本发明涉及放电灯控制设备和减小放电灯水平(在非竖直位置中)启动时由有害的万有引力感应对流造成的放电电弧曲率的方法，特别涉及对高亮度放电(HID)灯有效的放电灯控制设备。
No.10 proceeding of the Light Association of Japan.TokyoBvanch(日本光学协会学报)披露了典型的常规H ID灯控制设备，该学报中披露的放电灯控制设备能稳定地控制，能防止给放电灯中的一种的HID灯加低频(几百赫兹)矩形波电流时，HID灯特有的声共振引起的放电电弧漂移，自熄灭和灯损坏。
这种点火器能发亮时，之后，稳定地按水平位置驱动HID灯，万有引力感应对流效应引起放电电弧向上弯曲成弓形弧。
放电电弧弯曲时，放电空间顶部的温升增加，因此，使规定放电灯外壳的石英玻璃变坏，使它失去透明度，并缩短了灯的工作寿命。由于放电空间的底部降到最低温度，因此，发光效率也下降。
近年来，已开发出用于音像设备光源和机动车辆头灯的电弧长度较短的金属卤化物灯，较短的电弧长度要求发光灯的放电空间中有较高的汞蒸汽压力。但是蒸汽压力增大，会使万有引力感应对流增加，从而引起放电电弧的曲率增大，进一步损坏了灯的寿命和效率。
授予Allen等人的美国专利5198727中公开了一个放电灯控制设备，它也提到了上述问题。上述问题还要参照图14进一步说明如下。
如图14所示，美国专利5198727中披露的放电灯控制装置驱动的放电灯的灯电流波形曲线表明，给灯电流叠加一个有确定频率的交流波52，使放电电弧的曲率减少，获得基本上是直线式的放电电弧。该确定频率是以声共振方式减少作用于直流电流51的放电灯中的万有引力感应对流效应，而使放电电弧变直的频率。
变直的放电电弧降低放电空间顶部的温度，因此，减少了使放电灯寿命缩短的因素。因而能使放电空间的最低温度提高，从而获得长寿命的放电灯，改善了发光效率。
但是，用上述的常规放电灯控制设备，允许电流在放电灯中按一个方向流动。而放电空间的电场强度按固定周期变化，电场总是按一个方向移动。加的负荷分布变成不平衡，因此，电泳引起电弧颜色不一致。
沿电极轴的不对称温度分布也引起阳极边高温和阴极边低温。这种不对称温度分布的结果是，使激励电弧变直模式的频率叠加效应变小，尽管放电电弧的曲率仍有某些减小。
申请号为08/560683，申请日为95年11月20日，发明名称为“DischargeLamp-Lighting Apparatus”的美国在先专利申请(相关的欧洲专利公开号为0713352，96年5月22日)也公开了一种放电灯控制设备。申请号为08/560683的美国专利申请的发明人是本发明人和Makoto Horiuchi和Ryuji Higuchi。
为实现该目的，按本发明的用于控制有确定放电空间的玻璃外壳的放电灯的放电灯控制设备包括：信号发生器，用于产生具有激励直线式模式放电电弧的声共振频率的波形的第一波形信号，所述第一波形信号有处于恒定电平的中心线；和调制器，用于调制所述第一波形信号，使其周期性变化，按其调制频率交替地改变所述中心线，使其极性变化，所述调制频率小于所述声共振频率，所述调制器产生调制信号。
按本发明，用于控制有确定放电空间的玻璃外壳的放电灯的放电灯控制设备包括：信号发生器，用于产生具有激励直线式模式放电电弧的声共振频率波形的第一波形信号，所述第一波形信号有处于恒定电平的中心线；和调制器，用于调制所述第一波形信号，使其周期性出现，以使第一波形信号和第二波形信号按时间分配方式交替，所述第二波形信号的频率小于声共振频率。
按本发明，用于控制有确定放电空间的玻璃外壳的放电灯控制方法包括以下步骤：产生具有激励直线式模式放电电弧的声共振频率波形的第一波形信号，所述第一波形信号有处于恒定电平的中心线；和调制所述第一波形信号，使其周期性变化，使所述中心线按调制频率交替变化，使其极性变化，所述调制频率小于所述声共振频率，所述调制器产生调制信号。
按本发明，用于控制有确定放电空间的放电灯的放电灯控制方法，包括以下步骤：产生有激励直线式模式放电放电电弧的声共振频率波形的第一波形信号，所述第一波形信号有处于恒定电平的中心线；和调制所述第一波形信号，使其周期性出现，使所述第一波形信号和第二波形信号按时间分配方式交替，所述第二波形信号的频率小于所述声共振频率。
