РЕГУЛИРУЕМОЕ СВЕТОГЕНЕРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
CONTROLLED LIGHT-GENERATING DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится в целом к области люминесцентных ламп, более конкретно крегулируемому светогенерирующему устройству, содержащему люминесцентную лампу.
Предшествующий уровень техники
Существует общая тенденция замены традиционных ламп накаливания другими типами источников света, таких как светоизлучающие диоды (СИД) и газоразрядные лампы. СИДы и газоразрядные лампы имеют, по отношению друг к другу, некоторые преимущества и недостатки, и разработчик может выбрать, использовать либо СИД, либо газоразрядную лампу в зависимости от своих соображений разработки.
Источник света, будь то лампа накаливания, СИД или газоразрядная лампа, разработан для номинального режима работы с номинальным напряжением лампы и номинальным током лампы, приводящих к номинальной мощности лампы и номинальной светоотдаче. Если, в некоторой ситуации, пользователь желает иметь больше света, он может заменить действующую лампу на более мощную лампу или на лампу другого типа, имеющую более высокую светоотдачу. И наоборот, если пользователь желает иметь меньше света, он может заменить лампу другой лампой, имеющей меньшую светоотдачу. Однако это очень обременительно, поэтому существует общая потребность иметь возможность приглушать или регулировать светоотдачу лампы, т.е. приводить в действие лампу при мощности ниже ее номинальной мощности, такой, при которой светоотдача будет меньше, чем номинальная светоотдача.
Настоящее изобретение относится, в частности, к области использования газоразрядной лампой на пониженной мощности, т.е. в затемненном состоянии.
Газоразрядная лампа имеет характеристику отрицательного сопротивления, и поэтому для приведения в действие лампы необходимо балластное устройство. Хотя, в принципе, возможно приводить в действие газоразрядную лампу при постоянном токе, при этом электронное балластное устройство типично обеспечивает высокочастотный ток лампы. Затемнение может, например, быть достигнуто понижением величины тока лампы или включением и выключением лампы в некотором рабочем цикле.
Несколько проблем и недостатков связаны с разными механизмами для затемнения газоразрядной лампы, в зависимости, наряду с другими, от конкретного использования, особенно если требуется, чтобы лампу затемняли до очень низкого уровня, меньше чем 1% от номинальной светоотдачи. Данное светогенерирующее устройство, к которому относится настоящее изобретение, является, так называемым, устройством пробуждающего освещения, которое является устройством, запускающимся, например, часами, которое постепенно увеличивает свою светоотдачу от нуля до максимума. Одна из проблем для такого применения связана с зажиганием. Для зажигания газоразрядной лампе требуется относительно высокое напряжение. В результате, если лампу должны зажечь в регулируемом состоянии со светоотдачей, близкой к нулю, лампа может произвести вспышку света при зажигании и затем понизить свою светоотдачу до требуемого уровня регулирования. Такая вспышка света нежелательна.
Дополнительной проблемой является то, что очень трудно поддерживать стабильность лампы на очень низком уровне затемнения.
Дополнительная проблема связана с цветом: обнаружено на практике, что лампа, светоотдачу которой понижают, может менять цвет своей светоотдачи.
В случае газоразрядных ламп, имеющих электроды накала, электроды должны быть запитаны током нагрева электрода, для того чтобы поддержать электроды при оптимальной рабочей температуре. Однако, в типичных электронных балластных устройствах, нити накала нагревают только в фазе зажигания, а в течение регулирования температура нитей накала может становиться слишком низкой. Таким образом, необходимо предоставить отдельную схему нагрева электрода, но такие схемы, как правило, сложные и относительно дорогие. В относительно простых вариантах осуществления, схемы нагрева электрода получают питание от напряжения лампы, которое типично состоит из напряжения постоянного тока, полученного от выпрямленной питающей сети, и поэтому восприимчивы к изменениям напряжения питающей сети. В случае регулирования понижением величины тока лампы, полученная мощность нагрева будет также понижена. В случае регулирования рабочего цикла, напряжение лампы прерывают регулярно, что прерывает нагрев электрода. Таким образом, нагрев электрода может меняться на практике, что является нежелательным. Если электрод нагрет слишком сильно, температура катода будет слишком высокой, катоды будут терять вещество эмиттера (барий), и через некоторое время лампа будет гореть красноватым свечением; если электрод нагрет недостаточно, температура катода будет слишком низкой и лампа очень быстро почернеет. В обоих случаях, последствием будет значительно уменьшенный срок службы электродов до, возможно, только нескольких часов (недостаточный нагрев) или нескольких сот часов (перегрев).
В линейной газоразрядной лампе, электроды скомпонованы на противоположных концах продольной трубки лампы. В случае, так называемой, компактной газоразрядной лампы, трубка лампы может считаться согнутой, так что лампа содержит четное число трубчатых сегментов, скомпонованных параллельно рядом друг с другом, тогда как концы лампы с электродами лампы расположены рядом друг с другом на одном продольном конце лампы. В таком типе лампы, в случае применения устройства пробуждающего освещения с очень низкими уровнями регулирования, проблема нестабильности может возникнуть в том, что лампа, при пуске последовательности пробуждения, будет испускать свет только из участков лампы, близких к электродам, причем такие участки относительно медленно растут в направлении от электродов по направлению к другому концу лампы, тогда как промежуточные трубчатые сегменты не испускают свет.
Настоящее изобретение конкретно направлено на решение указанных проблем. В частности, настоящее изобретение направлено на создание газоразрядных ламп и электронной схемы управления для приведения в действие этой лампы, так чтобы лампа могла быть приведена в действие для испускания крайне низких уровней света, близких к нулю люкс, тогда как номинальная светоотдача может быть порядка около 300 люкс.
