ЦЕПЬ ИНДУКТИВНОГО ПИТАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ
INDUCTIVE SUPPLY CIRCUIT OF GAS-DISCHARGE LAMP

Данное изобретение относится к газоразрядным лампам, и более конкретно, к цепям для запуска и питания газоразрядных ламп.
Газоразрядные лампы используют во множестве применений. Традиционная газоразрядная лампа включает пару электродов, разнесенных друг от друга внутри ламповой трубки. Газоразрядные лампы обычно наполнены инертным газом. Во многих применениях для увеличения светоотдачи или оказания иного влияния на нее к газу добавляют пары металла. Во время работы электрический ток заставляют протекать между электродами через газ. Это вызывает в газе разрядное свечение. Длина волны (например, цвет) света может быть изменена путем применения разных газов и разных добавок к газу. В некоторых применениях, например, в традиционных лампах дневного света, газ излучает ультрафиолетовый свет, преобразуемый флуоресцентным покрытием внутри ламповой трубки в видимый свет.
Хотя принципы работы традиционной газоразрядной лампы относительно простые, обычно они требуют специального процесса запуска. Например, традиционным процессом запуска традиционной газоразрядной лампы является предварительный нагрев электродов для продуцирования избытка электронов вокруг электродов (стадия "предварительного нагрева") и затем приложение всплеска электрического тока достаточной величины к электродам для создания между ними электрической дуги, проходящей через газ (стадия "зажигания"). Сразу после установления дуги через газ мощность снижают, поскольку для поддержания работы лампы требуется значительно меньше энергии.
Во многих практических применениях предварительный нагрев осуществляют последовательным соединением электродов и пропусканием тока через них, как будто они являются нитями накала в лампах накаливания. Когда ток проходит через электроды, их внутреннее сопротивление приводит к возбуждению электронов. Как только электроды достаточно предварительно нагреются, между ними открывается прямая электрическая связь, оставляя путь через газ, как единственное направление для прохождения электричества между электродами. Примерно в то же самое время энергия, подаваемая к электродам, возрастает до обеспечения на них разности потенциалов электронов, достаточной для зажигания дуги между электродами.
Цепи запуска представлены широким разнообразием конструкций и работают множеством способов. В одном применении цепь подачи питания включает пару трансформаторов, выполненных с возможностью подачи тока предварительного нагрева через два электрода только, когда энергия подана в конкретном диапазоне. Процессом предварительного нагрева можно селективно управлять путем изменения частоты энергии. Хотя функционально эта цепь подачи питания требует применения двух дополнительных трансформаторов, которые серьезно повышают стоимость и размеры цепи подачи питания. Дополнительно, эта цепь включает прямое электрическое соединение между источником энергии и лампой. Прямое электрическое соединение имеет ряд недостатков. Например, прямые электрические соединения требуют от пользователя осуществление электрических соединений (и часто механических соединений) при установке или удалении лампы. Кроме того, прямое электрическое соединение создает относительно высокий риск, связанный с проблемой электрических замыканий между источником энергии и лампой.
В некоторых применениях газоразрядную лампу обеспечивают энергией посредством индуктивного соединения. Это устраняет необходимость прямого электрического подключения, например, сращивания проводов, и обеспечивает также некоторую степень изоляции между источником подачи питания и газоразрядной лампой. Несмотря на то, что индуктивное соединение обеспечивает разнообразные преимущества по сравнению с прямым электрическим подключением, применение индуктивного соединения затрудняет процесс запуска. Одним способом управления работой цепи запуска в индуктивной системе является обеспечение язычкового магнитоуправляемого переключателя, который может быть применен для обеспечения селективного прямого электрического соединения между электродами. Несмотря на надежность, эта форма запуска требует близкого соседства электромагнита и язычкового переключателя. Она требует также определенной ориентации двух компонентов. Вместе эти требования могут наложить существенные ограничения на конструкцию и форму цепи подачи питания и цепь лампы в целом.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение обеспечивает индуктивный источник питания газоразрядной лампы, которая селективно действует в режимах предварительного нагрева и работы путем изменений частоты подаваемой во вторичную цепь энергии. В одном варианте осуществления изобретения цепь подачи питания обычно включает первичный контур цепь с частотным регулятором для изменения частоты энергии, подаваемой в первичную обмотку, и вторичный контур с вторичной обмоткой для индуктивного принятия энергии из первичной обмотки, газоразрядную лампу и конденсатор предварительного нагрева. Конденсатор предварительного нагрева выбран для предварительного нагрева лампы при работе первичной обмотки внутри частотного диапазона предварительного нагрева и допущения нормальной работы лампы при работе первичной обмотки внутри рабочего частотного диапазона. В одном варианте осуществления изобретения конденсатор предварительного нагрева подключен последовательно между электродами лампы.
