專利名稱：用于電子鎮(zhèn)流器的單向轉(zhuǎn)換限流截止電路的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及鎮(zhèn)流器，或用于氣體放電燈的電源電路。本發(fā)明特別用于立即電流饋入和/或快速啟動電子鎮(zhèn)流器或電源電路并且將具體參考這些應(yīng)用進行說明。但應(yīng)當指出，本發(fā)明也可應(yīng)用于其它控制器，而不限于上述應(yīng)用。
背景技術(shù)：
目前有兩種用于啟動氣體放電燈的流行的啟動方法。一種是立即啟動，另一種是快速啟動。在立即啟動和快速啟動這兩種方法中，燈的陰極在燈點火前都要預(yù)熱。在立即啟動的電子鎮(zhèn)流器中，陰極由輝光放電電流預(yù)熱。這是在燈點火前流過燈的電流。通常，輝光放電電流的電壓很高，可在大約400到500Vrms范圍內(nèi)或更高。在預(yù)熱階段，此時燈不導(dǎo)通，這種高電位差會導(dǎo)致轟擊陰極，結(jié)果每當燈點亮?xí)r陰極的一些物理材料就會濺射出來。于是，利用立即啟動方法的燈的壽命就不如利用快速啟動方法的燈那么長。通常，利用立即啟動方法的燈的壽命大約為利用快速啟動方法的同樣類型燈的壽命的80％。
在快速啟動的電子鎮(zhèn)流器中，用陰極上單獨的電壓將陰極預(yù)熱，同時維持燈內(nèi)的低電壓。所以輝光放電電流很小，比起立即啟動電路大約要小10ma。在快速啟動方式下，啟動階段燈不導(dǎo)通時燈上加有高電位的時間顯著縮短，陰極轟擊的程度也不像用立即啟動方法那樣嚴重，故顯著延長了燈的壽命。
但利用快速啟動方式有一個缺點。目前，一旦加上預(yù)熱電流后，所述電流一般就不從陰極上去除，甚至在燈點火之后。結(jié)果當燈點亮之后，低壓加熱電流仍不斷地加到陰極上。于是利用快速啟動方法啟動的燈就比用立即啟動方法的燈要消耗更多的功率。在一只燈情況下可能要多消耗大約1.5W功率，而在三燈鎮(zhèn)流器情況下可能要多消耗4.5W到6W功率。這多消耗的功率只是產(chǎn)熱，不產(chǎn)生任何附加的光輸出，即不產(chǎn)生額外的流明。所以，從立即啟動改到快速啟動，燈的壽命增加但功耗也增加了。

發(fā)明內(nèi)容
按照本發(fā)明的一個方面，燈變換器電路包括將母線電壓信號轉(zhuǎn)換為交流信號的轉(zhuǎn)換部分。輸入部分接收母線電壓信號，而諧振負載部分驅(qū)動燈。預(yù)熱部分在點火前使預(yù)燈熱，而在燈點火之后不再起作用。
按照本發(fā)明的另一方面，啟動燈的方法包括接收母線電壓信號；將母線電壓信號轉(zhuǎn)換為交流信號；把燈預(yù)熱到點火溫度；將燈點火；以及在燈點火之后停止預(yù)熱。
按照本發(fā)明的另一方面，提供輔助燈的點火方法，所述方法包括檢測燈鎮(zhèn)流器電路中主燈的導(dǎo)通狀態(tài)，所述檢測是由控制主燈預(yù)熱的開關(guān)進行的；檢測主燈的整體狀態(tài)；以及如果主燈失效，則將電流由主燈轉(zhuǎn)換到輔助燈。


圖1是按照本發(fā)明的燈系統(tǒng)的方框圖；圖2是按照本發(fā)明的一個方面的圖1所示燈系統(tǒng)中的鎮(zhèn)流器變換器電路的電路圖；圖3A示出按照本發(fā)明的快速啟動電子鎮(zhèn)流器在時間順序上的母線電壓；圖3B示出按照本發(fā)明的快速啟動電子鎮(zhèn)流器的母線電壓和啟動時間的函數(shù)關(guān)系；圖4示出圖2的電容器30的隨母線電壓變化的充電電流；圖5示出圖2電路的一部分的另一種結(jié)構(gòu)，具有在諧振電感器中抽頭的附加繞組。
具體實施例方式
