CN1606898A - 减少在超高频工作的高强度放电灯中的垂直偏折 - Google Patents

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Abstract

一种基本上克服了高强度放电灯中垂直偏折的方法和结构，该方法包括步骤：确定并选择使电弧矫直的扫频信号和激发第二纵向声音模式的固定频率信号；及结合载波频率激发电弧矫直声音模式和第二纵向声音模式。在优选实施方案中，激发步骤包括利用扫频信号与固定频率信号之和对载波频率信号进行幅度调制。

Description

减少在超高频工作的高强度放电灯中的垂直偏折
技术领域
本发明总体上涉及高强度放电灯(HID)领域，更具体而言涉及与克服这种灯中垂直偏折有关的方面。
背景技术
先前已经显示出现在细长圆柱形陶瓷金属卤化物放电灯中的垂直偏折可以通过激发灯的第二纵向声音模式来克服。关于这一点，见美国专利No.6,184,633。作为示例，尺寸为4mm ID和19mm IL的70W陶瓷HID灯利用周期为10ms、从大约45至55kHz的电流扫频工作。这个10kHz的扫频高于灯的第一方位角声音模式，但低于灯的第一径向声音模式。除了以稳定的方式操作灯，这个频率范围还具有当水平工作时使电孤矫直的重要好处。第二纵向声音模式是通过以对应于第二纵向声音模式的电源频率对45至55kHz的扫频进行幅度调制来激发的。电压(或电流)波形是cos(2πΔf1t)*[1+m3cos(2πf3t)]，其中Δf1是45至55kHz的扫频，f3是幅度调制的频率(本例中是~24kHz)，而m3是调制系数(＜1)。电压(或电流)频谱是从45至55kHz的扫频，具有10kHz宽、中心在+/-f3(即，26和74kHz)的两条边频带。这产生具有频率为2Δf1、2Δf1+/-f3和f3的频率成分的功率频谱。激发第二纵向声音模式的是频率为f3的功率频率。(声音共振是由周期性的功率输入驱动的。对于正弦曲线类波形，激发声音共振的功率频率是电流频率的2倍。)
由于汞压、尺寸、化学特性等的细微差别，灯与灯的第二纵向声音模式的频率可以变化几kHz。通过探测第二纵向声音模式期望频率周围的频率并测量灯电压，可以找出用于混色的最佳频率。在给出优良混色的频率，灯电压将达到最大值。已经开发出一种根据灯电压找出第二纵向声音模式的算法并在美国专利申请No.09/620357中公开，该专利申请的全部公开内容在此引入作为参考。
为激发第二纵向声音模式而设计的配置的主要问题是必需相对复杂的镇流器。
发明概述
简单地说，在一种实施方案中，本发明包括基本上克服了HID灯中垂直偏折的方法，该方法包括步骤：确定并选择使电孤矫直的扫频信号和激发第二纵向声音模式的固定频率信号；及结合载波频率，激发电弧矫直声音模式和第二纵向声音模式。
在这种实施方案的另一方面，使电弧矫直的频率在高于HID灯共振频谱的第一方位角声音模式但低于其第一径向声音模式的范围内。
在这种实施方案的另一方面，提供了选择频率足够高的载波频率信号的步骤，从而结合扫频信号使电弧稳定并实现混色。
在这种实施方案的另一方面，激发步骤包括利用扫频信号与固定频率信号之和对载波频率信号进行幅度调制。
在这种实施方案的另一方面，提供了通过控制幅度调制的扫频信号的幅值来控制电孤矫直的量的步骤。
在这种实施方案的另一方面，提供了通过控制固定频率信号的幅值来控制混色的量的步骤。
在这种实施方案的另一方面，激发步骤包括将载波频率信号与扫频信号和固定频率信号求和以获得激发电弧矫直声音模式和第二纵向声音模式的差动功率频率的步骤。
