用於高強度放電燈的熱再觸發的低點亮電壓瞬時啟動的製作方法

2023-09-19 06:14:35 2

專利名稱：用於高強度放電燈的熱再觸發的低點亮電壓瞬時啟動的製作方法
用於高強度放電燈的熱再觸發的低點亮電壓瞬時啟動
背景技術：
本申請涉及與本案同時提交的名稱為「IGNITER INTEGRATED LAMP SOCKET FOR HOT RE-STRIKE OF HIGH INTENSITY DISCHARGE LAMP」 [代理號 220932]的共同擁有的共 同待決的申請。本公開內容涉及放電燈，且更特定而言涉及高強度放電(HID)燈，諸如陶瓷金屬 滷化物(CMH)燈，其中需要該燈的瞬時啟動熱再觸發。其特別適用於HID燈中，HID燈相對 於插座組件可替換，但應了解選定方面可應用於相關用途中。在瞬時啟動熱再觸發應用中，點亮電壓通常為大約數萬伏(例如，25-30千伏)。 高電壓需要使用從點亮器到燈插座的高電壓電纜和因此更好的電絕緣。而這增加了組件成 本。此外，高電壓電纜在燈點亮期間充當天線而輻射電磁幹擾(EMI)。此可使得熱再觸發在 諸如保健的EMI敏感應用中是不現實的。已知在其它領域中，諸如在汽車放電頭燈環境中，將點亮器、燈插座和燈整合為單 個單元。在這些應用中，如果需要替換燈，那麼整個燈、點亮器和燈插座被丟棄且隨後被替 換，因為各個構件為整合組件。但是，在非汽車應用中，這在經濟上是不可行的，因為其餘構 件的使用壽命並不限於HID燈的壽命，且替換整個組件的額外成本確實是沒必要的。因此， 在諸如商業照明、顯示照明、辦公室、商店、博物館、舞臺照明、電視和電影製片廠等非汽車 應用中存在對HID燈熱再觸發應用的需要。在關掉之後，標準HID燈通常需要從5分鐘至15分鐘的冷卻時間再次開啟燈。需 要此冷卻時間是因為當燈熱時HID燈的電弧管內的壓力可為數十大氣壓。換言之，可啟動 冷燈的小於5千伏的典型或常規點亮電壓在HID燈熱時並不提供足夠強的電場在間隔開的 電極之間的高壓等離子間隙上再次點亮。為了實現熱燈的HID瞬時啟動再觸發(即，熱再 觸發)，該組件需要更高的點亮電壓。大於25千伏的點亮脈衝通常用於汽車放電頭燈中，且 大於30千伏的點亮脈衝用於特殊應用的其它熱再觸發HID燈中。這種高點亮電壓造成很多問題和額外成本。舉例而言，高點亮電壓造成電極頂端 濺射，這縮短電極的有效壽命且最終將造成燈故障。高點亮電壓還在電弧壁上沉積電極材 料，阻擋自發光等離子體發出的光，且使燈的性能降級。此外，必須增加絕緣性以防止在高 點亮瞬時啟動HID系統中的不當發弧。這種增加的絕緣性使得燈設計複雜且導致增加成 本。高點亮電壓還帶來若干EMI幹擾問題使得系統設計者必須採取額外防範措施來屏蔽點 亮脈衝，特別是在不能耐受EMI的某些工業中。另外，用於生成更高點亮電壓的點亮電壓發 生器的成本也更高。因此，傳統辦法導致實現瞬時啟動的更昂貴方案。空氣的電介質擊穿電壓為每毫 米大約3千伏。對於大於20千伏水平的點亮電壓，擊穿空氣間隙從標準HID燈的小於2毫 米到瞬時啟動照明系統的大於7毫米。顯然，這導致瞬時啟動系統很大成本來通過提供更 高點亮電壓的絕緣、提供高額定電壓值燈基座和燈頭以及使用傳遞點亮脈衝所需的高電壓 電纜而修改標準設計。因此，大約25千伏的熱再觸發點亮脈衝造成更加嚴重的EMI幹擾且 需要額外工作來屏蔽該系統。存在對可替換的HID燈的熱再觸發應用的改進的解決方案，以及可靠、可替換且具有降低成本的組件的需要。

發明內容
