專利名稱：提供正弦調幅操作電壓的裝置、產生調幅電壓的照明系統(tǒng)和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于提供正弦調幅操作電壓的裝置。本發(fā)明還涉及一種具有這種裝置的照明系統(tǒng)，以及一般涉及一種用于產生調幅電壓的方法。
背景技術：
正弦交流操作電壓是操作高壓放電燈所需的，其中高壓放電燈的操作頻率典型地(在70W燈的情況下)以在45kHz和55kHz之間的范圍內的鋸齒波的形式并且通常以100Hz時鐘周期來掃描，這依賴于燈燃燒器的幾何形狀。該掃描操作通常防止激發(fā)聲諧振，因此有助于穩(wěn)定等離子弧。而且，尤其是在水平操作期間，通過有針對性地激發(fā)合適的橫向諧振來選擇合適的掃描窗使放電弧變直。
在頻率調制的同時，交流操作電壓應當被調幅。應當可以不但根據(jù)20kHz和50kHz之間(典型地在70W燈的情況下從23kHz到30kHz，在150W燈的情況下從20kHz到25kHz，在35W燈的情況下從34kHz到40kHz)的頻率而且根據(jù)(典型地10％到40％的)調制深度來設置該調制，這對應于燈燃燒器的幾何形狀。調幅被用于燈內等離子弧中的特定縱向聲諧振的有針對性的激發(fā)。該縱向模式使該弧的弧化響應(弧穩(wěn)定性)未被削弱，而是替代地致使弧化區(qū)域中的氣體組分的混合增強(所謂的色彩混合)。因此，防止因調幅而產生的所謂的分離導致沿等離子弧的亮度更加均勻，并且還導致發(fā)光效率顯著增加。
在現(xiàn)有技術中，通常將半橋變換器用于在這些操作頻率下將燈耦合到電子鎮(zhèn)流器上。為了實現(xiàn)對燈電源電壓或電源電流的調幅，在現(xiàn)有技術中，經由單獨的初級對該半橋的電源電壓施加調制。
例如，DE 10216596A1已經公開了利用降壓轉換器，其實現(xiàn)時鐘控制的直流電壓源。
在DE 10216596A1中公開的借助降壓轉換器的調幅的實施具有以下缺點，即尤其是調幅深度僅能夠在窄的界限內被重新調節(jié)，因為它不是完全并且唯一地依賴于單獨的控制信號的狀態(tài)，而是還依賴于負載或者燈的負載響應。因為燈中的老化效應或者作為調光操作期間燈特性改變的結果，調幅在寬范圍內可變是必要的。

發(fā)明內容
本發(fā)明的一個目的是提供一種用于提供正弦調幅操作電壓的裝置，該裝置使調制深度可以按需要被連續(xù)調節(jié)。
根據(jù)本發(fā)明的該裝置特別是用于對半橋變換器饋電，該半橋變換器具有耦合到其上的高壓放電燈，該裝置具有以半橋形式布置的兩個開關和布置在該半橋下游的LC元件。該半橋的第一開關由每個時鐘周期利用調幅頻率的時鐘控制中的第一信號驅動，而第二開關由第二信號驅動，第二信號短于第一信號，并且在每個時鐘周期中相對于第一信號具有時間偏移。在開關半橋中的開關之間的連接點處產生的信號通過本發(fā)明中的下游LC元件進行濾波，以便LC元件允許直流電壓分量以及具有時鐘控制的基頻的信號的正弦分量通過并且(基本上)濾去諧波、也就是高于基頻的諧波。
不對稱地驅動的半橋的使用具有優(yōu)于現(xiàn)有技術中的降壓變換器的優(yōu)點，即由于第二開關，存在更大的自由度，以該自由度，通過改變占空比或通過改變兩個開關中僅僅一個開關的激活時間，能夠影響所得到的AM。
調制深度可以被設置為任何期望的深度，并且尤其是通過改變更短的第二信號來進行連續(xù)設置(同時維持所謂的取消時間)。
根據(jù)一個優(yōu)選實施例，該驅動信號是方波信號。
在這種情況下，為調制器半橋提供直流電壓。
根據(jù)該優(yōu)選實施例，應確定開關信號的持續(xù)時間和時間偏移的大小，以便在每個時鐘周期中在開關之間的連接點處產生具有直流電壓的幅度的方波信號，其中所述方波信號的周期準確地對應于開關控制信號的重復率，并且它的占空比由兩個開關的所選定的切換長度決定。
如果絕對對稱地驅動兩個開關時方波信號的占空度精確地為50％，那么在通過LC元件濾波之后(對應于其傅立葉頻譜)，將產生U0/2的直流電壓分量以及當前切換頻率的高基波分量或者最大基波分量。
