情況下甚至導(dǎo)致燈頭的機械損壞。消除該影響的典型方法在于向高強度燈供給兩個過程的電壓主過程為會發(fā)生諧振的頻率范圍，以及第二過程為使放電電弧穩(wěn)定的更高頻率。歐洲專利說明書EP 1327382公開了向放電燈供電的方法，其中，為了降低不利的聲諧振，使用對鎮(zhèn)流器(BALLAST)供電的方波電壓的頻率調(diào)制(FM)和脈沖寬度調(diào)制(PMW)，這導(dǎo)致了對供電波的附加幅度調(diào)制(AM)。根據(jù)所討論的方案，對供給至燈的功率的調(diào)節(jié)包括測量燈電極上的電流和電壓并且改變供電電壓波的參數(shù)，例如，改變電壓幅度、改變頻率或改變其占空因子。為了誘發(fā)高強度氣體放電燈點火，需要生成2. 5kV到15kV的高壓。用于生成適當(dāng)電壓的方法之一是向具有電感且包括電容器的電路供電，所述電容器與電感串聯(lián)且與燈并聯(lián)連接，該電容器和電感構(gòu)成串聯(lián)諧振電路，其中電流的頻率接近電路的自由振蕩諧振頻率。在達(dá)到點火電壓后，作為在與燈并聯(lián)的電容器上生成高電壓的結(jié)果而開始燈的點火。國際公布WO 2008/132662公開了 在具有限流電感的系統(tǒng)和采用一個開關(guān)(晶體管)級聯(lián)的全橋型供電系統(tǒng)中，使用點火系統(tǒng)對與燈并聯(lián)的電容器在點火時刻生成高電壓，或者檢測燈中的放電弧衰減。在串聯(lián)諧振點火系統(tǒng)的情況下，在諧振電容器上獲得高壓的有效性取決于所述電容器的電容。實際上，針對對于燈系統(tǒng)而言安全的電流強度的值范圍(達(dá)到20A)，為了在諧振電容器上獲得大約幾千伏或幾十千伏的電壓，電容器的電容被限制為幾毫微法。另一方面，該電容器的電容與諧振頻率直接相關(guān)。
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一2π4 Ε(其中f一諧振頻率，L一電感，C一電容)。諧振頻率還取決于限流電感L的值，其取決于向放電燈供電的頻率和電壓以及供給至燈的期望功率。通常，在在通過聲學(xué)上過程供應(yīng)功率為30W到400W范圍的燈的情況下，電感L的值的范圍為幾十微亨到幾毫亨。結(jié)果，在這些系統(tǒng)中所獲得的Q因數(shù)值等于下式O = ^ R\C(Q—品質(zhì)因數(shù)，R—系統(tǒng)的替代串聯(lián)電阻，L一電感，C一容量)為高，并且諧振曲線由斜率限定，這導(dǎo)致需要對放電燈的特定諧振點火系統(tǒng)的感應(yīng)頻率進(jìn)行非常精確的選擇。由于商品參數(shù)的可接受容限、電感和電容的實際值的多樣化導(dǎo)致系統(tǒng)的諧振頻率的擴(kuò)展，這又迫使實現(xiàn)利用供電電壓頻率的改變來生成高電壓的技術(shù)。通常，對于串聯(lián)諧振點火系統(tǒng)，向諧振系統(tǒng)供電的頻率從高于系統(tǒng)的諧振頻率的值、經(jīng)過接近應(yīng)該發(fā)生點火的諧振頻率的過諧振頻率而向工作頻率(電感將電流限制為對應(yīng)于設(shè)置功率的值的頻率)而減小。隨著感應(yīng)頻率越接近諧振頻率，在缺少燈或燈損壞的情況下，在諧振電路中發(fā)生電壓和電流突然增長，這會導(dǎo)致電路損壞或其他系統(tǒng)元件的故障。在系統(tǒng)的實際布置中，所述風(fēng)險迫使使用保護(hù)系統(tǒng)。本發(fā)明提供了用于控制高強度氣體放電燈的替代方法和高強度氣體放電燈的供電系統(tǒng)。一種用于控制高強度氣體放電燈的方法，包括將來自開關(guān)級聯(lián)的、具有可變頻率和恒定占空因子的信號供給至鎮(zhèn)流器電路和燈，所述鎮(zhèn)流器電路包括至少一個電容器和至少一個電感，根據(jù)本發(fā)明其特征在于，使用從與所述鎮(zhèn)流器電路和所述燈連接的半橋型電子開關(guān)級聯(lián)供給的、具有周期性波動頻率和恒定占空因子50比50%的信號，其中，所述鎮(zhèn)流器電路至少包括第一電容器、所述燈，并且包括構(gòu)成諧振電路的第一電感和第二電容器。優(yōu)選地，通過對控制單元生成的、具有恒定頻率和可變占空因子的方波信號進(jìn)行控制，而從信號發(fā)生器獲得所述具有周期性波動頻率和恒定占空因子50比50%的信號。尤其是，所述鎮(zhèn)流器包括將所述燈與所述第二電容器隔離的第二電感。特別低，優(yōu)選地借助于測量元件測量穩(wěn)定的電壓源與所述電子開關(guān)的級聯(lián)之間的供電電流的值，并且基于所獲得的值，確定所述第二電容器的端子與地之間的電流值以及所述第二電感的端子與地之間的電流值。優(yōu)選地，在高強度氣體放電燈的點火模式下，供給具有高電壓和周期性波動頻率的信號以激勵所述諧振電路，所述激勵信號足以使所述燈點火，所述激勵信號的最高頻率低于次諧振頻率值，對于該頻率，在包括第一電感和第二電容器的諧振電路中的第二電容器上生成電壓電平。特別地，在點火模式下，在供給具有周期性波動頻率的信號期間，優(yōu)選地借助于測量元件測量所述第二電容器的端子與地之間的電流值，將該電流值與比較器單元的比較器中所設(shè)置的電流值進(jìn)行比較，并且當(dāng)該電流值超過所述設(shè)置值時，停止信號傳輸?？