一種高強度放電燈電子鎮流器的製作方法

2023-10-05 13:27:49 2

專利名稱：一種高強度放電燈電子鎮流器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬一種用於高強度放電燈的高頻電子鎮流器。
背景技術：
高強度放電燈(也稱HID燈)在高頻工作時常會出現放電不穩定的現象，傳統理論認為這種現象的產生是「聲諧振」效應導致的，也就是說高頻放電時，放電管中的氣體被高頻加熱，因而出現了隨放電極性改變而交替變化的頻率比放電頻率高一倍的溫度起伏，而這種溫度起伏必然導致氣體的膨脹和收縮，從而產生壓力波—聲波。當該聲波的波長與HID燈的放電管尺寸諧振時，即會產生放電不穩定現象。所有現有技術均是根據這一論點，採用破壞聲波與管殼的諧振條件的方法以求獲得穩定的高強度放電燈高頻放電，但數十年來這—途徑一直未能走通，現有的高強度放電燈電子鎮流器均不能保證穩定的高頻放電電流，特別是金屬滷化物燈的高頻放電不穩定現象更難抑制。

發明內容
本實用新型要解決的技術問題是提供一種能有效抑制高強度放電燈高頻放電不穩定現象的高強度放電燈電子鎮流器。
解決上述問題的技術方案是(參見實施例圖1)本實用新型設有由交流電源或直流電源轉換成的幅值適合的直流電源，直流電源與接有高頻驅動信號發生器的高頻變換電路連接，高頻變換電路與接有高壓發生電路的高強度放電燈連接，其特徵在於所述高頻驅動信號發生器的頻率調製信號輸入端與低頻調製信號發生器的輸出端連接。
本實用新型認為傳統的關於HID燈高頻放電不穩定現象的「聲諧振」理論與實際情況不符放電燈工作時電弧管中的氣體為熱容量很大、溫度恆定的高溫氣體，不可能反應出頻率如此之高而且幅度又很大的溫度起伏。以往研究者們測出的聲波只是在放電不穩定時出現，而放電穩定時測不到任何聲波輻射，這就證明產生聲波的原因與高頻加熱無關，很多其它現象也證明了「聲諧振」論點是不能成立的，因此HID燈放電不穩定時出現的聲波並非由溫度起伏引起。本實用新型認為HID燈高頻放電不穩定現象是因電弧中的等離子體振蕩引起的HID燈工作時，其電弧為一由均勻等量的正離子和電子構成的導電的中性等離子體，宏觀的等離子體呈電中性，但其內部時常出現局部不平衡現象，當電弧中某處的離子析出時，附近的多餘電子將在析出的正電荷周圍振蕩，而離子則在電子電荷作用下在自身的平衡位置附近振動，這就形成了離子振蕩，這一振蕩的頻率通常在幾千赫茲到幾百千赫茲範圍，在低頻或在直流放電中離子振蕩是一種隨機並因碰撞而迅速衰減的過程，但在高頻放電情況下，振蕩頻率與放電電源頻率相近的離子將從電場吸收能量並發展成為穩定的離子振蕩。這時振蕩的離子通過碰撞帶動數量更多的氣體原子同步振蕩。這種由大量離子的往返振蕩產生的壓力波稱為離子聲波，離子振蕩時的電荷分離使電弧與管殼的作用力失衡，造成電弧彎曲，而淨電荷點在空間的漂移則造成電弧抖動等放電不穩定現象。因此放電電弧中產生穩定的離子振蕩是HID燈放電不穩定的根本原因，也是放電不穩時出現聲波的根源。根據湯克斯—朗繆創建的等離子體理論，離子振蕩頻率取決於離子溫度、密度以及離子質量，通常離子振蕩頻率在數千赫茲至數百千赫茲範圍，正好與高頻電子鎮流器的工作頻率重疊，所以當高頻電子鎮流器在常規高頻範圍工作時均可激起穩定的離子振蕩，可見使HID燈的高頻放電穩定的唯一方法是控制和調整等離子體參數，使其不能形成穩定的等離子體振蕩，而高頻放電電流的工作狀態能直接影響電弧中等離子體的參數，因此可採用對高頻放電電流進行調製的方法來控制和調整電弧中等離子體的參數，防止其形成穩定的離子振蕩。
