具有電弧保護電路的鎮流器的製作方法

2023-12-01 07:01:06 2

專利名稱：具有電弧保護電路的鎮流器的製作方法
技術領域：
本發明涉及的一般主題是用於為放電燈供電的電路。更具體而言，本發明涉及一種包括電弧保護電路的鎮流器。
相關申請本發明的主題涉及美國專利No.6,720,739B2(題為「Ballastwith Protection Circuit for Quickly Responding to ElectricalDisturbances」，發布於2004年4月13日並且被轉讓給與本發明相同的受讓人)，其公開內容在此被引入作為參考。
背景技術：
用於氣體放電燈的鎮流器為啟動燈提供高的點火電壓。由預熱型鎮流器提供的點火電壓通常為幾百伏的數量級(例如500伏峰值)，而由瞬時啟動型鎮流器提供的點火電壓可以超過1000伏峰值。由於這些高點火電壓，鎮流器易遭受輸出產生電弧(output arcing)的問題。
輸出產生電弧可能以多種不同方式中的任何一種方式發生。例如，在螢光燈照明裝置中，通常作法是當AC功率施加到鎮流器上時替換失效的燈。這種作法被稱為「有效的」燈替換(relamping)。在有效的燈替換期間，當移去或插入一個燈時，可能在設備(fixture)插座觸點和燈的管腳之間形成瞬間電弧。作為另一個例子，由於在輸出布線或燈座中的不良連接，或者如果以這樣的方式不恰當地安裝燈，以致在燈管腳和設備插座內的觸點之間存在小的間隙，則可能出現持續電弧(與瞬間電弧相反)。如果由於有缺陷的燈座或有缺陷的布線而損害到一個(或多個)燈的連接，則在由這些故障狀態所引起的氣隙上可能產生高強度、高溫度電弧。
通常，產生電弧被確認會導致設備插座中的觸點的惡化以及對鎮流器內的元件的不當應力。持續電弧尤其是不期望的，因為它趨向於產生潛在地破壞性的加熱。為了最小化由於產生電弧而引起的所有不良影響，重要的是迅速地熄滅電弧。這需要一個鎮流器，它能夠快速地檢測到電弧，隨後採取恰當的行動以快速地熄滅電弧。
同樣重要的是，在某些周期、例如反相器啟動和燈點燃期間禁止電弧檢測。例如，燈的正常啟動過程通常伴隨有在輸出產生電弧期間出現的相同類型的電氣幹擾。因此，除非在燈啟動期間禁止電弧檢測，否則可能阻止鎮流器正確地點燃燈。另外，儘管在理想條件下大多數燈能夠在短時間周期(例如20毫秒)內點燃並且正常地工作，但是由於老化或低溫，一些燈需要更加長的時間來點燃和穩定。因此，應該在這樣的周期內禁止電弧檢測，該周期足夠長(例如200毫秒)以在不太理想的條件下調節燈的啟動。
還期望的是，鎮流器具有某種類型的自動重啟能力，其中在檢測到電弧並且關閉鎮流器之後的特定時間內，進行周期性的嘗試以便重啟鎮流器並點燃燈。這個特徵是期望的，以便在錯誤的檢測的情況下防止「閂鎖」關閉鎮流器(這需要關閉鎮流器的電源，然後再次接通該電源以使鎮流器復位)，該錯誤的檢測是由於瞬間的電力線的瞬變或對鎮流器的可靠性或安全性不造成實際威脅的多個反常現象中的任何一個所引起的。同樣，因為燈有點不可預測，所以有時候否則「良好」的燈可能不能在第一次嘗試時就正確地啟動。在這種情況下，具有自動重啟能力的鎮流器將周期性地嘗試啟動燈，而不是僅僅閂鎖處於關閉狀態的鎮流器直到鎮流器的電源循環(cycled)。只要引起產生電弧的狀態存在，則鎮流器就可能導致燈周期性地閃爍(例如，燈將每2秒發光多至200毫秒)，由此提供設備和/或燈需要維修的有用的視覺指示。
因此，對具有電弧保護電路的鎮流器存在一種需要，該電弧保護電路快速地檢測輸出電弧並且然後採取恰當的行動以快速熄滅電弧。對具有電弧保護電路的鎮流器還存在一種需要，該電弧保護電路提供禁止周期以便考慮到正確的燈啟動。對具有電弧保護電路的鎮流器存在另一種需要，該電弧保護電路提供自動重啟能力以便調節「好」燈的錯誤檢測和反常啟動失敗，以及提供需要維修一個(或多個)燈和/或設備的有用的視覺指示。對具有保護電路的鎮流器存在另一種需要，該保護電路是經濟的並且在現有鎮流器內容易實現。相比於現有技術，這種鎮流器和電弧保護電路將顯示出相當大的進步。


圖1是根據本發明的優選實施例具有電弧保護電路的鎮流器的電氣框圖；
圖2描述了根據本發明的優選實施例所公開的電弧保護電路所響應的電氣幹擾的實例；圖3是根據本發明的第一優選實施例具有電弧保護電路和自振蕩式反相器的鎮流器的部分示意框圖；圖4是根據本發明的第一優選實施例適合用於圖3的鎮流器中的電弧保護電路的詳細示意圖；圖5是根據本發明的第二優選實施例具有電弧保護電路和驅動式反相器的鎮流器的部分示意框圖；圖6是根據本發明的第二和第三優選實施例適合用於圖5和圖7的鎮流器中的電弧保護電路的詳細示意圖；圖7是根據本發明的第三優選實施例具有電弧保護電路和驅動式反相器的鎮流器的部分示意框圖，其中鎮流器提供對燈絲的加熱。
具體實施例方式
參考圖1，用於為包括至少一個氣體放電燈的燈負載70供電的鎮流器20包括AC-DC轉換器100、反相器200、輸出電路300和電弧保護電路600。AC-DC轉換器100具有用於接收AC電源電壓60的輸入端102、104，並且AC-DC轉換器100可操作用於提供DC幹線電壓給反相器200。輸出電路300與反相器200耦合，並且適合與燈負載70耦合。電弧保護電路600與反相器200耦合；可選地，電弧保護電路600還與輸出電路300耦合。