蛇x地，在點火模式下，在供給具有周期性波動頻率的信號期間，優(yōu)選地借助于測量元件測量所述第二電感的端子與地之間的電流值，將該電流值與比較器單元的比較器中所設(shè)置的電流值進(jìn)行比較，并且當(dāng)該電流值達(dá)到所述設(shè)置值時，停止傳輸所述激勵信號，并且開始燈(LAMP)供電模式下的信號傳輸。優(yōu)選地，在高強度氣體放電燈的供電模式下，使用從最低值至最高值且再次從最高值至最低值的周期平滑調(diào)制的頻率。優(yōu)選地，使用隨著頻率增大的時間段與頻率減小的時間段之比的變化而變化的頻率，來執(zhí)行對供給至所述燈的功率的調(diào)節(jié)。特別地，所述高強度氣體放電燈是鈉燈。針對頻率變化，使用至少一個調(diào)制頻率且調(diào)制深度不超過15%，以及頻率增大的時間段與頻率減小的時間段之比在從O. I到10的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，調(diào)制后頻率為50kHz，調(diào)制頻率為240Hz，并且調(diào)制深度為10%。特別地，所述高強度氣體放電燈(LAMP)是金屬鹵化物燈。針對頻率變化，使用至少一個調(diào)制頻率且調(diào)制深度不超過20%，而且頻率增大的時間段與頻率減小的時間段之比 在從O. I到10的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，調(diào)制后頻率為130kHz，調(diào)制頻率所述240Hz，并且調(diào)制深度為10%。優(yōu)選地，通過改變所述控制單元中的PWM過程的占空因子，來調(diào)節(jié)供給至所述燈的功率。使用微芯片控制來執(zhí)行所述控制單元中的PWM過程的占空因子的改變。優(yōu)選地，基于所述第二電感的端子與地之間的電流值檢測放電電弧衰減，尤其在所述值遠(yuǎn)低于針對適當(dāng)?shù)臒舨僮鞫谒霰容^器單元中的比較器上設(shè)置的電流值時，并且接著恢復(fù)燈點火模式。優(yōu)選地，當(dāng)所述電流值不同于針對適當(dāng)?shù)臒酎c火而在所述比較器單元中的比較器上設(shè)置的值時，尤其是在燈冷卻所需的時間段之后而嘗試點火之后，基于所述第二電感的端子與地之間的電流值檢測使得燈操作變得不可能的燈缺失或燈損壞。優(yōu)選地，在檢測所述放電電弧衰減并恢復(fù)燈點火之后，減小傳輸至所述燈的功率值，并且如果所述弧沒有衰減，則維持所述功率值，并且在所述弧衰減的情況下，恢復(fù)所述點火模式，并且重新嘗試減小功率的步驟?！N用于高強度氣體放電燈的供電系統(tǒng)，其包括穩(wěn)定的電壓源，并且電壓源向與燈和鎮(zhèn)流器連接的半橋型或全橋型電子開關(guān)級聯(lián)供電，所述鎮(zhèn)流器包括至少一個電容器和至少一個電感，所述系統(tǒng)包括具有受電壓或電流調(diào)節(jié)的頻率信號的發(fā)生器以及用于生成寬度調(diào)制的脈沖的發(fā)生器控制單元，其特征在于，所述供電系統(tǒng)包括具有受電壓或電流調(diào)節(jié)的頻率和恒定占空因子的信號發(fā)生器以及包括至少一個具有恒定頻率和可變占空因子的信號發(fā)生器的控制單元，其中，所述控制單元的輸出端與信號發(fā)生器的控制輸入端相連接，使得所述控制系統(tǒng)適于向所述信號發(fā)生器傳輸用于改變所述信號發(fā)生器的工作頻率的、寬度調(diào)制的脈沖，并且所述信號發(fā)生器與半橋型的電子開關(guān)級聯(lián)相連接，并且所述鎮(zhèn)流器包括第一電容器、第一電感、第二電容器，并且包括將所述燈與所述第二電容器隔離的第二電感。優(yōu)選地，所述鎮(zhèn)流器在所述燈的輸入端子上包括第一電容器和第一電感以及與所述燈并聯(lián)連接的第二電容器，并且在所述燈的輸出端子上包括將所述燈與所述第一電容器隔離的第二電感，其中，所述第一電感和所述第二電容器彼此串聯(lián)布置并且構(gòu)成所述諧振電路的一部分。特別地，在所述開關(guān)級聯(lián)的輸出端上生成的電壓信號是方波，并且其占空因子是50%。所述系統(tǒng)尤其包括在所述穩(wěn)定電壓源和所述電子開關(guān)級聯(lián)之間的用于測量供電電流值的測量元件?？蛇x地，所述系統(tǒng)包括用于測量流過所述諧振電路的電流的測量元件，所述諧振電路包括所述第一電感和所述第二電容器。特別地，所述系統(tǒng)包括用于測量流過所述燈的電流的測量元件。優(yōu)選地，所述測量元件是電阻測量單元?？蛇x地，所述測量元件是電感測量單元。優(yōu)選地，所述控制單元包括所述發(fā)生器和控制所述發(fā)生器PWM的比較器單元。特別地，所述發(fā)生器PWM是由所述比較器單元控制的微芯片，其具有PWM輸出。優(yōu)選地，所述高強度氣體放電燈是鈉燈。可選地，所述高強度氣體放電燈是金屬鹵化物燈。