向高压气体放电灯提供能量的电子电路与方法 本发明涉及向高压气体放电灯提供能量的电子电路和方法。所述电子电路包括从交流电力线供电系统接收交流电压并加以转换的电力线供电输入部分以及将由电力线供电输入部分输出的能量储存起来的储能装置。所述电子电路还包括灯电流调节单元，它由电力线供电输入部分经由储能装置提供输入电压，并向高压气体放电灯提供可用的灯电流。
高压气体放电灯，例如飞利浦公司制造的UHP(超高压)灯就是人们所熟悉的先有技术的灯。高压气体放电灯是例如小型视频和计算机投影仪的最重要的光源，在最近的几年中它几乎完全取代了人们所熟悉的架空(overhead)投影仪。这些灯的物理性质使得制造体积很小但是亮度很高的投影系统成为可能。通过小型化所获得的最大好处是节省成本、特别是在有源显示器件和光学部件方面。
然而，与传统地白炽灯泡和低压气体放电灯等比较，这种高压放电灯确实有些缺点，如在熄灭以后不能立即重新再次点燃。其原因是在关断以后短暂时间内，放电容器存在超过200巴高的工作压力，使填充的气体成为几乎理想的气体，从而破坏了电阻绝缘器。因此，必须等待充分冷却后，使得内部压力下降到足够低的水平，如5巴左右才可以重新点燃。具体取决于灯的结构和工作环境，这段时间最长可达数分钟。
只要重新施加工作电压，有可能使灯熄灭以后立即重新点燃。原因是最初仍然有足够的电荷载体存在。但是，只需100μs左右，这些电荷载体就会退化。因此，在实际使用时，任何投影仪应该避免让灯熄灭，哪怕是短暂的一刻。
投影仪的灯通常由公用交流电力线供电系统来供电。但是，的确存在交流电力线供电系统的电力线供电电压短暂中断或其电压低于标称值的可能。为了缓冲此类故障，使用时应该由具有储能装置的电源供电。所述储能装置能够储存足够大的能量，能够在需要的时候被取而用之。具体可以考虑用电解电容器来充当储能装置。
为了图解说明这类电源，图1以方框电路图的形式表示已知实用的向高压气体放电灯供电的典型电子电路。
所述电路首先包括与公用交流电力线供电系统11连接的具备整流功能和电压稳定功能的电力线供电输入部分12。在本示例中交流电力线供电系统11应该能够提供85到264伏有效值电压。与电力线供电输入部分12连接的灯电流调节单元14起到稳流器的作用。高压气体放电灯15由连接到灯电流调节单元14的电路提供能量。而且，电力线供电输入部分12和灯电流调节单元14之间的连接电路通过作为储能装置的电解电容器13接地。为了达到稳定灯电流的目的，还常常提供测量灯电压和电流的设施(未示出)。
为了令灯15工作，电力线供电输入部分12将加到其上的线电压整流并将整流后的电压向电解电容器13输送。在正常的情况下，电力线供电输入部分12使用其电压稳定功能来确保储能装置13的平均电压(例如在本示例中为400伏)，在本示例中，所述电压与标称线电压无关。结果令电解电容器13向灯电流调节单元14提供实际上恒定不便的电压作为其输入电压。灯电流调节单元14接下来向高压气体放电灯15提供电流，由此使所述灯获得稳定的平均功率。为了令使用交流电的灯工作，灯15还在它的上游连接有逆变器(未示出)，它将灯电流调节单元14所提供的直流电转换成交流电后提供给灯15。然而，就本发明的工作原理而言，这不是实质性的。因此，下面所提供的示例只论述使用直流电工作的灯。
只有当灯电流调节单元14的输入电压没有下降到某最小的电平Umin的时候，灯电流调节单元14才能够维持向灯提供的电流。在本示例中，所述最小电平Umin通常取决于灯的电压，随着灯的使用寿命延续，所述电压不断上升，Umin还取决于灯电流调节单元14的基本电路。在所谓补偿(buck)变换器中，最小允许输入电压大约等于灯的电压。一旦储能装置13放电到所述电平，灯马上熄灭。因此，为了获得最长的缓冲时间，必须或者使用更大的储能电容器13或者使线电压开始下降时的电容器的电压尽量地高。输入到灯电流调节单元的最大电压Umax取决于电子电路元件所能承受的极限值，至少取决于储存电容13两端所允许的最大值。在对通常出现在交流电力线供电系统的电压进行整流时施加的最大输入电压Umax的常用数值约为400伏。