一種燈組件包括高強度放電(HID)燈，變壓器和用於提供瞬時啟動的電路，其以 小於25千伏提供燈的瞬時啟動熱再觸發點亮。一種用於HID燈瞬時啟動的電路包括用於向HID燈供應點亮電壓的器件，其包括 用於提供擊穿電壓脈衝的器件，擊穿電壓脈衝具有小於25千伏的幅度和從大約20赫茲到 大約500赫茲的頻率範圍。優選地，該頻率大於100赫茲，更優選地，該頻率大約為150赫茲。提供器件的幅度優選地小於大約15千伏，且更優選地大約8-10千伏。提供器件 的脈衝寬度為大約200納秒且脈衝的峰值是周期性的，周期為大約2毫秒。本公開內容的主要益處在於與瞬時啟動熱再觸發HID燈組件相關聯的降低的成 本。主要益處是顯著地降低HID燈的瞬時啟動熱再觸發所需的擊穿電壓的能力。另外的益處是減輕的EMI和與瞬時啟動熱再觸發應用相關聯的燈具設計中更大 的靈活性。通過閱讀和理解下文的優選實施例的詳細描述，本公開內容的另外的益處和優點 將會變得明顯。


圖1是用於常規HID應用中的燈插座的透視圖。圖2是在第一優選實施例中的燈組件的分解透視圖。圖3是圖2的插座外殼組件的放大透視圖。圖4是現有技術電弧管在熱再觸發之前的示意表示。圖5是如在現有技術布置中所用的熱再觸發點亮脈衝的曲線圖表示。圖6是現有技術電弧管在點亮脈衝之後的圖示。圖7至圖9是類似於圖4至圖6的視圖，示出用於瞬時啟動熱再觸發的新點亮脈 衝布置。圖10是具有代表性脈衝重複頻率的點亮脈衝幅度的改進減小的示意圖。圖11和圖12是優選電路的示意圖。
具體實施例方式圖1示出常規燈插座外殼或基座100，其通常用於高強度放電(HID)燈(未圖示)， 高強度放電燈可移除地固持於插座外殼中。更特定而言，插座外殼包括第一電力電纜102 和第二電力電纜104，第一電力電纜102和第二電力電纜104具有連接到相關聯電源(未 圖示)的相應第一端106和108。當燈組件計劃用於瞬時啟動熱再觸發應用時，電力電纜 102,104是相對重型高電壓電纜，其具有很大絕緣性以運送大約數萬伏的電壓從而向容納 於插座外殼中的燈提供大約二十五千伏(25kV)至三十千伏(30kV)的伏點亮脈衝。因此， 電力電纜從電源延伸，電源包括鎮流器(未圖示)且還包括變壓器，變壓器使電壓從數百伏的水平(小於1200伏)升高到25kV至30kV。電力電纜的第二端110、112止於插座外殼內 且電連接到電連接器120、122，電連接器120、122分別容納於相應凹部124、126內。凹部 (尤其是連接器)間隔開預定尺寸，諸如標準化12mm的間距，其為預定的，以防止在分隔連 接器的空氣間隙上擊穿。插座外殼還包括第一彈簧夾130和第二彈簧夾132，第一彈簧夾130和第二彈簧夾 132通常安置於連接器之間且與連接器成直角以機械地接合HID燈的基座部分的相對側。 同樣且用於隨後比較目的，變壓器和點亮器組件將位於遠離插座外殼處。圖2和圖3示出本公開內容的優選實施例。特別地，燈組件包括燈插座外殼200， 燈插座外殼200優選地為陶瓷外殼。儘管僅示出單個電纜202，但應了解電纜是低電壓電 纜，其容納第一絕緣線與第二絕緣線，或替代地，提供第二電力電纜(未圖示)，其中每個電 力電纜容納單個線。同樣，線的第一端206、208適於與相關聯的電源(未圖示)電連接，而 第二端210、212連接到操作電路或印刷電路板(PCB)214。此外，變壓器216包括繞核芯纏 繞的金屬線，變壓器216還被固定到插座外殼200上以將電壓從小於1200伏的輸入電壓升 高到小於25，000伏(25kV)且更優選地在8，000與10，000伏(8-10kV)之間的所需瞬時啟 動熱再觸發點亮電壓。