在甚高頻頻率工作的高強度放電燈中電弧矯正的使用的製作方法
2023-05-21 07:41:46 1
專利名稱：在甚高頻頻率工作的高強度放電燈中電弧矯正的使用的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及高強度放電燈領域，特別涉及這種燈的電弧矯正領域。
背景技術：
在高頻工作的HID(高強度放電)燈易於聲學諧振。燈中的駐留壓力波(standing presure waves)可能使電弧變形，使電弧從一側向另一側移動，產生煩人的閃爍，或者甚至在嚴重情況下使燈損壞。解決這種問題的一種方法是在足夠高的頻率(VHF)下工作，從而充分衰減聲學諧振，保持電弧穩定。可能對VHF頻率施加上限的考慮因素包括EMI和典型橋電路的開關時間。
難以保證為特殊鎮流器設計的所有燈在特定VHF頻率不諧振。結構相同的兩個燈在不同頻率可能具有弱的不穩定性。給定瓦數的燈可具有不同化學填料，以便提供具有不同色溫的光。化學物質上的這個差別可能影響在VHF頻率的電弧穩定性。在VHF頻率的燈電極如何工作上的差別也可能在電弧穩定性中起作用。避免在VHF頻率的弱聲學諧振的一個簡單方案是利用頻率掃描。但是，這種技術通常是不成功的。
也可以以有利的方式使用特定聲學諧振。當水平工作的燈在特定頻率被激勵時，通常由於對流而彎曲的電弧會在電極之間變直。這種現象被稱為電弧矯正(arc straightening)。產生電弧矯正現象的頻率通常發現是在燈的第一方位角聲學模式上方和在燈的第一徑向聲學模式的下方。這兩個純徑向聲學模式之間是第二方位角聲學模式(純徑向，但是相對較弱)和與這些方位角聲學模式相關聯的縱向組合聲學模式。組合聲學模式的數量取決於燈的高寬比。對於具有低高寬比(IL/ID＜～2)的燈，聲學模式之間的間隔對於離散頻率足以產生電弧矯正。對於尺寸為9mmID×13mmIL(高寬比＝1.44)的圓柱形150W陶瓷金屬滷化物燈，這示於
圖1中。圖1示出了與達到第一徑向聲學模式的最初幾個組合聲學模式的聲學諧振相關的電流和功率頻率。(聲學模式下的數量指的是用於純縱向聲學模式的縱向聲學模式數量和第一方位角/縱向組合聲學模式的縱向聲學模式數量。計數系統對於第二方位角和第一徑向聲學模式相同。)從圖1可以看出，在諧振之間存在一個小範圍頻率或頻率窗口，是從大約15到20KHz的可能產生電弧矯正的電流頻率。應注意聲學諧振由周期性的功率輸入驅動。對於正弦型波形，激勵聲學諧振的功率頻率是電流(或電壓)頻率的兩倍。
對於具有較高高寬比(IL/ID＞～3)的細長燈，組合聲學模式的間隔要靠近得多並且沒有明顯的用於電弧矯正的無諧振窗口。對於尺寸為8mmID和28mmIL(高寬比為3.50)的圓柱形200W陶瓷金屬滷化物燈，這示於圖2中。對於具有更高高寬比的燈，以大約10ms的周期在第一方位角聲學模式上方和第一徑向聲學模式下方的大約5或10KHx範圍內的頻率掃描能產生電弧矯正。對於圖2中所述的燈，頻率掃描從大約20到25KHz電流頻率。
有利聲學諧振的第二例子來自第二縱向聲學模式的激勵。通過激勵這個聲學模式，可以使在垂直點燃的燈的底部附近隔離的某些金屬滷化物化學物質向上移動到放電中。這個結果可能改變垂直點燃燈的色溫或增加其效能。這個結果被稱為色混合。見美國專利No.6,184,633。
利用具有VHF載波的電弧矯正克服了當燈只在VHF工作時可能產生的潛在問題。但是VHF載波頻率可能引起弱放電不穩定性，這是由聲學諧振或電極的不穩定性造成的。電弧矯正可以使放電穩定化，增大潛在VH載波頻率的範圍。選擇VHF載波頻率的自由度的增加在電路效率上或在符合EMI規範的能力上有利。尤其是對於在水平方向工作的細長燃燒器，在VHF頻率的電弧矯正可使放電遠離上壁和防止電弧管破裂。