如果方波信號的高電平(有效)部分短于時鐘周期的一半(占空比＜50％)則將產生小于U0/2的直流電壓分量并且還將減小基波分量的絕對值。
如果方波信號的高電平(有效)部分長于時鐘周期的一半(占空比＞50％)則將產生大于U0/2的直流電壓分量并且還將減小基波分量的絕對值。
在該優(yōu)選實施例中方波信號的有效的那部分通常這樣來確定大小，以致長于時鐘周期的一半，以便基本的直流電壓分量仍然可用于對高壓放電燈饋電。
在當前情況下，根據(jù)本發(fā)明，方波信號在其占空比方面可以這樣來確定大小，使得在LC濾波器之后的基波的絕對值導致期望的調制深度，以及使得產生足夠高的直流電壓分量為高壓放電燈的變換器饋電。
由于這兩個參數(shù)并非相互獨立，所以通常有必要將所期望的直流電壓分量校正到輸入電源電壓U0的電平之上，以便仍然確保向燈輸出的期望功率(燈功率調節(jié))。
對于方波信號的有效部分來說，在23kHz和28kHz之間的調幅頻率的情況下，典型值為25μs到40μs，在這種情況下優(yōu)選地為30μs到35μs；而對于方波信號的無效部分來說，典型值為1μs到15μs，在這種情況下優(yōu)選地為1μs到5μs。在1μs和15μs之間的方波信號的無效部分的變化導致調幅深度的劇烈的變化，該調幅深度可以為10％直至40％，這依賴于LC濾波器的特性。
上述優(yōu)點、即根據(jù)本發(fā)明第二信號的變化確保調制深度能夠容易地并且連續(xù)地被調節(jié)能夠被用于建立用于校正調制深度的控制回路。
為了該目的，需要分接并測量該調幅操作電壓，并且將其和期望值進行比較。如果該操作電壓和期望值之間存在差異，則需要校正該調幅深度，這能夠通過改變第二開關的切換長度簡單地實現(xiàn)。
根據(jù)本發(fā)明的調節(jié)可以如下進行被分接的操作電壓首先被濾波，這提供平均電壓電平的監(jiān)測值。
此外，使被分接的操作電壓經受差分峰值檢測器的處理，該差分峰值檢測器輸出電壓變化，該電壓變化對應于絕對調制的監(jiān)測值。
現(xiàn)在，可以借助除法根據(jù)兩個監(jiān)測值來確定實際存在的調制深度。現(xiàn)在能夠將該調制深度的測量值和期望值進行比較，并且根據(jù)關于動態(tài)適當?shù)乇贿x擇的調節(jié)參數(shù)，能夠通過改變下面的第二開關的切換狀態(tài)來校正該調幅深度。
用于調節(jié)該調制深度的一個優(yōu)選實施例是，將平滑元件的輸出端處的平均電壓的監(jiān)測值直接乘以期望調制深度的期望值輸入的兩倍。所乘的信號以及電壓變化被饋送到調節(jié)器，該調節(jié)器輸出調節(jié)信號。如下面將進一步示出的那樣，在理想情況下，被乘變量等于絕對電壓變化的期望值，其結果是，能夠利用該調節(jié)器來確定存在的調節(jié)差異，然后產生合適的調節(jié)信號。
在脈寬調制模塊中兩個開關信號的產生尤其可以是這樣的，以致直接產生第一信號，以及為產生第二信號而提供和第一信號同步的鋸齒波電壓信號，在這種情況下同步應當被理解為意味著，當形成第一信號的方波信號已經變成零時在時鐘周期中出現(xiàn)鋸齒波。該鋸齒波電壓信號被饋送到比較器，必要時該比較器輸出方波信號。如果該鋸齒波電壓信號超過由調節(jié)信號所預先確定的特定門限，則將該方波信號設置為零。
如果該調節(jié)信號為高電平，則存在對調制深度的高要求，因此在較晚的時間點超過該切換門限，以及因此下面的第二開關的脈沖持續(xù)時間比較長。
如果該調節(jié)信號為低電平，則存在對調制深度的低要求，因此在較早的時間點超過該切換門限，以及因此下面的第二開關的脈沖持續(xù)時間比較短。
利用調節(jié)信號來包括特別簡單類型的控制，其中該調節(jié)信號的電平特別是與方波信號的長度直接相關，該方波信號的長度又決定該信號的占空比，其中該信號由半橋輸出，并相應地限定LC元件下游的調幅深度。
本發(fā)明還涉及一種照明系統(tǒng)，在某種程度上，該照明系統(tǒng)包括根據(jù)本發(fā)明的作為鎮(zhèn)流器的裝置，還涉及上述的變換器(也就是，例如半橋變換器)，該變換器由調幅操作電壓饋電，并且具有輸出端子，其中燈電壓被施加到該輸出端子上，以及還涉及一種高壓放電燈，該高壓放電燈被耦合到該輸出端子上。
