專利名稱：照明系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及權(quán)利要求1的前序部分所述照明系統(tǒng)。本發(fā)明尤其涉及通過低成本地產(chǎn)生燈電壓幅度及有可能的頻率調(diào)制進(jìn)行高壓放電燈的音頻諧振激勵(lì)。
所述的任務(wù)在幅度調(diào)制方面用權(quán)利要求1的前序部分特點(diǎn)通過權(quán)利要求1的特征部分達(dá)到。特別有利的擴(kuò)展，如引入頻率調(diào)制在從屬權(quán)利要求中說明。
高壓放電燈的常規(guī)運(yùn)行(不調(diào)制)按以下的安排工作從饋電電源，例如畜電池或者整流的市電形式的電源，脈沖直流電壓源產(chǎn)生對地電位的工作電壓。把直流電壓源用只在直流電壓源方面選擇的逆變器頻率進(jìn)行脈沖。其中直流電壓源的損耗功率、成本及幾何尺寸起一定作用。在現(xiàn)有技術(shù)中工作電壓基本上是直流電壓。由于所論的燈一般只能用交流電壓工作，工作電壓饋送給逆變器，在其輸出端子上可以分出其中主要是具有逆變器頻率的交流電壓的燈電壓。
根據(jù)本發(fā)明，所述工作電壓不僅有直流成分而且還有交流成分。所述的交流成分起燈電壓的幅度調(diào)制作用。交流成分對直流成分的幅度比例定義調(diào)制度。為了能夠在燈只激勵(lì)所希望的諧振，所述的調(diào)制度應(yīng)當(dāng)高于10％。
幅度調(diào)制采用脈沖直流電壓源。優(yōu)點(diǎn)是由此可以不需要獨(dú)立的調(diào)制裝置。根據(jù)本發(fā)明逆變器頻率選擇得為希望的燈的音頻諧振頻率或者為其n倍，這里n是不等于0的自然數(shù)。從而得到音頻諧振頻率或者其高次諧波的工作電壓幅度調(diào)制。是基波還是高次諧波取決于所希望的等離子體形變。研究表明，激勵(lì)縱波諧振n優(yōu)選2，以避免等離子體離解。
多數(shù)情況下照明系統(tǒng)用市電作饋電電源，其幅度大于所連接的燈的燈電壓。因此通過降壓器實(shí)現(xiàn)脈沖直流電壓源。如果饋電電源的電壓低于燈電壓，相應(yīng)地要采用升壓器。降壓器的工作電壓的平均值也就是其直流成分，公知地取決于降壓器開關(guān)電路的占空比。總體上降壓器在儲能電容器上施加工作電壓，該儲能電容器與降壓扼流圈串聯(lián)。其中，相應(yīng)于現(xiàn)有技術(shù)，降壓開關(guān)電路切換的轉(zhuǎn)換器頻率的尺度確定基本上高于由儲能電容器與降壓扼流圈構(gòu)成的串聯(lián)電路具有的諧振頻率。如果工作電壓的交流成分要盡可能地小的時(shí)候，要爭取得到這樣的尺度。然而根據(jù)本發(fā)明卻要通過工作電壓的交流成分實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制，因此根據(jù)本發(fā)明選擇能夠在轉(zhuǎn)換器頻率進(jìn)行AM諧振的降壓扼流圈和儲能電容器尺度確定。
構(gòu)成AM諧振的AM諧振電路由脈沖直流電壓源的電源內(nèi)阻抗和連接的負(fù)載阻抗組成。前述降壓器中，電源阻抗基本上由降壓扼流圈和與之串聯(lián)的儲能電容器構(gòu)成。負(fù)載阻抗與儲能電容器并聯(lián)。其中負(fù)載阻抗的容性成分加到儲能電容器的容量上。AM諧振電路基本上通過負(fù)載阻抗的電阻性成分衰減，所述的電阻性部分主要地由燈產(chǎn)生。通過AM諧振電路的Q值可以調(diào)節(jié)工作電壓幅度調(diào)制的調(diào)制度。
饋電電源發(fā)出其值也可以用于調(diào)節(jié)幅度調(diào)制的調(diào)制度的饋電電壓。饋電電壓值與工作電壓值的比例確定上述的占空比。點(diǎn)空比又影響調(diào)制度。在1∶1的占空比時(shí)出現(xiàn)最大調(diào)制度，其理論極限為100％。因此，如果脈沖直流電壓源由降壓器實(shí)現(xiàn)并且如果要達(dá)到盡可能高的調(diào)制度，饋電電壓應(yīng)當(dāng)選擇為工作電壓的兩倍。如果要降低調(diào)制度，就從此比例沿任意方向偏離。
