無電極低壓放電燈工作電路的製作方法

2023-05-08 12:17:06 3

專利名稱：無電極低壓放電燈工作電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種低壓氣體放電燈的工作電路。
低壓氣體放電燈已經廣泛推廣使用達幾十年之久了，並且有著相當大量的已公知的該種燈的工作電路。本發明從一個公知的工作電路出發用來運行一種低壓氣體放電燈，這種燈帶有對其提供高頻功率的負載電路，帶有頻率發生器用以操作負載電路以及帶有一個用以控制頻率發生器的控制電路。
在無電極的低壓氣體放電燈領域存在著一個重要的技術新發展。用於點火及維持放電等離子區所必要的電壓及功率，無需在燈泡中安裝電極就可輸入耦合到放電氣體中。這尤其可能通過一個部分包圍著燈泡的閉合的線圈鐵芯發生，以此將感應電動勢輸入耦合到放電氣體中。無電極低壓氣體放電燈的其它技術細節由同一申請人的專利申請PCT/EP96/03180得出，其公開內容已被詳細地記載在本申請中。
本發明的技術問題的出發點在於，藉助於公知的工作電路，新的無電極低壓氣體放電燈是不能夠運行的。
根據本發明的工作電路，其特徵在於配置一種用於無電極低壓氣體放電燈的電路，它具有一個自由振蕩的鄰近諧振點工作的線路系統，該系統包括帶有燈的負載電路以及控制電路。
該自由振蕩的並接近於諧振頻率工作的電路，與常規電路相比，尤其是與那種帶有頻率發生器的集成控制電路相比較，能夠實現一種基本上「較軟性」的工作方式。這意味著，尤其是控制電路的電壓和電流時間特徵曲線基本上接近於工作頻率基波振蕩的正弦波形。
這種「較軟性」的工作方式導致明顯的線路的低損耗。尤其是涉及頻率發生器或者線路元件的線路損耗，但也涉及線圈鐵芯中的磁化損耗。此外，較少的諧波含量對於電磁相容性是有好處的。更確切地說，一方面關係到進入供電電網的雜散波，另一方面如果不使用屏蔽罩，也關係到無傳輸線的輻射。
上述近諧振點工作的優點，在下述事實方面顯得格外重要，按照本發明的新電路尤其是主要為燈的較高頻率的點火及持續工作時設計的，而常規公知電路的頻率約為20至50kHz。當高頻功率電感輸入耦合到放電中時，從較高頻率得出正比於各自頻率的電感電壓。這一點是特別重要的，因為通過電極的刪除就不再需要通常的措施。藉助於降低電子逸出功的電極塗層或者電極的預熱，通過電子發射可以引起足夠的予電離。該予電離導致顯著地降低了引燃等離子體的臨界場強。
該升高的工作頻率優選為高於70kHz，最好超過200kHz。這裡說的是多個工作頻率，因為通常一方面由於點火運行和正常運行之間的差別以及另一方面還通過下述情況的頻率變化，即，在外部或內部的放電參數變化的情況下當溫度變化時能夠產生工作頻率的變化。
為了取得必要的較高工作頻率，代替常規使用的雙極型功率電晶體，現在可以使用較快速的電晶體，如場效應電晶體，尤其是MOS FET用作頻率發生器中那個或那些線路元件。為了保持電晶體損耗在可被接受的範圍之內，需使雙極型電晶體工作在飽和區內，由此產生以雙極型元件為特徵的帶有相對長的複合相的載流子存儲。複合相或存儲時間能夠阻礙頻率升高。
此缺點可以通過場效應電晶體來避免，但是這需要一個明顯較高的電壓電平來控制(大約在MOS-FET情況下的4V，對比於矽雙極型電晶體情況下的0.7V)。此外，由於缺乏單極型電晶體可覺察的載流子存儲，該電壓電平在整個所需導通期間必須要保持。按照本發明的進一步發展，由此產生必要的柵極電壓，即採用一個電壓高出量，該高出量是由振蕩電路的接近諧振點的激勵產生的，用來控制場效應電晶體的柵極。對於必需超出柵極電壓的電壓時間長度，可以通過諧振電壓的振幅來調節，因為在兩個過零點之間，接近正弦波的電壓振蕩，在較高振幅時以比較長時間大於柵極電壓的閾值。
