技术领域

本实用新型涉及到高强度气体放电HID灯节能型电光源技术领 域，具体是一种噪声与周期信号复合调频的高强度放电灯镇流器。

                        背景技术

高强度气体放电HID灯，又称高光度放电灯，目前，常见的HID 灯有金卤灯、钠灯及汞灯，钠灯分低压钠灯LPS和高压钠灯HPS， 金卤灯光效达80～125lm/w，高压钠灯光效更高，成为“绿色照明”， 高强度气体放电高压钠灯正常工作对其镇流器的技术要求是高的， 尤其是功率较大的高压钠灯对其镇流器技术要求更高，其中，在高 频固定频率电源工作时，“声共振”问题是最为烦恼的，困扰着投 放市场的时机，在使用过程中灯管电压会突然上升，电弧扭曲闪烁， 出现放电电弧不稳定，轻则使灯光抖动，重则电弧不稳定引起熄弧， 随电压升高电流急剧上升烧毁灯管。研究其原因是灯管内压力波脉 冲从管壁内反射回来，当与灯高频电流谐波成分的同频同相位时会 形成驻波，产生声波共呜振荡，其共振频率与电弧灯管何尺寸密切 相关，而且频率不是单一的，它包括基波和高次谐波在内的所有频 率。现有技术中取单频周期信号调频高频脉冲振荡器，使脉冲振荡 按调频信号变化抑制灯电弧管同频驻波的形成，由于调频信号周期 性变化大而快，瞬间灯光抖动甚至熄弧还有发生，解决不彻底，而 调频信号速率受其限止，提高脉冲振荡频率则增大电路功耗，故抑 制声共振技术有待于深入和提高。此外，灯触发启动过程对灯管和 镇流器易造成损坏，这是由于放电电流高密度，冲击力大，气体放 电电弧不稳定，电源欠缺恒功率特性所致。由于灯工作在高强度放 电的技术条件下，可靠运行要求高，对其异常状态检测保护是重要 的，需提高和完善。

                        发明内容

本实用新型的目的是提供增强抑制在高频电源工作下的高强度 气体放电灯电弧管形成驻波而发生声共振的一种噪声与周期信号复 合调频的高强度灯镇流器。

本实用新型技术解决方案，设有抑制电源电磁干扰滤波器EMI、 主电源整流电路、自振荡脉冲发生器IC、半桥或全桥驱动器IC、半 桥或全桥逆变器、启动电路，它还设有有源功率因数预调整变换器 APFC及其控制电路的直流电源、噪声发生器、周期信号发生器、灯 负载异常电流检测电路、逆变器功率管超温保护电路、逆变器异常 电压检测电路、单稳态触发定时器，该高强度放电灯镇流器电路的 连接是在电网进线串接抑制电源电磁干扰滤波器EMI、主电源整流 电路、然后接入有源功率因数预调整变换器APFC、经变换器输出的 直流馈接半桥或全桥逆变器，控制电路直流电源是在APFC变换器 升压电感器耦合高频电压整流、稳压接到自振荡脉冲发生器IC、半 桥或全桥驱动器IC、周期信号发生器、单稳态触发定时器、灯负载 异常电流检测电路、逆变器功率管超温保护电路、逆变器异常电压 检测电路的电源端，噪声发生器的输出与周期信号发生器的输出叠 加后接入自振荡脉冲发生器IC的频率控制RT端，半桥或全桥驱动 器IC的输入与自振荡脉冲发生器IC的输出相连接，其输出与半桥 或全桥逆变器的输入相接，启动电路接入半桥或全桥逆变器的输出， 并接入灯负载异常电流检测电路，单稳态触发定时器的触发端与灯 负载异常电流检测电路、逆变器功率管超温保护电路、逆变器异常 电压检测电路的输出端相接，单稳态触发定时器的输出接入半桥或 全桥驱动器IC的电路开关控制端，有源功率因数预调整变换器 APFC输出与半桥或全桥逆变器输出接逆变器异常电压检测电路，半 桥或全桥逆变器的输出还接于随机噪声发生器的输入端，逆变器功 率管紧密粘贴热敏电阻为超温传感器并接入保护电路；

