專利名稱：放電燈中垂直分層的減少的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于高亮度氣體放電燈的鎮(zhèn)流器。更具體地說，涉及通過使用輸入電源的順序激勵或與振幅調(diào)制相結(jié)合地使用頻率掃描，使高亮度氣體放電燈中垂直顏色分層(segregation)減少。
放電燈以脈沖方式操作，如美國專利US4904903所示。該專利教導(dǎo)了操作熒光汞蒸汽、鈉和金屬鹵化物(MH)燈的方法，以便在波周期的一部分使輸入電、周期性地選通。這種脈沖式的操作可有效地減少不期望的電磁和無線電干擾發(fā)射。利用脈沖技術(shù)的高亮度放電(HID)燈的顏色控制也是眾所周知的，例如美國專利US4137484、4839565和4963796所示。日本專利第432153號教導(dǎo)了利用外部溫度調(diào)節(jié)來控制放電燈的顏色。其它顏色控制方法包括內(nèi)部溫度調(diào)節(jié)技術(shù)和改變放電管中的鹽。
放電燈操作中的主要問題之一是因?qū)α鳉怏w流動引起的放電管內(nèi)電弧的變形。已提出使電弧穩(wěn)定和集中的技術(shù)。美國專利US5134345展示了避免會引起不穩(wěn)定現(xiàn)象的聲頻的方法。該專利方法教導(dǎo)了電弧不穩(wěn)定性的檢測、和改變引起這種不穩(wěn)定性的驅(qū)動頻率。
在美國專利US5306987中，展示了一種調(diào)制驅(qū)動信號頻率的電弧穩(wěn)定技術(shù)?？刂品烹姛糁须娀〉念愃品椒ㄕ故居诿绹鴮＠鸘S5198727中。按照該方法，由驅(qū)動信號頻率引起的“聲混亂(acousticperturbations)”使電弧集中。聲混亂強迫氣體或蒸汽移動圖形抗重力引起的對流。
美國專利US5684367披露了通過高頻信號的振幅調(diào)制和使燈脈動來控制HID燈中電弧不穩(wěn)定的方法，該方法可用于改變燈的顏色特性。
在過去的五年中已生產(chǎn)具有陶瓷(多晶硅氧化鋁)外殼的高亮度放電燈的新品種。例如New Jersey的Sonerset的菲利浦照明公司出售了這樣的陶瓷放電金屬鹵化物(CDM)燈，其商標為MASTERCOLORTM。放電外殼是圓柱形的，縱橫比即內(nèi)部長度(IL)除內(nèi)徑(ID)接近于一。開發(fā)了至少一種具有這樣的非常大縱橫比的新型圓柱形燈。這種新燈具有期望的較高效率性能，但它們有在垂直和水平操作中具有不同顏色特性的缺點。特別是，在垂直操作中，發(fā)生顏色分層。把電弧的圖像投影到屏幕上表明，電弧的底部呈現(xiàn)粉紅色而頂部看起來象綠色。這是由于放電中的金屬原子添加物沒有完全混合。在放電的上部，有太多的鉈發(fā)射和不充分的鈉發(fā)射。垂直分層的結(jié)果是，與水平操作相比燈有較高的色溫，并會降低效率。
本發(fā)明的一個目的在于提供用于高亮度放電燈的改進的鎮(zhèn)流器。
本發(fā)明的另一個目的在于減少高亮度放電燈中的垂直顏色分層。
通過本發(fā)明的第一方案可獲得這些和其它目的，其中，通過與振幅調(diào)制結(jié)合，在掃描時間內(nèi)進行電流頻率掃描，來操作高亮度放電燈。對于這種操作的典型參數(shù)是在10毫秒的掃描時間內(nèi)從45kHz到55kHz的電流頻率掃描，24.5kHz的恒定振幅調(diào)制頻率和0.24的調(diào)制指數(shù)。調(diào)制指數(shù)規(guī)定為(Vmax-Vmin)/(Vmax+Vmin)，其中Vmax是振幅調(diào)制器包跡的最大峰到峰電壓，Vmin是振幅調(diào)制器包跡的最小峰到峰電壓。45kHz到55kHz的該頻率范圍在第一方位聲共振模式與第一徑向聲共振模式之間。聲共振的定義-對于圓柱形燈來說，第一方位模式的電源頻率等于1.84*Cr/π*D，其中Cr是徑向平面中聲音的平均速度，D是燈的內(nèi)徑。
