專利名稱：用于控制氣體放電燈的設(shè)備和方法及具有氣體放電燈和控制設(shè)備的照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于控制氣體放電燈的設(shè)備，及具有氣體放電燈和控制設(shè)備的照明系統(tǒng)，還涉及控制氣體放電燈的方法。
在氣體放電燈中光線是通過氣體放電產(chǎn)生的，放電通常發(fā)生在放電室中的兩個(gè)電極之間。氣體放電是由于施加了點(diǎn)火電壓而點(diǎn)燃的，這導(dǎo)致光電弧的形成。在光電弧點(diǎn)燃以后，電極和包圍它們的室被加熱，在經(jīng)過一段時(shí)候后燈進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)(或穩(wěn)態(tài))。
放電燈已經(jīng)在尤其是汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用了一段時(shí)間。在穩(wěn)定工作中，這里所使用的燈通常工作在AC電壓。
放電燈點(diǎn)燃后的時(shí)序如下在光電弧點(diǎn)燃以后，燈首先在過渡狀態(tài)工作幾毫秒，通常是100ms或更短。在過渡狀態(tài)，燈利用DC電壓工作，但該電壓的極性可以反轉(zhuǎn)例如兩次。這是為了加熱電極。在過渡狀態(tài)結(jié)束時(shí)，燈利用AC電壓，通常是400Hz的方波AC電壓，工作。這包括幾秒種的初始間隔，該初始間隔之后是穩(wěn)態(tài)的穩(wěn)定工作。
尤其對(duì)于在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，燈光通量盡可能快的上升通常是目標(biāo)所在。為此在初始階段利用恒定的超高啟動(dòng)電流操作燈是已知的，考慮到期望的燈壽命，該電流接近各個(gè)燈的最大容許電流。
美國專利申請(qǐng)5,663,875描述了一種用于操作放電燈的電壓變換器。其中

圖1b代表了燈點(diǎn)燃后的電流梯度。在過渡范圍內(nèi)，這個(gè)電流最初上升到一個(gè)非常高的值，依然是DC操作，然后切換到AC操作，其中最初非常強(qiáng)的交流電流緩慢地降到額定操作。額定功率為35W的燈在初始階段利用高達(dá)90W的功率工作，從而加熱電極并使放電室中存在的成份蒸發(fā)。
美國專利申請(qǐng)5,434,474也涉及用于操作放電燈的設(shè)備。該設(shè)備包括用于檢測(cè)過高的電流以避免高啟動(dòng)電流的電路。在初始階段，該設(shè)備將電流限定到最大值。目的是避免對(duì)燈壽命的不利影響。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供用于控制氣體放電燈的方法和設(shè)備，及具有氣體放電燈和相應(yīng)控制設(shè)備的照明系統(tǒng)，其中控制燈使其壽命不會(huì)無謂地縮短，同時(shí)燈還能符合關(guān)于其啟動(dòng)特性的需求。
這個(gè)目的是通過權(quán)利要求1所述的設(shè)備、權(quán)利要求9所述的照明系統(tǒng)及權(quán)利要求11所述的方法實(shí)現(xiàn)的。從屬權(quán)利要求涉及本發(fā)明的有利實(shí)施方案。
本發(fā)明是基于認(rèn)識(shí)到了利用強(qiáng)電流工作對(duì)燈壽命極其不利，尤其是在燈點(diǎn)燃后的冷卻狀態(tài)，因?yàn)樵谀莻€(gè)時(shí)候發(fā)生了熱膨脹。例如，關(guān)于燈啟動(dòng)的需求是由設(shè)定在幾個(gè)時(shí)刻燈的光通量值來限定。從而，燈必須在例如1s后達(dá)到其光通量的至少第一個(gè)閾值以符合這些規(guī)格，并在例如4s后達(dá)到至少第二個(gè)更高的閾值。
