专利名称：用于高强度放电灯的热再触发的低点亮电压瞬时启动的制作方法
用于高强度放电灯的热再触发的低点亮电压瞬时启动
背景技术：
本申请涉及与本案同时提交的名称为“IGNITER INTEGRATED LAMP SOCKET FOR HOT RE-STRIKE OF HIGH INTENSITY DISCHARGE LAMP” [代理号 220932]的共同拥有的共 同待决的申请。本公开内容涉及放电灯，且更特定而言涉及高强度放电(HID)灯，诸如陶瓷金属 卤化物(CMH)灯，其中需要该灯的瞬时启动热再触发。其特别适用于HID灯中，HID灯相对 于插座组件可替换，但应了解选定方面可应用于相关用途中。在瞬时启动热再触发应用中，点亮电压通常为大约数万伏(例如，25-30千伏)。 高电压需要使用从点亮器到灯插座的高电压电缆和因此更好的电绝缘。而这增加了组件成 本。此外，高电压电缆在灯点亮期间充当天线而辐射电磁干扰(EMI)。此可使得热再触发在 诸如保健的EMI敏感应用中是不现实的。已知在其它领域中，诸如在汽车放电头灯环境中，将点亮器、灯插座和灯整合为单 个单元。在这些应用中，如果需要替换灯，那么整个灯、点亮器和灯插座被丢弃且随后被替 换，因为各个构件为整合组件。但是，在非汽车应用中，这在经济上是不可行的，因为其余构 件的使用寿命并不限于HID灯的寿命，且替换整个组件的额外成本确实是没必要的。因此， 在诸如商业照明、显示照明、办公室、商店、博物馆、舞台照明、电视和电影制片厂等非汽车 应用中存在对HID灯热再触发应用的需要。在关掉之后，标准HID灯通常需要从5分钟至15分钟的冷却时间再次开启灯。需 要此冷却时间是因为当灯热时HID灯的电弧管内的压力可为数十大气压。换言之，可启动 冷灯的小于5千伏的典型或常规点亮电压在HID灯热时并不提供足够强的电场在间隔开的 电极之间的高压等离子间隙上再次点亮。为了实现热灯的HID瞬时启动再触发(即，热再 触发)，该组件需要更高的点亮电压。大于25千伏的点亮脉冲通常用于汽车放电头灯中，且 大于30千伏的点亮脉冲用于特殊应用的其它热再触发HID灯中。这种高点亮电压造成很多问题和额外成本。举例而言，高点亮电压造成电极顶端 溅射，这缩短电极的有效寿命且最终将造成灯故障。高点亮电压还在电弧壁上沉积电极材 料，阻挡自发光等离子体发出的光，且使灯的性能降级。此外，必须增加绝缘性以防止在高 点亮瞬时启动HID系统中的不当发弧。这种增加的绝缘性使得灯设计复杂且导致增加成 本。高点亮电压还带来若干EMI干扰问题使得系统设计者必须采取额外防范措施来屏蔽点 亮脉冲，特别是在不能耐受EMI的某些工业中。另外，用于生成更高点亮电压的点亮电压发 生器的成本也更高。因此，传统办法导致实现瞬时启动的更昂贵方案。空气的电介质击穿电压为每毫 米大约3千伏。对于大于20千伏水平的点亮电压，击穿空气间隙从标准HID灯的小于2毫 米到瞬时启动照明系统的大于7毫米。显然，这导致瞬时启动系统很大成本来通过提供更 高点亮电压的绝缘、提供高额定电压值灯基座和灯头以及使用传递点亮脉冲所需的高电压 电缆而修改标准设计。因此，大约25千伏的热再触发点亮脉冲造成更加严重的EMI干扰且 需要额外工作来屏蔽该系统。存在对可替换的HID灯的热再触发应用的改进的解决方案，以及可靠、可替换且具有降低成本的组件的需要。
发明内容
一种灯组件包括高强度放电(HID)灯，变压器和用于提供瞬时启动的电路，其以 小于25千伏提供灯的瞬时启动热再触发点亮。一种用于HID灯瞬时启动的电路包括用于向HID灯供应点亮电压的器件，其包括 用于提供击穿电压脉冲的器件，击穿电压脉冲具有小于25千伏的幅度和从大约20赫兹到 大约500赫兹的频率范围。优选地，该频率大于100赫兹，更优选地，该频率大约为150赫兹。提供器件的幅度优选地小于大约15千伏，且更优选地大约8-10千伏。提供器件 的脉冲宽度为大约200纳秒且脉冲的峰值是周期性的，周期为大约2毫秒。本公开内容的主要益处在于与瞬时启动热再触发HID灯组件相关联的降低的成 本。主要益处是显著地降低HID灯的瞬时启动热再触发所需的击穿电压的能力。另外的益处是减轻的EMI和与瞬时启动热再触发应用相关联的灯具设计中更大 的灵活性。通过阅读和理解下文的优选实施例的详细描述，本公开内容的另外的益处和优点 将会变得明显。
