專利名稱：高亮度電燈的點火器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及可用于高亮度放電燈的電路，更具體來說，涉及高亮度放電燈的點火電路。
高亮度放電(HID)燈，如金屬鹵、高壓鈉、高壓汞和金屬汽，要求在點火后，才能在它們的“電弧”級(arc stages)中工作，發(fā)出它們額定的亮度。HID燈的點火要求在燈的電極之間應(yīng)用一般是幾千伏的高壓脈沖。燈運行由稱為“鎮(zhèn)流電路”的電路執(zhí)行。燈點火由點火電路執(zhí)行，點火電路可以包含在鎮(zhèn)流電路中，構(gòu)成鎮(zhèn)流電路的一部分。


圖1表示一個可用于點燃和運行HID燈38的鎮(zhèn)流電路10。直流(DC)電壓由DC源12生成，對DC源的適當設(shè)計是本領(lǐng)域中眾所周知的。來自DC源12的電壓被提供給下變頻器14，后者起著一個電壓比DC源12的輸出低的電源的作用。對下變頻器14的適當設(shè)計是本領(lǐng)域中眾所周知的。下變頻器14的輸出被提供給整流器(commutator)16，對整流器的適當設(shè)計是本領(lǐng)域中眾所周知的。整流器16的輸出向串聯(lián)的變壓器30的次級線圈34和燈38施加一個周期轉(zhuǎn)向的電流。電能是通過電纜36提供給燈38的，電纜的長度范圍一般在一英尺左右到十五英尺。
燈38的點火是由點火電路20控制的。除次級線圈34外，點火電路20還包括電感器22，變壓器30的初級線圈32，兩個SIDAC 24和26，以及電阻28與電容器29的并聯(lián)組合，它們在下變頻器14的輸出之間串聯(lián)連接。
點火電路20如下所述地工作，以點燃燈38。位于下變頻器14的輸出的一個電容器(未予示出)根據(jù)下變頻器14中的一個三極管開關(guān)(未予示出)的開關(guān)頻率和工作循環(huán)而充電。SIDAC 24和26兩端的電壓等于位于下變頻器14的輸出的電容器兩端的電壓，直到發(fā)生SIDAC 24和26的擊穿(breakover)，此時，一個電壓脈沖被施加到初級線圈32并以一個高壓脈沖耦合到次級線圈34。為保證初級線圈32與次級線圈34之間的良好耦合，以便獲得良好的點火脈沖，變壓器30的芯子是無間隙的。SIDAC 24和26保持導(dǎo)通(ON)，直到流經(jīng)它們的電流降到它們的保持電流以下時才關(guān)閉(OFF)。此時，電容器29通過電阻28放電。現(xiàn)在，如果燈38已經(jīng)點著，下變頻器14通過整流器16向燈38提供一個大電流，但是下變頻器14的輸出電壓降到SIDAC 24和26的擊穿電壓以下，使得點火電路20變得不起作用。另一方面，如果燈38沒有點著，位于下變頻器14的輸出的電容器兩端的電壓就開始增加，直到變得等于SIDAC 24和26的擊穿電壓，于是該點火循環(huán)重復(fù)進行。電感器22限制di/dt，以保護SIDAC24和26。
適合設(shè)計用于驅(qū)動100W陶瓷金屬鹵燈的點火電路20的各種部件的值如下電感器22-47μH；SIDAC 24-MKP1V120型或相當型號；SIDAC 26-MKP1V120型或相當型號；電阻28-10KΩ；電容器29-220nF。變壓器30是無間隙類型的，含有一個四部分的E25/13/11線軸，一個3C85鐵氧體磁心，一個9匝0.45金屬線的初級線圈和一個132匝0.45金屬線的次級線圈。
不幸的是我們發(fā)現(xiàn)，當燈38吸收大負載電流時，鎮(zhèn)流電路10向燈38提供相當大的波紋電流。波紋電流一般是由下變頻器生成的，但是在電路10中，當向燈38提供的大電流流經(jīng)次級線圈34時，變壓器30飽和，次級線圈34變得不能降低波紋電流。這個大波紋電流在燈38中產(chǎn)生共鳴，這會使燈38熄滅，縮短其壽命，引起各種燈維護問題。
我們也發(fā)現(xiàn)，如果改變用于攜帶向燈38提供的電流的電纜36的長度，特別是增加電纜36的長度時，會使燈點火不可靠。
