專利名稱：氣體放電燈的鎮(zhèn)流器關斷電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于氣體放電燈的鎮(zhèn)流器或電源電路，這種鎮(zhèn)流器或電源電路使用正反饋柵極驅動電路來控制成對串聯(lián)連接的直流-交流轉換器的互補導電型開關。本發(fā)明特別涉及關斷電路，當存在高電壓電位，包括但不限于燈拆除和壽命終止效應時，該電路時常限制鎮(zhèn)流器的輸出電壓。
本發(fā)明人1996年6月9日申請的美國專利No．5796214披露了一種鎮(zhèn)流器電路，該鎮(zhèn)流器電路使用正反饋柵極驅動電路以控制直流-交流轉換器的成對串聯(lián)連接的互補導電型開關。這種開關例如可以包括n溝道增強型MOSFET和p溝道增強型MOSFET。在披露的鎮(zhèn)流器中，開關的諧振負載電流和控制電壓之間的相位角在燈點火期間向0移動，提供可靠的燈點火。
當存在高電壓的電位時，例如當燈被拆除時，或當壽命終止效果產(chǎn)生高電壓狀態(tài)的電位時，期望采用上述鎮(zhèn)流器來時常地限制輸出電壓。
在本發(fā)明的實施例中，設有鎮(zhèn)流器關斷電路，可在電路輸出上存在高電壓狀態(tài)比預定起動時間長時進行操作。關斷電路把鎮(zhèn)流器的頻率增加到調(diào)諧電路的諧振頻率以上，由此限制輸出電壓。關斷電路檢測導致鎖存器電路被激發(fā)的超過預定電壓的電壓，該關斷電路降低供給該關斷電路的電壓電平，該關斷電路順序增加頻率，使電路脫離諧振。


圖1是按照本發(fā)明實施例教導的裝有關斷電路的鎮(zhèn)流器的示意圖；圖2是裝有本發(fā)明關斷電路的另一實施例的鎮(zhèn)流器電路；圖3表示構成圖2的關斷電路的波形；圖4表示燈起動脈沖；和圖5表示圖2的關斷電路的燈起動脈沖和延遲觸發(fā)點之間的時間延遲。
圖1表示本發(fā)明一個實施例的裝有關斷電路12的鎮(zhèn)流器電路10。從電源16產(chǎn)生的直流總線電壓對氣體放電燈14供電。在把這種電壓用直流-交流轉換器21轉換成交流后，該直流總線電壓存在于總線電容器18和基準電容器20之間。
在導體18和20之間串聯(lián)連接的開關22和24被用于轉換處理。當開關分別包括n溝道和p溝道增強型MOSFET時，開關的源電極在公共節(jié)點26上被直接連接在一起。開關可以包括具有互補導電模式的其它裝置，例如pnp和npn雙極結晶體管。諧振負載電路28包括設定諧振工作頻率的諧振電感器30和諧振電容器32。一般來說，電路28包括隔直電容器34和所謂的緩沖電容器36。
開關22和24相配合，把來自公共節(jié)點26的交流電流提供給諧振電感器30。開關的柵極38或控制電極40實質上被直接相互連接在控制節(jié)點或導體42上。通常由44表示的柵極驅動電路被連接在控制節(jié)點42和公共節(jié)點26之間，以實現(xiàn)開關22和24的正反饋控制。驅動電感器46與諧振電感器30彼此耦合，在電感器46上感應與負載電路28中電流瞬時變化率成正比的電壓。第二電感器48在公共節(jié)點26和控制節(jié)點42之間與電感器46串聯(lián)連接。在一些應用中，最好使用在電感器48的左邊示出的節(jié)點和公共節(jié)點26之間連接的另一電感器(未示出)。連接在節(jié)點26和42之間的雙向電壓箝位器50，例如背對背齊納二極管按這樣的方式與第二電感器48配合，以使諧振負載電路28(例如，從節(jié)點26至節(jié)點20)上的電壓和諧振電感器30中交流電流的基本頻率成分之間的相位角在燈點火期間達到零。以下為了說明的目的，電容器52在節(jié)點26和節(jié)點42之間可以連接在電感器48和46的串聯(lián)電路中。
