CN100393179C

CN100393179C - 对气体放电灯供给不对称的交变电流的镇流器和方法

Info

Publication number: CN100393179C
Application number: CNB021411344A
Authority: CN
Inventors: L·R·内罗尼
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2001-07-05
Filing date: 2002-07-05
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2022-07-05
Also published as: JP2003036988A; CN1396793A; JP4059715B2; US6836077B2; US20030015970A1

Abstract

本发明提供一种由系统电源(22)供电的镇流器电路(24)。与系统电源工作连接的镇流器是一种逆变换类型的镇流器，被设计成在灯输入线路(32)上产生不对称的交变的灯输入电流。而且，气体放电灯(34)与被配置成接收不对称的交变电流的灯输入线路处于工作连接中。镇流器(24)的逆变电路被利用具有不相等的导通时间的互补开关(40，42)进行配置，从而产生不对称的灯输入电流。提供DC闭锁电容器(46)，用以闭锁来自灯输入线路的任何DC电流。不对称的交变的灯输入电流消除了要不然会在灯(34)中产生的可见条纹。

Description

对气体放电灯供给不对称的交变电流的镇流器和方法

技术领域

本发明涉及一种与输入电源连接的由AC-DC变换器供电的镇流器电路和一种从镇流器对气体放电灯供给不对称的交变电流的方法。

背景技术

本发明是针对改进长条形荧光灯的外观，更具体而言，是针对消除在气体放电灯中可能发生的可见条纹。通常，一个气体放电灯将有一个被拉长的充气管，在其每一端上有电极，在电极之间的电压加速电子的运动。这使电子与气体原子碰撞产生正离子和额外的电子，形成正和负带电体的气体等离子体。电子继续流向灯的阳极，正离子流向其阴极，维持管子中的放电并进一步加热电极。放电引起光辐射，其波长取决于特定的充填气体和放电的电参数。

荧光灯是一种气体放电灯，灯管的内表面被涂上发荧光的荧光物质。由放电引起的紫外线辐射激励该荧光物质并发荧光，提供可见光。

在一种气体放电灯，如荧光灯工作期间，一种被称为条纹的现象可能发生。条纹是作为黑光带出现的一些光强度带。这种现象可以使灯有一种不希望的频闪效应。条纹现象的一个例子示于图1中，在其中描绘了一种采用氪作为缓冲气体添加的长条形荧光灯10，用以改进灯的功能。在图1中，灯10具有条纹带12，作为黑光带出现并沿着灯的长度移动，已知在气体放电灯中的条纹出现在寒冷的应用环境和其他象含氪的灯中。

关于为什么产生条纹的各种理论已经提出。例如，在对Sullivan的美国专利No.5,001,386中，认为条纹是作为高频电流重新迫使驻波改变灯的电极之间的电荷分配的结果而发生的。

Sullivan试图通过注入迭加到驱动的ac电流顶上的dc分量解决条纹问题。这种技术的一个缺点是，通过迭加dc偏置，由于使灯中的水银移动到一端，造成不平衡的光输出，从而可能对灯产生危险。也已经提议，增加灯的发光系统中的峰值因数将消除通常的条纹。然而，增加峰值因数也可能增加灯上的应力，这将导致缩短灯的寿命。

发明内容

因此，提供一种解决上述的问题而不迭加dc偏置和基本上不增加峰值因数的镇流器将是有益的。

据此，根据本发明提供的一种与输入电源连接的由AC-DC变换器供电的镇流器电路，该镇流器电路包括：与所述AC-DC变换器连接的DC总线，用于接收DC电压；与DC总线连接并与灯的输入线路连接的逆变器电路，所述逆变器电路在灯的输入线路上产生不对称的交变电流，所述逆变器电路直接连接到灯的输入线路；其中将所述交变电流提供给与荧光灯输入线路工作连接的荧光灯，以消除在灯中产生的可见条纹。

