专利名称：抑制高强度放电灯高频放电不稳定现象的方法及产品的制作方法
技术领域：
本发明属一种抑制高强度放电灯高频放电不稳定现象的方法及产品。
背景技术：
高强度放电灯(也称HID灯)在高频工作时常会出现放电不稳定的现象，传统理论认为这种现象的产生是“声谐振”效应导致的，也就是说高频放电时，放电管中的气体被高频加热，因而出现了随放电极性改变而交替变化、且频率比放电频率高一倍的温度起伏，而这种温度起伏必然导致气体的膨胀和收缩，从而产生压力波-声波。当该声波的波长与HID灯的放电管尺寸谐振时(即d＝nλ/2，d为管壳尺寸；n为正整数；λ为声波波长)，即会产生放电不稳定现象。所有现有技术均是根据这一论点，采用破坏声波与管壳的谐振条件的方法以获得稳定的高强度放电灯高频放电。但数十年来这一途径一直未能走通，特别是金属卤化物灯的高频放电不稳定现象更难抑制，这就严重阻碍了高强度放电灯电子镇流器的研制和开发。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能有效抑制高强度放电灯高频放电不稳定现象的方法及采用该方法设计的高强度放电灯电子镇流器。
解决上述问题的技术方案是本发明为高强度放电灯提供高频放电电流的方法是先将交流电或直流电变成幅值适合的直流电源，再对直流电源进行高频变换转换成高频电源后，提供给接有高压发生电路的高强度放电灯，其特征在于对高强度放电灯的高频放电电流进行低频调制。
本发明认为传统的关于HID灯高频放电不稳定现象的“声谐振”理论与实际情况不符放电灯工作时电弧管中的极高气压和5000-6000K的电弧高温，使电弧管中的气体成为热容量很大且温度很稳定的高温气体，不可能反应出频率如之高而且幅度又很大的温度起伏。以往研究者们测出的声波只是在放电不稳定时出现，而放电稳定时测不到任何声波辐射，这就证明产生声波的原因与高频加热无关，很多其它现象也证明了“声谐振”论点是不能成立的，HID灯放电不稳定时出现的声波绝非由温度起伏引起。本发明认为HID灯高频放电不稳定现象是因电弧中的等离子体振荡引起的HID灯工作时，其电弧为一由均匀等量的正离子和电子构成的导电的中性等离子体，宏观的等离子体呈电中性，但其内部时常出现局部不平衡现象，当电弧中某处的离子析出时，附近的多余电子将在析出的正电荷周围振荡，而离子则在电子电荷作用下在自身的平衡位置附近振动，这就形成了离子振荡，这一振荡的频率通常在几千赫兹到几百千赫兹范围。在低频或在直流放电中离子振荡是一种随机并因碰撞而迅速衰减的过程，但在高频放电情况下，振荡频率与电源频率相近的离子将从电场吸收能量并发展成为稳定的、与电场频率同步的离子振荡-与电场共振。这时振荡的离子通过碰撞带动数量更多的气体原子同步振荡。这种由大量离子往返振荡引起的压力波称为离子声波。离子振荡时的电荷分离使电弧与菅壳的作用力失衡，造成电弧弯曲，而净电荷点在空间的漂移则造成电弧抖动等放电不稳定现象。可见产生稳定的离子振荡是HID灯放电不稳定的原因，也是放电不稳时出现声波的根源。根据汤克斯-朗缪等创建的等离子体理论，离子振荡频率取决于离子温度、密度以及离子质量，通常离子振荡频率在数千赫兹至数百千赫兹范围，正好与高频电子镇流器的工作频率重叠，因此当高频电子镇流器在常规高频范围工作时均可激起稳定的离子振荡。可见使HID灯的高频放电稳定的唯一方法是控制等离子体参数，使其不能形成稳定的离子振荡，而高频放电电流的工作状态能直接影响电弧中等离子体的参数，因此本发明采用对高频放电电流进行低频调制的方法来控制和调整电弧中等离子体的参数，使等离子体温度、密度按调制频率周期变化，从而抑制了稳定离子振荡的产生。
本发明对高频放电电流进行低频调制后，可以控制并调整电弧中等离子体的参数，防止稳定离子振荡的发生，从而达到使高强度放电灯高频放电稳定的目的，同时解决了金属卤化物灯高频放电不稳定的难题。
