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CN1268176C - 操作高亮度放电灯的装置 - Google Patents

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CN1268176C CNB008017190A CN00801719A CN1268176C CN 1268176 C CN1268176 C CN 1268176C CN B008017190 A CNB008017190 A CN B008017190A CN 00801719 A CN00801719 A CN 00801719A CN 1268176 C CN1268176 C CN 1268176C
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Abstract

用于减小放电灯的垂直分层的装置。电流/电压输入扫描通过放电灯的第一方位声共振模式和第一径向声共振模式之间的频率范围。随后振幅调制电流/电压输入。另一方面，电流/电压输入扫描通过一个周期的第一部分，然后通过周期的第二部分电流/电压输入降到相对恒定的频率。

Description

操作高亮度放电灯的装置
技术领域
本发明涉及用于高亮度气体放电灯的镇流器。更具体地说，涉及通过使用输入电源的顺序激励或与振幅调制相结合地使用频率扫描，使高亮度气体放电灯中垂直颜色分层(segregation)减少。
背景技术
放电灯以脉冲方式操作，如美国专利US4904903所示。该专利教导了操作荧光汞蒸汽、钠和金属卤化物(MH)灯的方法，以便在波周期的一部分使输入电、周期性地选通。这种脉冲式的操作可有效地减少不期望的电磁和无线电干扰发射。利用脉冲技术的高亮度放电(HID)灯的颜色控制也是众所周知的，例如美国专利US4137484、4839565和4963796所示。日本专利第432153号教导了利用外部温度调节来控制放电灯的颜色。其它颜色控制方法包括内部温度调节技术和改变放电管中的盐。
放电灯操作中的主要问题之一是因对流气体流动引起的放电管内电弧的变形。已提出使电弧稳定和集中的技术。美国专利US5134345展示了避免会引起不稳定现象的声频的方法。该专利方法教导了电弧不稳定性的检测、和改变引起这种不稳定性的驱动频率。
在美国专利US5306987中，展示了一种调制驱动信号频率的电孤稳定技术。控制放电灯中电弧的类似方法展示于美国专利US5198727中。按照该方法，由驱动信号频率引起的“声混乱(acousticperturbations)”使电孤集中。声混乱强迫气体或蒸汽移动图形抗重力引起的对流。
美国专利US5684367披露了通过高频信号的振幅调制和使灯脉动来控制HID灯中电弧不稳定的方法，该方法可用于改变灯的颜色特性。
在过去的五年中已生产具有陶瓷(多晶硅氧化铝)外壳的高亮度放电灯的新品种。例如New Jersey的Sonerset的菲利浦照明公司出售了这样的陶瓷放电金属卤化物(CDM)灯，其商标为MASTERCOLORTM。放电外壳是圆柱形的，纵横比即内部长度(IL)除内径(ID)接近于一。开发了至少一种具有这样的非常大纵横比的新型圆柱形灯。这种新灯具有期望的较高效率性能，但它们有在垂直和水平操作中具有不同颜色特性的缺点。特别是，在垂直操作中，发生颜色分层。把电弧的图像投影到屏幕上表明，电弧的底部呈现粉红色而顶部看起来象绿色。这是由于放电中的金属原子添加物没有完全混合。在放电的上部，有太多的铊发射和不充分的钠发射。垂直分层的结果是，与水平操作相比灯有较高的色温，并会降低效率。
发明内容
本发明的一个目的在于提供用于高亮度放电灯的改进的镇流器。
本发明的另一个目的在于减少高亮度放电灯中的垂直颜色分层。