電容器54最好設置在節(jié)點26和42之間，以可斷定地限制這些節(jié)點之間控制電壓的變化率。例如，這有助于確保開關22和24接通期間空載時間間隔，其中，兩個開關在其中一個開關的導通時間之間是斷開的。
串聯(lián)連接的電阻器56和58與電阻器60合作，用于起動柵極驅動電路44的正反饋操作。在起動過程中，電容器52通過電阻器56、58和60在電源16的激勵下首先被充電。在這種情況下，電容器52上的電壓為零，在起動過程期間，由于電容器52充電的較長時間常數(shù)，所以串聯(lián)連接的電感器46和48基本上起短路作用。利用電阻器56-60為相等值，例如，公共節(jié)點26上的電壓在最初的總線激勵下為總線電壓16的約三分之一。在這種方式下，電容器52增加從左向右的充電，直至它達到上開關22的柵極-源極電壓的閾值電壓(例如，2-3伏)。在這點上，上開關轉換成其導通模式，然后，該開關把產(chǎn)生的電流通過該開關供給諧振負載電路28。接著，在諧振負載電路中產(chǎn)生的電流形成開關22和24的正反饋控制。
在鎮(zhèn)流器電路10的穩(wěn)定狀態(tài)期間，公共節(jié)點26的電壓變?yōu)榭偩€電壓16的約一半。節(jié)點42上的電壓也變?yōu)榭偩€電壓16的約一半，從而電容器52在穩(wěn)定狀態(tài)操作期間不能再次充電，以致再次產(chǎn)生導通開關22的起動脈沖。在穩(wěn)定狀態(tài)操作期間，電容器52的容性阻抗大于柵極驅動電感器46和第二電感器48的電感性阻抗，以便電容器52不影響這些電感器的操作。
另外，電阻器60可以被并聯(lián)放置在開關22(未示出)上，而不放置在開關24上。電路的操作與電阻器60并聯(lián)開關24的上述說明的情況相同。但是，最初假設公共節(jié)點26電位高于節(jié)點42，使電容器52從右向左充電。結果導致增加節(jié)點42和節(jié)點26之間的負電壓，該電壓影響開關24的導通。
在圖1的電路中最好使用電阻器56和58；但是，在拆除電阻器58和使用電阻器60的情況下，電路基本上起到預期的作用。起動可能較慢并處于較高的線電壓。在拆除電阻器56和對于并聯(lián)開關22的電阻器60使用另一電阻器(未示出)的情況下，電路基本上起到預期的作用。
在本發(fā)明的一個實施例中，通過鎮(zhèn)流器電路10的終端62和64與關斷電路12的終端66和68的連接，將關斷電路12裝入鎮(zhèn)流器電路10。關斷電路12包括由二極管70-76組成的全波整流橋、充電電容器78、齊納二極管80、電阻器82和pnp-npn晶體管對86、88組成的鎖存器84。
當大于預定值的電壓持續(xù)某個時間周期時，關斷電路12用來進行激發(fā)。例如，當燈從電路上被拆卸或當壽命終止效應造成燈過熱，尤其是燈電極過熱時，就會出現(xiàn)這種情況。關斷電路12檢測電感器48上的電壓，該電壓由整流橋70-76來整流，然后用于充電電容器78。當電容器78上的電壓超過齊納二極管80的值時，電流在齊納二極管80和電阻器82通路中流動，導致鎖存器84的激發(fā)。鎖存器84的激發(fā)導致電感器48上的電壓下降，該下降又使鎮(zhèn)流器電路10的頻率增加，超過諧振電路28的諧振頻率。電路頻率上的增加再次導致降低對燈14供給的電流。
