专利名称：数字式高强度气体放电灯适配器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于高强度气体放电灯(High IntensityDischarge，以下简称为HID光源)的适配器，特别涉及一种使用微电脑芯片进行控制的数字式高强度气体放电灯适配器，属于电气元件技术领域。
背景技术：
HID光源是目前户外广泛使用的高效光源，包括高压钠灯和高压金属卤化物灯等多种类型。由于其具有功率大、光效高、显色性好、寿命长等特点，已经在道路、机场、码头、铁路、桥梁、公园、小区、工矿企业等户外照明场所得到广泛应用。
HID光源在使用时对电源供应有特殊的要求在HID光源点燃时，需要瞬间的高压进行冲击，点燃后，则需要有低压稳定的交流电供应。因此，HID光源都需要有相应的镇流器及触发器配套。其中触发器提供瞬间高压使HID光源点燃，镇流器提供HID光源运行时的低压交流电。目前在这一领域使用较多的是传统的电感镇流器。电感镇流器的造价较低，但其功率因数只有0.5左右，且存在损耗大，发热严重，启动电流大，会产生较大的电网波形畸变，对电网产生较大干扰等技术缺陷。由于用于户外照明的HID光源功耗一般在数百瓦至数千瓦之间，大量使用电感镇流器会对电网造成很大冲击及干扰。因此HID光源大量使用电感镇流器绝非理想的选择。另外，现有HID光源使用220V的市电，由于人眼的视觉特性，会产生闪烁感，并伴随着明显的蜂音，因此，使用效果也不尽理想。
目前，在低功率气体放电灯领域，如日常使用的日光灯已经广泛采用电子镇流器取代传统的电感镇流器。这种电子镇流器不需要使用触发器，而且损耗小、发热低，实际使用效果相当好。但在大功率HID光源领域就不一样了。现有HID光源用电子镇流器主要分为高压钠灯电子镇流器和高压金属卤化物灯电子镇流器两种。HID光源本身的特点要求相应的电子镇流器具有0.95以上的高功率因数，适应电源电压范围更宽，转换效率高，发热较小，不需要触发器即可点燃，点燃后照明光线稳定等技术特点。但这些实现起来并不容易。由于HID光源的工作电流较大，需要采用大功率、高可靠性的电力电子器件制作专门的电子镇流器，这些电力电子器件要求能承受大功率的冲击，并能在较宽的电压范围内可靠地工作，受电网反复冲击、瞬时过压不会损坏。同时该电子镇流器在工作时又要求对电网又不会产生很大的干扰，电磁辐射应较小，不能干扰周围电器设备。
用以上技术要求来衡量，现有的电子镇流器技术还存在很多有待于改进的地方。究其原因，主要在于现有HID光源专用镇流器基本采用模拟器件实现。这些模拟器件存在温度、参数漂移现象，加之各个器件之间存在参数不完全一致的问题，而由模拟线路设计实现的功能和参数又不便做出调整，因此不能满足对HID光源可靠、灵活、精确的控制要求。
众所周知，数字技术是当今电子技术应用于产品的发展方向。采用数字化控制的电子产品，其质量水平、功能、性能、应用范围等，均远远超过传统的模拟技术。要从根本上解决现有HID光源使用的电子镇流器存在的技术问题，数字技术的应用无疑将是最为有效的手段。但到目前为止，国外的HID光源用电子镇流器总体上以模拟技术为主，不同程度地存在结构复杂，功能有限、价格昂贵等问题，而国内还处于模仿国外产品的阶段，受到成本、结构、设计要求、制作加工水平的制约，均采用模拟电路结构，仅能实现“点灯”的基本要求，在技术上仍然有改进的必要。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的空白，提供一种专用于大功率高强度气体放电灯的适配器。该种适配器将镇流器和触发器集于一身，并利用内置的微电脑芯片进行全数字化控制，可以充分满足较大功率范围内的多种高强度气体放电灯的控制需要。