В одном варианте осуществления изобретения конденсатор предварительного нагрева, частота предварительного нагрева и рабочая частота выбраны так, что сопротивление пути течения электричества через лампу больше, чем сопротивление пути течения электричества через электроды при частоте предварительного нагрева, и так, что сопротивление течения электричества через лампу меньше, чем сопротивление пути течения электричества через электроды при рабочей частоте.
В одном варианте осуществления изобретения вторичная цепь включает дополнительно рабочий конденсатор, расположенный последовательно между вторичной обмоткой и лампой. Емкость рабочего конденсатора может быть выбрана, по существу, для уравновешивания индуктивности вторичной обмотки. В этом варианте осуществления изобретения конденсатор предварительного нагрева может иметь емкость, которая приблизительно равна емкости рабочего конденсатора.
В одном варианте осуществления изобретения первичный контур адаптирован для обеспечения его работы в резонансе с частотой предварительного нагрева и с рабочей частотой. В одном варианте осуществления изобретения первичный контур включает резонансный контур переменной емкости и контроллер, способный к селективному изменению емкости резонансного контура. Первичный контур может включать альтернативные цепи для изменения резонансной частоты резонансного контура, такого как, катушка с переменной индуктивностью (вариометр).
В одном варианте осуществления изобретения переменным резонансный контур включает множество конденсаторов, которые могут быть выполнены селективно управляемыми с помощью одного, или более, переключателей. Переключатель(ли) могут быть выполнены с возможностью приведения в действие между первым положением, в котором установлена действующая емкость резонансного контура для обеспечения резонанса первичного контура приблизительно с частотой предварительного нагрева, и вторым положением, в котором действующая емкость резонансного контура установлена для обеспечения резонанса первичного контура приблизительно с рабочей частотой.
В одном варианте осуществления изобретения резонансный контур может включать резонансный рабочий конденсатор, который подключен между первичной обмоткой и землей, и резонансный конденсатор предварительного нагрева, который подключен между первичной обмоткой и землей по линии переключения, параллельно конденсатору предварительного нагрева. При работе переключатель может быть задействован для селективной возможности включения или отключения конденсатора предварительного нагрева, тем самым, переключения резонансной частоты первичного контура между частотой предварительного нагрева и рабочей частотой.
Другим объектом данного изобретения является обеспечение способа запуска и работы газоразрядной лампы. В одном варианте осуществления этого объекта способ может включать стадии предварительного нагрева лампы подачей энергии во вторичный контур с частотой предварительного нагрева, при которой сопротивление пути электричества через лампу больше, чем сопротивление пути электричества через конденсатор предварительного нагрева, в период времени, достаточный для предварительного нагрева лампы, и работы лампы подачей энергии во вторичный контур с рабочей частотой, при которой сопротивление пути электричества через лампу меньше, чем сопротивление пути электричества через конденсатор предварительного нагрева.
В одном варианте осуществления изобретения частота предварительного нагрева соответствует приблизительно резонансной частоте вторичного контура, принимая во внимание совместную емкость конденсатора предварительного нагрева и рабочего конденсатора, и рабочая частота соответствует приблизительно резонансной частоте вторичного контура, принимая во внимание только емкость рабочего конденсатора.
