启动和运行有可加热电极灯丝放电灯的电路装置和方法

技术领域

本发明涉及一种启动和运行放电灯的电路装置。本发明尤其涉及 在放电灯的起辉前进行放电灯电极螺旋状灯丝预热的电路装置。

背景技术

启动和运行放电灯的电路装置用在放电灯的电子运行装置中。启 动放电灯在下文中理解为在预热时段中预热放电灯的电极螺旋状灯 丝，和在起辉时段中放电灯的起辉。带有预热时段和起辉时段的放电 灯的启动在英语中也称为程序启动。起辉时段后接运行时段，在此时 段中放电灯有电弧放电。

根据现有技术带有程序启动的放电灯的电子运行装置需要包含控 制单元的电路装置，所述控制单元控制预热时段、起辉时段和运行时 段的过程和顺序。

公知地电路装置具有经匹配网络向电极螺旋状灯丝的一端馈送电 能的逆变器。相应地另一端经谐振电容器连接。谐振电容器和灯的扼 流圈是谐振回路的一部分，所述的谐振回路具有一谐振频率，它在无 阻尼的情况下为本征频率。需要匹配网络以把逆变器的源阻抗变换成 适于运行放电灯的运行装置地源阻抗。所述谐振回路一般地是匹配网 络的组成部分。

逆变器在逆变器输出端产生具有逆变器频率的逆变器电压，所述 的逆变器频率在预热时段中处在大于本征频率的高的预热频率。这样 地选择谐振电容器和预热频率的值：使得产生流经电极螺旋状灯丝的 为相应的灯类型带来足够预热的加热电流。

在预热时段以后在起辉时段中逆变器频率下降，直到接近本征频 率，在连接着的放电灯上调节出引起放电灯起辉的起辉电压。

放电灯起辉后接着是运行时段。在此时段中向调节器馈送调节量， 例如灯的功率或者灯电流。所述的调节器经调节量这样地作用于逆变 器频率：使得产生所希望的灯功率或所希望的灯电流。

所述的现有技术以各种实施形式说明在下列文献中：

EP 0 845928(Mita)

EP 0 930 808(Kanazawa)

在现有技术中需要控制单元，所述控制单元按时间上正确的顺序 调节出在相应的时段所要求的逆变器频率。此外，控制单元在预热时 段和起辉时段必须停止灯功率或者灯电流的调节，因为在这些时段中 要求与灯功率或灯电流无关的逆变器频率。

在本发明涉及的放电灯的运行装置中随着成本压力的上升，省掉运 行装置的部分部件越来越重要。

发明内容

本发明可以使之节省上述控制单元。

本发明的任务是提出成本合算的启动和运行放电灯的电路装置， 它实现有预热时段、起辉时段和运行时段的放电灯的启动和运行。

该任务用如下所述的具有权利要求1的前序部分特点的电路装置 通过根据权利要求1的特征部分的特点解决。特别有利的扩展于从属 权利要求中给出。

该任务基本上是通过出不需要控制单元地实现预热时段、起辉 时段和运行时段的电路装置解决的。

根据本发明的电路装置具有预热电阻，所述预热电阻在预热时段 经电极螺旋状灯丝引起谐振回路的阻尼，由此把谐振回路的谐振频率 从本征频率下降到阻尼谐振频率。在预热时段后预热电阻采取设计得 使谐振回路的谐振频率接近本征频率的阻值。

调节器经影响逆变器频率的设定信号来调节灯电流或者灯功率。 术语灯电流是指流经连接到灯接线柱上的放电灯的气体放电的电流。

在第一调节器输入端(B1)上馈入第一电学量，此第一电学量与 灯电流相对应，在此对于不存在气体放电的情况下所述第一电学量取 启动值，而在存在气体放电的情况下第一电学量在最小的值以上。

根据本发明把电路装置设计得，在第一电学量取启动值的情况下 调节器把逆变器调节到启动频率，所述启动频率在阻尼谐振频率与本 征频率之间。启动频率给出时间长度如第一电学量处于最小值以下的 时间长度。因此在第一电学量低于最小值时不进行控制。在此状态下 所述电路装置或在预热时段在起辉时段。时段的方式通过预热电阻的 值确定。