所以，需要有能減少由大體如圖1中所示類型的鎮(zhèn)流電路向燈38發(fā)出的波紋電流，同時讓燈點火過程不過分地對電纜36的長度敏感的裝置和方法。
相應(yīng)地，本發(fā)明的一個目的是提供一種幫助減少燈38處的波紋電流的HID燈點火電路。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種對電纜長度的實用范圍內(nèi)的燈的電纜長度不過分敏感的HID燈點火電路。
這些和其它目的是在本發(fā)明的各種實施例中實現(xiàn)的。例如，本發(fā)明的一個實施例是一個用于有預(yù)定點火脈沖技術(shù)要求和預(yù)定最大工作負載電耗技術(shù)要求的高亮度放電燈的點火電路。該點火電路包含一個有一個初級線圈和至少一個次級線圈的有隙變壓器，該變壓器是額定的，以避免因流經(jīng)其次級線圈的最大工作負載電流而飽和；一個與有隙變壓器的次級線圈并聯(lián)的第一電容器；與有隙變壓器的次級線圈串聯(lián)的第一和第二燈連接接點；一個與有隙變壓器的初級線圈串聯(lián)的電源開關(guān)；一個與有隙變壓器的初級線圈連接的第二電容器。
本發(fā)明的另一個實施例是一個用于點燃和控制高亮度放電燈的電子鎮(zhèn)流電路。該鎮(zhèn)流電路包含一個DC電源；一個與DC電源相連的整流器；一個有一個初級線圈和至少一個次級線圈的有隙變壓器；一個點火次級電路，它包含有隙變壓器的次級線圈、一個與有隙變壓器的次級線圈并聯(lián)的第一電容器、在整流器的輸出之間與有隙變壓器的次級線圈串聯(lián)的第一和第二燈連接接點；一個點火初級電路，它包含一個電感器、有隙變壓器的初級線圈、一個依賴電壓的擊穿元件；一個串聯(lián)在DC電源的輸出之間的第二電容器；點火初級電路進一步有一個與該第二電容器并聯(lián)的電阻。
圖1是所發(fā)現(xiàn)的向燈發(fā)出高波紋電流的鎮(zhèn)流電路的示意電路圖。
圖2是按照本發(fā)明在圖1的鎮(zhèn)流電路中采用、以改善其總體性能的一個改進的點火電路的示意電路圖。
圖3是表示在圖2的點火電路的工作期間在冷燈(cold lamp)(開路)兩端的電壓的波形圖。
圖4是表示在圖2的點火電路的工作期間點火脈沖進入3pF負載的波形圖。
圖5是表示在圖2的點火電路的工作期間點火脈沖進入100pF負載的波形圖。
圖6是表示在圖2的點火電路的工作期間點火脈沖進入150pF負載的波形圖。
圖7是按照本發(fā)明在圖1的鎮(zhèn)流電路中采用、以改善其總體性能的另一個改進的點火電路的示意電路圖。
圖2表示了一個具有改進的HID點火電路120的鎮(zhèn)流電路100。鎮(zhèn)流電路100類似于鎮(zhèn)流電路10，不同的是，變壓器130是個有隙變壓器，并且在有隙變壓器的次級線圈134的兩端設(shè)置一個電容器136。具體來說，由DC源12生成直流(DC)電壓，來自DC源12的電壓被提供給下變頻器14，下變頻器14的輸出被提供給整流器16，整流器16的輸出被提供給串聯(lián)的有隙變壓器130的次級線圈134和燈38。電能是通過電纜36提供給燈38的。燈38是高亮度放電(HID)燈，如金屬鹵燈、高壓鈉燈、高壓汞燈和金屬汽燈。燈38的點火由點火電路120控制。除次級線圈134和電容器136外，點火電路20還包括電感器22，有隙變壓器130的初級線圈132，兩個SIDAC 24和26，以及電阻28與電容器29的并聯(lián)組合，它們在下變頻器14的輸出之間串聯(lián)連接。
對有隙變壓器130的設(shè)計參數(shù)的選擇，使得有隙變壓器130在滿負載電流時不飽和。結(jié)果，次級線圈134即使在滿負荷電流時也保持有足以削弱由下變頻器14發(fā)出的波紋電流的電感。次級線圈134最好在向燈28輸送的負載電流的整個范圍都能有效地削弱由下變頻器14發(fā)出的波紋電流。由于波紋電流產(chǎn)生燈38中的共鳴，而共鳴會使燈38熄滅，縮短其壽命，引起各種燈維護問題，所以需要削弱波紋電流。應(yīng)當明白，一般來說，在滿負載電流時不飽和的變壓器不能用于代替有隙變壓器130。
