專利名稱：用于操作高壓氣體放電燈的電路裝置和方法
用于操作高壓氣體放電燈的電路裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于操作高壓氣體放電燈的電路裝置和方法。本 發(fā)明還涉及一種具有高壓氣體放電燈的燈單元以及這種電路裝置，并 且涉及一種具有這種燈單元的前燈。
這種高壓氣體放電燈大體包括一個(gè)放電容器，通常設(shè)置在該放電
容器的相對(duì)端處的兩個(gè)電極伸出到該放電容器中，設(shè)置于該放電容器
上的密封部分中的所述電極在連接到輸入導(dǎo)體，通過提供電壓的輸入 導(dǎo)體能夠?qū)暨B接到電路裝置。該放電容器以相對(duì)高的壓力充滿氣
體，通常是惰性氣體或惰性氣體混合物。這種高壓氣體放電燈的典型
例子是MPXL (微功率氙氣)燈。這種燈主要用于車輛前燈。在這種 燈中激發(fā)的電弧產(chǎn)生高溫，實(shí)質(zhì)導(dǎo)致惰性氣體以及例如汞和金屬鹵化 物的混和物的附加物質(zhì)以發(fā)射光。通常由一個(gè)外部封套圍繞該放電容 器，由于在放電容器內(nèi)的電弧中的物理過程，所以在期望的波長(zhǎng)光譜 區(qū)域內(nèi)的光之外必然產(chǎn)生紫外線輻射，該外部封套的目的是吸收紫外 線輻射。 一般通過施加高電壓脈沖，激發(fā)在燈中的電弧。在放電容器 中存在的氣體壓力越高，這種燈的光輸出一般總是越高。然而，氣體 的較高壓力的不利影響是還要求較高的擊穿電壓，即，達(dá)到較高壓力 時(shí)，必須對(duì)燈的電極施加較高電壓以點(diǎn)火(ignite)燈。通常，擊穿電 壓是數(shù)千伏，并且在最近出現(xiàn)的氣體放電燈中，例如是20kV的數(shù)量 級(jí)。 一旦已經(jīng)點(diǎn)火燈，在所謂的"轉(zhuǎn)換"過程中就不得不將其轉(zhuǎn)換到 穩(wěn)態(tài)模式。在轉(zhuǎn)換過程中，將燈的電極加熱到典型的穩(wěn)態(tài)模式的溫度。 為了在轉(zhuǎn)換過程中和在穩(wěn)態(tài)模式中保持電弧，要求一個(gè)相當(dāng)?shù)偷碾?壓。在這種情況下，施加到電極的電壓通常是在對(duì)于轉(zhuǎn)換為數(shù)百伏以 及對(duì)于穩(wěn)態(tài)模式為小于IOO伏的范圍內(nèi)的電壓。
因此，首先要求一個(gè)特定的電路裝置來點(diǎn)火高壓氣體放電燈，并 且隨后不妨礙在穩(wěn)態(tài)模式中的操作。這種電路通常稱為"點(diǎn)火模塊"。
這種電路裝置通常包括兩種不同的電路或子電路裝置。在一方 面，這種電路裝置一般具有點(diǎn)火電路電路裝置(在下文中也簡(jiǎn)稱為"點(diǎn) 火電路，，)，其目的是產(chǎn)生高壓脈沖來點(diǎn)火高壓氣體放電燈。位于點(diǎn) 火電路中的一個(gè)電容器能夠通過兩個(gè)端子連接到電壓供給單元(通常
也稱為"鎮(zhèn)流器")。通過一個(gè)開關(guān)元件，例如火花放電器或可控硅 整流器或半導(dǎo)體開關(guān)元件，該電容器連接到變壓器的初級(jí)線圈，即， 由通過切換有關(guān)的開關(guān)元件在一點(diǎn)處斷開電容器到初級(jí)線圏的連接。
該電路裝置通常還具有燈電路電路裝置(在下文中也筒稱為"燈 電路，，)，其用于轉(zhuǎn)換以及用于高壓氣體放電燈的穩(wěn)態(tài)模式。在這種 燈電路中，高壓氣體放電燈在一側(cè)通過變壓器的次級(jí)線圏連接到用于 與鎮(zhèn)流器連接的一個(gè)端子，并且在另一側(cè)通過所謂的回路導(dǎo)線連接到 用于與鎮(zhèn)流器連接的第二端子，即，高壓變壓器的次級(jí)線團(tuán)與高壓氣 體放電燈串聯(lián)連接。從而高壓氣體放電燈與高壓源(變壓器的次級(jí)線 圏)串聯(lián)連接，并且連接到鎮(zhèn)流器。由于這個(gè)原因，這種電路裝置稱 作"串聯(lián)點(diǎn)火模塊"或"串聯(lián)點(diǎn)火器"。鎮(zhèn)流器是通過這個(gè)燈電路將 在穩(wěn)態(tài)模式中必須的操作電壓提供給高壓氣體放電燈，在這種情況 下，可以將變壓器的次級(jí)線圏簡(jiǎn)單的看作低電阻和低電感的導(dǎo)線長(zhǎng) 度。在這種操作模式中，線圈不執(zhí)行任何特別的功能。