發明概要簡言之，在第一實施例中，本發明包括用於在HID燈中電弧矯正的方法，包括以下步驟確定和選擇產生HID燈的電弧矯正的頻率信號或頻率掃描信號；和與載波頻率信號一起激勵電弧矯正聲學模式。
在本實施例的另一方面，提供選擇足夠高的載波頻率信號的步驟，從而與頻率信號或頻率掃描信號一起使電弧穩定。
在本實施例的另一方面，激勵步驟包括用對應用於電弧矯正的功率頻率的頻率信號或頻率掃描信號對載波頻率信號進行幅度調製。
在本實施例的另一方面，提供如下步驟通過控制用於幅度調製的頻率信號的幅度或者用於調製的頻率掃描信號的幅度來控制電弧矯正的量。
在本實施例的另一方面，激勵步驟包括給載波頻率信號加一個第二頻率信號或第二頻率掃描信號以獲得激勵電弧矯正聲學模式的一個差分功率頻率或多個功率頻率。
在本實施例的另一方面，提供如下步驟通過相對於載波頻率信號的振幅控制第二頻率信號或第二頻率掃描信號的振幅來控制電弧矯正的量。
在本實施例的另一方面，激勵步驟包括在時間上連續交替載波頻率信號和頻率信號或頻率掃描信號，其中頻率信號或頻率掃描信號等於產生HID燈的電弧矯正所需的功率頻率的一半。
在本實施例的另一方面，提供如下步驟通過相對於載波頻率信號的持續時間控制頻率信號或頻率掃描信號的持續時間來控制電弧矯正的量。
在本實施例的另一方面，確定步驟包括確定HID燈的諧振譜；如果在用於HID燈的第一方位角聲學模式上方和用於HID燈的第一徑向聲學模式下方的諧振譜中存在窗口，則從該窗口中選擇產生電弧矯正的頻率信號；和如果不存在該窗口，則在HID燈的第一方位角聲學模式上方和HID燈的第一徑向聲學模式下方選擇用於產生電弧矯正的頻率掃描信號的頻率範圍。
在本實施例的另一方面，HID燈具有圓柱對稱性。
在本實施例的另一方面，HID燈具有放電容器，該放電容器具有陶瓷外殼。
在本實施例的另一方面，選擇用於產生電弧矯正的頻率的步驟包括在HID燈的諧振譜中的第一方位角聲學模式和第一徑向聲學模式之間選擇頻率，其中該頻率不僅產生電弧矯正而且激勵第二縱向聲學模式以便獲得色混合。
在本發明的另一實施例中，提供一種具有電弧矯正的HID燈，包括含有可電離填料的放電容器(3)；和與載波頻率一起在放電容器中激勵電弧矯正聲學模式的電路(300，302，304，306，308)。
在本實施例的另一方面，用於激勵放電容器的電路包括用於給載波頻率信號加上第二頻率信號或頻率掃描信號、從而獲得激勵電弧矯正聲學模式的差分功率頻率信號的部件。
在本實施例的另一方面，用於激勵放電容器的電路在時間上連續交替載波頻率信號和頻率信號或頻率掃描信號，其中頻率信號或頻率掃描信號等於用於產生HID燈的電弧矯正所需的功率頻率的一半。
在本實例的另一方面，用於與載波頻率一起在放電容器中激勵電弧矯正聲學模式的電路使用在HID燈的諧振譜中的第一方位角聲學模式和第一徑向聲學模式之間的頻率，該頻率還激勵第二縱向聲學模式，以便獲得色混合。
附圖簡述圖1是具有1.44的IL/ID的HID燈的諧振圖。
圖2是具有3.50的IL/ID的HID燈的諧振圖。
圖3A是用於本發明的頻率生成的一個實施例的示意方框圖。
圖3B是用於本發明的頻率生成的第二實施例的示意方框圖。
圖4是可用於實施本發明的實施例的HID燈的示意圖。
圖5是圖4中所示的燈的放電容器的剖面圖。
圖6A是用於用單一頻率進行調幅的相對電壓與電壓頻率的曲線圖。
圖6B是用於用單一頻率進行調幅的相對功率與功率頻率的曲線圖。