图10A，10B，10C和10D分别是图9所示电路图中直流电源16的输出波形图，高频电源17的输出波形图，叠加电路18的输出波形图，矩形波转换电路14的输出波形图；图11是按本发明第3实施例的放电灯控制设备的电路图；图12A和12B分别是图11所示电路图中的直流功率电源41的输出波形图，矩形波转换电路14的输出波形图；图13是相对于反射镜的放电电弧位置的示意图；图14是用现有放电灯控制设备控制放电灯时的灯电流波形图。
图2A所示偏差L，即，放电电弧曲线的尺寸变化和在位置Ts处灯管1t的表面温度是把有图1所示波形的电波加到放电灯上，同时改变声共振频率f2的正弦波分量的差α(峰至峰的值)用实验法测得的，测试结果说明如下。
两个放电灯，具体地说是，对一个35瓦的金属卤化物灯，和一个200瓦的金属卤化物灯进行测试，按水平起动，或非竖直起动，位置如图2A所示。加图1所示电流波，调制深度为α/β，其中β是复合波有效值，是变化的。之后，测试各种调制深度α/β处各个灯的电弧中心与电极轴之间的距离L，所述电极轴的横截面垂直于灯电极1m与1n之间的电极轴。测试结果如图2B所示。
要指出的是，这些测试中，对35瓦的金属卤化物灯而言声共振频率f2是约150kHz，对200瓦的金属卤化物灯而言声共振频率f2是约32kHz。
从图2B可看出，在调制深度至少为0.3的两个灯中的放电电弧中心与电极之间的距离L减小。
发现当调制深度为0.8时两个灯中的电极电弧距离L最小，或直线性程度更大。
因此，按本发明，调制深度α/β可选择不小于0.3，不小于0.8更好。
之后，加图1所示电流波并改变调制深度，测试200瓦金属卤化物灯中Ts点的表面温度，即测试其横截面垂直于灯电极1m与1n之间电极轴处的电弧管1t的顶点温度，测试结果如图3所示。
如图3所示，在调制深度约为0.3以上时，由于放电电弧曲率逐渐减小，因此，电弧管顶表面温度逐渐下降。放电电弧变成基本上是直线时，即调制深度约为0.8以上时，表面温度最低。要指出的是Tb点的表面温度，即调制深度为0.3以上时电弧管1t的底部温度逐渐上升。
由上述测试得知，电弧管顶的最高温度点的温度可以随0.3以上的调制深度而减小，因为放电电弧曲率会降低。由于电弧管顶的高温是缩短放电灯寿命的一个因素，所以灯的寿命也会延长。
由这些测试还得知，由于放电空间底部的最低温度会升高，因此能提高发光效率。换言之，能使电弧管周围的温度分布均匀。
调制深度为0.8以上时，由于放电电弧基本上变成直线，因此能使距离L降低到最小。因此认为上述作用更大。
用图1所示的包括有声共振频率分量和400Hz矩形波的复合波能使灯电流极性按矩形波周期变化。因此，使放电空间中产生的场的极性周期性变化。因此，能防止电泳，能防止放电电弧变色，能使沿电极轴的温度分布以电极隙中心对称分布。因此，能得到低的放电电弧曲率。
还用恒定调制深度而只改变矩形波的频率f1测试电弧管顶表面温度，进行了另外的研究。
给200瓦的金属卤化物灯如图1所示矩形波电流，在调制深度保持1.0不变而改变矩形波频率f1，测试电弧管顶表面温度，结果如图4所示。
从图4可看到，当矩形波频率f1超过2kHz时，电弧管顶表面温度趋于上升。如图3所示，这表明放电电弧曲率增大。
当矩形波频率f1低于2kHz时温度在较低的值保持基本不变。当f1低到约100Hz时灯电流极性变化出现明显的颤动。结果，矩形波频率f1最好在100Hz与2kHz之间。
图5是复合波波形图，是包括声共振频率为f2的正弦波和频率为f3的矩形波叠加的复合波。注意，声共振频率f2是激励直线式模式电弧的频率。f3低于f2，按矩形波进行变化。
同样的实验还证实，当有图5所示波形的电流加到灯上时，放电电弧曲率会下降，增加调制深度能获得基本成直线式的放电电弧。
由于放电空间中产生的电场极性按频率f3确定的周期变化，因此能防止电泳。因此，能防止放电电弧变色。还能使沿电极轴的温度分布相对于电极间隙中心对称分布，因此，能减小放电电弧曲率。