Заявка на патент США 2006/0214605 раскрывает способ регулирования люминесцентной лампы. В номинальном режиме работы (т.е. 100% светоотдачи), лампа приводится в действие переменным током лампы с постоянной амплитудой и относительно высокой частотой. При регулировании лампы, амплитуда тока лампы модулируется пилообразной волной, имеющей некоторую частоту модуляции ниже, чем частота переменного тока, так что амплитуда тока в каждый период пилообразной волны медленно уменьшается от максимального значения до минимального значения. При дополнительном регулировании, минимальное значение уменьшают, но максимальное значение поддерживают. Для дополнительного регулирования, после того, как некоторый уровень регулирования был достигнут, как максимальное значение, так и минимальное значение уменьшают, тогда как глубину модуляции поддерживают постоянной, пока минимальное значение не достигнет предельного значения, равного или близкого к нулю. Для еще дополнительного регулирования, минимальное значение поддерживают постоянным, а максимальное значение уменьшают, тогда как угол наклона пилообразной волны поддерживают постоянным, так что в каждый период пилообразной волны продолжительность участка тока, имеющего минимальное значение, увеличивают и действующий участок пилообразной волны сужают.
Одним недостатком этой известной технологии является то, что в большом диапазоне регулирования используется ток, меньший, чем номинальное значение, приводящий к отклонению цвета. Дополнительно, недостатком является то, что эта известная технология требует наличия средства амплитудной модуляции.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа регулирования, а также устройства, способного обеспечить регулирование в большом диапазоне, использующего относительно простое средство осуществления и дающего, по существу, постоянный цвет испускаемого света.
Дополнительной задачей настоящего изобретения является создание устройства для регулирования лампы, снабженного относительно простым средством, позволяющим обеспечить постоянный нагрев электродов, независимо от уровня затемнения.
Для решения поставленной задачи согласно настоящему изобретению предложено применить регулирование рабочего цикла при постоянной амплитуде тока лампы в первом диапазоне регулирования между номинальной светоотдачей и определенным порогом регулирования, и применить амплитудное регулирование при постоянном рабочем цикле во втором диапазоне регулирования ниже порога регулирования. Порог регулирования может, например, быть уровнем светоотдачи около 0,5%, и второй диапазон регулирования может, например, быть между порогом регулирования и уровнем светоотдачи 0,01% или даже ниже.
Дополнительные предпочтительные варианты устройства раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает блок-схему, схематично иллюстрирующую электронную схему управления;
Фиг.2 изображает блок-схему, схематично иллюстрирующую основной источник питания для схемы управления;
Фиг.3А-3В изображают диаграммы, иллюстрирующие работу источника тока лампы схемы управления, согласно изобретению;
Фиг.4А-4Е изображают временные диаграммы, иллюстрирующие работу схемы управления, согласно изобретению;
Фиг.5 изображает временную диаграмму, иллюстрирующую работу моста с изменяемой разностью фаз между плечами моста;
Фиг.6 изображает временную диаграмму, иллюстрирующую работу устройства пробуждающего освещения, согласно изобретению;
Фиг.7 изображает блок-схему предпочтительного варианта осуществления электронной схемы управления со средством нагрева электрода;
Фиг.8 изображает блок-схему другого предпочтительного варианта осуществления электронной схемы управления со средством нагрева электрода;
Фиг.9А изображает общий вид компактной газоразрядной лампы;
Фиг.9В изображает общий вид предпочтительного варианта осуществления внешнего электрода, согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Фиг.1 изображает блок-схему, иллюстрирующую некоторые признаки электронной схемы 1 управления для приведения в действие газоразрядной лампы 10. Лампа 10 является люминесцентной лампой с горячим катодом и содержит трубку 11 лампы, имеющую внутреннее пространство 12 и две нити накала 13, 14 электродов, скомпонованные в пределах внутреннего пространства 12, указанные как первая и вторая нити накала 13, 14 электродов, соответственно. Каждая нить накала электрода снабжена двумя контактами 15, 17 и 16, 18 электрода, соответственно, проходящими за внешними пределами трубки 11 лампы.
Схема 1 управления имеет выходные контакты 21, 22, 23, 24, подключенные к контактам 15, 16, 17, 18 электродов лампы, соответственно. В частности, первый выходной контакт 21 подключен к первому контакту 15 электрода первой нити накала 13 электрода лампы, второй выходной контакт 22 подключен к первому контакту 16 электрода второй нити накала 14 электрода лампы, третий выходной контакт 23 подключен ко второму контакту 17 электрода первой нити накала 13 электрода лампы, и четвертый выходной контакт 24 подключен ко второму контакту 18 электрода второй нити накала 14 электрода лампы.
Схема 1 управления содержит основной источник 100 питания для генерирования тока лампы, в частности импульсного тока лампы, в котором ширина импульса может быть изменена для того, чтобы изменить рабочий цикл и, таким образом, среднюю светоотдачу. Первый основной выходной контакт 101 основного источника 100 питания подключен к первому выходному контакту 21 схемы управления и, следовательно, к первому контакту 15 электрода первой нити накала 13 электрода лампы, и второй основной выходной контакт 102 основного источника 100 питания подключен ко второму выходному контакту 22 схемы управления и, следовательно, к первому контакту 16 электрода второй нити накала 14 электрода лампы.
Схема 1 управления дополнительно содержит средство 30, 40 нагрева электрода для нагрева нитей 13, 14 накала электродов лампы. В частности, первый источник 30 питания нагрева электрода для генерирования тока нагрева электрода для первой нити 13 накала электрода лампы имеет первые выходные контакты 31, 32, подключенные к первому и третьему выходным контактам 21, 23 схемы управления, соответственно, для питания первой нити 13 накала электрода лампы током нагрева электрода. Также, второй источник 40 питания нагрева электрода для генерирования тока нагрева электрода для второй нити 14 накала электрода лампы имеет вторые выходные контакты 41, 42, подключенные ко второму и четвертому выходным контактам 22, 24 схемы управления, соответственно, для питания второй нити 14 накала электрода лампы током нагрева электрода.