根據(jù)本發(fā)明的用于控制高強度氣體放電燈的方法和供電系統(tǒng)展現(xiàn)許多優(yōu)點，其預(yù)定通常用在照明系統(tǒng)的實際實施例中的主題方案。該系統(tǒng)的特征在于高于傳統(tǒng)電磁方案的高效率，并且其特征在于與現(xiàn)有技術(shù)的電子模型的狀態(tài)相比簡化控制和執(zhí)行系統(tǒng)的布置。由于消除了由過多電壓或電流導(dǎo)致系統(tǒng)損壞的風(fēng)險，該控制方法和系統(tǒng)布置提供了燈 點火模式下的安全運行。此外，通過將消耗的功率穩(wěn)定在特定的設(shè)置電平，根據(jù)本發(fā)明的控制方法提供了對燈供電參數(shù)的自動調(diào)節(jié)。接下來，根據(jù)本發(fā)明的方法使得能夠通過可以設(shè)置自調(diào)節(jié)電平來調(diào)節(jié)燈消耗的功率。利用根據(jù)本發(fā)明的方法和系統(tǒng)提供了更長時期的適合的燈利用，并且由于所實現(xiàn)的自適應(yīng)算法，磨損的燈的照明時期顯著延長。在照明系統(tǒng)中利用根據(jù)本發(fā)明的方案使得能夠獲得照明而不會引起頻閃效應(yīng)(與傳統(tǒng)的方案相反，其中，在高于主頻兩倍(即，IOOHz或120Hz)的頻率處發(fā)生閃爍效應(yīng))。此外，由于在根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中實現(xiàn)功率因數(shù)校正模塊PFC，實現(xiàn)了無源功耗的消除(由于功率因數(shù)對應(yīng)于Coscj5=O. 99)，這導(dǎo)致導(dǎo)線和供電線的電阻損耗的降低。使用寬范圍的輸入電壓和高電阻來進(jìn)行電壓改變的可能性使得能夠消除對建立用于供給市政照明系統(tǒng)的獨立電力網(wǎng)絡(luò)的需要。本發(fā)明由附圖示出，其中，圖I示出具有基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)；圖2示出配備有用于動態(tài)功率調(diào)節(jié)的裝置的根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)；圖3示出配備有用于動態(tài)功率調(diào)節(jié)的裝置和輔助測量單元的根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)；圖4示出在根據(jù)點火模式運行的系統(tǒng)中頻率變化與時間的關(guān)系曲線的圖；圖5示出根據(jù)點火模式運行的系統(tǒng)中的電壓變化；圖6示出在控制單元輸出端上和信號發(fā)生器輸出端上流動的電壓；圖7示出流過燈的電流與信號發(fā)生器的輸出頻率的關(guān)系曲線的圖；圖8示出與信號發(fā)生器連接的控制單元的示例性方案；圖9示出系統(tǒng)中安裝鈉燈時的頻率變化的圖；

圖10示出系統(tǒng)中安裝金屬鹵化物燈時的頻率變化的圖；圖11示出燈供電系統(tǒng)消耗的電流、比較器的對應(yīng)輸出狀態(tài)以及這些狀態(tài)的異步采樣值的變化；圖12示出數(shù)字功率調(diào)節(jié)的示例性算法的邏輯環(huán)。圖I所示的根據(jù)本發(fā)明的、用于高強度氣體放電燈的供電系統(tǒng)是從交流網(wǎng)絡(luò)供電的，并且包括約400V的內(nèi)部穩(wěn)定電壓源，其典型地包括二極管整流器和功率因數(shù)校正系統(tǒng)PFC。穩(wěn)定電壓源向諸如半橋型的電子開關(guān)級聯(lián)供電，該電子開關(guān)級聯(lián)包括用作電子鍵的晶體管Tl和T2。作為信號發(fā)生器C0NTR0L1進(jìn)行控制的結(jié)果，開關(guān)級聯(lián)成為具有設(shè)定值的交流源，對于該設(shè)置值交流源，串聯(lián)電感LI的值將流過燈LAMP的電流限制為所設(shè)置的水平。該系統(tǒng)補充有與燈LAMP并聯(lián)且與電感LI串聯(lián)的電容器C2，以獲得串聯(lián)諧振電路。在開關(guān)Tl和T2的級聯(lián)中生成頻率接近包括電感LI和電容器C2的電路的自由振蕩諧振頻率的交流電壓，會促使在電容器C2上出現(xiàn)高交流電壓，該電壓用于促使放電燈LAMP點火。信號發(fā)生器C0NTR0L1包括具有受電壓或電流控制的可變頻率和恒定占空因子(50/50%)的發(fā)生器I。信號發(fā)生器C0NTR0L1與控制單元C0NTR0L2連接，該控制單元包括具有恒定頻率和可變占空因子的PWM發(fā)生器2，該發(fā)生器用于修改發(fā)生器I的頻率。該系統(tǒng)包括將燈LAMP與電容器C2隔離的附加電感L2。令人喜地，引入附加電感L2和具有下述特性的控制單元C0NTR0L2提供了穩(wěn)定放電燈LAMP操作以及實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明的創(chuàng)新控制方法(尤其是點火方法)，從而供給并調(diào)節(jié)高強度氣體放電燈的功率。圖2示出圖I所示的用于高強度氣體放電燈的供電系統(tǒng)的優(yōu)選變型。