CN1613278A

CN1613278A - 在甚高频频率工作的高强度放电灯中电弧矫正的使用

Info

Publication number: CN1613278A
Application number: CNA028258339A
Authority: CN
Inventors: J·M·克拉梅
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2001-12-21
Filing date: 2002-12-06
Publication date: 2005-05-04
Also published as: WO2003055282A1; DE60215540D1; US20030117086A1; ATE343312T1; DE60215540T2; AU2002366821A1; EP1459607B1; JP4260633B2; JP2005513740A; EP1459607A1; US6788007B2

Abstract

一种用于在HID灯中的电弧矫正的方法和装置，该方法包括以下步骤：确定和选择产生用于HID灯的电弧矫正的频率信号或频率扫描信号；和与载波频率信号一起激励电弧矫正声学模式。在一个优选实施例中，激励步骤包括用对应用于电弧矫正的功率频率的频率信号或频率扫描信号对载波频率信号进行调幅。在另一实施例中，激励步骤包括将载波频率信号与第二频率信号或第二频率扫描信号相加以获得激励电弧矫正声学模式的一个差分功率频率或多个功率频率。

Description

在甚高频频率工作的高强度放电灯中电弧矫正的使用

发明领域

本发明一般涉及高强度放电灯领域，特别涉及这种灯的电弧矫正领域。

发明背景

在高频工作的HID(高强度放电)灯易于声学谐振。灯中的驻留压力波(standing presure waves)可能使电弧变形，使电弧从一侧向另一侧移动，产生烦人的闪烁，或者甚至在严重情况下使灯损坏。解决这种问题的一种方法是在足够高的频率(VHF)下工作，从而充分衰减声学谐振，保持电弧稳定。可能对VHF频率施加上限的考虑因素包括EMI和典型桥电路的开关时间。

难以保证为特殊镇流器设计的所有灯在特定VHF频率不谐振。结构相同的两个灯在不同频率可能具有弱的不稳定性。给定瓦数的灯可具有不同化学填料，以便提供具有不同色温的光。化学物质上的这个差别可能影响在VHF频率的电弧稳定性。在VHF频率的灯电极如何工作上的差别也可能在电弧稳定性中起作用。避免在VHF频率的弱声学谐振的一个简单方案是利用频率扫描。但是，这种技术通常是不成功的。

也可以以有利的方式使用特定声学谐振。当水平工作的灯在特定频率被激励时，通常由于对流而弯曲的电弧会在电极之间变直。这种现象被称为电弧矫正(arc straightening)。产生电弧矫正现象的频率通常发现是在灯的第一方位角声学模式上方和在灯的第一径向声学模式的下方。这两个纯径向声学模式之间是第二方位角声学模式(纯径向，但是相对较弱)和与这些方位角声学模式相关联的纵向组合声学模式。组合声学模式的数量取决于灯的高宽比。对于具有低高宽比(IL/ID＜～2)的灯，声学模式之间的间隔对于离散频率足以产生电弧矫正。对于尺寸为9mmID×13mmIL(高宽比＝1.44)的圆柱形150W陶瓷金属卤化物灯，这示于图1中。图1示出了与达到第一径向声学模式的最初几个组合声学模式的声学谐振相关的电流和功率频率。(声学模式下的数量指的是用于纯纵向声学模式的纵向声学模式数量和第一方位角/纵向组合声学模式的纵向声学模式数量。计数系统对于第二方位角和第一径向声学模式相同。)从图1可以看出，在谐振之间存在一个小范围频率或频率窗口，是从大约15到20KHz的可能产生电弧矫正的电流频率。应注意声学谐振由周期性的功率输入驱动。对于正弦型波形，激励声学谐振的功率频率是电流(或电压)频率的两倍。

对于具有较高高宽比(IL/ID＞～3)的细长灯，组合声学模式的间隔要靠近得多并且没有明显的用于电弧矫正的无谐振窗口。对于尺寸为8mmID和28mmIL(高宽比为3.50)的圆柱形200W陶瓷金属卤化物灯，这示于图2中。对于具有更高高宽比的灯，以大约10ms的周期在第一方位角声学模式上方和第一径向声学模式下方的大约5或10KHx范围内的频率扫描能产生电弧矫正。对于图2中所述的灯，频率扫描从大约20到25KHz电流频率。