根據(jù)本發(fā)明，燈是通過電源設(shè)備利用在啟動(dòng)階段幅值基本上升的AC電流驅(qū)動(dòng)的。不象現(xiàn)有技術(shù)中已知的那樣從一開始就以最大容許電流操作燈，而是至少在燈點(diǎn)燃后1至3s的時(shí)間間隔內(nèi)提供一段時(shí)間使流經(jīng)燈的AC電流幅值基本上升。術(shù)語“基本”上升在這里應(yīng)當(dāng)理解為啟動(dòng)階段開始時(shí)的值比啟動(dòng)階段結(jié)束時(shí)的低。在另一種實(shí)施方案中，建議在啟動(dòng)階段中電流的時(shí)間梯度關(guān)于時(shí)間單調(diào)上升，即它在某個(gè)時(shí)間區(qū)域可以上升或保持恒定，但不會(huì)下降。為此，由于電流的波狀(undular)特征，因此必須提供一種隨時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)平滑的方式。
概念“啟動(dòng)階段”在這里用于任何利用交流電流操作燈的時(shí)間間隔，該時(shí)間間隔包括至少燈點(diǎn)燃后1s到3s的時(shí)間周期。于是，啟動(dòng)階段可以在(DC)過渡階段后立即開始。啟動(dòng)階段的開始還可以發(fā)生在燈已經(jīng)利用交流電流工作的時(shí)候。依賴于應(yīng)用，啟動(dòng)階段可以在時(shí)間的一個(gè)和/或另一個(gè)方向上延伸，并且可以早在點(diǎn)燃后例如0.5s、0.3s甚至更早就開始，并在點(diǎn)燃后例如4、5甚至多達(dá)8s后結(jié)束。
在另一種有利的實(shí)施方案中，假定在啟動(dòng)階段電流關(guān)于所述階段開始時(shí)的值上升了至少30％。但是優(yōu)選地，選擇多于50％的上升，在有些情況下甚至高于100％。
在另一種實(shí)施方案中，電流在啟動(dòng)階段或在優(yōu)選地緊隨其后的過渡階段達(dá)到最大值。這個(gè)最大值優(yōu)選地是對(duì)各種燈類型確定的，使得符合關(guān)于燈壽命的最低要求。在本發(fā)明的另一種實(shí)施方案中，啟動(dòng)階段開始時(shí)電流的幅值至多為最大電流的75％，優(yōu)選地小于其60％。
給定的梯度可以是例如線性的，具有上升的斜率，或者也可以是任何其它上升的曲線形狀，如階梯狀，等等。任何具體應(yīng)用中的時(shí)間梯度都優(yōu)選地基于所使用燈類型的實(shí)驗(yàn)值。在實(shí)驗(yàn)中很容易確定電流梯度的哪一次上升足以在給定時(shí)刻實(shí)現(xiàn)燈光通量的給定最小值。通常剛達(dá)到設(shè)想的值時(shí)就足夠了，可能具有一定的安全余量。明顯的超出可能對(duì)燈壽命有負(fù)影響。
啟動(dòng)階段之后優(yōu)選地是例如幾秒的過渡階段，例如，在過渡階段中電流的幅值保持恒定并最終降到它穩(wěn)定工作時(shí)的值。但是可選地，有可能使電流在過渡階段最初時(shí)繼續(xù)上升。
在一種優(yōu)選實(shí)施方案中，控制設(shè)備包括將預(yù)存的程序控制的啟動(dòng)電流時(shí)間梯度提供給可控電流源設(shè)備的微控制器或微處理器。預(yù)先定義的時(shí)間梯度在這里是以例如表格的形式存儲(chǔ)在微控制器中。在本發(fā)明的另一種實(shí)施方案中，微控制器還監(jiān)控?zé)舻墓ぷ鳡顟B(tài)，即它能夠決定在燈點(diǎn)燃的過程中是發(fā)生了冷點(diǎn)燃還是依然熱著的燈的再次點(diǎn)燃。在后一種情況下，微控制器能夠控制燈使其在啟動(dòng)階段以基本上比較弱的電流工作，因?yàn)楝F(xiàn)在還沒有施加使用其它方式時(shí)必要的燈的加熱。
根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)包括帶合適控制設(shè)備的氣體放電燈。啟動(dòng)階段電流梯度的值優(yōu)選地存儲(chǔ)在該控制設(shè)備中，如果所討論的燈要滿足需求，則這些值是必需的。
測(cè)試顯示在啟動(dòng)階段電流最初的“保護(hù)性”上升對(duì)燈的壽命有正面影響。同時(shí)，在啟動(dòng)階段程序控制的電流梯度確保在任何情況下都可以滿足關(guān)于啟動(dòng)特性的規(guī)格。燈的壽命明顯延長了，尤其是對(duì)于工作在高電流的燈。例如，放電室中填充物不含Hg的放電燈就得益于本發(fā)明，其中該燈由于尤其是啟動(dòng)時(shí)的低燃燒電壓而工作在較高電流。
