CN102655701B - 照明系统 - Google Patents

Abstract

一种照明系统包括具有作为光源的固态光发射元件的发光装置；以及包括具有自持功能并且连接到所述发光装置和外部功率源的串联电路的双向切换元件的调光器。所述调光器通过控制所述外部功率源的AC电压的相位来改变所述双向切换元件的导通角，其中所述发光装置基于所述双向切换元件的所述导通角来进行所述光源的调光，并且所述调光器在作为第二时段的一部分的第一时段期间继续向所述双向切换元件施加驱动电流，所述双向切换元件被允许在整个所述第二时段上导通。

Description

照明系统

技术领域

本发明涉及通过相位控制来执行光源的调光(dimming)控制的照明系统。

背景技术

已知一种照明系统，其中将AC功率源连接到三端双向可控硅开关(triac)，该三端双向可控硅开关是双向三极管晶闸管并且对该AC功率源执行开/关控制。在该照明系统中，发光二极管(LED)灯由三端双向可控硅开关进行开和关控制(参见例如日本专利申请公开No.H05-066718)。上面描述的示例包括二极管桥电路，该二极管桥电路通过对AC功率源执行开/关控制以对该AC功率进行整流，从而提供用于点亮LED灯的DC功率。

三端双向可控硅开关具有“自持(selfsustaining)功能”。即，一旦被触发，三端双向可控硅开关继续导通直到经过其的电流下降至所谓的保持电流以下。

在执行上面提及的三端双向可控硅开关的开/关控制时，通常采用所谓的脉冲触发器方法，其中仅在三端双向可控硅开关切换到导通状态时才向该三端双向可控硅开关的栅极端子输入脉冲。然而，在该脉冲触发器方法中，由于叠加在商业功率源的功率线路上的噪声，流经三端双向可控硅开关的电流会下降至保持电流以下，并且因而三端双向可控硅开关会被突然切换到非导通状态(截止)。进而，该现象的重复发生会在点亮发光负载期间造成闪烁。尤其是，在采用LED作为发光负载并且如在前述的传统示例中对其进行调光时，与使用白炽灯泡作为发光负载时相比较，噪声容易叠加在商业功率源的功率线路上，并且因而会容易发生上面提及的问题。

发明内容

鉴于上述，本发明提供一种能够进行LED发光负载的稳定调光控制并且很少具有由于在点亮期间叠加在功率线路上的噪声导致的闪烁的照明系统。

根据本发明的实施例，提供一种照明系统，该照明系统包括具有作为光源的固态光发射元件的发光装置；以及包括具有自持功能并且连接到所述发光装置和外部功率源的串联电路的双向切换元件的调光器，其中所述调光器通过控制所述外部功率源的AC电压的相位来改变所述双向切换元件的导通角，其中所述发光装置基于所述双向切换元件的所述导通角来进行所述光源的调光，并且所述调光器在第一时段期间继续向所述双向切换元件的栅极端子施加驱动电流，其中，所述双向切换元件被允许在整个第二时段上导通，所述第二时段在所述第一时段的开始处开始并且延伸的持续时间比所述第一时段长，并且其中，所述第一时段的长度取决于所述第二时段的长度而改变。

优选地，所述第一时段的长度取决于所述第二时段的长度而改变。

优选地，在所述第二时段的长度变得更长时，所述第一时段的长度变得更长。

优选地，所述发光装置在所述调光器继续向所述双向切换元件施加所述驱动电流的所述第一时段内检测所述双向切换元件的所述导通角。

优选地，如果所述双向切换元件的所述导通角低于预定值，则以恒定调光比进行所述光源的调光而与所述导通角无关，并且其中，以所述恒定调光比，所述光源接通于特定亮度水平。

优选地，保持电路与所述发光装置并联连接并且在没有驱动电流施加到所述双向切换元件的时段期间提供用于使电流从所述外部功率源流到所述调光器的路径。

附图说明

通过结合附图给出的对实施例的以下描述，本发明的目的和特征将变得明显，在附图中：

图1A和1B是说明根据本发明第一实施例的照明系统的视图，其中图1A是照明系统的示意性视图并且图1B是用于解释所述照明系统的操作的波形图；

图2是所述照明系统的发光装置的示意性视图；

图3A到3C是解释调光操作的问题的视图，其中图3A是三端双向可控硅开关的导通角(conductionangle)的解释性视图(没有遭受噪声)，图3B是在噪声叠加在商业功率源上时三端双向可控硅开关的导通角的解释性视图，并且图3C是表示光源单元的调光比与导通角之间关系的视图；