Фиг.2 является блок-схемой, иллюстрирующей вариант осуществления основного источника 100 питания. На фиг.2 для упрощения не показаны два источника 30, 40 питания нагрева электрода. Отмечено, что источники питания нагрева электрода для генерирования тока нагрева электрода, по сути, известны.
Основной источник 100 питания имеет полномостовую топологию сборки, скомпонованную между первой и второй линиями 107, 108 питания постоянного тока. Первое плечо 110 моста включает в себя первую последовательную компоновку из двух управляемых переключателей 111, 112, подключенных между первой и второй линиями 107, 108 питания постоянного тока с первым выходным узлом А моста между этими двумя переключателями. Второе плечо 120 моста включает в себя вторую последовательную компоновку из двух управляемых переключателей 121, 122, подключенных между первой и второй линиями 107, 108 питания постоянного тока со вторым выходным узлом В моста между этими двумя переключателями. Диагональ 130 моста подключена между двумя выходными узлами А и В и включает в себя последовательную компоновку из индуктивного средства 131, 132 и емкостного средства 133. Для симметрии, индуктивное средство содержит последовательную компоновку из первой катушки 131 индуктивности и второй катушки 132 индуктивности с емкостным средством 133, скомпонованным между двумя катушками индуктивности. Основные выходные контакты 101, 102 основного источника 100 питания скомпонованы параллельно с емкостным средством 133. Первая и вторая линии 107, 108 питания постоянного тока подключены к источнику 106 постоянного напряжения, типично выпрямленной питающей сети.
Основной источник 100 питания дополнительно содержит контроллер 90, имеющий управляющие выходы 91, 92, 93, 94, подключенные к управляющим контактам соответствующих переключателей 111, 112, 121, 122. Контроллер 90 генерирует управляющие сигналы для двух управляемых переключателей 111, 112 первого плеча 110 моста, так что либо первый переключатель 111 разомкнут (не проводит), тогда как второй переключатель 112 замкнут (проводит), либо первый переключатель 111 замкнут, тогда как второй переключатель 112 разомкнут. Эти переключатели размыкаются/замыкаются, по существу, в один и тот же момент, с небольшой задержкой для того, чтобы предотвратить одновременное замыкание этих переключателей. Оба переключателя работают в рабочем цикле 50%, так что они разомкнуты столько же, сколько и замкнуты. Частота переключения, далее указанная как частота переключения моста, может, в качестве примера, быть порядка 100 кГц.
M
Контроллер 90 генерирует управляющие сигналы для двух управляемых переключателей 121, 122 второго плеча 120 моста подобным образом. Частота переключения для второго плеча 120 моста точно такая же, как для первого плеча 110 моста. В качестве рабочего параметра, контроллер 90 может изменять разность Δφ фаз между двумя плечами 110, 120. Если два плеча 110, 120 работают точно в фазе (Δφ=0°), узлы А и В всегда будут иметь взаимно тот же потенциал, так что протекания тока в лампе 10 не будет; эта ситуация иллюстрирована на фиг.3А. Если два плеча 110, 120 работают точно в противофазе (Δφ=180°), узлы А и В попеременно будут находиться на противоположных потенциалах напряжения линии питания, и переменный ток I лампы, имеющий частоту переключения, будет протекать в лампе 10; эта ситуация иллюстрирована на фиг.3В. В первом состоянии первый и четвертый переключатели 111, 122 замкнуты (включены), а второй и третий переключатели 112, 121 разомкнуты (выключены); в этом случае ток лампы будет протекать от узла А к узлу В (указано как положительный ток на фиг.3В). Во втором состоянии первый и четвертый переключатели 111, 122 разомкнуты, а второй и третий переключатели 112, 121 замкнуты, так что ток лампы протекает от узла В к узлу А (указано как отрицательный ток на фиг.3В). Катушки индуктивности 131 и 132 и конденсатор 133 работают как резонансный контур, и амплитуда I тока лампы зависит от частоты переключения. Отмечено, что этот ток показан как прямоугольный ток для упрощения, а не для отображения реалистичного представления.
M
Фиг.4А является диаграммой, иллюстрирующей работу лампы в случае максимальной светоотдачи. Горизонтальные оси представляют время; вертикальные оси представляют ток лампы. Два плеча 110, 120 моста постоянно работают при разности фаз в 180°, так что постоянно генерируется высокочастотный ток лампы, по существу, постоянной величины I.
in
in
in
Контроллер 90 имеет входной контакт 95 для приема входного сигнала S, указывающего требуемый уровень регулирования лампы. В иллюстративном примере входной сигнал S может быть сгенерирован приводимым в действие пользователем вращающимся устройством 96, содержащим, например, потенциометр. Отмечено, что входной сигнал S может, с другой стороны, быть сгенерирован управляющим устройством, например таймером, вне контроллера 90 или встроенного в контроллер 90. В случае устройства пробуждающего освещения требуемый входной уровень постепенно будут повышать от нуля до 100% в пределах заданного времени, типично порядка около 30 мин.
M
C
C
Если пользователь желает уменьшить светоотдачу, контроллер 90 начинает работу в режиме рабочего цикла, как проиллюстрировано на фиг.4В, которая является графиком, сопоставимым с фиг.4А. В этом режиме рабочего цикла, контроллер периодически переключает разность Δφ фаз между 0° и 180° с частотой повторения (например, порядка около 100 Гц) ниже, чем частота переключения моста (например, порядка около 100 кГц), так что лампу попеременно обеспечивают нулевым током лампы (Δφ=0°) и пачкой 51 импульсов переменного тока лампы, по существу, постоянной величины тока, равной номинальной величине тока I (Δφ=180°). На фиг.4В, продолжительность периода переключения указана как T, тогда как продолжительность пачки 51 импульсов тока переменного тока лампы указана как T. Рабочий цикл Δ определяют как Δ=T/T.