如果电力线供电完全停止，则只剩下储能电容器13向灯稳流器14供应能量。输入电压U(t)的波形则由下式给出：
U(t)=Umax2-2CElcap(1ηPLamp·t)]]>
在上式中，η是灯电流调节单元的效率，t是以秒为单位的自断电发生后所经过的时间，而EElcap是电解电容器的容量，单位是法拉。在线电压完全中断的情况下，在经历了tmax的时间后达到了灯熄灭最小电压Umin。从上式可以导出时间tmax：
tmax=η(Umax2-Umin2)·CElcap2·PLamp]]>
这种线电压的中断常常是所有的供电系统一起发生的。然而，至少在工业化国家里，所述现象只会持续很短一段时间，一般少于20ms。如果所设计的储能装置的缓冲时间是20ms，则由于电力线供电电压中断而造成灯熄灭的情况很少发生。
如果电力线供电系统发生欠电压(可能会延续几百毫秒)，必须考虑的是，还存在残留功率电平PResid并通过电力线供电输入部分继续供电。大多数投影仪的设计考虑到可以在全球范围内工作，也就是说，线电压从85Vrms到264Vrms。所以，在标称的230V电压下通常不会有任何问题。但如果工作地点不同，例如在日本或美国，线电压是110V，在这种情况下，欠电压意味着在长达几百毫秒的时间内，投影仪只靠50Vrms的电压工作。如果电源的原本设计的最大输入电流在85Vrms还能够输出标称的功率，那么，在本示例的残留功率应等于标称功率的59％左右。
考虑到电力线供电输入部分输出残留功率Presd50％，输入到灯电流调节单元的电压U50％(t)的波形可以从下式获得：
U50%(t)=Umax2-2CElcap((1ηPLamp-PResid50%)·t)]]>
上式中变量U50％(t)的下标“50％”用举例说明的方式表示线电压下降到标称电压的50％。如果发生欠电压，在经历时间tmax50％之后，达到灯熄灭的最小电压Umin。时间tmax可以由上式经过变换后得到：
tmax50%=(Umax2-Umin2)·CElcap2·(PLampη-PResid50%)]]>
如果发生的所有情况是线电压欠电压，则由于交流线电压提供残留功率，缓冲时间将较线电压完全中断时长。然而，由于欠电压会较断电延续更长的时间，则只为断电而设计的由电容器提供的缓冲时间对欠电压的情况就不够长。
给定所需的缓冲时间及工作数据，则有可能根据上面所给的公式确定储能电容器13所需的最小电容值，所得的答案就是投影仪中通常使用的电容器大小。在设计电路的时候，具体到本示例，所需的缓冲时间是用下面方式确定的：在给定预计的线电压的统计特性下，很少会发生灯熄灭的情况。
因此储能电容器的的根本目的在于缓冲供电系统所发生的断电和欠电压的故障，防止灯熄灭。由于即使在缓冲故障期间，灯仍然继续工作，用户就无须知道是否发生电力线供电电压中断的情况，尽管这不是经常发生的。然而，能够提供这种缓冲功能的储能电容器是电源部分体积最大、价格最贵的分立元件，因此它是决定电源总体体积的主要因素。特别是对于要求体积很小的机器，电解电容器体积庞大是令人讨厌的事情。
因此，使用于向高压气体放电灯提供能量的电子电路中储能装置的体积尽量小，同时又保证发生掉电时灯不会熄灭的意义重大。