图4A到图4D是说明根据本发明第二实施例的照明系统的视图，其中图4A是在上调光极限时三端双向可控硅开关的导通角的解释性视图，图4B是在下调光极限时三端双向可控硅开关的导通角的解释性视图，图4C是示出光源单元的调光比与导通角之间的相关性的视图，并且图4D是示出在发光装置的另一配置中光源单元的调光比与导通角之间关系的视图；

图5A到图5C是说明根据本发明第三实施例的照明系统的视图，其中图5A是照明系统的示意性视图，图5B是第一保持电路的电路图，并且图5C是示出触发器信号与流经第一保持电路的电流之间关系的波形图；

图6是说明照明系统的系统配置的另一示例的视图；以及

图7A和图7B是用于解释照明系统的又一配置的视图，其中图7A是第二保持电路的电路图并且图7B是示出触发器信号与流经第二保持电路的电流之间关系的波形图。

具体实施方式

以下，将参照构成本发明一部分的附图更加详细地描述本发明的实施例。在附图中，对于相同或者类似的部件使用相同的附图标记并且将省去对其的重复描述。

(实施例1)

以下，将参照图1A到图2描述根据本发明第一实施例的照明系统。在该实施例中，如图1A所示，照明系统包括发光装置1和调光器2，该发光装置1具有由从商业功率源(外部功率源)AC1供应的AC功率点亮的光源单元10(参见图2)，并且该调光器2通过相位控制来改变供应到发光装置1的有效功率。

如图2所示，发光装置1例如包括光源单元10和调光开关单元11，该光源单元10具有多个LED10A和用于电流限制的电阻器R1，该多个LED10A是串联连接的固态光发射元件；并且该调光开关单元11串联连接到所述光源单元10以接通和关断馈送到光源单元10的功率。并且，发光装置1包括用于对从商业功率源AC1供应的AC电压进行整流的整流单元12；用于对来自整流单元12的输出进行平滑并且将其输出到光源单元10的平滑单元13；以及用于检测来自整流单元12的输出电压的电压检测单元14。

此外，发光装置1包括调光控制单元15，该调光控制单元15例如通过基于电压检测单元14的电压检测时段来确定导通角并且通过基于该导通角确定的占空比接通/关断调光开关单元11对光源单元10进行调光。

整流单元12被配置为对从商业功率源AC1供应的AC电压进行全波整流的二极管桥。平滑单元13包括二极管D1以及经由二极管D1连接在整流单元12的输出端子之间的平滑电容器C1。电压检测单元14包括连接在整流单元12的输出端子之间的电阻器R2和R3的串联电路。因而，在电压检测单元14中，通过电阻器R2和R3对来自整流单元12的输出电压进行分压，并且调光控制单元15基于电阻器R2和R3的连接点处的电势来检测导通角。

如图1A所示，调光器2包括连接到输入端子并且构成用于噪声过滤的滤波器的电容器C2和电感器L1，以及作为具有自持功能的双向切换元件的三端双向可控硅开关Q1。在三端双向可控硅开关Q1处于导通状态(接通状态)时，从商业功率源AC1向发光装置1供应AC功率。并且，调光器2包括用于对从商业功率源AC1供应的AC电压进行整流的二极管桥DB1，用于通过二极管D2对来自二极管桥DB1的输出进行平滑的平滑电容器C3，以及用于将来自平滑电容器C3的输出电压转换为恒定电压的功率IC20。功率IC20是切换功率源并且二极管D3连接到其接地端子。

包括电感器L2、电容器C4以及二极管D4的闭合电路连接到功率IC20的输出端子。闭合电路用于利用流经电感器L2的回扫电流对电容器C4进行充电并且将三端双向可控硅开关Q1的栅极端子的电势设定为低于三端双向可控硅开关Q1的两个主要端子的电势。即，电容器C4用作控制三端双向可控硅开关Q1的导通/非导通状态所需的控制功率源。

