用于产生灯的点燃电压的装置和方法 本发明涉及一种用于产生灯的点燃电压的装置以及方法。
公开了高压气体放电灯 ( 所谓的高强度放电 (HID) 灯 ) 例如 HE-HCI 灯或 MF-HCI 灯， 它们通常以大于 20kHz 的工作频率来驱动。
例如， 为了驱动高效 (HE) 灯， 尤其是 HE-HCI 灯 (HCI ： 汞 - 陶瓷 - 碘化物 ) 或者无 汞的金属卤化物灯， 需要正弦形的驱动交流电压， 其工作频率根据灯燃烧器的几何形状在 45kHz 到 55kHz 的范围中通常以 100Hz 的节拍锯齿状地改变 ( 摆动或者扫描 )。
在所谓的扫描工作中在灯中激发稳定的声学谐振并且因此附加地使等离子体弧 稳定 ( 所谓弧矫直， Arc-Straightening)。
除了扫描工作之外， 所扫描的驱动交流电压附加地还被幅度调制， 其中调制有利 地可以根据灯燃烧器的几何形状不仅在频率上 ( 通常在 23kHz 到 30kHz 之间 ) 而且调制深 度上 ( 在 5％到 30％之间 ) 进行调节。
幅度调制用于激发在等离子体弧中的特定的纵向声学谐振， 其使在燃烧室中的气 体成分增强地充分混合 ( 色彩混合 )。
扫描工作和幅度调制导致沿着等离子体弧的均匀发光密度并且导致光产出的显 著升高， 其中能够实现例如从 80LPW 到 150LPW 的效率升高。
HE-HCI 灯或者 MF-HCI 灯的工作需要在优选 20kHz 到 100kHz 之间的频率范围中的 交变的工作电压。
电子镇流器 (EVG) 的输出级通常通过特别调整的振荡电路 ( 半桥逆变器或者全桥 逆变器 ) 实施为耦合到灯上。
这种设计用于灯的正常工作的振荡电路并不适于产生高点燃电压 ( 尤其是大于 10kV)。
由于用于点燃灯的电压 ( 热点燃电压 ) 在数值上在大于 10kV 的范围中， 所以出于 绝缘技术的考虑这种高电压不应直接在该电子镇流器中产生。
此外， 在普通照明中， 在变化的线路长度达到例如 3m 的长度时可变的线路引导的 可能性以及用于引导在 10kV 以上的电压的线路的受约束的适宜性必须作为附加的边界条 件来考虑。这同样与直接在电子镇流器的输出端中或在其上产生较高的点燃电压矛盾。
热点燃电压通常借助单独的点燃单元来实现， 其中该点燃单元紧靠灯附近串联地 环接到灯回路中。
然而， 这种串联环接的热点燃电压模块具有在正常工作中明显的饱和电阻， 其引 起显著的电工作损耗。
本发明的任务在于避免上述缺点并且尤其是提出一种为灯提供点燃电压的可能 性， 其中该措施能够实现在灯正常工作期间 ( 在其接通阶段之后 ) 小的损耗直至没有损耗。
该任务根据独立权利要求的特征来解决。 本发明的改进方案从从属权利要求中得 到。
为了解决该任务， 提出了一种用于产生灯的点燃电压的装置，
- 包括第一谐振回路， 其通过开关与灯连接，
- 其中在第一谐振回路之前连接有第二谐振回路。
就此而言， 可能的是， 借助第一谐振回路直接激活开关并且在谐振回路中存在的 电能可以用于点燃灯。
通过相继连接的第二谐振回路和第一谐振回路， 可以以有效方式实现高点燃电 压。 优选地， 在第二谐振回路和第一谐振回路之间设置馈入线， 通过该馈入线可以有效地以 低电压形式输送电能， 其中在第一谐振回路中进行至高电压的实际变换。
一个改进方案是， 开关可以借助第一谐振回路中的起振电压来激活。
一个改进方案是， 该开关包括如下部件中的至少一个 ：
- 火花隙 ；
- 半导体开关 ；
- 点燃电极。
一个改进方案是， 第二谐振回路通过线路为第一谐振回路供给电能用于产生点燃 电压。
一个改进方案是， 第二谐振回路设置在电子镇流器中。