本實用新型正是基於上述認識採用了能對高頻放電電流進行低頻調製的電路結構，其工作原理是直流電源在進行高頻變換時，由於高頻驅動信號發生器的高頻驅動信號被低頻調製信號調製，因此使高強度放電燈的高頻放電工作頻率受到了低頻調製(參見圖2)，也就是說高頻放電電流按調製信號頻率交替處於(f1)、(f2)兩種不同的工作頻率狀態，由頻率變化引起的迴路阻抗變化又使放電電流幅值隨調製頻率周期變化，這樣就能周期性地改變放電電弧中等離子體的溫度和密度，使其不能產生穩定的離子振蕩。設被調製的高頻驅動信號發生器頻率為f，若在t0-t1時段該頻率為f1，t1-t2時段該頻率為f2，調製前後的頻率變化率為D＝2|f1-f2|/(f1+f2)，其中t1-t0與t2-t1可以相等亦可不相等，f1≠f2，通常適當調整變化周期以及二種頻率各自的持續時間並使D＞2％，即可以獲得電流波峰係數符合標準要求的穩定的HID燈高頻放電。
本實用新型能夠通過對高強度放電燈的高頻放電電流進行低頻調製，周期性地調整改變放電電弧中等離子體的溫度、密度等參數，防止穩定離子振蕩的發生，達到使高強度放電燈高頻放電穩定的目的，同時解決了目前金屬滷化物燈高頻放電不穩定的難題。


圖1、本實用新型實施例方框原理圖圖2、本實用新型實施例用低頻方波信號對放電頻率進行低頻調製的波形圖圖3、本實用新型實施例電路圖具體實施方案本例是接入工頻交流電網使用的，其直流電源電路為在交流電源輸入端與整流電路BR1之間串接有電磁濾波電路，整流電路輸出端接有由變壓器T1原邊繞組、二極體D7與電容C14、C15、C16、C17組成的濾波電路，同時還設有由場效應開關部件及與開關部件柵極相連的脈寬調製電路組成的穩壓及功率因數補償和諧波抑制電路(本例的場效應開關部件及脈寬調製電路是採用將二者集成於一體的TOPSWITCH250部件，即圖3所示的U2)，該電路開關部件兩端漏極D及源極S並聯在濾波電感T1原邊繞組輸出端與地之間，其作用等同於通常的有源功率因數補償電路，T1原邊繞組輸出端與濾波電容C14、C15、C16、C17之間串聯一整流二極體D7，由發光二極體和光敏三極體組成的具有光電轉換和放大作用的光耦三極體U1的發射極接U2的控制電路輸入端C，U1的發光二極體負端接地，正端通過電阻R5、穩壓管D8接直流電源輸出端，從而將輸出的直流電壓信號經光耦三極體輸入U2。經BR1整流後的電壓信息則通過穩壓管D6、電阻R2並經U2的L端輸入U2，接有整流二極體D5和濾波電容C8的T1副邊繞組N13的直流輸出通過R1接光敏三極體的集電極，光敏三極體的發射極接U2的脈寬電路調製輸入端C。U2的開關部件在脈寬調製電路控制下產生高頻開關信號，並通過輸出端D-S控制T1原邊輸出端與地端之間的啟閉，從而可抑制工頻電源輸入電流中的高次諧波，提高其功率因數，同時實現穩定直流輸出電壓的目的(本實用新型所採用的直流電源幅值一般為150～450伏)。