以以下步驟發(fā)生高壓氣體放電燈的點(diǎn)火。在點(diǎn)火電路中的電容器 通過開關(guān)元件與變壓器的初級(jí)線圏并聯(lián)，首先通過鎮(zhèn)流器對(duì)該電容器 充電。在這種情況中，高于那里的特定電壓，開關(guān)元件轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通， 但是如果鎮(zhèn)流器是匹配設(shè)計(jì)的，那么還能夠在給定時(shí)間內(nèi)以它轉(zhuǎn)換為 導(dǎo)通的方式控制它。因此，在當(dāng)前的例子中，由鎮(zhèn)流器預(yù)設(shè)轉(zhuǎn)換電壓， 高于該轉(zhuǎn)換電壓，開關(guān)元件轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通。 一旦在電容器處達(dá)到了給定 電壓，電容器就通過開關(guān)元件向高壓變壓器的初級(jí)線圏放電。電容器 向燈電路中的變壓器的初級(jí)線圏的放電產(chǎn)生了期望的高壓脈沖，該高 壓脈沖隨后使燈點(diǎn)火。 一旦在燈中發(fā)生擊穿，就由鎮(zhèn)流器通過變壓器 的次級(jí)線圏以及通過回路導(dǎo)線給燈提供電能，由此將燈轉(zhuǎn)換到穩(wěn)態(tài)模 式。在穩(wěn)態(tài)模式中，點(diǎn)火電路和相關(guān)組件不執(zhí)行任何另外的功能，直
到燈再次放電。在US5986413中描述了這種電路的一個(gè)例子。
然而，這種設(shè)計(jì)存在的問題在于，由于在該電路裝置中高壓電勢(shì) 非?？斓母淖儯援a(chǎn)生具有僅幾納秒的持續(xù)時(shí)間和數(shù)百伏的幅度的 一個(gè)瞬時(shí)脈沖。在這種情況下在點(diǎn)火模塊的端子處達(dá)到高于IOOOV的 電壓。該瞬時(shí)脈沖還通常稱為"閃信號(hào)(glitch)"。這種閃信號(hào)脈沖 可以在鎮(zhèn)流器的方向上沿著連接線傳播，并且損壞或者完全毀壞鎮(zhèn)流 器或其組件。當(dāng)冷啟動(dòng)燈時(shí)，尤其會(huì)發(fā)生這個(gè)問題。 本發(fā)明的一個(gè)目的是進(jìn)一步開發(fā)在本文開始段落中說明的這種電 路裝置以及方法，由此顯著的降低或很大程度上防止毀壞與該電路裝 置接觸的或位于其附近的其它電氣組件的危險(xiǎn)、以及特別是毀壞鎮(zhèn)流 器的危險(xiǎn)，所述危險(xiǎn)是由在點(diǎn)火期間發(fā)生的高壓電勢(shì)中的快速改變所 導(dǎo)致的。
由在權(quán)利要求1中要求的電路裝置和在權(quán)利要求10中要求的方法
實(shí)現(xiàn)該目的。
為此目的，采用呈空心電感器或棒心電感器形式、具有電感小于
或等于20yH的電感元件，連接在與次級(jí)線團(tuán)相對(duì)的高壓氣體放電燈 的一側(cè)(低壓側(cè))上，即，連接到不與高壓變壓器的次級(jí)線圈連接的 電極。
如以下將更詳細(xì)說明的，在許多高成本的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，閃信 號(hào)脈沖的參數(shù)主要取決于電路裝置中或在電路裝置與周圍之間的寄生 電容。令人驚訝的，在這種情況下還發(fā)現(xiàn)，使用具有小于或等于20 n H的適當(dāng)電感值的簡(jiǎn)單的空心電感器或棒心電感器，充分的降低閃信 號(hào)脈沖，從而可靠地防止對(duì)電壓供給單元的任何損壞。由于電感元件 是空心電感器或棒心電感器，所以確保了即使非常高的電流，這種電 感元件也不進(jìn)入飽和狀態(tài)。由于在高電流時(shí)它們的飽和特性，所以在 另一方面已經(jīng)證明，例如環(huán)形磁心電感器或鐵氧體磁珠(ferrite beads) 的具有閉合磁路的電感元件僅是限制的適用于上述目的，保護(hù)鎮(zhèn)流器 不受閃信號(hào)脈沖的影響。對(duì)于本發(fā)明的目的，"空心電感器，，意味著 任何不填充磁性材料而是簡(jiǎn)單的填充例如空氣或一些其它電介質(zhì)的電 感器，從而使用介電填充物質(zhì)增加介電強(qiáng)度。
還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用具有超過20MH電感的電感元件時(shí)，在高壓氣體 放電燈與空心或棒心電感器之間的導(dǎo)線上的高電壓不會(huì)衰減的足夠 快，從而增加在高壓氣體放電燈的回路導(dǎo)線與燈周圍的其它部件之間 出現(xiàn)跳火(flashover)的可能性，跳火是在點(diǎn)火之后短暫地處于高電 位，跳火可能隨后導(dǎo)致對(duì)機(jī)動(dòng)車輛的前燈反射器涂層的損壞，并且在 前燈系統(tǒng)中導(dǎo)致其它不期望的光學(xué)影響。
從屬權(quán)利要求分別涉及本發(fā)明的特定優(yōu)選實(shí)施例和精煉方案。具 體的，用于操作高壓氣體放電燈的方法也以與在對(duì)應(yīng)于電路裝置的從
屬權(quán)利要求中指定的方式相同的方式實(shí)現(xiàn)。
對(duì)于電感元件的電感，特別優(yōu)選的是小于大約5nH，并且特別優(yōu) 選為lpH。在大量系列實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使是具有小于5nH電感、 并且特別是具有1 電感的空心電感器或棒心電感器，就足以降^氐即 修正閃信號(hào)脈沖，以足夠排除對(duì)鎮(zhèn)流器的損害。另一方面，使用在回 路導(dǎo)線上的這種低電感，在燈中產(chǎn)生的電勢(shì)非?？斓慕档?，從而能夠 可靠的防止在回路導(dǎo)線與周圍部件之間的跳火。