而噪声发生器是由稳压二极管反向接入半桥或全桥逆变器输出 信号经检波器的直流电压，其输出的噪声设有频率上限电路；

周期信号发生器是由正弦波或非弦波振荡器构成，是在放大器 电路引入RC阻容选频和反馈网络，满足自激振荡条件，产生低频 正弦波或非正弦波的周期信号系统，正弦波振荡器设有输出稳幅和 阻抗变换电路，而非正弦波振荡器设有稳幅和积分电路及波形占空 系数可调元器件；

有源功率因数预调整变换器APFC13是由固定频率平均电流型 升压变换器IC芯片及其该芯片乘法器取样电阻、误差取样电阻、电 流取样电阻、升压电感器、功率开关管、高频二极管、输出电容构 成，主电源整流电路的输出接于升压变换器IC芯片的乘法器取样电 阻，同时，该电源经升压电感器、功率开关管、高频二极管、输出 电容接入误差取样电阻，电流取样电阻串接在主电源整流电路输出 的负极与功率开关管的源极之间，功率开关管的栅极接变换器IC芯 片驱动器输出端；

逆变器异常电压检测电路是由APFC输出经电阻分压与半桥或 全桥逆变器输出经峰值检波接入阻容延时网络、双向触发二极管、 开关电路后再接入单稳态触发定时器触发端；灯负载异常电流检测 器是由灯负载电流互感器经检波器、电压比较器输出接入单稳态触 发定时器触发端；逆变器功率管超温保护电路是由紧密粘贴在半桥 或全桥逆变器中的功率开关管上的热敏电阻电桥经运放电压比较器 输出接入单稳态触发定时器触发端，其单稳态触发定时器的输出接 入半桥或全桥驱动器IC的电路开关控制端。

本技术方案设计是正弦波加噪声复合调频自振荡脉冲发生器IC 的输出频率，周期信号变化粗调与随机噪声扰动细调双重特性围绕 中心频率而变化，抑制声波共振点，使其无法再次形成声共振，灯 光稳定，无闪烁现象，消除声共振的发生显著提高；电源采用APFC 有源功率因数预调整电路灯电流波峰比显著降低，极大地提高了灯 电压与灯电流的稳定性，使其能恒功率稳定地工作，抑制灯飘弧。 此外，设置灯负载电流异常检测保护电路，逆变器功率管超温保护 电路、逆变器异常电压检测电路大为提高和完善灯正常工作可靠性， 对逆变器功率器件超温可切断电路保护使其不受损坏，灯头接触不 良、灯管老化失效等情况，能适量间断性供电重启动，在一定的时 间内还不能启动，则自动停止工作，保护灯和镇流器不受损失。

                   附图说明

图1是本实用新型原理框图

图2是噪声与周期信号三角波复合调频调制信号发生器电路

图3是噪声与周期信号正弦波复合调频调制信号发生器电路

图4是噪声与周期信号锯齿波复合调频调制信号发生器电路

参照图1，它设有抑制电源电磁干扰滤波器EMI11、主电源整 流电路12、自振荡脉冲发生器IC3、半桥或全桥驱动器IC4、半桥或 全桥逆变器5、启动电路6，它还设有有源功率因数预调整变换器 APFC13及其控制电路的直流电源14、周期信号发生器1、噪声发生 器2、灯负载异常电流检测电路9、逆变器功率管超温保护电路10、 逆变器异常电压检测电路7、单稳态触发定时器8，该高强度灯镇流 器电路的连接是在电网进线串接抑制电源电磁干扰滤波器EMI11、 主电源整流电路12、然后接入有源功率因数预调整变换器APFC13、 经变换器输出的直流馈接半桥或全桥逆变器5，控制电路直流电源 14是在APFC变换器13升压电感器耦合高频电压整流、稳压接到自 振荡脉冲发生器IC3、半桥或全桥驱动器IC4、周期信号发生器1、 单稳态触发定时器8、灯负载异常电流检测电路9、逆变器功率管超 温保护电路10、逆变器异常电压检测电路7的电源端，周期信号发 生器1的输出与噪声发生器2的输出叠加后接入自振荡脉冲发生器 IC3的频率控制RT端，半桥或全桥驱动器IC4的输入与自振荡脉冲 发生器IC3的输出相连接，其输出与半桥或全桥逆变器5的输入相 接，启动电路6接入半桥或全桥逆变器5的输出，并接入灯负载异 常电流检测电路9，单稳态触发定时器8的触发端与灯负载异常电流 检测电路9、逆变器功率管超温保护电路10、逆变器异常电压检测 电路7的输出端相接，单稳态触发定时器8的输出接入半桥或全桥 驱动器IC4电路开关控制端，有源功率因数预调整变换器APFC13 输出与半桥或全桥逆变器5输出接逆变器异常电压检测电路7，半桥 或全桥逆变器5的输出还接于噪声发生器2的输入端，逆变器5功 率管紧密粘贴热敏电阻为超温传感器并接入保护电路10。