直流電源的輸出端接高頻變換電路，本例將直流轉換為高頻的高頻變換電路採用外驅動半橋變頻電路，驅動該電路變頻的高頻驅動信號發生器是由集成電路IC5(型號4046)與周邊元件組成的能產生相位相反方波信號的高頻發生器，高頻發生器輸出端2腳和3、4腳分別與由兩組三極體Q4、Q5和Q6、Q7及變壓器T3主繞組組成的推挽式放大電路的兩個信號輸入端連接，變壓器T3設有兩相位相反的獨立副繞組，分別與場效應開關管VT1、VT2的柵極和源級連接，VT1、VT2分別組成兩個開關信號放大電路，高強度放電管HID接在兩個放大迴路共用的支路裡，組成典型的外驅動半橋變頻電路。
低頻調製信號發生器是由集成電路IC3(型號555)及周邊部件組成的低頻方波發生器，其低頻方波輸出端3腳接高頻驅動信號發生器IC5的頻率調製信號輸入端9腳，對高頻驅動信號發生器輸出的脈衝信號頻率進行低頻調製。低頻方波信號或準方波信號的調製效果優於其它低頻信號。
其變頻工作過程是IC5的2腳和3、4腳分別產生兩個相位相反的高頻方波信號(頻率通常在25～50KHZ之間)，經推挽放大電路放大後，通過變壓器T3的兩個相位相反的副繞耦合到開關部件VT1、VT2的柵極與源極之間，VT1、VT2分別放大的相位相反的脈衝信號並在共同支路中的放電燈HID裡形成極性交替變化的高頻放電電流，實現頻率轉換功能，由於驅動變頻的高頻脈衝信號是經過低頻調製的，所以高頻放電電流的頻率和幅值也是按低頻周期性變化(見圖2)。
傳統高強度放電燈HID的高壓發生電路通常是由其設計在頻率諧振狀態的放電迴路構成，放電管兩端並聯有諧振電容，利用放電燈未擊穿前迴路的Q值很高，在諧振電容上產生的高諧振電壓使放電燈擊穿點燃，由於未經調製的工作頻率只有一個，所以當放電迴路的參數或脈衝發生器的工作頻率發生漂移時，常會出現迴路的失諧情況，不能形成高諧振電壓，使放電燈無法啟動。
本實施例在高頻驅動信號發生器IC5的頻率調製輸入端9腳並聯一能延緩低頻方波信號上升前沿的充電電容C35(該電容還兼有濾除高頻幹擾信號的作用)，放電迴路的諧振頻率數值f0設計在高頻驅動信號發生器輸出的周期性變化的兩種工作頻率數值f1與f2之間，且使f0≈(f1+f2)/2，見圖2所示的諧振電壓波形圖當被低頻方波信號調製的高頻信號在f1與f2之間周期性交替變化時，由於C35延緩了交替變化所需的過渡時間，而迴路諧振頻率值f0又介於交替變化的f1與f2之間，所以放電燈很容易被頻率交替變化過程中產生的高諧振電壓點燃，通常情況下，迴路參數或工作頻率的漂移難以使諧振頻率f0超出f1與f2之間的數值範圍，從而能保證可靠地點燃放電燈；此外，由於本放電迴路的諧振狀態只在兩種頻率交替過程中的很短時間裡內發生，持續時間非常短，重複頻率又很低，因此燈啟動時迴路中因諧振引起的能耗很小，即使放電燈不能正常點火，也不會發生因諧振電流持續時間太長而燒毀迴路元器件的情況。
本例在放電電路裡設有燈電壓降反饋信號電路，其反饋信號輸出端接到高頻驅動信號發生器的頻率調製信號輸入端，通過對放電頻率的控制保證放電燈近似以恆功率的狀態運轉。上述燈電壓降反饋信號電路是在放電燈HID的並聯支路裡設有燈電壓取樣電容C24，其反饋信號輸出端通過電阻R13、電容C26、整流二極體D11與並聯在IC5電源電路裡的三極體Q8基極連接，Q8的射極輸出端經二極體D12接高頻驅動信號發生器IC5的頻率調製信號輸入端9腳。