以下將參考附圖更加詳細(xì)地說明本發(fā)明的一種實(shí)施方案，其中圖1是氣體放電燈的側(cè)視圖；圖2是具有控制設(shè)備和氣體放電燈的照明系統(tǒng)電路圖；圖3是描述現(xiàn)有技術(shù)中通過燈的電壓和通過燈的電流梯度的時(shí)間關(guān)系圖；圖4是描述本發(fā)明一種實(shí)施方案中通過燈的電流梯度的時(shí)間關(guān)系圖；及圖5是顯示本發(fā)明一種實(shí)施方案中在啟動(dòng)階段燈電流和燈光通量梯度的時(shí)間關(guān)系圖。
圖1示出了用在汽車領(lǐng)域的典型氣體放電燈10。在這里燈10僅僅是作為例子示出的。這種燈的構(gòu)造細(xì)節(jié)和功能對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是已知的。因此對(duì)細(xì)節(jié)不做更深入的討論，而只提及燈10的最重要部分。
帶放電室14的燃燒裝置固定在燈的基座12中。電極16伸入由石英內(nèi)壁封閉的放電室14的內(nèi)部。在燈10的工作過程中，保持氣體放電處于電極16之間。在所示出的例子中，放電室14包含不含Hg的填充物。在穩(wěn)定工作時(shí)，燈10工作在35W功率，具有大約830mA的電流和42V的電壓。
圖2示出了包括控制電路22和燈10的照明系統(tǒng)20。
控制電路22包括由微控制器μC控制的可控電流源24。電流傳感器26和電壓測(cè)量設(shè)備28測(cè)量通過燈10的電流和電壓，并將結(jié)果提供給微控制器μC。
圖3示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)通過放電燈的壓降U和通過放電燈的電流IL的時(shí)間梯度。在這里圖3中的表示完全是示意性的，僅僅是為了闡明燈點(diǎn)燃過程中時(shí)間梯度的原理。
為了點(diǎn)燃燈，在時(shí)刻t＝0使電壓U增加到光電弧被點(diǎn)燃的點(diǎn)。光電弧點(diǎn)燃之后是過渡階段A，其中燈利用直流電流(DC電壓)工作。作為示例，所示過渡階段A持續(xù)了幾毫秒，最多可以達(dá)到100ms。在所示出的例子中，在這個(gè)階段極性改變了一次。
過渡階段A之后是初始階段B，其中燈利用交流電流(AC電壓)工作。初始階段B持續(xù)幾秒鐘，用來“啟動(dòng)”燈。在圖3所示的現(xiàn)有技術(shù)中，在初始階段B燈直接就以最大容許電流工作，在成功啟動(dòng)后該電流逐漸降低到穩(wěn)定階段C。
在初始階段B和穩(wěn)定階段C中燈的工作都是利用具有400Hz頻率的方波AC電壓。應(yīng)當(dāng)再次指出，圖3所示的梯度只是象征性地說明，因此，例如，間隔B中極性改變的次數(shù)不能用來得出關(guān)于這個(gè)間隔持續(xù)時(shí)間的結(jié)論。
圖4示出了本發(fā)明一種實(shí)施方案中通過燈的電流IL的時(shí)間梯度。這也只是為闡明與圖3所示現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別而設(shè)計(jì)的完全象征性的圖。
在圖4的時(shí)間關(guān)系圖中，在時(shí)刻t＝0的點(diǎn)燃之后也是幾毫秒的過渡階段A，在過渡階段中燈利用直流電流(DC電壓)工作。隨后是啟動(dòng)階段B1，其中燈利用交流電流工作。啟動(dòng)階段B1持續(xù)幾秒鐘。在這個(gè)啟動(dòng)階段中電流IL的幅值上升，因此這個(gè)階段結(jié)束時(shí)的值比這個(gè)階段開始時(shí)的值高。
啟動(dòng)階段B1之后是過渡階段B2，在這個(gè)例子的過渡階段B2中，在啟動(dòng)階段B1所獲得的增加的電流保持一段時(shí)間并最終降到其在穩(wěn)定工作階段C采用的值。階段B2持續(xù)幾秒鐘。
與現(xiàn)有技術(shù)形成對(duì)比，高啟動(dòng)電流不是突然接通的，而是提供了電流幅值的上升。這意味著在幾秒鐘的周期B1中燈的負(fù)載是不太強(qiáng)的，這對(duì)燈的壽命有正面影響。階段B1中的電流積分具有比現(xiàn)有技術(shù)相應(yīng)間隔明顯低的值。
圖5示出了燈10在啟動(dòng)階段電流IL梯度的例子。從時(shí)刻t＝0燈點(diǎn)燃開始所經(jīng)過的秒數(shù)畫在時(shí)間軸上。曲線IL顯示通過燈10的電流梯度。曲線L顯示燈的光通量梯度。階梯狀曲線LD表示這種情況所需的最小光通量。例如，歐洲標(biāo)準(zhǔn)ECE R 99規(guī)定應(yīng)當(dāng)在燈點(diǎn)燃1s后達(dá)到額定光通量的25％，并在開始4s后達(dá)到該光通量的80％。