AV
AV
M
AV
AV
M
M
Отмечено, что в течение прохождения пачки импульсов тока, когда разность Δφ фаз равна 180°, рабочий цикл равен 50%, это означает, что ток протекает в одном направлении в течение равной продолжительности времени, как и в противоположном направлении. В большем масштабе по времени, средний ток I может быть выражен как I=Δ*I. Так как средняя светоотдача пропорциональна среднему току, средняя светоотдача L может быть выражена как L=Δ*L, при L, указывающем номинальную или максимальную светоотдачу.
Таким образом, светоотдача может быть изменена (отрегулирована) изменением (уменьшением) рабочего цикла Δ. Важным преимуществом изобретения является то, что светоотдача сгенерирована только в течение прохождения пачки импульсов тока, тогда как, по существу, нет светоотдачи в периоды времени между пачками импульсов тока. Так как в пачке импульсов тока ток всегда поддерживает номинальное значение, характеристики светоотдачи в течение пачки импульсов тока всегда равны номинальным характеристикам светоотдачи; в частности цвет света остается постоянным. При помощи работы лампы при разнесенных друг от друга пачках импульсов тока, свет фактически является «приглушенным» со временем, т.е. отрегулированным по интенсивности, но остается таким же во всех других аспектах.
Дополнительного регулирования достигают уменьшением рабочего цикла. Фиг.4С изображает график, сопоставимый фиг.4В, ситуации с дополнительно уменьшенной светоотдачей.
T
T
T
AV
AV
T
M
Дополнительное регулирование выполняют уменьшением рабочего цикла Δ, пока рабочий цикл Δ не достигает предопределенного порога Δ. Эта ситуация схематично иллюстрирована на фиг.4D. Пороговый рабочий цикл Δ не является критическим, а может, например, быть порядка 1% или даже ниже, например, 0,5%. При Δ=Δ, средняя светоотдача L может быть выражена как L=Δ*L.
T
T
В возможном варианте осуществления порог Δ соответствует току лампы, проходящему через только один полный цикл переключения, как иллюстрировано на фиг.4D. В практическом варианте осуществления, с частотой переключения моста 100 кГц и частотой повторения 100 Гц, порог Δ может быть выбран равным 1%, что соответствует пачкам 51 импульсов, содержащим 10 циклов переключения моста. При дополнительном уменьшении рабочего цикла, малые изменения в рабочем цикле вследствие, например, точности контроллера, которых трудно избежать, могут привести к видимым изменениям светоотдачи.
T
R
M
Если пользователь желает уменьшить светоотдачу дополнительно, контроллер 90 поддерживает рабочий цикл равный Δ=Δ, и уменьшает величину I тока до значения I ниже, чем номинальное значение I, как иллюстрировано на фиг.4Е. Любое отклонение характеристик светоотдачи, в частности цвета света, таким образом, возникает для очень малых светоотдач, где такое отклонение будет более приемлемым.
A
B
Уменьшение величины тока может быть реализовано уменьшением выхода источника 106 питания. Это, однако, требует управляемого источника питания. В предпочтительном варианте изобретения, величину тока изменяют за счет изменения разности Δφ фаз между двумя плечами 110, 120 моста. Этот принцип проиллюстрирован на фиг.5. В верхней части диаграммы можно видеть, что переключатели 111, 112 первого плеча 110 моста переключаются с рабочим циклом 50% и разностью фаз в 180° по отношению друг к другу, и что переключатели 121, 122 второго плеча 120 моста переключаются с рабочим циклом 50% и разностью фаз в 180° по отношению друг к другу, и что существует разность Δφ фаз между двумя плечами 110, 120 моста. На диаграмме дополнительно показано напряжение на узле А, которое колеблется между напряжением первой линии 107 питания постоянного тока и второй линии 108 питания постоянного тока, и показывает напряжение на узле В, которое также колеблется между напряжением первой линии 107 питания постоянного тока и второй линии 108 питания постоянного тока при одинаковой разности Δφ фаз между этими двумя напряжениями. График дополнительно показывает разность напряжений V-V между этими двумя узлами А и В и эта разность напряжений управляет током I лампы.
Вследствие очень малого рабочего цикла напряжения лампы, лампа не получает возможность зажечься и работает только емкостно. Таким образом, лампа проявляет относительно большое полное сопротивление и режим схемы в основном определен резонансным контуром (131, 132, 133 на фиг.2). Так как схема между узлами А и В является резонансной, в то время как частота переключения плеч моста близка к частоте резонанса, ток в диагонали 130 моста между узлами А и В является синусоидальным током приблизительно в фазе с напряжением на узлах А и В. Таким образом, напряжение, образуемое на параллельном конденсаторе 133 (фиг.2) является синусоидальным напряжением приблизительно в фазе с напряжением на узлах А и В; так как это напряжение определяет ток лампы, емкостной ток лампы также является синусоидальным током приблизительно в фазе с напряжением на узлах А и В, как схематично проиллюстрировано нижней кривой на фиг.5.
Емкостной ток лампы вызывает генерирование некоторого света. Специалисту в данной области техники должно быть ясно, что максимальная величина тока, достигнутая в этом случае (пики кривой тока), пропорциональна разности Δφ фаз в диапазоне 0°≤Δφ≤180°. Кроме того, средняя величина тока пропорциональна разности Δφ фаз. Таким образом, при помощи изменения разности Δφ фаз возможно изменять среднюю величину тока и, таким образом, светоотдачу.
Отмечено, что лампа достигает зажигания при более высоком рабочем цикле, а, следовательно, с более высокой светоотдачей, в этом случае ток лампы более треугольной формы.