相应地，根据本发明的一种从镇流器对气体放电灯供给不对称的交变电流的方法，该方法包括：变换来自输入电源的AC电压，以在DC总线上产生DC电压；将所述的DC电压逆变换，以直接在灯的输入线路上产生不对称的交变电流；和将所述不对称的交变电流提供给与所述灯的输入线路工作连接的气体放电灯，以消除在灯中产生的可见条纹。

本发明提供一种由系统电源供电的镇流器电路。镇流器与系统电源处于工作连接，在其中将镇流器设计成将AC系统电源变换成包含在镇流器电路内DC总线上的DC电压。一种逆变器电路被包含在与DC总线工作连接的镇流器电路中，产生灯输入线路上的不对称交变电流。而且，一种气体放电灯与灯输入线路处于工作连接，被配置成接收不对称的交变电流，从而消除其他情况下灯中发生的可见条纹。

附图说明

图1示出一种典型的具有条纹带的荧光灯，对末端用户产生频闪效应；

图2示出在一个封闭的元件管中的驻压波；

图3描绘一种实现本发明的概念的系统的简图；

图4示出本发明的一种优选实施方案；

图5描绘一种通过使用本发明的概念获得的输入力函数，与标准的力函数作比较；

图6描绘一种通过使用本发明的概念获得的灯输入电流，与标准的灯输入电流作比较；和

图7示出本发明的一种替换的实施方案。

具体实施方式

如图1中所示，条纹带12产生一种对末端用户不希望的可见效应。在阐述这个问题中，为了描述条纹现象，发明者未采用假设，而是提出隐藏在条纹背后的物理过程可被模型化为在一个封闭的元件管16中的驻压波14，如图2中所示，对于一个封闭管的谐振频率由下式给出：

f_{n} = \frac{n}{4 l} \sqrt{\frac{\frac{C_{p}}{C_{v}} P_{0}}{ρ_{0}}}

其中l是长度单位，n是谐波，C_p是恒体积时的克分子容量，C_v是恒压时的克分子容量，P_o是未受到干扰的气体压力和ρ_o是压缩带外的气体密度。

利用这个前提，已被确定，通过运行一种具有占空比不是50％的逆变器的镇流器可以减少或消除灯中的条纹。也就是，在一种两开关的逆变器中，例如，一个开关被配置成比其余的开关运行得长。只要占空比中的不均匀性例如通过一个电容器而被闭锁，没有DC电流将通过灯的电弧流动。而且，例如，灯的电流周期的正的部分将具有较短的持续时间，但具有比后继的周期的负的部分更高的幅度，或者反过来也一样。因此，已经开发出了一种对灯提供不对称输入电流的镇流器电路。通过用这种方式改变电流的对称性，被认为是产生条纹的重复的谐振频率受到干预，从而消除了条纹的可见表象。

图3提出一种引入本发明的概念的示范性的灯光系统20。输入电源22对镇流器24供电。镇流器24包括一个AC-DC变换器26，在DC总线28上提供DC电压，依次，对灯输入电流产生电路30提供电源。灯输入电流产生电路30被配置成在灯输入线路32上产生不对称的交变电流，对气体放电灯34供电。在一种实施方案中，灯输入电流产生电路30可以是一个逆变器电路或逆变器电路的部分，并将被主要集中这点进行描述。然而，应该认识到也可使用能够产生或供给不对称的交变电流给灯34的其他部件和电路。可以用图3的方框30表示的这些附加的电路可以是或者可以不是逆变电路的部分。例如，在逆变机制以后的一种子电路可被用于将不对称的已产生的信号变更成一种不对称的形式。