通過互補晶體管86和88的連接來設計鎖存器84。晶體管86的集電極90驅動晶體管88的基極92，而晶體管88的集電極94驅動晶體管84的基極96。因此，在晶體管之間有直接耦合的反饋。由于環(huán)路中任何點上電流的變化被放大和返回到有相同相位的開始點，所以該反饋是正反饋。鎖存器84處于導通或關閉兩種狀態(tài)之一。當鎖存器84處于導通狀態(tài)時，它保持導通，直至輸入電流迫使其關閉。如果鎖存器處于關閉位置，那么它維持在該位置，直至輸入電流或系統(tǒng)電壓下降迫使它導通。鎖存器84通過晶體管86的發(fā)射極98和晶體管88的發(fā)射極100與關斷電路12的其余部分連接。
關閉鎖存器84的一種方式是將觸發(fā)脈沖提供給晶體管88的基極92。該觸發(fā)脈沖迅速正向偏置基極92。由于有大的正反饋，所以返回的放大電流遠大于原來的輸入電流。在這點上，晶體管86的集電極94把基極電流供給晶體管88，不再需要觸發(fā)脈沖。由于一旦開始，該動作就自己維持，所以該動作是正反饋。
正反饋把兩個晶體管迅速地驅動至飽和狀態(tài)，在該點時，環(huán)路增益下降至一。
導通鎖存器84的一種方式是對晶體管88的基極92施加負觸發(fā)(未示出)，該觸發(fā)將晶體管88拉出飽和狀態(tài)。一旦出現(xiàn)這種情況，正反饋占優(yōu)勢，并把晶體管迅速地驅動至截止點。導通鎖存器84的另一種方式是利用小電流下降。這通過降低輸入電壓或從電源16充分地供給電壓，使晶體管86、88脫離飽和狀態(tài)，和正反饋驅動晶體管至截止狀態(tài)來實現(xiàn)。
在高電壓狀態(tài)的出現(xiàn)和鎖存器84的激發(fā)之間有一些延遲。尤其是，充電電容器78需要的時間提供從高電壓的出現(xiàn)直至鎖存器84被激發(fā)的時間延遲。此外，齊納二極管80的值確定高電壓值，在該電壓值時，關斷電路12將允許觸發(fā)鎖存器84。
與實現(xiàn)關斷電路12有關的是產(chǎn)生關斷電路誤觸發(fā)的可能性。例如，氣體放電燈的起動脈沖將使用電壓尖脈沖，以起動燈的操作。該電壓尖脈沖可能會是足夠大的值，以致誤觸發(fā)關斷電路12。避免這種誤觸發(fā)的一種方式可以是依大小排列部件，以便只有大于起動脈沖尖脈沖的電壓值可以使關斷電路12起作用。但是，在某些情況下由于直至大于電壓尖脈沖的值仍未進行觸發(fā)，可能導致電路的損壞，所以不期望上述方式。
因此，在某些情況下期望把時間延遲引入關斷電路，使產(chǎn)生觸發(fā)的最大電壓被設定在電壓尖脈沖電平以下，但在電壓尖脈沖出現(xiàn)時還可以避免誤觸發(fā)。在本發(fā)明的下一個實施例中論述這種電路。
參照圖2，表示本發(fā)明的第二實施例。除了關斷電路102以外，鎮(zhèn)流器電路10按與圖1所述相同的方式操作，因此，不進行與其操作有關的詳細說明。在關斷電路102中，與圖1的關斷電路12中所示元件相同的元件被相同地編號。關斷電路102包括在關斷電路102內(nèi)確保電壓箝位或限幅的結構，和提供用于觸發(fā)鎖存器84的可調(diào)時間，其中，時間延遲根據(jù)部件值可調(diào)。
與上述說明的關斷電路12同樣，監(jiān)視來自電感器48的電壓并由二極管橋70-76整流。在本實施例中，箝位齊納二極管102用于確保關斷電路102中的電壓不超過預定值，該值根據(jù)箝位齊納二極管104的選擇值來設定。