作為電感元件，特別優(yōu)選的是具有高頻鐵氧體棒心的棒心電感 器，因?yàn)檫@種電感元件就其效率而言是最佳的，并且因此能夠^f吏用小 結(jié)構(gòu)外部尺寸的電感器。
基本上，不考慮共用的高壓變壓器，燈電路和點(diǎn)火電路可以是兩 個(gè)單獨(dú)的電路，具有它們各自的用于連接到鎮(zhèn)流器的端子。原則上， 還能夠?qū)γ總€(gè)電路提供其自己的單獨(dú)的鎮(zhèn)流器。然而，對(duì)于電路裝置 特別優(yōu)選的是具有三個(gè)連接到鎮(zhèn)流器的端子，并且在這種情況下這樣 構(gòu)成，在構(gòu)成點(diǎn)火電路電路裝置中，第一端子連接到電容器，并且連 接到變壓器的初級(jí)線團(tuán)，和第二端子連接到電容器的另一端，并且通 過開關(guān)元件連接到初級(jí)線圏的另一側(cè)。在構(gòu)成燈電路電路裝置中，第 一端子隨后通過變壓器的次級(jí)線圈也連接到高壓氣體放電燈的一側(cè)， 即，第一電極，高壓氣體放電燈在另一側(cè)由其第二電極通過所述電感 元件連接到第三端子。這種設(shè)計(jì)與具有單獨(dú)電路的設(shè)計(jì)相比更節(jié)省空 間，并且特別是要求更少的端子。
不管所使用的電路裝置是具有總共四個(gè)電極的兩個(gè)單獨(dú)電路或是 上述優(yōu)選的僅具有三個(gè)電極的電路裝置，在優(yōu)選實(shí)施例中，燈電路裝 置的端子通過限壓元件連接在一起，限壓元件在高電壓時(shí)變?yōu)閷?dǎo)通， 所述限壓元件例如跨越(transil diode ) 二極管或穩(wěn)壓二極管。這種限 壓元件同樣參與在點(diǎn)火之后盡可能快地減少在燈電路的端子之間的高 壓，從而減少鎮(zhèn)流器失效的風(fēng)險(xiǎn)。作為可替換的方案，代替跨越二極 管或穩(wěn)壓二極管，還能夠用于此目的的是適合的電容元件，例如具有 從幾百pF到幾nF電容量的電容器。
基本上，根據(jù)本發(fā)明的電路裝置可以與高壓氣體放電燈分離的構(gòu) 成，并且可以具有適合的端子，高壓氣體放電燈可分離的連接到這些 端子。這意味著隨后能夠從電路裝置中單獨(dú)地替換高壓氣體放電燈。
然而，作為特別優(yōu)選的，使用該電路裝置，高壓氣體放電燈構(gòu)成 燈單元，并且燈單元能夠作為一個(gè)完整的單元裝配到例如機(jī)動(dòng)車輛的 前燈中，并且燈單元還能夠作為共用組件進(jìn)行替換。在這種情況下， 該電路裝置的整體優(yōu)選的包括在高壓氣體放電燈的基座外殼。
這種燈單元通常還稱為"具有整體點(diǎn)火模塊的燈，，。在這種情況 下，根據(jù)本發(fā)明使用的電感元件還優(yōu)選的設(shè)置在基座外殼內(nèi)。在另一 種優(yōu)選的可能變化中，電感元件直接包括在從高壓氣體放電燈的一個(gè) 電極達(dá)到基座外殼的回路導(dǎo)線中，其中該電路裝置的其它組件位于基 座外殼中，所述電極設(shè)置為遠(yuǎn)離基座外殼。
根據(jù)本發(fā)明下面所述的實(shí)施例，將說明本發(fā)明的這些和其它方 面，并且它們是顯而易見的。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的 組件。
在附圖中，


圖1是根據(jù)本發(fā)明的燈布置的第一實(shí)施例的簡(jiǎn)化電路圖，具有獨(dú) 立的點(diǎn)火電路和燈電路。
圖2是本發(fā)明的第二實(shí)施例的簡(jiǎn)化電路圖，具有數(shù)量減少的端子。 圖3是具有高壓氣體放電燈的燈單元和根據(jù)本發(fā)明的電路裝置的
簡(jiǎn)化表示，所述電路裝置包括在高壓氣體放電燈的基座外殼中。
圖4a示意性的表示了在電路裝置與周圍接地之間的寄生電容，以
及示意性的表示了由此導(dǎo)致的在圖2的電路裝置中的閃信號(hào)脈沖傳
圖4b示意性的表示了與變壓器的次級(jí)線圏并聯(lián)的寄生電容，以及 示意性的表示了由此導(dǎo)致的在圖2的電路裝置中的閃信號(hào)脈沖傳播。
圖5示出了在圖2中所示的電路裝置中阻抗作為頻率的函數(shù)的測(cè) 量結(jié)果。
圖6a是出現(xiàn)在與圖2所示類似的常規(guī)電路裝置的端子處的閃信號(hào)
脈沖的示波器描跡。
圖6b是在如圖2所示根據(jù)本發(fā)明利用20yH的棒心電感器調(diào)整了 電路裝置之后，用于與圖6a比較的測(cè)量。
圖6c示出了在如圖2所示根據(jù)本發(fā)明利用2.7jiiH的棒心電感器調(diào) 整了電路裝置之后，用于與圖6a比較的測(cè)量結(jié)果。圖1中所示的根據(jù)本發(fā)明的電路1的實(shí)施例是一個(gè)線路圖