图1是用于常规HID应用中的灯插座的透视图。图2是在第一优选实施例中的灯组件的分解透视图。图3是图2的插座外壳组件的放大透视图。图4是现有技术电弧管在热再触发之前的示意表示。图5是如在现有技术布置中所用的热再触发点亮脉冲的曲线图表示。图6是现有技术电弧管在点亮脉冲之后的图示。图7至图9是类似于图4至图6的视图，示出用于瞬时启动热再触发的新点亮脉 冲布置。图10是具有代表性脉冲重复频率的点亮脉冲幅度的改进减小的示意图。图11和图12是优选电路的示意图。
具体实施例方式图1示出常规灯插座外壳或基座100，其通常用于高强度放电(HID)灯(未图示)， 高强度放电灯可移除地固持于插座外壳中。更特定而言，插座外壳包括第一电力电缆102 和第二电力电缆104，第一电力电缆102和第二电力电缆104具有连接到相关联电源(未 图示)的相应第一端106和108。当灯组件计划用于瞬时启动热再触发应用时，电力电缆 102,104是相对重型高电压电缆，其具有很大绝缘性以运送大约数万伏的电压从而向容纳 于插座外壳中的灯提供大约二十五千伏(25kV)至三十千伏(30kV)的伏点亮脉冲。因此， 电力电缆从电源延伸，电源包括镇流器(未图示)且还包括变压器，变压器使电压从数百伏的水平(小于1200伏)升高到25kV至30kV。电力电缆的第二端110、112止于插座外壳内 且电连接到电连接器120、122，电连接器120、122分别容纳于相应凹部124、126内。凹部 (尤其是连接器)间隔开预定尺寸，诸如标准化12mm的间距，其为预定的，以防止在分隔连 接器的空气间隙上击穿。插座外壳还包括第一弹簧夹130和第二弹簧夹132，第一弹簧夹130和第二弹簧夹 132通常安置于连接器之间且与连接器成直角以机械地接合HID灯的基座部分的相对侧。 同样且用于随后比较目的，变压器和点亮器组件将位于远离插座外壳处。图2和图3示出本公开内容的优选实施例。特别地，灯组件包括灯插座外壳200， 灯插座外壳200优选地为陶瓷外壳。尽管仅示出单个电缆202，但应了解电缆是低电压电 缆，其容纳第一绝缘线与第二绝缘线，或替代地，提供第二电力电缆(未图示)，其中每个电 力电缆容纳单个线。同样，线的第一端206、208适于与相关联的电源(未图示)电连接，而 第二端210、212连接到操作电路或印刷电路板(PCB)214。此外，变压器216包括绕核芯缠 绕的金属线，变压器216还被固定到插座外壳200上以将电压从小于1200伏的输入电压升 高到小于25，000伏(25kV)且更优选地在8，000与10，000伏(8-10kV)之间的所需瞬时启 动热再触发点亮电压。外壳200包括内腔，内腔的尺寸适于容纳变压器和印刷电路板。端 部闭合部件218然后闭合外壳端部。相对的连接器220、222容纳于相关联的凹部224、226 内。此外，弹簧夹230、232被固定到外壳上且适于机械地夹住HID灯MO的相对表面和特 别地灯的基座部分对2。HID灯包括第一电极244与第二电极M6，第一电极244与第二电 极246容纳于密封电弧管248中且间隔开预定尺寸或电弧放电间隙。电弧管的内部容纳气 体填充物使得响应于电极之间的充分电压电位，填充气体被击穿，形成电弧，且气体填充物 变成等离子体，等离子体发出预定光谱的光。第一外部引线250和第二外部引线252从封 壳延伸且间隔开与插座外壳的电连接器220、222相同的尺寸。以此方式，HID灯240可移 除地固定到插座外壳上，其中，外部引线250、252容纳于相关联的凹部224、226内以与连接 器220、222建立电连接。而弹簧夹230、232机械地接合灯的基座部分M2。由于变压器位于邻近电连接器220、222处，在此优选布置中仅需要很短距离的高 电压线。当与图1的现有布置相比(其中电缆1 02、104中的每一个运送高电压)时，这限 制了组件的潜在EMI影响。另外，印刷电路板容纳于陶瓷外壳内。这种布置将镇流器定位 于较远位置，其中与灯操作相关联的高温将不会不利地影响镇流器操作。点亮器合并于灯 插座内用于高强度放电灯的瞬时启动热再触发应用。举例而言，瞬时启动热再触发是指灯 在切断一定时间之后直接启动，且当重新接通时，将直接启动使得在一秒之后，灯应发出其 额定光通量的至少百分之八十(80% )。