在日本专利申请JP 2000133482中，提出了通过以下方法来扩展灯功率调节系统的功能：检测电容器电压，如果电容器电压下降，则调节器开始工作，降低灯的功率。正如上面给出的公式所表示的那样，即使使用相当小的电容器，还有可能获得一段长的缓冲时间而不会让灯熄灭。然而，使用这种方法存在一个问题，就是确保附加的调节元件的反应速度快到足以使灯的功率在短时间内降下来。导致这个问题特别难以解决的事情是，当使用小型储能装置时，在储能装置处的电压波形起伏就相当明显，显然是供电系统的功率流不稳定造成的后果。
因此，本发明的目的就是提供具有小型储能装置的改进了的电子电路，为高压气体放电灯提供能量。本发明的具体目的是用这类电子电路保证对线电压的降落作出特别快的反应，目的是为了用这种方式确保灯不会熄灭。
根据本发明，一方面通过具有权利要求1所详述的特征的电子电路，通过包括这种电路的点火系统以及与该系统连接的高压气体放电灯，以及通过包括至少一个这种电路的投影仪来达到这个目的。
根据本发明，另一方面通过由权利要求11所详述的步骤所构成的方法来达到这个目的。
本发明基于以下思路：使用适当设计的灯电流调节单元，当输入电压下降时灯电流能够自动减小，无须测量输入电压，也不用启动特殊的调节装置来使之下降。根据本发明，达到所述目标的方法是让灯电流调节单元具有互导器的特性。这种类型互导器能够将输入电压的变化转变成输出电流的相应变化，由此产生输入电压与输出电流之间的正反馈。因此，根据本发明，灯电流调节单元只是简单地以传统的方式来调节灯电流，也就是说，以这种方式来获得所需的灯功率。在本示例中，这种传统的方式可能相对缓慢，例如启动后每10ms才调整一次受控变量。另外，由于根据本发明灯电流调节单元具有互导特性，所以，只要储能装置的电压一下降，则从所述储能装置所抽取的功率立即减小，因而无须功率调节装置采取任何动作就可以实现降低灯电流。
根据本发明的电路的一个优点是：可以使用特别小的储能装置，同时又能保证避免当线电压中断或交流电力线供电系统电压降落时灯过早地熄灭。
根据本发明的电路还有一个优点是反应特别快，这是由于灯电流调节单元输入电压的变化直接影响到后面的输出，而不存在由调节器造成的延时。
根据本发明的电路的各种有利的实施例构成了各项从属权利要求的主题。
在一个最佳实施例中，根据本发明的电路还包括噪声调节功能，使得在某种程度上能抗拒因灯电流调节单元的互导特性所引起的电流下降。这样，所述用于纠正破坏性因素的装置，由于对灯功率所遵循的曲线本来就没有影响，所以能够压抑来自电容器的电压自然起伏，这种起伏在单相电力线供电系统中由于功率流不稳定是不可避免的。为达此目的，这些纠正破坏性因素的装置要么将储能装置的电压与预置的标称电压相比较，要么将灯电流与预置的所要求的灯电流相比较，或者在需要的时候同时做上述两件工作。同时，这些纠正破坏性因素的装置的功效是有限的，只能有限度地矫正来自储能装置的电压下降。
另外，这种类型的用于纠正破坏性因素的装置能够保证，在存在由互导特性引起的灯电流减小时，只要储能装置仍然能够提供足够的电压，就能够保证灯的功率不会下降到最小电平以下。其重要性在于存在更低的界限，对高压气体放电灯而言，这些界限取决于根据功率下降而设定的电压下降的时间长短。因此，互导特性与纠正破坏性因素装置的组合将确保最低限度的灯电流，在此电流下，储能装置能够提供能量，以便在尽量可能长的时间内维持最低限度的电流，使得在这段时间内，甚至在最低限度电流条件下，灯也不会熄灭。
在根据本发明的电子电路的另一个最佳实施例中，用于对破坏性因素进行有限的纠正的装置是以微控制器的程序的形式实现的。
参考以下所描述的实施例，本发明的诸多方面将得到阐述，使其显而易见。
附图中：
图1是众所周知的先有技术的为高压气体放电灯提供能量的电路方框图。
图2表示本发明电路的灯电流调节单元电源部分的第一实施例。
图3表示由图2的电源部分所提供的电流的波形。
图4表示本发明电路的灯电流调节单元电源部分的第二实施例。