如果预热电阻的值低，就有较高的加热电流流经电极螺旋状灯丝： 电路装置处于预热时段。谐振回路的谐振频率受电极螺旋状灯丝阻抗 的实部和预热电阻抑制成为阻尼谐振频率。根据本发明启动频率超过 阻尼谐振频率。启动频率和阻尼谐振频率之间的偏差，以及谐振回路 的阻尼的作用使得连接着的放电灯上有不足以起辉的电压。

在预热时段以后预热电阻的阻值上升，从而谐振回路的谐振频率 上升并且接近于逆变器依然输出的启动频率。与此同时谐振回路的阻 尼作用下降。这两个作用都导致电路装置转入起辉时段。在起辉时段 期间在连接着的放电灯上存在有其值高到可起辉放电灯的电压。

从而产生根据本发明导致超过最小值的第一电学量的灯电流。以 此调节器开始工作；这就是说调节器调定引起所希望的灯功率或者所 希望的灯电流的逆变器频率。在这种状态下所述的电路装置处于运行 时段。

通过所示的根据本发明的调准阻尼谐振频率、本征频率、启动频 率、启动值、最小值和预热电阻不需要前述的控制电路装置的时段顺 序的控制单元。

附图说明

下面参照附图借助于实施例进一步说明本发明。

所述的附图示出根据本发明的用于启动和运行放电灯的电路装置 的实施例。

下文中电阻用字母R、晶体管用字母T、线圈用字母L、放大器用 字母A、二极管用字母D，节点电位用字母N而电容器用字母C，各后接 一个数字标出。

具体实施方式

在图中示出根据本发明的用于启动和运行放电灯的电路装置的实 施例。

在连接端J1和J2上可以连接市电电压。在此实施例中用市电运 行所述电路装置。然而本发明不限于用市电运行。根据本发明的电路 装置例如可以用电池电压运行。

在图中经过由两个电容器C1、C2和两个线圈L1、L2组成的滤波 器把市电电压引到由二极管D1、D2、D3、D4组成的全桥整流器。所述 的全桥整流器在其正输出端，节点N21上提供相对于基准节点N0的经 整流的市电电压。

如果所涉电路装置用于以市电电压运行的运行装置中，它们必须 遵从有关市电电流谐波的相关规定，例如IEC1000-3-2。为了保证遵从 这些规定，电路技术上需要有降低市电谐波的措施。这样的措施之一 是装入所谓的电荷泵。电荷泵的优点在于是为之实现需要较少的电路 技术费用。

电荷泵的拓扑包含有整流器经电子泵开关与主储能器耦连。由此 在整流器和电子泵开关之间出现一个泵节点。所述泵节点经泵网络与 逆变器输出端耦连。所述泵网络可以含有可同时分配给匹配网络的部 件。电荷泵的原理在于在逆变器频率的半周期中通过泵节点从市电电 压提取能量并且缓冲寄存在泵网络中。在随后的逆变器频率的半周期 中把缓冲寄存的电能通过电子泵开关馈送到主储能器上。

因此与逆变器频率合拍地从市电电压提取电能。一般地电子运行 装置包括抑制市电电流频谱成分的滤波电路，所述市电电流频谱成分 为逆变器频率或者在此频率之上。也就是说可以这样地设计电荷泵： 使得电网电流的谐波部分小到能够符合所述的规定。以下的文献详细 地说明放电灯的电子运行装置的电荷泵：

Qian J.，Lee F.C.，Yamauchi T.：”Analysis，Design and Experiments of a High-Power-Factor Electronic Ballast”，IEEE Transactions on Industry Applications，Vol.34，No.3，May/June 1998

Qian J.，Lee F.C.，Yamauchi T.：”New Continuous Current Charge Pump Power-Factor-Corretion Electronic Ballast”，IEEE Transactions on Industry Applications，Vol.35，No.2， March/April 1999