为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案一种数字式高强度气体放电灯适配器，它与高强度气体放电灯相连接，其特征在于所述数字式高强度气体放电灯适配器通过其内置的微电脑芯片对所述高强度气体放电灯的启动、运行、故障检测及处理全过程进行控制；所述数字式高强度气体放电灯适配器还具有功率输出模块、设备电源模块、系统检测模块；所述功率输出模块与高强度气体放电灯光源相连接，所述设备电源模块向所述功率输出模块、微电脑芯片和系统检测模块提供电源供应，所述系统检测模块采集所述功率输出模块和所述设备电源模块的运行参数，并将其输送到所述微电脑芯片，所述微电脑芯片接收采集到的各类参数，经处理后将相应的指令输送到所述功率输出模块。
本发明所述的数字式高强度气体放电灯适配器具有如下优点1.可以实现大于0.99以上的高功率因数，适应电源电压范围更宽，转换效率高，发热较小，不需要触发器即可点燃，点燃后照明光线稳定；2.采用全数字方式进行控制，控制精度高，反应速度快，对电网和器件本身都不会产生较大的冲击和扰动；3.针对不同参数的高强度气体放电灯，适配器只需要改变软件参数设置就可以使用，适应范围广；4.具有高可靠性，其内部具备可靠而完善的保护功能，可以承受大功率的冲击，受电网反复冲击、瞬时过压不会损坏，保护装置动作后能自行恢复，具有免维护特性。
5.具有完善的功率控制和网络控制功能，可以满足大规模网络化管理使用的要求。
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的说明。
图1为本发明所述的数字式高强度气体放电灯适配器的基本组成框图。
图2为本数字式高强度气体放电灯适配器中功率模块的组成结构框图。
图3为本数字式高强度气体放电灯适配器中设备电源模块的组成结构框图。
图4为本数字式高强度气体放电灯适配器中系统检测模块的组成结构框图。
图5为本数字式高强度气体放电灯适配器中微电脑控制模块的组成结构框图。
图6为本数字式高强度气体放电灯适配器的一个具体实施例的电路结构示意图。
具体实施例方式
本数字式高强度气体放电灯适配器不仅将镇流器和触发器集于一身，而且还可以通过内置的微电脑芯片调整其运行参数来满足多种高强度气体放电灯的控制需要，在技术理念上已经与现有的模拟电路产品完全不同，因此我们将之称为数字式高强度气体放电灯适配器，简称为气体放电灯适配器。如图1所示，它由功率输出模块、设备电源模块、系统检测模块、以微电脑芯片为核心的微电脑控制模块(简称为微电脑控制模块)组成，其中功率输出模块与高强度气体放电灯光源相连接，以提供HID光源使用时需要的电源供应，设备电源模块向功率输出模块以及微电脑控制模块和系统检测模块提供电源供应，系统检测模块采集功率输出模块和设备电源模块的运行参数，并将其输送到微电脑控制模块之中，微电脑控制模块由微电脑芯片及与之配套的外围电路组成，它是本数字式高强度气体放电灯适配器的控制中枢。微电脑芯片接收来自数据采集模块的各类参数，在完成识别、判断、处理等一系列数据处理流程之后，将处理结果反馈到功率输出模块，由功率输出模块根据来自微电脑的指令调整其运行参数，使本数字式高强度气体放电灯适配器始终保持在最佳的工作状态。
功率输出模块在使用HID光源的过程之中起着至关重要的作用。它本身兼具触发器和镇流器两种功能，但与现有技术不同的是，它在启动过程之中具有多级点火和随机启动功能，在运行过程中还具有自动调光、功率控制、自动功率跟踪、“声共振”抑制等多种功能。这些功能是通过图2所示的电路结构来实现的。如图2所示，功率输出模块包括点火线圈、多级点火发生器、半桥式场效应功率开关、输出频率合成器等组件，其中点火线圈与多级点火发生器相连接，半桥式场效应功率开关与输出频率合成器相连接，点火线圈和半桥式场效应功率开关分别与HID光源相连接，而多级点火发生器和输出频率合成器则通过数据调整总线接收来自微电脑芯片的指令。上述数据调整总线是一个电平转换装置。由于微电脑芯片和各个电子元件的工作电压并不完全一致，微电脑芯片不能直接与各元件相连接，而必须通过数据调整总线再与各元件进行连接。电平转换装置是数字电路中常用的基本元件，作为公知技术，在此就不赘述了。另外，在图2中还标有系统检测模块的一部分电路。输出采样装置与HID光源相连接，以采集其运行状态的参数，采集到的数据经过模拟/数字转换器之后传输到系统检测模块中的运行信息数据总线之中。