相位检测电路21经由二极管D5连接到二极管桥DB1的输出端子。相位检测电路21基于从商业功率源AC1供应的AC电压的相位来生成同步信号，并且将其输出到要在后面描述的控制电路22。在如图1B所示的该实施例中，相位检测电路21通过检测来自二极管桥DB1的输出电压而将商业功率源AC1的功率电压与预定电压V1进行比较，并且在商业功率源AC1的功率电压等于或者大于电压V1的时段期间生成该同步信号。即，该同步信号在商业功率源AC1的功率电压变为等于或者大于预定电压V1时升高，并且在其低于电压V1时降低。并且，图1B中的虚线表明商业功率源AC1的功率电压。

切换元件Q2连接到三端双向可控硅开关Q1的栅极端子。切换元件Q2是npn型晶体管。三端双向可控硅开关Q1的栅极端子连接到切换元件Q2的集电极端子。进而，电容器C4连接到切换元件Q2的发射极端子，并且其基极端子连接到控制电路22。

控制电路22基于从相位检测电路21施加的同步信号以及从调光器2的操作单元(未示出)施加的调光信号来生成用于接通和关断切换元件Q2的触发器信号(参见图1B)。触发器信号的升高和降低全部基于同步信号的上升沿来确定。将触发器信号输入到切换元件Q2的基极端子。在触发器信号处于高电平时将切换元件Q2切换到开状态，并且在三端双向可控硅开关Q1的栅极端子的电势低于其两个主要端子的电势时电流流向三端双向可控硅开关Q1的栅极端子，并且因此三端双向可控硅开关Q1进入导通状态。

以下，将描述该实施例的照明系统的操作。首先，相位检测电路21检测二极管桥DB1的输出电压以生成同步信号，并且将其输出到控制电路22。控制电路22基于所施加的同步信号来生成触发器信号，并且将其输出到切换元件Q2的基极端子。因而，随着触发器信号的升高，切换元件Q2被切换到开状态，并且三端双向可控硅开关Q1进入导通状态(接通)。因此，如图1B所示，商业功率源AC1的功率电压施加到发光装置1。

进而，通过从调光器2的操作单元发送的电压信号(调光信号)改变触发器信号的上升沿的相位角。因此，施加到发光装置2的功率电压的导通时段改变，因而使得能够进行调光。

此后，在触发器信号下降时，切换元件Q2被切换到关状态，因而防止电流流经三端双向可控硅开关Q1的栅极端子。由于在不小于保持电流的电流继续流动的同时三端双向可控硅开关Q1维持导通状态，因此即使在触发器信号下降之后，商业功率源AC1的功率电压也继续施加到发光装置1一段时间(参见图1B)。此后，在商业功率源AC1的功率电压达到零交叉点时，流经三端双向可控硅开关Q1的电流下降至保持电流以下，并且因而三端双向可控硅开关Q1被切换到非导通状态。因此，商业功率源AC1的功率电压到发光装置1的施加被停止。

在发光装置1中，调光控制单元15基于电压检测单元14的电压检测时段来检测导通角。进而，调光控制单元15通过基于所检测的导通角确定的占空比来接通和关断调光开关单元11，来对光源单元10进行调光。

在此，与传统脉冲触发器信号不同，如图1B所示，本发明的触发器信号在向发光装置1施加主功率的时段的特定部分期间继续处于高电平。因此，切换元件Q2维持开状态，直到触发器信号下降，并且因此电流继续流经三端双向可控硅开关Q1的栅极端子。即，在三端双向可控硅开关Q1导通的时段的特定部分(触发器信号的开时段)期间，驱动电流继续施加到三端双向可控硅开关Q1。由此，即使噪声叠加在商业功率源AC1的功率线路上，噪声也不会使三端双向可控硅开关Q1突然被切换到非导通状态，从而向发光装置1稳定地施加商业功率源AC1的功率电压。