圖7A是用頻率掃描進行調幅的相對電壓與電壓頻率的曲線圖。
圖7B是用頻率掃描進行調幅的相對於功率與功率頻率的曲線圖。
圖8是固定頻率與載波頻率交替的頻率與時間曲線。
圖9是掃描頻率與載波頻率交替的頻率與時間曲線。
優選實施例的詳細說明公開的電弧矯正是用於在VHF載波頻率的陶瓷金屬滷化物HID燈，以便穩定該燈。具體而言，提供一種用於在HID燈中的電弧矯正的方法，包括以下步驟確定和選擇產生HID燈的電弧矯正的頻率或頻率掃描；和與載波頻率一起激勵電弧矯正聲學模式。與載波頻率一起為電弧矯正所提供的頻率或頻率掃描Δf示於圖3A和3B中。在圖3A和3B中，函數發生器300和302產生頻率和/或頻率掃描，該頻率和/或頻率掃描然後被提供給提供載波頻率的各個函數發生器304和306。函數發生器304和306對輸入的頻率進行數學操作，並在線路330上提供一個輸出給RF放大器308，用於施加於HID燈的電極。數學操作可採用各種形式。在圖3A所示的優選實施例中，用頻率或頻率掃描對載波頻率進行調幅。在圖3B所示的替換實施例中，數學操作可包括確定載波頻率和第二頻率或頻率掃描的和並使用該差分功率頻率作為用於電弧矯正的頻率或頻率掃描。或者，數學操作可以包括在時間上連續交替載波頻率和第二頻率或第二頻率掃描。在本實施例中，第二頻率或第二頻率掃描等於用於電弧矯正所需的功率頻率的一半。
應注意，在水平取向時，從相對於由電極確定的軸的放電位置來看電弧矯正是很明顯的。通常由於對流而彎曲的放電由於電弧矯正而向下位移，從而放電位於沿著由電極確定的軸。在燈的投影中和/或通過降低燈電壓可看到這個位移。如果在沒有電弧矯正的情況下放電不穩定，在垂直取向時，電弧矯正將是很明顯的。電弧矯正將消除作為煩人的閃爍可看到的、並且由於電弧運動而在燈電壓中產生時域變化的不穩定性。
應該指出的是，本發明的重要方面涉及不同頻率信號組合的方式。圖中所示的具體硬體只是為了便於解釋。用於組合頻率信號的各種其它方法對於本領域技術人員來說都是很顯然的。因此，本發明絕不限於一種特定硬體結構。
在對與載波頻率一起激勵電弧矯正聲學模式進行更詳細說明之前，將首先提供可實施本發明的HID燈的一個實施例的細節。現在參照圖4，其中示出了金屬滷化物燈，包括放電容器3，放電容器3的細節以剖面圖形式在圖5中示出但不是按尺寸比例繪製的。所示的放電容器3包括封閉放電空間11的陶瓷壁，放電空間含有在燈中的可電離填料。在優選實施例中，可電離填料包括Hg和一定量的金屬滷化物化學物質。金屬滷化物化學物質通常包括Na滷化物、Tl、Dy和Ce滷化物中的一種或多種。在圖中，兩個電極4、5以距離EA設置在放電空間中，其中電極4、5具有電極棒4a、5a和尖端4b、5b。該放電容器具有至少穿過距離EA的內徑Di。該放電容器在端部由陶瓷凸塞34、35密封，該陶瓷凸塞34、35緊密地密封電流饋送導體40、41和50、51，該電流饋送導體以氣密方式在距離放電空間較遠的一端附近利用熔融陶瓷化合物10連接到被安排在放電容器中的電極4、5。放電容器3由外殼1封閉，外殼1的一端裝有燈頭2。在燈的操作狀態中，放電在電極4、5之間延伸。電極4經過電流導體8連接到形成燈頭2的一部分的第一電觸點。電極5經過電流導體9連接到形成燈頭2的一部分的第二電觸點。所示金屬滷化物燈希望用電子鎮流器操作(如在美國專利No.6,300,729中所詳述的，這裡引證其內容供參考)，或者可以用磁鎮流器或其它方便的鎮流器操作。應注意，提供HID燈的上述結構是為了解釋本發明，而決不是將本發明限制為這種結構。
應該指出的是，用於可電離填料的化學物質可以用各種成分實現。本發明不限於前述例子中所公開的成分。