在所示出的例子中，燈利用400Hz的方波AC電壓工作的階段在大約t＝0.1s開始。
在現(xiàn)有技術(shù)的啟動(dòng)電流階段B(圖3)，電流IL的幅值首先設(shè)置為對(duì)應(yīng)燈類型的最大容許值，從而盡可能快地實(shí)現(xiàn)燈的啟動(dòng)和燈光通量的上升。隨后電流IL的值持續(xù)降到階段C的電平，在階段C燈穩(wěn)定工作。
與此形成對(duì)比，圖5示出了電流IL的上升，例如基本上升的時(shí)間梯度。如從圖5顯而易見的，在這里電流IL的曲線不是平滑的，而是關(guān)于時(shí)間平均值呈現(xiàn)很強(qiáng)的不規(guī)則波動(dòng)。關(guān)于電流IL的梯度，這些實(shí)施方案相應(yīng)地涉及經(jīng)過適當(dāng)平滑的關(guān)于時(shí)間的變化平均值。在點(diǎn)燃后1s至3s的間隔內(nèi)，電流從大約2.25A上升到大約3.5A，即上升了大約55％。梯度是關(guān)于時(shí)間平均單調(diào)上升的，也在某些區(qū)域(例如，從大約1s到大約1.5s)保持恒定。IL在從t＝0.5s到t＝4s的間隔內(nèi)從大約1.75A上升到大約3.75A，即上升了超過100％。上面提到的兩個(gè)間隔是“啟動(dòng)階段”B1的例子。
如圖5中的曲線L所示，在啟動(dòng)階段選定的IL上升梯度的結(jié)果是燈(L)的光通量也具有梯度，其中根據(jù)需求LD在t＝1s和t＝4s獲得最小值，而不會(huì)發(fā)生過高地超出需求。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以為每個(gè)燈或?yàn)槊糠N燈類型確定必需的IL梯度，從而使燈L的光通量符合相關(guān)的需求。這可以一種簡單的方式根據(jù)經(jīng)驗(yàn)發(fā)生。
在圖5所示IL的梯度中，最大電流IL為大約3.75A。考慮到要求的最短燈壽命，這對(duì)應(yīng)于燈的最大容許電流。但是，與現(xiàn)有技術(shù)相反，這個(gè)最大電流直到燈點(diǎn)燃后大約3.25s才達(dá)到。在前述的啟動(dòng)間隔內(nèi)燈最初以“保護(hù)性”方式啟動(dòng)，如測(cè)試所證明的那樣，這導(dǎo)致燈壽命的基本延長。
圖5所示電流IL的梯度是以下述方式利用圖2的照明系統(tǒng)20實(shí)現(xiàn)的。
當(dāng)微處理器μC收到啟動(dòng)燈的啟動(dòng)信號(hào)S后，最初控制可控電流源24使燈10點(diǎn)燃。為此，可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的用于產(chǎn)生點(diǎn)火電壓的附加電路(未示出)。
在燈點(diǎn)燃后和過渡階段A后，微控制器μC控制電流源24使得產(chǎn)生圖5所示具有梯度的交流電流。符合規(guī)格ID所需的IL梯度是預(yù)先計(jì)算出來的。為此，必需的IL時(shí)間梯度以包括不同時(shí)刻IL值的表格形式保存在微控制器μC中。微控制器μC根據(jù)這些存儲(chǔ)的值控制電流源24，從而使IL給出圖5所示的梯度。
本發(fā)明可以概括為用于控制所公開氣體放電燈的設(shè)備和方法。雖然在燈的啟動(dòng)過程中要滿足光通量需求，但為了盡可能少地降低燈壽命，在包括燈點(diǎn)燃后至少1s到3s間隔的啟動(dòng)階段燈利用交流電流工作，所述電流的幅值在啟動(dòng)階段上升。在啟動(dòng)階段的上升以后，在優(yōu)選地緊隨前一階段的過渡階段電流可以首先進(jìn)一步上升或保持恒定，隨后降低，直到燈進(jìn)入穩(wěn)定工作階段。在這里，電流的時(shí)間梯度優(yōu)選地選為使得在給定時(shí)刻達(dá)到燈的光通量最小值。例如，在尤其是啟動(dòng)過程中利用高電流工作的無Hg燈的情況下，可以獲得特定的好處。
權(quán)利要求