第一徑向聲共振模式的電源頻率等于3.83*Cr/B*D，其中Cr是徑向平面中聲音的平均速度，和D是燈的內(nèi)徑。
通過本發(fā)明的第二方案同樣可實現(xiàn)這些和其它目的，其中利用固定的電流頻率正弦波及時跟隨掃描頻率(電流)正弦波，相應(yīng)地接近縱向聲音模式的電源頻率的一半，該順序被連續(xù)地重復(fù)。
根據(jù)下列描述和權(quán)利要求書以及附圖，本發(fā)明的進一步的目的和優(yōu)點將變得更加清楚，其中

圖1A是本發(fā)明的第一方案的方框圖，和圖1B是展示與振幅調(diào)制結(jié)合的頻率掃描的時序圖。
圖2A是本發(fā)明的第二方案的方框圖，和圖2B是展示包括隨后跟有固定頻率周期的頻率掃描周期的順序激勵的時序圖。
下面參照附圖詳細說明，在所有的這幾幅圖中相同的數(shù)字表示相同的元件，圖1A和1B展示本發(fā)明中與振幅調(diào)制結(jié)合的頻率掃描的形態(tài)。
輸入電源線10提供電力，其具有以鋸齒圖形(也可以是按照本發(fā)明的其它圖形)的每10毫秒從45kHz到55kHz的掃描頻率，如附圖的時序圖中所示。該輸入電源線10到達調(diào)制器14的輸入端12。通過調(diào)制器14的輸入端16，調(diào)制器14還接收24.5kHz、A=0.24的放大的調(diào)制信號，從而在調(diào)制器14的輸出端18上提供所獲得的電源輸出，供給高亮度放電燈20。從45kHz到55kHz的該頻率范圍在第一方位的聲共振模式與第一徑向聲共振模式之間。盡管在45kHz到55kHz之間有附加的聲共振模式，但頻率掃描也足夠快和諧振足夠弱，從而使得燈穩(wěn)定。用約40kHz到約70kHz之間范圍內(nèi)的10kHz頻率掃描可獲得穩(wěn)定的燈操作。由于第一方位的聲共振模式和第一徑向聲共振模式的頻率僅取決于直徑，因而該頻率范圍也可使具有其它長度的4mmID燈工作。雖然在高頻下可觀察到穩(wěn)定的燈操作，但顏色性能與在低頻(＜500Hz)下觀察的情況非常類似，并且還存在垂直分層。
高頻優(yōu)于低頻的一個優(yōu)點是，通過弱聲共振的水平操作掃描使電極之間的電弧變直。由于對流，一般低頻的電弧上撓。
當電弧上撓時，電弧管的上壁溫度較高，導(dǎo)致電弧管管殼更迅速地軟化。
當燈以當前頻率x操作時，電源頻率為2x。對于激勵聲共振來說這是重要的電源頻率。可由下式從數(shù)學(xué)上表示當前頻率的振幅調(diào)制cos(x)*[1+A*cos(y)]，其中y是振幅調(diào)制的頻率，A是調(diào)制指數(shù)(A＜1)。對振幅調(diào)制信號平方，獲得電源頻譜并僅保持項A，在2x、2x+y、2x-y和y獲得電源頻率。在y的電源是在2x+y或2x-y的電源的兩倍。如果頻率掃描，那么按照本發(fā)明，跟隨者在2x+y或2x-y也將掃描(例如2x+2νx+y)，但在y的電源頻率保持固定。如圖1B所示，振幅調(diào)制頻率在24.5kHz，并在那個值產(chǎn)生固定電源頻率。振幅調(diào)制頻率y必須低于當前頻率x。