因此，本发明提供了一种操作高亮度放电灯的装置，包括：振幅调制器，具有第一输入端、第二输入端和输出端；对所述第一输入端提供电流的装置，所述电流在扫描时间从第一频率到第二频率周期性地扫描；和对所述第二输入端提供调制频率的装置，其中灯泡接收来自所述输出的电能；其特征在于，所述第一频率和所述第二频率限定在所述灯泡的第一方位声共振模式和第一径向声共振模式之间的频率范围，且所述调制频率对应于所述灯泡的一个第一或第二纵向模式。
其中所述第一频率等于45kHz和所述第二频率等于55kHz。
其中所述扫描时间等于10毫秒。
其中所述调制频率等于24.5kHz。
其中所述振幅调制器具有为0.24的振幅调制度。
通过本发明的第一方案可获得这些和其它目的，其中，通过与振幅调制结合，在扫描时间内进行电流频率扫描，来操作高亮度放电灯。对于这种操作的典型参数是在10毫秒的扫描时间内从45kHz到55kHz的电流频率扫描，24.5kHz的恒定振幅调制频率和0.24的调制指数。调制指数规定为(Vmax-Vmin)/(Vmax+Vmin)，其中Vmax是振幅调制器包迹的最大峰到峰电压，Vmin是振幅调制器包迹的最小峰到峰电压。45kHz到55kHz的该频率范围在第一方位声共振模式与第一径向声共振模式之间。声共振的定义-对于圆柱形灯来说，第一方位模式的电源频率等于1.84*Cr/π*D，其中Cr是径向平面中声音的平均速度，D是灯的内径。
第一径向声共振模式的电源频率等于3.83*Cr/B*D，其中Cr是径向平面中声音的平均速度，和D是灯的内径。
通过本发明的第二方案同样可实现这些和其它目的，其中利用固定的电流频率正弦波及时跟随扫描频率(电流)正弦波，相应地接近纵向声音模式的电源频率的一半，该顺序被连续地重复。
根据下列描述和权利要求书以及附图，本发明的进一步的目的和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1A是本发明的第一方案的方框图，和图1B是展示与振幅调制结合的频率扫描的时序图。
图2A是本发明的第二方案的方框图，和图2B是展示包括随后跟有固定频率周期的频率扫描周期的顺序激励的时序图。
具体实施方式
下面参照附图详细说明，在所有的这几幅图中相同的数字表示相同的元件，图1A和1B展示本发明中与振幅调制结合的频率扫描的形态。
输入电源线10提供电力，其具有以锯齿图形(也可以是按照本发明的其它图形)的每10毫秒从45kHz到55kHz的扫描频率，如附图的时序图中所示。该输入电源线10到达调制器14的输入端12。通过调制器14的输入端16，调制器14还接收24.5kHz、A＝0.24的放大的调制信号，从而在调制器14的输出端18上提供所获得的电源输出，供给高亮度放电灯20。从45kHz到55kHz的该频率范围在第一方位的声共振模式与第一径向声共振模式之间。尽管在45kHz到55kHz之间有附加的声共振模式，但频率扫描也足够快和谐振足够弱，从而使得灯稳定。用约40kHz到约70kHz之间范围内的10kHz频率扫描可获得稳定的灯操作。由于第一方位的声共振模式和第一径向声共振模式的频率仅取决于直径，因而该频率范围也可使具有其它长度的4mm ID灯工作。虽然在高频下可观察到稳定的灯操作，但颜色性能与在低频(＜500Hz)下观察的情况非常类似，并且还存在垂直分层。
高频优于低频的一个优点是，通过弱声共振的水平操作扫描使电极之间的电弧变直。由于对流，一般低频的电弧上挠。
当电弧上挠时，电弧管的上壁温度较高，导致电弧管管壳更迅速地软化。
当灯以当前频率x操作时，电源频率为2x。对于激励声共振来说这是重要的电源频率。可由下式从数学上表示当前频率的振幅调制：
cos(x)*[1+A*cos(y)]，