1.用于控制氣體放電燈(10)的設(shè)備，具有-向燈(10)提供具有給定幅值的交流電流(IL)的電流源設(shè)備(24)，-及在啟動(dòng)階段(B1)向電流源設(shè)備(24)提供幅值的編程單元(μC)，-其中該啟動(dòng)階段包括至少從燈(10)點(diǎn)燃后1s到燈(10)點(diǎn)燃后3s的時(shí)間間隔，及-其中該編程單元(μC)在啟動(dòng)階段(B1)實(shí)現(xiàn)電流(IL)時(shí)間梯度的基本上升。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述時(shí)間梯度選為使得由燈(10)產(chǎn)生的光通量(L)至少在兩個(gè)給定時(shí)刻達(dá)到指定的最小值。
3.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其中所述啟動(dòng)階段(B1)包括至少從燈(10)點(diǎn)燃后0.5s到燈(10)點(diǎn)燃后4s的時(shí)間間隔。
4.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中在所述啟動(dòng)階段(B1)電流(IL)相對(duì)于所述階段開始時(shí)的值上升至少30％。
5.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中在所述啟動(dòng)階段(B1)電流(IL)的時(shí)間梯度關(guān)于時(shí)間的平均值單調(diào)上升。
6.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述電流(IL)是在時(shí)間上具有基本方波特征且頻率至少為200Hz的交流電流。
7.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述電流(IL)在啟動(dòng)階段(B1)之后的過渡階段(B2)降到穩(wěn)定值。
8.如前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求所述的設(shè)備，其中所述電流(IL)在啟動(dòng)階段(B1)開始時(shí)等于點(diǎn)燃后1s間隔內(nèi)所采用電流最大值的至多75％，優(yōu)選地小于其60％。
9.一種照明系統(tǒng)，具有-氣體放電燈(10)-及如權(quán)利要求1至8任何一項(xiàng)所述的控制設(shè)備(22)。
10.如權(quán)利要求9所述的照明系統(tǒng)，其中所述氣體放電燈(10)具有不含Hg的填充物。
11.控制氣體放電燈的方法，其中-交流電流(IL)在啟動(dòng)階段(B1)流經(jīng)燈，該啟動(dòng)階段(B1)包括至少從燈(10)點(diǎn)燃后1s到燈(10)點(diǎn)燃后3s的時(shí)間間隔，-其中控制所述電流(IL)使其幅值在所述啟動(dòng)階段內(nèi)上升，及-其中選擇所述電流(IL)的時(shí)間梯度使得由燈(10)產(chǎn)生的光通量(L)至少在時(shí)間(B1)內(nèi)的兩個(gè)給定時(shí)刻達(dá)到指定的最小值。
全文摘要
公開了用于控制氣體放電燈的設(shè)備和方法。雖然在燈的啟動(dòng)過程中要滿足光通量需求，但為了盡可能少地降低燈壽命，在包括燈點(diǎn)燃后至少1s到3s間隔的啟動(dòng)階段燈利用交流電流工作，所述電流的幅值在啟動(dòng)階段上升。在啟動(dòng)階段的上升以后，在優(yōu)選地緊隨前一階段的過渡階段電流可以首先進(jìn)一步上升或保持恒定，隨后降低，直到燈進(jìn)入穩(wěn)定工作階段。在這里，電流的時(shí)間梯度優(yōu)選地選為使得在給定時(shí)刻達(dá)到燈的光通量最小值。例如，在尤其是啟動(dòng)過程中利用高電流工作的無Hg燈的情況下，可以獲得特定的好處。
文檔編號(hào)H05B37/02GK1620842SQ03802534
公開日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2003年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月23日
發(fā)明者S·霍馬, P·波斯特馬, M·哈亞克 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司