帶有陰極預熱功能的燈鎮流器電路的製作方法

2024-03-08 19:53:15

專利名稱：帶有陰極預熱功能的燈鎮流器電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及氣體放電燈的鎮流器電路或電源電路。更具體地說，本發明涉及採用多個功率開關的鎮流器電路，這些開關以再生方式受控，鎮流器電路還具有陰極預熱功能。
諸如螢光燈那樣的氣體放電燈一般採用鎮流器電路來將交流電源電壓變換成高頻交流電壓，該高頻交流電壓施加在包括氣體放電燈的諧振負載電路上。諧振負載電路包括諧振電感和諧振電容，它們確定諧振負載電路中的諧振電流的頻率。鎮流器電路通常包括一個串聯的半橋直流變交流變換器，該變換器具有一對功率開關，將諧振負載電路的一端交替地與直流總線電壓相連，然後與地相連，從而將上述交流電壓施加到諧振負載電路上。一般提供柵極驅動電路以再生或自諧振方式控制變換器的開關。
相關技術申請No.08/644,466和No.08/644,318涉及再生柵極驅動電路，該電路不需要象許多現有技術電路那樣使用磁變壓器，並且許多部件可以用集成電路來實現。然而，需要對上述相關技術申請的柵極驅動電路進行改進，並使之具有陰極預熱功能，從而在點燃燈之前的一段預定時間對燈的陰極加熱。在陰極預熱期間，需要保持低的燈電壓，以便避免在陰極被充分加熱之前燈點燃。
因此，本發明的一個目的是提供一種氣體放電燈的鎮流器電路，該電路包括用於控制一對功率開關的無需磁變壓器的再生反饋電路，並具有陰極預熱功能。
本發明的再一個目的是提供一種上述類型的氣體放電燈的鎮流器電路，其中在陰極預熱期間，需要保持足夠低的燈電壓，以便避免在陰極被充分加熱之前燈點燃。
根據本發明的一種形式，一種氣體放電燈的鎮流器電路具有電阻加熱的陰極。直流變交流變換器電路向諧振負載電路提供交流電流。變換器電路包括串聯在直流電壓側的總線導體和基準導體之間的第一和第二開關，並具有流過交流電流的公共節點。在控制變換器開關的開關控制裝置中，比較器電路將第一輸入節點上的信號與第二輸入節點上的周期基準信號進行比較，並產生比較器輸出信號，當被比較的第一個信號大於被比較的第二個信號時，上述輸出信號改變其狀態，而當被比較的第二個信號大於被比較的第一個信號時，上述輸出信號進一步改變其狀態。一個電路根據比較器輸出信號產生周期基準信號。第一電路在點燃燈之前對變換器電路加電時在第一輸入節點上產生信號，避免燈點燃，同時加熱燈陰極。第二電路在第一輸入節點上產生信號，允許燈點燃並工作。第二電路包括反饋電路，用於檢測諧振負載電路中的交流電流，並產生與交流電流成比例的反饋信號。從對變換器電路最初加電算起經過一段預定時間以後，反饋信號與第一輸入節點相連，在這段時間燈的陰極被加熱。
下面將參照附圖對本發明進行詳細的描述，附圖中相同的參考號表示相同的或相應的部分，其中

圖1是氣體放電燈的鎮流器電路的示意圖，其中一部分是以框圖形式表示的，該電路在反饋電路中專門用了電子部件來控制一對電源開關，並具有陰極預熱功能；圖2表示圖1的電壓信號V22、V-和V+的簡化的電壓波形；圖3是圖1的變換器電路14的最佳實施方案的示意圖，其中一部分是以框圖形式表示的；圖4是圖3的分相器、停滯時間和電平移動電路50的實施方案；以及圖5是圖4的停滯時間電路60的實施方案。
參照圖1，圖中畫出了諸如小型螢光燈那樣的氣體放電燈的電子鎮流器電路。燈12包括電阻加熱陰極12A和12B。變換器電路14向諧振負載電路16提供交流電流，該電路包括燈12、諧振電感LR、諧振電容CR1，最好還有並聯在燈12兩端的另一個電容CR2，電容CR2增大了諧振電容CR1的容量。電流檢測反饋電阻RF或通過實線13A表示的導線與陰極12B相連，或通過虛線13B表示的導線與陰極12B相連，這種選擇一般是根據諧振負載電路16中的電壓幅度確定的。變換器電路14的詳細情況如下所述。
比較器18為變換器電路14提供控制信號，該信號先經過反相緩衝器20，然後作為電壓信號V22出現在線路22上。比較器18具有反相輸入端「-」，上面有輸入電壓信號V-，以及非反相輸入端「+」，上面有輸入電壓信號V+。下面將要說明的電阻24和R1分別提供從輸出信號V22到輸入信號V+和輸入信號V-的反饋通路。為了確保比較器18的穩定操作，反相緩衝器20提供從比較器18到輸出信號V22的延時。因此，信號V22的只在輸入電壓V+和V-穩定以後才改變狀態。