本發明的另一種構成是在控制電路中使用帶有鐵氧體磁芯的變壓器，它能夠激勵提供所述柵極控制電壓的振蕩電路。事實證明，在非飽和區域驅動變壓器磁芯是重要的，目的是避免柵極正弦電壓的畸變及不希望的損耗。這種畸變會妨礙按照本發明線路系統的「軟性」，也就是說影響接近正弦波的工作方式。此外，它也可能導致不利的柵極控制電壓的畸變，這種畸變能夠影響接通脈衝的持續時間。尤其是由於隨同飽和而來的電感下降會在過零點之間出現不希望的「尖的」電壓波形，其會傳遞到柵極控制電壓上。
柵極正弦波控制的另一優點是直接在電晶體斷開之前有很小的柵極電荷，也就是說有少量能量被貯存在電晶體中，它會導致漏極電流很快地下降，從而帶來很小的斷開損耗。
為了獲得一個整體上自由振蕩的接近諧振點的線路系統，以有利的方式將控制線路的能量從負載電路中取出。因為場效應電晶體相對於雙極型電晶體而言，可以要求一個功率較低的電壓控制，所以本發明提供的進一步的構成中，從負載電路取出一個電壓，例如通過一個取出燈電壓的電容器。這樣做還有這樣的優點，因為較高的工作頻率，由較強負荷的變壓器鐵芯所引起的較臨界的損耗問題，以及由此需要的較大鐵芯尺寸的問題，如在通常的飽和電流互感器情況下，整個負載電流流經其中的初級線圈的問題都沒有了。
關於負載電路本身的布線，按照本發明特別提供了一種「串並聯」配置供選擇。依此，將一個串聯振蕩電路同一個與振蕩電路一部分並聯的支路相組合，一個用高頻功率加負荷給燈的線圈位於其中。在點火前該並聯部分衰減少許，並且串聯電路為了產生必要的點火電壓能夠為少許衰減的串聯振蕩電路提供明顯的諧振電壓高出量。該點火電壓從並聯部分中抽取，並且感應地輸入耦合到放電中去。點火後串聯振蕩電路通過等離子體放電的轉換電阻而大大地衰減了，並且以一種有利的方式用於燈內的限流(重要的是由於低壓氣體放電燈的負微分電阻的作用)。
在串聯振蕩電路中的限流線圈，通常被稱作燈扼流圈，在並接燈線圈的運行狀態下，基本上是按照高頻並聯的。首先，如果附加地限流線圈的電感小於燈線圈的電感，則會導致明顯減少燈線圈電感波動對所述串並聯電路等效電感的影響，以及因此對串並聯配置的諧振頻率的影響。
這種性能的優越性是，因為例如燈線圈鐵芯的溫度變動，由於外界溫度的變動以及來自燈的升溫等變動，會很大地影響到磁性能，(初始磁導率及增量磁導率)以及由此影響到燈線圈的電感。所造成的頻率失調首先可能導致在固定頻率控制情況下的運行難題。例如可能出現，當特別低或者特別高的溫度時燈不再能夠被點燃，因為該裝置的諧振頻率離開發生器的控制頻率太遠了。通過上述的並聯電路效應，藉助於限流線圈，藉助於在串聯振蕩電路中的較小電感將對運行起到反作用。因而，在燈線圈鐵芯中溫度起伏的影響也是具有決定性的，因為這裡由於耦合效率與燈扼流圈相反，一種無間隙的鐵氧體磁芯，也就是一種具有儘可能小氣隙(在微未範圍)的磁芯應當得到應用。
此外或者二者擇一的，將整個由負載電路，控制電路和頻率發生器組成的裝置配置成，自動地進入「反饋迴路」，對負載電路中的頻率漂移起到阻止作用。例如用相當低的燈線圈鐵芯溫度及由此而很低的電感，能夠導致負載電路諧振頻率的升高以及由此而導致按照本發明自由振蕩線路系統的總工作頻率的升高。在低壓氣體放電燈中的與其相關聯的較高電感電壓，會導致以這種燈為特徵的功率下降和相應的較高放電電壓。功率發生器開關電晶體的柵控制電壓振幅的線性升高適應於較高的放電電壓，並導致開關電晶體較長的接通時間。該較長的接通時間會引起功率發生器工作頻率的降低，並由此導致燈功率的相應增加。因而總的得出一個整個系統自穩定的效果，這是以按照本發明自由振蕩的諧振控制為表徵的。
本發明的優點不僅在於具有較高的可靠性，而且線路對參數的波動具有較小的靈敏性。此外，還可以允許較大的元件公差，可減少費用，尤其是在燈線圈鐵芯方面。