參閱圖1，燈電路A包括高頻變換器10和燈組件12。變換器10用母線電壓11供電，可以是電流饋入型或電壓饋入型高頻變換器。這兩種類型變換器都利用電感電路，不論它們是電感器或變壓器。從變換器10的部分電感電路抽頭出來的是繞組結(jié)構(gòu)14的附加電感繞組，所述附加電感繞組向單向定時開關(guān)電路16供電。這些繞組提供的功率用來預(yù)熱燈組件12的陰極。每個燈用兩個繞組，因為每個燈有兩個陰極要預(yù)熱。對于三燈結(jié)構(gòu)，只從變換器10的電感繞組結(jié)構(gòu)14抽頭出4到6個繞組，因為三燈中有一個陰極是并聯(lián)的，只用單一繞組加熱。
定時開關(guān)電路16選擇為單向，以免在由開關(guān)電路16控制之前需將AC控制信號轉(zhuǎn)換成脈沖DC信號。這樣可以使開關(guān)結(jié)構(gòu)更簡單、便宜，并且有助于用單個開關(guān)向陰極供電。
定時開關(guān)電路16的單個開關(guān)選擇為具有零電壓接通點和零電流斷開點。這使開關(guān)可以在沒有過分高的電壓下接通。否則，就需要更大、更貴的開關(guān)來完成同樣的任務(wù)。而且，利用零電壓接通和零電流斷開，在開關(guān)啟動或斷開時可減少功耗。變換器10和定時開關(guān)電路16都由限流變壓器結(jié)構(gòu)18選通，限流變壓器結(jié)構(gòu)18調(diào)節(jié)啟動以及提供到燈陰極組件12的電流。
參閱圖2，圖中示出燈電路A的更詳細的電路圖，包括在電流饋入半橋變換器實現(xiàn)方案中的變換器啟動電路10，它和陰極截止電路一起工作，包括電感繞組結(jié)構(gòu)14、單向定時開關(guān)電路16和限流變壓器結(jié)構(gòu)18。
為將DC母線信號轉(zhuǎn)換成AC信號，第一晶體管20和第二晶體管22在導(dǎo)通時段和非導(dǎo)通時段之間交替，彼此不同相。就是說，當?shù)谝痪w管導(dǎo)通20時，第二晶體管不導(dǎo)通，反之亦然。晶體管20、22是變換器電路10的開關(guān)部分的一部分。晶體管的交替的導(dǎo)通時段的動作將AC信號提供到燈組件12。在圖2所示的實施例中，晶體管是雙極結(jié)型晶體管(BJT)，但應(yīng)理解，本發(fā)明的概念也可用于業(yè)界已知的其它開關(guān)網(wǎng)絡(luò)。例如，以下說明也可用場效應(yīng)晶體管在半橋電流饋入鎮(zhèn)流器以及推挽型電流饋入電子鎮(zhèn)流器中實現(xiàn)。
在所述實施例中，每個晶體管20、22具有各自的基極(B)、發(fā)射極(E)和集電極(C)。在任一晶體管上從基極到發(fā)射極的電壓確定了所述晶體管的導(dǎo)通狀態(tài)。就是說，晶體管20的基極到發(fā)射極的電壓確定了晶體管20的導(dǎo)通狀態(tài)，而晶體管22的基極到發(fā)射極的電壓確定了晶體管22的導(dǎo)通狀態(tài)。在所示實施例中，當電流最初加到變換器啟動電路10上時，晶體管20和22都不導(dǎo)通。如下將詳述，在母線電壓到達預(yù)定的閾電壓之前，變換器電路的啟動部分24防止電流加到晶體管20、22上。所述啟動部分包括齊納二極管26、二極管28、電容器30和二端交流開關(guān)32。
電容器34和36兩端的電位差等于母線電壓。在一個實施例中，電容器34和36等值，所以電容器34上的電壓等于電容器36上的電壓。和電容器34和36并聯(lián)的是電阻器38、40和42。電阻器38、40在節(jié)點44形成分壓器，且電流通過分壓器38、40加到啟動部分24上。