有利声学谐振的第二例子来自第二纵向声学模式的激励。通过激励这个声学模式，可以使在垂直点燃的灯的底部附近隔离的某些金属卤化物化学物质向上移动到放电中。这个结果可能改变垂直点燃灯的色温或增加其效能。这个结果被称为色混合。见美国专利No.6,184,633。

利用具有VHF载波的电弧矫正克服了当灯只在VHF工作时可能产生的潜在问题。但是VHF载波频率可能引起弱放电不稳定性，这是由声学谐振或电极的不稳定性造成的。电弧矫正可以使放电稳定化，增大潜在VH载波频率的范围。选择VHF载波频率的自由度的增加在电路效率上或在符合EMI规范的能力上有利。尤其是对于在水平方向工作的细长燃烧器，在VHF频率的电弧矫正可使放电远离上壁和防止电弧管破裂。

发明概要

简言之，在第一实施例中，本发明包括用于在HID灯中电弧矫正的方法，包括以下步骤：确定和选择产生HID灯的电弧矫正的频率信号或频率扫描信号；和与载波频率信号一起激励电弧矫正声学模式。

在本实施例的另一方面，提供选择足够高的载波频率信号的步骤，从而与频率信号或频率扫描信号一起使电弧稳定。

在本实施例的另一方面，激励步骤包括用对应用于电弧矫正的功率频率的频率信号或频率扫描信号对载波频率信号进行幅度调制。

在本实施例的另一方面，提供如下步骤：通过控制用于幅度调制的频率信号的幅度或者用于调制的频率扫描信号的幅度来控制电弧矫正的量。

在本实施例的另一方面，激励步骤包括给载波频率信号加一个第二频率信号或第二频率扫描信号以获得激励电弧矫正声学模式的一个差分功率频率或多个功率频率。

在本实施例的另一方面，提供如下步骤：通过相对于载波频率信号的振幅控制第二频率信号或第二频率扫描信号的振幅来控制电弧矫正的量。

在本实施例的另一方面，激励步骤包括在时间上连续交替载波频率信号和频率信号或频率扫描信号，其中频率信号或频率扫描信号等于产生HID灯的电弧矫正所需的功率频率的一半。

在本实施例的另一方面，提供如下步骤：通过相对于载波频率信号的持续时间控制频率信号或频率扫描信号的持续时间来控制电弧矫正的量。

在本实施例的另一方面，确定步骤包括：确定HID灯的谐振谱；如果在用于HID灯的第一方位角声学模式上方和用于HID灯的第一径向声学模式下方的谐振谱中存在窗口，则从该窗口中选择产生电弧矫正的频率信号；和如果不存在该窗口，则在HID灯的第一方位角声学模式上方和HID灯的第一径向声学模式下方选择用于产生电弧矫正的频率扫描信号的频率范围。

在本实施例的另一方面，HID灯具有圆柱对称性。

在本实施例的另一方面，HID灯具有放电容器，该放电容器具有陶瓷外壳。

在本实施例的另一方面，选择用于产生电弧矫正的频率的步骤包括在HID灯的谐振谱中的第一方位角声学模式和第一径向声学模式之间选择频率，其中该频率不仅产生电弧矫正而且激励第二纵向声学模式以便获得色混合。

在本发明的另一实施例中，提供一种具有电弧矫正的HID灯，包括：含有可电离填料的放电容器(3)；和与载波频率一起在放电容器中激励电弧矫正声学模式的电路(300，302，304，306，308)。

在本实施例的另一方面，用于激励放电容器的电路包括用于给载波频率信号加上第二频率信号或频率扫描信号、从而获得激励电弧矫正声学模式的差分功率频率信号的部件。

在本实施例的另一方面，用于激励放电容器的电路在时间上连续交替载波频率信号和频率信号或频率扫描信号，其中频率信号或频率扫描信号等于用于产生HID灯的电弧矫正所需的功率频率的一半。

