专利名称：紫外线灯系统和用于控制发射的紫外线的方法
技术领域：
本发明总体上涉及紫外线灯系统，尤其涉及微波激发紫外线灯系 统的功率调整。
背景技术：
紫外线(UV)灯系统一般用于加热和固化例如粘合剂、密封剂、墨 水和涂料等的材料。 一些紫外线灯系统具有无电极光源，通过微波能 量激发无电极等离子体灯来工作。在依赖于微波能量激发的无电极紫 外线灯系统中，无电极等离子体灯安装在金属微波腔或室内。 一个或 多个微波发生器，例如磁电管，经由波导耦合到微波室的内部。磁电 管提供微波能量，以从封入等离子体灯的气体混合物中激发并维持等 离子体。等离子体发射强烈偏重于具有紫外线和红外线波长的光谱线 或光子的电磁辐射的特征光谱。为了照射衬底，紫外线从微波室通过室出口对准外部位置。室出 口能够在允许紫外线透射到微波室外部的同时，阻挡微波能量的辐射。多种传统紫外线灯系统的室出口被细孔金属栅网(screen)覆盖。金属 栅网中的开孔透射紫外线，以用于照射放置在RF室外部的衬底；但是 基本上阻挡了微波能量的辐射。紫外线灯系统的一些应用要求很精确的紫外线强度。这些应用对 紫外线强度的变化敏感，要求光强度基本上恒定。提供基本上恒定的 紫外线强度提出了一些难题。首先，与磁电管相关的制造公差对于每 个磁电管的输出起重要作用，磁电管的输出与紫外线强度直接成比例。 磁电管制造商对于磁电管的输出目标值例如为大约3000W。但是由于制 造公差，磁电管的实际输出值会低于或高于3000W的目标输出。有些制造商对他们的磁电管提供公差范围，而不提供每个磁电管的具体输出 值。这样就对紫外线灯系统中使用的磁电管的实际输出带来不确定性。 磁电管之间公差的差异导致每个磁电管的输出的差异，从而造成不同 灯系统之间紫外线强度的不同。从紫外线灯系统提供基本上恒定的光强度的第二个难题在于，当 灯系统和磁电管加热时输出功率有下降的趋势。当紫外线灯系统加热 时，使磁电管中的陶质磁体升温，因此磁体的强度下降。磁电管的输 入电压是电流和磁场强度的函数，磁场强度下降的结果是，磁电管的 输入电压也下降。假设磁电管的电流基本上恒定，则输入电压下降导 致输入功率下降。当至磁电管的输入功率下降时，输出功率也下降， 从而降低紫外线强度。经过约5到10分钟的运行，系统的热变化稳定， 从而使磁电管的输出功率稳定，并最终使紫外线强度稳定。发明内容通过提供紫外线灯组件和相应的方法，本发明的实施例解决与现 有技术相关的上述和其他问题，所述灯组件可操作地产生紫外线，以 用于照射衬底。所述紫外线灯组件包括磁电管；无电极灯，用于当 由产生自所述磁电管的微波辐射而激发时，发射紫外线；以及功率控 制电路装置，用于控制磁电管的微波辐射的输出功率以及由所述灯产 生的紫外线的相应强度。所述功率控制电路装置包括第一控制回路， 配置为基于与所述磁电管的期望输出功率相关联的输入电流设置，调 整至所述磁电管的输入电流；以及第二控制回路，耦合到所述第一控 制回路，并配置为基于至所述磁电管的输入功率，调节所述第一控制 回路使用的输入电流设置，以调整所述磁电管的所述输入电流，所述 磁电管的输入功率与由所述灯产生的光强度成比例。在一个实施例中，所述第二控制回路配置有分压器，所述分压器 用于测量至所述磁电管的输入电压。电流传感器配置为感测第一控制 回路中的输入电流，所述输入电流被送往控制器，所述控制器也接收分压器的输入电压。控制器使用来自分压器的电压和来自第一控制回 路的电流计算输入功率，以对输入电流进行调节，提供基本上恒定的 输入功率，从而提供基本上恒定的紫外线强度。通过第二控制回路中 的限流器限制第一控制回路中对输入电流的调节。在一些实施例中，第二控制回路配置为周期性地调节第一控制回 路的输入电流设置。对磁电管输入功率的周期性调节提供了更恒定的 紫外线输出，而不需要操作者干预，也不需要连续校正。
附图示出本发明的实施例，并与上文给出的对本发明的总体描述 和下文给出的详细描述一起，用于说明本发明的原理。图l是示出根据本发明的紫外线灯组件的实施例的框图，紫外线灯 组件包括用于磁电管的功率控制电路，磁电管用于激发无电极灯产生 紫外线。图2是图1的功率控制电路的一部分的示意图。图3是示出图1的功率控制电路的实施例的操作的流程图。图4是示出图1的功率控制电路的替代实施例的操作的流程图。
