专利名称：用于串联发光装置特别是高压气体放电灯的工作电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电路结构，其用于操作至少两个串联的气体放电灯或
其他发光装置尤其是高压气体放电灯(high intensity discharge,简称 HID),其具有相同的工作电流。
背景技术：
通常多个气体放电灯特别是上述HID灯仅在并联连接的操作装置中工 作。在DE19816815C1、 DE3925654C2和US7164237B2描述了这样的实例。
即使是相同的生产批次或相同类型的灯，气体放电灯特别是HID灯的 功耗经常彼此不相同。原因主要是不同的老化速率或者生产容限。但是在 荧光灯的情况下这通常不是问题，在HID灯的情况下，不同的功耗对这些 灯的发光有可察觉的亮度和颜色变化的影响。
发明内容
在下面的，本发明的目的是提供一种电路结构，通过该电路结构可以平 衡串联连接的例如气体放电管的发光装置，他们流过相同的工作电流。
根据本发明，该目的可以通过用于串联连接的发光装置(灯)的平衡单 元来实现，其另外自觉地或者以直接的方式为两个灯之间的连接点提供电流 或者从该连接点引出部分电流。
依靠本发明的技术方案，可以为两个串联连接的灯中的具有较低功耗的 一个灯提供附加电流，其增加该灯的功耗并且将该灯与另一个灯的功耗相匹 配。相反地，也可以在该工作电流流经具有较高功耗的灯之前，该平衡单元将流经灯的共同工作电流的一小部分分流。因此，该灯的功耗降低并且与另 一个灯的功库毛匹配。
冲艮据一个方面，本发明涉及操作至少两个串联连接的发光装置特别是气 体放电灯的方法，该装置(启动后)被通入低频工作电流(交变电流)，其 中除了该交变电流外自觉地为两个灯之间的连接点提供电流或者从该连接点 引出部分电流。
现在描述的本发明意义下的"低频"应该理解为显著地低于现有技术中
公知的高频(high frequency,简称HF)驱动，在千赫兹(KHZ )或者更低的 范围内。作为低频优选地为低于1KHZ，更优选地低于200赫兹(HZ)或者低 于100HZ。
术i吾"工作电流"应理解为启动后流经灯的电流。
本发明的进一步发展在于该工作电流为 一直流-交流变换器产生的 一 交 变工作电流，该变换器是由至少两个开关元件构成的桥式电路，该桥的交叉 线连接到直流电压源上，另外还在于该平衡单元包含一串联电路，其包括同 样地连接到直流电压源的至少两个元件，在于形成该平衡单元的串联电路的 元件之一是一另一开关元件，在于形成该平衡单元的串联电路的元件的节点 和上述两个灯的节点利用另一个元件可选择地彼此连接。
作为直流-交流变换器，优选地使用具有四个开关元件的桥式电路，其中 在每个实例中，连接到直流电压源的同一个电极上的这两个开关元件具有相 反的开关状态，具有这些特性但仅为了操作一个HID灯而被使用的桥式电路 在EP1114571B1中论述了 。
偏离额定功耗的信息，所述平衡单元为了计算以确定提供的或者转向的电流。 可以通过测量这些灯两端的电压差产生该信息。
该平衡单元的第一个实施例在于形成该平衡单元的该串联电路的另一 元件为反向连4矣的一二极管。该平tf单元的另一个实施例在于包含在该平衡单元中的该串联电路的 其他元件同样地为一开关元件。
可选择存在的另一元件，其连接该平衡单元的该串联电路的节点与上述 的两个灯之间的节点，可以为一电感器。
为了配置该平衡单元，进一步提出通过不断的断开和闭合对包含在所述
平衡单元(11)中的所述开关元件(S5，S6)计时，用以确定要提供或者转向 的电流(ib),计时频率和/或计时比率和/或计时模式(断开然后闭合或者反 过来)是变化的。
该平衡单元另外的优点在于在启动阶段其可作为一启动辅助器，其中
一振荡电路，给该振荡电路一合适的计时频率，发生该振荡电路的电压共振 导致的升压，产生启动。
另外，在预热阶段，该平衡单元用于协助提供或者转向电流用以稳定发 光过程。
本发明另一发展在于该平衡单元与主调整电路相互感应用以调节和调 整所述灯的总的功率输出，通过这种方式，需要时增加总的功率输出以保 证该平^f纤单元可以只改变电流方向，在这种情况下，如上面所述的该平衡 单元的串联电路包括一开关元件和一二极管。
根据本发明该电路结构的优点还在于该平衡单元仅消耗所述灯的总功 率中的相对小的部分。例如，如果所述灯的总功率输出是140瓦特，该平 衡单元仅需要10到15瓦特。因此，在该平衡单元的情况下， 一无损开关 是不必要的。
所述HID灯的串联连接的优点作为 一辅助特征将被指出。在400伏(V ) 范围内的总线电压通常可以用于为HID灯提供电压。如果每个HID灯有 10OV的额定电压，在两个灯串联连接的情况下所需的电压大约为200V. 在这种情况下，该变换器可以在一有利的50%的计时比率下工作，其中如果采用一低频开关周期，优选地构成一降压变换器。
下面将参考附图描述本发明的典型实施例。示出为
图1为本发明的系统结构图； 图2a和图
图3为平衡单元的可替代的实施例.