其中y是振幅调制的频率，A是调制指数(A＜1)。对振幅调制信号平方，获得电源频谱并仅保持项A，在2x、2x+y、2x-y和y获得电源频率。在y的电源是在2x+y或2x-y的电源的两倍。如果频率扫描，那么按照本发明，跟随者在2x+y或2x-y也将扫描(例如2x+2∨x+y)，但在y的电源频率保持固定。如图1B所示，振幅调制频率在24.5kHz，并在那个值产生固定电源频率。振幅调制频率y必须低于当前频率x。
纵向声共振模式可使金属卤化物在灯轴方向上移动。第nth纵向模式的电源频率等于n*C1/2*L，其中n是模式数，C1是轴向平面中声音的平均速度，L是灯的内部长度。作为实例，当39W5×6CDM灯在约67kHz的电源频率下垂直取向地操作时，液体金属卤化物的冷凝物从其在灯底部的正常位置移动到底部上所述长度的大约1/3位置处。67kHz的频率相应于第二径向声频模式。
不同瓦数和纵横比比1大得多的圆柱形灯在高频扫描下垂直操作。灯是稳定的，但呈现垂直颜色分层。内装大量汞的相同尺寸的灯其分层更严重。振幅调制高频扫描对灯的颜色性能有惊人的作用。颜色分层明显减少，色温降低(反映在放电的顶部中钠发射增加)和效率提高。在减少颜色分层中最有效的振幅调制频率相应于第二纵向模式。在第二纵向模式的约1/2频率的第一纵向模式在减少颜色分层上不太有效。通过在小频率范围扫描振幅调制频率，可处理因相同尺寸和汞量的灯中的公差引起的第二纵向模式频率中的小差别。
对于不同尺寸的灯，第二纵向模式的频率容易测量或预知。因而，能够可靠地确定通过振幅调制来减少垂直分层所需要的频率。由此，频率信息振幅调制被成功地用于减少不同尺寸和瓦特的Masterflux灯中的颜色分层。
进行实验，用叠加有高频正弦波的低频(500Hz)方波驱动器操作灯来减少垂直分层。改变正弦波的频率，约为第二和第一纵向模式的频率。尽管高频正弦波激励第二(或第一)纵向模式，但与上述振幅调制相比，颜色分层的减少较低。更重要的是，当高频正弦波的振幅增加太多时，电弧在底部电极附近的电弧管侧畸变。如果高频正弦波电压没有明显减小或改变频率，那么电孤管必然过热和破裂。由于振幅调制太高，因而激励第二纵向模式的电平是可能的，电弧保持稳定和成直线。
当有振幅调制时，频率扫描在稳定放电方面是重要的。为了稳定操作，灯以具有仔细选择的频率的固定高频操作。尽管通过以第二(和第一)纵向模式的振幅调制，可减少垂直分层，但在频率扫描期间相应于稳定操作的振幅调制电压下电孤变得不稳定。在另一个离散频率，与频率扫描相比，仅可以在减小的振幅调制电压下稳定操作。当灯被频率扫描时，较弱地激励方位纵向组合模式。这些模式有助于使电弧稳定，而振幅调制强烈激励纯纵向模式。
如图2A和2B中所示，输入线10同样地提供电源，伴随的时序图表示在10毫秒的周期中，在第一7.5毫秒期间从45kHz到55kHz的频率扫描，然后在2.5毫秒降到12.3kHz。然后重复该循环。这是顺序激励。该电源提供给灯泡20，典型地不需要振幅调制。
利用本发明第二方案的顺序激励，扫描电流频率可与结合图1A和1B所述的相同。可是，激励纵向模式所需的固定频率为振幅调制所要求的频率的一半(注意12.3kHz约为第一方案的24.5kHz的调制频率的一半)。顺序激励的电源频率为扫描频率的两倍，和固定电流频率的两倍。例如，当频率扫描期间电流频率从45kRz到55kHz时，电源频率为90kHz到110kHz。当固定电流频率是12.3kRz时，固定电源频率就为24.6kHz。这些是与利用振幅调制获得的相同电源频率。在振幅调制(第一方案)上顺序激励(第二方案)的一个优点是，利用振幅调制，可激励删除的声共振的附加电源频率。这些附加的电源频率以两倍的瞬间扫描频率加和减调制频率(例如，2x+2∨x+y；2x+2∨x-y)产生。利用顺序激励，对于固定频率，占空度或接通时间是可变的，以用模拟电源来放大振幅调制。
顺序激励和振幅调制利用以稳定方式操作灯的电源频率和以接近纵向声音模式的固定电源频率。由电流和电压波形之积的频率依赖性确定电源频率。本公开包括可产生以稳定方式操作灯的电源频率和以接近纵向声音模式的固定电源频率的其它波形。