當對變換器電路14加電時，定時器電路25使開關26保持關斷，即不導通，通常是1秒。當對變換器電路14加電時，提供基準電壓VR，並通過電阻30向電容28充電。電容28上的電壓驅動具有滯後特性的一對串聯的反相緩衝器32，如緩衝器的三角形符號中所畫的滯後符號所示。在一般是1秒的預定時間以後，這些緩衝器提供明顯的電壓升，使開關26閉合。開關26最好是模擬開關，例如n溝道增強型MOSFET。
現在描述在對變換器電路14加電之後開關26保持關斷期間比較器18的工作情況。除了參照圖1外，還參照圖2，圖2表示輸出電壓信號V22和輸入電壓信號V+、V-的簡化的電壓波形圖。如圖2所示，時間段T1是在對變換器電路14加電之後開關26保持關斷的期間。在這一期間，允許通過諧振負載電路16中的電流對陰極12A和12B加熱。時間段T1的電流的頻率設定在一個適當的值，例如能夠防止燈12過早點燃。與比較器18相連的電路確定諧振負載電路16中的電流的頻率。更具體地說，在陰極預熱期間，負載電流的頻率一般選擇為高於諧振負載電路16的固有諧振頻率的20％至50％。這樣便使得燈電壓維持在比較低的幅度，以防止燈過早點燃，同時保持足夠大的電流通過燈的陰極，使陰極在燈點燃之前變得足夠熱。
從圖2中可以看到，輸出電壓信號V22是以方波的形式在高電位和零之間變化。當信號V-超過信號V+時，信號V22從低電平變為高電平。當信號V+超過信號V-時，信號V22從高電平變為低電平。通過電阻24分別對電容34充電或放電，從高電平信號V22或低電平信號V22產生基本是三角波的信號V+。電壓信號V+的上升和下降沿最好是線性的，因此當信號V+超過信號V-時，比較器18的輸出有明顯的變化。例如，信號V+的線性部分最好從電容34充放電的時間常數的第一個四分之一處開始。
同時，在開關26關斷期間，通過基準電壓VR的驅動，由電阻R2和R3的電阻分壓網絡產生基本是方波的信號V-。該基準電壓最好是與對定時器電路25的電容28充電的電壓相同的電壓。具體地說，電阻分壓網絡在節點36上產生直流電壓分量。節點36的另外的電壓分量是由電阻R1提供的，該電阻的一段與節點36相連，另一端與節點22相連，以便接收信號V22。節點36上最終得到的電壓信號如圖2所示，在時間段T1是方波。該方波信號的垂直變化範圍38確定何時信號V22從一種狀態變到另一種狀態，並最終確定諧振負載電路16中的電流的頻率。垂直變化範圍38是由電阻R1的值確定的。
當開關26導通時，由於上述定時器電路25工作，所以反饋電壓VF變為節點36上的主要電壓，有效地確定比較器的輸入信號V-。這是因為反饋電阻RF的值遠遠低於電阻R1、R2和R3的值，也低於電阻R4和R5的值。上面施加了基準電壓VR的電阻R4和R5提供其公共節點40上的電壓的直流分量。這一直流分量的幅度最好與由電阻R2和R3提供的節點36上的直流分量的幅度相同，其結果是開關26上的電壓在開關導通之前基本為零。採用電容42以便得到反饋電阻RF上的電壓與網絡R4和R5提供的直流分量之間的適當的耦合。
在時間段T2反饋電壓VF有效地確定電容輸入電壓V-，輸出電壓V22過渡到高電平或低電平的過渡點不再由時間段T1所示的方波確定。基本是正弦波的V-與三角波V+相互作用，導致頻率與諧振負載電路16的固有諧振頻率同步。因此在時間段T2，允許燈點燃，諧振負載電路16達到其諧振頻率。燈點燃後，燈12的電阻顯著下降，諧振負載電路16的工作頻率變到不同於燈點燃時的穩定狀態值。
圖3表示變換器電路14的最佳實施例，它在圖1中是以方框表示的。在線路22上的輸出電壓V22(圖1)被分相器、停滯時間和電平移動電路50接收，這在下面結合圖4描述。電路50在線路50A和50B上提供適當的信號，它們分別被常規的緩衝器70和72接收。這些緩衝器用來驅動MOSFET開關Q1和Q2。開關Q1和Q2之間的公共連接處通過隔直電容39與諧振電感LR相連；開關Q1的下面的節點，即參考節點60(例如，地)與反饋電阻RF相連。