在本实例的另一方面，用于与载波频率一起在放电容器中激励电弧矫正声学模式的电路使用在HID灯的谐振谱中的第一方位角声学模式和第一径向声学模式之间的频率，该频率还激励第二纵向声学模式，以便获得色混合。

附图简述

图1是具有1.44的IL/ID的HID灯的谐振图。

图2是具有3.50的IL/ID的HID灯的谐振图。

图3A是用于本发明的频率生成的一个实施例的示意方框图。

图3B是用于本发明的频率生成的第二实施例的示意方框图。

图4是可用于实施本发明的实施例的HID灯的示意图。

图5是图4中所示的灯的放电容器的剖面图。

图6A是用于用单一频率进行调幅的相对电压与电压频率的曲线图。

图6B是用于用单一频率进行调幅的相对功率与功率频率的曲线图。

图7A是用频率扫描进行调幅的相对电压与电压频率的曲线图。

图7B是用频率扫描进行调幅的相对于功率与功率频率的曲线图。

图8是固定频率与载波频率交替的频率与时间曲线。

图9是扫描频率与载波频率交替的频率与时间曲线。

优选实施例的详细说明

公开的电弧矫正是用于在VHF载波频率的陶瓷金属卤化物HID灯，以便稳定该灯。具体而言，提供一种用于在HID灯中的电弧矫正的方法，包括以下步骤：确定和选择产生HID灯的电弧矫正的频率或频率扫描；和与载波频率一起激励电弧矫正声学模式。与载波频率一起为电弧矫正所提供的频率或频率扫描Δf示于图3A和3B中。在图3A和3B中，函数发生器300和302产生频率和/或频率扫描，该频率和/或频率扫描然后被提供给提供载波频率的各个函数发生器304和306。函数发生器304和306对输入的频率进行数学操作，并在线路330上提供一个输出给RF放大器308，用于施加于HID灯的电极。数学操作可采用各种形式。在图3A所示的优选实施例中，用频率或频率扫描对载波频率进行调幅。在图3B所示的替换实施例中，数学操作可包括确定载波频率和第二频率或频率扫描的和并使用该差分功率频率作为用于电弧矫正的频率或频率扫描。或者，数学操作可以包括在时间上连续交替载波频率和第二频率或第二频率扫描。在本实施例中，第二频率或第二频率扫描等于用于电弧矫正所需的功率频率的一半。

应注意，在水平取向时，从相对于由电极确定的轴的放电位置来看电弧矫正是很明显的。通常由于对流而弯曲的放电由于电弧矫正而向下位移，从而放电位于沿着由电极确定的轴。在灯的投影中和/或通过降低灯电压可看到这个位移。如果在没有电弧矫正的情况下放电不稳定，在垂直取向时，电弧矫正将是很明显的。电弧矫正将消除作为烦人的闪烁可看到的、并且由于电弧运动而在灯电压中产生时域变化的不稳定性。

应该指出的是，本发明的重要方面涉及不同频率信号组合的方式。图中所示的具体硬件只是为了便于解释。用于组合频率信号的各种其它方法对于本领域技术人员来说都是很显然的。因此，本发明绝不限于一种特定硬件结构。

