CN101309540B - 电子触发器及hid灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子触发器及HID灯，电子触发器包括第一变压器、第二变压器，第一变压器的原边与第一电容之间构成谐振电路，谐振电路设有电子开关，电子开关连接有芯片。电子镇流器输出的低频方波信号，依次通过整流电路、稳压管降压电路输入到芯片。当HID灯刚开始启动时，电子镇流器输出的低频方波信号电压较高，芯片输出高频脉冲信号，触发器工作，实现对HID灯的启动；当HID灯正常工作时，电子镇流器输出的低频方波信号电压较低，芯片IP停止输出高频脉冲信号，触发器不工作。使第一变压器和第二变压器工作在高频状态，降低了整个电路的重量和体积，同时可以根据灯的端电压大小自动触发，不会造成多次触发，提高了系统的稳定性。

Description

电子触发器及HID灯

技术领域

本发明涉及一种电子触发装置，尤其涉及一种电子触发器及HID灯。

背景技术

HID(高强度气体放电)灯是一种新型的高效率的电光源，具有较高的发光效率和接近理想光源(如日光)的色温，已经广泛应用于汽车、工商业及影视舞台照明等多种场合。

现有技术中，典型的HID灯启动时的伏安特性如图1所示，在灯触发后，灯电流下降，端电压上升，呈现负阻特性，需要在供电电网和灯之间接入一个电子镇流器来限制灯启动时的冲击电流。

电子镇流器的电路框图如图2所示，PFC电路为典型的Boost型功率因数校正电路，以提高输入端的功率因数；DC-DC变换器为Buck型降压电路，保证灯的平稳启动以及为灯的稳态工作提供恒功率控制；DC-AC变换器为全桥逆变电路，为了抑制灯高频工作时的声谐振，输出一个低频的交流方波功率信号来驱动HID灯。

在HID灯启动时，需要用触发器在灯两端施加一个幅值很高的触发电压，使灯中填充的气体电离放电。

现有技术中的电感式触发器的电路结构如图3所示，当开关S闭合时，交流信号加到第一变压器T₁的原边，第一变压器T₁的副边对第六电容C₆快速充电，当第六电容C₆的电压达到气隙开关SG的击穿电压时，气隙开关SG导通，第六电容C₆和第二变压器T₂的原边组成串联谐振电路，由于谐振频率很高，第五电容C₅相当于短路，第二变压器T₂的副边产生的高压全部加在灯泡的两个电极之间，使气体电离放电，实现灯的触发。当开关S断开时，触发电路不工作，电子镇流器输出一个低频恒功率信号实现HID灯的稳态工作。

上述现有技术至少存在以下缺点：

由于第一变压器T₁工作在低频状态，电感式触发器的体积和重量较大，在对体积和重量有特殊要求的中小功率等应用场合，其庞大体积和重量限制电感式触发器的应用。此外，当开关S受到干扰多次动作时，灯会出现多次触发，这会加速灯的两个电极的电离损耗，减少了灯的工作寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种重量轻、体积小，且工作状态稳定的电子触发器及HID灯。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明的电子触发器，包括第一变压器、第二变压器，所述第一变压器的原边接收电压信号，所述第二变压器的副边输出触发电压，所述第一变压器的原边串联有第一电容，且所述第一变压器的原边与所述第一电容之间构成谐振电路，所述谐振电路设有电子开关，所述电子开关连接有芯片，所述芯片通过输出高频脉冲信号控制所述电子开关的开关状态。

本发明的HID灯，该HID灯连接有上述的电子触发器。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明所述的电子触发器及HID灯，由于电子触发器的第一变压器的原边串联有第一电容，并构成谐振电路，谐振电路设有电子开关，电子开关由芯片输出的高频脉冲信号控制开关状态，进而实现对触发器触发状态的控制。重量轻、体积小，且工作状态稳定。

附图说明

图1为现有技术中的HID灯启动的伏安特性曲线示意图；

图2为现有技术中的电子镇流器的电气原理图；

图3为现有技术中的电感式触发器的电气原理图；

图4为本发明的电子触发器的电气原理图；

图5为本发明的电子触发器第一级等效电路原图；

图6为本发明的电子触发器第二级等效电路原图；

图7为本发明的电子触发器简化的第二级等效电路原图；

图8为本发明的电子触发器第三级等效电路原图。

具体实施方式

本发明的电子触发器，其较佳的具体实施方式如图4所示，包括第一变压器T₁、第二变压器T₂，第一变压器T₁的原边接收电压信号并耦合到副边；第一变压器T₁的副边将电压信号的能量逐级传递到第二变压器T₂的原边，并有第二变压器T₂的副边输出触发电压。