圖4表示圖3的分相器、停滯時間和電平移動電路50的實施方案。如圖4所示輸出信號V22施加到停滯時間電路60，該電路的一種實施方案示於圖5。在圖5中，包括電阻63和電容65的電路接收輸出信號V22，並向邏輯非門67提供延遲的輸入電壓V65。非門67具有滯後特性，它的輸入閾值電壓是其輸出電壓的函數。非門67產生一個輸出電壓，V60與輸出信號V22的跳變方式相反，不過是在延遲間隔(或停滯時間)以後才跳變。工作頻率為65千赫的燈的典型的延遲間隔61是1微秒。
返回圖4，停滯時間電路輸出電壓V60輸入至邏輯與門51。與門51的另一輸入是邏輯非門52的輸出，該輸出是輸出信號V22的反相信號。與門51的輸出即電壓V51示於圖4。輸出電壓V51通過常規的電平移動電路54移動電平，以便在導體50A上形成適當的信號，經過緩衝器70(圖3)後驅動圖3中上面的MOSFETQ1的柵極。
為了驅動圖3中下面的MOSFETQ2的柵極，由圖4的電路產生柵極驅動電壓V58。為此，邏輯非門56先將停滯時間電路輸出V60反相，並將所得電壓作為一個輸入施加到邏輯與門58上。邏輯與門58的另一個輸入是輸出信號V22。由於包括非門56，所以與門58的柵極驅動輸出電壓V58的相位與柵極驅動信號V51的相位差180°。這實現了電路50的分相功能。
如圖4所示，柵極驅動信號V58的高電平狀態與柵極驅動信號V51的高電平狀態其上升沿和下降沿都是是分開的，分開的間隔是停滯時間間隔。由於可以採用所謂的軟切換技術(例如零電壓切換)，所以可以確保MOSFET開關Q1和Q2的高速操作。
本領域的一般技術人員可以以不同方式來實現圖3和4的分相器、停滯時間和電平移動電路50的各種功能以及圖2的緩衝器70和72的功能。例如，可以採用加利福尼亞E1Segundo的國際整流器公司的IR2155自振蕩功率MOSFET/IGBT柵極驅動器。利用上述柵極驅動器，所謂RT輸入端可以保持懸空，現在的輸出信號V22可以施加到柵極驅動器的所謂CT輸入端。然而，採用上述柵極驅動器，圖4和5的設定停滯時間電路60的停滯時間的功能就不存在了。
對於25瓦的螢光燈12，工作電流的頻率是65千赫，直流輸入電壓是160伏，電路元件的典型值如下諧振電感LR800微亨諧振電容CR14.4納法諧振電容CR23.3納法反饋電阻RF1歐姆電容42 3.3納法電阻R4和R5，每個 1兆歐電阻30 2.4兆歐電容28 100納法電壓VR5伏電阻R2和R3，每個 10千歐電容34 3.3納法電阻24 10千歐電阻R1 47千歐隔直電容39(圖3)1微法此外，反相器32可以是佛羅裡達Melbourne的HarrisSemiconductor銷售的產品CD40106B；開關Q1和Q2每個都可以是n溝道增強型MOSFET；開關26可以是n溝道增強型MOSFET，是由上述Harris Semiconductor銷售的產品CD40106B。
上述氣體放電燈的鎮流器電路包括控制一對功率開關的再生反饋電路，而不需要磁變壓器，並具有陰極預熱功能。簡單地說，在陰極預熱期間，使燈電壓保持足夠低，以避免在陰極充分加熱之前燈被點燃。
雖然以上結合具體實施例描述了本發明，但是本領域的一般技術人員可做許多修改和變化。因此應理解，所附的權利要求書旨在復蓋落入本發明的精神和範圍內的所有這些修改和改變。
權利要求
1.一種具有電阻加熱陰極的氣體放電燈的鎮流器電路，包括(a)含有氣體放電燈並包括諧振電感和諧振電容的諧振負載電路；(b)與所述諧振負載電路相連的直流變交流變換器電路，用於向所述諧振負載電路提供交流電流；所述變換器電路包括串聯在直流電壓側的總線導體和基準導體之間的第一和第二開關，並具有流過所述交流電流的公共節點；(c)用於控制所述第一和第二開關的開關控制裝置，包括(i)比較器電路，用於將第一輸入節點上的信號與第二輸入節點上的周期基準信號進行比較，並產生比較器輸出信號，當被比較的第一個信號大於被比較的第二個信號時，上述輸出信號改變其狀態，而當被比較的第二個信號大於被比較的第一個信號時，上述輸出信號進一步改變其狀態；以及(ii)根據所述比較器輸出信號產生所述周期基準信號的電路；(d)第一電路，用於點燃燈之前對所述變換器電路加電時在所述第一輸入節點上產生信號；選擇所述第一輸入節點上的所述信號，避免燈點燃，同時加熱燈陰極；(e)第二電路，用於在所述第一輸入節點上產生信號，允許燈點燃並工作；所述第二電路包括(i)反饋電路，用於檢測所述諧振負載電路中的交流電流，並產生與所述交流電流成比例的反饋信號；以及(ii)從對所述變換器電路最初加電算起經過一段預定時間以後，將所述反饋信號與所述第一輸入節點相連的電路，在這段時間燈的陰極被加熱；以及(f)調整所述比較器輸出信號的調整電路，用於控制所述第一和第二開關。