具体地说，在传统脉冲触发器控制中，将具有固定短持续时间的触发器脉冲施加到三端双向可控硅开关，该三端双向可控硅开关然后开始导通并且维持该导通状态直到零交叉点。然而，在当前实施例中，触发器信号的持续时间远长于传统触发器脉冲的持续时间。在一个示例中，触发器信号的持续时间取决于三端双向可控硅开关的期望导通状态的长度而变化。在另一示例中，将触发器信号的持续时间设定得较长以使得三端双向可控硅开关维持在传导状态的持续时间更长。

如上所述，在该实施例中，在触发器信号的开时段期间，驱动电流继续施加到三端双向可控硅开关Q1。由此，在使用LED10A的发光负载处于调光控制下时，能够执行具有很少闪烁的稳定点亮，而不受叠加在商业功率源AC1的功率线路上的噪声的影响。

此外，在该实施例的发光装置1的调光方法中，通过接通和关断调光开关单元11而对光源单元10进行调光。然而，通过改变流经光源单元10的电流执行调光的电路配置也能够获得相同的效果。

进而，在该实施例中，LED10A用作光源。然而，本发明并不限于此，并且除了LED以外的固态光发射设备也可以用作光源。此外，LED10A可以并联连接，或者如图2所示，可以使用LED的并联连接的多个组，每一组串联连接来替代光源单元10。进而，可以省去光源单元10中的电阻器R1。

(实施例2)

以下，将参照图3A到图4D描述根据本发明第二实施例的照明系统。该实施例的基本配置与第一实施例的相同，因而将省去对公共部件的描述。

在第一实施例中，通过在触发器信号的开时段期间向三端双向可控硅开关Q1连续施加驱动电流来解决叠加在商业功率源AC1的功率线路上的噪声的问题。然而，在没有驱动电流施加到三端双向可控硅开关Q1的时段(触发器信号的关时段)期间会发生以下问题。

首先，如图3A所示，在没有噪声叠加在商业功率源AC1的功率线路上的正常时间，三端双向可控硅开关Q1在触发器信号的关状态期间维持导通状态，直到流经三端双向可控硅开关Q1的电流下降至特定阈值(所谓的保持电流)以下。在图3A中，虚线指示商业功率源AC1的功率电压。如果发光装置1的调光控制单元15检测到电压检测单元14检测到电压的电压检测时段(即所检测的电压大于0V的时段)作为导通角，则由从触发器信号的升高直到流经三端双向可控硅开关Q1的电流下降至保持电流以下(即商业功率源AC1的功率电压达到零交叉点)而经历的时段T1表示三端双向可控硅开关Q1的导通角。

然而，在这样的情况下，如果在触发器信号的关时段期间有噪声叠加在商业功率源AC1的功率线路上，则流经三端双向可控硅开关Q1的电流会在该关时段中下降至保持电流以下。然后，三端双向可控硅开关Q1进入非导通状态，并且因而商业功率源AC1的功率电压不施加到发光装置1。在这种情况下，三端双向可控硅开关Q1的导通角会变为比时段T1短的时段T2(T2<T1)，如图3B所示。在图3B中，虚线指示商业功率源AC1的功率电压。因而，如果噪声叠加在商业功率源AC1的功率线路上，则导通角会被改变而在点亮发光装置1期间产生闪烁。此外，如图3C所示，如果导通角下降至最小导通角Toff以下，则发光装置1会突然关断。在此，在导通角低于Toff时，调光比变为0并且发光装置1关断。

鉴于以上，本实施例的发光装置1在调光器2继续向三端双向可控硅开关Q1施加驱动电流的时段内检测三端双向可控硅开关Q1的导通角。即，调光控制单元15在商业功率源AC1的功率电压高于预定电压值V2的时段期间检测导通角。这里，预定电压值V2被设定为不小于触发器信号的下降沿处的商业功率源AC1的功率电压值。

在图4A和图4B所示的示例中，假设商业功率源AC1的功率电压在触发器信号的下降沿处为V2，并且商业功率源AC1的功率电压值在上升沿处不小于V2。在这样的情况下，如果触发器信号的开时段的最大值为T3，则导通角的最大值也为T3，并且如果触发器信号的开时段的最小值为T4，则导通角的最小值也为T4。