在图4中提出一种对于引入本发明的概念适合的逆变器电路30的实施方案。这种类型的逆变电路在工业中是众所周知的，因此，除了实施本发明的概念之处外，不再详细地描述该电路。该电路包括互补开关40和42，在这个示范性实施方案中是双极结型晶体管。开关40和42的发射极被共同地连到一个串行配置的包括电容器46和电感器48的谐振电路44。闭锁电容器50被连到谐振电路44的另一端，并在节点52被串行连接到灯34，在节点54，灯34的另一端被连到电容器46和电感器48的结合点。在节点58，反馈电感器56，电感器48中的一个抽头，被连到开关40和42的共发射极，电感器56的另一端被串行连接到驱动电感器60，而电感器60被依次连到反馈电容器62。反馈电容器62的另一端被连到开关40和42的基极端。第一电阻器64被从开关40和42的基极端连到开关40的集电极端，也被连到节点66上的DC总线28的正引出线。开关42的集电极端被连到接地点68，在节点70，被连到DC总线28的负引出线。驱动电感器60通过包括背靠背的、串联的齐纳二极管74和76的输出箝位电路72而被桥接。电容器78将谐振电路44桥接，电阻器80被连接在节点58和接地点68之间。反向导电的二极管82将开关40的发射极和集电极端桥接，二极管82的阴极被连到开关40的集电极端。反向导电的二极管84将开关42的发射极和集电极端桥接，二极管84的阳极被连到开关42的集电极端。

在用于图4中所示的电路的产生灯输入电流不对称性的一种优选的方法是配置具有失配的hFE(通常称为β)的开关40和42。这使具有较低的hFE的晶体管导通较短的时间，从而使得开关40和42的导通时间不对称。也就是，一个BJT将比另一个导通较短的时间。

图5示出本发明的一种不对称的力函数86，与先前技术的镇流器逆变器的一种对称的力函数88作比较。

力函数是如图4中从节点58测量到的相对于节点52的电压。所示的特定的力函数被配置成具有短的正持续时间和长的负持续时间。正的和负的持续时间可被颠倒具有等同的效能。

图6示出不对称力函数86的效果。作为从节点54到节点52流动的电流测量到的不对称的负载电流90被示于图5的下半部，并可与示于图6的上半部中的对称的负载电流92相比较。不对称电流周期的正的部分比周期的负的部分有较短的持续时间，然而，正的部分比负的部分有较高的幅度。对称的负载电流92表示出相等的正的和负的持续时间，和相等的正的和负的幅度。对于不对称的负载电流90没有DC分量，因为DC电流被闭锁电容器50闭锁。

本发明的一个替代的实施方案示于图7中，其中引入MOSFET开关94和96。继续参考图4，在图7中相同的编号数字表示类似的部件。在图7中被省略的是反向导电二极管82和84，因为MOSFET开关94和96具有内在的反向导电二极管。在图7中增加的是门电压限位齐纳二极管98和100。图4的BJT开关不需要电压限位二极管，因为一个BJT的基极-发射极结本来就限制输入电压。

在一种引入互补MOSFET开关的现有技术的逆变器中，限压的齐纳管98和100将被配置相等的元件电压标称值。然而，在本发明的这个替代的实施方案中，齐纳二极管98和100被配置不相等的电压标称值。不相等的电压标称值使开关94和96之一处于一种状态比相对的开关长。开关94和96的不相等的导通时间的效果将与图5和6中对BJT开关40和42所示的相同。

当发生即使很小的导通/截止时间的不平衡，由逆变器电路的异步开关产生的不对称的输入线电流的有益方面开始被注意到。然而应该指出，当，例如，在所描述的电路中两个开关之间的导通/截止时间被增加时，电路的峰值因数也将增加，从而降低了电路的效率。因此，在实际的应用中，用户将确定好处与为了提供具有条纹消除的最有效的电路可获得的交换条件之间的权衡。