本發(fā)明還包括一種用于產生調幅電壓的方法，該調幅電壓特別是作為用于對具有高壓放電燈的照明系統(tǒng)中的變換器饋電的操作電壓。該方法包括以下事實a)在第一步驟中，通過適當?shù)?適宜地)驅動以半橋形式布置的兩個開關來產生時鐘控制的方波信號，所述方波信號的持續(xù)時間長于時鐘周期的一半，以及b)在第二步驟中，使該時鐘控制的方波信號經受濾波器的處理，該濾波器允許直流電壓分量和以基頻被時鐘控制的正弦電壓分量通過，但是濾去基頻的諧波。


下面將參照多個示例性實施例來更加詳細地闡述本發(fā)明。在附圖中圖1示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的電路圖，其中省略了用于驅動目的的元件，圖2示出本發(fā)明的完全被調節(jié)的模擬實施例，以及圖3示出本發(fā)明的完全被調節(jié)的數(shù)字實施例。
具體實施例方式
圖1中所示的該裝置包括作為必要元件的、以半橋的形式被布置的兩個開關QHIGH和QLOW(兩個開關都是MOSFET)以及被設置在該半橋下游的LC元件，其中該LC元件包括電感LMOD和電容CMOD。
550VDC的直流電壓U0被饋入該半橋，如圖1中所示，該直流電壓U0源于PFC級(功率因數(shù)控制器)、也就是形成電源系統(tǒng)和用于高壓放電燈的電子鎮(zhèn)流器之間的過渡的級。在24kHz(在這種情況下為了解釋的目的而在元件之間示出)的時鐘周期期間，通過具有等于30μs的長度tau1的方波電壓來驅動驅動線HIGH-GATE上的第一開關。在具有持續(xù)時間tau1的方波脈沖之后的時鐘周期內，在用于第二開關QLOW的驅動線LOW-GATE上緊跟著具有持續(xù)時間tau2的方波脈沖。tau2的典型持續(xù)時間值為1.8μs。具有持續(xù)時間tau2的方波脈沖應當直接緊跟具有持續(xù)時間tau1的方波脈沖，同時維持0.5μs到1μs的典型停滯時間。整個周期的時鐘周期是24kHz。
由于該半橋布置，兩個開關QHIGH和QLOW具有連接點K，在該連接點上產生在圖1中右手側所示的信號。在具有持續(xù)時間T的時鐘周期期間，在持續(xù)時間t1＞＝tau1內，點K處的電壓從0V上升到550V，然后在持續(xù)時間t2＞＝tau2內降落到0V。隨后，該時鐘周期從零開始，也就是，電壓再次上升和下降。比率t1/t2限定點K處的占空比。持續(xù)時間t1和t2基本上由具有tau1和tau2的方波脈沖的下降沿的時間位置來限定。在具有持續(xù)時間T的時鐘周期期間，該電壓最初首先保持在550V，然后在具有持續(xù)時間tau1的脈沖結束之后、即在該脈沖的下降沿的同時，該電壓下降到0V的值，也就是取消了時間t1。只有從現(xiàn)在起，一旦已經維持了短的停滯時間(在半橋情況下典型值＝0.5μs)，脈沖tau2才能夠開始。
在持續(xù)時間為tau2的方波脈沖期間，點K處的電壓保持在0V。僅在具有持續(xù)時間tau2的脈沖以其下降沿結束之后，它才再次上升到550V的值，而不管該脈沖是否已經在第一開關QHIGH上再次從頭開始。
因此，持續(xù)時間tau2基本上決定t2，當一旦時間tau1已期滿持續(xù)時間tau2就直接開始時，這些時間并不一定相等，但是彼此接近。由于tau2顯著小于tau1的事實，t2顯著小于t1。因此在持續(xù)時間t1期間該信號等于550V的直流電壓，其后短暫下跌到0。在濾波的情況下，如在這種情況下通過包括電感LMOD和電容CMOD的LC元件所進行的那樣，在施加負載RLOAD(用于操作燈的半橋級的阻抗)的情況下，在點L處產生在圖1中的右頂端所示的電壓UMOD、也就是直流電壓分量小于550V(通常為450V)并且這里所示的調制深度為10-50％的調幅電壓。
在此將再次提及以下事實，LC元件僅允許直流頻率分量以及24kHz的基頻通過，但是濾去較高次諧波。當然，很大程度上被濾去的任何較高次諧波都隱藏在連接點K處的方波信號中。