T
M
В случае устройства пробуждающего освещения, работа контроллера 90 совершенно противоположна. В начальном состоянии лампа выключена. В некоторый момент времени, например, определенный часами, контроллер начинает свое действие при рабочем цикле, установленном для Δ=Δ и величине тока, близкой к нулю (фиг.4Е) посредством установки разности Δφ фаз плеча, близкой к 0°. Как функцию времени, контроллер увеличивает величину тока, за счет увеличения разности Δφ фаз плеча, при поддержке рабочего цикла постоянным, пока величина тока не достигнет номинального значения I (фиг.4D), потому что разность Δφ фаз плеча достигла 180°. С этого момента, все еще как функцию времени, контроллер увеличивает рабочий цикл при поддержании величины тока постоянной (фиг.4С и 4В), пока в конце рабочий цикл не станет равен 100%. Это действие пробуждения схематично иллюстрировано на фиг.6, на которой верхний график показывает разность Δφ фаз как функцию времени, тогда как нижний график показывает рабочий цикл как функцию времени.
Отмечено, что на фиг.6 разность Δφ фаз и рабочий цикл показаны увеличивающимися линейно как функция времени. Однако, согласно соображениям разработки, вторая производная по времени от этих параметров может быть не равна нулю; например, разность Δφ фаз и рабочий цикл могут увеличиваться экспоненциально.
Дополнительно отмечено, что осуществление процедуры регулирования или процедуры пробуждения, как упомянуто выше, может легко и с низкой стоимостью быть достигнуто подходящим программированием контроллера 90, т.е. программным осуществлением.
Как упоминалось ранее, источники 30, 40 питания нагрева электрода могут быть осуществлены как отдельные источники постоянного тока. В этом случае, в течение периодов времени, когда ток лампы не протекает, возможно, что контроллер 90 удерживает все переключатели 111, 112, 121, 122 в выключенном состоянии. Однако для случая, когда изменения рабочего цикла и изменения величины тока осуществляют изменениями разности фаз плеча, как описано выше, настоящее изобретение предоставляет относительно простое осуществление для источника питания нагрева электрода, получая свое питание от узлов А и В, соответственно.
Фиг.7 является блок-схемой, сопоставимой с фиг.2, схемы 2 управления, выполненной согласно настоящему изобретению, в которой конкретно источники 30, 40 питания нагрева электрода осуществлены согласно настоящему изобретению. Для упрощения, контроллер 90 и источник 106 питания постоянного тока не показаны на фиг.7. Отмечено, что емкостное средство, параллельно соединенное с лампой 10, осуществлено как последовательная компоновка из двух конденсаторов 133, 134.
Первый источник 30 питания нагрева электрода содержит первый трансформатор 50, имеющий первичную обмотку 51 трансформатора, соединенную между первым входным контактом 33 и вторым входным контактом 34 и имеющий вторичную обмотку 52 трансформатора, соединенную с выходными контактами 31, 32 первого источника 30 питания нагрева электрода. В предпочтительном варианте осуществления показано, что регулятор 71 напряжения подключен между вторичной обмоткой 52 трансформатора и выходными контактами 31, 32. Второй входной контакт 34 соединен с линией 108 заземления через конденсатор 35, предназначенный для развязки постоянного тока. Емкость этого конденсатора 35 развязки выбрана относительно высокой по отношению к частоте переключения и индуктивности первичной обмотки 51 трансформатора, так что практически любые пульсации напряжения на этом конденсаторе будут практически нулевыми.
Кроме того, второй источник 40 питания нагрева электрода содержит первый трансформатор 60, имеющий первичную обмотку 61 трансформатора, подключенную между первым входным контактом 43 и вторым входным контактом 44 и имеющий вторичную обмотку 62 трансформатора, подключенную к выходным контактам 41, 42 второго источника 40 питания нагрева электрода. В предпочтительном варианте осуществления показано что, регулятор 72 напряжения подключен между вторичной обмоткой 62 трансформатора и выходными контактами 41, 42. Второй входной контакт 44 соединен с линией 108 заземления через второй конденсатор 45 развязки.
Так как лампа не подключена напрямую к узлам А и В моста, два высокочастотных (ВЧ) трансформатора 50, 60 действуют как схемы сдвига уровня. Последовательные конденсаторы 35, 45 дают результат того, что сдвиг постоянного тока не создает никаких проблем касательно управления первичными обмотками 51, 61 трансформатора.
ВЧ трансформаторы 50, 60 преобразуют высокое напряжение на узлах А, В моста в значительно более низкое напряжение, подходящее для нагрева катода лампы. Типичными расчетными параметрами нагрева катода являются 4 В и 320 мА для компактной люминесцентной лампы 26 Вт. Очень важно, что мощность нагрева катода поддерживается настолько постоянной, насколько возможно с правильными значениями, которые зависят от лампы. Если выходное напряжение нагрева слишком высокое, температура катода будет слишком высокой, катод будет терять вещество эмиттера (типично барий), и срок службы лампы будет уменьшен до нескольких сот часов. Если выходное напряжение нагрева слишком низкое, температура катода будет слишком низкой, заставляя катод чернеть, и срок службы лампы будет уменьшен до только нескольких часов. Отмечено, что узлы А и В моста постоянно имеют высокочастотное высокое напряжение, как показано на фиг.5, так что трансформаторы 50, 60 и, следовательно, электроды 14 лампы запитаны постоянным напряжением.
Для того, чтобы повысить точность напряжения нагрева катода, каждый источник 30, 40 питания нагрева электрода предпочтительно содержит, как показано, регулятор 71, 72 напряжения, каждый содержащий выпрямитель (например, диодный мост), буфер (например, конденсатор) и стабилизатор. Это может быть целесообразным для исключения возможных изменений выходного напряжения источника 106 питания постоянного тока. Однако если источник 106 питания постоянного тока предоставляет достаточно стабильное напряжение, можно обойтись без таких регуляторов напряжения.