具体第一变压器T₁的原边串联有第一电容C₁，且第一变压器T₁的原边与第一电容C₁之间构成谐振电路，谐振电路设有电子开关Q，电子开关Q连接有芯片IP，芯片IP通过输出高频脉冲信号控制电子开关Q的开关状态。

芯片IP接收外部的低频方波信号(如电子镇流器输出的低频方波信号)，并根据低频方波信号的电压高低决定输出或停止输出高频脉冲信号，具体是：当低频方波信号的电压高于设定的阈值时，芯片IP输出高频脉冲信号；当低频方波信号的电压低于设定的阈值时，芯片IP停止输出高频脉冲信号。

在应用于HID灯的启动中，当HID灯刚开始启动时，电子镇流器输出的低频方波信号电压较高，芯片IP输出高频脉冲信号，触发器工作，输出触发电压，实现对HID灯的启动；当HID灯正常工作时，电子镇流器输出的低频方波信号电压较低，芯片IP停止输出高频脉冲信号，触发器不工作，停止输出触发电压。

外部的低频方波信号首先可以通过整流电路整流后再输入到芯片IP；还可以再通过稳压管降压电路降压后输入到芯片IP。

具体低频方波信号通过整流电路后，输出的正极和负极可以分别与第一变压器T₁的原边与第一电容C₁之间构成的谐振电路连接，其中正极与谐振电路之间设有限流电阻R。限流电阻R的值大于4L₁/C₁，式中L₁为第一变压器T₁原边电感的值；C₁为第一电容C₁的值。

稳压管降压电路包括两个稳压二极管，两个稳压二极管串联之后连接于整流电路输出的正极和负极之间，两个稳压二极管之间的连接点与芯片IP的输入端连接，实现芯片IP输入电压的稳压、降压。

第一变压器T₁的副边与第二变压器T₂的原边之间通过半波倍压整流电路连接，具体半波倍压整流电路包括第三电容C₃、第二电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2。其中，第三电容C₃与第二变压器T₂的原边连接形成谐振电路，并在该谐振电路上设有气隙开关SG；第一二极管D1与第三电容C3并联；第二二极管D2连接于第一二极管D1与第三电容C3之间；第二电容C2连接于第一二极管D1与第一变压器T1的副边之间。

第三电容C3的容值远大于第二电容C2的容值，可以大于或等于第二电容C2的容值的10倍。

本发明的HID灯，其较佳的具体实施方式是，该HID灯连接有上述的电子触发器，实现对HID灯的启动。

本发明HID灯用电子触发器的工作原理是：

当灯未启动时，电子镇流器中的DC-AC变换器相当于空载，输出一个300VRMS的低频方波交流电压，该方波交流电压经过整流后的直流电压VDC经稳压管降压后使芯片IC输出一个高频驱动脉冲信号控制电子开关Q，当电子开关Q断开时，直流电压VDC经限流电阻R，第一变压器T₁的原边向第一电容C₁充电。第一电容C₁的初始电压为零，相当于短路；第一变压器T₁的原边电感L₁的电流初值为VDC/R，由于限流电阻R(1K)比较大，远大于4L₁/C₁(L₁＝20uH、C₁＝0.033u)，故电路为过阻尼振荡，可以简化为电容充电电路；当电子开关Q闭合时，第一变压器T₁的原边和第一电容C₁构成串联谐振回路，通过磁场耦合将能量传递到第一变压器T₁的副边，由第一二极管D₁、第二二极管D₂、第二电容C₂与第三电容C₃构成了一个半波倍压整流电路，当加在第三电容C₃两端的电压达到气隙开关SG的击穿电压时，气隙开关SG导通，第三电容C₃和第二变压器T₂的原边构成串联谐振回路，通过磁场耦合将能量传递到第二变压器T2的副边来触发HID灯。

当灯启动后，进入稳态工作时，灯两端交流方波电压很低(＜100VRMS)，经整流并经稳压管降压后使芯片IC停振，整个触发器电路停止工作，由电子镇流器给HID灯输出一个低频交流方波功率信号。