本数字式高强度气体放电灯适配器具有的数字多级点火功能是这样的首先微电脑芯片产生一个低频率脉冲信号，送到点火线圈产生一个高压点火脉冲，点火线圈一开始采用一个较低的点火电压试验点火，微电脑芯片通过对运行电流的分析判断是否点火成功，如点火失败，系统软件将控制点火线圈产生一个高一级的点火电压，反复，直至正常点燃，然后点火操作立即停止。这样保证了以最低的点火强度可靠引燃光源，延长光源使用寿命。即使是传统模拟式HID电子镇流器不能正常点燃的“老化光源”，本数字式高强度气体放电灯适配器也会自动识别，通过较高的点火级别仍然可以使用。另外，当光源正常点燃后，数字式高强度气体放电灯适配器会首先进入小功率预热模式，此时输出功率仅为标称值的1 5％，几秒钟以后，输出功率线性的逐渐增大。从预热完成到满功率输出所经过的时间由软件参数设置。上述多级点火功能克服了现有技术中只有单一的点火电压，过低的点火电压将不能保证光源的可靠点燃；过高的点火电压对光源的寿命又有严重影响的问题。
多个大功率HID光源在同一电网上使用时，同时启动会对电网造成大电流冲击。本数字式高强度气体放电灯适配器采用随机启动方式来解决这一问题。这一方式举例而言是这样的把1-5秒均匀的分成256级，每次启动点火的时间通过微电脑芯片在256级内随机确定。这里具体的时间范围参数可通过软件修改，因不同批号、不同型号、不同用途等因素，可能参数不同。该种启动方式最大限度地降低对配电设备和供电线路的要求，可以改善电网运行质量。
图3所示为本数字式高强度气体放电灯适配器中设备电源模块的组成框图。220V市电接入本设备电源模块之后，首先经由电源滤波器进行滤波，以去除市电中不可避免的杂波干扰，然后再进入一个电源整流器中，交流电经整流后再进入一个功率因数矫正器，以提高功率因数。经有关专业机构检测，本数字式高强度气体放电灯适配器的功率因数平均可以达到0.99以上。经过功率因数矫正后的电流一部分直接接入上述功率输出模块之中的半桥式场效应功率开关，另一部分接入本数字式高强度气体放电灯适配器的内部辅助电源之中，内部辅助电源与各个电气元件相连接，以提供其工作所需要的电源供应。在图3中还显示有系统检测模块的电源状态电路。输入采样装置与电源整流器相连接，采集其运行状态参数，采集到的数据经过模拟/数字转换器之后传输到系统检测模块中的运行信息数据总线之中。
图4为系统检测模块的组成结构框图。由于在图2和图3之中已经显示了系统检测模块的一部分电路，故在图4中就没有重复画出。在本系统检测模块之中，采用电流互感器进行电流采样，采用电压取样电阻网络进行电压采样，采用温度传感器对整个装置的运行温度进行采样，采样后的数据经过模拟/数字转换器之后接入运行信息数据总线之中。
图5为微电脑控制模块的组成结构框图。在图5中，系统检测模块采集的运行数据经过模拟/数字转换器之后接入运行信息数据总线之中，运行信息数据总线直接接入微电脑芯片。微电脑芯片对运行信息数据进行处理之后，将相应的控制指令通过数据调整总线向各个电气元件输出，各个电气元件根据接收到的指令进行动作。微电脑芯片具有串行通讯端口，可以利用这一端口实现对各个气体放电灯适配器的网络化控制，对此功能下文中还有详细说明。本微电脑芯片与一个数据随机存储器相连接，以存储有关运行数据。它还具有系统软件及软件参数设置接口，以便使用者根据HID光源的情况及时更新系统软件或者软件参数，保证本数字式高强度气体放电灯适配器的强大兼容性。另外，本微电脑芯片还与LED状态指示灯、复位电路、系统时钟电路等相连接，这些都是使用微电脑芯片时常见的普通电路，在此就不赘述了。