作为产生在接近纵向声音模式的固定电源频率的变化，另外的固定频率可在小范围上改变或扫描(例如在2.5ms周期期间可从约12.3kHz到约12.5kHz或相反地进行扫描)。例如，另外的固定频率可以变为在第一固定频率与第二固定频率之间，第一和第二固定频率之差小于1kHz，例如，扫描(45kHz到55kHz)，第一固定频率(12.3kHz)，扫描(45kHz到55kHz)，第二固定频率(12.5kHz)，扫描(45kHz到55kHz)，第一固定频率(12.3kHz)，扫描(45kHz到55kHz)，第二固定频率(12.5kHz)等。
本发明两个方案所给出的参数是典型的参数，可以根据应用有所改变。
实例1
利用从45kHz到55kHz的频率扫描，使70W、其尺寸或具有40巴的Hg的4mm ID×19mm IL的圆柱形高亮度放电灯垂直工作。在下表中列出具有和不具有振幅调制的灯的颜色性能：
振幅调制 取向 色温(°K) CRI x y 每瓦流明的效率(LPW)
  无24％@22.5kHz   垂直垂直   38732580   76.887.6   .396.456   .415.389   112.6112.0
振幅调制(A＝0.24)减小了色温约1300°K，增加了彩色再现指数(CRI)10，增加了x颜色坐标和减小了y颜色坐标。第二纵向模式的频率在大约22.5kHz。
实例2
使70W、其尺寸或具有15巴的Hg的4mm ID×19mm IL的圆柱形高亮度放电灯垂直(在10ms中45kHz到55kHz)和水平工作(在10ms中50kHz到60kHz)。在下表中列出其结果：
  振幅调制   取向  色温(°K)   CRI   x   y  效率(LPW)
  无24％@22.5kHz无24％@22.5kHz   垂直垂直水平水平   3151267028282783   68.776.978.579.7   .441.462.450.456   .431.411.408.414   99.4103.8108.7102.8
没有振幅调制，在两个方向上的色温差约为300°K。在第二纵向模式(25kHz)的振幅调制垂直操作上减小色温约500°K，在水平操作上仅减小约50°K，净结果是利用振幅调制，在两个方向上的色温差约为100°K。在水平操作中的振幅调制使一些冷凝物沿灯的长度移动到位置1/3和2/3。从电极移开冷凝物对灯的维护有利。
实例3
利用在10ms中从45kHz到55kHz的电流频率扫描，使70W、其尺寸或具有15巴的Hg的4mm ID×19mm IL的圆柱形高亮度放电灯垂直操作。在下表中，对利用扫描与利用顺序激励和振幅调制的HF的灯的颜色性能进行比较：
  激励   频率  色温(°K)   CRI   x   y
 FM扫描FM扫描+固定频率(顺序)FM扫描+AM调制   45kHz到55kRz(10ms)45kHz到55kHz(7.5ms)+12.3kHz(2.5ms)45kRz到55kRz(10ms)24％@22.5kHz   317827312670   69.177.076.9   .440.460.462   .432.415.411
顺序激励和振幅调制都产生类似的颜色性能。与扫描的HF相比，单独的顺序激励和振幅调制减小了色温和y颜色坐标，而使彩色再现指数和x颜色坐标增加。在顺序激励中，12.3kRz的固定电流频率相应于接近第二纵向模式频率的24.6kHz的电源频率。利用振幅调制和时间顺序激励的灯的类似颜色性能清楚地表明，第二纵向模式的激励减少垂直分层。振幅调制和时间顺序激励是激励该纵向模式的两个不同方式。在大致相同的电源下，利用扫描HF的灯的均方根(rms)电压为161V，利用顺序激励的灯的均方根电压为180V。