图5由图4所示的电源部分所提供的电流的波形。
图6表示本发明电路的灯电流调节单元电源部分的第三实施例
图7表示由图6的电源部分所提供的电流的波形。
图8表示根据本发明的电路中纠正破坏性因素的附加装置的第一实施例。
图9表示根据本发明的电路中纠正破坏性因素的附加装置的第二实施例。
图10表示对图8或图9的纠正破坏性因素的装置的限制的示例，以及
图11表示根据本发明的电源中线电压、电容器电压和灯功率的说明性波形。
图1已经根据先有技术解释过了。
本发明的第一实施例由图1所示电子电路发展而来。其中灯电流调节单元14包括具有互导特性的补偿变换器。
图2是第一实施例的补偿变换器的电原理图。
在补偿变换器中，由驱动单元A1控制的功率晶体管S用作开关。晶体管S通过线圈L连接到高压气体放电灯H的第一接线端。灯H的第二接线端接地。晶体管S与线圈L的连接用类似的方式通过续流二极管D接地。在本案例中，二极管的导电方向是从地指向晶体管S和线圈L的。线圈L和灯H的接点通过电容器C接地。施加到电容器C的电压因而等于灯两端的电压。对交流电灯而言，存在一个逆变器(这里没有表示)，负责从补偿变换器取出直流电变换成交流，所述逆变器接入到补偿变换器输出端与灯H之间。这和本发明的工作方式没有关系。因此，在接下来的阐述中，仅仅局限于直流灯的例子。
输入电压U1被施加到功率体管S。如果晶体管S被驱动器A1接通，则所述电压U1造成电流IL流过线圈L，并被电容器将其波纹平滑，然后作为灯电流I2施加到灯H。在本示例，施加到灯两端的电压是U2。
所示的补偿变换器以固定的接通时间t1工作，叫做间歇工作，根据本发明，它为电源部分提供互导特性。
对图3所示的间歇工作而言，驱动单元A1每次令晶体管S导通并持续接通时间t1。流过线圈L的电流IL在接通时间t1期间线性上升，过后晶体管S关断，所述电流再次线性下降到零。所述过程每隔一个由驱动单元A1设定的周期T重复一次。在本示例中，施加到补偿变换器的电压U1以一定的梯度反弹，电流也以这样的梯度上升，继而达到电流IL的最大值。
所述电路配置的控制参数是接通时间t1，它可以由驱动单元A1事先设定，而且最终产生给定的平均灯电流。通过恰当地调整周期T的长短，在本示例中，作为输入电压U1的函数，任何所要求的灯功率波形都可以获得。
间歇工作时，灯电流I2的波形由下式给出：
I2=t1T·U1(U1-U2)2·L·U2]]>
这样，图2的电源部分将产生一条二次功率曲线，其零点总是与灯电压的零点相重合。
所以，图2的补偿变换器使得灯电流能够自动地与灯电压的变化相匹配。这样，如果出现线电压中断，或者出现欠电压，从图1所示的储能电容器所获得的电压将减小，结果是，线电压中断或下降这一段时间就能够被覆盖，灯也不会熄灭，在相对小的储能电容器13情况下具有很高的可靠性。同时，自动匹配功能使得对电压下降的反应速度非常快。
图4表示本发明的第二实施例的另一种补偿变换器的原理图。所述补偿变换器也是灯电流调节单元的电源部分，是从图1所示电子电路发展而来的。
在很大程度上，第二实施例的补偿变换器与图2的补偿变换器的结构是一样的。因此，图4所示电路的分立元件用与图2电路相对应的元件相同的标号标识。然而，在第二实施例中补偿变换器，不是以间歇方式，而是以连续方式工作。它不会像图2的示例那样在接通期间通过预先设定的、几乎是不变的参数控制，而是由比较器控制。基于这个原因，晶体管S的驱动装置不同于图2的驱动装置。
提供用于驱动目的的比较器K，一方面向其输入参考电流Iref，另一方面向其输入流过线圈L的当前电流IL。比较器K的输出端连接到驱动单元A2，所述驱动单元驱动晶体管S并预先编程设定等待时间Δt。
图5中绘出利用所述电路获得流过线圈L的电流IL与时间t的关系曲线。