В одном варианте осуществления изобретения способ дополнительно предусматривает стадию изменения резонансной частоты первичного контура для соответствия частоте предварительного нагрева во время стадии предварительного нагрева, и для соответствия рабочей частоте на стадии работы. В одном варианте осуществления изобретения эта стадия дополнительно образована для изменения действующей емкости резонансного контура между стадией предварительного нагрева и стадией работы. В другом варианте осуществления изобретении эта стадия дополнительно образована для изменения действующей индуктивности резонансного контура между стадией предварительного нагрева и стадией работы.
Данное изобретение обеспечивает простые и эффективные цепь и способ для предварительного нагрева, запуска и питания газоразрядной лампы. Данное изобретение использует минимальное количество компонентов для достижения комплексной функциональности. Это снижает общую стоимость и размер электрической схемы. Данное изобретение обеспечивает также потенциал для повышенной надежности, поскольку оно включает небольшое количество компонентов, причем компоненты, пассивные по природе, и менее сложные в смысле работы. В типичных применениях система автоматически запускает (или зажигает) лампу, когда первичную цепь переводят с частоты предварительного нагрева на рабочую частоту. Начальное включение создает достаточное напряжение между электродами для возникновения в газе между ними электрической дуги. После запуска лампы сопротивление в ней падает, создавая далее большее различие между сопротивлением пути электричества через лампу и пути электричества через конденсатор предварительного нагрева. Это дополнительно снижает величину тока, который будет проходить через конденсатор предварительного нагрева во время обычной работы. При применениях, когда резонансную частоту первичной цепи селективно регулируют, первичный контур может быть выполнен с возможностью обеспечения эффективной резонансной работы во время как предварительного нагрева, так и работы. Дополнительно, компоненты вторичного контура могут быть легко введены в цоколь лампы, тем самым, облегчая практическое осуществление.
Эти и другие задачи, преимущества и признаки изобретения будут легко поняты и оценены с помощью подробного описания данного варианта осуществления изобретения и чертежей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - принципиальная схема системы газоразрядной лампы по варианту осуществления данного изобретения.
Фиг.2 - принципиальная схема вторичного контура и резонансного контура.
Фиг.3 - блок-схема, показывающая основные стадии способа запуска и работы газоразрядной лампы.
Фиг.4 - принципиальная схема альтернативного резонансного контура.
Фиг.5 - блок-схема, показывающая основные стадии способа запуска и работы газоразрядной лампы.
Фиг.6 - принципиальная схема второго альтернативного резонансного контура.
Система 10 газоразрядной лампы по одному варианту осуществления данного изобретения показана на Фиг.1. Система 10 газоразрядной лампы обычно включает первичный контур 12 и вторичный контур 14 подачи питания газоразрядной лампы 16. Первичный контур 12 включает регулятор 20 для селективного изменения частоты энергии, индуктивно передаваемой первичным контуром 12. Вторичный контур 14 включает вторичную обмотку 22 для индуктивного приема энергии от первичной обмотки 18 и газоразрядной лампы 16. Вторичная обмотка 22 включает дополнительно рабочий конденсатор 30, подключенный между вторичной обмоткой 22 и лампой 16, и конденсатор 32 предварительного нагрева, подключенный последовательно между ламповыми электродами 24 и 26. При работе регулятор 20 осуществляет предварительный нагрев лампы 16, подавая энергию во вторичный контур 14 с частотой предварительного нагрева, выбранной так, что сопротивление пути электричества через конденсатор 32 предварительного нагрева меньше, чем сопротивление пути электричества через газ в газоразрядной лампе 16. После предварительного нагрева регулятор 20 подает энергию во вторичную обмотку 14 с рабочей частотой, выбранной так, что сопротивление пути электричества через конденсатор 32 предварительного нагрева больше, чем сопротивление пути электричества через газ в газоразрядной лампе 16. Это вызывает "нарушение настройки" конденсатора 32 предварительного нагрева, что, в свою очередь, приводит к течению электричества по пути через газ в газоразрядной лампе 16.