具体实施例方式
如图1所示，该结构图示出了两个发光装置(灯)LA1和LA2,其分别 与电感器L1,L2串联连接在一起。电流源14给该串联电路提供交变电流。例 如，该电流源14可以是一直流-交流变换器。该直流电压可以为一整流主电压 或者可以从总站通过一总线传递该直流电压到该变换器14。
灯LA1和LA2优选地为气体放电灯，特别是所谓的HID(高压)灯，后者 也可以在直流电流下工作。但是优选地，为了保证不会不均匀地烧坏电极， 可以使用低频交变电流作为工作电流。低频或者高频交变电流的另一优点还 在于可以通过抗流来实现电流限制。抗流表现在本实例中的电感器Ll和L2 上。
所述灯的总功耗由主调整电路13确定，其参数可以在外部调节。到最后， 主调整电路13接收从两个电流测量点流经灯LA1， LA2的串联电路的电流的 信息。通过这些测量点测出的电流为i，和i2。提供两个电流测量点是由于平衡 单元ll具有某种功能，这将在稍后作出解释。
主调整电路13计算测量到的关于灯LA1和LA2的串联电路的电流的信 号，并产生提供给电流源14的一控制信号。如果该电流源14是一直流-交流 变换器，可以通过用于切换正在被感应的该变换器的计时频率和/或计时比率 来控制该电流源14产生的电流。
如果两个灯LA1和LA2是相同的型号但是由于生产容限或者老化速率的变化所述灯表现出不相等的功耗，尽管它们具有相同的电流。变化的功耗导
致这两个灯LA1和LA2两端的电压差是不相等的。为了匹配这两个灯LAI 和LA2的功耗，利用最后提到的事实，也就是在串联电路的三个点测量电压 并且通过这种方式获得基于一参考势测量的三个电压ul， u2, u3。 ul与u2 的差产生灯LA1两端的电压差。电压u3和u2的差产生了灯LA2两端的电压 差。这三个测量的电压ul,u2,u3提供给用于平衡单元11的一调整电路12。该 调整电路12进一步接收来自主调整电路13的关于计时脉沖的信息项目，通 过该计时脉冲电流源14转变提供给所述灯LA1和LA2的串联电路的电流的 极性。
从提供给调整电路12的信息中，该调整电路产生一控制信号给平衡单元 11。平衡单元ll产生一电流，其提供给两个灯LA1和LA2的节点P，或者从 该节点P引出一部分电流。该平衡单元ll因此可以作为一电流源也可以作为 一电流沉。电流的提供和流出通过具有标号ih和i滅的箭头指示。
下面将说明平衡单元11的功能。在这个连接中假设灯LA1的功耗低于灯 LA2的功井毛，因此灯LA1两端的电压差小于灯LA2两端的电压差。为了使这 些灯相互匹配，有两种可能。第一种可能是向灯LA1导入一附加电流。第二 种可能在于如果工作电流从LA1流向LA2，在节点P处，分流该工作电流的一 部分，从而一降低了的工作电流流经灯LA2。
平衡单元11的其它功能将在稍后参考图2a和2b进行描述。
如果平衡单元以前述的方式工作，在灯LA1和LA2的串联电路的两个测 量点的电流U和i2是不同的。既然主调整电路13调整总电流，如果平衡单元 11作为一电流源，在提供电流后测量该工作电流是有必要的。另一方面，如 果平衡单元作为一电流沉，工作电流应该在分离一偏电流之前被测量。这可 以在一个电流方向i,和在另一个电流方向b或者反过来。
图2a和2b以具体方式示出了具有一直流-交流变换器的一电路结构，该 变换器将一直流工作电压转换成一交变电流。该电路结构包括具有四个桥臂1 到4和四个对边点5到8和两个桥交叉线9和10的电桥。每个桥臂1到4各 包含一个开关Sl到S4。电容器可以替代开关S3和S4中的一个或者两个插入桥臂3和4中。
该直流电压的正极处于对边点5,负极处于对边点6。开关Sl到S4或者 只有Sl和S2被不断的切换，在每种情况下，这些连接到直流电压源的一个 电才及上的开关具有相反开关状态。该开关频率相对低且典型地为100HZ.