在此， 电子镇流器尤其可以为了驱动第二谐振回路而包括半桥电路或者全桥电 路。 此外， 一个改进方案是， 设置有微控制器和 / 或处理器单元， 其激励第二谐振回路 和 / 或第一谐振回路。
尤其是， 通过微控制器或处理器单元进行电子镇流器的半桥或全桥的激励， 以便 由此以电脉冲或者信号在频率可调节的情况下激励第一谐振回路或第二谐振回路。
在另一附加的改进方案的范围中， 可能的是， 微控制器重复地尤其是以变化的频 率激励第一谐振回路和 / 或第二谐振回路。
因此， 可以设置尤其是具有变化的频率的多个循环来产生点燃电压。
接下来的改进方案在于， 第一谐振回路和开关设置在灯附近。
优选地， 因此点燃电压可以通过短的线路直接提供给灯。
一个扩展方案是， 第一谐振回路设置在热点燃模块中。
一个可替选的实施形式在于， 第一谐振回路与开关串联连接。
接下来的扩展方案是， 旁路元件与第一谐振回路和开关构成的串联电路并联地设 置。
旁路元件优选构建为使得第一谐振回路在灯的正常工作期间 ( 在其点燃之后 ) 消 耗尽可能少的能量。
一个扩展方案是， 旁路元件是串联阻抗。
一个改进方案在于， 旁路元件包括在灯馈入线中的串联阻抗和 / 或在灯回线 (Lampenrueckleitung) 中的串联阻抗。
一个附加的扩展方案是灯馈入线中的串联阻抗以及在灯回线中的串联阻抗以不 同的取向设置在芯上。
另一扩展方案是， 灯是高压气体放电灯， 尤其是 HE-HCI 灯。
上述任务也通过一种用于借助处理器装置或者借助固定连接的逻辑电路来激励 上述装置的方法来解决。
尤其是， 第二谐振回路和 / 或第一谐振回路借助处理器单元或者借助固定连接的 逻辑电路 ( 例如借助 ASIC 或者 FPGA) 来激励， 使得能够激发一个或多个谐振频率。
在下面借助附图来示出和阐述本发明的实施例。
其中 ：
图 1 示出了用于通过电子镇流器驱动气体放电灯的电路装置以及通过灯线路与 电子镇流器相连的热点燃模块， 所述电子镇流器被实施为半桥， 所述热点燃模块优选地被 设置在气体放电灯附近 ；
图 2 示出了包括相继连接的两个谐振回路的模型电路图 ；
图 3A 示出了方程， 该方程尤其是可以考虑用于确定谐振频率 ；
图 3B 示出了方程， 该方程给出了与所耦合的根据图 2 的谐振回路的频率相关的电 压变化 ；
图 4 示出了与通过 EVG 半桥驱动的热点燃模块的频率相关的谐振点的变化过程和 位置 ；
图 5 示 出 了 根 据 图 1 的 电 路 装 置， 其带有在灯馈入线中的回路阻抗 (Durchgangsimpedanz) 或串联电感 ；
图 6 示出了根据图 1 的电路装置， 其带有在灯回线中的回路阻抗或串联电感 ；
图 7A、 图 7B 示出了根据图 1 的电路装置， 其带有在灯馈入线中的回路阻抗或串联 电感以及在灯回线中具有回路阻抗或串联电感， 其中相反绕组中的两个回路阻抗被布置在 共同的芯上 ；
图 8 示出根据图 1 的没有回路阻抗的电路装置， 其中设置在热点燃模块中的谐振 回路产生点燃电压， 该点燃电压借助点燃电极直接 ( 优选容性地 ) 耦合到灯上。
为了驱动气体放电灯 (HID 灯 ) 而设置电子镇流器 (EVG)。
电子镇流器的输出端优选地具有半桥逆变器或者全桥逆变器， 借助所述半桥逆变 器或者全桥逆变器能够实现灯在 20kHz 到 100kHz 之间的频率的情况下的标称运行。
尤其是在通用照明的应用领域中， 在电子镇流器和灯之间可能有在例如 3m 以下 的不同的灯线路长度。 在此， 尤其是出于耐压强度的原因不利的是， 在整个灯线路长度上引 导大于 10kV 的点燃电压。
