用于高强度放电灯的点燃和操作的系统和方法
【专利摘要】一种用于陶瓷高强度放电（HID）灯的点燃的方法。该方法包括对电极施加持续时间足够短的多个预点燃电压脉冲，以避免点燃HID灯。预点燃电压脉冲在点燃之前加热电极以避免在包围电极的毛细管的内孔中引起电弧。点燃电路被配置以在预点燃电压脉冲的施加之后施加用于点燃HID灯的点燃脉冲。
【专利说明】用于高强度放电灯的点燃和操作的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及用来点燃和操作高强度放电灯的镇流器电路，以及更特别地用于点燃和操作陶瓷高强度放电灯的镇流器电路。
【背景技术】
[0002]高强度放电(HID)灯借助于在封装于透明材料(例如，熔融石英或氧化铝)的电弧管内的电极之间的电弧来产生光。该电弧管以气体和一定剂量的金属盐两者填充。气体会促进电弧的初始引弧(strike)或点燃。一旦电弧被启动，电弧就加热金属盐并使其蒸发。等离子体被形成，该等离子会大大地增大由电弧产生的光的强度并且降低功率消耗。通常在I至2分钟后，小功率的70W HID灯升温以产生其额定的光输出。当HID灯初始为冷时，通常需要例如4000伏的点燃电压来点燃HID灯。在点燃之后，HID镇流器在例如20-200伏的低电压下给灯提供交变电流。HID灯的物理性质通常决定着在HID灯两端的操作电压。
[0003]现在参照图2，该图示出了根据常规技术的陶瓷HID灯14的俯视截面图。陶瓷HID灯14包括在电极20的近端处延伸到电弧室28之内的电极20，该电弧室28在电弧管26的内部。电极20在远端处电连接至给灯14供电的镇流器电路的输出。电极20穿过毛细管25各自的内孔24并且在毛细管25的远端附近由密封物22密封于内孔24的一部分之内。
[0004]如图2所示的构造的灯24被称为“陶瓷TID灯，区别于具有材料为熔融石英或多晶石英的电弧管的“石英” HID灯。在石英HID灯中，对电极的密封通过使处于粘性半液态的管材料收聚到在电弧室的入口附近的电极之上而形成。在为不同于熔融石英或石英的陶瓷材料的陶瓷HID灯中，收聚密封物是不可用的，并且密封物22通过使玻璃或陶瓷熔块熔化于毛细管25中的内孔24的远端部分之内而形成。美国专利7701142、7728495和美国专利申请公开US20020145388是描述陶瓷电弧灯的代表性参考文献。
[0005]陶瓷HID灯14可以在光效、色温和显色指数(CRI)方面提供优于石英金属卤化物(MH)灯的改进。通常，MH石英灯的色温在CRI为65-70的情况下超过4000开尔文。陶瓷灯14通常可以提供较暖的光，典型为在CRI为90的情况下大约3200K。光效可以超过110流明每瓦特(L/W)，而石英MH灯的光效典型为大约90L/W。
[0006]大部分HID灯，包括陶瓷HID灯14在小于400Hz的低频率下操作。但是，在超过IOOkHz的高频范围内操作可以提供诸如较长寿命、较低的流明衰减(lumendepreciation)、稳定的颜色和CRI之类的优点。例如，在低效率操作下的石英金属卤化物(MH)灯的流明衰减在8000小时之后可以降低至初始值的50%，然而在高频率下操作相同的灯会显示出在8000小时的操作下仅低于15%的流明衰减。与常规的低频率的点燃方法相t匕，在高频率下进行的点燃可以在寿命期限内提供甚至更高的HID灯性能。但是，已知的是在HID灯上的高频率操作可以导致声共振。声共振典型地可以导致光输出的闪烁。在IOOkHz以上，大部分的灯可以在没有声共振的情况下操作。用于在高频率下消除石英HID灯中的声共振的一种已知方式可以是通过实现施加于高频操作波形上的低频调制。
[0007]因而，所需要的是具有用于在性能最小程度的劣化且没有声共振的情况下在长寿命期限内于高频率可靠地点燃和操作陶瓷HID灯14的系统和方法。术语“内孔”24在下文指的是在毛细管25内的且在密封物22的附近的空心部分。术语“近端”在此指的是电极20和/或毛细管25的凸出到电弧室28之内的末端。本文所使用的术语“远端”指的是电极20和/或毛细管25的离电弧室28的中心较远的外端部。
[0008]本文所使用的术语“峰压”指的是绝对值峰压。
[0009]本文在HID灯的高频率的正常操作的背景下所使用的术语“高频”指的是大约或大于IOOkHz的操作。