图2a示出了由于切换引起的两个工作阶段的第一个，其中开关Sl和S4 是断开的并且开关S2和S3是闭合的或者是计时的。在下面的工作阶段，如 图2b所示，开关S1和S4是闭合或者计时的，而开关S2和S3是断开的。
为了能够控制根据图2a所示的工作阶段产生的交变工作电流，另外开关 S2在一相对开关频率较高的频率下被计时，例如50HZ。根据國2b所示的下 面工作阶^殳中，开关Sl被计时。开关Sl和S2的计时由弯曲的双头箭头指示。 在开关其中之一的计时过程中，每种情况下其他开关的集成续流二极管(体 二极管)用于在该计时的开关断开的阶段形成一续流路径。
包括灯LA1和LA2以及相关电感器Ll和L2的该串联电路处于对边点7 和8之间的桥交叉线10上。
电感器L2设置有连接到电容器C2和C3的终端的一4荅线。电容器C2的 另 一端处于两个灯LA1和LA2之间的节点P上。电容器C3的另 一端处于对 边点6上，也就是在直流电压源的负极上。另外，包括灯LA2和电感器L2 的该串联电路由电容器C1搭桥。
正如已提到的，可以用电容器代替低频时切换的开关S3和S4。这些电容 器可以实现期望的阻断和相应的交叉线的激活的传送。为了阻断集成续流二 极管而用更快的二极管替代它们，两个开关Sl和S2可以以有利的方式与其 他的二极管相互连接。
正如引言中所提到的，这里所使用的桥式变换器的基本原则由 EP1114571B1所)&知。该印刷出版物的内容试图公开该申请。因此将不再更 准确地解释电容器Cl-C3所具有的功能。需要注意的是它们一方面促成用于 启动的共振电路，另一方面具有抑制干扰的功能。
在这种情况中，电容器Cl用于过滤和平滑流过灯LA1和LA2的电流， 最重要是为了使开关Sl和S2的操作损耗尽可能的低。在每个例子中在一个开关的高频计时过程中，当流过电感器L1的电流达到它的最小值时接通开关 从而使开关损耗降到最小。在这种情况下的最小值优选地接近零或者稍微低 于零。
既然通过灯LA1和LA2的电流尽可能保持恒定，为了存储能量以平滑通 过灯LA1和LA2的电流，该电容器被用作一过滤元件。电容器Cl也可以被 不同的结构在电路中，重要的是能够平滑通过灯LA1和LA2的电流。
首先，电容器C2和C3用于启动灯LA1和LA2。他们与电感器L2—起 形成一个或多个的振荡电路，例如，该振荡电路可以通过利用共振中的增压 而被开关S3和S4的高频的交变计时所激发。但是也可能利用不同的启动电 路实现灯LA1和LA2的启动。例如，通过电感器L2的次级线圏利用在高频 时^^皮计时的电压在这个电感器中产生启动电压。
以这种方式，可以获得在低频交变电压下的灯LA1和LA2的工作，其中 在^f氐频开关时期通过灯LA1和LA2电流可以非常恒定。
平衡单元11形成桥式交叉线9。因此它从对边点5和6之间伸出，因此 也/人直流电压源的电极之间伸出。
在这个例子中，平衡单元11包括另外两个开关元件S5和S6，以及将这 两个开关元件S5和S6的节点连接到两个灯LA1和LA2的节点P上的一电感 器L3。在图2a所示的工作阶段，开关S6是闭合的，开关S5是断开的。在 图2b所示的下一工作阶^a，开关S6是断开的而开关S5是闭合的。
同样i也在图2a和2b中所表示的用于平衡单元11的调整电路和主调整电 路13已经结合图1说明了。因此省略进一步的描述。同样省略一些已经结合 图1#:描述了的其他细节。需要补充的是每个开关Sl-S6也可以通过续流二 极管额外4荅桥，特别是场效应晶体管。为了清楚起见，只示出了一个续流二 极管Dl纟荅桥在开关Sl上。
现在更详细地描述平衡单元11的功能。