該變型使得能夠控制燈操作，尤其是控制高強度氣體放電燈消耗的功率。根據(jù)圖2的該系統(tǒng)包括在PFC系統(tǒng)與電子鍵Tl和T2的級聯(lián)之間的測量元件Al以及系統(tǒng)的剩余部分。測量元件Al用于測量供電電流值。測量元件Al可以是電阻測量單元或電感測量單元。根據(jù)圖2的系統(tǒng)在控制單元C0NTR0L2中包括比較器單元3，比較器單元3包括至少一個比較器。比較器單元3與測量元件Al的輸出結(jié)果連接，并且通過將該輸出結(jié)果與設(shè)置值進(jìn)行比較來分析其狀態(tài)，并且使用該比較的結(jié)果來修改發(fā)生器2的輸出參數(shù)，這導(dǎo)致信號發(fā)生器C0NTR0L1的輸出參數(shù)變化，該信號發(fā)生器C0NTR0L1控制電子鍵Tl、T2的級聯(lián)并導(dǎo)致燈LAMP操作參數(shù)的變化。
圖3示出根據(jù)圖2的系統(tǒng)的另一變型。圖3的系統(tǒng)包括附加測量元件A2和A3以及比較器單元3中的相應(yīng)比較器。測量元件A2和A3用于測量電流值。測量元件A2和A3可以是電阻測量單元、電感測量單元或其組合?；跍y量元件A2和A3所位于的系統(tǒng)點中所確定的電流的直接測量值，在燈的點火模式和工作模式兩者下都實現(xiàn)了高級測量和控制過程。與電容器C2以及與電源的負(fù)極連接的測量元件A2被設(shè)計用于測量流過電容器C2的電流。與電感L2以及與電源的負(fù)極連接的測量元件A3被設(shè)計用于測量流過電感L2的電流。將由測量元件A2、A3確定的或在系統(tǒng)中A2或A3所位于的點處所確定的電流的測量值與比較器單元3中的設(shè)置值進(jìn)行比較，并且基于這樣的比較，修改發(fā)生器2的輸出參數(shù)，這導(dǎo)致信號發(fā)生器C0NTR0L1的輸出的適當(dāng)變化。令人驚喜地，根據(jù)本發(fā)明的供電系統(tǒng)使得能夠?qū)崿F(xiàn)用于高強度氣體放電燈的點火的創(chuàng)新方法。在迄今為止所使用的放電燈的供電-點火系統(tǒng)中的諧振點火方法包括利用頻率高于L1-C2電路的諧振頻率的交流電壓過程向諧振電路L1-C2供電。接下來，將頻率減小至接近諧振頻率的值，在該諧振頻率處，在諧振電容器上所生成的電壓足以進(jìn)行燈點火。在點火之后，頻率進(jìn)一步減小，直到限流電感LI將流過燈LAMP的電流限制為設(shè)置值為止。該方法導(dǎo)致該頻率不可避免地等于諧振頻率，并且在缺少燈或燈損壞的情況下，這導(dǎo)致在諧振電容器上以供電系統(tǒng)消耗的電流的實質(zhì)值生成非常高的電壓。由于高電壓和高電流值可能引起點火系統(tǒng)的損壞，因此，需要使用適當(dāng)?shù)臏y量保護(hù)系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的諧振點火方法包括以具有周期性波動頻率的電壓向諧振電路供電。根據(jù)本方法，通過周期性的頻率改變向諧振電路提供次諧振頻率。圖4中示出點火期間頻率變化的曲線圖。在該曲線圖上，F(xiàn)表示頻率軸，T表示時間軸，F(xiàn)ms.表示電路L1-C2的諧振頻率，F(xiàn)stat.表示恒定頻率(在該恒定頻率處，點火發(fā)生)，F(xiàn)max.表示在動態(tài)點火時調(diào)制頻率的最大值，以及Fmin.表示在動態(tài)點火時調(diào)制頻率的最小值。向包括電感LI和電容器C2的串聯(lián)諧振電路供給范圍從最低頻率Fmin.到最高頻率Fmax.的交流電壓過程，其中該頻率在這些值之間周期性改變。頻率Fmin.和頻率Fmax.兩者不僅都低于諧振頻率!^3.而且還低于Fstat.(即，點火發(fā)生時的恒定頻率)。
必須強調(diào)，頻率Fmax.的值令人驚喜地始終低于值Fstat.。由于上述原因，諧振電路消耗的電流也低于根據(jù)使用過諧振頻率的現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)的方法中消耗的電流。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的點火方法的原理，該圖示出在點火諧振系統(tǒng)中所獲得的電壓的曲線圖，其中以具有恒定頻率的電壓V(ignitim Fstat.)和具有調(diào)制頻率v(ignitim F -)的電壓向該系統(tǒng)供電。在該曲線圖上，軸V表示確定電容器C2的電壓與輸入電壓的比率V(C2)/Vin的軸，軸F(kHz)表示頻率軸，范圍Operation (工作)表示在工作相處的頻率調(diào)制的范圍，范圍Modulated Ignition (調(diào)制點火)對應(yīng)于動態(tài)點火期間頻率調(diào)制的范圍，以及StaticIgnition (靜態(tài)點火)表示電容器C2上的電壓足以進(jìn)行點火的恒定頻率。Fras.表示L1-C2電路的諧振頻率。實驗結(jié)果令人驚喜地表明盡管實際系統(tǒng)的諧振頻率值有所擴(kuò)展(因這些系統(tǒng)中所使用的商品的實際電感和電容值的多樣性而生成)，但最大頻率Fmax.