[0010]本文在HID灯的低频率的正常操作的背景下所使用的术语“低频”指的是在量级为400Hz或以下的频率下的操作。
【发明内容】
[0011]根据本发明的特征，本发明提供用于陶瓷高强度放电(HID)灯的点燃和操作的高频镇流器。陶瓷HID灯包括电弧室以及各自于其各自近端处连接至电弧室的两个毛细管。两个电极通过在毛细管的远端附近的各自密封物而被分别密封于毛细管内。电极自密封物起延伸穿过毛细管中的各自内孔，并且在毛细管的近端处凸出到电弧室之内。高频镇流器包括:具有输出端子的逆变器电路、与输出端子连接的点燃电路。HID的电极适合于连接至镇流器的输出端子。点燃电路通过微处理器来配置以对陶瓷HID灯的电极施加多个预点燃电压脉冲。预点燃电压脉冲可以具有50-200毫秒的时间周期。预点燃电压脉冲典型地具有2000-4000伏的峰值电压以及100-500kHz的频率。点燃电路可以通过微处理器来配置用于限制预点燃电压脉冲的持续时间，以避免在包围电极的毛细管的内孔中引起电弧。点燃电路可以在预点燃脉冲期间通过微处理器来配置，以瞬时点燃陶瓷HID灯并由此促使显著的电流瞬时流过。在预点燃脉冲期间，电弧(若产生)基本上只在电极的近端之间。
[0012]点燃电路通过微处理器来配置以仅在电极由预点燃脉冲充分加热之后才施加最终的点燃脉冲和完全的操作，以避免在最终的点燃脉冲期间于引起毛细管的内孔中引起电弧。
[0013]逆变器电路可以被配置用于给电极施加操作电压，同时在低频波形与高频波形之间交替或者在零电压时间间隔与高频波形之间交替。高频波形的持续时间与低频波形(或零电压)的持续时间之比被选择为8:1?12:1。
[0014]根据本发明的特征，本发明提供用于陶瓷高强度放电(HID)灯的点燃的方法。陶瓷HID灯包括电弧室以及各自于其各自近端处连接至电弧室的两个毛细管。两个电极通过在毛细管的远端附近的各自密封物而被分别密封于毛细管内。电极自密封物起延伸穿过毛细管中的各自内孔，并且在毛细管的近端处凸出到电弧室之内。方法包括对电极施加多个预点燃电压脉冲，适合于避免在包围电极的毛细管的内孔中引起电弧。预点燃脉冲PIP可以瞬时点燃陶瓷HID灯并且导致显著的电流瞬时流过。在预点燃脉冲期间，电弧可以被形成，但是基本上只在电极的近端之间而不是在孔内。点燃电路通过微处理器来配置以对电极施加3?10个预点燃脉冲，每个预点燃脉冲随后是基本上为零电压的0.5-1.5秒的时间延迟。预点燃脉冲的持续时间通过停止预点燃脉冲来限制，以避免在包围电极的毛细管的内孔中引起电弧。预点燃电压脉冲可以具有50-200毫秒的时间周期。预点燃电压脉冲典型地具有2000-4000伏的峰值电压以及100-500kHz的频率。预点燃电压脉冲可以在正常操作之前加热电极以避免在包围电极的毛细管的内孔中引起电弧。预点燃电压脉冲可以被配置用于具有足够短的持续时间，以避免在包围电极的毛细管的内孔中引起电弧。作为选择或除此之外，预点燃脉冲是电流受限的，以避免在包围电极的毛细管的内孔中引起电弧。
[0015]点燃电路被配置用于随预点燃电压脉冲之后施加最终点燃脉冲，以在电弧基本上仅于电极的近端之间的情况下点燃HID灯。随最终点燃脉冲之后，HID灯以在高频波形与低频波形之间交替的或者在高频波形与基本上为零电压的时间间隔之间交替的操作电压来操作。高频波形的持续时间与低频波形的持续时间之比被选择用于消除在HID灯中的声共振。高频波形的持续时间与低频波形的持续时间之比典型地被选择为8:1?12:1。
[0016]根据本发明的特征，本发明提供用于高强度放电灯的高频率的操作的方法。方法包括对电极施加操作电压，同时在低频波形与高频波形之间交替或者同时在基本上为零电压的时间间隔与高频波形之间交替。高频波形的持续时间与低频波形的持续时间之比被选择用于消除在HID灯中的声共振。高频波形的持续时间与低频波形的持续时间之比典型地被选择为8:1?12:1。
[0017]上述方面和/或其它方面根据下面的详细描述在结合附图来考虑时将变得明显。【专利附图】
【附图说明】
[0018]本发明在此参照附图以举例(仅作示例)的方式来描述，在附图中:
[0019]图1示出了根据本发明的特征的用于操作陶瓷高强度放电(HID)灯的高频镇流器电路；
[0020]图2示出了根据常规技术的陶瓷HID灯的俯视截面图。
[0021]图3a和3b分别示意性地示出了根据本发明的特征的点燃波形和方法。