參照圖3，描繪了在裝有關斷電路102的鎮(zhèn)流器10的操作期間電感器48上的電壓。圖3表示這種情況，大于預定值的電壓持續(xù)一個大于預定的時間，以使關斷電路102操作。第一時間周期106可以被看成鎮(zhèn)流器電路預熱階段。在第二時間周期108期間，電感器48上的電壓增加至最大電壓110，在該點上齊納二極管102完成箝位動作，限制電壓進一步上升。由于電感器再次被齊納二極管102加載，所以關斷電路102的箝位部分根據(jù)產(chǎn)生的大于最大選擇電壓的電壓來限制調(diào)諧電路。
在第三時間周期112開始時，鎖存器84被激發(fā)，從而降低電感器48上的電壓，提高頻率輸出和中斷鎮(zhèn)流器電路10的諧振。在第二時間周期108期間，但在第三時間周期112之前，電容器114通過電阻器116進行充電。在第三時間周期112時，電容器114上的電壓大于時間延遲齊納二極管118的電壓值，使鎖存器84導通。電阻器120流過泄漏電流ICBO，以防止鎖存器84的誤觸發(fā)。當鎖存器84觸發(fā)或點火時，可以看出，電感器48上的電壓下降。根據(jù)對部件的選擇值，可調(diào)節(jié)利用時間延遲齊納二極管118維持的時間延遲。尤其是，通過增加時間延遲齊納二極管值118，在激發(fā)鎖存器84之前可獲得更長的時間延遲。
如圖4所示，由于在鎮(zhèn)流器10正常操作期間，燈起動電壓信號122用于激發(fā)燈14，所以時間延遲是期望的。實際上，為了啟動燈14，燈起動電壓信號122產(chǎn)生電壓尖脈沖124。因此，如果在關斷電路12中沒有時間延遲，如果電壓尖脈沖在預定的期望電壓電平以上，那么正常起動信號可能誤觸發(fā)鎖存器84。
因此，為了避免誤觸發(fā)，期望包括時間延遲。關斷電路102尋址高電壓建立的情況，并維持高電平直到大于起動脈沖要求的時間。
圖5表示論述的時間延遲的概念。圖中實線是在正常條件下操作的燈起動電壓信號122。在這些正常條件下，電壓尖脈沖124產(chǎn)生足夠的電平以啟動燈14，然后，該尖脈沖消失。在正常操作期間，關斷電路102不啟動。但是，正如虛線所示，如果電壓電平126足以利用齊納二極管104的箝位來啟動，并固定在該電平上直至達到觸發(fā)點128，關斷電路102便被激發(fā)，電感器48上的電壓下降，從而使電路產(chǎn)生諧振。
再有，時間延遲的長度被設置在關斷電路內(nèi)部，取決于選擇的元件值。應該指出，在優(yōu)選實施例中，由于為了觸發(fā)時間延遲齊納二極管118，在電容器114上需要足夠的電壓，所以時間延遲齊納二極管118上的擊穿電壓小于箝位齊納二極管104上的擊穿電壓。此外，齊納箝位二極管104被設置在不高于鎮(zhèn)流器10的峰值啟動脈沖電壓和不低于其穩(wěn)態(tài)電壓的值上。例如，如果穩(wěn)態(tài)操作電壓為13．5伏，那么箝位電壓電平應該大于該電壓，例如大約為15伏。當箝位齊納二極管104導通(即系統(tǒng)大于15伏)時，電容器114充電至觸發(fā)齊納二極管118的電平。