在工作期間，電弧保護電路600針對幹擾監控反相器200或輸出電路300內的電信號；當該電信號的至少一部分顯示出超過預定門限值的時間變化率時，認為已發生了幹擾。電弧保護電路600提供定時啟動周期，在該定時啟動周期期間，不管電信號中的任何幹擾，反相器200被啟用並且被允許嘗試啟動燈。在定時啟動周期結束之後，如果在電信號中出現幹擾，則電弧保護電路600禁用反相器200並且在定時關閉周期內使反相器保持被禁用。在該定時關閉周期結束之後，電弧保護電路600重新提供定時啟動周期(即，反相器200被再次啟用並且被允許嘗試啟動燈，而不依賴於電信號中的任何幹擾)。
電弧保護電路600所響應的典型幹擾包括(i)在鎮流器的輸出端上產生電弧狀態的出現；以及(ii)燈從鎮流器斷開。如在圖2中所說明的，這樣的幹擾通常導致至少一個具有相對大的時間變化率的瞬時尖峰信號54在被監控的電信號50中。當然應該理解的是，圖2中的波形是實際上出現的波形的粗略簡化；大多數幹擾(例如輸出產生電弧)將導致在被監控的信號50中出現多個瞬時尖峰信號。當鎮流器20和燈負載70以正常方式工作時，電信號將是具有一周期的周期信號。例如，如圖2中所說明的，信號50可以基本上是正弦曲線。在鎮流器20和燈負載70的正常工作期間，正弦信號的最大時間變化率出現在信號50的零交叉52處，並且基本上小於瞬變54的最大時間變化率。
有利地，當在定時啟動周期結束之後在電信號中出現幹擾時，電弧保護電路600能夠在小於電信號周期的兩倍的響應時間內禁用反相器200。對於典型的鎮流器應用，其中反相器的工作頻率被設計為20千赫或更大(對應於50微秒或更小的周期)，因此電弧保護電路600能夠在小於100微秒的響應時間內禁用反相器200。
優選地，定時啟動周期被選擇為在大約200毫秒的數量級上，即使在涉及老化的燈或低環境溫度的條件下，這也應該提供足夠的時間以允許一個(或多個)燈點燃和穩定。
優選地，定時關閉周期被選擇為在大約2秒的數量級上。換句話說，優選的是，定時關閉周期比定時啟動周期大至少大約10倍。因此，在再次出現幹擾、例如輸出產生電弧的情況下，反相器200將具有足夠低(例如10％左右)以防止電弧導致潛在地損害熱量在照明設備的鎮流器和/或燈座內積累的佔空度。另外，數量級為大約200毫秒的定時啟動周期適合於提供有用的視覺指示(即如果起作用的話，一個(或多個)燈將短暫地閃爍，但是可感覺到每2秒閃爍一次)，即電弧已經被檢測到並且設備和/或一個(或多個)燈需要維修和/或替換。
現在參考圖3，在本發明的第一優選實施例中，AC-DC轉換器100被實施為全波整流器電路110和升壓轉換器120、130、140、150、160的組合；反相器200被實施為電流饋送自振蕩半橋式反相器，以及輸出電路300被實施為並聯諧振輸出電路。因為關於AC-DC轉換器100、反相器200和輸出電路300的結構和操作的大多數細節對於鎮流器領域中的技術人員來說是眾所周知的，所以在此不提供那些電路的詳細的描述。
如在圖3中所描述的，AC-DC轉換器100包括輸入端子102、104、全波二極體電橋110、電容器112、升壓控制電路120、升壓電感器130、升壓電晶體140、升壓整流器150、大容量電容器(bulk capacitor)160、以及輸出端子106、108。在工作期間，AC-DC轉換器(經由輸入端子102、104)接收來自AC源60的AC電源電壓並且(經由輸出端子106、108)將DC幹線電壓(例如455伏)提供給反相器200。
反相器200包括雙電流饋送電感器210、212，第一和第二反相器電晶體220、240，第一基極驅動電路230、236、324，第二基極驅動電路250、256、326，以及反相器啟動電路280。第一基極驅動電路與第一反相器電晶體220耦合，並且包括基極驅動線圈324、二極體230和電阻器236。第二基極驅動電路與第二反相器電晶體耦合，並且包括基極驅動線圈326、二極體250和電阻器256。反相器啟動電路280與AC-DC轉換器100、第二反相器電晶體240和電路地50耦合，並且包括電容器282、電阻器284、第一二極體286、第二二極體288、啟動電容器290和二端交流開關292。在工作期間，反相器200接收來自AC-DC轉換器100的DC幹線電壓並且(經由反相器電晶體220、240的互補開關)將高頻(例如大於20,000赫茲)交變電壓提供給輸出電路300。
輸出電路300包括輸出連接端子302、304，諧振電容器310，輸出變壓器320、322、324、326，隔直電容器330，電阻器340，和鎮流電容器350。輸出變壓器320、322、324、326包括與反相器200耦合的初級線圈322、與輸出連接端子302、304耦合的次級線圈322、第一輔助線圈324(其是反相器200內的第一基極驅動電路的一部分)、第二輔助線圈326(其是反相器200內的第二基極驅動電路的一部分)。在工作期間，輸出電路300接收由反相器200提供的高頻交變電壓並且(經由輸出連接端子302、304)提供用於點燃燈70的高電壓以及用於操作燈70的限幅電流。
如在圖3中所描述的，電弧保護電路600包括DC電源輸入端E1、信號監控輸入端E2、電路地輸入端E3、反相器禁用輸出端E4和反相器啟動禁止輸出端E5。DC電源輸入端E1與AC-DC轉換器100的輸出連接端子106耦合。信號監控輸入端E2與第二基極驅動電路250、256、326耦合；更加具體地，輸入端E2與第二輔助線圈326耦合。電路地輸入端E3與電路地50耦合。反相器禁用輸出端E4與第二反相器電晶體240耦合；更加具體地，輸出端E4與第二反相器電晶體240的基極242耦合。最後，反相器啟動禁止輸出端E5與反相器啟動電路280耦合；更加具體地，輸出端E5與反相器啟動電路280內的啟動電容器290和二端交流開關292的連接點耦合。
