CN100525049C - 用于驱动容性负载的接口电路和电路装置以及低压放电灯 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及接口电路，其适用于驱动容性负载，例如用于连接在电网供电电路上的灯的气串联设备，特别是截相调光器。根据本发明的接口电路当该电网供电电路不执行负载供电时短接负载输入。

Description

用于驱动容性负载的接口电路和电路装置以及低压放电灯
技术领域
本发明涉及一种电路装置，其用于驱动连接在电网上的例如用于灯特别是低压放电灯的电气串联设备的容性负载。
背景技术
用于驱动低压放电灯的电路装置在许多实例中公开。通常它包含一个整流器，用于整流交流电压供电和用于充电一个经常称为滤波电容的电容器。该电容器上的直流电压用于供给换相器或者逆变器(下面称逆变器)，后者驱动低压放电灯。相似的构造也为其它类型的灯已知，例如形式为用于卤素灯的电子变压器。此外本发明涉及用于驱动容性负载的所有一般的电路装置，这里概念“容性”指在逆变器输入端的所谓的滤波电容器。对于容性负载下面应该理解为特别是这样的灯，它们配备具有容性特性的电气串联设备。
发明内容
本发明的技术问题是提供一种用于驱动容性负载的连接在电网上的电路装置，它能够给这种负载特别是给电灯创造扩展的使用可能性。
为此，根据本发明提供一个用于驱动容性负载的连接在电网供电电路上的接口电路，特别是连接在截相调光器(Phasenanschnittsdimmer)上，其特征在于，该接口电路具有一个第一开关，其设计为当没有电网供电施加在负载的输入端上时使负载的输入端短接。
该接口电路具有一个第一晶体管，该第一晶体管被设计为当没有电网供电施加在该容性负载的输入端上时使该容性负载的输入端短接，其特征在于，设置一个控制电路，该控制电路被设计为分析由电网供电电路产生的信号和根据该第一晶体管的占空比产生一个用于控制该容性负载的功率消耗并与该功率消耗成比例的信号，其中所述控制电路具有一个并联电路，该并联电路包括由第三电阻和第三晶体管组成的串联电路和滤波电容器以及第四电阻，第三晶体管的基极与第一晶体管的基极相连，其中并联电路与第五电阻串联，其中在第四电阻和第五电阻之间设置抽头以抽取用于控制所述容性负载功率消耗的控制信号。
在本发明的一个实施方式中，上述电网供电电路的信号为供电电压。
本发明例如针对用于带有上述方式集成接口电路的灯的电子串联设备，用于驱动连接在截相调光器上的这种灯。该灯优选是低压放电灯，然而本发明也可用于其它类型的灯，例如高压放电灯或者卤素灯。
本发明人从下述认识出发，调光的可能性或者容性负载的功率调节是值得改进的。特别是像接在电网供电电路上被驱动的低压放电灯(CFL)的容性负载在由非恒定功率供电例如在调光时容易不稳定。这一点例如在CFL上通过闪烁显示出来，这通常被察觉为干扰。
虽然迄今在CFL中还使用复杂的激励电路(公知用于减少电网电流谐波振荡)，它允许较长的电流流通角，亦即在时间上延长的电流消耗，并由此具有改善了的调光可能性。然而，此时特别不利的是这种激励电路需要很多的组件消耗，亦即显著复杂的去干扰。这里的缺点也是所使用的激励电路必须设置为在驱动没有调光器的这种灯时出现的电网电流谐波振荡不超过适当的边界值。另一个缺点在于，在大多数激励电路中激励功率依赖于直流电压中间电路，从而由于所使用的激励电路的寄生耦合特性能够加强在两个相继的电网半波之间调光器的不对称，这可以导致明显的闪烁现象出现。
本发明的基本思想在于，通过一个具有调光器电路的接口电路使所述容性负载兼容，同时避免所述不稳定性。这里本发明特别针对驱动截相调光器，其由于容性负载在时间上不持续的电流消耗-亦即当施加的交流电压的瞬时值大于施加在电容器上的电压时-会在容性负载中引起麻烦。在此，本发明的接口电路还应该在其余时间应允许电流通过该截相调光器，使得在该调光器中包含的时间元件通过该电流。
为此，一个开关，优选一个第一晶体管，只要电网交流电压达到过零时总是接通该接口电路。晶体管的接通也可以另外选择在过零后短时执行。该第一开关优选在电网电压的瞬时值一施加到负载上时立即重新关断。由此在使用调光器时可以只通过调光器时间元件的电阻来定义用于充电调光器内部的时间电容所需要的电流，并且该电流可以几乎不受衰减地通过负载流动。特别在实际中不出现任何附加的电流衰减。该开关的控制优选通过一个第二开关、优选通过一个第二晶体管实现。该第二晶体管优选在负载输入端通过两个电阻与电网供电自身(即在整流前)连接。由此，第二晶体管实际上可以“读出”和确定负载上的输入电压，何时实施功率供电和接通或者关断开关，不会在此时影响整流电路或者某些滤波电容。