在这种实施方案的另一方面，激发步骤包括以任何顺序按时间连续交替载波频率信号、扫频信号和固定频率信号的步骤，其中扫频信号和固定频率信号分别是电弧矫直和混色所需功率频率的一半。
在这种实施方案的另一方面，提供了通过控制相对于载波频率信号持续时间的扫频信号持续时间来控制电孤矫直的量的步骤。
在这种实施方案的另一方面，提供了通过控制相对于载波频率信号持续时间的固定频率信号持续时间来控制混色的量的步骤。
在这种实施方案的另一方面，确定步骤包括：确定HID灯的共振频谱；选择高于HID灯第一方位角声音模式但低于HID灯第一径向声音模式、使电弧矫直的扫频信号频率范围及选择用于产生混色的固定频率信号的频率。
在这种实施方案的另一方面，HID灯具有圆柱对称性。
在这种实施方案的另一方面，HID灯具有带陶器管壁的放电室。
在本发明的另一种实施方案中，提供了具有电弧矫直的HID灯，包括：包含可电离填充物的放电室；及在放电室中结合载波频率激发电孤矫直声音模式和第二纵向声音模式的电路。
在这种实施方案的另一方面，激发电路包括：产生使电弧矫直的扫频信号和激发第二纵向声音模式的固定频率信号及将扫频信号与固定频率信号求和的第一元件；及在放电室中合并求和后的扫频信号和固定频率信号与载波频率信号来激发电孤矫直声音模式和第二纵向声音模式的第二元件。
在这种实施方案的另一方面，第二元件提供频率足够高的载波频率信号，从而结合扫频信号使电弧稳定并实现混色。
在这种实施方案的另一方面，用于合并的第二元件利用扫频信号与固定频率信号之和对载波频率信号进行幅度调制。
在这种实施方案的另一方面，用于合并的第二元件将载波频率信号与扫频信号和固定频率信号求和，从而获得激发电弧矫直声音模式和第二纵向声音模式的差动功率频率。
在这种实施方案的另一方面，用于合并的第二元件以任何顺序按时间连续交替载波频率信号、扫频信号和固定频率信号，其中扫频信号和固定频率信号分别是电弧矫直和混色所需功率频率的一半。
附图简述
图1是本发明频率生成的一种实施方案的示意性方框图。
图2是本发明频率生成的另一种实施方案的示意性方框图。
图3是可用于实现本发明一种实施方案的HID灯的示意图。
图4是图3所示灯的放电室的截面图。
图5A是利用用于使电弧矫直和混色的固定频率与扫频之和对VHF载波频率进行幅度调制的相对电压对电压频率图。
图5B是图5A幅度调制的相对功率对功率频率图。
图6是载波频率与固定频率和扫频交替时序的频率对时间图。
优选实施方案详述
以超高频(VHF)操作灯为镇流器提供了好处，其中声音模式受到了抑制。相对于一般的低频(＜100Hz)镇流器，在VHF频率，镇流器可以更小且更便宜。但遗憾的是，在VHF频率，灯工作性能中的任何缺陷都仍然存在。例如，在垂直工作的细长形灯中，金属卤化物成分的分离仍然存在，导致不同空间方向差别很大的色温或者与水平方向相比在垂直方向降低的效能。
发现有一种利用载波频率基本上克服细长形HID灯中垂直偏折的方法。基本上克服HID灯中垂直偏折的方法包括步骤：确定并选择使电弧矫直的扫频和激发第二纵向声音模式的固定频率；及结合载波频率激发电弧矫直声音模式和第二纵向声音模式。