尤其是， 有利于点燃灯而会紧邻灯 ( 优选地相距大约最大 30cm 的距离 ) 放置热点 燃模块。该热点燃模块产生所需的大于 10kV 的点燃电压脉冲， 可是优选地， 这些点燃电压 脉冲仅朝向灯在剩余的短的灯线路段上被释放， 而不是相反地在朝向电子镇流器方向的较 长的线路段上被释放。
优选地， 在灯正常运行时、 也就是在点燃灯之后或者灯的接通阶段， 热点燃模块具 有小的回路电感 ( 优选地小于数百 μH)， 以便最小化运行损耗。
尤其是建议将紧邻灯的热点燃模块环接到灯线路中并且针对 HE-HCI 灯或者 MF-HCI 灯的高频运行模式表现出足够低的回路阻抗。
优选地， 用于产生点燃脉冲的热点燃模块具有用于产生电压脉冲的装置， 这些电 压脉冲优选地具有约 20kV 的大小。
热点燃模块本身可直接通过灯馈入线由电子镇流器来驱动， 并且因此本身无需有 源控制电子装置或者附加的外部电源来产生电压脉冲。为了实现热点燃模块在灯正常运行期间的低回路阻抗， 有利地借助小的 ( 例如在 200μH 数量级的 ) 串联电感将热点燃模块从电子镇流器以及从灯去耦。 串联电感被连接在 热点燃模块的输入端与输出端之间。
与串联电感并行地现在可以在热点燃模块中产生高压脉冲 (HV 脉冲 )， 该高压脉 冲在所提及的串联电感之后被馈入到朝向灯的较短的线路段中。
优选地， 串联电感具有足够的耐高压强度。
此处介绍的方法能够有利地实现在不采用热点燃模块中的其他有源电子装置的 情况下产生用于点燃灯的电压脉冲。这优选地通过以下方式实现 ： 在热点燃模块中设置高 品质的适当设计的 LC 谐振回路， 所述 LC 谐振回路由电子镇流器直接通过灯馈入线来驱动 和激励。
优选地， LC 谐振回路在热点燃模块中首先隔离地和自由振荡 (freilaufend) 地运 行， 使得谐振可以在良好品质的情况下尽可能无衰减地起振到达到 20kV 的电压值， 而尽可 能没有外部衰减影响。
在达到确定的电压电平或者电压范围例如 15kV 至 20kV 时， 振荡的 LC 谐振回路通 过开关耦合到朝向灯的线路段。开关在此可以以不同的方式实现。例如， 该开关可以包括 ： 具有预先给定的击穿电压的火花隙、 半导体开关或者点燃电极。 一旦热点燃模块的 LC 谐振回路达到 15kV 到 20kV 之间的值， 则所连接的火花隙在 其限定的击穿电压的情况下接通并且将当前的电压电平直接耦合输入到朝向灯的较短的 连接线路中。
该点燃电压到达高阻值的灯并且在其中产生点燃击穿。
连接在热点燃模块上的电子镇流器本身通过内部的低电感的串联电感始终功能 性地与灯连接并且可以在检测到点燃击穿之后直接开始其正常的灯运行， 在此情况下为灯 起动运行。
所描述的装置在图 1 中示出。
图 1 包括 EVG 半桥 101， 其通过灯线路 103 与热点燃模块 102 连接。在热点燃模块 102 上通过灯线路 104 连接有灯 105。
灯线路 103 优选短于 3 米并且灯线路 104 优选短于 30 厘米。
EVG 半桥 101 包括 ： 三个输入端 106、 107 和 108， 两个输出端 110 和 111， 两个半导 体开关、 尤其是 n 沟道 MOSFET Q1 和 Q2， 线圈 L1 和两个电容器 C1 和 C2。
输入端 106 为 EVG 半桥 101 供给电压， 输入端 107 与 MOSFET Q1 的栅极端子连接， 而输入端 108 与 MOSFET Q2 的栅极端子连接。MOSFET Q1 的源极端子与 MOSFET Q2 的漏极 端子连接并且通过线圈 L1 与节点 109 连接。电容器 C1 一方面与节点 109 连接而另一方面 与 MOSFET Q2 的源极端子以及与输出端 111 连接。电容器 CB1 一方面与节点 109 连接而另 一方面与输出端 110 连接。MOSFET Q1 的漏极端子与输入端 106 连接。