当比较器K发现流过线圈L的电流IL超过参考值Iref时，驱动单元A2经过一段等待时间Δt后将功率晶体管S断开。同样，当发现流过线圈L的电流IL下降到电流极限Iref以下时，经过一段等待时间Δt后，驱动单元A2再次将功率晶体管S接通。
对于由比较器控制补偿变换器的情形，直接影响平均灯电流I2的控制参数就是参考电流Iref。在本示例中，通过赋予等待时间一个合适的数值Δt，可以获得本示例作为输入电压U1的函数的所需的灯功率的波形。
使用图4所示的比较器控制的补偿变换器，可以获得由下式给出的灯电流I2的波形：
I2=Iref+U12LΔt-U2LΔt]]>
所设定的功率曲线是作为电容器电压U2的线性函数曲线。在本示例中，功率曲线的零点取决于预先设定的参考电流Iref。
如果线圈L中的电流曲线底部峰值电平到达0值，就会出现一种特殊情况。二极管D会阻止电流进一步下降到负值。其结果是，随着输入电压下降，电流下降的速度比它开始时的下降速度慢。这种现象可以充分利用来保证功率不会下降到某个最小值以下。
因此，这种比较器控制的补偿变换器允许获得与第一实施例的补偿变换器相同的优点。
图6示出另一个比较器控制的补偿变换器的实施例，利用该补偿变换器也可以得到同样的优点。除了二极管D被场效应晶体管SD代替之外，这种补偿变换器的结构与图4所示的补偿变换器的结构一模一样。只要在接通状态允许电流既可以正向也可以负向流动，在功率晶体管SD的位置可以使用任何所需的开关装置。与功率晶体管S类似，功率晶体管SD是由驱动单元A2的输出所驱动的，虽然在本实施例中在驱动单元A2与晶体管SD的基极之间接入了反向器IV。因此，第二晶体管SD的开关状态总是与晶体管S相反。所述电路也被称为二象限变换器，因为它使能量既可以从施加有电压U1的电路的输入端流向到灯H又可以从灯H流向电路的输入端。
图6中所示的电路可以用与图4所示电路同样的方式配备互导特性。为达此目的，可以再次设定适当的参考电流Iref以及合适的等待时间Δt。所述电路配置同样服从灯电流取决于灯电压的定律。然而，与有二极管的电路不同，图6的电路配置还允许电感器L中的电流是负向的。因此，图6所示的电路不是一种特殊情况，并且以完全相同的方式从为图4拟定的方程得到电流的零点。
图7中示出图6的补偿变换器的流过线圈器L的电流IL的典型曲线。除了电流IL还可以是负值之外，所述曲线与图5所示的曲线一样。
应该在一定程度上能抗拒电容器电压的变化，以便在无论电容器电压产生任何不可避免的微小变化时，根据本发明的调节装置不会产生任何不希望有的灯功率的变化。图8和图9各自示出的用于矫正破坏性因素的用于此目的的辅助装置。
类似图1表示的电子电路，两个附图分别包括电力线供电输入部分62和72、电容器63和73、灯电流调节单元64和74以及灯65和75。根据本发明，本实施例中灯电流调节单元64和74具有例如利用图2、4和6的补偿变换器之一获得的互导特性。
为了对破坏性因素进行辅助纠正，在图8中还检测电容器63两端的电压。由加法器68确定的预置的电容器电压标称值与实际检测的电压值之间的差值被馈送到调节器66。调节器66的输出输送到限幅器67。限幅器67的输出在第二加法器69处与预置值相加，然后用来驱动灯电流调节单元64。
相反，在图9，为了对破坏性因素进行辅助纠正，所测量的是实际的灯电流。由加法器78来确定灯电流标称值与灯电流的实际测量值之间的差值，并将其馈送到调节器76。与图8一样，调节器76的输出输送到限幅器77。限幅器77的输出由第二加法器79与预置值相加，然后用来驱动灯电流调节单元74。
因此，图8和图9中纠正破坏性因素的装置的的唯一差别是：在一个实施例中由加法器68确定电容器电压对标称电压的偏离，而在另一个实施例中由加法器78确定灯电流对所需电流的偏离。