在图4A和图4B所示的示例中，随着经由调光器2的操作单元输入的调光水平变得更高(更亮)，触发器信号的上升沿处的相位角θr变得更小。另一方面，触发器信号的下降沿处的相位角θf具有固定值，而与调光水平无关。进而，最小相位角θr(mim.)与触发器角度T3≥(180°-θf)的最大开时段相对应。如在第一实施例中描述的，随着三端双向可控硅开关的期望导通状态的持续时间(期望开时段(180°-θf))变得更长，将触发器信号的持续时间(θf-θr)设定得更长。在三端双向可控硅开关的期望开状态期间，如果不存在噪声，则三端双向可控硅开关能够维持接通。

如上所述，在本实施例中，商业功率源AC1的功率电压低的时段不包括在由调光控制单元15检测的导通角中。因此，即使在该时段中噪声叠加在商业功率源AC1的功率线路上，导通角也不改变。因此，在本实施例中，即使噪声叠加在商业功率源AC1的功率线路上，也能够执行稳定调光。

进而，例如在以参照图3A和3B描述的方式检测导通角(即不通过排除商业功率源AC1的功率电压低于V2的时段而检测导通角)的同时，如图4D所示，如果导通角低于时段Tm，则调光控制单元15可以以最小调光比对光源单元10进行调光而与导通角无关。也在这种情况下，即使噪声叠加在商业功率源AC1的功率线路上，也能够没有闪烁地执行稳定点亮。

可以将时段Tm设定为180°-θf。在最小调光比时，发光装置1维持特定的非零亮度水平而不关断，并且即使导通角下降到零，发光装置1也以最小调光比接通。

(实施例3)

以下，将参照图5A到图7B描述根据本发明第三实施例的照明系统。该实施例的基本配置与第一实施例的相同。因而，将省去对公共部件的描述。如在第二实施例中解释的，三端双向可控硅开关Q1会在触发器信号的关时段中由于叠加在商业功率源AC1的功率线路上的噪声而突然进入非导通状态，并且在点亮发光装置1时存在发生闪烁的可能性。因此在该实施例中，如图5A所示，提供与发光装置1并联并且与调光器2串联的第一保持电路3，以使得即使在触发器信号的关时段中，足够的电流继续流经三端双向可控硅开关Q1。

如图5B所示，第一保持电路3包括二极管桥DB2以及用于调光器2的充电电路30和恒定电流电路31的并联电路。二极管桥DB2对从商业功率源AC1供应的功率电压进行全波整流并且充电电路30和恒定电流电路31连接到二极管桥DB2的输出端子。

在充电电路30中，提供电阻器R4和常闭接触型继电器30A的串联电路，并且齐纳二极管ZD1与继电器30A的继电器线圈RC1串联连接。因此，在施加到第一保持电路3的商业功率源AC1的功率电压低于齐纳二极管ZD1的击穿电压时，继电器线圈RC1不导通，并且因而继电器30A保持闭合。进而，在施加到第一保持电路3的商业功率源AC1的功率电压等于或者大于齐纳二极管ZD1的击穿电压时，继电器线圈RC1导通，并且因而继电器30A打开。在该实施例中，可以将齐纳二极管ZD1的击穿电压优选地设定为上述的电压V2。

通过将电阻器R5和齐纳二极管ZD2的串联电路与电阻器R6、切换元件Q3以及电阻器R7的串联电路并联连接而配置恒定电流电路31。切换元件Q3是npn型晶体管，并且将在齐纳二极管ZD2的两端之间产生的电压施加到切换元件Q3的基极端子。因此，电流流经切换元件Q3以使得切换元件Q3的基极-发射极电压与电阻器R7的两端之间的电压之和与齐纳二极管ZD2的两端之间的电压均衡。即，如果商业功率源AC1的功率电压等于或者大于齐纳二极管ZD2的击穿电压，则切换元件Q3接通并且恒定电流附加地流经三端双向可控硅开关Q1。在第三实施例中，也将齐纳二极管ZD2的击穿电压设定为上述的电压V2。