热点燃模块 102 包括输入端 112 和 113 以及输出端 114 和 115。此外， 热点燃模块 102 包括 LC 谐振回路 116、 开关 117 和线圈 LR2( 串联电感 )。
LC 谐振回路 116 包括线圈 L2 和电容器 C2。开关 117 优选实施为火花隙 ( 例如 17kV)。
线圈 L2 一方面与输入端 112 连接而另一方面与电容器 C2 的一个端子以及与开关
117 的一个端子连接。电容器 C2 的另一端子与输入端 113 连接， 该输入端又与输出端 115 连接。开关 117 的另一端子与输出端 114 以及通过线圈 LR2 与输入端 112 连接。
灯 105 与热点燃模块 102 的输出端 114 和 115 连接。灯 105 优选实施为高压气体 放电灯。
为了点燃灯 105， 通过 EVG 半桥 101 激励 LC 谐振回路 116 直至其通过开关 117 将 大于 15kV 的电压通过输出端 114 传输给灯 105， 并且优选点燃灯 105。
在通过热点燃模块 102 点燃之后， 灯 105 可以借助 EVG 半桥 101 通过串联电感 LR2 来驱动 ( 灯 105 的正常工作 )。
在正常工作期间， 灯 105 优选在如下频率范围 ( 例如小于 100kHz) 中工作 ： 在该频 率范围中 LC 谐振回路 116 近似完全无源的 (passiv)。 因此， 尤其是没有形成点燃电压过度 升高。
EVG 半桥的输入端 107 和 108 合适地尤其是通过微控制器或者处理器来激励， 以便 以确定的频率激励振荡回路。可能的是， 频率变化本身被调制和 / 或产生确定的频率过程， 以便覆盖振荡回路的谐振频率。也可能的是， 多个点燃过程相继地进行， 以便保证点燃灯。 此外可能的是， 借助控制装置 ( 处理器， 微控制器等 ) 在预先给定数目的点燃过程之后检查 灯是否燃烧。必要时， 可以将未燃烧的灯检测为故障并且关断系统。 EVG 半桥 101 的电容器 CB1(“隔直电容器” ) 优选设计得大并且用于隔离来自半 桥的直流部分。该电容器 CB1 几乎不影响谐振点的位置。可替选地， 电容器 CB1 也可以设 置在其他位置上， 例如设置在灯回线中。
在小电容的隔直电容器的情况下， 电路或者系统的特性在性质上并未改变。仅仅 谐振点的位置略微推移。 在确定谐振时在相应地考虑隔直电容器的电容的同时会遇到这种 情况。
在正常的灯工作中， 出现的工作电压对应于常用的灯燃烧电压远低于 5kV， 并且所 连接的开关 117 的火花隙将 LC 谐振回路 116 的输出端与热点燃模块 102 的输出端 114 完 全去耦合。
热点燃模块 102 的 LC 谐振回路 116 优选设计为使得其在正常的灯工作中 ( 尤其 是在小于 100kHz 的工作频率中 ) 不具有谐振点。优选地， 对此预先给定 LC 谐振回路 116 的固有谐振频率大于 100kHz。因此， 对于电感 L2 可以设置直到 30mH 的值。
在该例子中， 在热点燃模块 102 中的 LC 谐振回路 116 的特征谐振频率由如下式子 得到 ：
对于 L2 ＝ 20mH 以及 C2 ＝ 100pF，
得出 LC 谐振回路 116 的固有谐振频率为 ：
f02 ＝ 112.5kHz
在该频率 f02 的情况下， 在热点燃模块 102 中的外部 LC 谐振回路 116 具有低阻抗。 在该频率情况下的工作优选要避免， 因为在此基于线圈 L1 和电容器 C1 的 EVG 半桥的谐振 回路的输出电压保持为零并且承受短路式的负载。