可以與諧振頻率不同，從而使得點火期間點火系統(tǒng)所消耗的最大電流不會超過最大可接受值。在實驗期間，系統(tǒng)經(jīng)過如下測試晶體管Tl、T2級聯(lián)的供電電壓總計達(dá)到395V，并且元件參數(shù)的值及其容限分別總計達(dá)到對于電容器Cl為47nF ( ±5%);對于電感LI為600 μ F (土 10%);對于電 容器C2為l，175nF ( ±5%);對于電感L2為25 μ F (±10%)。包括電感LI和電容器C2的電路的諧振頻率值總計達(dá)到約190kHz。根據(jù)圖4和圖5中所定義的原理，頻率值在從Fmin.(140kHz)到Fmax. (160kHz)的范圍內(nèi)變化，其中該頻率為240Hz，以及增大頻率值的時間段和減小頻率值的時間段相等。在實驗期間，使用根據(jù)圖I的系統(tǒng)并且采用圖4和圖5中的頻率調(diào)制的創(chuàng)新方法，針對功率在70W到400W范圍的高強度鈉放電燈和金屬鹵化物放電燈進(jìn)行點火測試。在鈉燈冷(溫度低于50°C )并對其加熱的情況下，點火效率在利用調(diào)制過程對諧振系統(tǒng)供電IOms時總計達(dá)到80%。在燈冷以及加熱至正常工作條件并以室溫冷卻了 I分鐘時段這兩種情況下，將該時間延長至30ms導(dǎo)致點火效率增加至100%。在對金屬鹵化物燈點火的情況下，針對分別等于50ms的調(diào)制時間實現(xiàn)了 100%的點火效率。對于被加熱至正常工作條件的燈的重新點火需要總計為5分鐘的冷卻時段。在點火期間，晶體管Tl、T2的級聯(lián)以及具有電感LI和電容器C2的諧振電路消耗的平均功率不超過50W，而電流的瞬時平均值(時間低于50μ s)不超過幾安培。這些被證實對于基于單極晶體管的半橋型和全橋型典型系統(tǒng)而言安全的值使得能夠在足以進(jìn)行燈點火的時段期間維持高電壓。在殼體中缺少燈的情況下，不會發(fā)生這些元件的電流過載。因此，令人驚喜地，使用根據(jù)本發(fā)明的方法能夠消除使用附加元件來保護(hù)供電系統(tǒng)不被損壞的必需性。在使用現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的方案的情況下，聲諧振現(xiàn)象是與利用頻率超過IkHz的交流電流供電的高強度氣體放電燈的開發(fā)有關(guān)的重要難題。所述現(xiàn)象使放電電弧不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致燈閃爍，甚至在極端情況下，導(dǎo)致燈頭的機械損壞。在基于半橋或全橋以及鎮(zhèn)流器拓?fù)涞囊阎到y(tǒng)中，借助于復(fù)雜的調(diào)制方法(即基于頻率的FM和基于幅度的AM兩者)消除或限制該現(xiàn)象。令人喜地，通過使用根據(jù)圖I的系統(tǒng)(以及圖2和圖3的優(yōu)選方案)，能夠使用相對簡單的頻率調(diào)制技術(shù)實現(xiàn)所述不利現(xiàn)象的消除，其中，圖I的系統(tǒng)針對現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)包括將燈與諧振電容器C2隔離的附加電感L2。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，如圖I所示，使用包括發(fā)生器2 (具有恒定頻率和可變占空因子的發(fā)生器)的控制單元C0NTR0L2，控制單元C0NTR0L2控制包括發(fā)生器I的信號發(fā)生器C0NTR0L1，并且接著控制電子鍵Tl和Τ2的級聯(lián)，以使得級聯(lián)鍵Tl和T2的輸出端上的頻率電壓過程對應(yīng)于發(fā)生器I (電流或電壓控制的、具有可變頻率和恒定占空因子的發(fā)生器)的頻率。根據(jù)具有恒定頻率和可變占空因子PWM (諸如，圖8所示的包括在控制單元C0NTR0L2中的PWMl和/或PWM2)的發(fā)生器的輸出來控制發(fā)生器I。圖8示出電流控制的、具有恒定占空因子和可變頻率的發(fā)生器1，以及包括PWM發(fā)生器單元的發(fā)生器2，其中，PWMl表示第一 PWM發(fā)生器，以及PWM2表示第二 PWM發(fā)生器，R(Ffflin)表示確定發(fā)生器I的最低頻率的電阻器，以及元件R’、R”、R”、R”’、R””、C、C’表示無源電阻-電容元件。在所進(jìn)行的實驗中，使用飛兆半導(dǎo)體公司提供的集成電子系統(tǒng)FSFR2100作為信號發(fā)生器CONTROL I以及Tl和T2鍵的級聯(lián)，其中包括可變頻率的電流控制發(fā)生器、單級晶體管級聯(lián)的控制器和所述晶體管的級聯(lián)。圖6示出通過發(fā)生器PWM2的輸出對信號發(fā)生器C0NTR0L1進(jìn)行頻率控制的原理。信號發(fā)生器C0NTR0L1的頻率F(C0NTR0L1)在發(fā)生器PWM2的輸出狀態(tài)為高(其在控制系統(tǒng)C0NTR0L2的輸出端上被示為F(C0NTR0L2))時增大，而在所 述輸出狀態(tài)為低時減小，所述變化是恒定的但不一定是線性的。