當功率最初加到變換器啟動電路10上時，齊納二極管26和二極管28防止任何大的電流通過啟動部分24。在功率最初加到變換器啟動電路10上之后，隨著母線電壓直線上升，部分電路電流使電容器34和36充電，其它電流使諧振電容器46充電，其余的電流流過電阻器38、40和42。最初，由于一半母線電壓被電阻器38和40分壓，不能達到齊納二極管26的擊穿電壓，齊納二極管26防止電流流過啟動部分24。最終，母線電壓上升到使節(jié)點44的電位大于齊納二極管26擊穿電壓的電平，使齊納二極管26導(dǎo)通，將增大的電流電平加到啟動部分24，更具體地說，加到電容器30上。在所示實施例中，齊納二極管26的擊穿電壓在大約60到80伏之間，最好是80伏。
一旦齊納二極管26導(dǎo)通(圖2中從左到右)，電容器30開始充電。此時，電流加到啟動部分24上，但二端交流開關(guān)32防止晶體管20的基極在集電極-發(fā)射極方向上的導(dǎo)通。隨著母線電壓繼續(xù)上升，電容器30積聚了更多的電荷，最終到達能勝過二端交流開關(guān)32導(dǎo)通電壓的電位。當?shù)竭_導(dǎo)通電壓時，晶體管20導(dǎo)通，變換器啟動電路12開始振蕩，將燈組件12的陰極預(yù)熱。
到達二端交流開關(guān)32的導(dǎo)通電壓之后，電容器30不再有機會繼續(xù)積聚電荷。電流直接從節(jié)點44流到晶體管20的集電極，因為在二端交流開關(guān)32導(dǎo)通后晶體管20導(dǎo)通。二極管28提供一條通路，允許電容器30放電，每周期一次。變換器啟動電路10現(xiàn)正常工作，啟動部分24不再有動作。
繼續(xù)參閱圖2，開關(guān)晶體管20、22由各自的驅(qū)動電路48，50驅(qū)動。驅(qū)動電路48包括二極管52和電阻器54的組合，通過繞組56、68的耦合供電。驅(qū)動電路50包括二極管60和電阻器62的組合，通過繞組64、68的耦合供電。燈組件12通過繞組68和70的耦合從變換器電路10供電，其中繞組70在其長度兩端有電容器72，可以把繞組70和電容器72看做諧振負載元件。繞組58和66也用作限流裝置。
如果負載突然發(fā)生變化，功率齊納二極管74和76擊穿，箝住晶體管(例如BJT)兩端的電位，保護它們不被破壞。
繼續(xù)參閱圖2，二端交流開關(guān)32的導(dǎo)通電壓選擇為與燈組件12的最佳點火電壓成正比。在所示實施例中，二端交流開關(guān)32的導(dǎo)通電壓選擇為當母線電壓(電容器34和36上的電壓)到達預(yù)定值時，例如約390伏時，二端交流開關(guān)32到達其導(dǎo)通電壓。換句話說，啟動部分24根據(jù)齊納二極管26和二端交流開關(guān)32的所選導(dǎo)通電壓來檢測母線電壓何時到達優(yōu)選的點火電壓。在所示實施例中，二端交流開關(guān)32的導(dǎo)通電壓在20伏和40伏之間，最好約32伏。
應(yīng)理解，上述對于第一晶體管20的說明也適用于第二晶體管22。就是說，在另一變換器啟動電路的實施例中，啟動部分24連接到第二晶體管22，由第二晶體管22啟動振蕩，而不是由第一晶體管20。
而且，優(yōu)選點火電壓可選擇為低于在立即啟動和快速啟動應(yīng)用中燈的典型工作電壓(在一些實例中，分別為大約450V和500V)。點火電壓也選擇為大約300伏或更高一些。
