CN100474205C - 数字可调荧光灯镇流器 - Google Patents

Abstract

一种用于对气体放电灯(26)供电的电子镇流器电路(15)，这种整流器电路与其它镇流器电路联网，以提供本地或远程大规模照明控制。所述镇流器具有可连接标准PC(20)的接口(10)，用于接收命令和获取查询信息。镇流器可单独控制或成组控制。镇流器控制还能够将照明配置文件下载到镇流器的微控制器中，并且能够支持包括DALI标准在内的照明控制协议。

Description

数字可调荧光灯镇流器

相关申请

本申请基于2000年3月28日提交的题为“数字可调荧光灯镇流器”的、序号为60/279103的美国临时申请并要求其权益，在此要求其优先权益。

发明背景

1.发明领域

本发明涉及气体放电灯的镇流器控制，具体地说，涉及镇流器控制网络中的数控电子镇流器。

2.相关技术说明

多年以来，镇流器一直用作采用气体放电灯、尤其是荧光灯的照明系统的组成部分。荧光灯给为灯供电的电源线造成了负载控制问题，因为灯负载是非线性的。通过灯的电流为零，直到所加电压达到某个启动值为止，这时灯开始导通。当灯开始导通时，镇流器确保流入灯的电流不会迅速提高，从而防止损坏或其它操作问题。

一般提供的电子镇流器包括将电源线提供的交流(AC)转变为直流(DC)的整流器。整流器的输出通常连接到变换器，以便将直流转变为通常在25-60千赫兹范围内的高频AC信号。高频变换器输出允许使用具有比其它可能情况小得多的额定值的电感器，从而减少电子镇流器的尺寸和成本。

功率因数补偿电路通常插入到整流器和变换器之间，以便调节灯电路的功率因数。在理想的情况下，AC电路中的负载应当等效于让电路获得最有效的电力输送的纯电阻。功率因数补偿电路通常是开关电路，用在存储电容器和负载之间传递存储能量。典型的功率变换电路还采用开关方案从低频DC输入中产生高频AC信号输出。功率因数补偿电路和整流电路中的切换通常采用数字控制器来完成。

通过控制功率因数补偿电路和功率变换电路中的切换，能够可靠地控制灯的工作参数，如启动、光级调节以及减光。另外，可观察灯工作参数，以便向控制器提供反馈，用于检测灯故障和适当的工作范围。

要同时控制多个照明系统时，有可能将多个电子照明镇流器连成网络，以便进行个别控制或组控制。例如，电子照明镇流器的网络连接到计算机控制中心大楼，以便控制各种建筑区域中的照明，以及监测与建筑物的特定部分有关的能量使用情况及其它参数。例如参见Katyl等人的专利号为6181086的美国专利。

希望提供一种用于照明控制电路的电子镇流器，这种电子整流器可连接网络并且能够存储可从网络更新的各种照明配置文件，以及还提供大规模的动态控制。

发明概述

本发明提供一种采用控制气体放电灯的电子镇流器的照明控制系统。电子镇流器可连接到个人计算机(PC)，并且能够存储可由PC更新的各种算法和照明配置文件。电子镇流器可以网络的形式连接到个人计算机(PC)，以便定义用于各种任务的镇流器和照明电路的分组。不同的镇流器可分别将各自的专用照明配置文件加载到存储器中，用于启动、调光、功率控制以及故障检测。

向PC提供这种软件接口，用于对镇流器进行编程以及下载各镇流器的照明配置文件，或者定义镇流器组。因此，镇流器可由PC远程检测并控制。另外，PC可成为大型网络如因特网的组成部分，以允许远程观察和控制大范围内各种应用中的照明系统。

附图概述

参照附图详细说明本发明，附图中：

图1显示根据本发明的电子镇流器的框图；

图2显示根据本发明的电子镇流器的接线图；

图3显示镇流器PC接口的电路图；

图4显示镇流器接口的另一个实施例的接线图；以及

图5显示PC上显示的用于调节照明控制参数的用户界面屏幕。

最佳实施例详细说明

现在参照图1，它显示本发明的系统的框图。气体放电灯26由一般地表示为电路15的电子镇流器电路供电和控制。电路15接收电源线输入，用于对灯和电路15的各种元件供电。电源线输入通常是低频AC信号，其频率范围大约为50-60赫兹，电压电平范围大约为100-300伏。因此，电路15实际上可与全球现有的公共电源配合使用。

