用於氣體放電燈的啟輝器電路的製作方法
2023-06-09 18:23:11
專利名稱：用於氣體放電燈的啟輝器電路的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於氣體放電燈的點亮的啟輝器電路，尤其涉及這種燈的點亮，該氣體放電燈在比其工作電壓高得多的電壓處點亮。
氣體放電燈的共同特性是它們負阻和高啟輝電壓。用於為這種電燈供電的電路裝置通常包括一個用於補償負阻的，諸如鎮流器的限流裝置，並通常包括用於產生點亮該燈的高壓脈衝的啟輝器電路。這種啟輝器電路一般地包括一個用於實現高壓脈衝的連續產生直到燈點亮的壓敏開關(例如一個矽對稱二端開關元件)。當點亮燈後，在燈兩端的電壓由一個較高的開路電壓(OCV)降低到一個較低電壓，該較低電壓使得開關變換到一個非導通狀態從而實現脈衝產生過程的終止。這種鎮流器的一個例子在U.S.專利5319286中有描述。
在一些情形中，該啟輝器電路可以過載到使得該壓敏開關失效的電壓點處。這對於重複將這種高壓脈衝施加給不能穩定點亮的燈的啟輝器電路尤其是一問題。
本發明的一個目的是提供一個用於點亮一個氣體放電燈的電路，該電路在產生啟輝脈衝期間降低在壓敏開關上的應力。
一個用於點亮氣體放電燈的通用電路裝置包括一個電感性脈衝發生電路，該脈衝發生電路包括一個壓敏開關，而一個定時電路包括一個用於確定以何種頻率程度產生脈衝的定時電容。已經發現這種電路裝置可以產生通過開關的AC電流，該AC電流既增大了開關上的應力又不利地影響了定時電路的操作。在這種燈不能穩定點亮的情形下，或需要許多啟輝脈衝以帶入一個穩定點亮狀態的情形下，這種AC電流可以這樣實現電容器的充電和/或放電，從而使得該定時電路在比開關可以容忍的頻率更高的頻率處允許重複脈衝發生。
根據本發明，用於點亮一個氣體放電燈的電路裝置包括一個定時電路和電感性脈衝發生電路，該定時電路包括用於限制脈衝發生頻率的定時電容，該電感性脈衝發生電路包括一個與該電容電連接的單向壓敏開關。該裝置單向地限制在每一脈衝期間通過該開關和電容的串聯電流。
圖1為本發明是在其上改進的一個電路裝置的示意圖。
圖2A，2B和2C示出了圖1所示電路裝置的操作期間產生的波形。
圖2D示出了根據本發明的一個電路裝置中產生的波形。
圖3為根據本發明第一實施例的一個電路裝置的示意圖。
圖4為根據本發明第二實施例的一個電路裝置的示意圖。
圖5為根據本發明第三實施例的一個電路裝置的示意圖。
圖6為一個可替換的電路元件的示意圖。
圖1示出了一個在WO00/69224中描述的鎮流器。具體地，圖1示出了一個鎮流器，該鎮流器包括一個DC電壓源12，一個具有輸出端子141和143的變換器14，一個整流器16，和一個啟輝器電路I，其中在這兩個輸出端子141和143之間連接有一個輸出電容器145。在一個示例性實施例中的換流器為一個用作電流源的向下變換器(downconverter)，並向整流器16和啟輝器電路I提供一個被DC電源12所提供的電壓更低的電壓。整流器16被配置來將一個周期性反向的電流經變壓器30的次級繞組34和經一根電纜38提供給氣體放電燈L。
除了次級繞組34之外，啟輝器電路I還包括一個電感22，一個初級繞組32，一個矽對稱二端開關元件S，和一個電阻28和電容29的並聯組合，上面所有元件都電地串聯在變換器14的輸出端子141和143之間。優選地，如在此所引用的WO 00/69224＝US 6,144,171所述的，變壓器是在全燈電流時不飽和的一種類型(例如有隙變壓器)而電容36電地跨接在次級繞組34上。這會減弱由變換器14所釋放的紋波電流。