图1、本发明方法方框原理示意2、本发明对放电电路参数进行低频调制的波形示意3、实施例1用低频方波信号调制电源电压时的电路参数波形4、实施例2用低频方波信号调制放电频率时的电路参数波形5、实施例3用低频方波信号调制放电回路阻抗时的电路参数波形6、实施例4同时采用实施例1、实施例2、实施例3方法设计的高强度放电灯电子镇流器方框原理示意7、实施例4电子镇流器电路图具体实施方案用低频信号对放电电流进行调制，实际就是对影响放电电流的电路参数进行调制，该参数可以是放电电压，或放电频率，或放电回路的阻抗，参见图2，设被调制的参数为P，若在t0-t1时段该参数为P1，t1-t2时段该参数为P2，调制前后的参数变化率为D＝2|P1-P2|/(P1+P2)，其中t1-t0与t2-t1可以相等亦可不相等，P1≠P2，通常适当调整变化周期以及二种参数各自的持续时间并使D＞2％，即可以获得电流波峰系数符合标准要求的稳定的HID灯高频放电。
下面是实现本发明构思的几个具体实施例。
实施例1见图3，通过用低频信号调制直流电源电压幅值的方法来调制放电电流。
本例放电频率不变，加到高频变换部分的直流电源电压幅值被低频调制，从而使放电电流幅值周期变化，幅度以低频速率周期变化的高频放电电流可周期性改变放电电弧中等离子体温度、密度和离子振荡频率，使其不能形成稳定的离子振荡，保证了高频放电的稳定性。
本例的低频调制信号为方波信号，方波信号或准方波信号的调制效果优于其它调制信号。
实施例2见图4，通过用低频信号调制高频放电频率的方法来调制放电电流。
本例直流电源电压和放电回路阻抗元件参数不变，放电电流的频率周期性改变(图4中f1≠f2)，这时由频率变化引起的电抗变化使电流幅值随之周期性变化，从而可交替改变放电电弧中等离子体参数和离子振荡频率，抑制稳定离子振荡的发生，保证了高频放电的稳定性。
本例的低频调制信号为方波信号，方波信号或准方波信号的调制效果优于其它信号。
传统高强度放电灯的高压发生电路通常是将放电回路参数设计为与工作频率的谐振状态，放电灯两端并联有电容元件，利用放电灯未导通前Q值很高出现在电容上的高谐振电压触发放电管，当放电灯以单一频率工作时，如果放电回路参数或工作频率因环境状态或元器件老化而漂移，常会因工作频率与回路自然频率失谐而出现放电灯无法启动的现象。
本实施例的工作频率经低频方波信号调制后能产生f1、f2两种不同、且交替出现的工作频率，因而将放电灯放电回路的自然频率值f0设计为介于调制后的两种不同的放电工作频率值f1与f2之间(最佳状态是f0≈(f1+f2)/2)，适当延缓方波调制信号的上升前沿，使f1与f2的变换有一定的过渡时间。因回路谐振频率值f0介于周期性交替变化的f1与f2之间，通常回路参数或工作频率的漂移很难使谐振频率f0超出f1与f2之间的数值范围，从而能稳定有效地点燃放电灯；而且由于本实施例放电回路的谐振状态只在两种频率交替的很短时间内发生，持续时间很短，重复频率又很低，因此灯启动时因回路谐振引起的能耗很小，即使在放电灯不能着火时也不致因持续的过大谐振电流而烧毁回路元器件。
实施例3见图5，通过用低频信号交替改变放电回路阻抗的方法来调制放电电流。本例放电频率不变，放电电流幅度周期变化，从而可交替改变放电电弧中等离子体密度、温度和离子振荡频率，使其不能形成稳定的离子振荡，保证了放电的稳定性。
本例的低频调制信号为方波信号，方波信号或准方波信号的调制效果优于其它信号。
实施例4本例为采用本发明方法设计的高强度放电灯电子镇流器。
为实现本发明对放电电流进行低频调制的技术方案，可单独采用实施例1、实施例2、实施例3所述的三种方法中的一项，也可同时使用其中任意两项或三项，本例为同时使用上述三种方法设计的一种高强度放电灯电子镇流器。