因为不论是电荷泵还是本发明都意味着很小的电路技术费用，所 述把本发明与电荷泵结合使用是有利的。

在图中经二极管D5和D6向两个泵节点N22和N23馈送经整流的 市电电压。因此图中所示的实施例具有两个所谓的泵支路。为了把泵 支路相互退耦需要二极管D5和D6。在仅有一个泵支路的情况下可以把 一个泵节点直接与整流器输出端，也就是节点21连接。在此要注意使 整流器中采用的二极管能足够快速地开关以跟随逆变器频率。如果不 是这种情况，在仅一个泵支路的情况下也要在整流器输出端与泵节点 之间接入快速二极管。在图2的实施例中泵节点与整流器的正输出端 耦连。从文献中也已知其中泵节点与整流器的负输出端连接的电荷泵 拓扑。

从泵节点N22和N23各有一个实施为二极管D7和D8的电子泵开 关通向节点N24。在N24与N0之间接入实施为电解电容器C3的主储 能器。

如果本发明要实施得没有电荷泵，节点N21必须与节点N24连接。 然后取消部件D5、D6、D7、D8、C8、C9和L4。

C3馈给实施为半桥的逆变器。然而还可以使用其它的换能器拓扑， 譬如反向变流器或者全桥。有利地对灯功率在5W至300W之间时使用 半桥，因为这样产生成本合算的拓扑。半桥主要包含两个半桥晶体管T1 和T2的串连电路和两个耦合电容器C4和C5的串连电路。两个串连电 路都与C3并联。半桥晶体管的连接节点N25和耦连电容器的连接节点 N26构成逆变器的输出端，在其上存在有具有逆变器频率的三角波形的 逆变器电压。

在N25与灯电压节点N27之间接入灯扼流圈L3。在N27上连接连 接端J3，本实施例中在此连接端上接有两个放电灯Lp1和Lp2的串联 电路。然而本发明也可以用一个或多个灯实施。电流通过放电灯Lp1 和Lp2流经连接端J8，通过测量变压器的绕组W1流到节点N26。因此 逆变器电压基本上施加在两个放电灯Lp1和Lp2和灯扼流圈L3的串连 电路上。

在J3中馈入的电流不仅流经放电灯Lp1和Lp2的气体放电，而且 还经第一放电灯Lp1的外螺旋状灯丝流到连接端J4。从该处继续地经 过加热变压器的绕组W4、继续地经过可变电阻R1、继续地经过测量变 压器的绕组W3流向连接端J7。在连接端J7上连接第二放电灯Lp2的 外螺旋状灯丝，其另一端通向连接端8。放电灯Lp1和Lp2的两个内螺 旋状灯丝分别经连接端J5和J6与加热变压器的绕组W5连接。通过此 段文字说明的装置，逆变器电压不仅引起流经放电灯Lp1和Lp2的气体 放电的电流，而且还引起流经外螺旋状灯丝的加热电流，并且经过加热 变压器还引进流经放电灯Lp1和Lp2的内螺旋状灯丝的加热电流。如 果要只运行一个放电灯就可以取消加热变压器。

加热电流基本上在放电灯Lp1和Lp2的起辉前预热时段期间需要 作为螺旋状灯丝预热的预热电流。加热电流的值基本上由可变电阻R1 确定。在预热时段中R1的值小到足以达到由灯的数据所规定的预热电 流。在预热时段后R1的值上升，从而与通过放电灯Lp1和Lp2的气体 放电的电流相比流过可忽略的加热电流。在本实施例中R1通过所谓的 PCT或者说冷导体实现。在此涉及冷状态下有很小的电阻的电阻器。通 过加热电流该冷导体被加热，由此其电阻值上升。R1还可以通过电子 开关实现，所述的电子开关在预热时段闭路然后打开。与此开关串连 地可以接入有恒定阻值的电阻。由此可以有从预热时段到起辉时段的 快速过渡。

通过所述的螺旋状灯丝预热装置，在预热时段通过阻尼在下节中要 说明的谐振回路的谐振频率小于其本征频率。根据本发明在预热时段 中选择低于本征频率的逆变器频率。有利地从而得到较高的加热电流 并且从而得到短的预热时段。