電感22通過限制在擊穿時流過矽對稱二端開關元件的電流的變換速率來保護矽對稱二端開關元件。電容器36對當使用一個有隙變壓器時由初級繞組32到次級繞組34的減少的耦合進行補償。電容器36調節變壓器30的次級電路的諧振頻率和使啟輝脈衝成形，從而使得燈L的啟輝脈衝規格在整流器所涉及的所有負載條件範圍(包括受電纜36長度影響的變化的負載電容)內都一致。
在運作時，DC電源為變換器14上電之後，變換器的內部切換電路(未示出)對輸出電容充電145。矽對稱二端開關元件兩端的電壓等於電容器145兩端的電壓。當該電壓達到矽對稱二端開關元件的擊穿電壓時，電容器145將一個電流脈衝通過初級繞組32，矽對稱二端開關元件，和並聯的RC組合28，29來放電，並實現一個高壓脈衝在次級繞組34處的產生。當電容器29充電到接近於電容器上的電壓而通過矽對稱二端開關元件的電流變得低到足夠使它保持導通時，電流脈衝終止。然後，矽對稱二端開關元件關斷(即，進入非導通狀態)而電容器29通過電阻28放電。
如果該第一高壓脈衝(被變壓器變化到一個高壓脈衝)已經點亮該燈L，則該燈L的阻抗值掉至一個低值，將電容器145放電到一個遠低於矽對稱二端開關元件S擊穿電壓的電壓值，而啟輝器電路將變為非激活狀態。然而，啟輝器電路將保持在備用狀態並且如果燈熄滅則立即變為重激活狀態。
如果脈衝未點亮燈，則電容器29將通過電阻28放電直到矽對稱二端開關元件兩端的電壓再次超過其擊穿電壓，然而將重複脈衝產生序列。該RC定時電路的時間常數被設為長到足夠使矽對稱二端開關元件的擊穿比每一整流器周期一次更頻繁。
啟輝器電路I的一個優勢在於它可以快速啟動一個已經熄滅的燈的能力。這在電源時不時掉電的情況下時有利的，但是經常發現有時當燈由第一脈衝不穩定地啟動時使得矽對稱二端開關元件過載。在這種情況下，啟輝器電路將重複嘗試點亮燈並且矽對稱二端開關元件可能出故障。
這種故障相信是由於兩個歸因因素所產生的。一個因子是由在啟輝器電路的各種諧振所產生的和通過矽對稱二端開關元件的鈴流脈衝。採用圖1的實施例作為例子，無論何時當燈L不處於一個點亮狀態，變換器14將電容145放電直到達到矽對稱二端開關元件的擊穿電壓。在此時，矽對稱二端開關元件兩端的電壓突然減低到幾乎為零並且基本上完全的擊穿電壓出現在電感22和初級繞組32的串聯組合的兩端。電感22容易達到飽和，所以幾乎所有電壓都會非常快地初級繞組兩端，並以非常高的遞升比例(例如15∶1)耦合到次級繞組34。由次級繞組所產生的最終高壓脈衝由整流器施加到燈L的兩端。在這一脈衝的一部分期間，電流通過包括電感22，初級繞組32，變壓器30的漏電感，矽對稱二端開關元件S，電容器29和經由變壓器的耦合通過電容36的諧振電路。這一複雜的諧振電路可以被認為包括兩部分-一個主要由初級繞組32和電容器29決定的初級諧振電路，和一個主要由變壓器漏電感和電容器36決定的次級電路。
以1.0微秒/每一分隔的尺度所繪製的圖2A顯示了由圖1的電路裝置在金屬滷化燈啟動期間同時產生的第一和第二示例性波形iS和vS。波形iS表示通過矽對稱二端開關元件的電流並顯示了三個鈴流脈衝PS。波形vS表示在燈L兩端的電壓並顯示了在三個連續整流周期中在燈L兩端交替的正和負電壓，每一個周期具有一個間隔T。該波形vS還顯示了三個振鈴高壓脈衝PL，這些脈衝是在變壓器30的輸出端產生的並作為通過變壓器初級繞組32的電流脈衝PS的結果施加到燈的兩端。