无论是那种情况，与加法器68、78输出对应的调节信号分别在调节器66、76中形成。其目的是使调节信号作用于相应的灯电流调节单元64、74，以便补偿任何电压下降，以阻止灯电流下降。但是调节信号的效果分别受到限幅器67、77的限制，这样，如果电容器电压继续下降，根据本发明，从所述点开始，将自动减小灯电流。然后将纠正破坏性因素的限制装置的输出借助于相应的加法器69或79叠加在灯电流调节单元的原始控制信号之上。
根据所使用的调节器66或76的情况，也可以将所述限幅器设置在调节器66或76的上游。
图1 0表示在限幅器67或77中实现的可能的功能。该图示出曲线图，x轴表示来自调节器66或76输出信号值，而y轴以W标示，表示来自限幅器66或67输出信号的数值。如曲线所描绘的那样，任何可能的输出信号都具有与其关联的限幅器输出信号，因此，限制了用于纠正破坏性因素的装置对电流调节装置的作用。
在所述曲线图中，限幅器输出信号以相对陡峭的梯度上升到正比于调节器输出信号的第一个正值X1，这意味着调节器输出信号的微小增加都会产生限幅器输出信号的较大幅度上升。在值X1和第二正值之间，梯度减小。结果，在这个范围内，当调节器输出信号增加，则限幅器的输出信号上升近似相同的数值。从值X2起，曲线的梯度处于最小值，也就是说，当调节器输出信号上升时，限幅信号实际上没有进一步改变。
以这样的方式选择第一范围内的X1和所述梯度，即，使单相供电系统的不恒定功率流所引起的自然起伏已经没有任何影响。以这样的方式选择X2，即，当转换到非纠正方式工作时能获得稳定的调整功能。选择大于X2时由于梯度小导致的最低效率，以便在总断电事件中获得灯熄灭之前的最长持续工作时间。
最后，图11展示了1秒期间内电力线供电电压、储能电容器两端的电压和灯功率的曲线。最上面的实线表示储能电容器两端的电压UELcap，单位是伏特。底部的实线表示灯功率PLamp，单位是％，而虚线表示电力线供电电压UMains，单位是伏特。
在本示例中的标称电力线供电电压是100伏特，对应的电容器电压是400V。在这些电压之下，可以得到100％的灯功率PLamp。
在0.1s到0.4s的时间段内，电力线供电电压UMains有微小下降，但没有超过规定的标称电压起伏范围。尽管这段时间相对较长，但仍然没有影响电容器电压UELcap，因而也没有影响到灯功率PLamp因为后者是由可供利用的电容器电压UELcap调节的。即使电容器电压UELcap有轻微下降，纠正破坏性因素的辅助装置也会抵消灯电流的任何减小，以便防止因灯功率的任何起伏而给用户带来任何的不便。
在0.5s到0.6s的时间段内，电力线供电电压UMains下降50％左右。电力线供电输入部分12和电容器63或73的设计是不能在所述100ms期间维持所述电压以提供满负荷灯功率的。根据本发明，一旦电容器电压UELcap下降，灯电流，因而灯功率随之下降。本示例由于辅助装置66-69或76-79纠正破坏因素的作用，灯功率下降会延迟一段时间发生，其原因是下降首先被阻止，一直到超过储能装置所允许的电压自然起伏范围时为止。下降的幅度取决于残留电容器电压UELcap和互导特性。这确保证在欠电压时段内维持灯的功率PLamp，很可能不超过所述时段。同时，使由灯65或75给用户带来的无可避免的不便维持在最小。
最后，在0.8s时刻，电力线供电电压UMain完全中断一段短的时间。在这段时间内，电容器电压下降到几乎是电力线供电电压的1/4。根据本发明，由于互导特性，经过由纠正破坏因素装置引起的短暂延迟之后，灯电流，因而灯功率就会呈现出严重的下降。在本示例中，就所能预计的所有可能性得出的最长断电时间范围内，尽量减小灯电流，以防止灯65或75熄灭。
上述各种措施使得电解电容器的尺寸减小到约为典型尺寸的1/3左右。
所描述的实施例可以多种不同的方式加以变化。