以下，将描述第一保持电路3的操作。如图5C所示，在触发器信号为低，即商业功率源AC1的功率电压低于V2，的时段期间，继电器30A闭合，并且通过电阻器R4的电流经由调光器2流动。如果商业功率源AC1的功率电压不小于V2，则继电器30A打开，从而没有电流流经电阻器R4，并且切换元件Q3接通，从而恒定电流流经恒定电流电路31。因此，随着在触发器信号的关时段中电流流经第一保持电路3，足够的电流继续流经三端双向可控硅开关Q1。并且，在图5C中，虚线指示商业功率源AC1的功率电压。

因此，在该实施例中，即使噪声叠加在商业功率源AC1的功率线路上，也能够执行稳定调光。此外，在该实施例中，仅在触发器信号的关时段期间，电流流经充电电路30。因而，与电流总是流经充电电路30的配置相比较，能够降低功耗。

并且，在该实施例中，第一保持电路3能够结合在调光器2中或者可选地第一保持电路3可以结合在发光装置1中。而且，如图6所示，调光器2可以配置为具有3个端子。

并且如图7A所示，可以使用仅具有二极管桥DB2和充电电路30的第二保持电路4代替第一保持电路3。因此，在施加到第二保持电路4的商业功率源AC1的功率电压不小于V2时，继电器线圈RC1导通，并且继电器40A打开。进而，如果施加到第二保持电路4的商业功率源AC1的功率电压低于V2，则继电器线圈RC1不导通，并且因而继电器40A闭合。

在该配置中，如图7B所示，仅在商业功率源AC1的功率电压低于预定电压值V2的时段期间确保用于经由第二保持电路4流经调光器2的电流的路径。因此，足够的电流继续流经三端双向可控硅开关Q1，并且作为调光器2的控制功率源的电容器C4在相应时段期间充电。同样，在图7B中，虚线指示商业功率源AC1的功率电压。

而且，在该实施例中，尽管使用继电器30A执行用于流经电阻器R4的电流的路径的打开和关闭，但是也可以使用诸如FET等的切换元件来执行其打开和关闭。在这种情况下，也能够获得相同的效果。并且，切换元件Q2可以是pnp晶体管。在这种情况下，触发器信号的极性将相反。

根据本发明的实施例，在对使用LED的发光负载进行调光时，照明系统能够以很少闪烁进行稳定点亮而不受叠加在功率线路上的噪声影响。

尽管关于所述实施例示出和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将理解，在不偏离如在以下的权利要求中限定的本发明的范围的情况下可以做出各种改变和修改。

Claims (5)

1.一种照明系统，包括：

发光装置，所述发光装置具有作为光源的固态光发射元件；以及

调光器，所述调光器包括具有自持功能并且连接到所述发光装置和外部功率源的串联电路的双向切换元件，其中所述调光器通过控制所述外部功率源的AC电压的相位来改变所述双向切换元件的导通角，

其中，所述发光装置基于所述双向切换元件的所述导通角来进行所述光源的调光，并且所述调光器在第一时段期间继续向所述双向切换元件的栅极端子施加驱动电流，其中，所述双向切换元件被允许在整个第二时段上导通，所述第二时段在所述第一时段的开始处开始并且延伸的持续时间比所述第一时段长，并且

其中，所述第一时段的长度取决于所述第二时段的长度而改变。

2.根据权利要求1所述的照明系统，其中，在所述第二时段的长度变得更长时，所述第一时段的长度变得更长。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的照明系统，其中，所述发光装置在所述第一时段内检测所述双向切换元件的所述导通角，在所述第一时段中所述调光器继续向所述双向切换元件施加所述驱动电流。

4.根据权利要求1至2中任一项所述的照明系统，其中，如果所述双向切换元件的所述导通角低于预定值，则以恒定调光比进行所述光源的调光而与所述导通角无关，并且其中，以所述恒定调光比，所述光源被接通于特定亮度水平。

5.根据权利要求1至2中任一项所述的照明系统，其中，保持电路与所述发光装置并联连接并且在没有驱动电流施加到所述双向切换元件的时段期间提供用于使电流从所述外部功率源流到所述调光器的路径。