图6是本例电子镇流器方框原理示意图本例设有将交流电变为直流电的直流电源，直流电源与接有高频驱动信号发生器的高频变换电路连接，高频变换电路与接有高压发生电路的高强度放电灯连接，与传统同类电子镇流器不同的是本例设有调制直流电源电压的低频方波调制信号发生器，其输出端与直流电源的电压调制信号输入端连接；设有调制放电频率的低频方波调制信号发生器，其输出端与高频驱动信号发生器的频率调制信号输入端连接；设有调制放电回路阻抗的低频方波调制信号发生器，其输出端与接在放电回路里的阻抗调制电路的阻抗调制信号输入端连接。
具体的电路主体结构见图7，直流电源电路为在交流电源输入端与整流电路BR1之间串接有电磁滤波电路，整流电路输出端接有由变压器T1原边绕组、二极管D7与电容C14、C15、C16、C17组成的滤波电路，同时还设有由场效应开关部件及与开关部件栅极相连的脉宽调制电路组成的稳压及功率因数补偿和谐波抑制电路，(本例的场效应开关部件及脉宽调制电路是采用将二者集成于一体的TOPSWITCH250部件，即图3所示的U2)，该电路开关部件两端漏极D及源极S并联在滤波电感T1原边绕组输出端与地之间，其作用等同于通常的有源功率因数补偿电路，T1原边绕组输出端与滤波电容C14、C15、C16、C17之间串联一整流二极管D7，由发光二极管和光敏三极管组成的具有光电转换和放大作用的光耦三极管U1的发射极接U2的控制电路输入端C，U1的发光二极管负端接地，正端通过电阻R5、稳压管D8接直流电源输出端，从而将输出直流电压信号经光耦三极管输入U2。经BR1整流后的电压信息则通过稳压管D6、电阻R2并经U2的L端输入U2，接有整流二极管D5和滤波电容C8的T1副边绕组N13的直流输出端通过R1接光敏三极管的集电极，光敏三极管的发射极接U2的脉宽电路调制输入端C。U2的开关部件在脉宽调制电路控制下产生高频开关信号，并通过输出端D-S控制T1原边输出端与地端之间的启闭，从而可抑制工频电源输入电流中的高次谐波，提高其功率因数，同时实现稳定直流输出电压的目的。
用于调制直流电源电压的低频调制信号发生器是由集成电路IC4(型号555)及周边部件组成的低频方波发生器，本例直流电源的电压调制信号输入端设置在稳压及功率因数补偿和谐波抑制电路的脉宽调制电路输入端，低频方波发生器输出端3脚通过U1的发光二极管和光敏三极管接U2的脉宽调制电路输入端，使直流电源输出幅值按低频方波调制信号周期性变化的调制电压，加到放电管上后，使高频放电电流幅值周期性变化。
本例将直流转换为高频的高频变换电路采用典型的外驱动半桥变频电路，驱动该电路变频的高频驱动信号发生器是由集成电路IC5(型号4046)与周边元件组成的高频方波发生器，其输出经高频变压器T3的两个副绕组分别产生两个相位相反的方波信号分别驱动高频转换电路中的两个开关器件VT1和VT2。
用于调制放电频率的低频方波调制信号发生器由集成电路IC3(型号555)及周边部件组成，其低频方波输出端3脚接高频驱动信号发生器IC5的频率调制信号输入端9脚，高频驱动信号发生器的高频信号经过低频调制后驱动高频放电回路，使放电回路的高频放电频率按低频调制信号周期性地在两种不同的工作频率f1与f2之间交替变化，本例将放电回路的谐振频率f0设计为介于高频驱动信号发生器输出的周期性变化的不同工作频率数值f1与f2之间，高频驱动信号发生器的频率调制输入端接有能消除干扰并延缓方波上升前沿的充电电容C35，从而利用被调制的放电频率有两种工作频率而保证放电灯能被可靠点燃。