在图4中所示的实施方案和图7中所示的实施方案只是用于示范的目的。应该认识到，可以想象落在本发明的范围内的其他配置方案。

如前所指出的那样，本发明可用许多形式实现。在以上的实施方案中，用于图4和7的电路的文件名称和/或值包括：

变压器电感器48(56是48中的一个抽头)......3.5mH

变压器电感器60..........................150μH

电容器46................................1nF，1KV

电容器62................................100nF，50V

电容器50................................100nF，500V

电容器78................................120pF，1KV

二极管82，84每个为..........................1N4937

齐纳二极管98................................9V

齐纳二极管100...............................11V

齐纳二极管74，76每个为......................24V

电阻器64....................................1Meg

电阻器80....................................1Meg

晶体管40....................................STM 13003

晶体管42....................................STM 93003

晶体管94....................................IRF 310

晶体管96....................................IRF 9310

应该认识到，虽然对于所提出的值可以使用各式各样的灯，目前的灯将工作在60Hz的120/277Vac线电源，其中灯可以是一种气体放电灯，如填充稀有气体的T8长条形荧光灯。所列出的元件，如STM元件是来自STMicroelectronics of Catania，Italy。

虽然本发明主要是连同荧光灯描述的，在此所描述的电路可被用于控制任何类型的气体放电灯。因为在上述的电路中可以进行某些改变而不偏离在此所包含的本发明的范围，意味着在以上的描述中所包含的或在附图中所示出全部内容应该在用作说明而不是限制的意义上进行解释。

Claims

1.一种与输入电源(22)连接的由AC-DC变换器(26)供电的镇流器电路(24)，该镇流器电路包括：

与所述AC-DC变换器(26)连接的DC总线(28)，用于接收DC电压；

与DC总线(28)连接并与灯的输入线路(32)连接的逆变器电路(30)，所述逆变器电路在灯的输入线路(32)上产生不对称的交变电流，所述逆变器电路直接连接到灯的输入线路(32)；其中

将所述交变电流提供给与荧光灯输入线路工作连接的荧光灯，以消除在灯中产生的可见条纹。

2.依据权利要求1的镇流器电路(24)，其中逆变器电路(30)包括：

包含双极结型晶体管开关的开关网络，其中双极结型晶体管被配置成具有不相等的导通时间，用于产生不对称的交变电流。

3.依据权利要求2的镇流器电路(24)，其中双极结型晶体管被配置成具有不相等的h_FE值。

4.依据权利要求1的镇流器电路(24)，其中逆变器电路(30)包括：

包含MOSFET晶体管开关(94，96)的开关网络，其中MOSFET被配置成具有不相等的导通时间；和

将所述MOSFET的门端和源端桥接的背靠背的串联齐纳二极管(98，100)，所述二极管被配置具有彼此不相等的电压值。

5.依据权利要求1的镇流器电路(24)还包括：

被配置成从不对称的交变电流中闭锁DC电流的DC闭锁电容器(50)。

6.一种从镇流器(24)对气体放电灯(34)供给不对称的交变电流的方法，该方法包括：

变换来自输入电源(22)的AC电压，以在DC总线(28)上产生DC电压；

将所述的DC电压逆变换，以直接在灯的输入线路(32)上产生不对称的交变电流；和

将所述不对称的交变电流提供给与所述灯的输入线路工作连接的气体放电灯，以消除在灯中产生的可见条纹。

7.依据权利要求6的方法，其中所述逆变换由包括双极结型晶体管开关的开关网络实现，其中该双极结型晶体管被配置成具有不相等的导通时间，用于产生不对称的交变电流。

8.依据权利要求7的方法，其中该双极结型晶体管开关具有不相等的h_FE值。

9.依据权利要求6的方法，其中所述逆变换由包括MOSFET晶体管开关(94，96)的开关网络实现；并提供将所述MOSFET的门端和源端桥接的背靠背的串联齐纳二极管，该齐纳二极管具有彼此不相等的电压值，使得MOSFET具有不相等的导通时间。

10.依据权利要求6的方法，还包括：

提供被配置成从不对称的交变电流中闭锁DC电流的DC闭锁电容器(50)。