灯电压节点N27经第一谐振电容器C6与泵节点N23连接。在N23 与N0之间接入第二谐振电容器C7。C6和C7与灯扼流圈L3构成谐振 回路。为了确定谐振回路的本征频率，把C6和C7看成串连的。C6和 C7对本征频率的有效电容值从而是电容值C6和C7的乘积除以其和的 商。如果在预热时段后接近其本征频率激励谐振回路，就经灯出现导 致放电灯起辉的起辉电压。在起辉后L3与C6和C7协同起匹配网络的 作用，它把逆变器的输出阻抗转换成运行放电灯所需要的阻抗。

通过把C6和C7与泵节点N23连接，L3、C6和C7的结合不仅起谐 振回路和匹配网络的作用而且同时还起泵网络的作用。如果在N23上 的电位低于瞬时的市电电压，泵网络L3、C6、C7从市电电压提取电能。 如果N23上的电位超过主储能器C3上的电压，就把从市电电压取得的 电能输出到C3。通过选择C6和C7的电容值的比例，可以把网络L3、 C6、C7的作用调准为泵网络。C7的电容值选得越大，网络L3、C6、C7 作为泵网络的作用越小。如果要不用电荷泵地实施本发明就可以取消 C7。

另一个泵作用由接在N23与半桥晶体管T1、T2的连接节点N25之 间的电容器C8得出。C8也不仅起泵网络的作用，而是在同时完成缓 冲电容器的作用。缓冲电容器一般地公知为在逆变器中减少开关负载 的措施。

第二泵支路的泵网络包含泵扼流圈L4和泵电容器C9的串连电路。 这种泵网络连接在半桥晶体管T1、T2的连接节点N25与泵节点N22之 间。在本实施例中采用两个泵支路，从而把所泵的电能划分到多个部 件上。从而可以达到较低成本地形成部件的规格。由此在设计所泵的 电能对放电灯运行参数的依从性方面还得到一定的自由度。然而本发 明还可以仅用一个泵支路实现。

半桥晶体管T1、T2设计为MOSFET。还可以为此使用其它的电子开 关。为了控制T1和T2的栅极在该实施例中设有集成电路IC1。在本例 中IC1是国际整流器公司的开关电路，型号是IR2153。在市场上可以 得到这种类型电路的取代开关电路；例如STM公司的L6571。开关电路 IR2153含有所谓的高-侧驱动器，用之也可以控制半桥晶体管T1，尽 管它在基准电位N0上没有连接端。为此需要一个二极管D10和一个电 容器C10。

IC1的运行电压供电经IC1的连接端1进行。为此在图2中在IC1 的连接端1与N0之间设有电压源VCC。可以怎样实现该电压源VCC一 般地公知有多个可能性。在最简单的情况下IC可以经过一个电阻从所 整流的市电供电。

除了半桥晶体管的运行电路之外，IC1只包括一个振荡器，其振荡 频率可以经连接端2和3调节。由于本发明在IC1中不需要控制装置 的费用。因此可以为IC1使用低成本类型的。所述的振荡器的振荡频 率与逆变器频率相当。在连接端2和3之间接有调准频率的电阻R3。 在连接端3与N0之间接入调准频率的电容器C11和双极型晶体管T3 的发射-集电极电路的串连电路。与T3的发射-集电极电路相并联地 接入二极管D9，从而可以使C11充电和放电。通过T3的基极端与N0 之间的电压可以设定逆变器频率，并且从而模调节电路构成设定量。T3 的基极端与设定量节点N28连接。从而可以把T3、IC1以及其布线理 解为调节器。

IC1及其布线的功能也可以通过任意的电压控制或电流控制振荡器 实现，所述振荡器通过驱动电路实现对半桥晶体管的控制。

在此实施例的调节电路中采用流经放电灯Lp1和Lp2的气体放电 的电流作为调节量。为此测量变压器具有绕组W2。测量变压器的绕线 方向设计得从绕组W1的总电流中提取绕组W3中的加热电流，从而在 绕组W2中流过与流经放电灯Lp1和Lp2的气体放电电流成比例的电流。 由二极管D11、D12、D13和D14构成的全桥整流器对流经绕组W2的电 流整流并且使该电流通过低阻值的测量电阻R4馈送到N0。从而R4上 的电压降是流经放电灯Lp1和Lp2的气体放电电流的尺度。通过一个 取均值的由电阻R5和电容器C13构成的低通滤波器，R4上的电压降抵 达不反向的测量放大器的输入端。