通過適當(dāng)?shù)难b置還存在控制調(diào)制度的可能性。調(diào)制度的實(shí)際值方面的信息存在于工作電壓的交流電壓成分中。這可以借助于高通濾波器從工作電壓中得到。最簡單的情況下高通濾波器可以由電容器組成。在比較實(shí)際值與理論值之后，可以借助于控制器把饋電電壓調(diào)節(jié)得達(dá)到對調(diào)制度所希望的理論值。
根據(jù)前述專利文獻(xiàn)US6,184,633(kramer)，需要20kHz至30kHz之間，優(yōu)選地24.5kHz的頻率。
此外根據(jù)本發(fā)明逆變器頻率是不恒定的。相反地，要通過逆變器頻率達(dá)到燈電壓的頻率調(diào)制，如前述專利文獻(xiàn)US6,184,633(kramer)所提出。從而用很低的成本同時(shí)實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制和頻率調(diào)制。
根據(jù)本發(fā)明通過相應(yīng)于所要求的頻率調(diào)制改變逆變器頻率達(dá)到頻率調(diào)制。優(yōu)選地把逆變器實(shí)施為半橋電路。所述半橋基本上由串聯(lián)的上半橋和下半橋組成，可以按逆變器頻率交替地控制上半橋和下半橋。上半橋連接工作電壓而下半橋連接地電位。由此在半橋電路的連接點(diǎn)產(chǎn)生矩形的半橋電壓，其幅度等于工作電壓一半，其頻率為逆變器頻率。
優(yōu)選地逆變器頻率由所謂壓控逆變器(VCO)產(chǎn)生。VCO控制產(chǎn)生半橋電路控制信號的控制電路。VCO的輸出端子發(fā)出與VCO輸入端的VCO控制電壓成比例的逆變器頻率。優(yōu)選地VCO控制電壓是周期性的，并且具有頻率調(diào)制頻率。在適用于根據(jù)本發(fā)明的照明系統(tǒng)運(yùn)行的公知的燈中，頻率調(diào)制頻率優(yōu)選地為約100Hz。這種燈的即時(shí)逆變器頻率的下限值約為40kHz，上限值約為60kHz。由此定義20kHz的頻率離差。
研究表明，對于燈的運(yùn)行逆變器頻率的鋸齒形調(diào)制特性特別有利。因此根據(jù)本發(fā)明VCO在其輸入端由鋸齒波發(fā)生器控制，所述鋸齒波發(fā)生器輸出頻率調(diào)制頻率的鋸齒波電壓。
還可能用微處理器等效地取代VCO和鋸齒波發(fā)生器。這樣就通過相應(yīng)在軟件用微控制器實(shí)現(xiàn)所述的信號波形。
不用矩形波而用正弦驅(qū)動所述燈波往往值得追求的。因此把矩形的半橋電壓有利地饋入濾波扼流圈和濾波電容器的串聯(lián)電路中。通過耦連電容器把燈通過輸出端子與濾波電容連接。耦連電容的作用是抑制半橋電壓的直流成分。濾波扼流圈和濾波電容器構(gòu)成其諧振頻率優(yōu)選地為逆變器頻率數(shù)量級的串聯(lián)諧振電路。從而在燈上得到正弦波電壓。對于濾波電容器電壓表現(xiàn)的諧振過沖電壓可以用于燈的起輝和用于提高燈電壓。
圖3另一個(gè)本發(fā)明所述照明系統(tǒng)的方框圖。
各圖中相同的元件標(biāo)以相同的標(biāo)號。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的燈電壓的時(shí)間特性曲線。這里涉及約180V的燈電壓有效值的70W燈電壓的典型特性曲線。橫軸上示出以微秒(μs)為單位的時(shí)間t，而在豎軸上示出以伏特(V)為單位的電壓UL。基本上曲線形狀是正弦波形，此波形可以通過濾波扼流圈和濾波電容達(dá)到。所示燈電壓的頻率約為50kHz，與逆變器頻率相應(yīng)。在所示的時(shí)間窗中看不到頻率調(diào)制，因?yàn)轭l率調(diào)制的頻率優(yōu)選地在100Hz的范圍內(nèi)。所示的100μs時(shí)間窗內(nèi)逆變器頻率在所示例中改變約100Hz。相應(yīng)地逆變器頻率的周期改變約0.04μs.