图6是复合波的波形图，它是包括声共振频率f2的正弦波和其频率低于声共振频率f2的矩形波，按时间分配方式叠加而构成的复合波。这里，有声共振频率f2的波形极性地变化。应注意，可调节各周期T4和T5使正弦波和矩形波出现交替。
进一步实验也证实，当有图6所示波形的电流加到灯上时放电电弧曲率会降低，并且，增大时间T4与T5之比或增加单位时间里第1波形信号出现周期之比能获得基本是直线式的放电电弧。
以下将参见图1说明本发明的优选实施例。
实施例1图7A是用于35瓦金属卤化物灯1的本发明第1实施例的放电灯控制设备2的方框图。要指出的是，本实施例中的35瓦金属卤化物灯1是充有汞的并在规定放电空间的玻璃外壳中密封有碘化钠和碘化钪金属卤化物的放电灯。
控制设备2给35瓦金属卤化物灯1加有具体波形的电流，使灯起动并驱动。
控制设备2包括150kHz正弦波发生器3,400Hz矩形波发生器4和波合成器5。
正弦波发生器3是交流功率源A，它输出用于激励直线式模式电弧的有声共振频率分量的波形。矩形波发生器4是极生变化功率源，用于输出有低于声共振频率的频率的波形，用于有改变有声共振频率的波形的极性。波合成器5叠加由正弦波发生器3输出的波与从矩形波发生器4输出的波，产生供给35瓦金属卤化物灯1的波形。]图8A，8B和8C分别示出按本发明第1实施例的由正弦波发生器3输出的波形，由矩形波发生器4输出的波形和由波合成器5输出的波形。图8A展示出由矩形波发生器4输出的400Hz矩形波，图8B展示出由正弦波发生器3输出的150KHz正弦波。图8C展示出由波合成器5合成正弦波发生器3的输出和矩形波发生器4的输出而产生的叠加波形。图8C所示波形加到35瓦金属卤化物灯。
因此，用图7A所示控制设备2可给35瓦金属卤化物灯1加图8C所示复合波，该复合波是叠加400Hz矩形波和有声共振频率的正弦波而获得的，在本实施例中，声共振频率最好是150KHz，用于激励直线式横式电弧。从而能得到不退色的基本上是直线形的放电电弧。
图7B是放电灯控制设备2的方框图，它是图7A所示控制设备的改型。图7B所示放电灯控制设备2中，具有代替波合成器5的开关6、和时间分配控制器8。时间分配控制器8控制转换速率，如图6所示时间T4和T5，开关6按转换速率使其位置交替。因此，如图6所示波形加到35瓦金属卤化物灯。
应指出的是，放电电弧的形状能连续地从弯曲的放电电弧变成直线形电弧。这能通过控制时间分配控器8，使复合波中的正弦波发生器3的输出供给时间相对于从矩形波发生器4输出的供给时间增大或减小，来完成。
如图13所示，通过改变放电电弧，使35瓦金属卤化物灯1发射的光离开反光镜，来改变控制作用。换言之，放电电弧的位置可在各个位置之间改变，如图13所示位置1a，1b和1c。如图中线La、Lb和Lc所示，这种电孤位置改变引起相对于反光镜7的光发射角。
用图7A所示放电灯控制设备α，通过改变调制深度参数α/β，能实现放电电弧的位置改变。
实施例2图9是用于35瓦金属卤化物灯1的按本发明第2实施例的放电灯控制设备12的方框图，35瓦金属卤化物灯1与图7A所示灯1相同。
这种情况下放电灯控制设备12包括直流功率源13、矩形波转换电路14和点火器15。
直流功率源13输出与具有激励直线式模式电弧用的声共振频率分量的波形叠加的直流波形。矩形波转换电路14是按低声共振频率的频率改变直流功率源13输出的极性用的变换电路。点火器15是用于供给高压，足以使35瓦金属卤化物灯1开始放电的点火器。
直流功率源13包括直流电源16，高频电源17和叠加电路18。直流电源16输出整个时间里无瞬时值变化的直流波形。高频电源17是输出有用于激励直线式模式电弧的声共振频率(150KHz)的频率分量的正弦波的交流功率源B。叠加电路18把高频电源17的输出叠加到直流电源16的输出上。
直流电源16包括有直流源19，晶体管20，二极管21，扼流线圈22和电容器23的电压降低斩波器电路，有检测表示灯电压的信号用的电阻器24和25的灯电压检测器，有检测表示灯电流的信号用的电阻器26的电流检测器和控制电路27。控制电路27根据灯电压信号和灯电流信号计算灯功率，并控制晶体管20的导通/截止(on/off)比，使灯比率保持在35瓦不变。