圖3A示出包括本發(fā)明的變換器啟動電路10的快速啟動鎮(zhèn)流器的時間序列圖。由圖可見，此序列包括三次不同的轉(zhuǎn)變。從接通(0)到t0母線電壓從起始電壓(例如169V)轉(zhuǎn)變到優(yōu)選的預(yù)熱電壓(例如390V)。t0-t1的時長為預(yù)熱時間(例如穩(wěn)定的390V)，從t1到t2，母線電壓上升到其穩(wěn)定狀態(tài)(例如500V)。參閱圖3B，圖中示出說明包括變換器啟動電路10的快速啟動鎮(zhèn)流器的變換器啟動時間的曲線圖。同時觀看圖3A和3B，可知啟動時間由電路的母線電壓所控制。例如，如果母線電壓小于300V，變換器電路要用大約10秒鐘啟動，但當母線電壓為300V或更高時，啟動時間降到大約40毫秒。圖3B示出電路的電壓依賴性，可以看出啟動電路的工作不是一個依靠時間的因素，而是一個受電壓控制的概念。在供電并開始振蕩后沒有預(yù)定的時間。而是，在本設(shè)計中，在電路供電后，只要母線電壓低于某一數(shù)值(例如300V)，理想情況下就沒有振蕩，僅當母線電壓等于或高于導(dǎo)通電壓(例如300V)，振蕩才會開始。由此可見電路的啟動受母線電壓值的控制。
現(xiàn)參閱圖4，圖中示出圖2的充電電容器30的工作，示出其兩種不同的充電速率。充電電容器30始終有一定量的儲存能量用來導(dǎo)通二端交流開關(guān)32。如圖所示，當母線電壓超過300V時，電容器30以非常快的速率充電，當母線電壓低于300V時，電容器30僅由漏電流充電。具體地說，當母線電壓低于300V時，齊納二極管26絕對不在相反方向上導(dǎo)通，僅允許漏電流73a來充電電容器30。當母線電壓達到300V時，顯著較高的充電電流73b就可加到電容器30上。
選擇閾電壓時另一要考慮的因素是啟動母線電壓。對于120V的線路輸入，輸出的母線電壓從約169V上升。對于277V的線路輸入，輸出的母線電壓從約390V上升。如前所述，在390V時啟動時間大約為40毫秒。在變換器電流振蕩后，母線電壓繼續(xù)上升到穩(wěn)態(tài)工作電壓V。于是，一種示范點火電壓為390V，因為它大于方式轉(zhuǎn)變所需的300V，而小于通常的穩(wěn)態(tài)工作電壓，并在母線電壓到達穩(wěn)態(tài)之前能盡快觸發(fā)變換器電路。當然，可以根據(jù)已知的線電壓和所需的變換器多方面性來選擇更高或更低的點火電壓。
回到圖2，請注意陰極截止或預(yù)熱控制電路(14、16、18)。在此設(shè)計中，繞組70和68，除了設(shè)計作為諧振電感外，還提供了對鎮(zhèn)流器的隔離。繞組結(jié)構(gòu)14的次級電感繞組80提高了開關(guān)電路16的電壓并提供對開關(guān)電路16的隔離。諧振繞組70包括一個間隙，具有相當?shù)偷拇呕姼衅鳌４穗姼衅饔米髦C振元件，在燈啟動前與電容器72和46一起諧振。此外，在燈組件12中的燈點火后，電容器75、77和78反映到初級側(cè)70。繞組70結(jié)合電容器46、72、75、77和78一起確定組件A的一個或多個工作頻率。
電感器繞組80也從諧振電感器繞組70抽頭。繞組80向開關(guān)電路初級繞組82供電。繞組82再向陰極繞組84、86、88和90供電。陰極繞組84、86、88和90預(yù)熱燈組件12中燈的陰極。應(yīng)理解，陰極繞組84、86、88和90用作初級繞組82的次級。所述初級繞組具有較多的匝數(shù)，所以在初級繞組82中需要的電流就較低。否則，就需要用能容納較高電流的較昂貴的器件來作開關(guān)器件94。低電流的器件對于降低功耗也是比較理想的。電容器92限制了繞組80向初級繞組82提供的電流。如果電容器92的值選擇得足夠低，它可限制提供到繞組82上的最大電流。電容器92起雙重作用當晶體管94不工作時它起隔直流電容器的作用。在幾個周期之后，它從電路中去除繞組82。即，當晶體管94不工作時，不對陰極加熱。二極管96連接在電容器34和36之間，當晶體管94不工作時保護晶體管94在瞬態(tài)期間不會加有過大的電壓。