在第一優選實施例中，如圖3中所描述的，在第二輔助線圈326兩端的電壓充當由電弧保護電路600監控的電信號。因為第二輔助線圈326與輸出電路300內的初級線圈320和次級線圈322磁耦合，所以在輸出連接端子302、304上出現的任何幹擾(例如產生電弧的狀態)將在第二輔助線圈326兩端的電壓中感生快速上升時間信號。該快速上升時間信號將經由信號監控輸入端E2通過電弧保護電路600來檢測。
在定時啟動周期期間(例如在反相器200或電弧保護電路600開始工作之後的最初200毫秒)，反相器200被啟用並且被允許嘗試啟動燈70，而不管(表示幹擾的)快速上升時間信號是否存在於線圈326兩端的電壓中。在定時啟動周期結束之後，如果在線圈326兩端的電壓中檢測到幹擾，則電弧保護電路600通過在定時關閉周期的持續時間(例如2秒)中將反相器禁用輸出端E4和反相器啟動禁止輸出端E5有效地分接(shunt)到電路地50來作出響應。隨著反相器禁用輸出端E4有效地分接到地，反相器電晶體240的基極242同樣被有效地分接到地，從而引起反相器開關的停止(cessation)並且由此禁用反相器200；正如在此進一步詳細說明的，對於具有自振蕩式反相器的鎮流器，實際上優選的是將輸出端E4分接到稍微小於電路地的電平(例如-1伏)以便安全地確保反相器開關停止。同時，隨著將反相器啟動禁止輸出端E 5分接到地，防止啟動電容器290充電，由此保持二端交流開關292斷開並且防止反相器啟動電路280嘗試提供啟動脈衝給反相器電晶體240。
一旦定時關閉周期結束(例如在反相器已經被禁用2秒之後)，電弧保護電路600停止將反相器禁用輸出端E4和反相器啟動禁止輸出端E 5分接到電路地50，由此再次啟用反相器200並且允許反相器200在至少定時啟動周期的持續時間(例如200毫秒)內繼續工作，在該持續時間期間反相器200和輸出電路300再次被允許嘗試點燃和操作燈70。在定時啟動周期結束之後，如果沒有檢測到產生電弧，則電弧保護電路600允許反相器200繼續以正常的方式工作。相反地，如果在定時啟動周期結束之後檢測到產生電弧，則電弧保護電路600將再次禁用反相器200並且在定時關閉周期的持續時間(例如2秒)內保持反相器200被禁用。
現在參考圖4，在本發明的第一優選實施例中，電弧保護電路600還包括定時器集成電路(IC)U1，檢測器電路C2、R4、Q2，第一分接電路C1、M1、R2、R3，以及第二分接電路Q1、R1。定時器U1包括多個管腳1、2、3、4、5、6、7、8並且優選地由555型定時器集成電路(例如，由Texas Instruments製造的零件號TLC551)實現；CMOS版本是優選的以便最小化工作功率需求以及元件(例如電阻器R7、R8)中的損耗，其中經由該元件將工作功率傳送給定時器U1。檢測器電路C2、R4、Q2與信號監控輸入端E2、定時器U1的第二管腳2以及電路地50耦合。第一分接電路C1、M1、R2、R3與反相器禁用輸出端E4、定時器U1的第三管腳3以及電路地50耦合。第二分接電路Q1、R1與反相器啟動禁止輸出端E5、定時器U1的第三管腳3以及電路地50耦合。
如下列出了用於實現電弧保護電路600的優選的元件值電阻器R1100,000歐姆電阻器R2、R3100,000歐姆電阻器R4、R5470歐姆電阻器R6470,000歐姆電阻器R7、R8300,000歐姆電阻器R910,000歐姆電阻器R10、R11220,000歐姆電容器C1、C30.1微法拉電容器C2220皮法拉電容器C42.2微法拉電容器C5470皮法拉電容器C60.01微法拉電容器C710微法拉電容器C84.7微法拉二極體D11N4148
二極體D210伏齊納管(例如ON Semiconductor零件號1N4697)電晶體Q1、Q22N3904電晶體M12N7000集成電路U1555型定時器，CMOS版本(例如Texas Instruments零件號TLC551)現在如下參考圖3和圖4來描述鎮流器20和電弧保護電路600的詳細操作。在下面的描述中，除非另外指出，否則所有電壓都是相對於電路地50來引用的。
在將AC功率施加到鎮流器20上之後的短時間周期內，升壓控制電路120接通並且開始提供升壓電晶體120的開關。隨後，在反相器啟動電路280內，電容器290開始經由電容器282、電阻器284和二極體288進行充電。一旦在電容器290兩端的電壓達到預定電平(例如32伏)，二端交流開關292就變為導通並且將(來自存儲在電容器290中的能量的)啟動脈衝傳送給反相器電晶體240的基極242。該啟動脈衝導致反相器電晶體240導通，由此以本領域中的技術人員眾所周知的方式開始反相器200的自振蕩工作。
在將AC功率施加到鎮流器上之後，電弧保護電路600開始在短時間周期內工作。更具體地，在將功率施加到鎮流器20上之後，在AC-DC轉換器100的輸出端106、108之間存在的輸出電壓快速地達到AC線源電壓(例如277伏rms)的峰值(例如390伏)，並且然後在升壓轉換器開始工作之後增加到甚至更高的值(例如455伏)。在電弧保護電路600內，從AC-DC轉換器100的輸出端得到定時器IC U1的工作功率，並且經由DC電源輸入端E1、電阻器R7和R8以及電容器C8將該工作功率傳送給定時器IC U1的管腳8。選擇齊納二極體D2，以便當AC-DC轉換器100的輸出電壓是455伏DC時近似地將10伏DC提供給定時器IC U101的管腳8。