根据本发明的接口电路可以另外具有一个控制电路，它分析利用一个由电网供电提供使用的信号，优选供电电压。为此例如可以分析利用第一晶体管的脉冲占空比并产生一个为此的比例信号，其可以用于调节负载的功率消耗。
这种控制电路的一个优选的构造具有一个并联电路，其由由一个第三电阻和一个第三晶体管组成的串联电路和一个第二滤波电容器和一个第四电阻组成，第三晶体管的基极与第一晶体管的基极相连，其中并联电路与一个第五电阻串联，其中为控制负载的功率消耗的控制信号的抽头在第四电阻和第五电阻之间提供。在此，第五电阻可以与所述并联电路串联与负载并联。另外可以选择的方案是，第五电阻例如可以集成在为给负载供电提供的逆变器中。与第五电阻必须是高欧姆的第一种情况相反，在最后一种场合第五电阻可以是低欧姆，以便可以减少电压损失。为说明这一点参照根据图5的实施例。
上面说明的功能原理允许用于所有常用的电网电压，而不依赖于负载的实际输入电路。它既适用于在输入端具有桥式整流和一个单一的滤波或者平滑电容的负载，也适用于其它例如具有至少两个二极管和至少两个滤波电容(所谓的“3D-2C电路”，参见图4b，或者“倍压电路”，参见图4c)的输入电路。在“2C-3D电路”中代替一个单一的滤波电容，使用由两个电容器和三个二极管组成的装置。在倍压器中，两个电容器经两个二极管在电网侧连接，并与逆变器电路连接。由此可以给负载总共提供双倍的电网峰值电压使用，这样例如可以把应该施加220V电网电压的灯接在110V的电网供电上驱动。
根据本发明的接口电路可以在自己的外壳内单独安装，以便它例如与多个容性分负载平行连接在一个调光器上。由此可以把多个容性负载不需要集成的接口功能由一个调光器费用适宜地驱动。
但是它也可以有利地和一个电子串联设备特别是在一个紧致荧光灯中集成。
附图说明
下面根据几个实施例详细说明本发明。这些实施例在这里表示优选使用接口电路来驱动接在截相调光器上的一个CFL。
图1表示一个常规截相调光器的电路，在调光器上驱动一个容性负载，
图2表示用于根据图4a的接口电路的电压-电流曲线，其中a)表示该负载的电网电压的曲线，b)表示接在该负载上的滤波电容的充电电流，c)表示第二晶体管的控制，d)表示第二晶体管集电极上作为时间函数的电压曲线，
图3表示根据本发明的电路装置，具有一个单独的接口电路，
图4a表示用于根据本发明的接口电路的示例构造，
图4b表示相似于图4a的接口电路的构造，其中，滤波电容由一个电容/二极管电路安排取代，
图4c表示一个用于根据图3的实施例的示例电路装置，其与一个倍压电路连接，
图5表示根据本发明的另一个电路装置，具有控制电路(REG)，用于建立与调光器的截相角度成比例的信号。
具体实施方式
图1表示使用根据本发明的接口电路的一个例子。所见到的是一个电路，其中一个紧致荧光灯CFL通过交流电压电网供电驱动。负载CFL由该电压源通过一个截相调光器(在点N和P之间)供电。截相调光器给负载提供周期的电网供电，该负载通过点燃功率开关Triac(三端双向可控硅开关)经过可变时间构件Diac(双向触发二极管)、TR、TC释放。通过根据本发明的接口电路，时间构件也可以在功率开关的不导通状态(即当在负载上没有电网电压时)工作。在不存在对于时间构件的功率供给时，真实负载不存在，所以真实负载的电路装置对于功率开关的点火过程没有任何影响。所以可以避免某些相移发生，这种相移移动在每一电网半波中的点火时刻，最后在负载中引起不希望的闪烁现象或者类似现象。
除功率开关Triac和由Diac、电容器TC和可调电阻TR构成的时间构件外，在调光器电路中通常还提供保险丝F和此外用于平滑和去干扰的电容器C和电感L。该接口电路可以集成在灯CFL的串联设备中；这一实施例详细示于图4a和图4b。负载CFL也可以用单独的接口电路驱动。图3示意表示使用一个单独的接口电路IF为驱动接在一个唯一的调光器上的多个灯CFL(CFL1，CFL2，CFL3)的这样的一个结构。
根据图4a说明该接口电路的功能，图4a表示为实现上述功能原理的一个示例的电路结构。
电网交流电压在整流器GL中变成脉冲直流电压。
电容器C1通过二极管D1和整流器GL充电到加在负载上的输入电压的峰值，并例如给不准备详细说明的逆变器INV(或者换相器)提供直流电压使用，所述直流电压在该逆变器中变换为高频交流电压用以供给具有预先规定的灯电流的低压放电灯CFL。