圖1的繞組結(jié)構(gòu)14還包括電感器繞組98，它通過二極管100提供電流并使電容器102充電。電容器102受由電容器106和電阻器104所確定的RC時間常數(shù)控制。所述時間常數(shù)選擇為在燈組件點火一個安全時間后從陰極取消加熱，例如可以是在變換器電流點火后數(shù)秒到10秒或更多。電容器102經(jīng)由電阻器104連接到FET 108的柵極。當滿足由電容器106和電阻器104所確定的RC時間常數(shù)時，在電容器102上積聚的電荷使FET 108導(dǎo)通。然后FET 94的柵極降到較低的電壓電平，使FET 94停止工作。如前所述，當FET 94不工作時，電路16中陰極開關(guān)上的電壓被去除，從而取消了對陰極的加熱。
晶體管94和108均示為MOSFET，但應(yīng)理解，利用雙極結(jié)型晶體管或其它開關(guān)器件也可實現(xiàn)類似的電路結(jié)構(gòu)。
現(xiàn)參閱圖5，圖中示出的是具有半橋電壓饋入快速啟動電子變換器10’的一部分的另一陰極截止電路14’、16’、18’實施例。變換器10’使用FET開關(guān)20’、22’。此設(shè)計包括屬于諧振電感器112的抽頭的附加繞組110。功率經(jīng)由電容器92和初級繞組82從諧振電感器112的繞組110輸送到陰極114、116，與圖2中的元件具有類似功能的元件和圖2中的元件具有相同編號。
因此，根據(jù)上文，可以看到，圖2和5示出與電流或電壓饋入的半橋變換器電路相結(jié)合的新的啟動電路的兩種實施方案，所述電路還實現(xiàn)采用單向開關(guān)電流設(shè)計的陰極截止電路。主母線電壓可由三電阻器分壓電路檢測。部分母線電壓加到齊納二極管和充電電容器上。當電壓達到預(yù)定電平時，齊納二極管擊穿，允許充電電容器充電。然后二端交流開關(guān)擊穿，導(dǎo)致自激振蕩變換器被觸發(fā)。當?shù)谝痪w管接通時，二極管防止充電電容器被充電，并允許其在每半周放電。這樣選擇元件值，使得齊納二極管的擊穿電壓至少是二端交流開關(guān)擊穿電壓的兩倍或更高。單向開關(guān)電路控制著輸送到燈陰極上的能量，并且限流電容器防止電流升高到危險的程度。這在可能的錯誤接線時，例如一個或多個陰極短接時，可以保護所述結(jié)構(gòu)。在變換器晶體管20(20’)和22(22’)振蕩之前，單個單向晶體管開關(guān)94在零電壓情況下接通，當FET的寄生反并聯(lián)二極管(或與BJT并聯(lián)的二極管)導(dǎo)通時，在零電流的情況下斷開。在燈已啟動和穩(wěn)定后晶體管108控制將陰極加熱去除。本發(fā)明的可能應(yīng)用包括通用電氣公司的4ft.和8ft.T12和T8電子燈鎮(zhèn)流器。
上述設(shè)計的附加實施例可用于主燈熄滅時啟動輔助電源電路。例如，參閱圖1，在主燈(例如組件12的燈)失效時或未被使用時由虛線表示的加熱電路(14、16、18)可用來提供輔助電源。在這種情況下，輔助燈120可連接到預(yù)熱電路(14、16、18)。輔助燈可以是低功率的熒光燈、白熾燈或其它的發(fā)光元件。所以，附加繞組14、18不是用來預(yù)熱燈組件12的陰極，它們連接到輔助燈120。通過結(jié)合圖2和圖5(例如繞組82)所討論的方式進行繞組耦合，就可實現(xiàn)這種連接，對輔助燈提供電源和控制，或用單獨的變換器電路來供電和控制輔助燈。此設(shè)計提供了非常低廉的輔助照明控制，部分是因為使用單一的開關(guān)來代替雙開關(guān)系統(tǒng)。輔助燈可用于各種情況，例如備用照明或緊急照明情況。這樣，預(yù)熱電路(14、16、18)，可以用來向輔助燈120供電，而不是加熱陰極。