縱向聲共振模式可使金屬鹵化物在燈軸方向上移動。第nth縱向模式的電源頻率等于n*C1/2*L，其中n是模式數(shù)，C1是軸向平面中聲音的平均速度，L是燈的內(nèi)部長度。作為實例，當39W5×6CDM燈在約67kHz的電源頻率下垂直取向地操作時，液體金屬鹵化物的冷凝物從其在燈底部的正常位置移動到底部上所述長度的大約1/3位置處。67kHz的頻率相應(yīng)于第二徑向聲頻模式。
不同瓦數(shù)和縱橫比比1大得多的圓柱形燈在高頻掃描下垂直操作。燈是穩(wěn)定的，但呈現(xiàn)垂直顏色分層。內(nèi)裝大量汞的相同尺寸的燈其分層更嚴重。振幅調(diào)制高頻掃描對燈的顏色性能有驚人的作用。顏色分層明顯減少，色溫降低(反映在放電的頂部中鈉發(fā)射增加)和效率提高。在減少顏色分層中最有效的振幅調(diào)制頻率相應(yīng)于第二縱向模式。在第二縱向模式的約1/2頻率的第一縱向模式在減少顏色分層上不太有效。通過在小頻率范圍掃描振幅調(diào)制頻率，可處理因相同尺寸和汞量的燈中的公差引起的第二縱向模式頻率中的小差別。
對于不同尺寸的燈，第二縱向模式的頻率容易測量或預(yù)知。因而，能夠可靠地確定通過振幅調(diào)制來減少垂直分層所需要的頻率。由此，頻率信息振幅調(diào)制被成功地用于減少不同尺寸和瓦特的Masterflux燈中的顏色分層。
進行實驗，用疊加有高頻正弦波的低頻(500Hz)方波驅(qū)動器操作燈來減少垂直分層。改變正弦波的頻率，約為第二和第一縱向模式的頻率。盡管高頻正弦波激勵第二(或第一)縱向模式，但與上述振幅調(diào)制相比，顏色分層的減少較低。更重要的是，當高頻正弦波的振幅增加太多時，電弧在底部電極附近的電弧管側(cè)畸變。如果高頻正弦波電壓沒有明顯減小或改變頻率，那么電弧管必然過熱和破裂。由于振幅調(diào)制太高，因而激勵第二縱向模式的電平是可能的，電弧保持穩(wěn)定和成直線。
當有振幅調(diào)制時，頻率掃描在穩(wěn)定放電方面是重要的。為了穩(wěn)定操作，燈以具有仔細選擇的頻率的固定高頻操作。盡管通過以第二(和第一)縱向模式的振幅調(diào)制，可減少垂直分層，但在頻率掃描期間相應(yīng)于穩(wěn)定操作的振幅調(diào)制電壓下電弧變得不穩(wěn)定。在另一個離散頻率，與頻率掃描相比，僅可以在減小的振幅調(diào)制電壓下穩(wěn)定操作。當燈被頻率掃描時，較弱地激勵方位縱向組合模式。這些模式有助于使電弧穩(wěn)定，而振幅調(diào)制強烈激勵純縱向模式。
如圖2A和2B中所示，輸入線10同樣地提供電源，伴隨的時序圖表示在10毫秒的周期中，在第一7.5毫秒期間從45kHz到55kHz的頻率掃描，然后在2.5毫秒降到12.3kHz。然后重復(fù)該循環(huán)。這是順序激勵。該電源提供給燈泡20，典型地不需要振幅調(diào)制。
利用本發(fā)明第二方案的順序激勵，掃描電流頻率可與結(jié)合圖1A和1B所述的相同?？墒?，激勵縱向模式所需的固定頻率為振幅調(diào)制所要求的頻率的一半(注意12.3kHz約為第一方案的24.5kHz的調(diào)制頻率的一半)。順序激勵的電源頻率為掃描頻率的兩倍，和固定電流頻率的兩倍。例如，當頻率掃描期間電流頻率從45kHz到55kHz時，電源頻率為90kHz到110kHz。當固定電流頻率是12.3kHz時，固定電源頻率就為24.6kHz。這些是與利用振幅調(diào)制獲得的相同電源頻率。在振幅調(diào)制(第一方案)上順序激勵(第二方案)的一個優(yōu)點是，利用振幅調(diào)制，可激勵刪除的聲共振的附加電源頻率。這些附加的電源頻率以兩倍的瞬間掃描頻率加和減調(diào)制頻率(例如，2x+2νx+y；2x+2νx-y)產(chǎn)生。利用順序激勵，對于固定頻率，占空度或接通時間是可變的，以用模擬電源來放大振幅調(diào)制。