[0022]图4a和4b分别示出了根据本发明的特征的正常操作波形和方法。
【具体实施方式】
[0023]现在将详细地参考本发明的实施例，这些实施例的实例在附图中示出，在所有附图中相同的参考数字指示相同的元件。下面将参照附图来描述实施例以解释本发明。
[0024]在详细地描述本发明的实施例之前，应当理解，本发明在其应用中并不限制于在下面的描述中阐明的或者在附图中示出的设计细节和构件布局。本发明能够有其它实施例或者能够以各种方式来实施或实现。此外，还应当理解，本文所采用的词组和术语是为了描述的目的，而不应当被看作是限制。
[0025]作为引入，本发明的实施例涉及用于在高频率下点燃和操作陶瓷HID灯14的且使陶瓷高强度放电(HID)灯的工作寿命延长的系统和方法。特别地，使用如同石英HID灯的常规点燃方法对陶瓷HID灯14施加，对该灯施加高频点燃脉冲。但是，使用常规的点燃方法，电弧形成通常不会在点燃脉冲开始之后的灯正在升温的数秒内发生。在升温时段(例如，5-10秒)内，等离子体形成、闪光和/或产生电弧会在电极20的尖端之间的电弧形成之前发生于电极20周围的内孔24中。在点燃之前于内孔24中的等离子体和/或电弧会导致对灯14的长期可靠性有害的众多影响。这些影响可以包括对毛细管25和密封物22的加热，该加热会导致热温度梯度及破裂和/或有差异的热膨胀；来自所形成的等离子体中的活性金属离子的侵蚀以及在电极20和/或密封物22的溅射。[0026]已经发现，对石英HID灯施加的常规的高频点燃会由于在电极20周围的内孔24中的等离子体和/或电弧形成而导致陶瓷HID灯14具有短的寿命。
[0027]本发明的另一个特征涉及在点燃之后于HID灯的操作期间消除声共振。
[0028]现在参照附图，图1示出了根据本发明的一种实施例的镇流器电路10。镇流器电路10具有与交变电流(AC)电源2连接的输入以及与高强度放电(HID)灯14连接的输出端子11。高强度放电(HID)灯14连接至AC输出端子11。整流器4具有来自主电力的输入，典型为频率为60/50HZ的120/240的均方根(RMS)交变电流(AC)电压。整流器4对主电力进行整流以产生被输入功率因数校正(PFC)电路6之内的直流(DC)输出。PFC6的DC输出连接至逆变器电路8的输入；逆变器8可以是用于产生用于HID灯14的正常操作的受控AC电流输出的“半桥”或“全桥”逆变器电路。点燃电路12并行连接至AC输出端子11。微处理器16经由控制线在操作上连接至PFC6、逆变器8和点燃电路12。可任选地，微处理器16执行对点燃电路12和逆变器电路8的监测。微处理器16被编程用于控制根据在附图中详细给出的本发明的特征的镇流器电路10。
[0029]现在参照图3a和3b，分别示意性地示出了根据本发明的特征的涉及消除在HID陶瓷灯14的内孔24中的电弧产生的点燃波形30和方法301。在步骤303中，预点燃脉冲PIP由镇流器10施加于电极20两端。典型地，可以存在施加于电极20的3-10个预点燃脉冲PIP0图3a示出了施加于电极20的5个预点燃脉冲PIP。预点燃脉冲PIP具有典型正弦的波形，包括50-200毫秒的脉冲宽度Tl(典型为大约100毫秒)，2000-4000伏的峰值电压(典型为3200伏)以及100-500kHz的频率(典型为大约300kHz)。每个预点燃脉冲PIP随后是施加于电极20的基本上为零电压的0.5-1.5秒的时间延迟T2。(在图3a中的时间并没有按比例示出)。在预点燃脉冲PIP被施加之后，点燃脉冲IP被施加(步骤305)。点燃脉冲IP具有4000伏的峰值电压以及100-500kHz的频率，典型为300kHz，达800-1500毫秒的周期T3。施加于电极20的点燃脉冲IP典型地促使陶瓷HID灯14被点燃。一旦灯14被点燃，则通过对电极20施加操作电压和电流来继续进行在步骤307中的灯14的正常操作。
[0030]据发现，当预点燃脉冲PIP被施加(步骤303)时，电极20在没有于内孔24中导致电弧的情况下加热。根据方法301的特征，点燃(步骤305)仅在电弧于点燃脉冲IP的施加期间出现于电极20的近端尖部之间的情况下发生，在内孔24中没有任何预先可见的闪光和/或产生电弧。