外殼200包括內腔，內腔的尺寸適於容納變壓器和印刷電路板。端 部閉合部件218然後閉合外殼端部。相對的連接器220、222容納於相關聯的凹部224、226 內。此外，彈簧夾230、232被固定到外殼上且適於機械地夾住HID燈MO的相對表面和特 別地燈的基座部分對2。HID燈包括第一電極244與第二電極M6，第一電極244與第二電 極246容納於密封電弧管248中且間隔開預定尺寸或電弧放電間隙。電弧管的內部容納氣 體填充物使得響應於電極之間的充分電壓電位，填充氣體被擊穿，形成電弧，且氣體填充物 變成等離子體，等離子體發出預定光譜的光。第一外部引線250和第二外部引線252從封 殼延伸且間隔開與插座外殼的電連接器220、222相同的尺寸。以此方式，HID燈240可移 除地固定到插座外殼上，其中，外部引線250、252容納於相關聯的凹部224、226內以與連接 器220、222建立電連接。而彈簧夾230、232機械地接合燈的基座部分M2。由於變壓器位於鄰近電連接器220、222處，在此優選布置中僅需要很短距離的高 電壓線。當與圖1的現有布置相比(其中電纜1 02、104中的每一個運送高電壓)時，這限 制了組件的潛在EMI影響。另外，印刷電路板容納於陶瓷外殼內。這種布置將鎮流器定位 於較遠位置，其中與燈操作相關聯的高溫將不會不利地影響鎮流器操作。點亮器合併於燈 插座內用於高強度放電燈的瞬時啟動熱再觸發應用。舉例而言，瞬時啟動熱再觸發是指燈 在切斷一定時間之後直接啟動，且當重新接通時，將直接啟動使得在一秒之後，燈應發出其 額定光通量的至少百分之八十(80% )。鎮流器通過低電壓電纜202將數百伏範圍的低電 壓電力供應到安置於燈插座外殼200內的點亮器。點亮器包括電路或印刷電路板214，其協 同變壓器21 6將電壓從數百伏升高到實現HID瞬時啟動所需的電壓水平。而且，如已知的 那樣，在過去使用25千伏至30千伏的點亮脈衝。如將在下文中公開的那樣，另一實施例允 許小於25kV，優選地低於20kV，且更特別地大約8-10千伏水平的熱再觸發點亮擊穿電壓水 平。整合的燈插座排除了高電壓電纜且基本上將高電壓路徑幾乎減為零，而這減輕了 EMI。 在燈具設計中，鎮流器位於距光源更遠處，且因此延長了鎮流器壽命且增強可靠性。燈具設 計還具有更大靈活性。此外，如果需要替換燈，其可從外殼200移除而無需與點亮器、電路 或外殼相關聯的任何額外替換開支。
圖4至圖6例示熱再觸發應用的現有技術點亮電壓。如圖4所示，HID燈340包 括第一電極344與第二電極346，第一電極344與第二電極346由電弧管348內的電弧間隙 間隔開。響應於擊穿電壓脈衝，認為電子從負極經過電弧管348內的等離子體移動到第二 或正極；346。熱再觸發脈衝在圖5中示出或展示為大約大於20千伏的脈衝施加1毫秒-3 毫秒。此種大的擊穿電壓確保了電子到達第二電極用於熱再觸發。如在圖7至圖9中同樣地示出的那樣，本公開內容提供現有技術所需的高擊穿電 壓的替代方案。更具體而言，HID燈440包括容納於電弧管448內的第一電極444與第二電 極446。使用一系列高頻點亮脈衝，因為場在電極之間變化。舉例而言，圖8提議施加200 納秒的大約10千伏的點亮脈衝(圖示為三角形點亮脈衝)可間隔開2毫秒以實現HID燈 的瞬時啟動熱再觸發。認為電子可由各個脈衝促使朝向正極，如圖9所示。如圖10所示的實際測試表明以20赫茲重複頻率提供的大約13千伏的點亮脈衝 幅度足以提供瞬時啟動熱再觸發。