下面描述本發明選的一個實施例。就此附加公開的技術細節也能夠以個別的或者以任意組合的方式都是具有發明實質性的。
其中

圖1表示實施例的線路圖；圖2表示為了更好地理解實施例工作方式的圖解的時間過程圖。
圖1表示按照本發明的工作電路，它作為用於無電極低壓氣體放電燈的電子穩流裝置的一部分。在左邊的線路輸入端，具有一個整流過的供給電壓Uo，其向一個存儲電解電容器C0充電，由此為具有兩個MOS-FET開關元件TO和TU和中間抽頭MP的一個「D類」半橋式頻率發生器饋電。該發生器驅動一個串並聯負載電路，位於中間抽頭和負供電支路(接地)之間的隔直流電容，或確切地說高頻耦合電容CK，限流及串聯振蕩電路線圈(燈扼流圈)L2，串聯電路諧振電容CR和與之並聯的帶有耦合磁芯的燈線圈L1，以及作為在耦合磁芯處連接無電極低壓氣體放電燈E的電路功率輸出端，而且是按照列舉的和圖示的順序進行。
燈線圈電壓或者說諧振電容器電壓U1(負的供電支路接地)被「D類」半橋式頻率發生器的控制電路的耦合電容Ci截取，並且由一個在線性B-H場內，亦即遠離飽和區工作的變壓器饋電，該變壓器帶有鐵氧體磁芯TR，初級線圈LP及兩個次級線圈LS。在線路圖中的黑點是相應於變壓器TR線圈各自的繞組始端。可以看出次級線圈是反向連接的。該變壓器激勵兩個諧振迴路，它們各由線圈LS及MOS-FET TO或TU的總柵極電容CG所組成。柵極電容是電晶體特有的，這種特有來自於工藝的和物理的效果，並且主要包括靜態輸入電容Ciss以及動態可變的柵極和漏極間的密勒(Miller)電容。
為了對帶有電容器Ci及線圈LP的控制電路的抽頭支路調諧，與線圈LP並聯設置了一個調諧電容CP；同樣用於MOS-FET柵極控制的振蕩電路包括並聯於線圈LS的調諧電容器CS。這些調諧電容器都小於柵電容，並且僅僅用於微調柵極諧振頻率，上述的這一些將對其他所述的電容和電感的選用起決定性作用。
為了改善開關性能，尤其是斷路損耗使用圖示的電阻RG，耗盡型電晶體T1及二極體D3。在燈點燃期間，反極性串聯的保護齊納二極體Z限制MOS-FET的柵電壓。此外，線路圖還包括一個頻率發生器的常規起動電路，該發生器是採用由元件R1，C1，D2及D1(DIAC二端交流開關)所構成的鋸齒波發生器形式，其在以工作頻率起動之後被二極體D2熄滅。電阻RS用於在上述鋸齒波發生器起動功率發生器之前，預先給出中間抽頭MP一個確定的電位(正供電電位)。
電容器CT是公知的「梯形電容器」，並且當改變MOS-FET的TO及TU的開關工作狀態時，用於限制中間抽頭MP電位突變的陡度。
本線路布置重要的是正確的調諧諧振頻率，並從而調諧工作頻率。在負載迴路中，由電容CK，CR及電感L2，L1確定一個非阻尼的諧振頻率fR，而在控制電路中，由電容CP，Ci及CS以及動態柵電容CG(未示出)和電感LP及LS確定總諧振頻率fD。工作頻率fo(帶有燈放電的衰減和不帶有衰減的完全一樣)通過振蕩系統的耦合在工作時衰減移動，形成為頻率fD和fg的中間值。由於為了本線路和燈的工作，將燈作為電感負荷來進行工作是必要的，亦即電流是滯後的，所以頻率fD要選擇大於頻率fR，以便工作頻率fo無論如何都高於負載迴路諧振頻率。這種情況對於無負載的(點燃前)和有負載的負載迴路完全一樣。
為了使線路系統儘可能接近正弦波(「軟性」的)的總振蕩，力求達到最佳效率要遠超過95％，所以頻率fD，fo及fR各自以百分之幾相區分開。如果區別太小，則會有半橋電容性運行的危險，尤其是當功率發生器起動時，對此不是原本所希望產生的。
依據所力求達到的工作頻率，變壓器TR的環形鐵芯(圓環線圈)的截面積必須配置成，以使其能夠在非飽和區下工作，以及鐵芯損耗極限值儘可能不超過約0.3W/cm3。