在燈70的正常點燃期間，當燈放電時，與在幹擾(例如輸出產生電弧)期間出現的那些信號類似的信號通常可能出現在反相器200和輸出電路300中。如先前間接提到的，重要的是，電弧保護電路600基本上忽視這樣的信號以便允許反相器200和輸出電路300工作足夠長的時間從而成功地點燃燈70。因此，電弧保護電路600被設計成在激活定時器IC U1之後忽視在初始周期(在下文中稱為定時啟動周期，例如200毫秒)期間出現的任何幹擾。通過確保在反相器200開始工作之後大約200毫秒內電容器C4兩端的電壓並且因此集成電路U1的管腳4(復位控制管腳)上的電壓保持低於1伏來提供定時啟動周期。在定時啟動周期期間，即使由於線圈326兩端的電壓中所察覺的幹擾的出現電晶體Q2導通，也將不觸發定時器IC U1的輸出端(管腳3)(這將過早地禁用反相器)。
當反相器200啟動時，15伏峰峰值出現在電容器C2和二極體D1的連接點上。在這個電壓的正半周期，D1導通並且通過限流電阻器R5對電容器C3進行充電。該充電的結果是電容器C3將在其兩端上具有大約6伏(DC)的電壓。此時，U1的管腳3(通過其內部邏輯電路)被保持在0伏。在定時電容器C4兩端的電壓在反相器啟動之前處於0伏，由於電容器C3兩端的電壓而(經由電阻器R6)開始增加，並且在大約200毫秒之後達到大約1伏。在上述情況發生之前，IC U1的管腳3上的電壓保持低，由此允許反相器200繼續工作以便點燃並啟動燈70，而不管可能在第二輔助線圈326兩端的電壓中出現的任何幹擾。
在定時啟動周期(例如t＝200毫秒)結束時，C4兩端的電壓達到1伏，由此如果經由信號監控輸入端E2檢測到幹擾，則允許定時器U1觸發並禁用反相器200。
在鎮流器20和燈70的正常工作期間，第二輔助線圈326兩端的電壓是具有大約15伏的峰峰幅度的高頻(例如45千赫)信號。在電弧保護電路600內，電容器C2和電阻器R4起高通濾波器的作用。在正常工作期間，當第二輔助線圈326兩端的電壓沒有任何表示幹擾的快速上升瞬變時，電阻器R4兩端的電壓基本上保持低於電晶體Q2所需的導通電壓；因此，在沒有任何幹擾的情況下，電晶體Q2保持截止。
在存在幹擾的情況下，快速上升時間信號將出現在第二輔助線圈326兩端的電壓中，並且將經由信號監控輸入端E2被電弧保護電路600檢測到。響應於輸入端E2上的快速上升時間信號，電容器C2的電抗(與頻率成反比)將減少並且電阻器R4兩端上的電壓將足夠高以使電晶體Q2導通。隨著電晶體Q2導通，集電極電流將流過電晶體Q2並且在電阻器R9兩端產生電壓降。當電阻器R9兩端的電壓降超過定時器電源電壓(例如10伏)的2/3(例如6.7伏)時，將觸發定時器U1並且在IC U1內將產生單個定時脈衝，從而導致在預定持續時間內管腳3的輸出端上的電壓升高(例如10伏)；定時脈衝的持續時間由電阻器R11和電容器C7的值決定，並且優選地被設置在大約2秒(即定時關閉周期)。電阻器R2和R3被這樣選擇，以致當管腳3的輸出升高(例如10伏)時，大約5伏將被施加到電晶體M1的柵極上，從而導致電晶體M1導通。隨著電晶體M1導通，反相器禁用輸出端E4並且將第二反相器電晶體240的基極242下拉到大約-1伏的電平(在正常工作期間，經由線圈326和電晶體M1內部的體二極體將電容器C 1峰值充電到大約-6.5伏的電平)，由此迫使第二反相器電晶體240截止，這有效地禁用反相器200。在電容器C1兩端所存儲的負電壓(例如-6.5伏)確保一旦電晶體M1導通就快速地停止反相器開關。以此方式，在幹擾出現之後，電弧保護電路600快速地禁用反相器200。
大約在電晶體M1導通並且禁用反相器的同時，(由於存在於定時器IC U1的管腳3上的正電壓)電晶體Q1也導通並且將反相器啟動禁止輸出端E5和啟動電容器290分接到電路地50。這防止電容器290充電，由此防止反相器啟動電路280嘗試重新啟動反相器。只要管腳3的輸出保持高，則電晶體Q1就保持導通。以此方式，在由定時器集成電路U1提供的單觸發定時周期(即關閉周期)的持續時間(例如2秒)內，反相器200保持被禁用。
在單觸發定時周期期間(一旦檢測到幹擾就執行該單觸發定時周期)，IC U1的管腳3升高，由此迫使管腳4升高，並且導致電容器C4通過電阻器R10放電。在單觸發定時周期結束之前，電容器C4通過電阻器R10完全放電。在單觸發定時周期結束之後，電容器C4開始再次充電，但是直到預定啟動周期(例如200毫秒)結束，C4兩端的電壓才達到1伏，正如先前所描述的。因此，電弧保護電路600在該周期期間被有效地禁用，由此提供連續的定時啟動周期(例如200毫秒)，在該連續的定時啟動周期期間再次啟用反相器200以便嘗試點燃並操作燈20。
在定時啟動周期結束之後，如果沒有檢測到產生電弧，則電弧保護電路600允許反相器200繼續以正常的方式工作。相反地，如果在定時啟動周期結束之後檢測到產生電弧，則在預定的關閉周期內電弧保護電路600將再次禁用反相器200，正如先前所描述的。在每個關閉周期之後，電弧保護電路600允許反相器200重新啟動並且在響應任何幹擾之前在定時啟動周期(例如200毫秒)內嘗試點燃燈。以此方式，電弧保護電路600提供自動重啟能力以及需要維修設備和/或一個(或多個)燈的潛在地有用的視覺指示(如果燈70的確能夠完全點燃，則該指示是通過燈70的閃爍)。