除了有隙變壓器130的作用外，點火電路120的工作方式與圖1的點火電路20的基本相同。具體來說，SIDAC 24和26兩端的電壓等于位于下變頻器14的輸出的電容器兩端的電壓，直到發(fā)生SIDAC 24和26的出穿，此時，一個電壓脈沖被施加到初級線圈132并以一個高壓脈沖耦合到次級線圈134。SIDAC 24和26保持導(dǎo)通，直到流經(jīng)它們的電流降到它們的保持電流以下時才關(guān)閉。此時，電容器29通過電阻28放電。現(xiàn)在，如果燈38已經(jīng)點著，下變頻器14通過鎮(zhèn)流器16向燈38提供一個大電流，但是下變頻器14的輸出電壓降到SIDAC 24和26的擊穿電壓以下，使得點火電路120變得不起作用。另一方面，如果燈38沒有點著，位于下變頻器14的輸出的電容器兩端的電壓就開始增加，直到變得等于SIDAC 24和26的擊穿電壓，于是該點火循環(huán)重復(fù)進行。電感器22限制di/dt，以保護SIDAC 24和26。
由于有隙變壓器130將脈沖從點火電路120的初級端向次級端耦合的作用較差，所以在次級線圈134的兩端連接一個電容器136。電容器136調(diào)節(jié)變壓器216的次級電路的共振頻率，以對點火脈沖整形，使得能在為鎮(zhèn)流電路100設(shè)計的整個范圍的負載條件下，包括由電纜36的長度引起的變化的負載電容的條件下，滿足燈38的點火脈沖技術(shù)要求。電容器136有益于促進可靠的燈點火。對電容器136的值的選擇，既要在一定程度穩(wěn)定點火電路120的總電容，又要向燈38生成點火脈沖。電容器136的值最好大于負載電路中包括電纜36的電容以及次級線圈134中固有電容在內(nèi)的所有其它電容的總和。
適合設(shè)計用于驅(qū)動100W陶瓷金屬鹵燈的點火電路20的各種部件的值如下電感器22-47μH；SIDAC24-MKP1V120型或相當型號；SIDAC 26-MKP1V120型或相當型號；電阻28-10KΩ；電容器29-220nF。變壓器130是有隙類型的，含有一個四部分的E25/13/11線軸，一個3C85鐵氧體磁心，一個9匝0.45金屬線的初級線圈、一個132匝0.45金屬線的次級線圈和一個總共0.6mm的氣隙，后者最好以本領(lǐng)域眾所周知的方式通過提供兩個0.3mm的氣隙而實現(xiàn)。最好將次級線圈134中的匝數(shù)保持在實用的水平，以避免在次級線圈134中產(chǎn)生太大的電阻。給定這些值后，變壓器130的初級電路中的自然共振頻率約為43kHz，變壓器130的次級電路中的自然共振頻率約為200kHz，耦合系數(shù)的數(shù)量級約為0.6至0.7。如果與次級線圈耦合的點火脈沖能夠由電容器136來整形，以滿足燈38的點火脈沖技術(shù)要求，則可以為在整個范圍電流時實現(xiàn)次級線圈34中希望的電感量而改變變壓器130的間隙。
應(yīng)當明白，要提高滿負載電流時次級線圈136的電感，可能需要以本領(lǐng)域眾所周知的方式對鎮(zhèn)流電路100的控制動態(tài)特性(controldynamics)進行調(diào)整。這些調(diào)整相當依賴于以本領(lǐng)域眾所周知的方式用于DC源12、下變頻器14、和整流器16的特定設(shè)計。
應(yīng)當明白，鎮(zhèn)流電路100的各種部件以及有隙變壓器130的設(shè)計的給定值僅僅是示意性的，根據(jù)電路設(shè)計人的特定標準和偏好，也適合采用其它值和設(shè)計。此外，可以用各種其它類型的部件和電路來替代點火電路120中使用的特定部件，同時保留點火電路120的基本功能。例如，可以用諸如電源MOSFET和IGBT的其它電源開關(guān)代替SIDAC24和26來在變壓器130的初級電路中生成脈沖。這種最好有但不必非要有擊穿特性的電源開關(guān)，是本領(lǐng)域的熟練人員非常了解的。