再參見圖3和與載波頻率一起激勵電弧矯正聲學模式的操作，在優選實施例中，電弧矯正是通過對VHF載波頻率進行調幅來實現的。選擇VHF載波頻率足夠高以便與電弧矯正頻率或電弧矯正頻率掃描一起使電弧穩定。這通常是通過經驗來確定的。如上所述，在圖3A中，在函數發生器300中生成產生電弧矯正的頻率或頻率掃描。提供這個頻率或頻率掃描是為對產生載波頻率的函數發生器304進行調幅。得到的調幅電壓(或電流)波形是cos(2πf1t)*[1+m2cos(2πf2t)]，其中f1是VHF載波頻率，f2是調幅頻率，m2是調製指數(＜1)。在利用用於電弧矯正的單一頻率進行這種調幅之後的電壓頻譜示於圖6A中。這種調幅(歸因於平方的分量，因為電壓和電流分量具有相同的頻率關係)的功率譜具有2f1、f2、2f1-f2和2f1+f2上的頻率分量外加各個二次項。用於圖6A的電壓頻譜的功率譜示於圖6B中，用於利用單一頻率進行調幅。可以看出，35KHz功率頻率將激勵HID燈的諧振圖窗口內的必要諧振，從而獲得電弧矯正。同樣，在圖7A中示出了在利用用於電弧矯正的40-50KHz的頻率掃描進行調幅之後的電壓頻譜。由於平方分量而用於這種調幅的功率譜示於圖7B中。可以看出40-50KHz功率頻率掃描將激勵沒有窗口的HID燈(因為它們的聲學諧振在諧振圖上聚集在一起)的必要諧振，以便獲得電弧矯正。
通過這種設置，尺寸為9mmID×13mmIL和色溫為3000K的垂直150W陶瓷金屬滷化物放電燈在從大約600KHz向下到大約450KHz的VHF頻率是穩定的，在450KHz以下的離散頻率將使電弧擾動。在30-40KHz中段(middle 30’s KHz)和40-50KHz中段範圍(對應在10-20KHz中段和20-30KHz中段中的電流頻率)中的載波頻率的調幅在不穩定載波頻率下使電弧穩定。應該指出的是，這些頻率位於第一方位角和第一徑向聲學模式之間(見圖1)。應注意，通過對VHF載波頻率進行調幅，用於穩定該燈的頻率窗口是對應電流頻率範圍的兩倍。
在一個測試中，尺寸為9mmID×13mmIL和色溫為4000K的垂直150W陶瓷金屬滷化物放電燈在VHF頻率的較寬範圍(至少425到600KHz)內是不穩定的。這個4000K色溫燈具有與上述3000K色溫燈相同的尺寸，但是具有不同的化學物質和不同的電極插入距離(從陶瓷體的內部平坦表面到電極尖端的距離)。電弧以極其規則的方式來回擺動。通過利用在30-40KHz中段範圍內的頻率對載波頻率進行調幅可以停止電弧移動，這與上述3000K燈相同。
在另一測試中，尺寸為8mmID×28mmIL的200W陶瓷金屬滷化物放電燈以底部垂直朝上取向在VHF操作。在從大約370到500KHz的範圍內觀察到很多弱聲學諧振。在底部電極處觀察到大多數不穩定性。起初看來穩定的多個頻率在很多秒或甚至很多分鐘以後開始變為不穩定。利用從40-50KHz(對應在20和25KHz之間的電流頻率以及調製指數m2約等於0.2)的頻率掃描進行調幅使在從370-500KHzVHF頻率的燈穩定。這些頻率在第一方位角和第一徑向聲學模式之間(見圖2)。
在上述兩個150W陶瓷燈(3000和4000K)中實現了凝聚物(condensate)離開電弧管底部的移動(色混合)。該燈在VHF頻率下工作和在大約30KHz下被調幅，從而激勵第二縱向聲學模式。如圖1所示，第二縱向聲學模式位於比第一方位角聲學模式高和比第一徑向聲學模式低的頻率上。因此第二縱向聲學模式的激勵還可以產生電弧矯正。通過在電弧來回移動的VHF頻率操作4000K 150W的燈證實了這一點。VHF載波在大約30KHz下被調幅，這不僅相對於電弧運動使燈穩定化，也使凝聚物離開電弧管底部。