[0031]在本电路的不同实施例中，预点燃脉冲PIP可以使用谐振点燃电路12或者通过非谐振或半谐振点燃电路12来生成。点燃电路12可以被配置以产生预点燃脉冲PIP，该预点燃脉冲PIP以于电极20的近端之间瞬时形成的电弧来瞬时点亮HID灯14并且在内孔24中不产生电弧。作为选择，点燃电路12可以被配置用于产生预点燃脉冲PIP，该预点燃脉冲PIP没有瞬时点亮HID灯14，并且不会导致任何显著的电弧或电流，但是确实会充分地加热电极20以充分避免在点燃脉冲IP和后续的正常操作期间于内孔24的区域内产生电弧。
[0032]现在参照图4a和4b，分别示出根据本发明的特征的正常操作波形40和方法307。波形40和方法307分别针对在灯14的正常操作期间防止灯14内的声共振。
[0033]根据方法307，在步骤401、403中，镇流器20的逆变器电路8对电极20施加高频波形HFW和低频波形LFW的交变波形。作为选择，标记为LFW的时间间隔可以具有基本上为零的电压，使得在操作期间，高频波形HFW与基本上零电压的时间间隔交替。高频波形HFW具有超过IOOkHz的频率(典型为150kHz)，70-250伏的峰峰电压电平(典型为110伏)，并且可以由镇流器10施加于电极20达5-20毫秒的周期，典型为10毫秒。低频脉冲LFW具有IOOHz以上的频率，10伏的峰峰电压电平，并且可以由镇流器10施加于电极20达0.5-2毫秒的周期，典型为I毫秒。每个低频脉冲LFW的周期可以被修改以使灯14获得流畅的且稳定的操作，没有产生任何明显的闪烁。典型地，高频波形与低频波形各自的持续时间之比8:1?12:1 (典型为大约10:1)足以消除因高频率下的声共振所致的闪烁。(时间在图4a中并没有按比例示出)。优选的是使波形HFW和LFW与主电网的频率或者在镇流器10内可获得的其它低频率同步。使用施加于灯14的波形40的方法307在灯14中没有产生闪烁，与确实会在灯14内导致闪烁的施加于灯14的常规的高频镇流器不同。
[0034]陶瓷金属卤化物HID灯的几个模型被测试，通常特别地为250瓦和400瓦:0SRAM制造的“Power BallR?”，由飞利浦照明公司(Philips Lighting)制造的CMH Master Color以及由通用电气公司(GE)制造的Constant Color。类似的灯包括由飞利浦照明公司(Philips Lighting)制造的 “CosmoPolisR?” 以及通用公司(GE)白勺 “StreetwiseR?”。在所有情形中，在6000小时的高频操作(包括每隔11小时的点燃以及I小时的等待)之后，使用根据方法301的镇流器电路18，流明衰减是不明显的并且电极看起来处于良好的工作状态。相比之下，当相同的灯模型使用常规的高频镇流器来测试时，为-25%的显著流明效率被测得并且电极呈现为受损的，并且6个灯中的至少一个由于在内孔24区域中出现的裂缝而未能工作，导致全部金属卤化物气体蒸发。
[0035]本文所使用的不定冠词“一(a)”、“一个(an)”，例如，“一个点燃脉冲”、“一个频率”具有“一个或多个”的意思，即，“一个或多个点燃脉冲”或者“一种或多种频率”。
[0036]虽然已经示出并描述了本发明所选择的实施例，但是应当理解，本发明并不限制于所描述的实施例。相反地，应当意识到，在不脱离本发明的原理的情况下可以对这些实施例进行修改，本发明的范围由权利要求书及其等价物所界定。
【权利要求】
1.一种用于陶瓷高强度放电HID灯的点燃和操作的高频镇流器，所述陶瓷HID灯包括电弧室以及各自在所述毛细管的各自近端处连接至所述电弧室的两个毛细管，各自通过在所述毛细管的所述远端附近的各自密封物密封于所述毛细管内的两个电极，其中所述电极自所述密封物延伸穿过所述毛细管中的各自内孔并且在所述毛细管的所述近端处凸出到所述电弧室内，所述高频镇流器包括: 具有输出端子的逆变器电路；以及 与所述输出端子连接的点燃电路，其中所述电极适合于连接至所述输出端子； 其中所述点燃电路通 过所述微处理器来配置以给所述电极施加多个预点燃电压脉冲； 其中所述点燃电路在所述预点燃脉冲期间通过所述微处理器来配置以瞬时点燃所述陶瓷HID灯并且由此导致瞬时流过的显著电流，其中在所述预点燃脉冲期间，电弧基本上仅在所述电极的所述近端之间产生， 其中所述点燃电路通过所述微处理器来配置以仅在所述电极由所述预点燃脉冲充分加热之后才施加最终点燃脉冲并且操作所述灯，以避免在所述最终点燃脉冲期间于所述毛细管的所述内孔中产生电弧。