Как отмечено выше, на фиг.1 показана принципиальная схема одного варианта осуществления данного изобретения. В иллюстрируемом варианте осуществления первичный контур 12 включает первичную обмотку 18 и частотный регулятор 20 для подачи энергии в первичную обмотку 18 с заданной частотой. Частотный регулятор 20 иллюстрируемого варианта осуществления изобретения обычно включает микроконтроллер 40, осциллятор 42, привод 44 и обратный преобразователь 46. Осциллятор 42 и привод 44 могут быть отдельными компонентами или встроенными в микроконтроллер 40, например, в качестве внутренних модулей внутри микроконтроллера 40. В данном варианте осуществления изобретения эти компоненты сообща запускают резонансный контур 48. Точнее, обратный преобразователь 46 обеспечивает резонансный контур 48 энергией переменного тока от источника 50 энергии постоянного тока. Резонансный контур 48 включает первичную обмотку 18 и может также включать конденсатор 52, выбранный, чтобы уравновешивать сопротивление первичной обмотки 18 при ожидаемых рабочих параметрах. Резонансный контур 48 может быть либо последовательным, либо параллельным резонансным контуром. В данном варианте осуществления изобретения привод 44 обеспечивает сигналы, необходимые для работы переключателей внутри обратного преобразователя 46. В свою очередь, привод 44 работает с частотой, установленной осциллятором 42. В свою очередь, осциллятором 42 управляет микроконтроллер 40. Микроконтроллер 40 мог бы быть представлен микроконтроллером PIC18LF1320, или микропроцессором более общего назначения. Показанный первичный контур 12 является просто примерным, и, по существу, любой первичный контур, способный обеспечить индуктивную энергию с изменяющимися частотами, может быть введен в данное изобретение. Данное изобретение может быть включено в индуктивный первичный контур, показанный в патенте США 6,825,620, выданном Kuennen и др., озаглавленном "Индуктивно связанный балластный контур", и выданном 30 ноября 2004 г. Патент США 6,825,620 включенный сюда посредством ссылки.
Как отмечено выше, вторичный контур 14 включает вторичную обмотку 22 для индуктивного приема энергии от первичной обмотки 18, газоразрядную лампу 16, рабочий конденсатор 30 и конденсатор 32 предварительного нагрева. Обратимся теперь к Фиг.2, где газоразрядная лампа 16 включает пару электродов 24 и 26, которые разнесены друг от друга внутри изолирующей трубки 60 лампы. Изолирующая трубка 60 лампы содержит заданный инертный газ, и может также, по желанию, включать пары металла. Лампа 16 подключена последовательно с вторичной обмоткой 22. В данном варианте осуществления изобретения первый электрод 24 соединен с одним проводом вторичной обмотки 22 и второй электрод 26 соединен с противоположным проводом вторичной обмотки 22. В данном варианте осуществления изобретения рабочий конденсатор 30 подключен последовательно между вторичной обмоткой 22 и первым электродом 24, и конденсатор 32 предварительного нагрева подключен последовательно между первым электродом 24 и вторым электродом 26. На фиг.2 резонансный контур 48 представлен первичной обмоткой 18 и конденсатором 52. Хотя на фиг.2 не показано, но резонансный контур 48 подключен с помощью электрического разъема 49 к обратному преобразователю 46.