镇流器通过低电压电缆202将数百伏范围的低电 压电力供应到安置于灯插座外壳200内的点亮器。点亮器包括电路或印刷电路板214，其协 同变压器21 6将电压从数百伏升高到实现HID瞬时启动所需的电压水平。而且，如已知的 那样，在过去使用25千伏至30千伏的点亮脉冲。如将在下文中公开的那样，另一实施例允 许小于25kV，优选地低于20kV，且更特别地大约8-10千伏水平的热再触发点亮击穿电压水 平。整合的灯插座排除了高电压电缆且基本上将高电压路径几乎减为零，而这减轻了 EMI。 在灯具设计中，镇流器位于距光源更远处，且因此延长了镇流器寿命且增强可靠性。灯具设 计还具有更大灵活性。此外，如果需要替换灯，其可从外壳200移除而无需与点亮器、电路 或外壳相关联的任何额外替换开支。
图4至图6例示热再触发应用的现有技术点亮电压。如图4所示，HID灯340包 括第一电极344与第二电极346，第一电极344与第二电极346由电弧管348内的电弧间隙 间隔开。响应于击穿电压脉冲，认为电子从负极经过电弧管348内的等离子体移动到第二 或正极；346。热再触发脉冲在图5中示出或展示为大约大于20千伏的脉冲施加1毫秒-3 毫秒。此种大的击穿电压确保了电子到达第二电极用于热再触发。如在图7至图9中同样地示出的那样，本公开内容提供现有技术所需的高击穿电 压的替代方案。更具体而言，HID灯440包括容纳于电弧管448内的第一电极444与第二电 极446。使用一系列高频点亮脉冲，因为场在电极之间变化。举例而言，图8提议施加200 纳秒的大约10千伏的点亮脉冲(图示为三角形点亮脉冲)可间隔开2毫秒以实现HID灯 的瞬时启动热再触发。认为电子可由各个脉冲促使朝向正极，如图9所示。如图10所示的实际测试表明以20赫兹重复频率提供的大约13千伏的点亮脉冲 幅度足以提供瞬时启动热再触发。同样，在150赫兹频率的10千伏脉冲成功地重启灯且甚 至500赫兹频率的8千伏系列脉冲实现瞬时启动热再触发。如本领域技术人员所了解的那 样，这从现有技术所需的大约25千伏水平显著降低。相对于现有技术瞬时启动布置，这造 成显著节省。标准HID灯通常需要冷却时间和在25千伏与30千伏之间的点亮电压，且导致额 外成本，因为高点亮电压造成电极溅射。溅射缩短电极寿命且造成灯故障。溅射也将电极 材料沉积到电弧管壁上从而阻挡自等离子体的光使得灯性能进一步降级。高点亮电压需要 相关联的绝缘增加以防止发弧，这使得灯设计更复杂且造成额外成本。高点亮电压还具有 更严重的EMI干扰且需要系统设计考虑对点亮脉冲的额外屏蔽。本公开内容另一方面提供一种解决方案，其能利用低点亮电压使HID瞬时启动， 且减少与现有布置的高点亮电压相关联的额外成本。本公开内容使得HID瞬时启动系统更 能买得起且能应用于更一般的应用中，诸如办公室、仓库、应急照明等。本公开内容和相关 联的方法使用相对低幅度的多个点亮脉冲来在电极之间的高电压等离子体间隙上转送电 子以在HID灯热时实现瞬时启动，例如，热再触发。认为每个点亮脉冲迫使电子仅移动电极 顶端之间的总等离子体间隙的一部分。在电子振荡回到第一或负极的原始位置之前，施加 下一点亮脉冲且在电弧间隙的另一部分上移动电子。当点亮脉冲以高频重复时，认为电子 在等离子体间隙上从一个电极移动到另一个电极且导致实现其启动的点亮脉冲的更低量 值或幅度。尽管在理论上需要以尽可能高的频率重复点亮脉冲，但实际上，点亮脉冲重复频 率受到硬件和其它系统考虑限制。利用以大约500赫兹的频率重复和小于10千伏的幅度 的点亮脉冲实现充分的瞬时启动热再触发结果。当点亮脉冲的重复频率大于500Hz，诸如 IOOHz和2000Hz时，实现瞬时启动的点亮脉冲的幅度改变很小。认为高频的电路和灯的寄 生电容和电感减弱点亮脉冲，且进一步增加点亮脉冲频率的成本将显著增加。因此灯组件 可实现关于灯寿命、性能、成本、安全性和EMI的相关联优点。更少的材料将从电极蒸发，因 而延长电极寿命。从电极蒸发的更少材料还表明更少材料沉积于电弧管的壁上。因此，导 致电弧管以更低速率暗化且具有更高流明维持，因为当流明输出仅为最初流明输出的50% 时，HID灯被认为到达使用灯寿命的尽头，电弧管这种减轻的暗化延长了灯寿命。