实例4
利用在10ms中从45kHz到55kHz的电流频率扫描，使70W、其尺寸或具有15巴的Hg的4mm ID×19mm IL的圆柱形高亮度放电灯垂直操作。在下表中列出其结果：
  激励   频率  色温(°K)   CRI   x   y
 FM扫描FM扫描+固定频率(顺序)   45kHz到55kRz(10ms)45kHz到55kHz(7.5ms)+12.1kHz(2.5ms)   41522944   65.478.0   .388.444   .429.413
仅利用扫描的FM，色温在4000°K以上，其CRI约为65。用12.1kHz的固定电流频率顺序激励使色温降低到3000K以下，其CRI为78。从外表来看，仅扫描FM的灯呈现明显的颜色分层，冷凝物仅在电弧管的底部。放电底部的四分之一呈现粉红色，顶部四分之三呈现绿色。由于附加顺序激励，放电的底部五分之四呈现粉红色和顶部的五分之一呈现绿色，冷凝物在从电弧管底部向上接近四分之一的带中。粉红色对应于放电中金属卤化物添加剂的良好混合，而绿色对应于钠和镝发射的不足。
虽然作为减小颜色分层的方法已描述了振幅调制，但它还可用于制备具有两种不同色温的单垂直灯。可获得高色温而不需要振幅调制，通过在镇流器中激励振幅调制，低色温也是可能的。根据振幅调制对色温的线性，可以生产具有色温范围的垂直灯。对于特殊应用中的一系列灯，可调节振幅调制的量以使灯之间的色差最小。如果存在简单方法来监视色温，那么可使用反馈机构，通过调节振幅调制量，在灯寿命期间保持色温恒定。
如同振幅调制一样，通过简单地接通和关断固定频率，顺序激励可用于制备具有两个不同色温的单垂直灯。通过改变固定频率的接通时间，色温的范围是可能的。对于特殊应用中的一系列灯，可调节单灯的顺序激励量，以使灯之间的色差最小。可使用反馈机构，通过调节顺序激励的量，在灯寿命期间保持色温恒定。
本发明提供的颜色混合的优点包括：第一，通用的灯操作。灯的光技术性能在水平和垂直方向上非常相似，仅仅水平方向的期望颜色性能稍有改变。单灯可以对所有方向出售而没有对灯仅水平取向的限制。第二，第二纵向模式的激励是普通的，可用于宽范围的灯-瓦特和尺寸不同的灯。从镇流器的观点来看，该方法提供了平台解决方案。第三，本发明并不依赖于发现无谐振窗口，该窗口对灯尺寸或对灯寿命中性能的改变非常灵敏。第四，颜色混合对调光期间保持良好的颜色性能有利。第五，饱合黄色(R10)和饱合蓝色(R12)的彩色再现指数增加了约30，饱合红色(R9)的彩色再现指数增加了约50。这些改进没有反映在为R1-R8的平均的总彩色再现指数(CRI)上。
上述特定实施例展示了本发明的实施。可是，应该理解，可以使用本领域的技术人员公知或本文所披露的其它手段，而不会脱离本发明的精神或所附权利要求的范围。

Claims (5)

1.一种操作高亮度放电灯的装置，包括：
振幅调制器(14)，具有第一输入端(12)、第二输入端(16)和输出端(18)；
对所述第一输入端(12)提供电流的装置(10)，所述电流在扫描时间从第一频率到第二频率周期性地扫描；和
对所述第二输入端(16)提供调制频率的装置，其中灯泡(20)接收来自所述输出端(18)的电能；
其特征在于，所述第一频率和所述第二频率限定在所述灯泡(20)的第一方位声共振模式和第一径向声共振模式之间的频率范围，且所述调制频率对应于所述灯泡的一个第一或第二纵向模式。
2.如权利要求1的装置，其中所述第一频率等于45kHz和所述第二频率等于55kHz。
3.如权利要求1或2的装置，其中所述扫描时间等于10毫秒。
4.如权利要求1或2的装置，其中所述调制频率等于24.5kHz。
5.如权利要求1或2的装置，其中所述振幅调制器具有为0.24的振幅调制度。
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