順序激勵和振幅調(diào)制利用以穩(wěn)定方式操作燈的電源頻率和以接近縱向聲音模式的固定電源頻率。由電流和電壓波形之積的頻率依賴性確定電源頻率。本公開包括可產(chǎn)生以穩(wěn)定方式操作燈的電源頻率和以接近縱向聲音模式的固定電源頻率的其它波形。
作為產(chǎn)生在接近縱向聲音模式的固定電源頻率的變化，另外的固定頻率可在小范圍上改變或掃描(例如在2.5ms周期期間可從約12.3kHz到約12.5kHz或相反地進行掃描)。例如，另外的固定頻率可以變?yōu)樵诘谝还潭l率與第二固定頻率之間，第一和第二固定頻率之差小于1kHz，例如，掃描(45kHz到55kHz)，第一固定頻率(12.3kHz)，掃描(45kHz到55kHz)，第二固定頻率(12.5kHz)，掃描(45kHz到55kHz)，第一固定頻率(12.3kHz)，掃描(45kHz到55kHz)，第二固定頻率(12.5kHz)等。
本發(fā)明兩個方案所給出的參數(shù)是典型的參數(shù)，可以根據(jù)應(yīng)用有所改變。實例1利用從45kHz到55kHz的頻率掃描，使70W、其尺寸或具有40巴的Hg的4mm ID×19mm IL的圓柱形高亮度放電燈垂直工作。在下表中列出具有和不具有振幅調(diào)制的燈的顏色性能振幅調(diào)制 取向 色溫(°K) CRI x y 每瓦流明的效率(LPW)無垂直3873 76.8 .396 .415 112.624％@22.5kHz 垂直2580 87.6 .456 .389 112.0振幅調(diào)制(A=0.24)減小了色溫約1300°K，增加了彩色再現(xiàn)指數(shù)(CRI)10，增加了x顏色坐標和減小了y顏色坐標。第二縱向模式的頻率在大約22.5kHz。
實例2使70W、其尺寸或具有15巴的Hg的4mm ID×19mm IL的圓柱形高亮度放電燈垂直(在10ms中45kHz到55kHz)和水平工作(在10ms中50kHz到60kHz)。在下表中列出其結(jié)果振幅調(diào)制取向 色溫(°K) CRIx y 效率(LPW)無 垂直315168.7 .441 .431 99.424％@22.5kHz垂直267076.9 .462 .411 103.8無 水平282878.5 .450 .408 108.724％@22.5kHz水平278379.7 .456 .414 102.8沒有振幅調(diào)制，在兩個方向上的色溫差約為300°K。在第二縱向模式(25kHz)的振幅調(diào)制垂直操作上減小色溫約500°K，在水平操作上僅減小約50°K，凈結(jié)果是利用振幅調(diào)制，在兩個方向上的色溫差約為100°K。在水平操作中的振幅調(diào)制使一些冷凝物沿?zé)舻拈L度移動到位置1/3和2/3。從電極移開冷凝物對燈的維護有利。