圖8示出通過發(fā)生器PWM2狀態(tài)的變化來實現(xiàn)信號發(fā)生器C0NTR0L1的頻率變化的非線性函數(shù)的示例性系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中使用單極晶體管和R、R’、R”、R”、R”’、R””、C、C’，以使得發(fā)生器PWM2輸出端上的高態(tài)對應(yīng)于信號發(fā)生器C0NTR0L1頻率的增大，而低態(tài)對應(yīng)于該頻率的減小。根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)中的頻率變化導(dǎo)致流過燈LAMP的電流值的變化。圖7中描繪了該關(guān)系，根據(jù)該關(guān)系，曲線II表示開關(guān)Tl和T2級聯(lián)的輸出端上的電壓過程V (V)，曲線I表示對應(yīng)于這些變化的、流過燈LAMP的電流值變化I (A)的過程。如圖7所示，頻率越低，傳輸至燈的電流和功率就越高，而頻率越高，傳輸至燈的電流和功率就越低?；谑褂酶鶕?jù)本發(fā)明的系統(tǒng)所進(jìn)行的實驗，可看出，通過利用約240Hz頻率以10%調(diào)制深度，對供應(yīng)給電容器Cl、電感LI、燈LAMP、電感L2的串聯(lián)線路的、頻率在30kHz到IOOkHz范圍內(nèi)的電壓過程進(jìn)行頻率調(diào)制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)功率在70W到400W范圍內(nèi)的鈉放電燈的穩(wěn)定操作，其中該調(diào)制深度為最高頻率或最低頻率(根據(jù)圖9，為Fmax，F(xiàn)min)之間的差的絕對值與其算術(shù)均值的商。以百分?jǐn)?shù)來表示調(diào)制深度。實際上，調(diào)制深度可以由如下等式表示
權(quán)利要求
1.一種用于控制高強度氣體放電燈的方法，包括將來自開關(guān)級聯(lián)的、具有可變頻率和恒定占空因子的信號供給至鎮(zhèn)流器電路和燈，所述鎮(zhèn)流器電路包括至少一個電容器和至少一個電感，其特征在于，使用從與所述鎮(zhèn)流器電路和所述燈(LAMP)連接的半橋型電子開關(guān)(T1，T2)級聯(lián)供給的、具有周期性波動頻率和恒定占空因子50比50%的信號，其中，所述鎮(zhèn)流器電路至少包括第一電容器(Cl)、所述燈(LAMP)，并且包括構(gòu)成諧振電路的第一電感(LI)和第二電容器(C2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，通過對控制單元(CONTROL2)生成的、具有恒定頻率和可變占空因子的方波信號進(jìn)行控制，而從信號發(fā)生器(CONTROL1)獲得所述具有周期性波動頻率和恒定占空因子50比50%的信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述鎮(zhèn)流器包括將所述燈(LAMP)與所述第二電容器(C2)隔離的第二電感(L2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3所述的方法，其特征在于，優(yōu)選地借助于測量元件(Al)測量穩(wěn)定的電壓源(PFC)與所述電子開關(guān)(Tl，T2)級聯(lián)之間的供電電流的值，并且基于所獲得的值，確定所述第二電容器(C2)的端子與地之間的電流值以及所述第二電感(L2)的端子與地之間的電流值。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的方法，其特征在于，在所述高強度氣體放電燈的點火模式下，供給具有高電壓和周期性波動頻率的信號以激勵所述諧振電路，所述激勵信號足以使所述燈(LAMP)點火，所述激勵信號的最高頻率(Fmax.)低于次諧振頻率值(Fstat.)，對于該頻率(Fstat.),在包括第一電感(LI)和第二電容器(C2)的諧振電路中的第二電容器(C2)上生成電壓電平。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述點火模式下，在供給所述具有周期性波動頻率的信號期間，優(yōu)選地借助于測量元件(A2)測量所述第二電容器(C2)的端子與地之間的電流值，將該電流值與比較器單元(3)的比較器中所設(shè)置的電流值進(jìn)行比較，并且當(dāng)該電流值超過所述設(shè)置值時，停止信號傳輸。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，在所述點火模式下，在供給所述具有周期性波動頻率的信號期間，優(yōu)選地借助于測量元件(A3)測量所述第二電感(L2)的端子與地之間的電流值，將該電流值與比較器單元(3)的比較器中所設(shè)置的電流值進(jìn)行比較，并且當(dāng)該電流值達(dá)到所述設(shè)置值時，停止傳輸所述激勵信號，并且開始燈(LAMP)供電模式下的信號傳輸。