2.權利要求1的鎮流器電路，其中所述調整電路包括停滯時間電路，用於在所述第一和第二開關關閉時所述第一開關導通之前以及在所述第一和第二開關關閉時所述第二開關導通之前建立一個停滯時間。
3.權利要求2的鎮流器電路，其中所述停滯時間電路包括從一個範圍中選擇所述停滯時間間隔的裝置。
4.權利要求1的鎮流器電路，其中用於檢測所述諧振負載電路中的交流電流並產生反饋信號的所述電路包括所述諧振負載電路中的一個電阻。
5.一種氣體放電燈的鎮流器電路，包括(a)含有氣體放電燈並包括諧振電感和諧振電容的諧振負載電路；(b)與所述諧振負載電路相連的直流變交流變換器電路，用於向所述諧振負載電路提供交流電流；所述變換器電路包括串聯在直流電壓側的總線導體和基準導體之間的第一和第二開關，並具有流過所述交流電流的公共節點；(c)用於控制所述第一和第二開關的開關控制裝置，包括(i)比較器電路，用於將第一輸入節點上的信號與第二輸入節點上的基本為三角形的周期基準信號進行比較，並產生比較器輸出信號，當被比較的第一個信號大於被比較的第二個信號時，上述輸出信號改變其狀態，而當被比較的第二個信號大於被比較的第一個信號時，上述輸出信號進一步改變其狀態；以及(ii)根據所述比較器輸出信號產生所述周期基準信號的電路；(d)第一電路，用於點燃燈之前對所述變換器電路加電時在所述第一輸入節點上產生信號；選擇所述第一輸入節點上的所述信號，避免燈點燃，同時加熱燈陰極；(e)第二電路，用於在所述第一輸入節點上產生信號，允許燈點燃並工作；所述第二電路包括(i)反饋電路，用於檢測所述諧振負載電路中的交流電流，並產生與所述交流電流成比例的反饋信號；以及(ii)從對所述變換器電路最初加電算起經過一段預定時間以後，將所述反饋信號與所述第一輸入節點相連的電路，在這段時間燈的陰極被加熱；以及(f)調整所述比較器輸出信號的調整電路，用於控制所述第一和第二開關。
6.權利要求5的鎮流器電路，其中產生所述周期基準信號的所述電路包括延遲電路，用於在所述周期基準信號的所述佔優勢的較高走向部分和所述佔優勢的較低走向部分之間實現延遲過渡，以便確保比較器電路的輸出狀態的穩定變化。
7.權利要求5的鎮流器電路，其中所述開關控制裝置包括(a)對所述比較器的輸出信號作出響應的反相器，用於產生經反相的比較器輸出信號；(b)一個電阻，連接方式是在其一端接收所述經反相的比較器輸出信號，另一端與所述比較器的所述第二輸入節點相連；以及(c)一個電容，連接在所述第二輸入節點和參考電位的導體之間；(d)所述周期基準信號是由交替對所述電容充放電產生的，電阻電容時間常數是由所述電阻和所述電容值確定的。
8.權利要求5的鎮流器電路，其中所述調整電路包括停滯時間電路，用於在所述第一和第二開關關閉時所述第一開關導通之前以及在所述第一和第二開關關閉時所述第二開關導通之前建立一個停滯時間。
9.權利要求8的鎮流器電路，其中所述停滯時間電路包括從一個範圍中選擇所述停滯時間間隔的裝置。
全文摘要
一種氣體放電燈的鎮流器電路具有電阻加熱的陰極。直流變交流變換器電路向諧振負載電路提供交流電流。變換器電路包括第一和第二開關,並具有公共節點。比較器電路將第一輸入節點上的信號與第二輸入節點上的周期基準信號進行比較,並產生比較器輸出信號。一個電路根據比較器輸出信號產生周期基準信號。第一電路在第一輸入節點上產生信號,避免燈點燃,同時加熱燈陰極。第二電路在第一輸入節點上產生信號,允許燈點燃並工作。第二電路包括反饋電路。
文檔編號H05B41/16GK1179693SQ9711957
公開日1998年4月22日 申請日期1997年9月30日 優先權日1997年9月30日
發明者L·R·內羅尼 申請人:通用電氣公司