(layout)，其中點(diǎn)火電路3和燈電路4分別具有它們自己的兩個(gè)端子a3、 a4和a^ a2。這意味著，不考慮初級(jí)線團(tuán)Tpi殳置在點(diǎn)火電路3中而次 級(jí)線圏Ts設(shè)置在點(diǎn)火電路4中的變壓器T，作為圖1中的外側(cè)電路的 燈電路4和作為內(nèi)側(cè)電路的點(diǎn)火電路3是彼此完全分開的。因此，這 個(gè)線路圖與圖2中所示的線路圖相比不是很復(fù)雜并且容易理解。
通過端子a^ a2、 a3、 a4，燈電路4和點(diǎn)火電路3分別連接到鎮(zhèn)流 器5。在圖l和圖2中僅以示意的形式示出了鎮(zhèn)流器5。連接在鎮(zhèn)流器 5與高壓氣體放電燈2之間的電路裝置1通常還稱作"點(diǎn)火模塊"。
圖1中的燈電路4大體包括串聯(lián)的高壓變壓器T的次級(jí)線圍Ts和 高壓氣體放電燈2、以及電感元件L，所述電感元件L連接在與次級(jí)線 圈Ts相對(duì)的高壓氣體放電燈2的一側(cè)上。根據(jù)本發(fā)明，該電感元件L 是具有電感小于等于20nH的空心電感器或棒心電感器。還由跨越二 極管D將燈電路4的端子a2連接在一起。如上已經(jīng)提到的，可以 使用具有從幾百pF到幾nF的電容量的電容器代替跨越二極管。
首先連接到點(diǎn)火電路3的端子a3、 a4的是電容器C。與后者并聯(lián) 連接的是電阻器R。在一端，電容器C直接連接到變壓器T的初級(jí)線 圏Tp的第一端子。在另一端，電容器C通過開關(guān)元件連接到初級(jí)線團(tuán) Tp的第二端子，在這種情況下所述開關(guān)元件是火花放電器(SG)。除 了火花放電器SG導(dǎo)致的斷路之外，在某種意義上，電容器C還因此 與變壓器T的初級(jí)線圈Tp并聯(lián)連接。
圖2示出了一種可替換的線路圖，其中對(duì)于兩個(gè)電路，即，對(duì)于 點(diǎn)火電路和燈電路，僅需要三個(gè)端子Xb x2、 x4。將在下文中作為基礎(chǔ) 的內(nèi)容主要是圖2中所示的用于點(diǎn)火模塊的線路圖，但不將本發(fā)明限 制于此。
在這種情況下，在端子A和X4之間形成有點(diǎn)火電路3，通過電容
器C、設(shè)置為與電容器C并聯(lián)連接的電阻器R以及高壓變壓器T的初 級(jí)線團(tuán)Tp以基本上與在圖1中所示的線路圖相同的方式構(gòu)成點(diǎn)火電路 3，其中初級(jí)線圏Tp與所述前兩個(gè)組件(電容器C和電阻器R)并聯(lián)連 接，電容器C通過火花放電器SG再次連接到初級(jí)線圏Tp。
然而，同時(shí)，第一端子A也連接到變壓器T的次級(jí)線圈Ts，另一
方面，后者再次與高壓氣體放電燈2串聯(lián)連接，并且還與根據(jù)本發(fā)明 選擇的電感元件L串聯(lián)連接，從而構(gòu)成燈電路3。通過指向遠(yuǎn)離燈2 的端子，電感元件L在其另一側(cè)連接到端子x2。這種系列的點(diǎn)火模塊
的端子x^ X2、 X4依次連接到鎮(zhèn)流器5。
還是如圖2中所示，是點(diǎn)火模塊的封裝和/或EMC屏蔽S (EMC =電磁兼容性)，其處于地電位M，并且圍繞點(diǎn)火模塊以及燈2。通 常，處于地電位的封裝也出現(xiàn)在圖1所示的實(shí)施例中。
在圖3中以示意的形式示出了包括這種點(diǎn)火模塊和燈的燈單元(具 有整體的點(diǎn)火模塊的燈)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。這里可以看出，高壓氣體放電 燈2大體包括形成放電容器7的內(nèi)封套(envelope)，兩個(gè)電極8、 9 從相對(duì)端伸出到放電容器7。當(dāng)點(diǎn)火燈2時(shí)，在電極8、 9之間發(fā)出火 花，并且隨后在它們之間發(fā)展為電弧。通常包括惰性氣體以及金屬卣 化物與汞的混合物的混合物，位于相對(duì)高壓力的放電容器7中。(與此 同時(shí)，也存在無汞燈。)外封套6包圍放電容器7，尤其是，外封套6 用作屏蔽(screen)，預(yù)防在期望的光輻射之外產(chǎn)生的UV輻射。在外 封套6和放電容器7之間空間優(yōu)選的是真空的、或在低壓或正常環(huán)境 壓力下填充空氣或一些其它氣體或例如惰性氣體混合物的氣體混合 物。
通過環(huán)形裝配配件12，由其在包括于基座外殼13中的基座上的外 封套6，將高壓氣體放電燈2保持在適當(dāng)位置。電路裝置l的組件也位 于這個(gè)基座外殼13中?？梢杂山拥亟饘倨帘伟鼑鸁舻幕?。通過在基 座外殼13中的連接器14，點(diǎn)火模塊1連接到鎮(zhèn)流器(圖3中未示出鎮(zhèn) 流器)。