自振荡脉冲发生器IC芯片引脚RT端和CT端为定时控制端，外 接适合的RC阻容元件可控制其振荡脉冲频率，基于这个原理利用 改变RT等效阻抗可以改变振荡频率，输入周期变化与噪声复合信号 为调制电压，改变其等效电阻达到调频的目的，使其IC输出瞬时角 频率与调制电压成正比变化，调制电压越大，调频波的最大频偏就 越大，调频系数与调制频率成反比，取调制频率较低的周期信号与 噪声得到较大的调频系数抑制灯电弧驻波声共振。采用通用自振荡 脉冲发生器IC芯片兼容调频功能价格低廉，有利于降低镇流器成本。

图2是随机噪声与三角波复合调频调制信号发生器，它是由稳 压二极管VD3反向接入经阻容元件R9、C6串联网络与半桥或全桥 开关逆变器5的输出耦合，电阻R9、R8分压由VD1、VD2、R7、 C5组成检波、滤波器的输出电压，稳压二极管VD3的一端接电源， 另一端则接并联接地的R6、C4阻容元件，并作为噪声发生器2的 输出端。三角波发生器1采用555时基IC电路和R1、R2、C1、C2 接成无稳态多谐方波振荡器，其输出通过R3、R4、C3无源积分低 通滤波网络为三角波，输出负载电阻可由一只可调电阻或两个电阻 R5、R6串联，其上端接于自振荡脉冲发生器IC3的频率控制RT端， 中端连接随机噪声发生器2的输出端，下端接地。

图3是正弦波加噪声复合调频调制信号发生器，它是由正弦波 发生器，它是由R1、C1、R2、C2文氏电路为选频和反馈网络，采 用运放IC1为振荡放大器件，正弦信号输出设有稳幅电路VD1、VD2 和阻抗变换电压跟随器IC2，其振荡幅度取决于稳压管电压值，RP1 可调到适当的负反馈使输出波形失真小并便于起振，图中 RC＝R1C1＝R2C2、振荡频率f0取决于RC值。噪声发生器2，它是 由稳压二极管VD3反向接入经电流互感器T1与半桥或全桥逆变器 5输出信号耦合，检波二极管VD4～VD7桥式整流，R8、C4、C5低 通滤波的直流电压，稳压二极管VD3一端接电源，另一端接入晶体 管VT1放大器的基极，该放大器设有电压负反馈电容C3，噪声信号 由集电极输出接入运放电压跟随器IC2，噪声与正弦信号同时加入运 放电压跟随器IC2，其输出接入自振荡脉冲发生器3的RT端。

图4是随机噪声与锯齿波复合调频调制信号发生器，它是由稳 压二极管VD2反向接入经阻容元件R9、C6串联网络与半桥或全桥 开关逆变器5的输出信号耦合，电阻R9、R8分压由VD1检波整流、 C5滤波组成的输出直流电压，稳压二极管VD2的一端接电源，另 一端接地，噪声发生器2的输出接入运放电压跟随器IC2。锯齿波发 生器1采用555时基IC1电路和R1、R2、R3、C2、C3接成无稳 态多谐矩形波振荡器，其输出通过C1、R4接入运放电压跟随器IC2 提取锯齿波信号，锯齿波振荡器频率f0取决于R1、R2、R3、C3， R1＝R2，R3可使波形的负向放电速度变慢，改善线性度，C3是锯齿 的形成电容，C1是电压反馈的耦合电容，本锯齿波振荡器克服通常 的恒流源对电容充电受温度对频率的影响，波形失真＜％1，电压跟随 器起到阻抗变换，输出为低阻抗。