所述的测量放大器以公知的方式由运算放大器AMP和电阻R6、R7及 R8实现。在该实施例中测量放大器的放大倍数设定为约10。对于在R4上 的电压降有可以直接用作设定量的值的情况下，可以取消测量放大器 或者用阻抗变换器，譬如射极跟随器代替。

测量放大器的输出端经二极管D15与设定量节点N28连接。从而 闭合用于调节流经放电灯Lp1和Lp2的放电的电流的调节电路。需要 有二极管D15以用之把N28的电位可以提高到超过由测量放大器规定 的值的值。D15的阳极成为第一调节器的输入端。

根据本发明这样地设计所述电路装置，使得无灯电流时N28的电 位取启动值。这样地选择启动值，它低于限定晶体管T3的工作范围并 且从而限定调节器的工作范围的最小值。从而只要N28的电位低于所 述最小值，N28的电位的波动对逆变器频率就没有影响。不进行调节； 调节电路是不闭合的。

在节点N28的电位的启动值经T3和IC1引起与启动频率相应的逆 变器频率。对于此启动频率有利地借助于C11和R3选择尽可能低的频 率，因为以此实现电极螺旋状灯丝中的高加热电流并且因而实现短的 预热时段。

起辉时段对于半桥开关和对于谐振回路的部件产生高的负载。为 了对电路装置进行过载保护，在该实施例中按照附图设有保护电路。 在起辉电压过高时会因此提高逆变器频率并且从而产生对谐振回路的 本征频率的较大的差值。

保护电路首先经起辉电压起作用，所述的起辉电压借助于一个阈 值开关调节。该阈值开关在附图中用变阻器MOV实现。所述的变阻器 处于电容器C12、电阻R2和二极管D17的串连电路中，该串联电路把 灯电压节点N27与设定值节点N28相连接。D17的阳极产生第二调节输 入端。N28经电阻R9与电容器C14的并联电路与N0连接。

在N27上相对N0加有一个电压，该电压是对由L3、C6和C7形成 的谐振回路中振荡的无功电能的一种尺度，从而是起辉电压的一种尺 度。如果该电压超过变阻器MOV的阈值电压，电流就流过R9并且C14 充电。从而把设定值节点N28上的电压提高。这引起逆变器频率上升 并且降低谐振回路中振荡的无功电能，因为逆变器频率进一步偏离谐 振回路的本征频率。

在N0与R2和D17的连接点之间接入二极管D16。从而与C2协同 工作在N28上施加由变阻器MOV允许通过的电压的正和负的幅度的和。 取代变阻器MOV可以采用任何其它的阈值开关，例如此开关可通过齐 纳二极管或者抑制二极管构成。变阻器MOV的阈值在该应用例中选择 250Veff。通过较高的值可以在谐振回路中有更多的无功电能，这导 致在放电灯Lp1和Lp2上较高的起辉电压，但是也导致部件的较高的 负载。通过变阻器MOV的阈值可以调节出所希望的优化值。

电阻R2的阻值影响根据本发明的对调节电路在设定量节点N28上 的介入作用的强度。设定量节点N28上的电压与逆变器频率之间非线 性关系也是有利的。这种非线性关系在该应用例中通过T3的非线性特 性曲线实现。此外它还受IC1中振荡器频率对IC1的连接端3上的电 压的依从性的影响。在N27上的电压的强烈上升由于非线性导致超比 例的逆变器频率上升，由此防止部件的过载，譬如C3的电压负载或者 T1和T2的电流负载。

起辉后流过灯电流，所述的灯电流把节点28上的电位提高到处于 T3的工作范围中的值。从而调节电路对电流关闭。T3经IC1设定引起 所希望的灯电流的频率。