下面对本发明的触发器的理论分析及主要参数的设计方法进行详细的阐述：

为分析简便，假设时间的起点设置为电子开关Q断开的瞬间，第一级充电等效电路如图5所示，其中R为输入端限流电阻与第一变压器T1的原边L₁的绕线电阻及第一电容C₁的串联等效电阻之和。整流后的直流电压V_in通过R和L₁对C₁线性充电，C₁的端电压u₁呈指数上升，电感L₁相当于短路，输出电压u₃近似为零。在经过时间t之后， $u_1\left(t_0\right)=V_{\mathrm{in}}\left({1-e}^{-\frac{t_0}{{\mathrm{RC}}_1}}\right),$ 其中t₀为电子开关Q的断开时间。

当电子开关Q闭合时，第二级等效电路如图6所示，其中K₁为第一变压器T1的原边L₁的绕线电阻与第一电容C₁的串联等效电阻及开关Q的导通电阻之和；R₂为变压器T1的副边L₂的绕线电阻与第二电容C₂的串联等效电阻之和。实际电路中，K₁＜1ohm很小，R₂＞100ohm，L₁约等于几十个uH，L₂约等于几十个mH，C₁约等于几十nF，C₂约等于几百个pF，C₃约等于几千个pF，所以第一变压器T₁的原、副边的两个二阶电路均满足R₂＜4L/C的自由谐振条件，故当开关Q由断开变为闭合状态时，C₁、L₁及R₁和C₂、L₂及R₂构成两个二阶串联自由谐振电路，电容C₁的端电压初值为u₁(t₀)，由于C₂≤10C₃，故图6所示的等效电路可以进一步简化为图7所示的等效电路。

如图7所示的电路方程如式(1)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_1{C}_1\frac{d^2{u}_1}{{\mathrm{dt}}^2}+{\mathrm{MC}}_2\frac{d^2{u}_2}{{\mathrm{dt}}^2}+R_1{C}_1\frac{{\mathrm{du}}_1}{\mathrm{dt}}+u_1\left(t\right)=0\\ L_2{C}_2\frac{d^2{u}_2}{{\mathrm{dt}}^2}+{\mathrm{MC}}_1\frac{d^2{u}_1}{{\mathrm{dt}}^2}+u_2\left(t\right)=0\end{array}\right.$ 式(1)

初值为u₁(0⁺)＝u₁(t₀)，u′₁(0⁺)＝i_L1(0⁺)/C₁＝0，u₂(0⁺)＝0，u′₂(0⁺)＝i_L2(0⁺)/C₂＝0

当满足谐振条件(L₁C₁＝L₂C₂)时，能量传输效率η＝1；

同时，当耦合系数 $k=\frac{2n+1}{{2n}^2+2n+1}(n=\mathrm{0,1,2,3}\·\·\·)$ 时，输出电压u₂(t)最大，

$u_2{\left(t\right)}_{\max }=u_1\left(t_0\right)\sqrt{\frac{L_2}{L_1}}.$

实际工程中，常采用n＝1，k＝0.6的耦合变压器。

第三电容C₃上的最大输出电压 $u_3{\left(t\right)}_{\max }={2u}_2{\left(t\right)}_{\max }={2u}_1\left(t_0\right)\sqrt{\frac{L_2}{L_1}}.$

第三级等效电路如图8所示，其中R₃为第二变压器T2的原边L₃的绕线电阻及第三电容C₃的串联等效电阻及气隙开关SG的导通电阻之和，第一变压器T1的副边L₂通过倍压整流电路向电容C₃充电，当电容C₃的电压达到气隙开关SG的饱和击穿电压时，SG相当于短路，电容C₃、L₃及R₃构成二阶串联谐振电路，C₄为HID灯两个电极之间的等效电容，电路方程如式(2)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{L}_3{C}_3\frac{d^2{u}_3}{{\mathrm{dt}}^2}+{\mathrm{MC}}_4\frac{d^2{u}_4}{{\mathrm{dt}}^2}+R_3{C}_3\frac{{\mathrm{du}}_3}{\mathrm{dt}}+u_3\left(t\right)=0\\ L_4{C}_4\frac{d^2{u}_4}{{\mathrm{dt}}^2}+{\mathrm{MC}}_3\frac{d^2{u}_3}{{\mathrm{dt}}^2}+u_4\left(t\right)=0\end{array}\right.$ 式(2)