根据本发明的接口电路IF在图4a-4c所示例子中由电阻R1、R2、R3、R4、二极管D1、电阻R5、R6、和晶体管T1和T2构成。第一晶体管T1的开关段(Schaltstrecke)与二极管D1串联平行于滤波电容C1，该电容器C1为逆变器电路INV提供用于灯CFL的高频交流电压所需要的电压。该晶体管短接负载的供电输入端。第二晶体管T2用于接通或关断晶体管T1，其集电极(通过电阻R5)与晶体管T1的基极连接。在此，第二晶体管T2的开关段与由电阻R5和第一晶体管T1的控制段(Streuerstrecke)组成的串联电路平行(亦即T2接通和关断T1)。于是可以通过接通第二晶体管关断第一晶体管。
该电路的工作方式如下：晶体管T1在导通状态下通过桥式整流器GL建立在两个电网输入端之间的短路。二极管的极性阻止在接通状态下的晶体管T1也短接电容器C1。通过把晶体管T1布置在桥式整流器GL的输出端实现，负载(CFL)的输入阻抗无论在电网交流电压(VS，参见图1)的正半波还是负半波都减小到最小值(“短接”)。
通过电阻R1、R2和R3建立该电路的瞬时输入电压的一个映像，并通过电阻R4施加在晶体管T2的基极上。
根据本发明连接在电网侧的电阻R1和R2的安排保证电网输入电压的过零(VS的极性的反转)被可靠和不依赖可能存在的滤波电容或者寄生电容检测到。
晶体管T1在晶体管T2关断时通过电阻R5和R6接通。不过代替从C1通过R6和R5也可以通过一个在负载或者逆变器INV中可用的(例如在逆变器INV中存在的控制IC的提供)时间连续的信号接通T1。
当T2通过在R3上的一个正的、足够大的电压降经过R4接通时，晶体管T1关断。电阻R4和R5在此用于改善T2和T1的开关特性。
通过T2的反相功能将实现，T1总是在时间ta(参见图2a-2d)期间接通，在这一时间中电网交流电压VS的瞬时值在调光器上存在，而在调光器中作为开关元件提供的三端双向可控硅开关(Triac)不导通。只要Triac在调光器中被接通(图2中的时刻t2)，并由此把电网交流电压VS的瞬时值施加在负载(CFL)上，则T1被关断，而电容器C1经D1被充电到负载(CFL)的输入电压的峰值(参见图2b的时间tb)。
作为晶体管T1可以使用小功率晶体管，虽然它必须具有高于最大电网电压VS的击穿电压，不过关于电流承载能力和电流放大对它没有严格要求。
作为开关晶体管工作的晶体管T2通常用一个小的基极/发射极电压约0.6V驱动。不过该电压是依赖于温度的，使得由于电路的运行和与此相连的温度变化开关电压可以改变(例如在0.4V和0.6V之间)。因此必要的话可以采用一些补偿控制电压依赖温度的波动的措施。例如可以为此目的在图4a表示的电阻R4上串联一个齐纳二极管。由此可以提高在R3上降落的电压(例如为20V)，使得为接通晶体管T2所需要的电压的相对波动变小。
根据本发明的接口电路不依赖于为灯使用的输入电路。图4b表示一个输入电路的变体，在该电路中在图4a中表示的单一的电容器C1通过一个由三个二极管D2-D4和两个电容器C1a、C1b组成的电路(“2C-3D-电路)取代。在运行中在该(缓冲器-)电路中两个电容器串联充电。
如果如图3所示接口功能作为单独的设备IF没有负载构造的话，则它需要供给为接通晶体管T1所需要的从一个附加电容器通过一个电阻的电流。在这种情况下，该电容器可以具有相对小的容量，因为它不必准备为供给负载的能量而只是提供通过R6控制T1的能量。对于这种电路的一个例子示于图4c，这里的负载通过一个由两个二极管D2、D3和两个电容器C1a、C1b组成的、用作“倍压器”的输入电路与电网连接。接口电路与此并联接入，并且包含一个(上面提到过)电容器C3。在这一“倍压器”-电路中电容器C1a和C1b交替(亦即一个通过电网正半波、另一个通过负半波)充电到电网峰值电压。由此负载INV、CFL总共可使用两倍峰值电压。可以使用这种电路来驱动连接在110V电网(例如在美国)上的、应该配置在220V电网上的灯。
本发明还可以用于控制负载的功率消耗。为控制负载(CFL)的功率消耗或者低压放电灯(CFL)亮度控制，需要产生一个与在调光器上调整的截相角成比例的信号，该信号例如为调节在逆变器中的灯电流作为额定值所需要。
在此优选额定值的大小应与截相角成反比(在较小截相角时有较大的额定值)；以这种方式在图5所示电路装置中在“小”调光(也就是说在灯的高亮度时)时可以得到高的额定值，反之亦然。然而也有可能产生在截相角和额定值之间的正比例关系。