滤波器12接收电源线输入，并消除无关的高频瞬变现象，以提供更干净的功率信号。滤波器12由传统的线性元件，如电感器和电容器等构成，但也可以是采用适当的非线性元件构成的有源滤波器。从滤波器12输出的更干净的线路功率信号由整流器14接收，以便提供DC输出。整流器14通常是全波整流器，以便提供高功率效率。整流器14的DC输出提供给功率因数补偿(PFC)电路16，它的功能是调节电路的功率因数，以便更有效地工作。在不具有PFC电路的典型电子镇流器中，灯26上的电压和电流的相角不同相，从而不会将最大可用功率传递给灯。输入电源线最好是把电路15看作纯电阻性负载，其中的电压和电流彼此同相。因此，PFC电路16用于调节灯26的驱动信号的功率因数，使灯26看来象纯电阻性负载，以便取得最佳效率。

PFC电路16向功率变换器18提供功率信号，功率变换器18产生高频驱动信号以对灯26供电。变换器18包括多个用于调节灯26的功率通量的高功率高速开关。由于变换器18中的开关以高频切换，因此可利用较低成本的元件将功率更为有效地传递给灯26。

变换器18由照明控制电路24控制，照明控制电路24为变换器18中的开关操作提供驱动信号。变换器18还向照明控制电路24提供照明控制反馈信号。照明控制反馈信号用来确定灯26的工作情况的各种参数状态。变换器18还具有故障检测功能，用于检测变换器18和灯26的工作故障。

照明控制电路24的操作由微处理器22控制，它为照明控制电路24提供操作变换器18的命令。微处理器22提供用于控制灯26的操作的命令，包括启动、调光、功耗以及熄灯26等。微处理器22接收来自变换器18的故障检测信号，这些信号是作为照明控制电路24所确认的控制配置文件的结果来提供的。例如，如果变换器18或灯26出现故障，如元件损坏或超出预定范围之外，则变换器18通知微处理器22已经检测到故障。微处理器22还接收来自照明控制电路24的反馈信号，这个信号表示变换器18和灯26的状态。照明控制电路24提供的状态可包括与检测故障和变换器、灯26工作的其它标记有关的详细情况。微处理器22还包括存储器，用于存储信息，例如变换器18、灯26的照明控制配置文件和状态。因此，灯26的操作可以程序设定为例如预热、起辉、调光以及光级。灯26的故障或状态可存储和记录在微处理器22中，以便以后检索或修改。

例如，微处理器22可存储一种算法，以便在检测到故障时使电路15进入安全模式。例如，如果灯26发生故障，则可切断灯的电源，并使电路15进入待用状态。如果更换灯26，则存储在微处理器22中的算法可检测到这种更换，检测到已经清除故障，并且能够自动启动替换灯26。

通过微处理器22可以实现其它功能，例如光级变化的调节以及光级变化的速率。例如，可为算法配备可变参数，用于光级中变化的衰减时间和衰减速率。

微处理器22还可连接到外部系统，以便远程接收控制及状态信息。在图1所示示意图中，微处理器22通过PC接口20连接到用户接口10。PC接口20和用户接口10之间的连接是使用DB9连接器的标准串行连接。PC接口20提供电路15和用户接口10之间的电隔离，以防止在电路15发生故障时损坏用户接口10。PC接口20提供的电隔离可通过多种技术来提供，其中包括光隔离和高压保护。PC接口20还允许微处理器22和用户接口10之间双向传送状态、故障以及命令。