實例3利用在10ms中從45kHz到55kHz的電流頻率掃描，使70W、其尺寸或具有15巴的Hg的4mm ID×19mm IL的圓柱形高亮度放電燈垂直操作。在下表中，對利用掃描與利用順序激勵和振幅調(diào)制的HF的燈的顏色性能進行比較激勵 頻率色溫(°K) CRIxyFM掃描45kHz到55kHz(10ms)3178 69.1 .440 .432FM掃描45kHz到55kHz 2731 77.0 .460 .415+固定頻率(順序)(7.5ms)+12.3kHz(2.5ms)FM掃描45kHz到55kHz(10ms)2670 76.9 .462 .411+AM調(diào)制24％@22.5kHz順序激勵和振幅調(diào)制都產(chǎn)生類似的顏色性能。與掃描的HF相比，單獨的順序激勵和振幅調(diào)制減小了色溫和y顏色坐標，而使彩色再現(xiàn)指數(shù)和x顏色坐標增加。在順序激勵中，12.3kHz的固定電流頻率相應(yīng)于接近第二縱向模式頻率的24.6kHz的電源頻率。利用振幅調(diào)制和時間順序激勵的燈的類似顏色性能清楚地表明，第二縱向模式的激勵減少垂直分層。振幅調(diào)制和時間順序激勵是激勵該縱向模式的兩個不同方式。在大致相同的電源下，利用掃描HF的燈的均方根(rms)電壓為161V，利用順序激勵的燈的均方根電壓為180V。
實例4利用在10ms中從45kHz到55kHz的電流頻率掃描，使70W、其尺寸或具有15巴的Hg的4mm ID×19mm IL的圓柱形高亮度放電燈垂直操作。在下表中列出其結(jié)果激勵 頻率色溫(°K) CRIxyFM掃描 45kHz到55kHz(10ms) 415265.4 .388 .429FM掃描 45kHz到55kHz294478.0 .444 .413+固定頻率 (7.5ms)+(順序) 12.1kHz(2.5ms)僅利用掃描的FM，色溫在4000°K以上，其CRI約為65。用12.1kHz的固定電流頻率順序激勵使色溫降低到3000K以下，其CRI為78。從外表來看，僅掃描FM的燈呈現(xiàn)明顯的顏色分層，冷凝物僅在電弧管的底部。放電底部的四分之一呈現(xiàn)粉紅色，頂部四分之三呈現(xiàn)綠色。由于附加順序激勵，放電的底部五分之四呈現(xiàn)粉紅色和頂部的五分之一呈現(xiàn)綠色，冷凝物在從電弧管底部向上接近四分之一的帶中。粉紅色對應(yīng)于放電中金屬鹵化物添加劑的良好混合，而綠色對應(yīng)于鈉和鏑發(fā)射的不足。
雖然作為減小顏色分層的方法已描述了振幅調(diào)制，但它還可用于制備具有兩種不同色溫的單垂直燈?？色@得高色溫而不需要振幅調(diào)制，通過在鎮(zhèn)流器中激勵振幅調(diào)制，低色溫也是可能的。根據(jù)振幅調(diào)制對色溫的線性，可以生產(chǎn)具有色溫范圍的垂直燈。對于特殊應(yīng)用中的一系列燈，可調(diào)節(jié)振幅調(diào)制的量以使燈之間的色差最小。如果存在簡單方法來監(jiān)視色溫，那么可使用反饋機構(gòu)，通過調(diào)節(jié)振幅調(diào)制量，在燈壽命期間保持色溫恒定。
如同振幅調(diào)制一樣，通過簡單地接通和關(guān)斷固定頻率，順序激勵可用于制備具有兩個不同色溫的單垂直燈。通過改變固定頻率的接通時間，色溫的范圍是可能的。對于特殊應(yīng)用中的一系列燈，可調(diào)節(jié)單燈的順序激勵量，以使燈之間的色差最小?？墒褂梅答仚C構(gòu)，通過調(diào)節(jié)順序激勵的量，在燈壽命期間保持色溫恒定。