設(shè)置在臨近于基座的一端的燈2的電極8，通過導(dǎo)線，以圖2中所 示的方式連接到設(shè)置在基座外殼13中的次級(jí)線圈Ts。位于遠(yuǎn)離基座的 一端的電極9連接到回路導(dǎo)線10，回路導(dǎo)線10穿過優(yōu)選陶資材料的電 絕緣管ll返回到基座。在基座外殼13中，如圖2所示，回路導(dǎo)線10 通過以電感小于等于20pH的空心電感器或棒心電感器形式的電感元 件L，連接到端子X2。電感元件L還可以設(shè)置在沿著回路導(dǎo)線IO的任 何期望的位置。特別的，只要所述電感元件L足夠小，電感元件L甚 至能夠設(shè)置在基座外側(cè)或陶瓷外套管11的內(nèi)側(cè)(參見圖3)。例如， 如果電感元件L是具有電感小于5niH的小鐵氧體棒心電感器，這是可
能的。
由于在圖2中所示的系列點(diǎn)火器是根據(jù)本發(fā)明的電路裝置的優(yōu)選 線路圖，所以將參照?qǐng)D2中所示的系列點(diǎn)火器說明該電路裝置的操作 及其存在的問題，確切的說在克服這些問題方面根據(jù)本發(fā)明使用的電 感元件L的作用。此外，下面將以高壓氣體放電燈2是作為優(yōu)選的 MPXL燈為基礎(chǔ)。然而，下面給出的說明還可以以相同的方式應(yīng)用于 圖1中所示的線路圖或類似線路圖，并且還可以應(yīng)用于其他類型的高 壓氣體放電燈。
為了點(diǎn)火燈2，首先通過點(diǎn)火電路3的端子Xi和X4對(duì)電容器C充 電?；鸹ǚ烹娖鱏G以這樣的方法定制，即，在大約800V時(shí)它成為導(dǎo) 通的。這樣的結(jié)果是，充電到約800V的電容器C通過火花放電器SG 放電到變壓器T的初級(jí)線團(tuán)Tp。從而在變壓器的次級(jí)線圏Ts中產(chǎn)生 20kV數(shù)量級(jí)的高壓，并且隨后在點(diǎn)火前，該高壓出現(xiàn)在變壓器T與燈 2之間的高壓路徑上。電感元件L將燈2的另一側(cè)連接到燈的端子x2, 并且在點(diǎn)火前其處于相當(dāng)?shù)偷碾娢弧?br> 通常，由點(diǎn)火脈沖啟動(dòng)燈。如果燈2沒有成功的啟動(dòng)，點(diǎn)火電路3 中的電容器C就再次充電，從而能夠利用另外的點(diǎn)火脈沖啟動(dòng)燈。一 旦在放電容器7中發(fā)生期望的擊穿，燈2本身就能夠認(rèn)為是一個(gè)相對(duì) 低阻抗的電阻器。隨后通過燈電路4，對(duì)燈2施加一個(gè)操作電壓，所述 操作電壓通常用于其驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，例如在幾十與幾百伏之間的方波 電壓。各額定電壓的一半例如可以施加到端子Xi和x2。任何達(dá)到幾百 伏的期望電壓可以施加到點(diǎn)火電路3的笫二端子x4。簡(jiǎn)言之，這個(gè)電 壓不必足夠高以使火花放電氣SG導(dǎo)通。在許多鎮(zhèn)流器中，這個(gè)端子處 于浮動(dòng)電位。在點(diǎn)火模塊中的電阻器R通常是高阻抗，由于安全原因 安裝在電路中，從而抑制來自電容器C的任何可能的剩余電荷，從而
導(dǎo)致在端子X4處保持的電勢(shì)近似等于在端子x4出現(xiàn)的處防止進(jìn)一步產(chǎn)
生不期望的點(diǎn)火脈沖時(shí)的電勢(shì)。
這種線路圖的一個(gè)問題在于，當(dāng)點(diǎn)火高壓氣體放電燈2時(shí)，作為 電勢(shì)從接近20kV到小于幾百伏的非?？焖僮兓慕Y(jié)果，可以在變壓器 T的次級(jí)線圏Ts與燈2之間高壓線上產(chǎn)生非?？旌透叩乃矔r(shí)脈沖，該 瞬時(shí)脈沖具有小于lns的上升時(shí)間、僅幾ns的持續(xù)時(shí)間以及1000伏或
更高的幅值，該瞬時(shí)脈沖通過端子Xh X2和X4進(jìn)入到鎮(zhèn)流器5，并且
可能在那里導(dǎo)致毀壞或破壞。在這種情況下，最受影響的是端子X2。 為了確定引起這種稱為閃信號(hào)脈沖的脈沖精確原因、以及為了發(fā)現(xiàn)對(duì) 該閃信號(hào)脈沖參數(shù)的起作用可能的方法，進(jìn)行了多種不同的測(cè)量，并
且在此期間發(fā)現(xiàn)存在如下的相關(guān)性
除了確定電路裝置1的必不可少的功能的、如圖2所示的組件， 總是具有多個(gè)不能避免的的寄生組件，在某些條件下，它們能夠影響 電路1的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。實(shí)際上多數(shù)這些寄生組件不起任何主要作用，因 為它們的值很低以致于可以忽略它們，但是盡管如此某些寄生組件是 產(chǎn)生閃信號(hào)脈沖的原因。在這種情況下，閃信號(hào)脈沖賴以存在的機(jī)構(gòu) 如下
如上所述，由在變壓器的次級(jí)線圏中感應(yīng)的高壓脈沖點(diǎn)火MPXL 燈2。該高壓脈沖的上升時(shí)間在幾十與幾百納秒之間的范圍內(nèi)。通常， 所述高壓脈沖是正極性。然而這依賴于驅(qū)動(dòng)電路和變壓器T的設(shè)計(jì)。 一旦電壓達(dá)到20kV數(shù)量級(jí)的擊穿值，在燈中就發(fā)生期望的擊穿，并且 點(diǎn)火燈。