在图2a中，将平衡单元11用作一电流沉。工作电流io从直流电压源的 正才及流向这里，也就是从对边点5通过闭合的开关S3、电感器L2以及灯LA2。 在两个灯LA1和LA2之间的节点P，平衡单元11将一部分电流ib分流，该部分电流流向电感器L3和闭合的开关S6到直流电压源的负极，也就是说到 对边点6。因此，通过灯LA1的是一差电流id，减去引出的一部分电流，该 差电流流过灯LA1和电感器L1、闭合的开关L1、闭合的开关S2，向前到达 直流电压源的负极，因此到达对边点6。这样流过灯LA1的电流就低于流过 灯LA2的电流，且这样就可以补偿与灯LA1相比功耗低的灯LA2。
当切换开关S1-S6后，工作电流改变了流动方向。如图2b所示，这里为 了再次补偿与灯LA1比较的灯LA2较低的功率输出，平衡单元11现在用作 一电流源。工作电流io从直流电压源的正极，也就是说从对边点5流出，该 电流流经闭合的开关S1、电感器Li和灯LAi，补偿电流ib从直流电压源的 正极，也就是说从对边点5流出，流经闭合的开关S5和电感器L3到节点P。 因此到达灯LA2的是总电流is,该电流流经这个灯，进一步流经电感器L2以 及闭合的开关S4，然后顺序流向直流电压源的负极，也就是说，到达对边点6。 因此总电流is比原来的工作电流io大一补偿电流ib。因此，灯LA2的功耗增 加。
通过测量三个电压ul、 u2和u3来监控和调整平衡单元11的补偿功能， 已经结合图1描述过。
例如在一个灯有故障时，平衡单元11可以与至少灯(LA1,LA2)之一选 择地切换成并联以桥接这些灯。
平衡单元11不是必须包括开关元件。图3示出了一被反向极化的二极管 DX代替开关元件S5的可能性。在这种情况下，平衡单元11用作一电流沉。 主调整电路13必须协助该平衡单元11的功能，必须相应地增加灯LA1和LA2 的总功耗。
通过一个或更多的附加启动电路也可以实现灯LA1和LA2的启动。例如， 为了使灯LA1和LA2达到足够高的电压，可以使用一启动变压器。在这一类 型的启动电路中，至少存在另外一个开关，该开关在高频时更有利的激发或 者至少触发该启动电路。如前所述的，对于启动后的工作，首先两个开关Sl 和S2是必要的，此外，电感器L2和电容器C1是灯LA1和LA2在低频下工 作所需要的。
权利要求
1、一种电路结构，用于操作至少两个串联连接的发光装置，特别是低频交变工作电流供电的气体放电灯(LA1，LA2)，其特征在于设置有一平衡单元(11)，除工作电流外其直接提供一电流(ib)到两个灯(LA1，LA2)之间的连接点(P)上，或者从所述连接点(P)引出一部分电流(ib)。
2、 根据权利要求l所述的电路结构，其特征在于所述工作电流为一直流-交流变换器产生的交变工作电流，所述直流-交 流变换器是由至少两个开关元件构成的桥式电路，其中所述桥式电路的一个 桥交叉线连接到直流电压源上；所述平衡单元(ll)包括至少由两个元件组成的一串联电路，其同样连 接到所述直流电压源上；形成所述平衡单元(11)的所述串联电路的所述元件之一为另一开关元 件(S5或S6);及形成所述平衡单元(11)的所述串联电路的所述元件的节点与上述的两 个灯(LAI, LA2)的所述节点(P)通过另一元件可选择地相互连接。
3、 根据权利要求2所述的电路结构，其特征在于 所述桥式电路包括4个开关元件(Sl-S4);以及在每种情况下连接到所述直流电压源的相同的电极上的两个开关元件 (Sl， S3和S2, S4 )具有相反的开关状态。
4、 根据前述权利要求任一所述的电路结构，其特征在于 向每个平衡单元(11)提供关于上述的两个灯(LAI, LA2)的实际功耗偏离额定功耗的信息，所述平衡单元(11)计算以确定提供的或者转向的 电流(ib)。