在圖1中可以清楚地看到幅度調(diào)制。由于在所選例中逆變器頻率約為轉(zhuǎn)換器頻率的兩倍，所以燈電壓UL的正弦波形特性曲線的每個(gè)第二最大值降低了。所述幅度調(diào)制的調(diào)制度約為25％。
圖2示出本發(fā)明所述照明系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施形式的方框圖。此實(shí)施形式以特別低的成本實(shí)現(xiàn)。
基本上由部件降壓開關(guān)S1、二極管D1、降壓扼流圈L1、儲能電容器C1和矩形波發(fā)生器1細(xì)成的降壓器在電位U0和接地電位M之間從饋電電源饋入供電電壓。降壓電路實(shí)現(xiàn)前述的脈沖直流電壓源。S1和D1串聯(lián)在電位U0和接地電位M之間。S1一般地實(shí)施為半導(dǎo)體開關(guān)管，尤其是MOSFET或者IGBT管。該開關(guān)由矩形波發(fā)生器1控制。由L1和C1組成的串聯(lián)電路與D1并聯(lián)，其中C1連接接地電位M。在C1上產(chǎn)生向后級的逆變器饋送的工作電壓UB。矩形波發(fā)生器1輸出具有轉(zhuǎn)換器頻率的矩形波電壓。在該實(shí)施例中，矩形波發(fā)生器1的矩形波電壓的占空比保持為常數(shù)并且決定工作電壓UB的直流成分。
逆變器根據(jù)本發(fā)明在核心上由半橋?qū)崿F(xiàn)。上半橋開關(guān)S2和下半橋開關(guān)S3的串聯(lián)電路與工作電壓UB并聯(lián)。S2和S3一般地實(shí)施為半導(dǎo)體開關(guān)管，尤其是MOSFET或者IGBT管。為了控制半橋開關(guān)S2和S3，首先準(zhǔn)備鋸齒發(fā)生器2。該發(fā)生器發(fā)出確定逆變器頻率特性曲線的鋸齒波電壓。鋸齒波電壓的頻率確定頻率調(diào)制頻率，鋸齒波電壓的幅度確定燈電壓UB的頻率離差。鋸齒波電壓控制VCO3，所述VCO3向控制電路4輸出頻率與鋸齒波電壓成比例的矩形波電壓?？刂齐娐?實(shí)現(xiàn)半橋開關(guān)S2和S3的控制信號，由此與逆變器頻率同步地導(dǎo)通和截止。以此方式逆變器頻率跟隨鋸齒波電壓特性。由此可以根據(jù)本發(fā)明在半橋開關(guān)S2和S3的連接點(diǎn)相對接地電位M引出幅度和頻率調(diào)制的矩形波電壓。此電壓饋入由濾波扼流圈L2和濾波電容C2組成的串聯(lián)電路。該串聯(lián)電路的諧振頻率在逆變器頻率的數(shù)量級，由此在C2上產(chǎn)生近似正弦波的電壓。與C2并聯(lián)的是由燈Lp和耦連電容器C3組成的串聯(lián)電路。C3的作用是抑制逆變器輸出的電壓中的直流成分。燈Lp通過連接端子J1和J2連接。在燈Lp上施加燈電壓UL。
降壓器的電源阻抗基本上由降壓扼流圈L1和儲能電容器C1構(gòu)成。負(fù)載阻抗基本上由燈Lp代表。電源阻抗和負(fù)載阻抗共同構(gòu)成AM諧振電路，該諧振電路形成AM諧振。根據(jù)本發(fā)明AM諧振于轉(zhuǎn)換器頻率。所示實(shí)施例中盡管L2、C3和C3是負(fù)載阻抗的組成部分，但是卻對AM諧振沒有重要影響。
通過AM諧振電路的Q值可以調(diào)節(jié)工作電壓UB的交流成分幅度。根據(jù)本發(fā)明交流成分的幅度與直流成分的比例確定所希望的燈電壓UL幅度調(diào)制的調(diào)制度。
圖3示出另一個(gè)本發(fā)明所述照明系統(tǒng)的實(shí)施例。與圖2比較增加了C4和C5。由此使逆變器電路對稱。從連接端子J1不僅接出對地電位M的濾波電容器C2，還接出另一個(gè)對工作電位UB的濾波電容器C4。C2和C4的電容量相同。以同樣的方式，從連接端子J2不僅接出對地電位M的耦連電容器C3，還接出另一個(gè)對工作電位UB的耦連電容器C5。C3和C5的電容量相同。通過所述的對稱達(dá)到燈電壓UL對地電位M對稱地變化。研究表明，由此有利于構(gòu)成所希望的燈的音頻諧振。
圖3的逆變器對稱化還可以局限于濾波器C2、C4或者局限于耦連電容器C3、C5。在不對稱的實(shí)施形式中還可以僅有與工作電壓電位UB連接的電容器?？傊畠蓚€(gè)電容器對C2、C4和C3、C5各自至少要有一個(gè)電容器。