为了确定对于激励热点燃模块 102 中的 LC 谐振回路 116 的有效频率， 在 EVG 半桥
101 中的半桥谐振回路作为源谐振被一同考虑。
为了确定谐振点， 尤其是适合的是根据图 2 的两个相继连接的振荡回路的等效电 路。
图 2 的结构基本上对应于图 1。仅仅去掉了电容器 CB1， 开关 117 以及串联电感 LR2 和灯 105。由此， 形成了两个振荡回路 L1C1 和 L2C2， 其中在 L2 和 C2 之间的中间抽头称 为节点 201 并且在该节点上存在电压 U2( 在图 1 中开关 117 连接到该节点上 )。
振荡回路 L1C1 表示在 EVG 半桥中的源谐振， 而振荡回路 L2C2 表示热点燃模块中 的热点燃谐振。
在图 3A 和图 3B 中示出方程 (G.1) 至 (G.6)。
由图 2 得到的双谐振回路可以用微分方程 (G.1) 来描述。相关的特征多项式具有 4 阶并且在方程 (G.2) 中说明。四个相关的成对共轭的复数零点形成了根据方程 (G.3) 和 (G.4) 的两个谐振频率 fd01 和 fd02。对于上述例子， 得到谐振频率为 ：
fd01 ＝ 102.7kHz 以及
fd02 ＝ 142.4kHz。
在谐振频率 fd01 和 fd02 的情况下， 双谐振回路的输出、 即热点燃模块中的 LC 谐振回 路 ( 根据图 1 的 116) 的输出起振。 在此有利的是， 使用具有较低频率的谐振频率， 以便实现在电感性和电容性部件 中的低损耗并且由此实现相应的高品质。
如果上述谐振点的效率更高， 则其也可以被考虑用于产生点燃电压。
借助求解的微分方程并且随后傅里叶变换到频域中， 可以借助方程 (G.5) 和 (G.6) 确定两个耦合的振荡回路的电压的频率特性。
借助 ω ＝ 2πf 的圆频率和源电压 Us( 其在两个 MOSFET Q1 和 Q2 之间的节点 202 上 )， 得到 EVG 半桥的输出端上 ( 即在节点 109 上 ) 的电压曲线 U1(f) 和在热点燃模块中的 点燃谐振的输出端 ( 即端子 201) 上的电压曲线 U2(f)。这两个电压曲线在图 4 中示出， 其 中并未完全考虑可能的衰减因素譬如芯损耗或者涡流损耗的影响， 其中这些衰减因素影响 谐振过度升高 (Resonanzueberhoehung) 的大小。
电压曲线 U1(f) 对应于与直接在 EVG 半桥的输出端上的、 内部振荡回路的输出的 频率相关的电压曲线， 而电压曲线 U2(f) 对应于与直接在 15kV 火花隙的输入端上的、 外部 振荡回路的输出的频率相关的电压曲线。
优选地， 灯 ( 参见上述的结合图 1 的说明 ) 在 20kHz 到 90kHz 的频率范围中工作。 在该频率范围中， 热点燃模块的谐振点很大程度上表现为是无源的。
频率 fd01 ＝ 102.7kHz 是双谐振回路的第一谐振频率， 其中灯可以在点燃模块的输 出端上被激励。频率 f02 ＝ 112.5kHz 对应于根据图 1 的 LC 谐振回路 116 的固有谐振频率， 其中内部谐振回路 ( 图 1 中的 L1C1) 承受短路式的负载。在频率 fd02 ＝ 142.4kHz 的情况 下， 双谐振回路具有其第二谐振频率， 借助第二谐振频率在点燃模块的输出端同样可以激 励灯。
改进方案和可替选的实施形式在以下电路例子中示出。
图 5 示出了根据图 1 的包括 EVG 半桥 101 以及热点燃模块 102 的电路装置。
设置在热点燃模块 102 中的串联电感 LR2 在此设置在灯馈入线中， 在热点燃模块