Работа системы 10 описана с помощью фиг.3. Способ, в общем, включает стадии подачи 100, энергии во вторичный контур 14 с частотой предварительного нагрева. Частота предварительного нагрева выбрана как частота, при которой сопротивление пути электричества через лампу больше, чем пути электричества через конденсатор 32 предварительного нагрева. В одном варианте осуществления изобретения частотный регулятор 20 осуществляет предварительный нагрев лампы 16 подачей энергии во вторичный контур 14 с частотой предварительного нагрева, приблизительно равной последовательно резонансной частоте рабочего конденсатора 30 и конденсатора 32 предварительного нагрева, обозначенной как fs Формула для расчета fs в данном варианте осуществления изобретения представлена ниже. При частоте предварительного нагрева конденсатор 32 предварительного нагрева точно настроен, чтобы обеспечить прямое электрическое соединение между электродами 24 и 26. Это допускает течение электричества непосредственно по электродам 24 и 26 через конденсатор 32 предварительного нагрева. Это течение тока осуществляет предварительный нагрев электродов 24 и 26. Система 10 продолжает подачу энергии с частотой предварительного нагрева на стадии 102 до достаточного предварительного нагрева электродов 24 и 26. Продолжительность работы фазы предварительного нагрева будет изменяться от применения к применению, но будет обычно занимать заданный период времени и для традиционных газоразрядных ламп, возможно, может быть в диапазоне 1-5 сек. После предварительного нагрева на стадии 104 регулятор 20 подает энергию во вторичный контур 14 с рабочей частотой, выбранной как частота, при которой сопротивление пути электричества через лампу меньше, чем пути электричества через конденсатор 32 предварительного нагрева. В данном варианте осуществления изобретения рабочая частота приблизительно равна резонансной частоте рабочего конденсатора 30, обозначенной как fo. Формула для расчета fo в данном варианте осуществления изобретения представлена ниже. Это изменение частоты вызывает расстройку конденсатора 32 предварительного нагрева, которая фактически вызывает течение электрического тока через лампу 16. Хотя изменение частоты обычно не заставляет конденсатор предварительного нагрева работать как открытая цепь, но будет ограничивать течение электрического тока через конденсатор предварительного нагрева в количестве, достаточном для создания дуги в газе газоразрядной лампы 16. В результате переключатель рабочей частоты вызывает подаваемую во вторичную цепь 14 энергию следовать по пути от одного электрода 24 к другому электроду 26 через газ в изолирующей трубке 60 лампы. В начале это изменение частоты будет вызывать запуск лампы (или зажигание), так как расстроенный конденсатор предварительного нагрева допускает создание достаточного напряжения на электродах 24 и 26, чтобы вызвать дугу тока через газ. После запуска лампа будет продолжать работу соответственно с рабочей частотой. Другими словами, единичное изменение частоты, подаваемой во вторичный контур 14, вызывает переход лампы из фазы предварительного нагрева через фазу запуска (или зажигания) в рабочую фазу.
<maths num="1"><img file="00000001.tif" he="12" wi="30" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
<maths num="2"><img file="00000002.tif" he="20" wi="46" img-content="undefined" img-format="tif" /></maths>
L = индуктивность вторичного контура;
C1 = емкость рабочего конденсатора;
С2 = емкость конденсатора предварительного нагрева;
fs = частота предварительного нагрева;
fo = рабочая частота.
Хотя формулы, предназначенные для определения частоты предварительного нагрева и рабочей частоты, выдают определенные частоты, ясно, что термины "частота предварительного нагрева" и "рабочая частота" в подробном описании и в формуле изобретения охватывает диапазон частот, включающий вычисленные "частоту предварительного нагрева" и "рабочую частоту". Говоря в общем, эффективность системы может пострадать, когда фактическая частота оказывается далеко от расчетной частоты. В обычных применениях желательно, чтобы фактическая частота предварительного нагрева и фактическая рабочая частота находились в пределах определенного процента от расчетных частот. Однако здесь нет строгого ограничения, и более значительные отклонения позволяют обеспечить продолжение функционирования цепи с приемлемой эффективностью. Для многих применений частота предварительного нагрева составляет приблизительно двойную рабочую частоту. Первичный контур 12 может продолжать подавать энергию во вторичный контур 14, пока продолжение работы газоразрядной лампы 16 по стадии 106 окажется далее нежелательным.