8.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的方法，其特征在于，在所述高強度氣體放電燈的供電模式下，使用從最低值(Fmin.)至最高值(Fmax.)且再次從最高值至最低值的周期平滑調(diào)制的頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，使用隨著頻率增大的時間段與頻率減小的時間段之比的變化而變化的頻率，來執(zhí)行對供給至所述燈(LAMP)的功率的調(diào)節(jié)。
10.根據(jù)權(quán)利要求I至9中任一項所述的方法，其特征在于，所述高強度氣體放電燈是鈉燈。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于，針對頻率變化，使用至少一個調(diào)制頻率且調(diào)制深度不超過15%，以及頻率增大的時間段與頻率減小的時間段之比在從O. I到10的范圍內(nèi)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，調(diào)制后頻率為50kHz，調(diào)制頻率為240Hz，并且調(diào)制深度為10%。
13.根據(jù)權(quán)利要求I至9中任一項所述的方法，其特征在于，所述高強度氣體放電燈(LAMP)是金屬鹵化物燈。
14.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的方法，其特征在于，針對頻率變化，使用至少一個調(diào)制頻率且調(diào)制深度不超過20%，而且頻率增大的時間段與頻率減小的時間段之比在從O. I到10的范圍內(nèi)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，調(diào)制后頻率為130kHz，調(diào)制頻率所述240Hz，并且調(diào)制深度為10%。
16.根據(jù)權(quán)利要求8至15中任一項所述的方法，其特征在于，通過改變所述控制單元(CONTROL2)中的PWM過程的占空因子，來調(diào)節(jié)供給至所述燈(LAMP)的功率。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，使用微芯片控制來執(zhí)行所述控制單元(CONTROL2 )中的PWM過程的占空因子的改變。
18.根據(jù)權(quán)利要求I至7中任一項所述的方法，其特征在于，基于所述第二電感(L2)的端子與地之間的電流值檢測放電電弧衰減，尤其在所述值遠(yuǎn)低于針對適當(dāng)?shù)臒?LAMP)操作而在所述比較器單元(3)中的比較器上設(shè)置的電流值時，并且接著恢復(fù)燈(LAMP)點火模式。
19.根據(jù)權(quán)利要求I至18中任一項所述的方法，其特征在于，當(dāng)所述電流值不同于針對適當(dāng)?shù)臒?LAMP)點火而在所述比較器單元(3)中的比較器上設(shè)置的值時，尤其是在燈冷卻所需的時間段之后而嘗試點火之后，基于所述第二電感(L2)的端子與地之間的電流值檢測使得燈操作變得不可能的燈(LAMP)缺失或燈損壞。
20.根據(jù)權(quán)利要求I至18中任一項所述的方法，其特征在于，在檢測所述放電電弧衰減并恢復(fù)燈點火之后，減小傳輸至所述燈的功率值，并且如果所述弧沒有衰減，則維持所述功率值，并且在所述弧衰減的情況下，恢復(fù)所述點火模式，并且重新嘗試減小功率的步驟。
21.—種用于高強度氣體放電燈的供電系統(tǒng)，其包括穩(wěn)定的電壓源，所述電壓源向與燈和鎮(zhèn)流器連接的半橋型或全橋型電子開關(guān)級聯(lián)供電，所述鎮(zhèn)流器包括至少一個電容器和至少一個電感，所述系統(tǒng)包括具有受電壓或電流調(diào)節(jié)的頻率信號的發(fā)生器以及用于生成寬度調(diào)制的脈沖的發(fā)生器控制單元，其特征在于，所述供電系統(tǒng)包括具有受電壓或電流調(diào)節(jié)的頻率和恒定占空因子的信號發(fā)生器(CONTROL1 )，以及包括至少一個具有恒定頻率和可變占空因子的信號發(fā)生器的控制單元(CONTROL2 )，其中，所述控制單元(CONTROL2 )的輸出端與信號發(fā)生器(CONTROL1)的控制輸入端相連接，使得所述控制系統(tǒng)(CONTROL2)適于向所述信號發(fā)生器(CONTROL1)傳輸用于改變所述信號發(fā)生器(CONTROL1)的工作頻率的、寬度調(diào)制的脈沖，并且所述信號發(fā)生器(CONTROL1)與半橋型的電子開關(guān)(Tl，T2)級聯(lián)相連接，并且所述鎮(zhèn)流器包括第一電容器(Cl)、第一電感(LI)、第二電容器(C2)，并且包括將所述燈(LAMP)與所述第二電容器(C2)隔離的第二電感(L2)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述鎮(zhèn)流器在所述燈(LAMP)的輸入端子上包括第一電容器(Cl)和第一電感(LI)以及與所述燈(LAMP)并聯(lián)連接的第二電容器(C2)，并且在所述燈(LAMP)的輸出端子上包括將所述燈(LAMP)與所述第一電容器(C2)隔離的第二電感(L2)，其中，所述第一電感(LI)和所述第二電容器(C2)彼此串聯(lián)布置并且構(gòu)成諧振電路的一部分。