微处理器22还可由用户接口10寻址，用于双向传送状态、命令等。例如，微处理器22可接收来自用户接口10的地址信息，并确定该地址信息是否涉及微处理器22的地址或连接到用户接口10的另一个装置的地址。因此，用户接口10和微处理器22之间的双向通信可利用各种数据通信协议。例如，数字可寻址照明接口国际标准prlEC929(DALI)可用于用户接口10和微处理器22之间的通信。DALI协议允许64可寻址装置，排列为16组，以及提供16个不同的照明配置文件，其中包括衰减时间、衰减速率、根据算法曲线和错误反馈进行调光。诸如DALI之类的协议的使用允许用户接口10与整个照明网络中的多个电路15进行通信。用户接口10还独立于电路15，并可执行通常与个人计算机相关的各种用户功能。例如，用户接口10能够在大容量存储媒体上保持照明配置文件和状态的历史记录。用户接口10还可根据整个照明网络的工作情况来记录和处理统计数据，以便允许操作报告以及最佳性能修正。凭借经用户接口10可加以利用的记录和统计技术，可以改善系统的整体可靠性而同时保持有效的功率使用。另外，维护程序可根据收集到的数据来进行设计，以便及时防止元件故障并使故障时间最短。

用户接口10还提供简易显示屏幕，使用户能够同时轻松地改变多个可寻址电路15上的各种参数。用户接口10上的显示屏还可为用户提供反馈，表示各种灯26和镇流器电路15的情况。

现在参照图5a和5b，其中提供了用于操作和观察电路15、灯26的例示性用户显示屏。显示屏50说明给定镇流器的一种简单状态/控制屏。灯亮度级可采用滑动条52改变被寻址的灯26的光级来调节。为滑动条52配备了最小和最大按钮，以便立即设置亮度级的最小或最大值。还提供滑动条54以调节可调灯26的衰减速率/时间。用按钮56提供开或关灯26的简单操作。用指示器58提供以总功率的百分数表示的供电等级(power on level)，它可由用户设置。多个状态55表示与镇流器电路15和灯26的工作相关的各种参数的情况。例如，除镇流器电路15和灯26的各种元件的特定状态之外，状态55还可用于说明电路15的系统整体状态，即系统是否在用。例如，用户可立即观察与电路15的微处理器22相关的地址。

现在参照图5b，其中给出显示屏60，供用户用于从管理角度控制和观察照明状态。显示屏60包括滚动屏62上的镇流器信息，滚动屏62上显示连接到PC网络的多个镇流器的标识符。在显示屏60中，滚动屏62显示镇流器B1和B2的输入项。用户可选择所列的任何镇流器，以便向该镇流器提供命令信息或者获取该镇流器的状态信息。例如，光级显示屏64提供与滚动屏62中所选镇流器相关的灯26的光级的指示。光级64可用来指示单一镇流器或者一起控制的一组镇流器的光级。下拉选择条65使用户能够访问与单一镇流器或一组镇流器的操作有关的各种命令、设置及查询。每个下拉框与执行按钮相关，执行按钮用于执行相关下拉框中显示的命令。例如，用户可在标记为“系统参数查询”的下拉框中选择待查询的特定系统参数，然后再选择紧靠下拉框的执行按钮，以获得特定的查询信息。

还为各镇流器或成组工作的镇流器提供了滑动条66。滑动条66提供简单的控制机制，用于调节参数，例如功率百分比输出、衰减速率以及衰减时间。镇流器的组设置可利用控件68来建立，控件68还提供设置，用来对特定镇流器或镇流器组寻址。用户接口10中的串行口可在端口选择部分70中选取，其中还包括如下选项：光级轮询和DTS设置。按钮72设置用于初始化或结束用户接口10和PC接口20之间的通信。“退出”按钮73设置来供用户简单地退出应用程序。

现在参照图2，它给出了根据本发明的硬件示意图。图1所示的滤波器12由L1、RV1、C1以及CY组成。这种电感器-电容器组合消除了线路L和N所提供的电源中的高频瞬变电流。整流器14由全波整流桥整流器BR1组成。除包括偏置、检测和补偿元件以外，PFC电路16还包括功率因数控制器IC1、MOSFET M1、电感器L2、二极管D2、电容器C6。PFC IC1提供MOSFET M1的开关控制信号，MOSFET M1进行切换以对电压和电流之间的相角进行调整以便得到最优功率效率。PFC16调节输出DC总线电压，同时提供与AC输入线电压同相的正弦信号。因此，PFC16提高并调节输出DC总线电压。

镇流器控制IC2包括振荡器、高压半桥门驱动器、模拟调光接口以及灯保护电路。镇流器控制IC2控制半桥电流的相位，以便控制传递给灯26的灯功率。对连接到IC2的各种元件进行选择，以便设置诸如预热频率、电流和电压、预热时间、最小频率、起辉电压和电流以及工作频率。例如，增加RIPH增加预热电流，而减少CPH则减少预热时间。