在高壓氣體放電燈2的點(diǎn)火過程中，燈的電阻在幾納秒內(nèi)從幾乎 無限大的值變化到相對(duì)低的值。因此，在次級(jí)線圈Ts與燈2之間的高 壓線上的電勢(shì)非?？斓膹慕咏?0kV衰減到小于IOOV的值。產(chǎn)生點(diǎn)火 的高壓脈沖在其中衰減的時(shí)間由燈2中的擊穿過程確定，并且是幾納 秒的時(shí)間。那么在次級(jí)線圏Ts與燈2之間的高壓線(參見圖2)上的 值dU/dt是20kV/2ns^0，〃的數(shù)量級(jí)。由此導(dǎo)致，在高壓線與點(diǎn)火模塊 和屏蔽的其它組件之間的寄生電容非?？斓姆烹姡@樣在到鎮(zhèn)流器5 的連接線中，并且特別是從燈2到端子X2的回路導(dǎo)線10中，產(chǎn)生了相 對(duì)高的電流。由上述過程導(dǎo)致的過流或過壓參數(shù)尤其還取決于所包括 的特定連接線的阻抗。
在該特定實(shí)施例中，發(fā)現(xiàn)實(shí)際上是兩個(gè)寄生電容在導(dǎo)致閃信號(hào)脈 沖方面發(fā)揮主要影響。第一個(gè)電容在圖4a中表示為電容器CPn并且 位于從次級(jí)線圏Ts到燈2的高壓線與點(diǎn)火模塊的屏蔽外殼或周圍接地 S之間。在點(diǎn)火操作前，由點(diǎn)火脈沖對(duì)該寄生電容器CPt充電到燈的點(diǎn) 火電壓。 一旦在燈中發(fā)生擊穿，能夠?qū)?本身認(rèn)為是電路1中的一 個(gè)相對(duì)低電阻的電阻器。電容器CPi充電到高壓，那么電容器CPi的 正充電端由燈2連接到該電路裝置的其它部分。圖4中由箭頭示出了
可能的方向，在這些方向上由電容器CPi導(dǎo)致的閃信號(hào)脈沖能夠傳播
在端子Xh X2、 X4的方向、以及最終傳播在鎮(zhèn)流器5的方向。在這種情 況下，在端子X4上的負(fù)栽是重的。在實(shí)驗(yàn)中證明這個(gè)電容的存在，在實(shí)
驗(yàn)中由一個(gè)附加屏蔽在受懷疑的點(diǎn)處覆蓋點(diǎn)火模塊和燈，在那些點(diǎn)處
可能在高壓電位存在突變電荷。附加屏蔽與常規(guī)屏蔽s電隔離，并且 連接到回路導(dǎo)線，附加屏蔽位于常規(guī)屏蔽s的下面。這一步驟導(dǎo)致閃
信號(hào)脈沖幅值的顯著下降，閃信號(hào)脈沖的極性與變化前端子Xi和X2處
的相同，并且在變化后改變。由此，能夠推斷第二寄生電容存在于點(diǎn) 火模塊的線路圖中。
主要對(duì)閃信號(hào)脈沖負(fù)責(zé)的第二寄生電容是次級(jí)線圏Ts本身的電 容。在圖4b中將這個(gè)電容表示為并聯(lián)于次級(jí)線團(tuán)Ts的電容器CP2。該 電容器CP2在點(diǎn)火脈沖的上升期間同樣也充電到擊穿電壓。在燈2中 擊穿之后，該電容器CP2的正充電端也連接到燈2的回路導(dǎo)線10 (圖 3)。寄生電容器CP2的負(fù)極端(如果點(diǎn)火脈沖是一種正極性；否則電 容器的這端處于正電位)直接連接到端子xl5以及通過電容器C、初 級(jí)線圏TP和火花放電器SG間接連接到端子x4。來自該寄生電容器 CP2的部分能量由跨越二極管D吸收。在移除了跨越二極管D的實(shí)驗(yàn) 中證明了這個(gè)電容的存在。因此，在點(diǎn)火模塊的所有端處觀察到閃信
號(hào)脈沖的幅值顯著增加，在端子Xi和X4處的脈沖極性與端子X2處的極
性相反。
作為兩個(gè)寄生電容CPi、 CP2的影響疊加的結(jié)果產(chǎn)生了實(shí)際的閃信 號(hào)脈沖，在端子X2上的負(fù)栽是重的。在端子^和X4處測(cè)量的脈沖具有
較低的電流和電壓峰值。這能夠從圖6a中看出。圖6a示出了在鎮(zhèn)流 器5與MPLX燈2之間的50m長(zhǎng)、50Q同軸連接電纜上的離燈2大約 20cm的一點(diǎn)處的閃信號(hào)脈沖的示波器描跡， 一個(gè)具有大約20pH電感 的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形磁心鐵氧體電感器裝配在電路裝置中，代替根據(jù)本發(fā)明選 擇的電感元件L。這種環(huán)形磁心鐵氧體電感器用于在燈的穩(wěn)態(tài)操作期 間減少電磁擊穿(disruptions)。這也清楚的表明，由于它們的飽和特 性，這種通常安裝到回路導(dǎo)線以提高EMC特性的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形磁心鐵氧體 電感器不適于防止閃信號(hào)脈沖的問題。特別從圖6a能夠看出的是，在 最重負(fù)荷的端子x2處的電壓值能夠達(dá)到高電平。在這點(diǎn)處的電壓短時(shí) 段內(nèi)能夠容易的超過1000伏的值。
還使用阻抗分析器估測(cè)兩個(gè)寄生電容的大小的和。為此目的，電 路l的端子Xh X2和X4通過50Q的電阻器連接到燈屏蔽。移除燈2的