同樣，在150赫茲頻率的10千伏脈衝成功地重啟燈且甚 至500赫茲頻率的8千伏系列脈衝實現瞬時啟動熱再觸發。如本領域技術人員所了解的那 樣，這從現有技術所需的大約25千伏水平顯著降低。相對於現有技術瞬時啟動布置，這造 成顯著節省。標準HID燈通常需要冷卻時間和在25千伏與30千伏之間的點亮電壓，且導致額 外成本，因為高點亮電壓造成電極濺射。濺射縮短電極壽命且造成燈故障。濺射也將電極 材料沉積到電弧管壁上從而阻擋自等離子體的光使得燈性能進一步降級。高點亮電壓需要 相關聯的絕緣增加以防止發弧，這使得燈設計更複雜且造成額外成本。高點亮電壓還具有 更嚴重的EMI幹擾且需要系統設計考慮對點亮脈衝的額外屏蔽。本公開內容另一方面提供一種解決方案，其能利用低點亮電壓使HID瞬時啟動， 且減少與現有布置的高點亮電壓相關聯的額外成本。本公開內容使得HID瞬時啟動系統更 能買得起且能應用於更一般的應用中，諸如辦公室、倉庫、應急照明等。本公開內容和相關 聯的方法使用相對低幅度的多個點亮脈衝來在電極之間的高電壓等離子體間隙上轉送電 子以在HID燈熱時實現瞬時啟動，例如，熱再觸發。認為每個點亮脈衝迫使電子僅移動電極 頂端之間的總等離子體間隙的一部分。在電子振蕩回到第一或負極的原始位置之前，施加 下一點亮脈衝且在電弧間隙的另一部分上移動電子。當點亮脈衝以高頻重複時，認為電子 在等離子體間隙上從一個電極移動到另一個電極且導致實現其啟動的點亮脈衝的更低量 值或幅度。儘管在理論上需要以儘可能高的頻率重複點亮脈衝，但實際上，點亮脈衝重複頻 率受到硬體和其它系統考慮限制。利用以大約500赫茲的頻率重複和小於10千伏的幅度 的點亮脈衝實現充分的瞬時啟動熱再觸髮結果。當點亮脈衝的重複頻率大於500Hz，諸如 IOOHz和2000Hz時，實現瞬時啟動的點亮脈衝的幅度改變很小。認為高頻的電路和燈的寄 生電容和電感減弱點亮脈衝，且進一步增加點亮脈衝頻率的成本將顯著增加。因此燈組件 可實現關於燈壽命、性能、成本、安全性和EMI的相關聯優點。更少的材料將從電極蒸發，因 而延長電極壽命。從電極蒸發的更少材料還表明更少材料沉積於電弧管的壁上。因此，導 致電弧管以更低速率暗化且具有更高流明維持，因為當流明輸出僅為最初流明輸出的50% 時，HID燈被認為到達使用燈壽命的盡頭，電弧管這種減輕的暗化延長了燈壽命。圖11和圖12是用於上文所述的瞬時啟動熱再觸發實施例的示意電路。圖11示 出四輸入布置，其中輸入A與B是用於對電容器500充電的直流(DC)輸入(例如，大約400伏)。電壓隨時間在電容器上累積到所需水平以向額定火花間隙502提供充分電壓水平(例 如，額定在大約350伏)。火花間隙502是氣體放電管且在正常條件下並不導電。當在火花 間隙502上的電壓到達高於額定電壓(例如，大約350伏)時，在火花間隙502內的氣體被 電離且放電。火花間隙502暫時地變得導電。電容器500、火花間隙502和變壓器508的 初級繞組506形成電迴路。存儲於電容器500中的電荷通過火花間隙502卸入變壓器508 的初級繞組506內，且在變壓器508的初級繞組506中生成電壓脈衝。在變壓器508的初 級繞組506中的電壓脈衝進一步由變壓器508的匝數比升高至變壓器508的次級繞組510 上的更大電壓脈衝以瞬時啟動該燈520。同樣，僅以舉例說明，如果採用50 1的匝數比， 那麼，自變壓器的初級側的電壓升高以變成用於燈520的IOKv瞬時啟動熱再觸發電壓。電 阻器504用於控制充電電流且可作為實例額定為50千歐，然而，類似電容器和火花間隙額 定值，在不偏離本公開內容的範圍和意圖的情況下，它們可更改。