高频电源17包括：正弦波功率源28，用于输出声共振频率正弦波，扼流线圈29，用于把正弦波功率源28的输出电压限制到稳定的调制深度。高频电源17输出有特定声共振频率的正弦波。
叠加电路18包括扼流线圈30和电容器31。电容器31用于阻止以直流电源16输出的直流电流流到高频电源17，扼流线圈30阻止从高频电源17输出的交流流到直流电源16。叠加电路18的输出端从扼流线圈30和电容器31的连接线取出，因此，叠加电路18输出叠加有声共振频率正弦波的直流电流。
从直流电源16输出的电流加到切断交流分量的扼流线圈30上，如图10所示，并产生直流信号(a)。如图10A所示，直流电流输出是无瞬时值变化的平坦输出。
从高频电源17输出的电流加到切断直流分量的电容器31，并产生交流信号(b)，如图10B所示。
信号(a)和(b)在叠加电路18中叠加，产生叠加信号(c)，如图10C所示。
矩形波转换电路14包括晶体管32，33，34和35和驱动电路36。矩形波转换电路14通过改变从驱动电路36输出的信号，交替控制晶体管32和35的导通(ON)时间，和晶体管33和34的导通(ON)时间。因此，交替晶体管的导通时间，使包括从叠加电路18输出的叠加的声共振频率正弦波分量的直流电源转换成用点火器15加到35瓦金属卤化物灯1的400Hz交流电功率。
图10D展示出从矩形波转换电路14输出的400Hz交流电源。
一旦用点火器15加高压使35瓦金属卤化物灯1起动，所包括的放电灯控制设备12能供给包括用于激励如图10D所示直线式模式电弧的声共振频率的正弦波分量的400Hz矩形波的复合波。因此，能获得不退色的基本上是直线形的放电电弧。
调制深度能用改变正弦波功率源28的输出电压，即改变峰至峰的值α来自电调节。因此，能控制放电电弧曲率，因而，能获得各种照明效果。
实施3图11是用于与图7A所示灯1相同的35瓦金属卤化物灯的按本发明第3实施例的放电灯控制设备40的方框图。
应指出的是，本实施例的放电灯控制设备40用于起动并控制35瓦金属卤化物灯1，它包括直流功率源41，矩形波转换电路14和点火器15。
直流功率源41输出与具有激励直线式模式的放电电弧的声共振频率的频率分量的波形叠加的直流波形。矩形波转换电路14是按低于声共振频率的频率改变直流功率源41的输出极性的转换电路。点火器15是供给高电压足以使35瓦金属卤化物灯1开始放电的点火器。
要指出的是，矩形波转换电路14和点火器15与上述第2实施例中的矩形波转换电路14和点火器15相同。本实施例与上述第2实施例的差别是，直流功率源41的结构和控制不同，这在下面将会说明。
直流功率源41包括有直流源42、用作转换元件的晶体管43、二极管44、扼流线圈45和电容器46的电压下降斩波电路；有用于检测表示灯电压的信号的电阻器47和48的灯电压检测器；具有用于检测表示灯电流的信号的电阻器49的灯电流检测器；和检测电路50。控制电路50根据灯电压信号和灯电流信号计算灯功率，并控制晶体管43的导通/截止(on/off)比，使灯功率保持在35瓦恒定不变。设定晶体管43的on/off频率为150kHz，它是激励直线式横式电弧的声共振频率。滤波器电路包括扼流线圈45和电容器46、能调节该滤波器使其通过150kHz频率分量，因此，从直流功率源41输出的电流有150kHz频率分量。
该第3实施例中的直流功率源41产生如图12A所示的输出电流(a)，矩形波转换电路14产生如图12B所示的输出电流(b)。
与上述的第1和第2实施例相同，本实施例的放电灯控制设备40能给35瓦金属卤化物灯1供给复合波，它包括有用于激励直线式横式电弧的声共振频率的频率分量的400Hz矩形波。因此，能获得不退色的基本上是直线形的放电电弧。
如上所述，可把晶体管43的on/off频率调节到声共振频率(150kHz)，由此，只要简单设定扼流线圈45和电容器46构成的滤波器频率的特定水平，就能获得直线形放电电弧。结果，能按要求容易地改变矩形波的调制深度，并简化放电灯控制设备的结构。