结合载波频率提供电弧矫直扫频和固定频率的配置在图1和2中示出。在图1和2中，函数发生器(100、200)产生扫频。然后将该扫频提供给产生固定频率的函数发生器(102、202)的求和输入。然后，将结果求和信号提供给产生载波频率的函数发生器(104和204)。函数发生器(104、204)对进入的和频率执行一种数学运算，然后向RF放大器(106、206)提供施加到HID灯电极的输出(105、205)，该输出将激发电弧矫直声音模式和第二纵向声音模式，从而基本上克服垂直偏折。该数学运算可以采取多种形式。在图1所示的优选实施方案中，载波频率利用使电弧矫直的扫频与激发第二纵向声音模式的固定频率之和进行幅度调制。在图2所示的可选实施方案中，该数学运算可以包括确定载波频率与扫频和固定频率之和，及利用差动功率频率激发声音模式来实现垂直偏折的基本减少并实现基本的电弧矫直。可选地，该数学运算还可以包括按时间连续交替载波频率、使电孤矫直的扫频和激发第二纵向声音模式的固定频率。在这种实施方案中，扫频和固定频率分别等于电孤矫直和激发第二纵向声音模式所需功率频率的一半。
应当指出，本发明的重要方面关于合并差动频率信号的方式。附图中示出的特定硬件只是为了方便说明。其它各种用于合并频率信号的方法对本领域普通技术人员是很显然的。因此，本发明决不是要限定到一种特定的硬件配置。
在深入探究结合载波频率激发电弧矫直声音模式之前，先提供可利用本发明实现的HID灯的一种实施方案。现在参考图3，示出了包括放电室3的金属卤化物灯，放电室3的细节在图4的截面图中示出但不是按比例绘制的。灯的放电室3示为包括封住放电空间11的陶瓷管壁，放电空间11中包含可电离填充物。在优选实施方案中，可电离填充物包括Hg和一些金属卤化物化学成分。金属卤化物化学成分一般包括Na卤化物、Tl、Dy和Ce卤化物中的一种或多种。在附图中，两个具有电极棒4a、5a和头4b、5b的电极4、5排列在放电空间中，之间的距离为EA。放电室具有至少穿过距离EA的内径Di。放电室在其两端被陶瓷突出插头34、35密封，利用靠近远离放电空间一端的可熔化陶瓷化合物10，插头34、35以不透气方式紧紧地封住连接到排列在放电室中的电极4、5的电流穿通导体40、41和50、51。放电室3由在灯头2一端提供的外壳1封住。在灯的工作状态，放电在电极4、5之间展开。电极4通过电流导体8连接到构成灯头2一部分的第一电子触点。电极5通过电流导体9连接到构成灯头2一部分的第二电子触点。所示金属卤化物灯打算利用如在此引入作为参考的美国专利No.6,300,729中更加详细描述的电子镇流器或磁性镇流器或其它合适的镇流器工作。应当指出，提供上述HID配置是为了说明本发明，但本发明决不是要限定到这种配置。
应当指出，用作可电离填充物的化学成分可以多种配方实现。本发明不限于示例中所公开的配方。
应当指出，对于图3和4所示类型的细长形陶瓷HID灯配置，当它们利用第一方位角声音模式和第一径向声音模式之间的高扫频工作时，出现电弧矫直。但是在VHF频率，没有找到电弧矫直的证据。同样，如果在激发第二纵向声音模式的同时出现电弧矫直，则细长形灯的混色是最有效的。
如上面所指出的，在优选实施方案中，如图1所示的本发明方法利用幅度调制的VHF载波，其中幅度调制的波形是两项之和。第一项是使电弧矫直的扫频，第二项是激发第二纵向声音模式的固定频率。
更详细地参考图1所示优选实施方案的工作，在一次实验中，在VHF频率以稳定方式操作70W的圆柱形陶瓷HID灯(尺寸为4mm ID和19mmIL)并以使电弧矫直的扫频与对应于第二纵向声音模式的固定频率之和对该VHF载波进行幅度调制，同时获得了电弧矫直和混色。根据灯的色温变化，混色是很明显的，而且是用由于混色而导致的灯电压增加来表示的。合适的混色还用室中从室底部大约1/3处冷凝带的构成来表示。对于电弧矫直，如果电弧矫直频率的幅值降到低于一个特定的点，则电弧将变形并偏移到靠近底部电极的管壁。不可接受的电弧弯曲度将导致陶瓷管壁的额外发热，从而有可能导致电孤管的破裂。