一旦燈被重新點亮，開路 降低到低於火花間隙額定電壓且因此並不生成電壓脈衝。第三輸入C與第四輸入D是用於燈持續操作的低電壓AC輸入。MOV或齊納二極 管522設於電路的此部分中，其在啟動期間限制電壓，使得不允許例如大約IOKv的再觸發 電壓通過到電路的前端。電感器5 也可設於電路中以使電路穩定。圖11的布置(四輸入)具有隔離電路的低電壓燈操作部分與熱再觸發部分的優 點。另一方面，在鎮流器位於距燈較遠處的情況下，存在與線相關聯的額外成本。圖12是用於瞬時啟動熱再觸發HID燈的替代電路。更特定而言，此示出三輸入布 置，其包括第一輸入E與第二輸入F，第一輸入E與第二輸入F為用於燈操作的低電壓連接。 第三輸入G與第一輸入E(其共有於電路的第一部分和第二部分的)協同操作用於瞬時啟 動熱再觸發(例如，大約400V或更高的直流輸入)以向電容器600充電。火花間隙602和 電阻器604可參考關於圖1 1的實施例同樣額定。當在火花間隙602上的電壓到達高於額 定電壓(例如，大約350伏)時，在火花間隙602內的氣體被電離且放電。火花間隙602暫 時變得導電。電容器600、火花間隙602和變壓器608的初級繞組606形成電迴路。存儲 於電容器600中的電荷通過火花間隙602卸入變壓器608的初級繞組606內，且在變壓器 608的初級繞組606中生成電壓脈衝。在變壓器608的初級繞組606中的電壓脈衝進一步 由變壓器608的匝數比升高至變壓器608的次級繞組610上的更大電壓脈衝以瞬時啟動該 燈620。MOV或齊納二極體622在第一輸入與第二輸入之間延伸以限制電壓且還保護電路 的低電壓部分。一旦燈被重啟，那麼通過輸入E、F提供的低電壓交流電流將繼續操作該HID 燈。應認識到，在圖12的實施例中，電路部分並未彼此完全隔離。但是，此電路有利地 僅具有三個線，與圖11的四輸入連接相比，這可導致成本節省。認為在常規熱再觸發應用與本公開內容所實現的那些應用之間的成本差異為 50%或更大。儘管已知在增加點亮脈衝頻率時，降低所需擊穿電壓，但這種減小迄今僅為大 約20%減小的水平。令人驚奇的是，在此布置中，脈衝參數實現擊穿電壓超過20%的顯著 更好的降低。在點亮爆發中，點亮僅小於0.25秒。如果最初爆發不足以再觸發該燈，那麼 電路通常脈動延長的時間間隔。或者，設想到點亮爆發可限於預定次數以便節省絕緣上的 磨損和撕裂。此可建置到鎮流器電路內。儘管脈衝被圖示為周期性的且具有相同幅度，但因為更簡單的電子器件與固定周期和相等幅度相關聯，本公開內容並不限於這種布置。通常，無需與可變周期和可變幅度相 關聯的成本。此外，波可為三角形、正方形或其它脈衝形狀，而對於HIF燈的瞬時啟動熱再 觸發並無明顯影響。在G12型HID燈引線之間的標準間距為12毫米。因為存在13-14千 伏的電位用於在插座或剛好在燈基座的密封玻璃中發弧，在低於10千伏，更優選地大約8 千伏的水平實現熱再觸發的能力是顯著改進。 參考優選實施例描述了本發明。顯然，在閱讀和理解前述詳細描述時，其他人可想 到修改和更改。預期本發明被理解為包括所有這些修改和更改。
權利要求
1.一種用於高強度放電(HID)燈的瞬時啟動的電路，所述電路包括用於向所述高強度放電燈供應點亮電壓的點亮電壓供應器件，所述點亮電壓供應器件 包括用於提供擊穿電壓脈衝的提供器件，所述擊穿電壓脈衝具有小於25千伏的幅度和大 約20赫茲或者更大的頻率。