图6为本数字式高强度气体放电灯适配器的一个具体实施例的电路结构示意图。它基本上是图1所示组成框图的细化，其组成和内部连接关系在前文中都有所揭示，在此就不赘述了。在这一实施例中，使用的微电脑芯片是8位芯片AT89C58。当然，使用其他种类的8位或者16位微电脑芯片也是可以的，例如W77E58、TMS320C54V90、P89C66xHBA、87C51等等，它们都是本实施例中所用微电脑芯片的等同替换。
本气体放电灯适配器与现有产品的最大不同就在于采用微电脑芯片进行全数字式控制。这就使本适配器具有许多现有产品不具备的新功能。下面简要说明如下本数字式高强度气体放电灯适配器一个点火到输出的过程包括以下几步8位微电脑芯片AT89C58首先在系统软件及软件参数设置中读取启动功率、预热功率、预热功率调整速度、预热时间、输出功率等参数，在较小的启动功率值上点火启动，然后，逐渐加大功率，将功率调整到预热功率值并锁定，等预热时间完成后，按预热功率调整速度值继续加大功率，直至功率达到输出功率值，最后锁定。
在这一过程之中，本气体放电灯适配器由于采用微电脑芯片进行控制，具有自动匹配光源的功能。它实时进行输出端检测，通过输出采样和模拟/数字转换器对HID光源进行对负载电流特性的数字量化，采样后的信息送给8位微电脑芯片AT89C58计算出反映当前输出情况的各项技术参数，与预先设定的特性参数进行比较和逻辑判断，自动识别出当前负载类型、匹配情况，并自动调节包括输出频率、输出功率、预热时间、启动延迟速度等在内的内部运行参数，使本数字式高强度气体放电灯适配器与HID光源取得良好的匹配。
在启动后的运行过程中，本数字式高强度气体放电灯适配器采用数字化调光控制方式。在半桥式场效应功率开关内装有一个输出扼流电感，该扼流电感与HID灯串联。微电脑芯片在系统软件的控制下，输出控制信号到输出频率合成器，通过调整输出频率合成器输出的信号使半桥式场效应功率开关的推动信号频率改变，这样由于扼流电感的感抗发生改变，输出到高强度气体放电灯的电流亦发生改变，功率也随之改变从而实现调光的作用。只要精确地控制推动信号频率即可实现调光功能。本气体放电灯适配器的调光控制方案可以针对用户要求进行设置，它可以自动实现输出功率在30％-100％的范围内的功率线性调整。其调光的速率、深度、趋向、分时段调光均可通过软件设置完成。此方法具有调光线性好、精度高、范围大、控制灵活、不易熄火的优点。
由于输出功率参数是通过软件参数确定，这样就可以避免批量生产时，由于器件的离散性，造成整机功率值参差不齐的问题，生产效率会大幅提高，可确保功率准确度优于1％，且稳定性极高。
现有的电子镇流器采用模拟电路构成，需要功率采样单元、基准电压单元、比较放大单元和直流反馈控制单元。此类电子镇流器的控制精度无法保证，仅能满足粗劣的功率跟踪要求，将严重影响节能效果和光源正常使用寿命，甚至损坏光源。
本数字式高强度气体放电灯适配器具有自动功率跟踪功能，它较普通具备“恒功率功能”的电子镇流器在功率跟踪方面有本质区别。自动功率跟踪功能的核心控制参数在生产时，以软件形式一次写入完成，不需要任何二次调校，内部微电脑芯片通过功率采样电路，对输出功率进行周期性检测，将测量结果与软件设置的基准值进行比较计算后，得到误差参数。其后，再将该误差值与软件设置的允许误差参数值进行比较，做出相应的功率调整控制，直至满足软件设置的要求，这样控制精度极高，并且不受电源电压的波动、元器件的参数漂移、元器件的参数离散性、机件的工作温度、使用的光源特性差异和产品电路调校的精度等多种不确定因素影响。
本数字式高强度气体放电灯适配器由于采用微电脑芯片进行控制，它还可以实现“声共振”抑制功能。
所谓“声共振”是这样的据实验研究表明，在8KHZ-150KHZ范围内，采用某一恒定频率的高频电压驱动，HID光源的弧光管内易产生驻波，出现灯光闪烁、变色、发出可以听到的啸叫声，这种物理现象被称为“声共振”现象，长期下去将严重影响光源寿命。