用于调制放电回路阻抗的低频方波调制信号发生器是由集成电路IC2(型号555)及周边部件组成，其低频调制信号输出端3脚与接在放电回里的阻抗调制电路连接，本例阻抗调制电路的结构为在放电回路里设有与放电灯串联连接的电感L4，其两端跨接有两个导通方向相反的开关三极管Q2、Q3，两开关三极管的基极接变压器T2副边绕组的同一端，变压器T2副边绕组的另一端接到连接在一起的Q2的集电极和Q3的发射极，并与L4一端连接，L4的另一端则与Q2的发射极和Q3的集电极连接，低频方波调制信号发生器IC2的调制信号输出端接变压器T2的原边绕组，通过T3原边绕组将低频方波调制信号加到开关三极管Q2、Q3基极，周期性改变放电回路里L4的感抗值。
本发明所述的直流电源是指将交流电或直流电变成的幅值适合的直流电源，通常该直流电源的幅值根据放电灯不同的功率要求在150～450伏左右。
权利要求
1.抑制高强度放电灯高频放电不稳定现象的方法，本发明为高强度放电灯提供高频放电电流的方法是先将交流电或直流电变成幅度适合的直流电源，再对直流电源进行高频变换变成高频电源后，提供给接有高压发生电路的高强度放电灯，其特征在于对高强度放电灯的高频放电电流进行低频调制。
2.根据权利要求1所述的抑制高强度放电灯高频放电不稳定现象的方法，其特征在于通过用低频方波信号调制高频放电频率的方法来调制放电电流。
3.根据权利要求2所述的抑制高强度放电灯放电不稳定现象的方法，其特征在于将放电灯放电回路的自然频率值(f0)设计为介于调制后的两种不同的放电工作频率值(f1)与(f2)之间，并适当延缓方波调制信号的上升前沿。
4.根据权利要求1、2或3所述的抑制高强度放电灯高频放电不稳定现象的方法，其特征在于通过用低频方波信号调制直流电源电压幅值的方法来调制放电电流。
5.根据权利要求1、2或3所述的抑制高强度放电灯高频放电不稳定现象的方法，其特征在于通过用低频方波信号交替改变放电回路阻抗的方法来调制放电电流。
6.根据权利要求4所述的抑制高强度放电灯高频放电不稳定现象的方法，其特征在于通过用低频方波信号交替改变放电回路阻抗的方法来调制放电电流。
7.高强度放电灯电子镇流器，设有直流电源，直流电源与接有高频驱动信号发生器的高频变换电路连接，高频变换电路与接有高压发生电路的高强度放电灯连接，其特征在于设有调制直流电源电压的低频方波调制信号发生器，其输出端与直流电源的电压调制信号输入端连接。
8.高强度放电灯电子镇流器，设有直流电源，直流电源与接有高频驱动信号发生器的高频变换电路连接，高频变换电路与接有高压发生电路的高强度放电灯连接，其特征在于设有调制放电频率的低频方波调制信号发生器，其输出端与高频驱动信号发生器的频率调制信号输入端连接。
9.根据权利要求8所述的高强度放电灯电子镇流器，其特征在于放电回路的谐振频率(f0)设计为介于高频驱动信号发生器输出的周期性变化的不同工作频率数值(f1)与(f2)之间，所述高频驱动信号发生器的频率调制输入端接有能消除干扰并延缓方波上升前沿的充电电容(C35)。
10.高强度放电灯电子镇流器，设有直流电源，直流电源与接有高频驱动信号发生器的高频变换电路连接，高频变换电路与接有高压发生电路的高强度放电灯连接，其特征在于设有调制放电回路阻抗的低频方波调制信号发生器，其输出端与接在放电回路里的阻抗调制电路的阻抗调制信号输入端连接。
全文摘要
抑制高强度放电灯高频放电不稳定现象的方法及产品，本发明为高强度放电灯提供高频放电电流的方法是先将交流电或直流电变成幅度适合的直流电源，再对直流电源进行高频变换变，提供给接有高压发生电路的高强度放电灯，其特征在于对高强度放电灯的高频放电电流进行低频调制。本发明方法及产品对放电电流进行低频调制后，可控制并调整电弧中等离子体参数，防止稳定离子振荡的发生，达到使高强度放电灯高频放电稳定的目的。
文档编号H05B41/28GK1484479SQ0213474
公开日2004年3月24日 申请日期2002年9月17日 优先权日2002年9月17日
发明者杨正名, 柴国生, 张明 申请人:柴国生