高頻驅動信號發生器IC5的頻率調製信號輸入端9腳與跨接在該信號發生器直流電源兩端的電位器R24的滑動變阻端連接，頻率調製信號輸入電路裡接有熱敏電阻R25，本例的熱敏電阻R25與電位器R24串聯連接，電位器可用以調整高頻驅動信號發生器的頻率，熱敏電阻在鎮流器溫度較高時可自動調高頻率，適當減小放電功率，當溫度過高時還可使高頻驅動信號發生器停止工作，以保證電子鎮流器不致因溫度過高而燒毀。
本例設有異常狀態保護電路在放電回裡串聯一電感線圈L3，其副繞組通過整流二極體D9、電阻R8、積分電容C18、穩壓二極體D10和電容C20接開關三極體Q1基極，開關三極體輸出端接由IC1與周邊部件組成的時鐘電路輸入端2腳，時鐘電路輸出端3腳接高頻驅動信號發生器IC5的5腳，當放電燈出現異常狀態不能正常工作時，迴路電感L3上較高的諧振電壓的取樣信號整流後輸入到IC1時鐘電路，時鐘電路輸出一定時的正脈衝信號，輸入到IC5，使IC5停止工作，經過預定的時間後，時鐘電路恢復常態，IC5重新工作，使放電燈自動啟動，IC1輸出正電壓的時間長短由R6和C19的充電時間常數決定。
權利要求1.一種高強度放電燈電子鎮流器，設有由交流電源或直流電源轉換成的幅值適合的直流電源，直流電源與接有高頻驅動信號發生器的高頻變換電路連接，高頻變換電路與接有高壓發生電路的高強度放電燈連接，其特徵在於所述高頻驅動信號發生器的頻率調製信號輸入端與低頻調製信號發生器的輸出端連接。
2.根據權利要求1所述的高強度放電燈電子鎮流器，其特徵在於所述的低頻調製信號發生器是低頻方波發生器。
3.根據權利要求2所述的高強度放電燈電子鎮流器，其特徵在於在所述高頻驅動信號發生器頻率調製輸入端並聯一能延緩低頻方波信號上升前沿的充電電容(C35)，放電燈放電迴路的諧振頻率數值(f0)設計在介於高頻驅動信號發生器輸出的周期性變化的兩種工作頻率數值(f1)與(f2)之間。
4.根據權利要求1、2或3所述的高強度放電燈電子鎮流器，其特徵在於在放電燈放電電路裡設有燈電壓降反饋信號電路，其反饋信號輸出端接高頻驅動信號發生器的頻率調製信號輸入端。
5.根據權利要求1、2或3所述的高強度放電燈電子鎮流器，其特徵在於所述高頻驅動信號發生器(IC5)的頻率調製信號輸入端與跨接在該信號發生器直流電源兩端的電位器(R24)的滑動變阻端連接，頻率調製信號輸入電路裡接有熱敏電阻(R25)。
6.根據權利要求4所述的高強度放電燈電子鎮流器，其特徵在於所述高頻驅動信號發生器(IC5)的頻率調製信號輸入端與跨接在該信號發生器直流電源兩端的電位器(R24)的滑動變阻端連接，頻率調製信號輸入電路裡接有熱敏電阻(R25)。
專利摘要一種高強度放電燈電子鎮流器，本實用新型設有由交流電源或直流電源轉變成的幅值適合的直流電源，直流電源與接有高頻驅動信號發生器的高頻變換電路連接，高頻變換電路與接有高壓發生電路的高強度放電燈連接，其特徵在於所述高頻驅動信號發生器的頻率調製信號輸入端與低頻調製信號發生器的輸出端連接。本實用新型能達到使高強度放電燈高頻放電穩定的目的，同時解決了目前金屬滷化物燈高頻放電不穩定的難題。
文檔編號H05B41/282GK2571124SQ0224808
公開日2003年9月3日 申請日期2002年9月17日 優先權日2002年9月17日
發明者楊正名, 柴國生, 張明 申請人:柴國生