具体实施方式
一般来说，紫外线灯系统中使用的磁电管的功率输出存在差异。 这种差异可能是由于制造公差和工作温度所致。磁电管功率输出的这 种差异直接关系到灯系统中紫外线光强度的差异。输出功率的差异通 常造成磁电管(或多个磁电管)升温时灯的光强度下降，因此给某些 对紫外线光强度变化敏感的应用带来麻烦。这些关键处理倾向于要求 特定系统中所有灯之间的光强度一致。本发明的实施例提供一种娃外线灯系统，其具有用于磁电管的功 率控制电路装置，有助于提供与紫外线光强度直接成比例的、基本上恒定的功率输出，而通常不需要操作者的干预。传统的快速电流反馈 控制回路被用于调整至每个磁电管的输入电流，并且周期性的第二控 制回路被用于自动调节第一控制回路的电流设定点，从而调整输入功 率。对该应用来说，当以规则的间隔实现第二控制回路时，"周期性 的"与"间歇的"同义，或者，校正之间的间隔可变，例如，在灯系 统的初始上电和加热期间更加频繁。参照附图，其中，在所有的图中相同的标记表示相同的部件，图 1示出根据本发明的具有示例性功率控制回路的灯系统的框图。功率控 制回路电路设计为控制至磁电管的输入功率，不像现有技术中常见的 那样仅仅控制输入电流，磁电管的输入功率一般与磁电管的输出功率、 紫外线光输出强度密切相关。紫外线灯系统的操作者选择功率设置10， 功率设置10向微控制器14发送期望的功率水平，期望的功率水平用图示箭头12表示。微控制器14最初为磁电管16设定电流水平，以获 得期望的输出功率。然后微控制器向用于电流调整控制回路22的电路 发送设定点电流18和实际磁电管电流20。电流调整控制回路22由可 操作地提供快速电流反馈控制回路的电路构成，以调整并提供基本上 恒定的电流输出，如同现有技术已知的那样。电流调整电路22利用微控制器，微控制器可以是微控制器14， 也可以是专用于电流调整的独立的微控制器。然后电流调整电路22将 调整后的电流送往相位控制电路24，相位控制电路24向高压产生电路 28发出可变AC信号，可变AC信号用图示箭头26表示。高压产生电 路向磁电管16发出可变高压DC信号，以产生期望的输出，可变高压 DC信号用图示箭头30表示，期望的输出激发紫外线灯36，所述紫外 线灯36产生从灯组件发射的紫外线。高压产生电路28周期性地向微控制器14发出磁电管电压信号和 磁电管电流信号，磁电管电压信号用图示箭头32表示，磁电管电流信 号用图示箭头34表示。微控制器14使用磁电管电压信号32和电流信号34以确定实际的磁电管输入功率，并且如果输入功率偏离期望的功 率水平12，则确定对设定电流的调节。然后微控制器向电流调整电路22发送实际磁电管电流20和调节后的设定点电流18，以自动调节磁 电管的输入功率。图2中示出相位控制电路24和高压产生电路28的附加细节。在 一些实施例中，相位控制电路24由三相高压电源40组成。用于电源 40的电压可以例如是每相约480V。电源40的一个相42被送往SCR 相位控制器44。其他的相可以为具有附加磁电管的紫外线灯系统的替 代实施例中的其他磁电管供电，或者为紫外线灯系统的其他部件供电。 来自电流调整控制回路22(图l)的输出信号用于控制相位控制器44的 相位。然后来自相位控制器的输出通过电流接触器46a、 46b送往隔离 变压器48。高压AC功率经由变压器48转移到高压桥组件50，高压桥 组件50将高压AC功率转换为高压DC信号30，然后高压DC信号30 被送往磁电管16。此外，桥组件还将磁电管输入电压信号32和磁电管 输入电流信号34送往微控制器14(图1)，以用来在功率调节的控制循 环(control loop)期间确定磁电管16的输入功率。如本领域技术人员已知的， 一般来说磁电管的输入功率和输出功 率密切相关。因为这种相关，就能够通过调节磁电管的输入功率来获 得基本上恒定的输出功率，从而获得基本上恒定的紫外线光输出强度。 对于磁电管的电流和功率调整包括第一内部控制回路调整至磁电管 的电流；第二外部控制回路调整至磁电管的输入功率。输出功率的大 多数变化通常出现在当紫外线灯系统加热时的操作的最初5到10分 钟，然后稳定；因此，在第二控制回路中不必连续地监测和调节输入 功率。