图2、图3、图4中的噪声源是利用反向偏置的稳压二极管工作 在雪崩状态产生的，这种噪声可以认为是平稳的正态分布随机过程， 均值为零，频谱是宽带噪声，由于抑制声波共呜振荡是在较低频率 范围，故在噪声发生器设有频率上限电容器衰减高频分量，它与周 期信号叠加为复合调频调制信号，在周期变化信号交叠随机噪声， 既保持周期信号单频调频的原有特性，粗调抑制灯电弧积累能量， 而随机噪声的细微扰动特性周密抑制各共振点，使其灯发光稳定， 无闪烁现象，随机与周期双重特性增强抑制声共振的效果明显提高。

引用开关逆变电路5输出的谐振回路的高频调频信号，检波电 压反向击穿稳压二极管产生随机噪声，实质为一个负反馈闭环控制 系统，不仅可以大大提高调制灵敏度，而且工作稳定性很高。

有源功率因数预调整变换器工作在固定频率方式下的平均电流 型APFC电路能大幅度降低电流尖峰，适宜用于大功率高强度气体 放电HID的金卤灯镇流器，有源APFC电路主要的积极作用在于能 提高功率因数补偿电网，并具有输出电压预稳压的功能。在电网电 压大幅度变化时或镇流器灯启动点火、弧光放电冲击，基于APFC 电路的输出电压是稳定的，可使电子镇流器高频变换电路有良好的 工作环境，保持灯管功率恒定，确保放电电弧的稳定。同时，还减 轻电子镇流器电路元器件的电压应力。

灯负载电流异常反映灯和镇流器出现故障，分析大量的故障案 例高于70％是逆变器功率开关管损坏引起的，因此，防止镇流器异 常状态的灯负载过电流产生过热，设置灯负载异常电流检测、逆变 器高功率开关器件超温检测和逆变器异常电压检测提高镇流器可靠 性很重要。

本实用新型被测异常电流信号触发单稳态定时器，经延时关断 半桥或全桥驱动器的输出，即停止镇流器的工作，保护器件不受其 损失；同样，利用热敏电阻传感的功率器件超温信号通过运放电压 比较，达到设定值触发单稳态定时器，关断半桥或全桥驱动器，实 现超温保护；增设逆变器的输入/输出电压检测是提高异常状态的保 护功能和完善灯重新启动功能。当镇流器或金卤灯出现故障或遇到 各种异常状态时，即触发单稳态触发器适量定时重新开启或关断半 桥或全桥驱动器的电路开关，以启动或保护电路器件免受损失。

金卤灯异常状态检测保护的工作过程与其启动电路触发点火产 生弱辉光到时弧光并使稳定放电各阶段，定时器延迟使其灯在出现 故障或人为中断工作后，再重新启动，灯管有冷却的时间，具有灯 点火失败保护。

                 具体实施方法

实施例1，设有抑制电源电磁干扰滤波器EMI11、主电源整流 电路12、自振荡脉冲发生器IC3、半桥或全桥驱动器IC4、半桥或全 桥逆变器5、启动电路6，它还设有有源功率因数预调整变换器 APFC13及其控制电路的直流电源14、周期信号发生器1、噪声发生 器2、灯负载异常电流检测电路9、逆变器功率管超温保护电路10、 逆变器异常电压检测电路7、单稳态触发定时器8，该高强度放电灯 镇流器电路的连接是在电网进线串接抑制电源电磁干扰滤波器 EMI11、主电源整流电路12、然后接入有源功率因数预调整变换器 APFC13、经变换器输出的直流馈接半桥或全桥逆变器5，控制电路 直流电源14是在APFC变换器13升压电感器耦合高频电压整流稳 压接到自振荡脉冲发生器IC3、半桥或全桥驱动器IC4、周期信号发 生器1、单稳态触发定时器8、灯负载异常电流检测电路9、逆变器 功率管超温保护电路10、逆变器异常电压检测电路7的电源端，周 期信号发生器1的输出与噪声发生器2的输出叠加后接入自振荡脉 冲发生器IC3的频率控制RT端，半桥或全桥驱动器IC4的输入与自 振荡脉冲发生器IC3的输出相连接，其输出与半桥或全桥逆变器5 的输入相接，启动电路6接入半桥或全桥逆变器5的输出，并接入 灯负载异常电流检测电路9，单稳态触发定时器8的触发端与灯负载 异常电流检测电路9、逆变器功率管超温保护电路10、逆变器异常 电压检测电路7的输出端相接，单稳态触发定时器8的输出接入半 桥或全桥驱动器IC4电路开关控制端，有源功率因数预调整变换器 APFC13输出与半桥或全桥逆变器5输出接逆变器异常电压检测电 路7，半桥或全桥逆变器5的输出还接于噪声发生器2的输入端，逆 变器5功率管紧密粘贴热敏电阻为超温传感器并接入保护电路10。