2.根据权利要求1所述的高频镇流器，其中所述预点燃电压脉冲具有50-200毫秒的时间周期。
3.根据权利要求1所述的高频镇流器，其中所述预点燃电压脉冲具有2000-4000伏的峰值电压。
4.根据权利要求1所述的高频镇流器，其中所述预点燃电压脉冲具有100-500kHz的频率。
5.根据权利要求1所述的高频镇流器，其中所述点燃电路通过所述微处理器来配置以给所述电极施加3~10个预点燃脉冲。
6.根据权利要求5所述的高频镇流器，其中每个预点燃脉冲随后是基本上为零电压的0.5-1.5秒的时间延迟。
7.根据权利要求1所述的高频镇流器，其中所述点燃电路通过所述微处理器来配置以限制所述预点燃电压脉冲的持续时间，以避免在包围所述电极的所述毛细管的所述内孔中产生电弧。
8.根据权利要求1所述的高频镇流器，其中所述逆变器电路被配置以给所述电极施加操作电压，而在低频波形与高频波形之间交替。
9.根据权利要求1所述的高频镇流器，其中所述逆变器电路被配置以给所述电极施加操作电压，而在零电压与高频波形之间交替。
10.根据权利要求8所述的高频镇流器，其中所述高频波形的持续时间与所述低频波形的持续时间之比被选择为8:1~12:1。
11.一种用于陶瓷高强度放电HID灯的点燃的方法，其中所述HID灯包括电弧室以及各自在各自的近端处连接至所述电弧室的两个毛细管，各自通过在所述毛细管的远端附近的各自密封物密封于所述毛细管内的两个电极，其中所述电极自所述密封物延伸穿过所述毛细管中的各自内孔并且在所述毛细管的所述近端处凸出到所述电弧室内，所述方法包括以下步骤:通过瞬时点燃所述陶瓷HID灯由此导致显著的电流瞬时流过，而对所述电极施加适合于避免在包围所述电极的所述毛细管的所述内孔中产生电弧的多个预点燃电压脉冲，由此在所述预点燃脉冲期间基本上仅在所述电极的所述近端之间形成电弧；以及 在施加所述预点燃电压脉冲之后，仅在所述电极由所述预点燃脉冲充分加热之后施加最终点燃脉冲以操作所述灯，以避免在所述最终点燃脉冲期间于所述毛细管的所述内孔中产生电弧。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括: 通过停止所述预点燃脉冲来限制所述预点燃脉冲的持续时间，以避免在包围所述电极的所述毛细管的所述内孔中产生电弧。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述预点燃电压脉冲具有50-200毫秒的时间周期。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述预点燃电压脉冲具有2000-4000伏的峰值电压。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述预点燃电压脉冲具有100-500kHz的频率。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括: 在正常操作之前加热所述电极，由此避免在包围所述电极的所述毛细管的所述内孔中产生电弧，其中所述加热由所述预点燃脉冲执行。
17.根据权利要求11所述的方法，其中所述预点燃电压脉冲被配置为具有足够短的持续时间以避免在包围所述电极的所述毛细管的所述内孔中产生电弧。
18.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤: 对所述预点燃脉冲进行电流限制，以避免在包围所述电极的所述毛细管的所述内孔中产生电弧。
19.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤: 在施加所述预点燃电压脉冲之后，施加所述最终点燃脉冲以点燃所述HID灯，其中电弧基本上只在所述电极的所述近端之间。
20.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤: 在所述最终点燃脉冲之后，以在高频波形与低频波形之间交替的操作电压来操作所述HID 灯。
【文档编号】H05B41/36GK103947299SQ201280035430
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年5月14日 优先权日:2011年5月17日
【发明者】D·拉普森 申请人:环保技术绿色解决方案(2009)有限公司