另一個(gè)變例的可能性在于對稱地實(shí)施耦連電容器，也就是說有C3和C5.從圖3可見，由C3和C5組成的串聯(lián)電路與儲能電容C1并聯(lián)?？梢园袰3和C5的容量選擇得可以由C3和C5接管C1的功能，從而取消C1。這樣電源阻抗基本上只由降壓扼流圈L1構(gòu)成，而負(fù)載阻抗由燈Lp和耦連電容器C3和C5構(gòu)成。對于AM諧振一般可以略去濾波扼流圈L2和濾波電容C2和C4。
權(quán)利要求
1.照明系統(tǒng)，其具有以下特征用轉(zhuǎn)換器頻率進(jìn)行脈沖直流電壓源和提供工作電壓(UB)，逆變器，由工作電壓(UB)饋電，并且具有輸出端子(J1、J2)，在輸出端子(J1、J2)上加有燈電壓(UL)，高壓放電燈，所述高壓放電燈耦連輸出端子(J1、J2)，并且具有至少一個(gè)音頻諧振頻率，其特征在于，轉(zhuǎn)換器頻率是音頻諧振頻率的n倍，其中n是不等于0的自然數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，所涉及的是縱波諧振的音頻諧振，并且n等于2。
3.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，脈沖直流電壓源涉及降壓器，所述的降壓器發(fā)出工作電壓(UB)，所述工作電壓(UB)取決于降壓開關(guān)(S1)的占空比，其中通過改變占空比確定工作電壓(UB)的直流成分。
4.如權(quán)利要求1或2所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，脈沖直流電壓源涉及升壓器，所述的升壓器發(fā)出工作電壓(UB)，所述工作電壓(UB)取決于升壓開關(guān)(S1)的占空比，其中通過改變占空比確定工作電壓(UB)的直流成分。
5.如以上權(quán)利要求之一所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，脈沖直流電壓源具有電源阻抗，所述電源阻抗與所連接的負(fù)載阻抗一起具有位于逆變器頻率處的AM諧振，所述的負(fù)載阻抗由逆變器和燈構(gòu)成。
6.如以上權(quán)利要求之一所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，將逆變器實(shí)施為半橋，其中用逆變器頻率交替地導(dǎo)通和截止上和下半橋開關(guān)(S2、S3)。
7.如權(quán)利要求6所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，調(diào)制逆變器頻率。
8.如權(quán)利要求7所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，鋸齒波發(fā)生器(2)輸出被饋差到VCO(3)的鋸齒波電壓，所述VCO(3)產(chǎn)生用鋸齒波電壓調(diào)制的逆變器頻率，用之控制半橋開關(guān)(S2、S3)。
9.如以上權(quán)利要求之一所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，轉(zhuǎn)換器頻率在20kHz和30kHz之間，而逆變器頻率在40kHz和60kHz之間。
10.如以上權(quán)利要求之一所述的照明系統(tǒng)，其特征在于，直流電壓源從饋電電壓取得其電能，其中提供把饋電電壓值控制得使工作電壓具有所希望的幅度-調(diào)制度的裝置。
全文摘要
高壓放電燈的照明系統(tǒng)，所述的系統(tǒng)可以產(chǎn)生幅度調(diào)制，有可能也是頻率調(diào)制的燈電壓UL。頻率調(diào)制實(shí)現(xiàn)一種其逆變器頻率受調(diào)制的逆變器。逆變器由脈沖直流電壓源饋電，所述的直流電壓源輸出幅度調(diào)制的工作電壓U0。
文檔編號H05B41/292GK1452445SQ03110448
公開日2003年10月29日 申請日期2003年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月15日
發(fā)明者A·胡伯, H·科斯特勒, W·里默, P·尼德梅爾 申請人:電燈專利信托有限公司