圖3中表示的是具有開式燈負載(open lamp load)的鎮(zhèn)流電路100的工作，開路燈負載實質(zhì)上代表進入發(fā)光階段之前進入冷燈的操作。y軸是以1.00kV遞增的開路電壓(OCV)，而時間則顯示在以0.5ms遞增的x軸上。該波形顯示鎮(zhèn)流電路100的標準特性，鎮(zhèn)流電路中施加的電壓是重復(fù)的約150Hz的方波，每半個周期至少有一個點火脈沖。最大觀測點火脈沖電壓是3.82kV。最小觀測點火脈沖電壓是2.49kV。在圖3中所示的時間刻度上，不可能觀測到點火脈沖的細節(jié)。
圖4、5和6中分別顯示了對應(yīng)3pF、100pF和150pF的電容負載的點火脈沖的形狀。3pF的電容負載基本上是個開路，而100pF的電容負載是10英尺長的連接燈38的電纜的通常電容負載，150pF的電容負載是15英尺長的連接燈38的電纜的通常電容負載。在這些圖中，y軸是以1.00kV遞增的開路電壓(OCV)，而時間則顯示在以0.5ms遞增的x軸上。對所有推薦的應(yīng)用來說。一般規(guī)定諸如100W金屬鹵燈的燈的點火脈沖要有3.0kV到4.0kV的峰值和至少持續(xù)約1.0μs寬度的2.7kV電平。其它類型的燈具有不同的點火脈沖技術(shù)要求。
如圖4中可見，點火電路120在電容負載是3pF時發(fā)出的一個在技術(shù)要求內(nèi)的點火脈沖。峰值是3.82kV,2.7kV的寬度約為1.2μs?？捎^測到平均電壓有些下降，但是這種下降并不重要。
如圖5中可見，點火電路120在電容負載是100pF時發(fā)出的一個在技術(shù)要求內(nèi)的點火脈沖。峰值是3.46kV,2.7kV的寬度約為1.3μs。可觀測到平均電壓有些下降，但是這種下降并不重要。
如圖6中可見，點火電路120在電容負載是150pF時發(fā)出的一個在技術(shù)要求內(nèi)的點火脈沖。峰值是3.26kV,2.7kV的寬度約為1.0μs。可觀測到平均電壓有些下降，但是這種下降并不重要。
總之，圖4至6顯示，對于一個寬范圍的期望負載電容，點火電路120發(fā)出的一個在技術(shù)要求內(nèi)的點火脈沖。在獲得這個性能的同時，提供滿負載電流的大電容，以輔助削弱波紋電流。
圖7中表示了一個具有改進的HID點火電路620的鎮(zhèn)流電路600。鎮(zhèn)流電路600的各種部件的電路類似于鎮(zhèn)流電路100的部件和電路，不同的是，點火電路120中的SIDAC24和26、電阻28和電容29已經(jīng)被MOSFET電源開關(guān)替代。具體來說，點火電路620包括一個與有隙變壓器130的初級線圈132串聯(lián)的MOSFET 626和一個與MOSFET 626連接的控制電路624?？刂齐娐?24是按本領(lǐng)域眾所周知的方式設(shè)計的，用于通過按MOSFET兩端的電壓開關(guān)MOSFET 626來控制脈沖生成。二極管622通過限制關(guān)閉期間的過壓來保護MOSFET 626。
本文中所陳述的對本發(fā)明及其應(yīng)用的說明是說明性的，而不是要限制如以下權(quán)利要求中所陳述的本發(fā)明的范圍。對本文中披露的實施例的改變和修改是可能的，實施例的各種元件的實際替代件和等同物是本領(lǐng)域的熟練人員已知的?？梢栽诓黄x如以下權(quán)利要求中所陳述的本發(fā)明的范圍和精神的情況下改變和修改本文中披露的實施例。
權(quán)利要求
1．一種用于有預(yù)定點火脈沖技術(shù)要求和預(yù)定最大工作負載電耗技術(shù)要求的高亮度放電燈的點火電路(120、620)，包含一個具有初級線圈(132)和至少一個次級線圈(134)的有隙變壓器(130)，該變壓器是額定的，以避免因流經(jīng)其次級線圈的最大工作負載電流而飽和；一個與有隙變壓器的次級線圈并聯(lián)的第一電容器(136)；與有隙變壓器的次級線圈串聯(lián)的第一和第二燈連接接點；一個與有隙變壓器的初級線圈串聯(lián)的電源開關(guān)(24、26、622、626)；和一個與有隙變壓器的初級線圈連接的第二電容器(29)。