提供第二外部控制回路来调整输入功率有助于在系统5到10分钟的升温阶段提供接近恒定的输出功率。对于那些有需要紫外线灯系 统周期性工作而不是系统持续工作的应用的紫外线灯系统操作者，以 及那些有对紫外线的变化敏感、需要基本上恒定的输出的关键应用的 紫外线灯系统操作者而言，这是有利的。图3和图4是示出用于功率控制电路的控制循环的两个实施例的 操作的流程图。这些实施例采用相同的电流调整步骤，尽管其他实施 例也可以采用用于电流调整的不同方法。在框100开始，输入电流值 设定为起始值，以获得与期望的紫外线光输出强度相应的特定输出功 率。由紫外线灯系统操作者根据输入电流与输出功率之间的比例关系选择起始值。输入电流被选择为产生例如输出功率的大约35%至100%的初始输出功率。在框102设定用于功率调整的第二控制回路的计时器，并且如果 计时器没有超时(判定框104的"否"分支)，则在框106通过电流传感 器测量实际电流。然后在框108，像现有技术已知的那样，例如通过电 流调整算法来调整电流。与紫外线灯系统兼容的、可操作地向磁电管 提供基本上恒定的电流源的任何方法或硬件配置都可以使用。该回路 持续调整至磁电管的输入电流，直到功率调整的计时器超时(判定框 104的"是"分支)。为了适当地调整电流以提供接近恒定的电流源，完成第一控制循 环的时间约为4-5ms。在执行第二控制循环之前，该控制循环可执行多 次。第二回路计时器被设定为例如大约每5到IO秒启动第二控制回路。 在一些实施例中，可更频繁或更不频繁地调整输入功率。已知经过大 约5到IO分钟的运行后功率趋于稳定，第二控制回路计时器具有可变 的时限，在升温期间更频繁地启动第二控制回路，而在持续运行期间 不太频繁。在图3所示的实施例中，在框110，通过测量例如上述高压桥组 件中分压器的电压以及第一控制回路中电流传感器的电流(在框106测 得)，第二控制循环开始。在替代实施例中，也可以由桥组件供给电流。 在框112，根据电压和输入电流计算实际功率。然后在框114，通过从 设定功率中减去实际功率，计算出功率误差。在其他实施例中，也可以用其他方法确定设定功率与实际测量功率之间的误差或偏差。如果 设定功率与实际功率之间的差接近零，表示没有误差(判定框116的"是"分支)，则不必调节输入电流，并在框102设定第二回路计时器的新值。但是如果计算出有误差(判定框116的"否"分支)，则根据以下公式，在框118对输入电流进行调节 输入电流=输入电流+ (增益x功率误差)其中，增益根据经验得出。在一些实施例中，在框120，如果数值超过 设定的电流限制，则可以限制调节后的输入电流。电流经过调节后， 在框102，设定第二回路计时器的新值，第一控制回路继续调整新的调 节后的输入电流，直到下一次时间超时发生。图4示出第二控制循环的另一实施例，利用不同的方法调节输入 电流。与图3的实施例相似，在框140测量电压和电流，在框142根 据电压和电流计算实际功率。此外与上述实施例相似，在框144计算 功率误差。如果设定功率与实际功率之间的差接近零，表示没有误差(判 定框146的"是"分支)，则不必调节输入电流，并在框132设定第二 回路计时器的新值。但是如果有功率误差(判定框146的"否"分支)， 则对输入电流进行调节。如上所述，至磁电管的输入电流与磁电管的 输出功率近似为线性比例。此外，可假设无电极等离子体灯的效率在 灯系统的工作输出功率范围内保持精确恒定。基于这两个数据点，可 利用理论输入功率与实际输入功率的比率来修正输入，以计算新的磁 电管输入电流。因此本实施例中，在框148通过将电流值乘以比率来 调节电流，其中，比率为-比率=先前比率><1|^| 实际功率通过在比其他方法更少的周期内产生用于稳定功率输入的输入电流， 用上述比率可改善第二控制回路的响应。在输入电流经过调节以后， 与前面的实施例相似，在框150，如果数值超过设定的电流限制，则可 以限制调节后的输入电流。在电流经过调节后，在框132,设定第二回 路计时器的新值，第一控制回路继续调整新的调节后的输入电流，直到下一次时间超时。尽管通过对不同实施例的描述示出了本发明，并且相当详细地描 述了这些实施例，但是申请人不希望将所附权利要求书的范围限制于 或以任何方式限定于这些细节。附加的优点和改型对于本领域技术人 员来说显而易见。因此在更宽泛的方面中，本发明不受限于所示和所 述的具体细节、描述性的设备和方法以及示例性的实例。因此，对这 些细节可作出改变而不脱离申请人的总体发明构思的精神和范围。