在对与载波频率一起激励电弧矫正声学模式进行更详细说明之前，将首先提供可实施本发明的HID灯的一个实施例的细节。现在参照图4，其中示出了金属卤化物灯，包括放电容器3，放电容器3的细节以剖面图形式在图5中示出但不是按尺寸比例绘制的。所示的放电容器3包括封闭放电空间11的陶瓷壁，放电空间含有在灯中的可电离填料。在优选实施例中，可电离填料包括Hg和一定量的金属卤化物化学物质。金属卤化物化学物质通常包括Na卤化物、Tl、Dy和Ce卤化物中的一种或多种。在图中，两个电极4、5以距离EA设置在放电空间中，其中电极4、5具有电极棒4a、5a和尖端4b、5b。该放电容器具有至少穿过距离EA的内径Di。该放电容器在端部由陶瓷凸塞34、35密封，该陶瓷凸塞34、35紧密地密封电流馈送导体40、41和50、51，该电流馈送导体以气密方式在距离放电空间较远的一端附近利用熔融陶瓷化合物10连接到被安排在放电容器中的电极4、5。放电容器3由外壳1封闭，外壳1的一端装有灯头2。在灯的操作状态中，放电在电极4、5之间延伸。电极4经过电流导体8连接到形成灯头2的一部分的第一电触点。电极5经过电流导体9连接到形成灯头2的一部分的第二电触点。所示金属卤化物灯希望用电子镇流器操作(如在美国专利No.6,300,729中所详述的，这里引证其内容供参考)，或者可以用磁镇流器或其它方便的镇流器操作。应注意，提供HID灯的上述结构是为了解释本发明，而决不是将本发明限制为这种结构。

应该指出的是，用于可电离填料的化学物质可以用各种成分实现。本发明不限于前述例子中所公开的成分。

再参见图3和与载波频率一起激励电弧矫正声学模式的操作，在优选实施例中，电弧矫正是通过对VHF载波频率进行调幅来实现的。选择VHF载波频率足够高以便与电弧矫正频率或电弧矫正频率扫描一起使电弧稳定。这通常是通过经验来确定的。如上所述，在图3A中，在函数发生器300中生成产生电弧矫正的频率或频率扫描。提供这个频率或频率扫描是为对产生载波频率的函数发生器304进行调幅。得到的调幅电压(或电流)波形是cos(2πf₁t)*[1+m₂cos(2πf₂t)]，其中f₁是VHF载波频率，f₂是调幅频率，m₂是调制指数(＜1)。在利用用于电弧矫正的单一频率进行这种调幅之后的电压频谱示于图6A中。这种调幅(归因于平方的分量，因为电压和电流分量具有相同的频率关系)的功率谱具有2f₁、f₂、2f₁-f₂和2f₁+f₂上的频率分量外加各个二次项。用于图6A的电压频谱的功率谱示于图6B中，用于利用单一频率进行调幅。可以看出，35KHz功率频率将激励HID灯的谐振图窗口内的必要谐振，从而获得电弧矫正。同样，在图7A中示出了在利用用于电弧矫正的40-50KHz的频率扫描进行调幅之后的电压频谱。由于平方分量而用于这种调幅的功率谱示于图7B中。可以看出40-50KHz功率频率扫描将激励没有窗口的HID灯(因为它们的声学谐振在谐振图上聚集在一起)的必要谐振，以便获得电弧矫正。

通过这种设置，尺寸为9mmID×13mmIL和色温为3000K的垂直150W陶瓷金属卤化物放电灯在从大约600KHz向下到大约450KHz的VHF频率是稳定的，在450KHz以下的离散频率将使电弧扰动。在30-40KHz中段(middle 30’s KHz)和40-50KHz中段范围(对应在10-20KHz中段和20-30KHz中段中的电流频率)中的载波频率的调幅在不稳定载波频率下使电弧稳定。应该指出的是，这些频率位于第一方位角和第一径向声学模式之间(见图1)。应注意，通过对VHF载波频率进行调幅，用于稳定该灯的频率窗口是对应电流频率范围的两倍。

在一个测试中，尺寸为9mmID×13mmIL和色温为4000K的垂直150W陶瓷金属卤化物放电灯在VHF频率的较宽范围(至少425到600KHz)内是不稳定的。这个4000K色温灯具有与上述3000K色温灯相同的尺寸，但是具有不同的化学物质和不同的电极插入距离(从陶瓷体的内部平坦表面到电极尖端的距离)。电弧以极其规则的方式来回摆动。通过利用在30-40KHz中段范围内的频率对载波频率进行调幅可以停止电弧移动，这与上述3000K灯相同。