相對於第一方位角和第一方位角/縱向組合聲學模式的第二縱向聲學模式的頻率部分取決於燈的高寬比。可以通過稍微改變高寬比而相對於這些其它聲學模式改變第二縱向聲學模式的頻率。還可以通過已知的燈尺寸來預知各種聲學模式的頻率。
可以通過在16KHz對VHF載波頻率進行調幅而激勵具有8mmID×28mmIL尺寸的200W陶瓷金屬滷化物放電燈的第二縱向聲學模式。但是，在電弧向底部電極附近的壁偏移之前只可能產生少量色混合。不能完全使放電色混合是因為第二縱向聲學模式頻率位於低於第一方位角聲學模式的頻率上，並且電弧矯正是不可操作的。
用於實現電弧矯正的另一結構示於圖3B中。利用VHF載波獲得電弧矯正的這種結構是以獲得差分功率頻率為基礎的。參見圖3B，函數發生器302產生第二頻率f2，選擇第二頻率f2是為了在函數發生器306與VHF載波頻率f1相加之後實現所希望的電弧矯正頻率或頻率掃描。功能發生器306中的相加操作產生功率頻率2f1、2f2、f2-f1和f2+f1。如果f2-f1(或f1-f2)等於有效電弧矯正頻率(例如對於尺寸為9mmID×13mmIL的150W燈的中間30’sKHz)，則可以產生電弧矯正。作為選擇，如果在燈的諧振圖中不存在窗口，從而電弧穩定需要頻率掃描，則選擇頻率掃描Δf2作為求和頻率，以便Δf2-f1(或f1-Δf2)等於電弧矯正所需的功率頻率掃描(例如對於尺寸為8mmID×28mmIL的200W燈為40-50KHz)。應注意調整f2或Δf2的幅度可控制電弧矯正的量。
作為用於與載波頻率一起激勵電弧矯正聲學模式的另一替換例子，可以使用時間順序頻率法。在時間順序頻率法中，可由單個或多個函數發生器提供的兩個頻率在時間上連續交替。第一頻率是VHF載波頻率f1，第二頻率是固定頻率f3或者頻率掃描Δf3。f3或Δf3等於電弧矯正所需功率頻率的一半。圖8是表示VHF載波頻率與一個固定頻率交替的時序的波形的曲線。圖9是表示VHF載波頻率與一個頻率掃描交替的時序的波形的曲線。電弧矯正的量可由f3或Δf3與f1的持續時間相比的持續時間來控制。
應該指出的是，有各種其它方法適用於進行調幅、或相加或時間定序，並且本發明不限於附圖中所示的特定結構來執行這些操作。
本發明的優選實施例的前面說明只是為了表示和說明目的。在此不希望將本發明窮盡或限制為這裡所公開的精確形式，鑑於上述教導可以進行各種修改和改變或者可以從本發明的實施中獲得這些修改和改變。選擇和介紹實施例是為了解釋本發明的原理和實際應用，以使本領域技術人員可以在各種實施例中利用本發明，並考慮到適於特定使用的各種修改。因此本發明的範圍由所附權利要求書及其等效表述來確定。
權利要求
1.一種用於在HID燈中電弧矯正的方法，包括以下步驟確定和選擇產生用於HID燈的電弧矯正的頻率信號或頻率掃描信號；和與載波頻率信號一起激勵電弧矯正聲學模式。
2.根據權利要求1的方法，還包括選擇載波頻率信號的步驟，該載波頻率足夠高以便與所述頻率信號或頻率掃描信號一起使電弧穩定。
3.根據權利要求1的方法，其中激勵步驟包括使用對應於用於電弧矯正的功率頻率的頻率信號或頻率掃描信號來對載波頻率信號進行調幅。
4.根據權利要求3的方法，還包括通過控制該幅度調製的頻率信號的幅度或該調製的頻率掃描信號的幅度來控制電弧矯正的量的步驟。
5.根據權利要求1的方法，其中激勵步驟包括將載波頻率信號與第二頻率信號或第二頻率掃描信號相加以獲得用於激勵電弧矯正聲學模式的一個或多個差分功率頻率。