根据本发明所述信号从晶体管T1的脉冲占空比导出。这一脉冲占空比等于在一个电网半波内的时间ta(Triac关断)和tb(Triac部分导通)的比(参见图2a)。
用于实现这一控制的一个示例电路在图5中表示。所示的是一个实施例，其中接口电路IF(如图4a-4c)集成在负载中，并接入整流器GL和滤波电容器C1之间。在接口电路IF和滤波电容器C1之间是一个控制电路REG，其作为接口电路IF的一部分或者与其分开接入。控制单元包括一个第三晶体管T3，它的基极与第二晶体管T2的集电极(通过电阻R7)相连，而与电阻R9串联的部分与由另一个滤波电容器C2和电阻R10组成的电路并联。该并联电路又与另一个电阻R8串联，使得该串联电路与滤波电容器C2并联。为控制灯CFL的功率消耗，通过电容器C2滤波的电压降将通过导线作为控制信号DL被输出耦合。
为建立其大小正比于脉冲占空比ta/tb的直流电压信号，使用电阻R7、R8、R9和R10，以及滤波电容器C2和晶体管T3。
通过R8和R10的电阻值的比将定义一个向逆变器INV传输的信号DL的最大值。该信号DL在逆变器中用作额定值大小用来调节或者控制负载的功率消耗或者灯CFL的亮度。然后该大小DL可以在逆变器INV中例如通过一个集成电路处理，所述集成电路相应调节灯CFL的功率消耗(亮度)。由R8和R10定义的DL的最大值定义负载的最大功率消耗或者灯的最大亮度。
当晶体管T3持续接通时，通过由R8的电阻值和R10和R9的并联电路的总电阻的比定义给逆变器INV传输的信号DL的一个最小值。
通过接通晶体管T3，其在时间上相应于T1的接通，为DL建立一个依赖于T1或者T3的脉冲占空比的、和通过电容器C2滤波的直流电压。在此，电阻R7用于改善T3的开关特性。
代替从电容器C1通过R8供给信号DL，也可以使用另一个在这里未详细说明的逆变器电路中存在的信号。

Claims (7)

1.一种接口电路(IF)，用于驱动连接在电网供电电路上的容性负载(CFL)，该接口电路具有一个第一晶体管(T1)，该第一晶体管(T1)被设计为当没有电网供电施加在该容性负载(CFL)的输入端上时使该容性负载(CFL)的输入端短接，其特征在于，设置一个控制电路(REG)，该控制电路(REG)被设计为分析由电网供电电路产生的信号和根据该第一晶体管(T1)的占空比产生一个用于控制该容性负载(CFL)的功率消耗并与该占空比成比例的信号(DL)，其中所述控制电路(REG)具有一个并联电路，该并联电路包括由第三电阻(R9)和第三晶体管(T3)组成的串联电路和滤波电容器(C2)以及第四电阻(R10)，第三晶体管(T3)的基极与第一晶体管(T1)的基极相连，其中并联电路与第五电阻(R8)串联，其中在第四电阻(R10)和第五电阻(R8)之间设置抽头以抽取用于控制所述容性负载功率消耗的控制信号(DL)。
2.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于，还设置一个第二晶体管(T2)，该第二晶体管(T2)被设计为当有电网供电施加在容性负载(CFL)的输入端上时解除容性负载(CFL)的输入端的短接。
3.根据权利要求2所述的接口电路，其特征在于，所述第二晶体管(T2)的基极经一个第一电阻和一个第二电阻(R1，R2)与整流器(GL)相应的一个电网侧的输入端连接。
4.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于，电网供电电路的信号为供电电压(VS)。
5.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于，该接口电路被实现为与容性负载(CFL1，CFL2，CFL3)和电网供电分离开的单元。
6.一种电路装置，用于驱动在电网上与一个截相调光器连接的容性负载，所述截相调光器具有一个功率开关(Triac)和一个时间构件(Diac，TR，TC)，其特征在于，所述电路装置包括一个根据权利要求1到5之一所述的接口电路，该接口电路连接在所述容性负载(CFL)和截相调光器之间。
7.一种低压放电灯，其特征在于，该低压放电灯由根据权利要求1到5之一所述的接口电路驱动。
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