权利要求
1.一种紫外线灯组件，用于照射衬底，所述紫外线灯组件包括磁电管；无电极灯，配置为当由产生自所述磁电管的微波辐射激发时，发射紫外线；以及功率控制电路，用于控制所述无电极灯的紫外线发射，所述功率控制电路包括第一控制回路，配置为基于与所述磁电管的期望输出功率相关联的输入电流设置，调整至所述磁电管的输入电流；以及第二控制回路，耦合到所述第一控制回路，并配置为基于至所述磁电管的输入功率，调节所述第一控制回路使用的输入电流设置，以调整至所述磁电管的所述输入电流。
2. 如权利要求l所述的紫外线灯组件，其中所述第一控制回路是 所述第二控制回路的一部分。
3. 如权利要求l所述的紫外线灯组件，其中所述第二控制回路周 期性地调节所述第一控制回路的输入电流设置。
4. 如权利要求l所述的紫外线灯组件，其中所述第二控制回路包括分压器，配置为测量至所述磁电管的输入电压；电流传感器，配置为感测所述第一控制回路中的所述输入电流；以及控制器，从所述分压器接收输入电压并且从所述电流传感器接收 输入电流，可操作地调节所述输入电流以提供基本上恒定的输入功率。
5. 如权利要求4所述的紫外线灯组件，其中所述分压器包括封装组件，包括二极管部件和相应的电阻网。
6. 如权利要求4所述的紫外线灯组件，其中所述第二控制回路还 包括限流器，对所述第一控制回路中所述输入电流提供限制。
7. —种通过调整至紫外线灯组件中磁电管的输入功率来控制从 无电极灯发射的紫外线的方法，包括基于与所述磁电管的期望输出功率相关联的输入电流设置，通过 第一控制回路调整输入电流；测量提供至所述磁电管的输入功率；基于测得的输入功率，通过第二控制回路调节所述第一控制回路 使用的输入电流设置；以及将来自所述磁电管的输出功率提供给所述无电极灯，以发射紫外线。
8. 如权利要求7所述的方法，还包括 将调节限制在所述输入电流设置。
9. 如权利要求7所述的方法，其中所述输入电流设置的初始值是 最大电流值的一部分。
10. 如权利要求9所述的方法，其中所述初始值的范围在所述最 大电流值的大约35%和大约100%之间。
11. 如权利要求7所述的方法，其中测量所述输入功率包括 通过分压器测量至所述磁电管的输入电压； 测量所述第一控制回路中的电流传感器中的输入电流。
12. 如权利要求11所述的方法，还包括根据测得的输入电压和测得的输入电流，计算所述输入功率；以及通过比较设定功率与所述输入功率，计算所述输入电流设置的变化。
13. 如权利要求12所述的方法，其中计算变化包括通过从所述设定功率中减去所述输入功率，计算功率误差；以及 响应于非零的功率误差，将所述功率误差乘以增益与所述输入电流设置相加。
14. 如权利要求12所述的方法，其中计算变化包括通过从所述设定功率中减去所述输入功率，计算功率误差；以及 响应于非零的功率误差，将所述输入电流乘以比率。
15. 如权利要求14所述的方法，其中所述比率是先前比率乘以所 述设定功率与所述输入功率的比率。
全文摘要
紫外线灯系统和用于控制发射的紫外线的方法。一种紫外线灯组件和相应的方法，所述灯组件可操作地产生紫外线，以用于照射衬底。所述灯组件包括磁电管；无电极灯，用于当由产生自所述磁电管的微波辐射而激发时，发射紫外线；以及功率控制电路装置，配置为相应于由所述灯产生的紫外线的强度，控制由所述磁电管产生的微波辐射的输出功率。所述功率控制电路的第一控制回路配置为，基于与所述灯的紫外线输出的期望强度相关联的输入电流设置，调整至所述磁电管的输入电流；第二控制回路耦合到所述第一控制回路，并配置为，基于至所述磁电管的输入功率，调节所述第一控制回路使用的输入电流设置，以调整至所述磁电管的所述输入电流，所述磁电管的输入功率与从所述灯输出的紫外线的强度成比例。
文档编号H05B41/14GK101335180SQ20081012955
公开日2008年12月31日 申请日期2008年6月30日 优先权日2007年6月29日
发明者卡尔·A·布雷梅日斯基, 詹姆斯·W·施米特康斯 申请人:诺信公司