負載迴路的串並聯結構(配置)主要具有下列性能在點燃之前，串並聯結構主要僅僅通過燈線圈L1的鐵芯損耗來衰減，這樣使得輕微負載的諧振迴路提供一個非常接近諧振點的及為點火用的超高電壓。這時燈線圈L1中的磁芯損耗，其大約以電壓的2.5冪級增長，基本上起限制作用。此時發生器表現為被監控的電壓源。在超過燈的點火電壓之後，負載迴路(連同L1)的並聯部分藉助於通過線圈L1轉換的等離子體放電有效電阻被加負荷(R1＝N2·RE)，工作頻率升高，並且電感L2起到限流的燈扼流圈的作用，這樣就使得發生器又表現為受控制的電流源。一個穩定的工作是以下述條件為前提的，即發生器電流源(通過L2確定的)的總交流電阻總是大於燈特性曲線的負微分電阻。
圖2示出了頻率發生器在中間抽頭的電壓UMP，負載迴路電流IL2，及下部的(n-溝)MUS FET TU的柵電壓Ugate的時間過程曲線圖。中間抽頭MP處的電位交替地處於正的和負的供電支路上。此外，決定性的是，出現了由並聯於兩個MOS FET的梯形電容器CT確定的過渡時間tT。這如同眾所周知的那樣，一方面是為了改善電磁兼容性而設置，另一方面為了減小開關損耗一個很快上升的漏—源—電壓可能要與非任意快地下降的漏極電流相交疊(「Cross Over」)，由此構成斷開損耗功率。梯形電容器的這兩種功能，在按照本發明線路提高工作頻率情況下是很重要的，這些電容器也可以由起類似作用的其它線路變型來代替。
MOS FET的線路狀態，其包含一個內在的體二極體，首先是由在最下面的曲線可認出的狀態構成，其中柵電壓位於MOS FET閾電壓UTHR以下，其次是由在閾電壓UTHR之上的狀態構成，其中電晶體是導通的。在此時間範圍內負載迴路電流IL2單調地遞增(隨著由負載迴路阻抗所確定的時間常數)。但是由於本配置的諧振濾波作用使包含在其中的諧波具有非常強的相對衰減，以致於在圖2中所示的電流正弦基波基本上佔優勢。
通過MOS FET的電流在剛才所述的狀態之前，亦即在到達閾電壓UTHR之前，通過所謂的MOS FET的「體二極體」的相反方向電流建立。由此產生了在中部曲線圖示的時間在先的和方向相反的電流，其對於下面的和上面的電晶體而言，分別用IDU及IDO來圖示。在開啟的溝道情況下，電晶體本身的電流分別以ITU及ITO來圖示。
當轉換期間tT，在梯形電容器和電晶體輸出電容Coss內流動的是總體上接近正弦波電流的「缺少的那段」。
本線路功能作用的主要性在於電晶體的溝道是導通的，亦即在負載電流IL2改變符號之前，已經達到閾電壓UTHR，因為體二極體將阻斷在過零點之後符號反轉的電流。
本線路當良好的配置時，適用於外界溫度由-35℃至+50℃，元件溫度適用於-35℃和+125℃之間，能夠在已整流的供電電壓50V和450V之間工作，並且設計功率為20W和1000W之間。工作頻率位於100kHz和3MHz之間。所給出的數值均符合所進行的實驗結果，但絕不可理解為對本發明的限制。
在圖示實施例中僅僅示出了在燈線圈L1和燈E之間的鐵氧體耦合元件(線圈環形磁芯)。在很高的燈功率(500W～1000W)情況下，可能出現點火問題，並且在大的或者其它方面難以解決的放電幾何結構情況下，可能出現均勻性問題。在這樣的情況下，採用多個鐵氧體耦合元件，亦即多個燈線圈是具有意義的。當然也可以想像為好幾個燈，它們由一個功率發生器來饋電。
在多個燈線圈和鐵氧體耦合元件情況下，原則上允許有一個串聯或者並聯電路。但優選的是並聯電路，尤其是在高功率情況下。眾所周知的計算規則適用於電感，電流和電壓的計算。耦合元件電感應當儘可能的相同。