另一個歸因因素是當燈開始點亮時，RC定時電路和矽對稱二端開關元件的相互作用。此時燈阻抗的突然降低不僅會使得電容145放電，還會在矽對稱二端開關元件關斷之前至少使得電容器29部分放電。這減少了由RC定時電路所產生的延遲，這取決於這種法定發生的程度和當矽對稱二端開關元件關斷時在電容29上所剩餘的最終電壓。如果燈開始點亮，從而將電容器29放電到一定程度，但是接著就熄滅了，矽對稱二端開關元件會在很小延遲之後或沒有延遲地再次擊穿。這在燈在穩定點亮之前反覆地脫離點亮狀態或不能穩定地點亮(例如有缺陷或接近其壽命末端)時尤其對矽對稱二端開關元件產生壓力。在這些情形下，啟輝器電路可以比整流器更高的速率產生脈衝。以0.1微秒/每一分隔的尺度繪製的圖2B顯示了在單個整流周期的一部分中珍重多脈衝產生的例子。這種高速率的脈衝產生過程可引起矽對稱二端開關元件在超出其規格的功率水平處工作。
根據本發明，啟輝器電路被修改以改變其中定時器電容和壓敏開關相互作用的方式。特別地，在圖1的電路裝置中，一個二極體與矽對稱二端開關元件S相電串聯，如圖3所示。同時，這兩個部件形成一個只允許電流單向流過的單向壓敏開關。這防止電容器29通過矽對稱二端開關元件的放電。結果，電容器29可預期地充電到由在電容器145上電壓所確定的一個正電壓並且可預期地限制矽對稱二端開關元件擊穿的速率。
與矽對稱二端開關元件和RC定時電路相串聯的二極體的引入還消除了振鈴。這在圖2C和2D中顯示。以5.0微秒/每一分隔的尺度繪製的圖2C顯示了通過圖1所示的矽對稱二端開關元件的單個鈴流脈衝PS。通過插入二極體D，如圖3所示，只有脈衝的第一峰值部分PS1通過該矽對稱二端開關元件。以2微秒/每一分隔的尺度繪製的圖2D顯示了在圖3所示電路裝置的工作期間通過二極體D和矽對稱二端開關元件S的實際啟輝電流脈衝PS。
從而，在矽對稱二端開關元件的功耗以兩種方式被減少。第一，啟輝電流脈衝通過矽對稱二端開關元件的速率可預期地由電容性定時脈衝來控制。第二，在每一電流脈衝期間單級功耗由多峰值鈴流的功耗減少到只有第一峰值的功耗。
本發明還有利地與各種具有脈衝類型啟輝器的鎮流器一起使用。圖4顯示了一個典型磁性鎮流器的實施例，該鎮流器包括根據本發明的一個與一個電容性定時電路相串聯的單向壓敏開關。該鎮流器包括一個AC源40和一個具有初級繞組42A和次級繞組42B的自動變壓器42，該初級繞組和次級繞組與氣體放電燈L相串聯。
包括一個矽對稱二端開關元件S和一個二極體D的單向壓敏開關與電容器44和初級繞組42A相串聯。電阻46和RF阻擋線圈48被串聯在二極體的陰極和一個將燈L連接到AC源40的導體之間的。
運行中，在來自源40的AC源的每一正周期期間，電容器44通過包括變壓器42，電阻46和線圈46的路徑進行充電。如果燈仍然沒有點亮，則電容器44充電直到其電壓超過矽對稱二端開關元件S的擊穿電壓。該電容器然後通過包括初級繞組42A，矽對稱二端開關元件S和二極體的路徑快速放電，使得一個高壓啟輝脈衝由AC源40和變壓器42的串聯組合施加給燈L。當通過矽對稱二端開關元件的電流接近零點，則矽對稱二端開關元件關斷並且電容器電壓跟隨AC源的電壓直到它再次超過矽對稱二端開關元件的擊穿電壓。該電阻46與電容器44形成一個定時電路。該電路的RC時間常數確定了在電容器充電電壓中的，相對於AC電源信號相位的相移。有利地，這個時間常數是這樣形成的，使得擊穿電壓在接近AC電源峰值電壓處形成和這樣形成的，使得在AC電源的每半個周期內只產生一個啟輝脈衝。與圖3所示實施例相似地，二極體D阻止高頻鈴流脈衝流過包括電容器44和矽對稱二端開關元件S的串聯電路。否則，當燈點亮(和關斷矽對稱二端開關元件)時在電容器上的瞬態電壓可能不可預期並可能導致在矽對稱二端開關元件中相同過載。
圖4所示實施例可以只在AC源電壓的正半周期產生啟輝脈衝。圖5示出了可以在正半周期和負半周期產生啟輝脈衝的一個實施例。該鎮流器電路與圖4所示的相同，除了包含兩個反極性的單向壓敏開關，它們以負極性相互電連接。在正半周期中，電容器44以一個方向通過包括矽對稱二端開關元件S1和二極體D1的第一開關放電。在負半周期中，電容器44以反方向通過包括矽對稱二端開關元件S2和二極體D2的第二開關放電。