23.根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的系統(tǒng)，其特征在于，在所述開關(guān)級聯(lián)(Tl，T2)的輸出端上生成的電壓信號是方波，并且其占空因子是50%。
24.根據(jù)權(quán)利要求11或22或23所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括在所述穩(wěn)定電壓源(PFC)和所述電子開關(guān)級聯(lián)(Tl，T2)之間的用于測量供電電流值的測量元件(Al)。
25.根據(jù)權(quán)利要求21至24中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括用于測量流過包括所述第一電感(LI)和所述第二電容器(C2)的諧振電路的電流的測量元件(A2)。
26.根據(jù)權(quán)利要求21至25中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括用于測量流過所述燈(LAMP )的電流的測量元件(A3 )。
27.根據(jù)權(quán)利要求24、25或26所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述測量元件(Al，A2，A3)是電阻測量單元。
28.根據(jù)權(quán)利要求24、25或26所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述測量元件(Al，A2，A3)是電感測量單元。
29.根據(jù)權(quán)利要求21至28中的任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述控制單元(CONTROL2)包括所述發(fā)生器PWM和控制所述發(fā)生器PWM的比較器單元(3)。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述發(fā)生器PWM是由比較器單元(3)控制的微芯片，其具有PWM輸出。
31.根據(jù)權(quán)利要求21至30中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述高強度氣體放電燈(LAMP)是鈉燈。
32.根據(jù)權(quán)利要求21至30中任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述高強度氣體放電燈(LAMP)是金屬鹵化物燈。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于控制高強度氣體放電燈的方法，包括將來自開關(guān)級聯(lián)的、具有可變頻率和恒定占空因子的信號供給至鎮(zhèn)流器電路和燈，鎮(zhèn)流器電路包括至少一個電容器和至少一個電感，該方法使用從與鎮(zhèn)流器電路和燈9連接的半橋型電子開關(guān)級聯(lián)供給的具有周期性波動頻率和恒定占空因子50比50%的信號，其中，鎮(zhèn)流器電路至少包括第一電容器(C1)、燈，并且包括構(gòu)成諧振電路的第一電感(L1)和第二電容器(C2)。還涉及包含穩(wěn)定的電壓源的高強度氣體放電燈的供電系統(tǒng)，所述電壓源向與燈和鎮(zhèn)流器連接的半橋型或全橋型電子開關(guān)級聯(lián)供電，鎮(zhèn)流器包括至少一個電容器和至少一個電感，該系統(tǒng)包括具有受電壓或電流調(diào)節(jié)的頻率信號的發(fā)生器以及生成寬度調(diào)制的脈沖的發(fā)生器控制單元。該系統(tǒng)的特征在于包括具有受電壓或電流調(diào)節(jié)的頻率和恒定占空因子的信號發(fā)生器(CONTROL1)以及包括具有恒定頻率和可變占空因子的至少一個信號發(fā)生器的控制單元(CONTROL2)?？刂茊卧?CONTROL2)的輸出端與信號發(fā)生器(CONTROL1)的控制輸入端連接，使得控制系統(tǒng)(CONTROL2)適于將改變信號發(fā)生器(CONTROL1)的工作頻率的寬度的調(diào)制脈沖傳輸至信號發(fā)生器(CONTROL1)，并且其中，信號發(fā)生器(CONTROL1)與半橋型的電子開關(guān)(T1，T2)級聯(lián)連接，以及鎮(zhèn)流器包括第一電容器(C1)、第一電感(L1)、第二電容器(C2)，并且包括將燈(LAMP)與第二電容器(C2)隔離的第二電感(L2)。
文檔編號H05B41/292GK102918931SQ201080055941
公開日2013年2月6日 申請日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月10日
發(fā)明者彼得·阿達(dá)莫維奇 申請人:偶氮數(shù)字化公司