同時(shí)測(cè)量在變壓器T的次級(jí)線團(tuán)Ts的高壓端與屏蔽S之間的阻抗。圖 5中示出了在達(dá)到500MHz的頻率范圍內(nèi)阻抗測(cè)量的結(jié)果。直線表示 6pF的理想電容器的阻抗。該測(cè)量表明點(diǎn)火器電路裝置1的總寄生電容 是6pF的數(shù)量級(jí)。該6pF的電容與非?？熳兓?013V/s電勢(shì)一起，能 夠?qū)е聰?shù)十A數(shù)量級(jí)的電流脈沖。
在這種情況下，閃信號(hào)脈沖對(duì)于鎮(zhèn)流器5表現(xiàn)出的潛在危險(xiǎn)不僅 取決于最大電流或最大電壓，而且在相當(dāng)大的程度上，取決于脈沖電 流中的上升的值dl/dt，即，特別是取決于上升沿的形狀。
通過在電路中使用具有電感Li的電感元件L (同時(shí)考慮總的擊穿 電容(disruptive capacitance ) Cp )，能夠確保代替快速閃信號(hào)脈沖而 發(fā)生的是具有半周期的諧振
對(duì)于點(diǎn)火電壓U，隨后也產(chǎn)生的最大電流，最大電流的數(shù)值為
這意味著，作為引入根據(jù)本發(fā)明的電感元件的結(jié)果，閃信號(hào)脈沖 的上升沿和幅值能夠這樣控制，即，該脈沖對(duì)鎮(zhèn)流器不具有任何不利 影響，由此確保振動(dòng)比原始閃信號(hào)脈沖慢，并且特別是具有不陡峭的 上升沿。
如果將測(cè)量的6pF看作寄生電容Cp的值，而U-20kV看作點(diǎn)火 電壓，那么由此將得出電感元件L具有電感Li = 20 p H、具有接近35ns 的半周期長(zhǎng)度的脈沖以及接近HA的電流，顯著的低于原始閃信號(hào)脈 沖的值。在圖6b中示出了為此目的進(jìn)行的比較測(cè)量，其中根據(jù)本發(fā)明 使用具有20nH電感的鐵氧體棒心電感器作為電感元件L。與圖6a的 比較表明，在這種情況下，閃信號(hào)脈沖現(xiàn)在是難于辯別的。
圖6c示出了用于比較目的的進(jìn)一步測(cè)量，其中使用具有2.7nH電 感的鐵氧體棒心電感器。該圖清楚的表明，使用這種方法甚至使得閃 信號(hào)脈沖已經(jīng)是顯著小于臨界的。代替閃信號(hào)脈沖而發(fā)生的振動(dòng)的上 升沿基本上是非常淺的坡度。
驅(qū)動(dòng)器電路可以這樣設(shè)計(jì)，使得在燈周期中的諧振具有5到10ns 的半周期，并且不再導(dǎo)致鎮(zhèn)流器故障，這意味著能夠容易的使用甚至1 )iH的空心電感器或棒心電感器作為電感元件L。優(yōu)選的，電感元件 的感應(yīng)率(inductivity)應(yīng)當(dāng)大于大約O.lpH。
與使用20pH空心電感器或棒心電感器時(shí)35ns相比，具有1 ja H 電感的電感器的5到10ns的較快衰減時(shí)間具有顯著的益處，顯著的減 少跳火(flashover)的可能性以及從回路導(dǎo)線到燈周圍內(nèi)存在組件的其 它高壓影響。因此，使用具有小于5MH電感的電感元件是理想的妥協(xié) 方案，其確保閃信號(hào)脈沖可以不毀壞或損壞鎮(zhèn)流器和位于燈周圍內(nèi)的 其它組件。
然而，在這種情況下，必須使用空心電感器或棒心電感器。緊湊 結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)形磁心電感器具有小的閉合磁路，通常是鐵氧體，其以 高電流進(jìn)入飽和。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，磁心電感器失去了它的感應(yīng)特 性，這意味著很大程度上減低了這種電感器的過濾特性。
最后，應(yīng)當(dāng)再次指出的是，在附圖和說明書中實(shí)際示出和說明的 電路和方法僅是描述性的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠在寬的范圍內(nèi) 對(duì)其進(jìn)行改變，但不因此超出本發(fā)明的范圍。特別的，它還能夠不僅 用于根據(jù)本發(fā)明選擇使用的電感器來防止閃信號(hào)脈沖，而且能夠用于
使用一個(gè)或多個(gè)另外的環(huán)形磁心電感器，例如可以在改進(jìn)emc特性之 外使用這些電感器。在這些另外的電感器可以進(jìn)入飽和的情況下，它 們可以具體的具有超過20mH電感，由于它們的飽和特性，這些電感
器將不會(huì)對(duì)閃信號(hào)脈沖有任何影響。
為了完整起見，應(yīng)當(dāng)指出，不定冠詞"一"或"一個(gè)"的使用不 排除超過一次出現(xiàn)相關(guān)的多個(gè)特征的可能。
權(quán)利要求
1、一種用于操作高壓氣體放電燈(2)的電路裝置(1)，-具有點(diǎn)火電路電路裝置(3)，點(diǎn)火電路電路裝置(3)具有能夠通過兩個(gè)端子(a3、a4、x1、x4)連接到電壓供給單元(5)的電容器(C)，該電容器(C)通過開關(guān)元件(SG)與變壓器(T)的初級(jí)線圈(TP)并聯(lián)連接，和-具有燈電路電路裝置(4)，其中高壓氣體放電燈(2)在一側(cè)通過變壓器(T)的次級(jí)線圈(TS)連接到用于連接電壓供給單元(5)的端子(a1、x1)，并且在另一側(cè)通過電感元件(L)連接到用于連接電壓供給單元(5)的第二端子(a2、x2)，電感元件(L)由具有電感等于或小于20μH的空心電感器或棒心電感器構(gòu)成。