直到現(xiàn)在，僅僅給出了用于提供正弦調幅操作電壓的裝置的基本原理的細節(jié)。在下文中給出對如何進行驅動、尤其是驅動的調節(jié)的考慮。
圖2示出根據(jù)第一示例性實施例的用于提供被調節(jié)的正弦調幅操作電壓的裝置，該裝置具有象征性提供的負載、也就是燈變換器10、例如具有高壓放電燈的半橋變換器，如從現(xiàn)有技術所知的。在點L上游，電壓UMOD在點M處經由分壓器被分接，也就是UMOD_MON，其中該分壓器包括電阻器RMON1和RMON2。通過RC平滑元件來確定平均值UMOD_MEAN，該RC平滑元件包括電阻器和電容CMON2。同時，通過另一條、即上面的(圖2中)分支中的容性耦合的峰值檢測器DMON來確定電壓變化DELTA_UMON。
由下式產生瞬時調制度的測量值m＝(Umax-Umin)/(Umax+Umin)＝DELTA_UMON/2×UMOD_MEAN。
該調節(jié)現(xiàn)在應當利用參照圖1所述的調幅器適當?shù)卦黾踊蛘邷p少對應于期望值輸入mdes的脈沖持續(xù)時間tau2，直到測量到的調制深度對應于期望值輸入。
為了避免除法，通過乘法器12將期望值mdes乘以平均值UMOD_MEAN，在這種情況下該乘法利用可變放大器級來實現(xiàn)。來自乘法器12的乘法值然后又被加倍，然后在調節(jié)器14處與DELTA_UMON進行比較。
為了該目的，DELTA_UMON的值以及從乘法器12輸出的值被輸入到具有誤差放大器的調節(jié)器14。調節(jié)器14輸出調節(jié)信號REG_MOD，同時考慮合適的調節(jié)動態(tài)參數(shù)。
參照圖1所述的電路現(xiàn)在由時鐘發(fā)生器16來驅動，該時鐘發(fā)生器在一條線上輸出方波信號，而在另一條線上輸出鋸齒波信號，該鋸齒波信號和所述方波信號同步。該方波信號直接是在用于第一開關QHIGH的線HIGH-GATE上輸出的信號。
該鋸齒波電壓本身被輸入到作為脈寬調制模塊18的比較器，調節(jié)信號REG-MOD作為比較器的門限參考值位于所述脈寬調制模塊18的第二輸入端上。
如果對AM深度的要求是高的，則作為門限值的REG_MOD信號為高電平，并且鋸齒波在較晚的時間點超過該門限，由此延長了PWM模塊的脈沖持續(xù)時間。
如果對AM深度的要求是低的，則作為門限值的REG_MOD信號為低電平，并且鋸齒波在較早的時間點超過該門限，由此縮短了PWM模塊的脈沖持續(xù)時間。
為了確定持續(xù)時間tau2，信號REG_MOD用作給出門限值的信號。REG_MOD越高，則tau2就越長。
來自脈寬調制模塊18的信號能夠直接在線LOW-GATE上被給出，并且是具有持續(xù)時間tau2的方波信號。
歸功于電壓UMOD的所述反饋以及調節(jié)器14中的電壓變化的實際值和期望值的比較，借助用于直接確定持續(xù)時間tau2的信號REG_MOD獲得合適的驅動。
因此，實現(xiàn)用于校正和穩(wěn)定調幅深度的閉環(huán)控制回路。
到目前為止所描述的模擬控制回路也可以通過微處理器來實現(xiàn)。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的數(shù)字實施例。在這種情況下，與圖2中相同的元件被示出，僅僅為微處理器20分配了以下功能確定平均電壓UMOD_MIN以及DELTA_UMON、進行乘法運算、調節(jié)、脈寬調制以及輸出時鐘周期。在這種情況下的模擬元件的符號說明意味著微處理器20采用相應的算法。微處理器20僅接收分接的UMOD_MON并且分別在線HIGH-GATE和LOW-GATE上輸出具有持續(xù)時間tau1和tau2的方波脈沖。在圖3中所示的實施例中，和圖1中的元件相比較，現(xiàn)在僅提供分壓器和微處理器來用于產生柵極信號。
權利要求