В схеме управления согласно настоящему изобретению мощность нагрева электрода поддерживается, по существу, постоянной независимо от рабочего цикла, установленного контроллером для установки уровня регулирования и независимо от величины тока лампы, установленной контроллером для установки уровня регулирования.
В вышеуказанном, действие переключателей 111, 112, 121, 122 описано только ввиду генерации тока лампы и ввиду генерации тока нагрева. В этом отношении, точная привязка по времени переключения не важна, кроме того факта, что должно быть некоторое «время задержки» между периодами «включено» двух переключателей, скомпонованных последовательно для того, чтобы предотвратить короткое замыкание. Если это условие соблюдено, точная привязка по времени, когда следующий переключатель становится проводящим, не важна. Однако, в предпочтительном варианте осуществления, гарантировано, что напряжение на переключателе становится нулевым до того, как этот переключатель становится проводящим, потому что, в противном случае, возникает потеря мощности вследствие переключения. В качестве объяснения, более подробное описание будет дано относительно переключения переключателей 111, 112.
Предположим, что на первой стадии первый переключатель 111 включен, а второй переключатель 112 выключен. Ток протекает через первый переключатель 111 и первичную обмотку 51 трансформатора, причем узел А находится под высоким напряжением линии 107.
На второй стадии, оба переключателя 111 и 112 выключены. Ток продолжает протекать в первичной обмотке 51 трансформатора, причем путь тока перекрыт внутренним диодом полевого МОП-транзистора 112 (или отдельным диодом, скомпонованным параллельно с переключателем 112). В результате, напряжение на узле А падает. Отмечено, что можно это увидеть как разрядку конденсатора нагрузки (не показано) в параллельном соединении со вторым переключателем 112. Этот конденсатор нагрузки может быть создан паразитной емкостью между стоком и истоком полевого МОП-транзистора 112 или емкостной составляющей нагрузки, приложенной к узлу А, т.е. конденсатором в параллельном соединении с первичной обмоткой 51 трансформатора. Отмечено, что этот конденсатор нагрузки образует резонансную схему с индуктивностью, наблюдаемой в узле А, которая может быть равна индуктивности первичной обмотки 51 трансформатора, хотя предпочтительно наличие малой катушки индуктивности (не показано), скомпонованной последовательно с первичной обмоткой 51 трансформатора для того, чтобы увеличить индуктивность, наблюдаемую в узле А. Предпочтительно, чтобы эта катушка индуктивности (предоставляющая индуктивность рассеяния) была включена в трансформаторное устройство так, чтобы избежать необходимости иметь дополнительный компонент, подключенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора.
После некоторого времени задержки (определенного индуктивно-емкостным временем индуктивности, наблюдаемой в узле А и конденсаторе нагрузки), напряжение на узле А достигает нуля. Предпочтительно, если это время задержки не слишком короткое, потому что высокие значения dV/dt на узле А приводит к испускаемой радиопомехе. Затем или несколько позже включают второй переключатель 112, первый переключатель 111 остается выключенным. Таким образом, второй переключатель 112 включают в то время, когда нет напряжения на этом переключателе. Далее, на третьей стадии, когда первый переключатель 111 выключен и второй переключатель 112 включен, ток протекает через второй переключатель 112 и первичную обмотку 51 трансформатора, причем узел А находится под высоким напряжением линии 107. Ток протекает в противоположном направлении по сравнению с первой стадией.
На четвертой стадии оба переключателя 111 и 112 выключены. Ток продолжает протекать в первичной обмотке 51 трансформатора, причем путь тока перекрыт внутренним диодом полевого МОП-транзистора 111 (или отдельным диодом, скомпонованным параллельно с переключателем 111). В результате, напряжение на узле А возрастает. Отмечено, что это можно увидеть как зарядку конденсатора нагрузки (не показан) в параллельном соединении со вторым переключателем 112.
После некоторого времени задержки (снова определенного индуктивно-емкостным временем индуктивности, наблюдаемой в узле А и конденсаторе нагрузки), напряжение на узле А достигает высокого уровня напряжения линии 107. Затем или несколько позже включают первый переключатель 111 (в то время, когда нет напряжения на этом переключателе) и вышеуказанное повторяется.
Переключение переключателя из непроводящего в проводящее состояние в то время, когда напряжения на переключателе равно нулю, будет указано как «переключение при нулевом напряжении».
T
В вышеуказанном высокочастотное переключение переключателей 111, 112 и 121, 122 моста (см. фиг.5) описано независимо от переключения пачек 51 импульсов тока (см. фиг.4В). Особенно при малых рабочих циклах, близких к пороговому рабочему циклу Δ, число циклов переключения моста в пачке 51 импульсов довольно мало. Это число может быть равно 10 (при Δ=1%) или 5 (при Δ=0,5%). Даже малые изменения точной привязки по времени начала пачек 51 импульсов по отношению к фазе высокочастотного переключения моста вызовут изменения в начальных условиях лампы и ее системе резонансного контура, что может привести к небольшим изменениям среднего тока лампы и, следовательно, к малым, но видимым изменениям в светоотдаче лампы (миганию).
Для того, чтобы избежать этой проблемы рабочий цикл переключения моста предпочтительно синхронизируют с высокочастотным переключением моста.
Такая синхронизация может быть достигнута, если низкочастотный сигнал синхронизации, определяющий рабочий цикл переключения моста и высокочастотный сигнал синхронизации, определяющий высокочастотное переключение моста, получают из одного и того же источника.
Если высокочастотный сигнал синхронизации, определяющий высокочастотное переключение моста является несинхронизированым, такая синхронизация может быть достигнута, если, в ответ на низкочастотный сигнал синхронизации, определяющий, когда пачка 51 импульсов должна начинаться, фактическое начало пачки 51 импульсов задерживают до предпочтительной фазы высокочастотного сигнала синхронизации, например высокий/низкий переход или низкий/высокий переход.