在另一测试中，尺寸为8mmID×28mmIL的200W陶瓷金属卤化物放电灯以底部垂直朝上取向在VHF操作。在从大约370到500KHz的范围内观察到很多弱声学谐振。在底部电极处观察到大多数不稳定性。起初看来稳定的多个频率在很多秒或甚至很多分钟以后开始变为不稳定。利用从40-50KHz(对应在20和25KHz之间的电流频率以及调制指数m2约等于0.2)的频率扫描进行调幅使在从370-500KHzVHF频率的灯稳定。这些频率在第一方位角和第一径向声学模式之间(见图2)。

在上述两个150W陶瓷灯(3000和4000K)中实现了凝聚物(condensate)离开电弧管底部的移动(色混合)。该灯在VHF频率下工作和在大约30KHz下被调幅，从而激励第二纵向声学模式。如图1所示，第二纵向声学模式位于比第一方位角声学模式高和比第一径向声学模式低的频率上。因此第二纵向声学模式的激励还可以产生电弧矫正。通过在电弧来回移动的VHF频率操作4000K 150W的灯证实了这一点。VHF载波在大约30KHz下被调幅，这不仅相对于电弧运动使灯稳定化，也使凝聚物离开电弧管底部。

相对于第一方位角和第一方位角/纵向组合声学模式的第二纵向声学模式的频率部分取决于灯的高宽比。可以通过稍微改变高宽比而相对于这些其它声学模式改变第二纵向声学模式的频率。还可以通过已知的灯尺寸来预知各种声学模式的频率。

可以通过在16KHz对VHF载波频率进行调幅而激励具有8mmID×28mmIL尺寸的200W陶瓷金属卤化物放电灯的第二纵向声学模式。但是，在电弧向底部电极附近的壁偏移之前只可能产生少量色混合。不能完全使放电色混合是因为第二纵向声学模式频率位于低于第一方位角声学模式的频率上，并且电弧矫正是不可操作的。

用于实现电弧矫正的另一结构示于图3B中。利用VHF载波获得电弧矫正的这种结构是以获得差分功率频率为基础的。参见图3B，函数发生器302产生第二频率f₂，选择第二频率f₂是为了在函数发生器306与VHF载波频率f₁相加之后实现所希望的电弧矫正频率或频率扫描。功能发生器306中的相加操作产生功率频率2f₁、2f₂、f₂-f₁和f₂+f₁。如果f₂-f₁(或f₁-f₂)等于有效电弧矫正频率(例如对于尺寸为9mmID×13mmIL的150W灯的中间30’sKHz)，则可以产生电弧矫正。作为选择，如果在灯的谐振图中不存在窗口，从而电弧稳定需要频率扫描，则选择频率扫描Δf₂作为求和频率，以便Δf₂-f₁(或f₁-Δf₂)等于电弧矫正所需的功率频率扫描(例如对于尺寸为8mmID×28mmIL的200W灯为40-50KHz)。应注意调整f₂或Δf₂的幅度可控制电弧矫正的量。

作为用于与载波频率一起激励电弧矫正声学模式的另一替换例子，可以使用时间顺序频率法。在时间顺序频率法中，可由单个或多个函数发生器提供的两个频率在时间上连续交替。第一频率是VHF载波频率f₁，第二频率是固定频率f₃或者频率扫描Δf₃。f₃或Δf₃等于电弧矫正所需功率频率的一半。图8是表示VHF载波频率与一个固定频率交替的时序的波形的曲线。图9是表示VHF载波频率与一个频率扫描交替的时序的波形的曲线。电弧矫正的量可由f₃或Δf₃与f₁的持续时间相比的持续时间来控制。

应该指出的是，有各种其它方法适用于进行调幅、或相加或时间定序，并且本发明不限于附图中所示的特定结构来执行这些操作。

本发明的优选实施例的前面说明只是为了表示和说明目的。在此不希望将本发明穷尽或限制为这里所公开的精确形式，鉴于上述教导可以进行各种修改和改变或者可以从本发明的实施中获得这些修改和改变。选择和介绍实施例是为了解释本发明的原理和实际应用，以使本领域技术人员可以在各种实施例中利用本发明，并考虑到适于特定使用的各种修改。因此本发明的范围由所附权利要求书及其等效表述来确定。