对于这种实施方案，幅度调制的频率对应于电弧矫直和混色所需的功率频率(对于70W的灯，分别是90至110kHz和24kHz)。电压(或电流)波形是cos(2πf1t)*[1+m2cos(2πΔf2t)+m3cos(2πf3t)]，其中f1是VHF载波频率，Δf2是调制系数为m2的90至110kHz的幅度调制扫频，f3是调制系数为m3的24kHz的幅度调制频率。电压(或电流)频谱在图5A中示出，包括具有4个频率为f1+/-Δf2和f1+/-f3的边频带的载波频率。这产生图5B所示、具有频率为2f1、2f1+/-Δf2、2f1+/-f3、2f1+/-(Δf2+f3)、2f1+/-(Δf2-f3)、Δf2、f3和Δf2+/-f3加上二次项的频率成分的功率频谱。从90至110kHz的Δf2成分使电弧矫直，24kHz的f3成分产生混色。尽管有很多附加的功率频率成分，但它们中的大部分中心都在2f1。如果选择能够使抑制和/或电弧矫直使放电稳定的足够高的载波频率，则这些中心在2f1的附加项不会引起声音不稳定。在这个例子中载波频率是500kHz。除频率为Δf2和f3的那些项之外，唯一的低频功率项是在Δf2+/-f3。如在美国专利No.6,184,633所述方法中也存在的，这些从66至86kHz和从114至134kHz的低扫频项不会引起任何问题。调制系数m2和m3都是大约为0.2。
同时进行电弧矫直和第二纵向声音模式激发的重要性以两种方式来证明。在第一个例子中，500kHz的载波频率在24kHz进行幅度调制，没有增加电弧矫直项(m2＝0)。当调制系数m3变得太大(＞0.15)时，电弧偏移(弯曲)到靠近底部电极的管壁。在第二个例子中，电弧矫直和混色是利用每个调制系数都为0.2的这两项之和同时激发的。电弧很直，而且获得了优良的混色，即灯的色温发生了显著变化。当调制系数m2降到0.15时，这会减少电弧矫直的量，从而电弧开始偏离电弧管的中心。
上面所参考专利申请中指出的算法用于找出第二纵向声音模式的频率。然后，70W的灯工作在500kHz，并利用使电弧矫直的从90至110kHz的扫频和m2＝0.2进行幅度调制。用于激发第二纵向声音模式的固定频率利用m3＝0.05从27kHz下至21kHz以100Hz的增量加到90至110kHz的扫频，并为每个增加的频率确定灯电压。在对应于混色的频率，灯电压升高。在找出对应于最大电压fmax的频率后，该频率从27kHz降到fmax，而调制系数变大。从而获得优良的混色，即灯的色温减小大约1000K。
在另一次实验中，尺寸为8mm ID×28mm IL的200W的灯以垂直、基座朝上的方向工作在VHF。在从大约370至500kHz的载波频率范围内，观察到了许多弱声音共振。大部分不稳定是在底部电极观察到的。许多最初表现稳定的频率在许多秒甚至许多分钟后逐渐变得不稳定。在这些VHF频率，以从40至50kHz的扫频和m2≈0.2进行幅度调制使灯稳定。期望这些频率能够使电弧矫直。对于第二纵向声音模式的激发，以16kHz进行幅度调制而没有电弧矫直使得电弧扭曲到靠近底部电极的管壁。但是，通过利用从40至50kHz的扫频加上激发第二纵向声音模式的16kHz固定频率之和对载波频率进行幅度调制，实现了具有漫射的稳定放电和向上1/3的宽冷凝带。