5、 根据权利要求4所述的电流结构，其特征在于通过测量灯(LA1， LA2)两端的电压差(u3-u2，u2-ul)产生所述信息。
6、 根据权利要求2-5任一所述的电路结构，其特征在于 形成所述平衡单元(11)的所述串联电路的另一元件为反向连接的一二极管(DX )(图3)。
7、 根据权利要求2-5任一所述的电路结构，其特征在于 包含在所述平衡单元(11)的所述串联电路中的另一元件同样地为开关元件(S5或S6 )。
8、 根据权利要求2-7任一所述的电路结构，其特征在于 可选择存在的另一元件，其连接所述平衡单元(11 )的所述串联电路的所述节点与上述的两个灯(LAl, LA2)的所述节点(P),为一电感器(L3 )。
9、 根据权利要求2-8任一所述的电路结构，其特征在于 通过不断的断开和闭合对包含在所述平衡单元(11)中的所述开关元件(S5,S6)计时，用以确定要提供或者转向的电流(ib),计时频率和/或计 时比率和/或计时模式(断开然后闭合或者反过来)是变化的。
10、 才艮据权利要求8和9所述的电路结构，其特征在于 在启动阶段，所述平衡单元(11)用作一启动辅助器，其电感器(L3)与包含在所述电路结构中的电容器(CI-C3)以及可选择地与另外的电感器 (L1，L2)形成一振荡电路，给所述振荡电路一合适的计时频率，发生所述振 荡电路的电压共振导致的升压，产生启动。
11、 才艮据前述权利要求任一所述的电路结构，其特征在于 在预热阶段，所述平衡单元(11)用于协助提供或者转向电流用以稳定发光过程。
12、 根据权利要求6所述的电路结构，其特征在于所述平衡单元Ul) —主调整电路(13)相互感应用以调节和调整所述 灯(LAI, LA2)的总功率输出与，通过这样的方式在需要时增加总功率输 出以保证所述平衡单元(11)能够仅转向电流。
13、 才艮据前述权利要求任一所述的电路结构，其特征在于所述主调整电路(13)和调整电路(12)采用集成电路的形式，特别是 一特定用途集成电路或者微控制器或者由其形成的混合电路。
14、 根据前述任一权利要求所述的电路结构，其特征在于 所述平衡单元(11)能够可选择地与所述灯(LAI, LA"的至少一个切换成并联，用以桥接所述灯。
15、 一种方法，用于操作至少两个串联连接的发光装置，特别是低频交 变工作电流供电的气体放电灯(LA1， LA2)，其特征在于除工作电流以外直接地提供一电流(U到两个灯(LAI, LA2)之间的 连接点(P)上，或者从所述连接点(P)引出一部分电流(ib)。
16、 根据权利要求15所述的方法，其特征在于 通过一平衡单元(11)实现电流(iJ的提供或引出。
全文摘要
本发明涉及一种电路结构，其用于操作至少两个串联连接的气体放电灯(LA1，LA2)，特别是高压气体放电(high intensity discharge，简称HID)灯，其具有相同的工作电流。为了平衡由于所述灯不同功耗引起的所述灯发出的光的亮度值和颜色的变化，提出为每一个相互连接的等同的灯(LA1，LA2)设置一平衡单元(11)，其为所述两个灯(LA1，LA2)之间的连接点(P)额外提供一电流或者从该连接点(P)引出一部分电流。
文档编号H05B41/14GK101448352SQ200810174248
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月14日 优先权日2007年11月16日
发明者爱德华多·佩雷拉, 费兰克·霍恩, 迈克尔·齐默尔曼, 马丁·休伯 申请人:三多尼克爱特克瑞士有限公司