显然，按本发明的上述优选实施例的放电灯绝不限于35瓦金属卤化物灯或200瓦金属卤化物灯，本发明的放电灯控制设备能用于高压汞蒸汽灯，高压钠蒸汽灯和其它类型的放电灯。
要指出的是，上述矩形波发生器4用于产生标准的矩形波，但不限于此。矩形波发生器4也能产生有倾斜上升和下降的梯形波、或准矩形波。
矩形波转换电路14也能是其它形式构成的电路，这种情况下，它能产生准矩形波。
而且，矩形波发生器4和矩波转换电路14并不限于产生矩形波或准矩形波。具体地说，矩形波发生器4和矩形波转换电路14能输出其它类形的波，如正弦波，三角形波，阶梯形波或锯齿形波。不仅要求波形频率小于激励直线式模式电弧的声共振频率，和改变有声共振频率的波形的极性。波形还能包括直流分量，这种情况下，极性改变，波形的正峰和负峰对称。
更具体地说，能用任何波形，使放电灯的放电空间中产生的场不会按一个方向流动，不会造成填充物分布不均衡，能避免电泳。
而且，上述矩形波发生器4和矩形波转换电路14用的波频率是400Hz时，能用100Hz与2kHz之间的任何频率。
此外，150kHz正弦波发生器3用作交流功率源A，用于输出具有激励直线式模式的电弧的声共振频率的频率分量的正弦波。波发生器应不限于产生正弦波，而且，能产生三角形波，或锯齿波，这种情况下，波包括声共振频率分量。这也是真正的正弦波功率源28。
给正弦波发生器3和正弦波功率源28赋予频率调制功能，使产生的正弦波调节到特定的周期和宽度，改变和调节激励直线式模式电弧的声共振频率，因此，能防止灯特性老化和改变。
如果用控制电路50输出的信号对晶体管43的on/off频率进行频率调制，在第3实施例中的能获得同样的效果。
包括正弦波功率源28和扼流线圈29的高频电源17也已说明，用扼流线圈29的阻抗限制正弦波功率源28的输出电流，以获得特定的调制深度。而且，当用电阻器和电容器组合代替扼流线圈时，能获得相同的效果。
用输出无瞬时值变化的直流功率的下降斩波器电路也能获得直流功率源。而且，用包括电压下降斩波器电路和反转斩波器电路的其它电路设计也能获得相同的效果。
此外，所包括的控制电路27和50控制晶体管20和43的on/off比，因此，使灯功率保持35瓦不变。但是，灯起动时，为了补偿光输出，控制电路27和50也工作，以供给超过放电灯最初工作中的额定功率的功率。控制电路27和50也能构成为能改变灯特性的控制，以控制灯亮度变暗和其它特定效果。
还表明，包括扼流线圈30和电容器31的已说明过的叠加电路18，也能用其它的结构。
直流功率源41也可用下降斩波电路、反转斩波电路、正向变换器构成，或其它电路设置，这种情况下，能输出与声共振频率分量叠加的直流输出。
用作转换元件的晶体管43显然也能用FET、闸流管、IBGT、或其它元件代替。
按本发明的放电灯控制设备用复合波控制放电灯，复合波有激励直线式模式电弧的声共振频率的频率分量的波形和其频率低于声共振频率而使有声共振频率的波形极性变化的波形，按本发明的放电灯控制设备能控制放电灯的电弧基本上为直线形，由此可消除因放电电弧弯曲造成的退色和颜色变化。
换言之，按本发明，正弦波发生器3、28或41可以认为是产生具有激励直线式模式放电电弧的声共振频率f2的波形的第一波形信号的发生器、这里要指出的是，第一波形信号有处于恒定电平的中心线。
按本发明的一个方案，图7A中的矩形波发生器4和波合成器5，或图9中直流电源16和叠加电路18和矩形波转换电路14，或图11中的矩形波转换电路14均能认为是周期性改变第一波形信号的改良体，使第一波形信号的中心线交替变化，以便按改良频率f1改变中心线的极性。改良频率f1小于声共振频率f2。调制器产生经过调制的复合信号。
按本发明另一方案，图7B中的矩形波发生器4和开关6可以认为是调制第一波形信号周期性出现的调制器，使第一和第二波形信号按时间分配方式交替，第二波形信号的频率小于声共振频率。
以上已说明了本发明，会发现本发明还会有多种变化，而这些变化不脱离发明精神和范围。本行业技术人员应明白，这些改型均属所附权利要求要求保护的范围。