對于額定功率17．5瓦、直流總線電壓160伏的熒光燈14來說，圖1-2電路的示范性元件值如下諧振電感器30…………………………600微亨驅動電感器46…………………………2．0微亨30和46之間的匝數(shù)比…………………17∶1第二電感器48…………………………250微亨電容器54………………………………4．7毫微法電容器52………………………………0．1微法各齊納二極管50………………………10伏各電阻器56、58和60………………………270千歐諧振電容器32…………………………3．3毫微法隔直流電容器34………………………0．22微法緩沖電容器36…………………………470皮法二極管70-76(圖1-2)………………1N4148電容器78(圖1)………………………1．0微法齊納二極管80(圖1)…………………15伏電阻器82(圖1)…………………………10千歐齊納二極管104(圖2)…………………24伏電阻器116(圖2)…………………………100千歐電容器114(圖2)………………………1微法齊納二極管118(圖2)…………………15伏電阻器120……………………………………10千歐此外，開關22可以是El Segundo，California的InternationalRectifer Company銷售的IRFR 210或IRFR 214 n溝道增強型MOSFET；而開關22可以是International Rectifer Company銷售的IRFR 9210或IRFR 9214 p溝道增強型MOSFET。鎖存器84可以是npn-pnp晶體管對(pnp-2N3906；npn-2N3904)。
盡管已經(jīng)借助圖示用特定實施例論述了本發(fā)明，但對于本領域技術人員來說，會發(fā)現(xiàn)許多改進和變更。因此，應該指出，所附權利要求書將覆蓋落入本發(fā)明精神和范圍內(nèi)的所有這類改進和變更。
權利要求
1．在氣體放電燈的鎮(zhèn)流器電路中，一種限制直流-交流轉換器電壓輸出的關斷電路，所述關斷電路包括(a)與直流-交流轉換器連接的終端裝置，用于檢測直流-交流轉換器的電感器電壓；(b)整流器網(wǎng)絡，用于接收來自終端裝置的電感器電壓和產(chǎn)生整流電壓；和(c)鎖存器，用于接收整流電壓和當整流電壓在預定電壓以上時進入激勵狀態(tài)，其中，當鎖存器被激發(fā)時，電感器電壓下降。
2．如權利要求1的發(fā)明，其中，時間延遲電路被放置在整流器網(wǎng)絡和鎖存器之間，從而在足以激勵鎖存器的電壓的整流和實際激勵之間設置延遲時間。
3．如權利要求1的發(fā)明，其中，整流器網(wǎng)絡是全橋整流器。
4．如權利要求1的發(fā)明，其中，關斷電路包括連接的限幅裝置，以限制關斷電路的上限電壓。
5．如權利要求1的發(fā)明，其中，限幅裝置為箝位齊納二極管。
6．如權利要求2的發(fā)明，其中，時間延遲電路為電容器。
7．如權利要求2的發(fā)明，其中，時間延遲電路包括與時間延遲齊納二極管連接的充電電容器。
8．如權利要求7的發(fā)明，其中，箝位齊納二極管的值大于時間延遲齊納二極管的值。
9．如權利要求8的發(fā)明，其中，箝位齊納二極管電壓值小于交流-直流轉換電路的峰值電壓啟動脈沖。
10．如權利要求1的發(fā)明，其中，鎮(zhèn)流器電路還包括(ⅰ)諧振負載電路，包括氣體放電燈并包括諧振電感器和諧振電容器；(ⅱ)直流-交流轉換器電路，與所述諧振負載電路耦合，將交流電流導入所述諧振負載電路，所述轉換電路包括(a)第一開關和第二開關，串聯(lián)連接在直流電壓的總線導體和基準導體之間，在共用節(jié)點上連接在一起，所述交流負載電流流過該節(jié)點，并通過相應的柵極與控制節(jié)點連接；(ⅲ)柵極驅動裝置，用于正反饋控制所述第一開關和第二