2.根據權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述提供器件的頻率大於100赫茲。
3.根據權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述提供器件的頻率為大約150赫茲。
4.根據權利要求3所述的電路，其特徵在於，所述提供器件的幅度為大約10千伏。
5.根據權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述提供器件的幅度小於大約15千伏。
6.根據權利要求5所述的電路，其特徵在於，所述提供器件的幅度為大約13千伏。
7.根據權利要求6所述的電路，其特徵在於，所述提供器件的頻率為大約20赫茲。
8.根據權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述提供器件的幅度為大約10千伏。
9.根據權利要求8所述的電路，其特徵在於，所述提供器件的頻率為大約150赫茲。
10.根據權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述提供器件的幅度為大約8千伏。
11.根據權利要求10所述的電路，其特徵在於，所述提供器件的頻率為大約500赫茲。
12.根據權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述提供器件的脈衝寬度為大約200納秒。
13.根據權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述脈衝的峰值是周期性的，且周期為 大約2毫秒。
14.根據權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述脈衝可為三角形或正方形之一。
15.根據權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述脈衝範圍高達大約2000赫茲。
16.根據權利要求1所述電路，其特徵在於，所述高強度放電燈是陶瓷金屬滷化物 (CMH)燈。
17.根據權利要求1所述的電路，其特徵在於，所述電壓脈衝具有基本上相同的幅度。
18.一種再觸發高強度放電(HID)燈的方法，其包括向所述高強度放電燈提供低電壓脈衝，所述低電壓脈衝具有小於20千伏的幅度；以及 以在大約20赫茲至大約500赫茲的頻率範圍重複所述低電壓脈衝。
19.根據權利要求18所述的方法，其特徵在於，提供步驟處於大約8千伏的幅度，且所 述頻率為大約500赫茲。
20.根據權利要求18所述的方法，其特徵在於，提供器件的脈衝寬度為大約200納秒， 且所述脈衝之間的時間間隔為大約2毫秒。
全文摘要
一種燈組件包括外殼，外殼選擇性地容納可移除的插入式高強度放電(HID)燈。變壓器和電路容納於該外殼內用於以小於25千伏提供該燈的瞬時啟動熱再觸發點亮。用於HID燈瞬時啟動熱再觸發的電路向HID燈供應點亮電壓，點亮電壓具有幅度小於25千伏和頻率範圍從大約20赫茲到大約500赫茲的脈衝。優選地，該頻率大於100赫茲，更優選地，該頻率為大約150赫茲。脈衝幅度優選地小於大約15千伏，且更優選地大約8-10千伏。脈衝寬度為大約200納秒且脈衝峰值是周期性的，周期為大約2毫秒。
文檔編號H05B41/292GK102084723SQ200980126126
公開日2011年6月1日 申請日期2009年5月19日 優先權日2008年7月2日
發明者J·李 申請人:通用電氣公司