При желании, первичный контур 12' может быть выполнен с возможностью селективно регулируемого резонанса, так, что первичный контур 12' работает в резонансе как с частотой предварительного нагрева, так и с рабочей частотой. В одном варианте осуществления изобретения, содержащем в себе эту функциональную возможность, первичный контур 12' может включать резонансный контур 48' переменной емкости (см. фиг.4), что допускает селективное регулирование резонансной частоты резонансного контура 48' до равной частоте предварительного нагрева и рабочей частоте. На фиг.4 показана простая цепь изменения емкости резонансного контура 48'. В иллюстрируемом варианте осуществления изобретения резонансный контур 48' включает резонансный рабочий конденсатор 52а', подключенный между первичной обмоткой 18' и заземлением, и резонансный конденсатор 52b', подключенный по линии переключения между первичной обмоткой 18' и заземлением параллельно с резонансным рабочим конденсатором 52а'. Линия переключения включает переключатель 53', который работает селективно на открытие переключаемой линии, тем самым эффективно удаляя резонансный конденсатор предварительного нагрева 52b' из резонансного контура 48'. Работой переключателя 53' можно управлять, например, частотным регулятором 20, микроконтроллером 40 или отдельным контроллером. По существу, переключатель 53' может быть электрическим переключателем любого типа, например, релейным, FET, симисторным или традиционным переключающим устройством переменного тока.
Работа этого альтернативного варианта, в общем, описана на фиг.5. Первичный контур 12' регулирует на стадии 200 резонансную частоту резонансного контура 48' до приблизительно равной частоте предварительного нагрева. Первичный контур 12' затем подает на стадии 202 энергию во вторичный контур с частотой предварительного нагрева. Первичный контур 12' продолжает подавать энергию во вторичный контур с частотой предварительного нагрева на стадии 204, пока электроды 24 и 26 не будут достаточно предварительно нагреты. При достаточном предварительном нагреве электродов первичный контур 12' на стадии 206 регулирует резонансную частоту резонансного контура 48' до приблизительно равной рабочей частоте. Первичный контур 12' переключает свою частоту работы на стадии 208, чтобы подавать энергию во вторичный контур 14' с рабочей частотой. Первичный контур 12' может продолжать подачу энергии на стадии 210, пока это не станет нежелательным. Устройство 10 может также включать логическую схему неисправности, которая останавливает работу, когда возникает состояние неисправности (например, когда перегорела или удалена лампа, или произошло короткое замыкание).
Переменная емкость может быть осуществлена посредством применения альтернативных параллельных и последовательных емкостных подсхем. Например, на фиг.6 показан альтернативный резонансный контур 12'' предварительного нагрева, в котором резонансный конденсатор 52b'' предварительного нагрева подключен последовательно с резонансным рабочим конденсатором 52а'', но линия переключения включена для замыкания цепи вокруг конденсатора 52а'' предварительного нагрева переключением переключателя 53'', чтобы практически удалить конденсатор 52b'' предварительного нагрева из цепи.
Несмотря на описание относительно резонансного контура 48' переменной емкости, данное изобретение распространяется на другие способы изменения резонансной частоты резонансного контура 48' или первичного контура 12' между режимом предварительного нагрева и рабочим режимом. Например, первичный контур может включать переменную индуктивность. В этом варианте (не показан) резонансный контур может включать вариометр и контроллер для селективного регулирования индуктивности вариометра. В качестве другого примера (не показано) резонансный контур может включать множество индукторов, которые могут быть включены в цепь и выключены из нее контроллером, во многом таким же образом, как описано выше относительно резонансного контура переменной емкости.
Представленное выше описание относится к данному варианту осуществления изобретения. Различные альтернативы и изменения могут быть внесены без отхода от сущности и более широких объектов изобретения, определенных в прилагаемой формуле изобретения, которые должны интерпретироваться в соответствии с принципами патентного законодательства, включая теорию эквивалентов. Любое обращение к заявленным элементам, например, использование артиклей "a", "an", "the" или "said", не следует воспринимать как элемент ограничения единичного элемента.