1.一種用于提供正弦調幅操作電壓的裝置，該正弦調幅操作電壓特別是用于對半橋變換器(10)饋電，該半橋變換器具有連接到其上的高壓放電燈，該裝置-具有以半橋的形式布置的兩個開關(QHIGH和QLOW)，該半橋的第一開關(QHIGH)由每個時鐘周期利用調幅頻率的時鐘控制中的第一信號驅動，而第二開關(QLOW)由第二信號驅動，該第二信號短于第一信號，并且在每個時鐘周期中相對于第一信號具有時間偏移，以及-具有LC元件(LMOD，CMOD)，該LC元件被布置在該半橋的下游，用作在開關之間的連接點(K)處由開關的驅動產生的信號的濾波器，允許直流電壓分量以及具有時鐘控制的基頻的信號的正弦分量通過并且基本上濾去諧波。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，該驅動信號是方波信號，以便當直流電壓被饋送給該半橋時，在每個時鐘周期中在開關之間的連接點(K)處產生具有直流電壓的幅度的方波信號，其中所述方波信號的持續(xù)時間長于時鐘周期的一半。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，調幅頻率在23kHz和28kHz之間，第一方波信號的長度在25μs和40μs之間并且優(yōu)選地在30μs和35μs之間，而第二方波信號的長度在1μs和15μs之間并且優(yōu)選地在1μs和5μs之間。
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，該調幅操作電壓(UMOD)被分接，并且被用于調節(jié)第二信號的持續(xù)時間，以模擬方式(12，14，16，18)或者借助微處理器(20)來執(zhí)行該調節(jié)。
5.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于，被分接的操作電壓(UMOD_MON)一方面經受濾波器(RMON4，CMON2)的處理，該濾波器輸出平均電壓電平，該平均電壓電平在乘法器(12)中與調制度的期望值(mdes)的兩倍相乘，并且該被分接的操作電壓另一方面經受峰值檢測器(DMON)的處理，該峰值檢測器輸出電壓變化(DELTA_UMON)，并且所乘的信號以及電壓變化(DELTA_UMON)被饋送到調節(jié)器(14)，該調節(jié)器輸出調節(jié)信號(REG_MOD)。
6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于，該調節(jié)信號被饋送到脈寬調制模塊(18)，在另一輸入端處，鋸齒波電壓信號被饋送到該脈寬調制模塊，該鋸齒波電壓信號和第一信號同步，該脈寬調制模塊輸出作為方波信號的第二信號，該第二信號的長度取決于調節(jié)信號。
7.一種照明系統(tǒng)，具有-如前述權利要求之一所述的用于提供調幅操作電壓的裝置，-變換器(10)，該變換器通過調幅操作電壓來饋電，并且具有輸出端子，燈電壓被施加到該輸出端子上，以及-高壓放電燈，該高壓放電燈被耦合到該輸出端子上。
8.一種用于產生調幅電壓的方法，該調幅電壓特別是作為用于對具有高壓放電燈的照明系統(tǒng)中的變換器(10)饋電的操作電壓，其特征在于a)在第一步驟中，通過適當?shù)仳寗右园霕虻男问讲贾玫膬蓚€開關(QHIGH，QLOW)來產生時鐘控制的方波信號，所述方波信號的持續(xù)時間長于時鐘周期的一半，以及b)在第二步驟中，使該時鐘控制的方波信號經受濾波器的處理，該濾波器允許直流電壓分量和以基頻被時鐘控制的正弦電壓分量通過，但是濾去基頻的諧波。
全文摘要
在一種用于提供正弦調幅操作電壓的裝置的情況下，兩個開關以半橋的形式布置，并且LC元件被布置在該半橋下游。第一開關由每個時鐘周期利用調幅頻率的時鐘控制中的第一方波信號驅動，而第二開關(QLOW)由第二方波信號驅動，第二信號短于第一信號，并且在每個時鐘周期中相對于第一信號具有時間偏移。LC元件(LMOD，CMOD)用作由在開關之間的連接點(K)處對開關的驅動產生的信號的濾波器，并且允許直流電壓分量以及具有時鐘控制的基頻的信號的正弦分量通過，但是基本上濾去諧波。
文檔編號F21S8/00GK1893760SQ20061010646
公開日2007年1月10日 申請日期2006年6月20日 優(yōu)先權日2005年6月20日
發(fā)明者H·凱施特勒 申請人:電燈專利信托有限公司