現在轉向圖5，在本發明的第二優選實施例中，鎮流器30包括AC-DC轉換器100′、反相器200′、輸出電路300′和電弧保護電路600′。AC-DC轉換器100′被實施為全波橋式整流器110和升壓轉換器120、130、140、150、160的組合；反相器200′被實施為驅動半橋式反相器，以及輸出電路300′被實施為串聯諧振輸出電路。因為AC-DC轉換器100′、反相器200′和輸出電路300′的結構和操作對於鎮流器領域中的技術人員來說是眾所周知的，所以在此不提供那些電路的操作的詳細描述。
如圖5中所述，AC-DC轉換器100′包括輸入端子102、104、全波二極體電橋110、高頻旁路電容器112、升壓控制電路120、升壓電感器130、升壓電晶體140、升壓整流器150、大容量電容器160和輸出端子106、108。在工作期間，AC-DC轉換器100′(經由輸入端子102、104)接收AC電源電壓60並且(經由輸出端子106、108)將DC幹線電壓提供給反相器200′。
反相器200′包括第一和第二反相器電晶體220、240、與第一和第二反相器電晶體220、240耦合的驅動電路260、反相器啟動電路270、272和反相器自舉電路274、276。驅動電路260包括接收驅動電路260的工作功率的DC工作電壓輸入端262。反相器啟動電路270、272包括啟動電阻器270和啟動電容器272；反相器啟動電路270、272(經由DC工作電壓輸入端262)提供用於最初啟動驅動電路260的功率。反相器自舉電路270、272包括電容器274、齊納二極體276和二極體278，並且(經由DC工作電壓輸入端262)提供用於在反相器啟動之後操作驅動電路260的功率。在工作期間，反相器200′接收來自AC-DC轉換器100′的DC幹線電壓並且(經由反相器電晶體220、240的互補開關)將高頻(例如大於20000赫茲)交變電壓提供給輸出電路300′。
輸出電路300′包括輸出連接端子302、304、諧振電感器360、諧振電容器370、電阻器380和隔直電容器390。諧振電感器360耦合在反相器200′和第一輸出連接端子302之間。諧振電容器370耦合在第一輸出連接端子302和第一節點374之間。電阻器380耦合在第一節點374和電路地50之間。隔直電容器390耦合在第二輸出連接端子304和電路地50之間。在工作期間，輸出電路300′接收由反相器200′提供的高頻交變電壓並且(經由輸出連接端子302、304)提供用於點燃燈70的高電壓以及用於操作燈70的限幅電流。
如在圖6中所描述的，電弧保護電路600′包括DC電源輸入端E1、信號監控輸入端E2、電路地輸入端E3、和反相器禁用輸出端E4。DC電源輸入端E1與AC-DC轉換器的輸出連接端子106耦合。信號監控輸入端E2與第一節點374(即在輸出電路300′內的諧振電容器370和電阻器380的連接點處)耦合。電路地輸入端E3與電路地50耦合。反相器禁用輸出端E4與驅動電路260的DC電源輸入端262耦合。很明顯，與(先前參考圖3所描述的)電弧保護電路600相比，電弧保護電路600′不需要啟動禁止輸出端(圖3中的E5)或其相關電路(圖3中的R1、Q1)；因為反相器200′是驅動式反相器，所以反相器禁用輸出端E4(以及電弧保護電路600′內的相關電路)提供雙重功能，即在定時關閉周期期間禁用反相器200′並且防止反相器啟動。
在第二優選實施例中，如圖5中所描述的，電阻器380兩端的電壓充當由電弧保護電路600監控的電信號。因為電阻器380與輸出連接端子302、304電耦合，所以在輸出連接端子302、304上出現的任何幹擾(例如產生電弧狀態)將在電阻器380兩端的電壓中感生瞬變。那些瞬變將經由信號監控輸入端E2通過電弧保護電路來檢測。
在定時啟動周期(例如在反相器200′開始工作之後的最初200毫秒)期間，反相器200′將被啟用並且被允許嘗試啟動燈70，而不管電阻器380兩端的電壓的特性。在定時啟動周期結束之後，如果在電阻器380兩端的電壓中檢測到幹擾(例如快速上升瞬變)，則電弧保護電路600′將通過在定時關閉周期的持續時間(例如2秒)中將反相器禁用輸出端E4分接到電路地50來作出響應。隨著反相器禁用輸出端E4被分接到地，驅動電路260的DC工作電壓輸入端同樣被分接到地，從而引起反相器開關的停止並且由此禁用反相器200′。同時，在將反相器工作電壓輸入端262經由E4耦合到地的情況下，防止啟動電容器272充電，由此保持驅動電路260斷開。
一旦定時關閉周期結束(例如在反相器已經被禁用2秒之後)，電弧保護電路600′就停止將反相器禁用輸出端E4分接到電路地50，由此在定時啟動周期的持續時間內再次啟用反相器200′。在定時啟動周期結束之後，如果沒有檢測到產生電弧，則電弧保護電路600′允許反相器200′繼續以正常的方式工作。相反地，如果在定時啟動周期結束之後檢測到產生電弧，則電弧保護電路600′將在定時關閉周期的持續時間(例如2秒)內再次禁用反相器200′。
現在參考圖6，在本發明的第二優選實施例中，電弧保護電路600′還包括定時器集成電路U1、檢測器電路C2、R4、Q2、和分接電路M1、R2、R3。定時器集成電路U1優選地由555型定時器集成電路來實現並且包括多個管腳1、2、3、4、5、6、7、8。檢測器電路C2、R4、Q2與信號監控輸入端E2、定時器集成電路U1的第二管腳2以及電路地50耦合。分接電路M1、R2、R3與反相器禁用輸出端E4、定時器集成電路U1的第三管腳3以及電路地50耦合。