图1所示的微处理器22由微控制器U3和以各种方式相连的元件共同组成。微控制器U3能够通过微控制器U3的管脚10上的转换，来接通和关断镇流器控制器IC2。当镇流器控制器IC2在管脚9上接收到由低到高的转换时，镇流器控制器IC2接通。同样，当镇流器控制器IC2在管脚9上接收到由高到低的转换时，镇流器控制器IC2关断。对于检测到灯故障并且系统将进入低电平工作状态以保护各种元件的情形，这种功能极为有用。

例如，微控制器U3在管脚12上接收灯故障信息。如果灯26正确工作，则这个管脚处于低电平，因为它连接到灯26的低电位端。如果灯26发生故障，则管脚12通过电阻器R17拉高为高电平，促使微控制器U3让管脚10由高向低转换。与镇流器控制器IC2的管脚9相连的管脚10上由高向低的转换使镇流器控制器IC2关断。当镇流器控制器IC2关断时，MOSFET M2和M3不进行切换，从而导致低功率安全工作模式。

当出现故障的灯26由正常工作的灯26替换时，微控制器U3的管脚12转换为低电平，促使微控制器U3在管脚10上产生由低到高的转换。管脚10上由低到高的转换由镇流器控制器IC2的管脚9接收，用于接通镇流器控制器IC2。当镇流器控制器IC2接通时，自动开始灯的重启序列，灯26接通并正常工作。

通过在镇流器控制器IC2的管脚7上设置故障/状态信号，镇流器控制器IC2还向微控制器U3提供故障状态信息。镇流器控制器IC2的管脚7连接到微控制器U3的管脚11，微控制器U3可检测故障信息，例如镇流器控制器IC2上的固定逻辑电平(stuck logic level)、过流状况、放电故障以及总线问题等。当镇流器控制器IC2关断时，管脚7处于低电平状态，当镇流器控制器IC2接通时，管脚7则提升到高电平状态。

镇流器控制器IC2还可为微控制器U3提供镇流器控制器IC2接通时所确定的故障信号。因此，微控制器U3可通过检验微控制器U3的管脚11的状况来检测镇流器控制器IC2是关断的。微控制器U3然后可通过使微控制器U3的管脚10从低电平转换到高电平，来尝试接通镇流器控制器IC2。然后，接通镇流器控制器IC2，如果检测到故障，则镇流器控制器IC2可将管脚7设置为低电平。微控制器U3的管脚11接收来自镇流器控制器IC2的故障信号，从而确定已经发生故障。微控制器U3则可根据它对检测故障作出反应的程序设计，以多种方式来响应这种故障检测。例如，微控制器U3可发出命令来关断灯26或镇流器控制器IC2。

微控制器U3还通过在管脚9上发送脉宽调制(PWM)信号来控制光级(light level)，该PWM信号通过由R25和C17组成的RC滤波器转换为DC电压。镇流器控制器IC2接收管脚4上的电压信号，调整传递给灯26的半桥电流调整功率的相位，以便相应地改变光级。通过调整微控制器U3管脚9上所提供的PWM的占空比，实现对光级的精确控制。另外，微控制器U3可在允许光级变化受到控制的算法的控制下工作。例如，可根据微控制器U3的程序设计以一定间隔来改变微控制器U3管脚9上所提供的PWM信号的占空比。

微控制器U3可由图1所示的用户接口10寻址，以便接收编程指令，或提供查询状态信息。PC接口20连接在用户接口10和微处理器22之间，以实现它们之间信号传输的硬件协议。图2所示的PC接口U1和U2作为收发信机，用于微处理器22和用户接口10之间的通信。因此，接口U1和U2提供电路15和用户接口10之间的高度电隔离。高度电隔离防止电路15中存在的破坏性或危险状况传送到接口10而进一步对用户接口10造成可能代价极高的损害。