2．如權(quán)利要求1中所述的點火電路，其中，第一電容器(136)有一個電容，變壓器的次級線圈有一個電感，對第一電容器的電容和變壓器的次級線圈的電感的選擇，使得點火電路在對燈的點火期間發(fā)出一個符合燈(38)的點火脈沖技術(shù)要求的點火脈沖。
3．如權(quán)利要求1或2中所述的點火電路，進一步包含一個與第一和第二燈連接接點相連的電纜(36)，電纜有一個電容，并且第一電容器具有的的電容大于電纜的電容。
4．如權(quán)利要求1中所述的點火電路，其中，電源開關(guān)包含一個依賴于電壓的擊穿電路(22、622、624、626)。
5．如權(quán)利要求4中所述的點火電路，其中，電源開關(guān)包含一對串聯(lián)的SIDAC(24、26)。
6．如權(quán)利要求4中所述的點火電路，其中，電源開關(guān)包含一個IGBT。
7．如權(quán)利要求4中所述的點火電路，其中，電源開關(guān)包含一個MOSFET(626)。
8．如權(quán)利要求4中所述的點火電路，進一步包含一個與第二電容(29)并聯(lián)的電阻(28)，該并聯(lián)的電阻和第二電容與依賴于電壓的擊穿元件(24、26)是串聯(lián)的。
9．如權(quán)利要求1中所述的點火電路，進一步包含一個與有隙變壓器(130)的初級線圈(132)串聯(lián)的電感器(22)。
10．一種用于點燃和控制高亮度放電燈(38)的電子鎮(zhèn)流電路(100)，包含一個有輸出接點的DC電源(12、14)；一個有與DC電源的輸出接點相連的輸入接點并且有輸出接點的鎮(zhèn)流器(16)；一個有初級線圈(132)和至少一個次級線圈(134)的有隙變壓器(130)；一個點火次級電路，它包含有隙變壓器的次級線圈(134)，一個與有隙變壓器的次級線圈并聯(lián)的第一電容器(136)，在整流器的輸出接點之間與有隙變壓器的次級線圈串聯(lián)的第一和第二燈連接接點；一個點火初級線圈，它包含一個電感器(22)，有隙變壓器的初級線圈(132)，依賴于電壓的擊穿元件(24、26)；一個在DC電源的輸出接點之間串聯(lián)的第二電容器(29)，點火初級電路進一步具有一個與第二電容并聯(lián)的電阻(28)。
全文摘要
一個用于鎮(zhèn)流電路的改進的高亮度放電(HID)點火電路使用一個在其次級線圈兩端設(shè)置一個電容器的有隙變壓器。鎮(zhèn)流電路包含一個DC電源、一個下變頻器、一個整流器和該點火電路。整流器的輸出被提供給串聯(lián)的有隙變壓器的次級線圈和燈。燈是一個HID燈,諸如金屬鹵燈、高壓汞燈、或金屬汽燈。在電纜上向燈提供電源。燈的點火由點火電路控制,除了有隙變壓器的次級線圈和電容器外,該點火電路還包含一個電感器,有隙變壓器的初級線圈,兩個SIDAC以及一個電阻與一個電容器的并聯(lián)組合,它們?nèi)看?lián)在下變頻器的輸出之間。有隙變壓器的設(shè)計參數(shù)的選擇,使得有隙變壓器在滿負載電流時不飽和。有隙變壓器的次級線圈兩端的電容器調(diào)節(jié)次級電路的共振頻率,以對點火脈沖整形,使得能在為鎮(zhèn)流電路設(shè)計的整個范圍的負載條件下,包括由電纜的長度引起的變化的負載電容的條件下,滿足燈的點火脈沖技術(shù)要求。
文檔編號H05B41/04GK1304628SQ00800776
公開日2001年7月18日 申請日期2000年5月1日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月7日
發(fā)明者N·克萊門茨, O·多伊爾曼 申請人:皇家菲利浦電子有限公司