2、 如權(quán)利要求1所述的電路裝置，特征在于電感元件(L)的 電感小于大約5nH,并且優(yōu)選的是大約l|iH。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的電路裝置，特征在于電感元件(L)由具有鐵氧體棒心的棒心電感器構(gòu)成。
4、 如權(quán)利要求l到3之一所述的電路裝置，特征在于三個(gè)端子 (Xl、 x2、 x4)連接到電壓供給裝置(5)，-在構(gòu)成點(diǎn)火電路電路裝置(3)中，笫一端子(Xl)連接到電容器 (C)，并且將其并聯(lián)連接到變壓器(T)的初級(jí)線團(tuán)(TP)，和第二 端子(x4)連接到電容器(C)，并且通過開關(guān)元件(SG)將其并聯(lián)連 接到初級(jí)線圈(TP)，以及-在構(gòu)成燈電路電路裝置(4)中，笫一端子(Xl)通過變壓器(T) 的次級(jí)線圏(Ts)連接到高壓氣體放電燈(2)的一側(cè)，高壓氣體放電 燈(2)的另一側(cè)通過電感元件(L)連接到第三端子(x2)。
5、 如權(quán)利要求l到4之一所述的電路裝置，特征在于燈電路電 路裝置(4)的端子a2、 Xl、 x2)通過限壓元件(D)連接在一起。
6、 一種燈單元(15)，具有高壓氣體放電燈(2)以及具有如權(quán) 利要求l到5之一所述的電路裝置。
7、 如權(quán)利要求6所述的燈單元，特征在于電路裝置(5)的整 體引入高壓氣體放電燈(2)的基座外殼(13)中。
8、 如權(quán)利要求6或7所述的燈單元，特征在于電感元件(L) 包括在從高壓氣體放電燈(2)的一個(gè)電極(9)到達(dá)基座外殼(13)的回路導(dǎo)線(10)中，所述電極(9)設(shè)置為遠(yuǎn)離基座外殼U3)。
9、 一種前燈，具有如權(quán)利要求6到8之一所述的燈單元(15)。
10、 一種操作高壓氣體放電燈(2)的方法，誦其中，在穩(wěn)態(tài)模式，電壓供給單元(5)通過燈電路電路裝置(4) 為高壓氣體放電燈(2)提供給定的操作電壓，在燈電路電路裝置(4) 中，高壓氣體放電燈(2)與變壓器(T)的次級(jí)線圏(Ts)串聯(lián)連接， -并且其中，為了點(diǎn)火高壓氣體放電燈(2)，通過對(duì)連接到電壓供 給單元(5)的電容器(C)充電，在次級(jí)線圈(Ts)中感應(yīng)出高壓脈 沖，所述電容器(C)通過開關(guān)元件(SG)與變壓器(T)的初級(jí)線圏 (Tp)并聯(lián)連接，從而形成點(diǎn)火電路電路裝置(3)，-通過空心電感器或棒心電感器(L)，降低了位于電壓供給單元 (5)上的負(fù)載的瞬時(shí)脈沖，所述空心電感器或棒心電感器(L)連接 到燈電路電路裝置(4)中，連接到與次級(jí)線圈(Ts)相對(duì)的高壓氣體 放電燈(2)的一側(cè)，所述空心電感器或棒心電感器(L)與變壓器(T) 的次級(jí)線圏(Ts)以及高壓氣體放電燈(2)串聯(lián)連接，并且所述空心 電感器或棒心電感器(L)具有等于或小于20jiH的電感。
全文摘要
描述一種用于操作高壓氣體放電燈(2)的電路裝置(1)。該電路裝置(1)具有點(diǎn)火電路電路裝置(3)，點(diǎn)火電路電路裝置(3)具有能夠通過兩個(gè)端子(a₃、a₄、x₁、x₂)連接到電壓供給單元(5)的電容器(C)，該電容器(C)通過開關(guān)元件(SG)與變壓器(T)的初級(jí)線圈(T_P)并聯(lián)連接，開關(guān)元件(SG)在高于給定電壓時(shí)變?yōu)閷?dǎo)通。電路裝置(1)還具有燈電路電路裝置(4)，其中高壓氣體放電燈(2)在一側(cè)通過變壓器(T)的次級(jí)線圈(T_S)連接到用于連接電壓供給單元(5)的端子(a₁、x₁)，并且在另一側(cè)通過電感元件連接到用于連接電壓供給單元(5)的第二端子(a₂、x₂)。電感元件(L)由暴露的或封裝在絕緣物質(zhì)中的空心電感器或棒心電感器構(gòu)成，并電感元件(L)具有等于或小于20μH的電感。還描述了一種用于操作高壓氣體放電燈(2)的相應(yīng)方法。
文檔編號(hào)H05B41/04GK101112128SQ200680003501
公開日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2006年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月28日
發(fā)明者A·薩弗利夫, H·韋納特 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司