還有燈線圈L1的電感要儘可能的高是很重要的，也就是要減少磁化電流。對此，必須使用具有高磁導率及不僅初始磁導率而且振幅磁導率微小變化的鐵氧體材料，並且具有最小的空氣間隙以及高的磁導性因數。(首先是磁導率的溫度相關性，因為它能夠引起開頭所述的負載迴路失諧)。
降低鐵氧體耦合元件L1的磁化電流對於耦合元件電壓U1和耦合元件電流I1之間的相位角能產生非常有利的影響，如圖1所示。當相位角小的情況下cos大，並且饋入放電的有效功率P1＝U1I1cos就高。由此可見，對於一定的功率P1，如果相位角位於10°至15°，並由此cos大於0.95，則電流I1可以減少。較小的電流I1會導致較小的負載電流IL2；由此所產生的較小電流在整個功率發生器中會導致較低的損耗和整個系統的較高效率。
應當這樣選擇耦合元件的磁性材料，即在所要求的頻率範圍內，在所預期的磁芯溫度約為100℃～120℃情況下，耦合元件的單位損耗不會大於60mW/cm3。一個具有高電感但低漏感的閉合磁路對於消除無線電幹擾和減少系統視在功率是有利的。
上述鐵氧體單位損耗，在適當選擇耦合元件線圈以及輸出值U1，I1及cos的情況下，可以達到很高的能量轉換效率為98～99％，就是說在鐵氧體耦合元件中的損耗僅僅是總轉換功率的1～2％。
權利要求
1.一種低壓氣體放電燈(E)的運行電路，帶有一個用高頻功率給燈供載的負載迴路(CK，CR，L1，L2)，一個驅動負載迴路的頻率發生器(C0，TO，TU)和一個控制頻率發生器的控制電路(Ci，CP，CS，LP，LS，TR)，其特徵在於，配置了用於運行無電極低壓氣體放電燈(E)的電路，並且具有自由振蕩和接近諧振點工作的電路系統，該系統包括帶有燈的負載迴路及控制電路。
2.按照權利要求1的電路，其特徵在於，工作頻率高於70kHz。
3.按照權利要求1或2的電路，其特徵在於，配置有控制電路(Ci，CP，CS，LP，LS，TR)，用於通過一個諧振電壓超出量，產生為控制頻率發生器(C0，TO，TU)的至少一個場效應電晶體(TO，TU)的一個柵極所必要的電壓。
4.按照上述權利要求之一的電路，其特徵在於，控制電路(Ci，CP，CS，LP，LS，TR)具有一個帶有鐵氧體磁芯(TR)的變壓器(LP，LS，TR)，該磁芯被設計成在工作狀態下在線性B-H控制區，亦即在非飽和區工作。
5.按照權利要求3和4的電路，其特徵在於，變壓器(LP，LS，TR)連接到一個諧振迴路(LS，CS)上，以便產生一個諧振電壓超出量。
6.按照上述權利要求之一的電路，其特徵在於，控制電路(Ci，CP，CS，LP，LS，TR)具有一個從負載迴路(CK，CR，L1，L2)提取一個電壓的器件(Ci)，配置該器件用以通過電壓來驅動控制電路。
7.按照上述權利要求之一的電路，其特徵在於，負載迴路(CK，CR，L1，L2)具有一個串聯諧振迴路(CK，CR，L2)及一個與振蕩迴路的一個元件(CR)並聯的支路，帶有一個向燈(E)供載的線圈(L1)，在此，諧振電容器(CR)連同線圈(L1)構成一個並聯振蕩電路(L1，CR)，並且它是屬於兩個振蕩迴路的。
8.按照權利要求7的電路，其特徵在於，串聯諧振迴路(CK，CR，L2)包括一個限流線圈(L2)，其在工作狀態下，本質上對給燈供載的線圈(L1)在高頻時並聯地起使用，由此，限流線圈(L2)的電感小於給燈供載的線圈(L1)的電感。
9.按照權利要求1的電路，其特徵在於，頻率發生器(C0，TO，TU)是作為半橋式，全橋式或者單個電晶體頻率發生器來實施的。
全文摘要
本發明涉及無電極低壓氣體放電燈的工作電路,該電路帶有自由振蕩和接近諧振點工作的電路系統。
文檔編號H05B41/28GK1184401SQ97123080
公開日1998年6月10日 申請日期1997年12月3日 優先權日1996年12月3日
發明者E·斯塔尼克 申請人:電燈專利信託有限公司