Другой источник нежелательного мигания может быть представлен электропитанием 106. Возможно, что это электропитание 106 предоставляет точное напряжение постоянного тока, стабильное и свободное от пульсации, в этом случае электропитание не вызывает повышение мигания. Однако, если электропитание 106 получает свою энергию от источника питающей сети, после выпрямления и промежуточного преобразования, может быть практически неизбежно, что выходной сигнал электропитания 106 показывает малую пульсацию, имеющую удвоенную частоту питающей сети. В точное время начала пачки 51 импульсов, мгновенное значение выходного напряжения электропитания 106 влияет на время, необходимое для зажигания лампы: если это мгновенное значение несколько выше, лампа может зажечься несколько раньше и ток лампы присутствует несколько дольше, приводя, в общем, к несколько большей светоотдаче. Эти изменения могут быть видимыми при малых рабочих циклах, учитывая, что при рабочем цикле 0,5% малая задержка зажигания 1 мкс может соответствовать не менее 2% длины пачки импульсов, т.е. 2% изменения светоотдачи.
Для того, чтобы избежать этой проблемы, рабочий цикл переключения моста предпочтительно синхронизируют с частотой питающей сети.
Фиг.9А схематично показывает общий вид компактной газоразрядной лампы, в целом указанной ссылочной позицией 901. Лампа 901 содержит цоколь 902 лампы и четыре трубчатых сегмента 911, 912, 913, 914, скомпонованных параллельно друг другу. На чертеже осевое направление трубок направлено вертикально; это направление также будет указано как продольное направление. Трубки проходят вертикально вверх от верхней поверхности 903 цоколя 902 лампы. Каждый сегмент лампы имеет два конца, т.е. ближайший конец вплотную к цоколю 902 лампы и периферический конец на расстоянии от цоколя 902 лампы. Первая нить накала 921 электрода лампы расположена на ближайшем конце первого сегмента 911 лампы. Первый и второй сегменты 911, 912 лампы взаимосвязаны первым сегментом 931 перемычки рядом с их периферическими концами. Второй и третий трубчатые сегменты 912, 913 лампы взаимосвязаны вторым сегментом 932 перемычки рядом с их ближайшими концами. Третий и четвертый трубчатые сегменты 913, 914 взаимосвязаны третьим сегментом 933 перемычки рядом с их периферическими концами. Вторая нить накала 922 электрода скомпонована на ближайшем конце четвертого трубчатого сегмента 914. Каждая нить накала электрода снабжена двумя контактами электрода, проходящими через цоколь 902 вниз, и причем каждый соединен с соответствующим соединительным звеном, проходящем от нижней части цоколя 902 лампы, который для упрощения не показан на фиг.9А. Примером такой лампы является компактная люминесцентная лампа, поступившая в продажу от компании Philips. Поэтому дополнительное объяснение этой конструкции лампы здесь не требуется.
В случаях крайне низкого регулирования, например, при пуске устройства пробуждающего освещения, дополнительной проблемой может быть то, что может произойти ситуация, в которой свет генерируется только в ближайшем участке первого трубчатого сегмента 911 и ближайшем участке четвертого трубчатого сегмента 914, рядом с соответственными электродами 921 и 922. Считается, что это вызвано фактически тем, что рабочие условия являются недостаточными, чтобы вызвать надлежащую разрядку, и емкостной ток протекает по стеклянной колбе трубчатых сегментов. Медленно эти светогенерирующие участки растут в направлении периферических концов первого и четвертого трубчатых сегментов 911, 914, и затем второй и третий трубчатые сегменты 912, 913 могут начать генерировать свет, но также возможно, что второй и третий трубчатые сегменты 912, 913 не обеспечат светоотдачу по всей длине. В общем, лампа может показать неустойчивое и нестабильное поведение.
Для исключения или, во всяком случае, уменьшения этой проблемы, лампа 901 согласно настоящему изобретению снабжена внешним вспомогательным электродом 950, размещенным снаружи трубчатых сегментов 911, 912, 913, 914. Вспомогательный электрод является электропроводящим, имеет осевое расстояние, соответствующее осевой длине трубчатых сегментов, и действует как емкостная связь, соединяющая четыре трубчатых сегмента 911, 912, 913, 914 друг с другом, способствуя газовому разряду генерироваться по всей длине всех трубчатых сегментов. Емкостная связь является оптимальной, если вспомогательный электрод находится в механическом контакте со всеми трубчатыми сегментами 911, 912, 913, 914.
Вспомогательный электрод 950 может быть электрически плавающим, т.е. электрически не подключенным к какому-либо элементу электронной схемы управления. Однако улучшенный результат получают, если вспомогательный электрод 950 подключен к опорному напряжению. Подходящими источниками для такого опорного напряжения являются заземление или один из электродов лампы. В предпочтительном варианте осуществления вспомогательный электрод 950 подключен к среднему напряжению между потенциалами электрода лампы. Предпочтительно вспомогательный электрод 950 подключен к узлу между двумя конденсаторами 133 и 134.