鎮流器30和電弧保護電路600′的詳細操作基本上類似於先前參考圖3和圖4所描述的操作。然而，應該理解的是，電弧保護電路600′和電弧保護電路600之間的明顯差別是前者不需要用於在定時關閉周期期間防止反相器啟動的第二分接電路；在電弧保護電路600′中，因為反相器200′是驅動式反相器，所以分接電路M1、R2、R3不僅用于禁用反相器200′，而且用於在定時關閉周期期間阻止反相器200′嘗試重新啟動。還應該注意的是，與電弧保護電路600(圖3)相比，電弧保護電路600′不需要與電晶體M1串聯的電容器(圖3中的C1)。因為反相器200′是驅動式反相器，所以沒有必要將反相器禁用輸出端E4分接到負電壓電平(例如-1伏)以便安全地確保反相器關閉；相反地，僅僅將反相器禁用輸出端E4分接到足夠低以影響反相器驅動電路260的關閉的電平(例如小於幾伏)就足夠了。
現在參考圖7，在本發明的第三優選實施例中，鎮流器40包括AC-DC轉換器100′、反相器200′、輸出電路300″和電弧保護電路600′。AC-DC轉換器100′、反相器200′和電弧保護電路600′優選地如先前參考圖5和圖6所描述的那樣來實施。如同輸出電路300′(圖5)，輸出電路300″是串聯諧振輸出電路。然而，與輸出電路300′(圖5)不同的是，輸出電路300″包括用於提供燈絲74、76的預熱的附加結構。更加具體地，輸出電路300″包括第一、第二、第三和第四輸出連接端子302、304、306和308、諧振電感器360、諧振電容器、第一燈絲加熱線圈362、第二燈絲加熱線圈363和隔直電容器390。優選地，第一和第二燈絲加熱線圈362、364被磁耦合到諧振電感器360並且可以使用與諧振電感器360相同的磁性組件(即線軸和磁心)來實現。諧振電感器360耦合在反相器200′和電路地50之間。諧振電容器370耦合在第一輸出連接端子302和電路地50之間。第一燈絲加熱線圈362耦合在第一輸出連接端子302和第三輸出連接端子306之間。第二燈絲加熱線圈364耦合在第二輸出連接端子304和第四輸出連接端子308之間。最後，隔直電容器390耦合在第二輸出連接端子304和電路地50之間。在工作期間，輸出電路300″接收由反相器200′提供的高頻交變電壓；輸出電路300″(經由輸出連接端子302、304、306、308)提供用於對燈絲74、76進行預熱的電壓、以及用於點燃燈70的高電壓和用於操作燈70的限幅電流。因為輸出電路300″的結構和操作對於鎮流器領域中的技術人員來說是眾所周知的，所以在此不提供該電路的操作的詳細描述。
在第三優選實施例中，如圖7中所描述的，第二燈絲加熱線圈364兩端的電壓充當由電弧保護電路600監控的電信號。因為第二燈絲加熱線圈364與第三和第四輸出連接端子304、308電耦合，所以在輸出連接端子302、304、306、308上出現的任何幹擾(例如，產生電弧狀態)將在第二燈絲加熱線圈364兩端的電壓中感生瞬變。那些瞬變將經由信號監控輸入端E2通過電弧保護電路來檢測。
在定時啟動周期(例如在反相器200′開始工作之後的最初200毫秒)期間，反相器200′將被啟用並且被允許嘗試啟動燈70，而不管線圈364兩端的電壓的特性。在定時啟動周期結束之後，如果在線圈364兩端的電壓中檢測到幹擾(例如快速上升瞬變)，則電弧保護電路600′通過在定時關閉周期的持續時間(例如2秒)內將反相器禁用輸出端E4有效地分接到電路地50來作出響應。隨著反相器禁用輸出端E4被有效地分接到地，驅動電路260的DC工作電壓輸入端同樣被有效地分接到地，從而引起反相器開關的停止並且由此禁用反相器200′。同時，在將反相器工作電壓輸入端262經由E4有效地耦合到地的情況下，防止啟動電容器272充電，由此保持驅動電路260斷開。
一旦定時關閉周期結束(例如在反相器已經被禁用2秒之後)，電弧保護電路600′就停止將反相器禁用輸出端E4有效地分接到電路地50，由此在定時啟動周期的持續時間內再次啟用反相器200′。在定時啟動周期結束之後，只要沒有檢測到產生電弧，電弧保護電路600′就允許反相器200′繼續以正常的方式工作。相反地，如果在定時啟動周期結束之後的任何時候檢測到產生電弧，則電弧保護電路600′將在定時關閉周期的持續時間(例如2秒)內再次禁用反相器200′。
在此，鎮流器40和電弧保護電路600′的詳細操作基本上類似於先前參考圖5和圖6所描述的操作。
儘管已經參考某些優選實施例描述了本發明，但是在不偏離本發明的新穎的精神和範圍的情況下本領域的技術人員能夠進行許多修改和改變。
權利要求
1.一種用於為至少一個氣體放電燈供電的鎮流器，該鎮流器包括反相器；與該反相器耦合的輸出電路，該輸出電路包括適合與包括至少一個氣體放電燈的燈負載耦合的輸出連接端子；與該反相器耦合的電弧保護電路，其中該電弧保護電路可操作用於(a)監控反相器和輸出電路中的至少一個內的電信號，其中當該電信號的至少一部分顯示出超過預定門限值的時間變化率時，認為該電信號中的幹擾已出現；(b)提供定時啟動周期，其中反相器被啟用並且被允許嘗試啟動燈，而不依賴於該電信號中的任何幹擾；(c)在定時啟動周期結束之後響應於該電信號中幹擾的出現(i)禁用反相器並且在定時關閉周期內保持反相器被禁用；以及(ii)在定時關閉周期結束之後，再次提供定時啟動周期，其中反相器被啟用並且被允許嘗試啟動燈，而不依賴於該電信號中的任何幹擾。
2.根據權利要求1的鎮流器，其中，在定時啟動周期結束之後，電弧保護電路可操作用於響應於以下幾項中的至少一項來禁用反相器鎮流器的輸出端上的產生電弧狀態；以及燈與鎮流器斷開。
3.根據權利要求1的鎮流器，其中在鎮流器和氣體放電燈負載的正常工作期間，所述電信號是具有周期的周期信號；以及在定時啟動周期結束之後，電弧保護電路可操作用於在小於該電信號的周期的兩倍的響應時間內禁用反相器。