6.根據權利要求5的方法，還包括通過相對於載波頻率信號的幅度而控制第二頻率信號或第二頻率掃描信號的幅度從而來控制電弧矯正的量的步驟。
7.根據權利要求1的方法，其中激勵步驟包括在時間上連續交替載波頻率信號和頻率信號或頻率掃描信號的步驟，其中頻率信號或頻率掃描信號等於用於產生HID燈的電弧矯正所需的功率頻率的一半。
8.根據權利要求7的方法，還包括通過相對於載波頻率信號的持續時間而控制頻率信號或頻率掃描信號的持續時間從而來控制電弧矯正的量的步驟。
9.根據權利要求1的方法，其中確定步驟包括確定HID燈的諧振譜；如果在HID燈的第一方位角聲學模式上方和HID燈的第一徑向聲學模式下方的諧振譜中存在窗口，則從窗口內選擇產生電弧矯正的頻率信號；和如果不存在窗口，則在HID燈的第一方位角聲學模式上方和HID燈的第一徑向聲學模式下方選擇用於產生電弧矯正的頻率掃描信號的頻率範圍。
10.根據權利要求1的方法，其中HID燈具有圓柱對稱性。
11.根據權利要求1的方法，其中HID燈具有放電容器，該放電容器具有陶瓷外殼。
12.根據權利要求1的方法，選擇用於產生電弧矯正的頻率的步驟包括在HID燈的諧振譜中選擇在第一方位角聲學模式和第一徑向聲學模式之間的頻率，該頻率不僅產生電弧矯正而且激勵第二縱向聲學模式，從而獲得色混合。
13.一種具有電弧矯正的HID燈，包括含有可電離填料的放電容器(3)；和用於與載波頻率一起在放電容器中激勵電弧矯正聲學模式的電路(300、302、304、306、308)。
14.根據權利要求13的HID燈，其中放電容器具有圓柱對稱性。
15.根據權利要求13的HID燈，其中放電容器具有陶瓷外殼。
16.根據權利要求13的HID燈，其中用於激勵放電容器的電路利用頻率信號或頻率掃描信號對載波頻率信號進行調幅(300、304)。
17.根據權利要求13的HID燈，其中用於激勵放電容器的電路包括用於將載波頻率信號與第二頻率信號或頻率掃描信號相加，以便獲得激勵電弧矯正聲學模式的差分功率頻率信號的部件(306)。
18.根據權利要求13的HID燈，其中用於激勵放電容器的電路在時間上連續交替載波頻率類信號和頻率信號或頻率掃描信號，其中所述頻率信號或頻率掃描信號等於用於產生HID燈的電弧矯正所需的功率頻率的一半。
19.根據權利要求13的HID燈，其中用於與載波頻率一起在放電容器中激勵電弧矯正聲學模式的電路(300、302、304、306、308)使用在用於HID燈的諧振譜中的處在第一方位角聲學模式和第一徑向聲學模式之間的頻率，該頻率還激勵第二縱向聲學模式，以便獲得色混合。
20.用在如權利要求13-19的一項或多項中所述的HID燈中的用於激勵電弧矯正聲學模式的電路(300、302、304、306、308)。
全文摘要
一種用於在HID燈中的電弧矯正的方法和裝置，該方法包括以下步驟確定和選擇產生用於HID燈的電弧矯正的頻率信號或頻率掃描信號；和與載波頻率信號一起激勵電弧矯正聲學模式。在一個優選實施例中，激勵步驟包括用對應用於電弧矯正的功率頻率的頻率信號或頻率掃描信號對載波頻率信號進行調幅。在另一實施例中，激勵步驟包括將載波頻率信號與第二頻率信號或第二頻率掃描信號相加以獲得激勵電弧矯正聲學模式的一個差分功率頻率或多個功率頻率。
文檔編號H05B41/24GK1613278SQ02825833
公開日2005年5月4日 申請日期2002年12月6日 優先權日2001年12月21日
發明者J·M·克拉梅 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司