在用户接口10和微处理器22之间传送的输入及输出信号可携带与用户接口10和微处理器22可用协议标准有关的信息。因此，图2中，微控制器U3在管脚7上接收串行信息，并在管脚8上发送串行信息。所发送和接收的串行信息的内容对应于选定的通信协议。微控制器U3可加载算法，以便用简单的方式来解释通信协议。例如，用户接口10和微处理器22可经过编程，采用国际可寻址照明接口DALI标准进行通信。根据DALI标准，前向消息帧由19位组成，后向消息帧由11位组成。传送帧中的位根据CODEC来布置，所述CODEC是双相的，以允许错误检测高电平。

现在参照图3，它显示总体表示为电路30的光隔离DALI总线的配置。此电路图给出了DALI协议的硬件平台，此硬件平台采用发送和接收使能信号以及发送和接收信号。

现在参照图4，图3的DALI总线表示为PC接口20，它包括桥整流器和两个光隔离开关接口U1、U2。在此配置中，接口U1和U2防止电路15中产生的电涌传递到用户接口10。因此，接口U1和U2防止可能的破坏性信号到达用户接口10，同时提供到微控制器IC3的存取途径，以便进行命令和查询传输。

虽然结合本发明的特定实施例对本发明作了说明，但对本领域的技术人员而言，其它许多变型、修改以及其它用途也将是显然的。因此，本发明不受本说明书中特定公开的限制，而仅由所附权利要求书限定。

Claims (13)

1.一种数控灯镇流器，包括：

功率变换器输出级，它具有连接电源线输入的输入端以及连接灯以便为其供电的输出端；

连接所述功率变换器的照明控制器，用于驱动所述功率变换器以控制提供给所述灯的功率；

连接所述照明控制器的数字微控制器，用于存储和更新照明控制配置文件和故障信号并且向所述照明控制器提供驱动所述功率变换器的命令；以及

连接所述微控制器的通信接口，有助于所述微控制器和数值计算机之间的通信，由此所述微控制器和所述数值计算机被配置为使用选择的协议来交换信息，所选择的协议提供用于操作所述灯的选择的照明配置文件。

2.如权利要求1所述的灯镇流器，其特征在于所述通信接口操作用于灯镇流器网络。

3.如权利要求2所述的灯镇流器，其特征在于所述微控制器具有对所述网络而言唯一的地址。

4.如权利要求1所述的灯镇流器，其特征在于还包括：

所述功率变换器和所述照明控制器之间的照明控制反馈；以及

所述照明控制反馈操作用于向所述照明控制器提供与灯工作状况有关的信息。

5.如权利要求1所述的灯镇流器，其特征在于还包括：

所述功率变换器和所述微控制器之间的故障检测反馈；以及

所述故障检测反馈操作用于提供有关灯故障和灯镇流器故障至少之一的标记。

6.如权利要求3所述的灯镇流器，其特征在于所述微控制器与所述通信接口配合工作，以便实现所述数值计算机和所述微控制器之间的数字可寻址照明接口通信协议。

7.如权利要求1所述的灯镇流器，其特征在于还包括与所述微控制器相连的存储器，并且所述存储器操作用于存储由所述微控制器执行的程序，以向所述照明控制器提供命令。

8.如权利要求7所述的灯镇流器，其特征在于所述程序从所述数值计算机传送到所述存储器。

9.如权利要求1所述的灯镇流器，其特征在于还包括：

所述照明控制器和所述微控制器之间的状态查询反馈；以及

所述状态查询反馈操作用于向所述微控制器提供与灯工作状况有关的信息。

10.如权利要求1所述的灯镇流器，其特征在于还包括：

所述照明控制器和所述微控制器之间的状态反馈；以及

所述微控制器能够根据所述状态反馈的值向所述照明控制器提供待机命令，从而使所述照明控制器进入电源待用状态。

11.如权利要求1所述的灯镇流器，其特征在于所述通信接口是联网的并且在所述照明镇流器和所述网络之间具有电隔离。

12.如权利要求11所述的灯镇流器，其特征在于所述电隔离通过光开关接口来实现。

13.如权利要求1所述的灯镇流器，其特征在于还包括：

用于接收用户命令和展示镇流器信息的用户接口；

连接所述用户接口的可寻址照明镇流器网络，用在所述照明镇流器和所述用户接口之间交换信息；

所述用户接口响应用户命令，向所选照明镇流器提供操作命令以及从所选照明镇流器接收状态信息；以及

所述用户接口和所述照明镇流器之间具有电隔离。

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