图11和图12是用于上文所述的瞬时启动热再触发实施例的示意电路。图11示 出四输入布置，其中输入A与B是用于对电容器500充电的直流(DC)输入(例如，大约400伏)。电压随时间在电容器上累积到所需水平以向额定火花间隙502提供充分电压水平(例 如，额定在大约350伏)。火花间隙502是气体放电管且在正常条件下并不导电。当在火花 间隙502上的电压到达高于额定电压(例如，大约350伏)时，在火花间隙502内的气体被 电离且放电。火花间隙502暂时地变得导电。电容器500、火花间隙502和变压器508的 初级绕组506形成电回路。存储于电容器500中的电荷通过火花间隙502卸入变压器508 的初级绕组506内，且在变压器508的初级绕组506中生成电压脉冲。在变压器508的初 级绕组506中的电压脉冲进一步由变压器508的匝数比升高至变压器508的次级绕组510 上的更大电压脉冲以瞬时启动该灯520。同样，仅以举例说明，如果采用50 1的匝数比， 那么，自变压器的初级侧的电压升高以变成用于灯520的IOKv瞬时启动热再触发电压。电 阻器504用于控制充电电流且可作为实例额定为50千欧，然而，类似电容器和火花间隙额 定值，在不偏离本公开内容的范围和意图的情况下，它们可更改。一旦灯被重新点亮，开路 降低到低于火花间隙额定电压且因此并不生成电压脉冲。第三输入C与第四输入D是用于灯持续操作的低电压AC输入。MOV或齐纳二极 管522设于电路的此部分中，其在启动期间限制电压，使得不允许例如大约IOKv的再触发 电压通过到电路的前端。电感器5 也可设于电路中以使电路稳定。图11的布置(四输入)具有隔离电路的低电压灯操作部分与热再触发部分的优 点。另一方面，在镇流器位于距灯较远处的情况下，存在与线相关联的额外成本。图12是用于瞬时启动热再触发HID灯的替代电路。更特定而言，此示出三输入布 置，其包括第一输入E与第二输入F，第一输入E与第二输入F为用于灯操作的低电压连接。 第三输入G与第一输入E(其共有于电路的第一部分和第二部分的)协同操作用于瞬时启 动热再触发(例如，大约400V或更高的直流输入)以向电容器600充电。火花间隙602和 电阻器604可参考关于图1 1的实施例同样额定。当在火花间隙602上的电压到达高于额 定电压(例如，大约350伏)时，在火花间隙602内的气体被电离且放电。火花间隙602暂 时变得导电。电容器600、火花间隙602和变压器608的初级绕组606形成电回路。存储 于电容器600中的电荷通过火花间隙602卸入变压器608的初级绕组606内，且在变压器 608的初级绕组606中生成电压脉冲。在变压器608的初级绕组606中的电压脉冲进一步 由变压器608的匝数比升高至变压器608的次级绕组610上的更大电压脉冲以瞬时启动该 灯620。MOV或齐纳二极管622在第一输入与第二输入之间延伸以限制电压且还保护电路 的低电压部分。一旦灯被重启，那么通过输入E、F提供的低电压交流电流将继续操作该HID 灯。应认识到，在图12的实施例中，电路部分并未彼此完全隔离。但是，此电路有利地 仅具有三个线，与图11的四输入连接相比，这可导致成本节省。认为在常规热再触发应用与本公开内容所实现的那些应用之间的成本差异为 50%或更大。尽管已知在增加点亮脉冲频率时，降低所需击穿电压，但这种减小迄今仅为大 约20%减小的水平。令人惊奇的是，在此布置中，脉冲参数实现击穿电压超过20%的显著 更好的降低。在点亮爆发中，点亮仅小于0.25秒。如果最初爆发不足以再触发该灯，那么 电路通常脉动延长的时间间隔。或者，设想到点亮爆发可限于预定次数以便节省绝缘上的 磨损和撕裂。此可建置到镇流器电路内。尽管脉冲被图示为周期性的且具有相同幅度，但因为更简单的电子器件与固定周期和相等幅度相关联，本公开内容并不限于这种布置。通常，无需与可变周期和可变幅度相 关联的成本。此外，波可为三角形、正方形或其它脉冲形状，而对于HIF灯的瞬时启动热再 触发并无明显影响。在G12型HID灯引线之间的标准间距为12毫米。因为存在13-14千 伏的电位用于在插座或刚好在灯基座的密封玻璃中发弧，在低于10千伏，更优选地大约8 千伏的水平实现热再触发的能力是显著改进。 参考优选实施例描述了本发明。显然，在阅读和理解前述详细描述时，其他人可想 到修改和更改。预期本发明被理解为包括所有这些修改和更改。