在另一次证明本发明第二种实施方案的实验中，电弧矫直和混色在利用和与差频率的VHF载波频率的70W灯(4mm ID和19mm IL)中也得到证明。参考图2，为了方便电孤矫直，从函数发生器200获得扫频。然后将该扫频提供给函数发生器202的求和输入，函数发生器202将该扫频与针对垂直偏折问题的固定频率求和。然后，将扫频与固定频率的结果和提供给用于载波频率的函数发生器204的求和输入。线路205上的输出是载波频率、扫频与固定频率之和。和与差动频率是通过包括三个频率之和，f1+Δf2+f3，的电压波形获得的，其中f1是VHF载波频率，Δf2是扫频，而f3是固定频率。9个功率频率是2f1、2Δf2、2f3、f1+Δf2、f1+f3、Δf2+f3、f1-Δf2(或Δf2-f1)、f1-f3(或f3-f1)和Δf2-f3(或f3-Δf2)。通过选择f1-Δf2(或Δf2-f1)等于电孤矫直频率而f1-f3(或f3-f1)等于第二纵向模式频率，可以获得电弧矫直和混色。作为示例，当VHF载波频率f1等于500kHz、Δf2是从590到610kHz的扫频而f3为大约524kHz时，功率项Δf2-f1为使电弧矫直的90到110kHz，而功率项f3-f1为产生混色的24kHz。功率项2f1、2Δf2、2f3、f1+Δf2、f1+f3、Δf2+f3为1MHz或更高，此时抑制和/或电弧矫直使放电稳定。功率项Δf2-f1为从66至86kHz的扫频，这不会引起任何问题。调整Δf2和f3的幅值分别控制电弧矫直和混色。由于混色依赖于f3和f1之间的差值，因此可以通过在小频率范围内调整f1或f3实现对混色的微调。
实现本发明的第三种实施方案包括一种时序方法，其中电流(和电压)波形在500kHz的载波频率，从45到55kHz方便电弧矫直的扫频及频率为12kHz、用于以10ms为周期定位垂直偏折问题的固定频率之间交替。作为时间函数的频率在图6中示出。频率的顺序不重要。不同的频率可以由一个或多个函数发生器提供。在一种实施方案中，可以利用函数发生器的电压控制振荡器输入和适当的电压信号对频率进行控制。在一次利用这种实现的实验中，产生了1MHz、90至110kHz和24kHz的功率频谱。电弧矫直的量通过控制扫频的持续时间来控制，而混色的量通过控制固定频率的持续时间来控制。10ms周期的一种典型序列是VHF载波持续3.5ms、使电孤矫直的扫频持续1.5ms、VHF载波持续3.5ms和用于垂直偏折问题的固定频率持续1.5ms。利用这种时间顺序方法，实现了具有1/3位置处冷凝带的混色。
同时利用用于使电弧矫直与混色的两项之和对VHF载波频率进行幅度调制是所讨论的三种方法中最好的。
应当指出，本发明尤其适用于其第二纵向模式频率低于第一方位角模式的灯。
还应当指出，所选定的载波频率应当显著高于用于垂直偏折问题的固定频率。载波频率应当足够高，使得电弧矫直以后声音共振能够被充分抑制，从而使电弧稳定。
最后还应当指出，扫频和/或固定频率的幅值控制可以多种众所周知的方式实现，包括通过简单地调节相关函数发生器上的手动或自动幅值控制。
以上所示对本发明优选实施方案的描述是为了说明和解释。它并不穷举或者要将本发明限定到所公开的精确形式，根据以上所讲的内容，修改和变化是有可能的，或者可以通过本发明的实践获得。选择并描述这些实施方案是为了说明本发明的原理及其实际应用，从而使本领域技术人员能够利用各种实施方案中的本发明并具有适合预期特定应用的各种修改。本发明的范围是由附加权利要求及其等价物定义的。

Claims (21)

1、一种基本上克服了高强度放电灯中的垂直偏折的方法，包括步骤：
确定并选择产生电弧矫直的扫频信号和激发第二纵向声音模式的固定频率信号；及
结合载波频率，与第二纵向声音模式的激发一起，激发电弧矫直声音模式。