4.根據權利要求1的鎮流器，其中，在定時啟動周期結束之後，電弧保護電路可操作用於在幹擾出現之後小於大約100微秒內禁用反相器。
5.根據權利要求1的鎮流器，其中定時啟動周期在大約200毫秒的數量級上；以及定時關閉周期在大約2秒的數量級上。
6.根據權利要求1的鎮流器，其中定時關閉周期比定時啟動周期大至少大約十倍。
7.根據權利要求1的鎮流器，其中鎮流器還包括AC-DC轉換器，該AC-DC轉換器具有用於接收AC電源電壓的輸入端和用於給反相器提供DC幹線電壓的輸出端；反相器是自振蕩式反相器，其包括第一和第二反相器電晶體；與該第一反相器電晶體耦合的第一基極驅動電路；與該第二反相器電晶體耦合的第二基極驅動電路；電路地；以及與AC-DC轉換器、第二反相器電晶體和電路地耦合的反相器啟動電路；電弧保護電路包括與AC-DC轉換器的輸出端耦合的DC電源輸入端；與第二基極驅動電路耦合的信號監控輸入端；與電路地耦合的電路地輸入端；與第二反相器電晶體耦合的反相器禁用輸出端；與反相器啟動電路耦合的反相器啟動禁止輸出端；以及電弧保護電路還可這樣操作，以致由電弧保護電路所監控的電信號包括經由信號監控輸入端所監控的第二基極驅動電路內的電信號；在定時啟動周期期間，反相器被啟用並且被允許嘗試啟動燈，而不管信號監控輸入端上的電信號的特性；響應於在定時啟動周期結束之後電信號中幹擾的出現，通過在定時關閉周期的持續時間內將反相器禁用輸出端和反相器啟動禁止輸出端有效地分接到電路地來禁用反相器；定時關閉周期一結束，就通過在定時啟動周期的持續時間內停止將反相器禁用輸出端和反相器啟動禁止輸出端有效地分接到電路地來在定時啟動周期內再次啟用反相器。
8.根據權利要求7的鎮流器，其中，所述保護電路還包括包括多個管腳的定時器集成電路；與信號監控輸入端(E2)、定時器集成電路(U1)的第二管腳(2)、和電路地(50)耦合的檢測器電路(C2，R4，Q2)；與反相器禁用輸出端(E4)、定時器集成電路(U1)的第三管腳(3)、和電路地(50)耦合的第一分接電路(C1，M1，R2，R3)；以及與反相器啟動禁止輸出端(E5)、定時器集成電路(U1)的第三管腳(3)、和電路地(50)耦合的第二分接電路(Q1，R1)。
9.根據權利要求8的鎮流器，其中定時器集成電路是555型定時器集成電路。
10.根據權利要求8的鎮流器，其中輸出電路包括輸出變壓器，該輸出變壓器包括與反相器耦合的初級線圈；與輸出連接端子耦合的次級線圈；第一輔助線圈，其是第一基極驅動電路的一部分；以及第二輔助線圈，其是第二基極驅動電路的一部分；以及電弧保護電路的信號監控輸入端與輸出變壓器的第二輔助線圈耦合。
11.根據權利要求1的鎮流器，其中鎮流器還包括AC-DC轉換器，該AC-DC轉換器具有用於接收AC電源電壓的輸入端和用於給反相器提供DC幹線電壓的輸出端；反相器是驅動式反相器，其包括第一和第二反相器電晶體；與第一和第二反相器電晶體耦合的反相器驅動電路，該反相器驅動電路具有DC工作電壓輸入端；電路地；與AC-DC轉換器的輸出端和反相器驅動電路的DC工作電壓輸入端耦合的反相器啟動電路；以及電弧保護電路包括與AC-DC轉換器的輸出端耦合的DC電源輸入端；與輸出電路耦合的信號監控輸入端；與電路地耦合的電路地輸入端；以及與反相器驅動電路的DC工作電壓輸入端耦合的反相器禁用輸出端；以及電弧保護電路還可這樣操作，以致由電弧保護電路所監控的電信號包括經由信號監控輸入端所監控的輸出電路內的電信號；在定時啟動周期期間，反相器被啟用並且被允許嘗試啟動燈，而不管信號監控輸入端上的電信號的特性；在定時啟動周期結束之後，響應於在定時啟動周期結束之後電信號中幹擾的出現，通過在定時關閉周期的持續時間內將反相器禁用輸出端有效地分接到電路地來禁用反相器；定時關閉周期一結束，就通過在定時啟動周期的持續時間內停止將反相器禁用輸出端有效地分接到電路地來在定時啟動周期內再次啟用反相器。
12.根據權利要求11的鎮流器，其中電弧保護電路還包括包括多個管腳的定時器集成電路；與信號監控輸入端、定時器集成電路的第二管腳、和電路地耦合的檢測器電路；以及耦合在反相器禁用輸出端和電路地之間的分接電路。
13.根據權利要求12的鎮流器，其中定時器集成電路是555型定時器集成電路。
14.根據權利要求11的鎮流器，其中輸出電路包括耦合在反相器和第一輸出連接端子之間的諧振電感器；耦合在第一輸出連接端子和第一節點之間的諧振電容器；耦合在第一節點和電路地之間的電阻器；以及耦合在第二輸出連接端子和電路地之間的隔直電容器；以及電弧保護電路的信號監控輸入端與第一節點耦合。
15.根據權利要求11的鎮流器，其中輸出電路包括耦合在反相器和第一輸出連接端子之間的諧振電感器；耦合在第一輸出連接端子和電路地之間的諧振電容器；耦合在第二輸出連接端子和電路地之間的隔直電容器；耦合在第一輸出連接端子和第三輸出連接端子之間的第一燈絲加熱線圈；以及耦合在第二輸出連接端子和第四輸出連接端子之間的第二燈絲加熱線圈；以及電弧保護電路的信號監控輸入端與第四輸出連接端子耦合。