Несколько форм возможны для вспомогательного электрода. В варианте осуществления фиг.9А вспомогательный электрод 950 имеет форму прямоугольного блока с углублением для вмещения второго сегмента 932 перемычки. Он может быть выполнен с такими размерами, что две его основные поверхности находятся в контакте со всеми трубчатыми сегментами. Фиг.9В является схематичным видом в перспективе предпочтительного варианта осуществления вспомогательного электрода, указанного здесь ссылочной позицией 960, образованного как плоская пластина 961, которая предназначена для размещения только как пластинообразный вариант осуществления фиг.9А, т.е. проходящий между первым и вторым трубчатыми сегментами 911, 912 с одной стороны и третьим и четвертым трубчатыми сегментами 913, 914 с другой стороны. Пластина 961 имеет углубление 965 для вмещения второго сегмента 932 перемычки. Пластина 961 имеет толщину немного меньше, чем расстояние между первым и четвертым трубчатыми сегментами 911, 914. Для прочного крепления вспомогательного электрода 960 к лампе пластина 961 снабжена фланцами 962, 963, 964, проходящими от переднего вертикального края 966, противоположного углублению 965, фланцы которого изогнуты в обратную сторону, все в одном и том же направлении, по существу, согласно радиусу, соответствующему радиусу трубчатого сегмента. Все фланцы могут иметь один и тот же размер. В варианте осуществления показано, что электрод 960 имеет два небольших U-образных фланца 962, плотно прилегающих только вокруг одного трубчатого сегмента приблизительно на 180°, и два больших J-образных фланца 964, проходящих до соседнего трубчатого сегмента. Самый нижний фланец 963 электрода 960 имеет концевой участок, изогнутый в направлении пластины 961 так, что этот фланец 963 плотно прилегает вокруг трубчатого сегмента более чем на 180°.
Вспомогательный электрод 960 размещен своими фланцами вокруг либо первого, либо четвертого трубчатого сегмента, т.е. трубчатого сегмента, содержащего электрод, причем выбор зависит от направления, в котором изогнуты фланцы; в варианте осуществления показано, что это будет четвертый трубчатый сегмент 914. Фланцы плотно прижимают вспомогательный электрод 960 к этому трубчатому сегменту 914, причем пластина 961 находится в механическом контакте с этим трубчатым сегментом 914, по существу, по всей его высоте. Пластина 961 дополнительно находится в механическом контакте с соседним трубчатым сегментом 913, закрепленная на месте J-образными фланцами 964, но почти без поперечного усилия.
Вместо того, чтобы быть, по существу, плоским, вспомогательный электрод может иметь волнообразное сечение, так что он касается трубчатых сегментов в дискретном числе точек вдоль их длины. В других вариантах осуществления вспомогательный электрод может иметь, по существу, круглое внешнее сечение, осуществленный как цельный стержень или полый стержень, как проиллюстрировано, размещенный в центральном пространстве между трубчатыми секциями. Также возможно, что вспомогательный электрод выполнен как проволока, которая по спирали намотана вокруг периметра трубчатых сегментов. Также возможно, что вспомогательный электрод содержит четыре электродные проволоки, каждая по спирали намотана вокруг соответствующего трубчатого сегмента. Также возможно, что вспомогательный электрод выполнен как цилиндрическая щетка, размещенная в центральном пространстве между трубчатыми секциями.
Хотя изобретение иллюстрировано и описано подробно в чертежах и предшествующем описании, специалисту в данной области техники должно быть ясно, что иллюстрация и описание должны считаться иллюстративными и примерными, а не ограничивающими. Изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления; скорее несколько разновидностей и модификаций возможны в пределах защитного объема изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.
Например, возможно, что питание схемы управления содержит выпрямитель для выпрямления электроэнергии питающей сети переменного тока, и предварительный формирователь и преобразовательный каскад, скомпонованные между выпрямителем и первой и второй линиями питания постоянного тока, для преобразования выпрямленной электроэнергии переменного тока до стабилизированной электроэнергии постоянного тока.
Дополнительно в предпочтительном варианте осуществления, как описано и иллюстрировано, схема управления содержит полномостовую топологическую сборку. Однако возможно осуществить изобретение, используя другие топологические сборки, например полумостовую топологическую сборку в сочетании с питанием 106, из которого выходное напряжение может быть изменено, например, используя обратноходовой или вольтодобавочный преобразователь.
Дополнительно в предпочтительном варианте осуществления, как описано и иллюстрировано, выходные контакты 101, 102 лампы подключены в диагонали 130 моста, так что каждый электрод лампы принимает напряжение, изменяющееся относительно заземления. Для предотвращения радиопомех может быть предпочтительно удерживать один электрод лампы на постоянном уровне напряжения, предпочтительно заземлении. Это может быть достигнуто в варианте осуществления фиг.8, где выходные контакты 101, 102 лампы соединены с диагональю 130 моста, через трансформатор 810 связи. В варианте осуществления показано, что диагональ 130 моста содержит последовательную компоновку из первичной обмотки 811 трансформатора 810 связи и конденсатора 820 развязки постоянного тока. Вторичная обмотка 812 трансформатора 810 связи имеет один конец, подключенный к заземлению, и имеет другой конец, подключенный к одному основному выходному контакту 101 через резонансную катушку 131 индуктивности. Другой основной выходной контакт подключен к заземлению.
Другие разновидности раскрытых вариантов изобретения могут быть понятны и реализованы специалистами в данной области техники в практическом осуществлении заявленного изобретения на основании изучения чертежей, раскрытия и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы и термины в единственном числе не исключают множественность. Единственный процессор или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Сам факт, что некоторые критерии перечислены во взаимно различных, зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что сочетание этих критериев не может быть использовано как преимущество. Компьютерная программа может быть сохранена/размещена на подходящем носителе, таком как оптический запоминающий носитель или полупроводниковый носитель, поставленный вместе с или как часть другого аппаратного обеспечения, но может также быть доступна в другом виде, через Интернет или другие проводные или беспроводные системы связи. Любые ссылочные обозначения в формуле изобретения не должны быть истолкованы как ограничение объема.
В вышеуказанном, настоящее изобретение объяснено со ссылкой на блок-схемы, которые иллюстрируют функциональные блоки устройства согласно настоящему изобретению. Должно быть понятно, что один или более из этих функциональных блоков могут быть осуществлены в аппаратном обеспечении, где функция такого функционального блока выполнена отдельным компонентом аппаратного обеспечения, но также возможно, что один или более из этих функциональных блоков осуществлены в программном обеспечении, так что функция такого функционального блока выполнена одной или более программными строками компьютерной программы или программируемым устройством, таким как микропроцессор, микроконтроллер, процессор цифровых сигналов и т.д.