開關；所述柵極驅動裝置包括(a)驅動電感器，與所述諧振電感器按這種方式耦合，在其中感應一個電壓，該電壓與所述交流負載電流變化的瞬時比率成正比；所述驅動電感器被連接在所述共用節(jié)點和所述控制節(jié)點之間；(b)第二電感器，與所述驅動電感器串聯(lián)連接，而串聯(lián)連接的驅動電感器和第二電感器被連接在所述共用節(jié)點和所述控制節(jié)點之間，所述第二電感器還連接在終端之間；和(c)連接在所述公共節(jié)點和所述控制節(jié)點之間的雙向電壓箝位器，根據(jù)所述公共節(jié)點來限定所述控制節(jié)點電壓的正負偏移。
11．一種氣體放電燈的鎮(zhèn)流器電路，包括(a)諧振負載電路，裝有氣體放電燈，包括諧振電感器和諧振電容器；(b)與所述諧振負載電路耦合的直流-交流轉換器，將交流電流引入所述諧振負載電路，所述直流-交流轉換器包括其上電壓為直流-交流轉換器電壓的電感器；(c)激勵裝置，用于控制所述直流-交流轉換器的操作；(d)關斷電路，用于限定直流-交流轉換器的電壓輸出，所述關斷電路包括(ⅰ)終端裝置，與直流-交流轉換器連接，檢測直流-交流轉換器的電感器電壓；(ⅱ)整流器網(wǎng)絡，用于接收來自終端裝置的電感器電壓和產(chǎn)生整流電壓；(ⅲ)鎖存器，用于接收整流電壓，當整流電壓在預定值以上時進入激發(fā)狀態(tài)，其中，當鎖存器被激發(fā)時，電感器電壓下降；和(ⅳ)位于整流器網(wǎng)絡和鎖存器之間的時間延遲電路，從而在足以激發(fā)鎖存器的電壓的整流和實際激發(fā)之間形成延遲時間。
12．如權利要求11的發(fā)明，其中，整流器網(wǎng)絡是全橋整流器。
13．如權利要求11的發(fā)明，其中，鎖存器是一對晶體管。
14．如權利要求13的發(fā)明，其中，一對晶體管是一個npn晶體管和一個pnp晶體管。
15．如權利要求11的發(fā)明，其中，關斷電路包括被連接以限定關斷電路上限電平電壓的箝位裝置。
16．如權利要求15的發(fā)明，其中，箝位裝置是箝位齊納二極管。
17．如權利要求11的發(fā)明，其中，時間延遲電路是電容器。
18．如權利要求11的發(fā)明，其中，時間延遲電路包括與延時齊納二極管連接的充電電容器。
19．如權利要求18的發(fā)明，其中，箝位齊納二極管電壓值大于延時齊納二極管的電壓值。
20．如權利要求19的發(fā)明，其中，箝位二極管電壓值小于交流-直流轉換電路的峰值電壓起始脈沖。
全文摘要
氣體放電燈14的鎮(zhèn)流器電路10,裝有關斷電路12,用于限定直流－交流轉換器21的電壓輸出。關斷電路包括連接在電感器48兩端的一對終端66和68,以便檢測直流－交流轉換器21的感應電壓。整流器網(wǎng)絡70—76接收電感器電壓和產(chǎn)生全波整流電壓。配置鎖存器84,以接收整流電壓和當整流電壓在預定值以上時進入激發(fā)狀態(tài)。位于整流器網(wǎng)絡70—76和鎖存器84之間的時間延遲電路118在鎖存器網(wǎng)絡的激發(fā)之前提供可調(diào)整的延遲時間。根據(jù)鎖存器的激發(fā),電感器電壓降低,鎮(zhèn)流器電路10切斷諧振,從而降低施加給諧振電路28的電壓和電流。
文檔編號H05B41/24GK1282201SQ00121669
公開日2001年1月31日 申請日期2000年7月21日 優(yōu)先權日1999年7月21日
發(fā)明者L·R·內(nèi)羅尼 申請人:通用電氣公司