现有产品只采用单一的频率调制方法处理，不能彻底解决问题。本气体放电灯适配器的系统程序内包括多种自动调整的“声共振”算法。首先通过系统采样单元获得“声共振”的采样信号并转化成数字信号。其后，微电脑芯片会判断是否出现“声共振”现象，如果出现，则自动将系统运行参数调整为用于抑制“声共振”而设置的调制信号的频率、相位、幅度的参数，尽早抑制“声共振”现象。
经过实际对比测试，本气体放电灯适配器具有的“声共振”抑制功能具有光源适应性强的特点，比现有产品在“声共振”抑制性能方面更有效、更彻底。使用本气体放电灯适配器的HID光源点燃后，灯芯呈非常稳定的圆柱形，光线极其稳定，肉眼根本无法察觉有任何闪烁感。
另外，本气体放电灯适配器还具有自动保护功能。它在工作时，8位微电脑芯片AT89C58不间断地进行工作状态数据收集，收集的运行数据通过运行信息数据总线，传送回8位微电脑芯片AT89C58，并判断是否出现异常。当出现异常时判断出异常状态的类型，并执行相应的参数调整和保护动作。如果判断为高强度气体放电灯光源开路、短路或失效时，8位微电脑芯片AT89C58会通过关闭输出频率合成器，停止半桥式场效应功率开关的功率输出。如果判断为市电电源超压、欠压或设备温度过高时，8位微电脑芯片AT89C58会通过调整输出频率合成器，降低半桥式场效应功率开关的功率输出，当温度逐渐降低并接近正常水平，它会恢复以正常的功率运行。这样，通过微电脑芯片对电网的运行状态、自身的运行状态、负载的运行状态进行综合分析，本数字式高强度气体放电灯适配器可实现多种瞬时运行保护，包括超压、欠压、超温、接线错误、光源开路、光源短路、光源失效、瞬时停电再起动等状态下的保护功能。
系统检测模块会检测内部各个关键部件的工作情况和关键工作点参数，发现任何问题都可以自动进入保护模式，当故障状态撤消后，会自动恢复运行。
本气体放电灯适配器还具有自动诊断功能，在生产和使用中发生故障后(电源故障除外)，微电脑芯片内的诊断程序会自动运行，检查内部各关键部位。定位故障后，本气体放电灯适配器会通过LED指示灯的不同状态显示，方便技术人员维修。在微电脑芯片内内部存有运行状态信息，可通过通讯端口与外部计算机连接，进行检查。
本数字式高强度气体放电灯适配器可以进行网络化控制，即联机进行开机、关机、调光、运行参数修改、故障自诊断等控制步骤。在8位微电脑芯片AT89C58内部的软件中包含一整套专用通信协议和算法，可通过它的通讯端口与其它专用控制设备或主机建立连接，实现实时的网络自动控制功能。它的运行数据也可通过同一个通讯端口送回其他专用控制设备或主机。在启用数字联机控制功能后，同一部门的每一台数字式高强度气体放电灯适配器都具有唯一的地址码和单一的群控地址码。所谓唯一的地址码和单一的群控地址码是指在生产每一台数字式高强度气体放电灯适配器时，在系统软件及软件参数设置中写入一个唯一的地址码，并可在使用时设置一个群控地址码，这样可以方便的实现有针对性的一对一的操作和多机同时操作。从而很方便的实现“单机”或“群控”的远程运行监测和管理。例如将计算机的串行通讯端口与数字式高强度气体放电灯适配器串行通讯端口相连接，在计算机上配备专用的软件，可以完成在计算机上的操作，对组网内的任意一台或多台数字式高强度气体放电灯适配器实现灵活的开机、关机、点火运行、运行参数修改、调光、故障自诊断、运行数据采集的功能。数字式高强度气体放电灯适配器的运行状态可以在计算机的屏幕上直观的反映出来。微电脑芯片通过串行通讯端口与专用控制设备或主机连接后，接收传送来的数字信息。通过通信协议解码，识别出调光指令，实现远端数字式高强度气体放电灯适配器的系统软件及软件参数设置，完成调光的状态设置和调光参数设置。这样可将多台数字式高强度气体放电灯适配器组网，实现实时的自动调光功能的扩展和计算机管理。