本發(fā)明提供的顏色混合的優(yōu)點包括第一，通用的燈操作。燈的光技術(shù)性能在水平和垂直方向上非常相似，僅僅水平方向的期望顏色性能稍有改變。單燈可以對所有方向出售而沒有對燈僅水平取向的限制。第二，第二縱向模式的激勵是普通的，可用于寬范圍的燈-瓦特和尺寸不同的燈。從鎮(zhèn)流器的觀點來看，該方法提供了平臺解決方案。第三，本發(fā)明并不依賴于發(fā)現(xiàn)無諧振窗口，該窗口對燈尺寸或?qū)魤勖行阅艿母淖兎浅ｌ`敏。第四，顏色混合對調(diào)光期間保持良好的顏色性能有利。第五，飽合黃色(R10)和飽合藍色(R12)的彩色再現(xiàn)指數(shù)增加了約30，飽合紅色(R9)的彩色再現(xiàn)指數(shù)增加了約50。這些改進沒有反映在為R1-R8的平均的總彩色再現(xiàn)指數(shù)(CRI)上。
上述特定實施例展示了本發(fā)明的實施?？墒?，應(yīng)該理解，可以使用本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知或本文所披露的其它手段，而不會脫離本發(fā)明的精神或所附權(quán)利要求的范圍。
權(quán)利要求
1．操作高亮度放電燈的裝置，包括振幅調(diào)制器(14)，具有第一輸入端(12)、第二輸入端(16)和輸出端(18)；對所述第一輸入端(12)提供電流的裝置(10)，所述電流在掃描時從第一頻率到第二頻率周期性地掃描；和對所述第二輸入端(16)提供調(diào)制頻率的裝置，其中燈泡(20)接收來自所述輸出(18)的電能。
2．如權(quán)利要求1的裝置，其中所述第一頻率和所述第二頻率限定所述燈泡(20)的第一方位聲共振模式和第一徑向聲共振模式之間的頻率范圍。
3．如權(quán)利要求1或2的裝置，其中所述第一頻率大體等于45kHz和所述第二頻率大體等于55kHz。
4．如權(quán)利要求1-3的裝置，其中所述掃描時間大體等于10毫秒。
5．如權(quán)利要求1、2、3或4的裝置，其中所述調(diào)制頻率大體等于24.5kHz。
6．如權(quán)利要求1、2、3、4或5的裝置，其中所述調(diào)制器具有約為0.24的振幅調(diào)制度。
7．操作高亮度放電燈的裝置，包括對高亮度放電燈提供輸入電源信號的裝置(10)；和在周期期間改變所述輸入電源信號的裝置，所述周期具有第一部分和第二部分，其中輸入電源信號在所述周期的所述第一部分期間從第一頻率到第二頻率掃描，和在所述周期的所述第二部分期間，所述輸入電源信號維持大體恒定的第三頻率。
8．如權(quán)利要求7的裝置，其中所述大體恒定的第三頻率約等于縱向聲音模式的電源頻率的一半。
9．如權(quán)利要求7或8的裝置，其中所述大體恒定的第三頻率約等于12.3kHz。
10．如權(quán)利要求7、8或9的裝置，其中所述第一頻率大體等于45kHz和所述第二頻率大體等于55kHz。
11．如權(quán)利要求7、8、9或10的裝置，其中所述周期的所述第一部分大體等于7.5毫秒和所述周期的所述第二部分大體等于2.5毫秒。
12．如權(quán)利要求7、8、9、10或11的裝置，其中該裝置沒有調(diào)制裝置。
全文摘要
用于減小放電燈的垂直分層的裝置。電流/電壓輸入掃描通過放電燈的第一方位聲共振模式和第一徑向聲共振模式之間的頻率范圍。隨后振幅調(diào)制電流/電壓輸入。另一方面,電流/電壓輸入掃描通過一個周期的第一部分,然后通過周期的第二部分電流/電壓輸入降到相對恒定的頻率。
文檔編號H05B41/292GK1320356SQ00801719
公開日2001年10月31日 申請日期2000年6月8日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月17日
發(fā)明者J·克拉默 申請人:皇家菲利浦電子有限公司