圖2和圖5中電路的一些示范元件值如下



應(yīng)理解，上述元件和數(shù)值可根據(jù)具體實施方案改變，未列表的數(shù)值可以根據(jù)這些實施方案進行選擇。
已結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明作了說明。在讀了和理解了以上的詳細說明后其它人會想到一些修改和替換。應(yīng)認為本發(fā)明包括所有這些修改和替換，因為它們在所附權(quán)利要求書或其等效物的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種燈變換器電路(10)，它包括轉(zhuǎn)換部分(20、22)，它將母線電壓信號轉(zhuǎn)換成交流信號；輸入部分，它接收所述母線電壓信號；諧振負載部分(70，72)，用于驅(qū)動燈(12)；以及預(yù)熱部分(16)，它執(zhí)行以下操作在所述燈(12)點火之前加熱所述燈(12)，以及在所述燈(12)點火之后自動停止工作。
2.如權(quán)利要求1所述的燈變換器電路(10)，其特征在于所述陰極預(yù)熱部分(16)包括單向開關(guān)(94)，用來控制供給所述至少一個燈(12)的能量。
3.如權(quán)利要求1所述的燈變換器電路(10)，其特征在于所述變換器電路是電壓饋入電路和電流饋入電路之一。
4.如權(quán)利要求2所述的燈變換器電路(10)，其特征在于所述單向開關(guān)(94)是場效應(yīng)晶體管。
5.如權(quán)利要求2所述的燈變換器電路(10)，其特征在于所述單向開關(guān)(94)是雙極結(jié)型晶體管。
6.如權(quán)利要求2所述的燈變換器電路(10)，其特征在于所述單向開關(guān)(94)檢測所述燈(12)和所述母線電壓信號之一是否出故障。
7.如權(quán)利要求6所述的燈變換器電路(10)，其特征在于當檢測到所述母線電壓和所述燈(12)之一失效時所述單向開關(guān)(94)將輔助光源點火。
8.如權(quán)利要求6所述的燈變換器電路(10)，其特征在于還包括限流裝置(92)，用于在所述燈(12)失效時限制最大電流。
9.如權(quán)利要求2所述的燈變換器電路(10)，其特征在于所述單向開關(guān)(94)具有零電壓接通點。
10.如權(quán)利要求2所述的燈變換器電路(10)，其特征在于所述單向開關(guān)(94)具有零電流斷開點。
全文摘要
一種燈變換器電路(A)包括將母線電壓信號(11)轉(zhuǎn)換成交流信號的轉(zhuǎn)換部分。輸入部分接收母線電壓信號，諧振負載部分(70，72)驅(qū)動燈(12)。預(yù)熱部分(16)在點火之前加熱燈(12)，而在燈(12)點火之后自動撤銷。啟動燈(12)的方法包括接收母線電壓信號；將母線電壓信號轉(zhuǎn)換成交流信號；預(yù)熱燈(12)到點火溫度；點火燈(12)；以及在燈已點火后停止預(yù)熱。輔助燈(120)的點火方法包括在燈鎮(zhèn)流器電路中檢測主燈(12)的導(dǎo)通狀態(tài)，所述檢測由控制主燈(12)預(yù)熱的開關(guān)(94)進行。檢測主燈(12)的整體狀態(tài)，如果主燈失效，則電流從主燈(12)轉(zhuǎn)換到輔助燈(120)。
文檔編號H05B41/46GK1604716SQ20041008558
公開日2005年4月6日 申請日期2004年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月30日
發(fā)明者T·陳, J·D·米斯科斯基, D·G·羅奧德, S·布蘭多尼西奧 申請人:通用電氣公司