需要声明的是，本发明的特定实施方案已经对本发明进行了详细描述，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下对它进行的各种显而易见的改变都在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种数字式高强度气体放电灯适配器，它与高强度气体放电灯相连接，其特征在于所述数字式高强度气体放电灯适配器通过其内置的微电脑芯片对所述高强度气体放电灯的启动、运行、故障检测及处理全过程进行控制。
2.如权利要求1所述的数字式高强度气体放电灯适配器，其特征在于所述数字式高强度气体放电灯适配器还具有功率输出模块、设备电源模块、系统检测模块；所述功率输出模块与高强度气体放电灯光源相连接，所述设备电源模块向所述功率输出模块、微电脑芯片和系统检测模块提供电源供应，所述系统检测模块采集所述功率输出模块和所述设备电源模块的运行参数，并将其输送到所述微电脑芯片，所述微电脑芯片接收采集到的各类参数，经处理后将相应的指令输送到所述功率输出模块。
3.如权利要求2所述的数字式高强度气体放电灯适配器，其特征在于所述功率输出模块包括点火线圈、多级点火发生器、半桥式场效应功率开关、输出频率合成器；所述点火线圈与所述多级点火发生器相连接，所述半桥式场效应功率开关与所述输出频率合成器相连接；所述点火线圈和所述半桥式场效应功率开关分别与所述高强度气体放电灯光源相连接；所述多级点火发生器和所述输出频率合成器通过数据调整总线接收来自所述微电脑芯片的指令。
4.如权利要求3所述的数字式高强度气体放电灯适配器，其特征在于所述半桥式场效应功率开关内装有一个输出扼流电感，所述扼流电感与所述高强度气体放电灯光源串联。
5.如权利要求2所述的数字式高强度气体放电灯适配器，其特征在于所述设备电源模块包括电源滤波器、电源整流器、功率因数矫正器和内部辅助电源；市电电源与电源滤波器相连接，经滤波后的市电接入所述电源整流器中，经整流后再进入所述功率因数矫正器，所述功率因数矫正器分别与所述半桥式场效应功率开关和所述内部辅助电源相连接。
6.如权利要求2所述的数字式高强度气体放电灯适配器，其特征在于所述系统检测模块中的采样装置分别与所述高强度气体放电灯和所述电源整流器相连接，采集到的数据经过模拟/数字转换器之后传输到运行信息数据总线之中。
7.如权利要求2所述的数字式高强度气体放电灯适配器，其特征在于所述微电脑芯片通过所述运行信息数据总线接收来自所述系统检测模块采集的数据，并通过数据调整总线与所述功率输出模块相连接。
8.如权利要求1所述的数字式高强度气体放电灯适配器，其特征在于所述微电脑芯片具有串行通讯端口。
9.如权利要求1所述的数字式高强度气体放电灯适配器，其特征在于所述微电脑芯片具有系统软件及软件参数设置接口。
10.如权利要求8或9所述的数字式高强度气体放电灯适配器，其特征在于所述微电脑芯片为AT89C58。
全文摘要
本发明涉及一种数字式高强度气体放电灯适配器。它由功率输出模块、设备电源模块、系统检测模块、以微电脑芯片为核心的微电脑控制模块组成。功率输出模块与高强度气体放电灯光源相连接，设备电源模块向功率输出模块、微电脑控制模块和系统检测模块提供电源供应，系统检测模块采集功率输出模块和设备电源模块的运行参数，并将其输送到微电脑控制模块之中，微电脑控制模块接收来自数据采集模块的各类参数，经处理后将处理结果输送到功率输出模块。它采用全数字方式进行控制，可以实现大于0.99以上的高功率因数；使用时对电网和器件本身都不会产生较大的冲击和扰动；适应不同参数的各种高强度气体放电灯；工作可靠性高，保护功能完善。
文档编号H05B41/292GK1510976SQ20031011529
公开日2004年7月7日 申请日期2003年11月27日 优先权日2002年12月24日
发明者常鹏, 常鲲, 刘建新, 鹏 常 申请人:常鹏, 常鲲, 刘建新, 鹏 常