2、如权利要求1所述的方法，其中产生电弧矫直的频率在高强度放电灯共振频谱的高于第一方位角声音模式但低于第一径向声音模式的范围内。
3、如权利要求1所述的方法，还包括选择频率足够高的载波频率信号的步骤，从而结合扫频信号使电弧稳定并实现混色。
4、如权利要求1所述的方法，其中所述激发步骤包括利用扫频信号与固定频率信号之和对载波频率信号进行幅度调制。
5、如权利要求4所述的方法，还包括通过控制幅度调制的扫频信号的幅值来控制电弧矫直的量的步骤。
6、如权利要求4所述的方法，还包括通过控制固定频率信号的幅值来控制混色的量的步骤。
7、如权利要求1所述的方法，其中激发步骤包括将载波频率信号与扫频信号和固定频率信号求和以获得激发电弧矫直声音模式和第二纵向声音模式的差动功率频率的步骤。
8、如权利要求7所述的方法，还包括通过相对于载波频率信号幅值控制扫频信号幅值来控制电弧矫直的量的步骤。
9、如权利要求7所述的方法，还包括通过相对于载波频率信号幅值控制固定频率信号幅值来控制混色的量的步骤。
10、如权利要求1所述的方法，其中激发步骤包括以任何顺序按时间连续交替载波频率信号、扫频信号和固定频率信号的步骤，其中扫频信号和固定频率信号分别在电弧矫直和混色所需功率频率的一半。
11、如权利要求10所述的方法，还包括通过相对于载波频率信号持续时间控制扫频信号持续时间来控制电弧矫直的量的步骤。
12、如权利要求10所述的方法，还包括通过相对于载波频率信号持续时间控制固定频率信号持续时间来控制混色的量的步骤。
13、如权利要求1所述的方法，其中确定步骤包括：
确定高强度放电灯的共振频谱；
选择高于高强度放电灯第一方位角声音模式但低于高强度放电灯第一径向声音模式、用于使电弧矫直的扫频信号频率范围；及
选择产生混色的固定频率信号频率。
14、具有电弧矫直的高强度放电灯，包括：
包含可电离填充物的放电室(3)；及
用于在该放电室中结合载波频率激发电弧矫直声音模式和第二纵向声音模式的激发电路(100、102、104、106、200、202、204和206)。
15、如权利要求14所述的高强度放电灯，其中所述激发电路包括：
产生使电弧矫直的扫频信号和激发第二纵向声音模式的固定频率信号及将扫频信号与固定频率信号求和的第一元件(100、102、200、202)；及
在放电室中合并求和的扫频信号和固定频率信号与载波频率信号来激发电弧矫直声音模式和第二纵向声音模式的第二元件(104、204)。
16、如权利要求15所述的高强度放电灯，其中使电弧矫直的扫频在高强度放电灯共振频谱的高于第一方位角声音模式但低于第一径向声音模式的范围内。
17、如权利要求15所述的高强度放电灯，其中第二元件提供频率足够高的载波频率信号，从而结合扫频信号使电弧稳定并实现混色。
18、如权利要求15所述的高强度放电灯，其中用于合并的第二元件(104)利用扫频信号与固定频率信号之和对载波频率信号进行幅度调制。
19、如权利要求15所述的高强度放电灯，其中用于合并的第二元件(204)将载波频率信号与扫频信号和固定频率信号求和以获得激发电弧矫直声音模式和第二纵向声音模式的差动功率频率。
20、如权利要求15所述的高强度放电灯，其中用于合并的第二元件以任何顺序按时间连续交替载波频率信号、扫频信号和固定频率信号，其中扫频信号和固定频率信号分别在电弧矫直和混色所需功率频率的一半。
21、用于如权利要求14-20所述高强度放电灯的激发电路。
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