同以上分析类似，可以得到：要使能量传输效率最大，第二变压器T₂的原副边也需要满足谐振条件：ω₃＝ω₄即L₃C₃＝L₄C₄，为达到最大输出电压，耦合系数k＝0.6。

HID灯用触发器制作工艺的好坏对整个电路性能的影响很大，在制作过程中，应该合理的确定各个参数值，使之能够满足灯的启动特性要求，同时又能最大限度的延长灯的寿命。根据仿真结果和实验数据，对本发明的HID灯用触发器制作过程中，尽量做到：

1)电路布线时，尽量缩短各种引线长度，以减小杂散电感和导线电阻的损耗，提高输出电压；

2)应使电子开关Q的驱动占空比尽量小(具体实施例的样机中驱动占空比设为1.3％，频率14KHz)，使得第一电容C₁的端电压u₁尽可能充到输入电压的最大值，另外，为减小线路损耗，电容C₁和C₃应选择低ESR电阻的高频电容，(样机使用WIMA FKP系列聚丙乙烯膜电容，tanδ≤10·10^-4@100KHz)；

3)倍压整流部分中，为达到良好的倍压效果，第三电容C₃的容值应远大于第二电容C₂的容值，(具体实施例的样机中C₃＝1500P，C₂＝150P)；

4)为达到良好的升压效果，应采用有效的绝缘措施，如在第二变压器T₂的原副边加绝缘套管以及高压输出端子之间添加隔离槽防止高压端放电，最后，整个装置也应用环氧绝缘树脂灌封以进一步提高系统的可靠性。

本发明的HID灯用电子触发器模型，使第一变压器T₁和第二变压器T₂工作在高频状态，极大的降低了整个电路的重量和体积，同时可以根据灯的端电压大小自动触发，不会造成多次触发，提高了系统的稳定性。本发明中，还给出了HID灯用触发器的分段电路模型及数学分析，使得可以定量的研究其电气特性。实验和仿真结果，均证明了本发明中理论的正确性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电子触发器，包括第一变压器、第二变压器，所述第一变压器的原边接收电压信号，所述第二变压器的副边输出触发电压，其特征在于，所述第一变压器的原边串联有第一电容，且所述第一变压器的原边与所述第一电容之间构成谐振电路，所述谐振电路设有电子开关，所述电子开关连接有芯片，所述芯片通过输出高频脉冲信号控制所述电子开关的开关状态；

所述的芯片接收外部的低频方波信号，并根据所述低频方波信号的电压高低决定输出或停止输出高频脉冲信号，具体是：

当所述低频方波信号的电压高于设定的阈值时，所述芯片输出高频脉冲信号；

当所述低频方波信号的电压低于设定的阈值时，所述芯片停止输出高频脉冲信号。

2.根据权利要求1所述的电子触发器，其特征在于，所述低频方波信号通过整流电路输入到所述芯片。

3.根据权利要求2所述的电子触发器，其特征在于，所述低频方波信号通过稳压管降压电路输入到所述芯片。

4.根据权利要求3所述的电子触发器，其特征在于，所述低频方波信号通过整流电路后，输出的正极和负极分别与所述谐振电路连接，所述正极与所述谐振电路之间设有限流电阻，所述限流电阻的值大于4L₁/C₁，式中L₁为所述第一变压器原边电感的值；C₁为所述第一电容的值。

5.根据权利要求4所述的电子触发器，其特征在于，所述稳压管降压电路包括两个稳压二极管，所述两个稳压二极管串联之后连接于所述整流电路输出的正极和负极之间，所述两个稳压二极管之间的连接点与所述芯片的输入端连接。

6.根据权利要求1所述的电子触发器，其特征在于，所述第一变压器的副边与所述第二变压器的原边之间通过半波倍压整流电路连接，所述半波倍压整流电路包括第三电容，所述第三电容与所述第二变压器的原边连接形成谐振电路，并在该谐振电路上设有气隙开关。

7.根据权利要求6所述的电子触发器，其特征在于，所述半波倍压整流电路包括第二电容、第一二极管、第二二极管，所述第一二极管与所述第三电容并联；所述第二二极管连接于所述第一二极管与所述第三电容之间；所述第二电容连接于所述第一二极管与所述第一变压器的副边之间。

8.根据权利要求7所述的电子触发器，其特征在于，所述第三电容的容值大于或等于所述第二电容的容值的10倍。

9.一种HID灯，其特征在于，该HID灯连接有权利要求1至8任一项所述的电子触发器。

Images