权利要求
1.一种用于高强度放电(HID)灯的瞬时启动的电路，所述电路包括用于向所述高强度放电灯供应点亮电压的点亮电压供应器件，所述点亮电压供应器件 包括用于提供击穿电压脉冲的提供器件，所述击穿电压脉冲具有小于25千伏的幅度和大 约20赫兹或者更大的频率。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述提供器件的频率大于100赫兹。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述提供器件的频率为大约150赫兹。
4.根据权利要求3所述的电路，其特征在于，所述提供器件的幅度为大约10千伏。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述提供器件的幅度小于大约15千伏。
6.根据权利要求5所述的电路，其特征在于，所述提供器件的幅度为大约13千伏。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述提供器件的频率为大约20赫兹。
8.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述提供器件的幅度为大约10千伏。
9.根据权利要求8所述的电路，其特征在于，所述提供器件的频率为大约150赫兹。
10.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述提供器件的幅度为大约8千伏。
11.根据权利要求10所述的电路，其特征在于，所述提供器件的频率为大约500赫兹。
12.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述提供器件的脉冲宽度为大约200纳秒。
13.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述脉冲的峰值是周期性的，且周期为 大约2毫秒。
14.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述脉冲可为三角形或正方形之一。
15.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述脉冲范围高达大约2000赫兹。
16.根据权利要求1所述电路，其特征在于，所述高强度放电灯是陶瓷金属卤化物 (CMH)灯。
17.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电压脉冲具有基本上相同的幅度。
18.一种再触发高强度放电(HID)灯的方法，其包括向所述高强度放电灯提供低电压脉冲，所述低电压脉冲具有小于20千伏的幅度；以及 以在大约20赫兹至大约500赫兹的频率范围重复所述低电压脉冲。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，提供步骤处于大约8千伏的幅度，且所 述频率为大约500赫兹。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，提供器件的脉冲宽度为大约200纳秒， 且所述脉冲之间的时间间隔为大约2毫秒。
全文摘要
一种灯组件包括外壳，外壳选择性地容纳可移除的插入式高强度放电(HID)灯。变压器和电路容纳于该外壳内用于以小于25千伏提供该灯的瞬时启动热再触发点亮。用于HID灯瞬时启动热再触发的电路向HID灯供应点亮电压，点亮电压具有幅度小于25千伏和频率范围从大约20赫兹到大约500赫兹的脉冲。优选地，该频率大于100赫兹，更优选地，该频率为大约150赫兹。脉冲幅度优选地小于大约15千伏，且更优选地大约8-10千伏。脉冲宽度为大约200纳秒且脉冲峰值是周期性的，周期为大约2毫秒。
文档编号H05B41/292GK102084723SQ200980126126
公开日2011年6月1日 申请日期2009年5月19日 优先权日2008年7月2日
发明者J·李 申请人:通用电气公司