Claims

1、一种用于在HID灯中电弧矫正的方法，包括以下步骤：

确定和选择产生用于HID灯的电弧矫正的频率信号或频率扫描信号；和

与载波频率信号一起激励电弧矫正声学模式。

2、根据权利要求1的方法，还包括选择载波频率信号的步骤，该载波频率足够高以便与所述频率信号或频率扫描信号一起使电弧稳定。

3、根据权利要求1的方法，其中激励步骤包括使用对应于用于电弧矫正的功率频率的频率信号或频率扫描信号来对载波频率信号进行调幅。

4、根据权利要求3的方法，还包括通过控制该幅度调制的频率信号的幅度或该调制的频率扫描信号的幅度来控制电弧矫正的量的步骤。

5、根据权利要求1的方法，其中激励步骤包括将载波频率信号与第二频率信号或第二频率扫描信号相加以获得用于激励电弧矫正声学模式的一个或多个差分功率频率。

6、根据权利要求5的方法，还包括通过相对于载波频率信号的幅度而控制第二频率信号或第二频率扫描信号的幅度从而来控制电弧矫正的量的步骤。

7、根据权利要求1的方法，其中激励步骤包括在时间上连续交替载波频率信号和频率信号或频率扫描信号的步骤，其中频率信号或频率扫描信号等于用于产生HID灯的电弧矫正所需的功率频率的一半。

8、根据权利要求7的方法，还包括通过相对于载波频率信号的持续时间而控制频率信号或频率扫描信号的持续时间从而来控制电弧矫正的量的步骤。

9、根据权利要求1的方法，其中确定步骤包括：

确定HID灯的谐振谱；

如果在HID灯的第一方位角声学模式上方和HID灯的第一径向声学模式下方的谐振谱中存在窗口，则从窗口内选择产生电弧矫正的频率信号；和

如果不存在窗口，则在HID灯的第一方位角声学模式上方和HID灯的第一径向声学模式下方选择用于产生电弧矫正的频率扫描信号的频率范围。

10、根据权利要求1的方法，其中HID灯具有圆柱对称性。

11、根据权利要求1的方法，其中HID灯具有放电容器，该放电容器具有陶瓷外壳。

12、根据权利要求1的方法，选择用于产生电弧矫正的频率的步骤包括在HID灯的谐振谱中选择在第一方位角声学模式和第一径向声学模式之间的频率，该频率不仅产生电弧矫正而且激励第二纵向声学模式，从而获得色混合。

13、一种具有电弧矫正的HID灯，包括：

含有可电离填料的放电容器(3)；和

用于与载波频率一起在放电容器中激励电弧矫正声学模式的电路(300、302、304、306、308)。

14、根据权利要求13的HID灯，其中放电容器具有圆柱对称性。

15、根据权利要求13的HID灯，其中放电容器具有陶瓷外壳。

16、根据权利要求13的HID灯，其中用于激励放电容器的电路利用频率信号或频率扫描信号对载波频率信号进行调幅(300、304)。

17、根据权利要求13的HID灯，其中用于激励放电容器的电路包括用于将载波频率信号与第二频率信号或频率扫描信号相加，以便获得激励电弧矫正声学模式的差分功率频率信号的部件(306)。

18、根据权利要求13的HID灯，其中用于激励放电容器的电路在时间上连续交替载波频率类信号和频率信号或频率扫描信号，其中所述频率信号或频率扫描信号等于用于产生HID灯的电弧矫正所需的功率频率的一半。

19、根据权利要求13的HID灯，其中用于与载波频率一起在放电容器中激励电弧矫正声学模式的电路(300、302、304、306、308)使用在用于HID灯的谐振谱中的处在第一方位角声学模式和第一径向声学模式之间的频率，该频率还激励第二纵向声学模式，以便获得色混合。

20、用在如权利要求13-19的一项或多项中所述的HID灯中的用于激励电弧矫正声学模式的电路(300、302、304、306、308)。