16.一種用於為至少一個氣體放電燈供電的鎮流器，該鎮流器包括AC-DC轉換器，具有用於接收AC電源電壓的輸入端和用於提供DC幹線電壓的輸出端；與AC-DC轉換器的輸出端耦合的自振蕩式反相器，該反相器包括第一和第二反相器電晶體；與該第一反相器電晶體耦合的第一基極驅動電路；與該第二反相器電晶體耦合的第二基極驅動電路；電路地；以及與AC-DC轉換器、第二反相器電晶體和電路地耦合的反相器啟動電路；與反相器耦合的輸出電路，該輸出電路包括適合與包括至少一個氣體放電燈的燈負載耦合的輸出連接端子；與反相器耦合的電弧保護電路，該電弧保護電路包括與AC-DC轉換器的輸出端耦合的DC電源輸入端；與第二基極驅動電路耦合的信號監控輸入端；與電路地耦合的電路地輸入端；與第二反相器電晶體耦合的反相器禁用輸出端；與反相器啟動電路耦合的反相器啟動禁止輸出端；以及其中電弧保護電路可操作用於監控反相器內的電信號，其中當該電信號的至少一部分顯示出超過預定門限值的時間變化率時，認為該電信號中的幹擾已出現；電弧保護電路經由信號監控輸入端監控第二基極驅動電路內的電信號；在定時啟動周期期間，反相器被啟用並且被允許嘗試啟動燈，而不管信號監控輸入端上的電信號中的任何幹擾；響應於在定時啟動周期結束之後電信號中幹擾的出現，通過在定時關閉周期內將反相器禁用輸出端和反相器啟動禁止輸出端有效地分接到電路地來禁用反相器；定時關閉周期一結束，就通過在定時啟動周期的持續時間內停止將反相器禁用輸出端和反相器啟動禁止輸出端有效地分接到電路地來再次啟用反相器。
17.根據權利要求16的鎮流器，其中，所述保護電路還包括包括多個管腳的定時器集成電路；與信號監控輸入端、定時器集成電路的第二管腳、和電路地耦合的檢測器電路；與反相器禁用輸出端、定時器集成電路的第三管腳、和電路地耦合的第一分接電路；以及與反相器啟動禁止輸出端、定時器集成電路的第三管腳、和電路地耦合的第二分接電路。
18.根據權利要求17的鎮流器，其中，定時器集成電路是555型定時器集成電路。
19.根據權利要求17的鎮流器，其中輸出電路包括輸出變壓器，該輸出變壓器包括與反相器耦合的初級線圈；與輸出連接端子耦合的次級線圈；第一輔助線圈，其是第一基極驅動電路的一部分並且與第一反相器電晶體耦合；以及第二輔助線圈，其是第二基極驅動電路的一部分並且與第二反相器電晶體耦合；以及電弧保護電路的信號監控輸入端與輸出變壓器的第二輔助線圈耦合。
20.一種用於為至少一個氣體放電燈供電的鎮流器，該鎮流器包括AC-DC轉換器，具有用於接收AC電源電壓的輸入端和用於提供DC幹線電壓的輸出端；與AC-DC轉換器的輸出端耦合的驅動式反相器，該反相器包括第一和第二反相器電晶體；與該第一和第二反相器電晶體耦合的反相器驅動電路，該反相器驅動電路具有DC工作電壓輸入端；耦合在AC-DC轉換器的輸出端和反相器驅動電路的DC工作電壓輸入端之間的反相器啟動電路；以及電路地；與反相器耦合的輸出電路，該輸出電路包括適合與包括至少一個氣體放電燈的燈負載耦合的輸出連接端子；與反相器和輸出電路耦合的電弧保護電路，其中該電弧保護電路包括與AC-DC轉換器的輸出端耦合的DC電源輸入端；與輸出電路耦合的信號監控輸入端；與電路地耦合的電路地輸入端；以及與反相器驅動電路的DC工作電壓輸入端耦合的反相器禁用輸出端；以及其中電弧保護電路可操作用於經由信號監控輸入端監控輸出電路內的電信號，其中當該電信號的至少一部分顯示出超過預定門限值的時間變化率時，認為該電信號中的幹擾已出現；在定時啟動周期期間，反相器被啟用並且被允許嘗試啟動燈，而不管信號監控輸入端上的電信號中的任何幹擾；響應於在定時啟動周期結束之後電信號中幹擾的出現，通過在定時關閉周期內將反相器禁用輸出端有效地分接到電路地來禁用反相器；以及定時關閉周期一結束，就通過在定時啟動周期的持續時間內停止將反相器禁用輸出端分接到電路地來再次啟用反相器。
21.根據權利要求20的鎮流器，其中電弧保護電路還包括包括多個管腳的定時器集成電路；與信號監控輸入端、定時器集成電路的第二管腳、和電路地耦合的檢測器電路；以及與反相器禁用輸出端、定時器集成電路的第三管腳、和電路地耦合的分接電路。
22.根據權利要求21的鎮流器，其中定時器集成電路是555型定時器集成電路。
23.根據權利要求21的鎮流器，其中輸出電路包括耦合在反相器和第一輸出連接端子之間的諧振電感器；耦合在第一輸出連接端子和第一節點之間的諧振電容器；耦合在第一節點和電路地之間的電阻器；以及耦合在第二輸出連接端子和電路地之間的隔直電容器；以及電弧保護電路的信號監控輸入端與第一節點耦合。
24.根據權利要求21的鎮流器，其中輸出電路包括耦合在反相器和第一輸出連接端子之間的諧振電感器；耦合在第一輸出連接端子和電路地之間的諧振電容器；耦合在第二輸出連接端子和電路地之間的隔直電容器；耦合在第一輸出連接端子和第三輸出連接端子之間的第一燈絲加熱線圈；以及耦合在第二輸出連接端子和第四輸出連接端子之間的第二燈絲加熱線圈；以及電弧保護電路的信號監控輸入端與第四輸出連接端子耦合。
全文摘要
一種用於為氣體放電燈(70)供電的鎮流器包括反相器(200)和電弧保護電路(600)。電弧保護電路(600)監控鎮流器內的電信號。響應於信號中出現幹擾、例如在輸出產生電弧期間出現幹擾，電弧保護電路(600)在定時關閉周期內禁用反相器(200)。電弧保護電路(600)提供用於點燃燈的定時啟動周期，在該周期期間基本上忽視電信號中的任何幹擾並且反相器(200)被允許繼續工作。電弧保護電路(600)還提供用於周期性地嘗試點燃並操作燈的重啟功能。電弧保護電路(600)優選地利用具有相關分立電路的定時器集成電路(U1)來實現並且可以適用於具有自振蕩式反相器或驅動式反相器的鎮流器。
文檔編號H05B41/282GK1829405SQ20061000935
公開日2006年9月6日 申請日期2006年2月28日 優先權日2005年2月28日
發明者J·G·科諾卡 申請人:奧斯蘭姆施爾凡尼亞公司