應注意到，本發明不限於在此公開的特定示例性電路裝置。而且它也不限於使用單個類型的所公開的單向壓敏開關，即與一個二極體相串聯的矽對稱二端開關元件。例如，圖6中顯示了一個可對這種開關替換的構造。這種開關包括一個與一個二極體D相串聯的三端雙向可控矽開關元件(triac)並具有一個壓敏觸發器電路。該觸發器電路包括一個電連接在該三端雙向可控矽開關元件的柵極和第一端子之間的齊納二極體Z，和一個電連接在該該三端雙向可控矽開關元件的柵極和第二端子之間的電阻R60。
權利要求
1.用於氣體放電燈(L)的啟輝器電路，所述電路包括a.一個遞升變壓器(30，42)的初級繞組(32，42B)，所述變壓器適用於到該燈的電連接；b.電連接到變壓器的，用於在初級繞組中產生一個電流脈衝的脈衝發生器，所述脈衝發生器包括，電串聯的i.一個定時電容(29，44)；和ii.一個用於在電流脈衝產生期間單向地限制通過電容的電流的單向壓敏電流開關。
2.權利要求1的啟輝器電路，其中單向壓敏電路開關包括與一個二極體相串聯的一個矽對稱二端開關元件。
3.用於氣體放電燈(L)的啟輝器電路，所述電路包括a.一個遞升變壓器(30，42)的初級繞組(32，42B)；b.電連接到變壓器的，用於在初級繞組中產生一個電流脈衝的脈衝發生器，所述脈衝發生器包括，電串聯的i.一個壓敏電流開關；ii.一個定時電容(29，44)；和iii.一個用於在電流脈衝產生期間單向地限制通過電容的電流的單向壓敏電流開關。c.用於到燈的電連接的變壓器的次級繞組(34，42A)。
4.權利要求3的啟輝器電路，其中該壓敏電流開關包括一個與一個二極體D相串聯的矽對稱二端開關元件(5)。
5.權利要求3的啟輝器電路，其中該定時器電路包括一個RC定時電路。
6.權利要求3的啟輝器電路，其中該定時器電路包括一個與該電容器相併聯的電阻(28)。
7.權利要求3的啟輝器電路，其中該定時電路包括一個與該電容相串聯的電阻(46)。
8.用於一個氣體放電燈(L)的啟輝和工作電路，所述電路包括a.一個DC電源(12，14)；b.電連接到燈和到DC電源的，用於以周期地反轉極性地為所述燈供電的整流器(16)；c.一個變壓器(30，42)的初級繞組；d.一個電連接到變壓器的，用於在初級繞組中產生一個電路脈衝的脈衝發生器，所述脈衝發生器包括，電串聯的i.一個壓敏電流開關；ii.一個電容性定時電路；iii.一個用於單向地限制到電容性定時電路的充電電流的二極體；iv.用於到燈的電連接的變壓器的次級繞組(34，42A)。
9.用於產生點亮一個氣體放電燈(L)的脈衝的點亮裝置，所述電路裝置包括一個定時電路，該定時電路包括一個用於限制所述脈衝產生的速率的定時電容器(29，44)和一個包括一個單向壓敏開關的電感性脈衝發生電路，所述開關與該電容相串聯以單向地限制通過該開關和電容的公共串聯電流。
10.一個用於產生點亮一個氣體放電燈(L)的脈衝的電路裝置，所述電路裝置包括一個定時電路，該定時電路包括一個用於限制所述脈衝產生的速率的定時電容器(29，44)和一個包括一個交替-電流-導通的壓敏開關的電感性脈衝發生電路，該改進型包括一個電連接到該壓敏開關和連接到該定時電容器用於單向地限制通過該開關和電容的公共串聯電流的二極體(D)。
全文摘要
一個用於氣體放電燈的啟輝器電路包括一個電感性啟輝脈衝發生電路和一個電容性定時電路。該脈衝發生電路包括一個與在定時電路中的一個電容相串聯以單向限制公共電流的單向壓敏開關。
文檔編號H05B41/00GK1366795SQ01800898
公開日2002年8月28日 申請日期2001年4月3日 優先權日2000年4月12日
發明者R·埃爾哈德特, O·多伊爾洛 申請人:皇家菲利浦電子有限公司