102 中产生的高电压被耦合输入到灯馈入线中。
图 6 示出了包括 EVG 半桥 101 的电路装置， 该半桥通过灯线路 103 与热点燃模块 601( 包括输入端 602 和 603 以及输出端 604 和 605)、 尤其是与热点燃模块 601 的输入端 602 和 603 连接。灯 105 通过灯线路 104 连接到热点燃模块 601 的输出端 604 和 605。
在热点燃模块 601 中， 输入端 602 与输出端 604 连接。此外， 输入端 602 通过线圈 L2B 与节点 606 连接。在节点 606 和输入端 603 之间设置有电容器 C2B 并且在节点 606 和 输出端 605 之间设置有开关， 尤其是火花隙 (15kV)。 输入端 603 通过线圈 LR2B( 串联电感 ) 与输出端 605 连接。
串联阻抗 LR2B 在图 6 中位于灯回线中， 并且在热点燃模块 601 中产生的高电压耦 合输入到灯回线中 ( 在热点燃模块 601 的输出端 605 上 )。
图 7A 示出了包括根据图 1 的 EVG 半桥 101 和热点燃模块 701( 带有输入端 702、 703 和输出端 704、 705) 的一种可替选的电路装置。
EVG 半桥 101 通过灯线路 103 与热点燃模块 701 的输入端 702 和 703 连接。灯 105 通过灯线路 104 连接到热点燃模块 701 的输出端 704 和 705 上。
热点燃模块 701 的输入端 702 通过线圈 L2C 与节点 707 连接。电容器 C2C 在输入 端 703 和节点 707 之间。火花隙 (15kV) 一方面与节点 707 连接而另一方面与输出端 704 连接。在输入端 702 和输出端 704 之间设置有电感 LR2C1， 而在输入端 703 和输出端 705 之 间设置有电感 LR2C2， 其中电感 LR2C1 和 LR2C2 在微分的布置意义上设置在相同的芯上， 由 此根据如下式子将有效的总串联阻抗变为 4 倍 ：
Lges ＝ 2·(LR2C1+LR2C2) ＝ 4·LR2C
就此而言， 在图 7 中连续的串联阻抗对称地设置在灯馈入线中以及设置在灯回线 中。
该电路装置的优点在于， 通过火花隙注入或者耦合输入到灯馈入线中的点燃电压 由于灯上的变换效应而以两倍的大小起作用。
图 7B 示出了根据图 7A 的一种可替选的电路装置， 其中点燃电压通过火花隙耦合 输入到灯回线中并且由于灯上的变换效应而以两倍的大小起作用。
图 8 示出了包括根据图 1 的 EVG 半桥 101 和热点燃模块 801( 带有输入端 802、 803 和输出端 804、 805 以及 806) 的一种可替选的电路装置。
EVG 半桥 101 通过灯线路 103 与热点燃模块 801 的输入端 802 和 803 连接。灯 807 通过灯线路 104 连接到热点燃模块 801 的输出端 805 和 805 上。此外， 灯 807 具有点燃电 极， 其通过热点燃模块 801 的输出端 806 来馈电。
在热点燃模块 801 中输入端 802 与输出端 804 连接而输入端 803 与输出端 805 连 接。在输入端 802 和输出端 806 之间设置有线圈 L2D， 而在输入端 803 和输出端 806 之间设 置有电容器 C2D。
借助通过热点燃模块 801 的输出端 806 供电的点燃电极可能的是， 将脉冲状的或 者高频状的高电压电容性地耦合输入到灯中。
在此情况下， 可以取消在灯馈入线或灯回线中的单独的灯阻抗。
上述实施例可以相应地转换到具有全桥的电子镇流器。