本实施例输出功率为400w金卤灯镇流器，采用半桥驱动器和半 桥逆变器高频脉冲调频波输出，金卤灯镇流器中心频率f0为35.3kHz， 调制信号fm的调制频率随机噪声频率上限截止范围在200Hz左右， 周期信号三角波频率为160Hz，复合调频的频偏Δf为±3.5kHz，调频 波调制信号随机和周期双重特性围绕中心频率而变化，既保持三角 波周期信号单频调频正负双程斜率使其频率升、降的原有特性，粗 调抑制灯放电弧形成驻波，随机噪声扰动特性细调大为增强抑制声 波共振点，即使金卤灯放电电弧管轴向、径向尺寸的固有谐振频率 包括基波和高次谐波频率形成驻波，随机噪声细微扰动的调频特性 能周密抑制使其无法积累能量，而且，随机非周期信号不重复性， 与电弧管声谐振频率同频重复相遇概率为零，因此，避免发生声共 振作用效果明显。

由于电源采用有源功率因数预调整升压变换技术APFC，电网电 压范围在85～270V时，直流输出电压恒定为385V，适应全球不同 电网电压使用，APFC芯片内的PWM振荡器频率是100kHz，系统 功率因数λ≥0.99，输入电源电流总谐波畸变THD＜5％，金卤灯镇 流器满足启动、点火、过渡过程、异常保护，稳定工作，具有恒功 率特点。

实施例2，输出功率250w金卤灯镇流器，技术方案与实施例1 相同，采用半桥驱动器和半桥逆变器高频脉冲为载频的调频波输出， 该金卤灯镇流器调频中心频率f0为76kHz，调制信号fm的调制频率 随机噪声频率上限截止范围在300Hz左右，锯齿波频率为150Hz， 复合调频的频偏Δf为±2.6kHz，调频波调制信号随机及周期围绕中 心频率而变化，能加强抑制驻波避免与电弧管形成同频同相位，经 长期使用消除声共振稳定、可靠，杜绝瞬间灯光闪抖、熄弧的不良 现象。基于APFC电路输出的直流电压稳定性，可使电子镇流器高 频变换电路有良好的工作环境，保持灯管功率恒定，确保放电电弧 的稳定。同时，还减轻电子镇流器电路元器件的电压应力。

实施例3，输出功率1000w高压钠灯镇流器，技术方案与实施 例1相同，不同之处只是采用全桥驱动器和全桥逆变器为高频调频 波输出，调频中心频率f0为38kHz，调制信号fm的调制频率随机噪 声频率上限截止范围在260Hz左右，正弦波频率为180Hz，复合调 频的频偏Δf为±2.8kHz，调频波调制信号随机和周期双重特性围绕 中心频率而变化，提高抑制灯放电弧积累能量，避免声共振发挥出 色的积极作用。所设置的异常检测保护电路，灯负载异常电流检测、 逆变器的输入/输出电压检测可提高异常状态的保护功能和重启动 功能，当灯头接触不良、灯管老化失效等情况，能适量间断性供电 重启动，在一定的时间内还不能启动，则自动停止工作，从而保护 灯和镇流器不受损失，即使在短时间内停电，能重启动再次点燃照 明。逆变器高功率开关器件超温自动切断电路停止其工作保护不受 损坏。