CN100589673C - 小型荧光灯的电子调光镇流器 - Google Patents

Abstract

镇流器的工作频率完全不足以谐振电路(430)的谐振，当小型荧光灯(500)调光到大约1%的光输出水平时，镇流器在低于预定水平的开环增益下操作并以大于预定输出阻抗的输出阻抗进行操作，优选为大于灯的最大负递增阻抗的绝对值的两倍。通过例如将控制电路(418)的频率从80Hz改变至85Hz，无论光输出是在例如5%或1%上，增益保持大致相同。

Description

小型荧光灯的电子调光镇流器

技术领域

本发明总体上涉及调光(dimming)气体放电灯，具体地说，涉及用于小型荧光灯调光的电子调光镇流器。

背景技术

气体放电灯高效地将电能转换成可见光。气体放电灯通常是在各端具有电极的长的充气(一般是低压水银蒸汽)管。各个电极一般由涂覆有例如碱性金属氧化物的混合物的热电子发射材料的电阻丝(一般为钨)形成。

一般的气体放电灯的稳态操作如下。在电阻丝上施加电压，将电极加热到足够使得电子的热电子发射到放电管的温度。在两电极之间施加的电压将电子加速朝向阳极。到阳极的路径中，电子与气体原子碰撞产生正离子和另外的电子，在管中形成正的气体等离子体和负的电荷载流子。电子继续涌向阳极而正离子涌向阴极，在管中持续放电并进一步加热电极。如果施加的电源是AC，电极每半个周期反转极性。

放电造成一定波长的辐射发射，该波长取决于具体填充的气体和放电的电参数。因为每次碰撞产生另外的电子和离子，电弧电流的增加造成灯的阻抗的降低，典型的称为“负递增阻抗(negative incrementalimpedance)”。由于这个负递增阻抗的特性，灯的操作本质是不稳定的，因此，必须控制电极之间的电流，以提供稳定的灯操作。

包括荧光灯的气体放电灯设计成以规定的RMS灯电流值释放它们的全额光输出，或“标定的(nominal)”光输出。在说明书和附加的权利要求书中，灯的全额光输出称为“标定光输出”。

荧光气体放电灯包括在玻璃管壳体内表面的磷涂层，并通过从放电的辐射而激发该涂层来提供可见光输出。传统的荧光灯一般是基本上为圆形横截面的具有不同直径的长直管，直径的范围在大约5/8和1.5英寸之间。

小型荧光灯不同于传统的荧光灯，其中它们由更小直径的灯管构成，一般外径小于大约5/8英寸。另外，灯小型的部分原因是灯管具有一个或多个小半径弯曲，使得灯管自身向后折叠，实现小型的形状。而且，在小型荧光灯中，灯管自身是向后折叠的，灯的末端一般是彼此非常靠近。

参照图1，现有技术的灯系统10包括例如120V 60Hz的AC电源。正弦曲线电压100、相位控制调光器102、电子可调光荧光镇流器200和小型荧光灯300。

镇流器200接收线202上的输入功率(或火线)，在线204上的可变输入调光信号(或调光的火线)，在线206上的中线。应该理解在线202上的电压被镇流器200内的全波桥式整流器209整流，以产生相对普通电路具有正DC平均值的电压。

电子调光镇流器200设计成根据来自调光器102的在线204上的可变输入信号来提供输出功率量给灯300。调光器102是相位控制调光器，其通过改变它的相位触发角(firing angle)来提供在线204上的可变输入信号，相位触发角控制在线204上的可变输入信号的RMS值。

如在本领域已知，镇流器200一般包括具有升压电路210的第一功率级，其中升压电路210从整流器209接收整流电压，并产生可以到达400VDC或更高的在线214上的高压DC。

镇流器200一般还包括具有逆变器电路216的第二级功率级，其中逆变器电路216将在线214上的DC电压转换成高频转换电压，高频转换电压施加到谐振电路(resonant tank circuit)230，谐振电路230提供合适的AC电压来驱动灯300。高压能量存储电容器212设置在相对线214的分流结构中，以提供低阻抗电流源给逆变器电路216。

控制电路220分别通过线221和222提供控制信号给升压电路210和逆变器电路216。控制电路220控制升压电路210来提供期望的DC总线电压，并控制逆变器电路216来提供高频转换电压给谐振电路230。结果，镇流器响应在线204上的可变电压输入信号而通过线208提供期望的电流和电压给灯300，从而灯300以合适的亮度照亮。

控制电路220一般控制逆变器216，例如通过将在线204上的可变输入信号的整流形式与表示通过线208传送到灯的电流的信号比较，并(经过已知的误差信号技术)调整通过线222输入到逆变器216的控制信号，以控制传到灯300的合适电流。

如在本领域已知，控制电路220还控制升压电路210来产生在线214上的合适DC输出电压。而且，控制电路220一般包括实现其它功能例如低压锁定(lockout)、过流保护、过压保护等的电路。

在图1所示的实施例中，通过控制电路电源240提供功率来驱动控制电路220、升压电路210和逆变器电路216。应该理解，控制电路电源240可以使用许多电路结构来实现。

图1的灯系统10在调光器102和镇流器200之间需要三根线，镇流器200本身可以位于光组件中。系统已经发展成在镇流器200上不需要第三终端来接收在线204上的可变输入信号。在这些系统中，在线202上接收可变输入信号。其它系统已经发展为在镇流器200上利用第三和第四终端来接收可变输入信号。

通常，当对线性荧光灯调光降到低水平光输出(例如，大约1％的光输出水平)，需要增加电子调光镇流器的输出阻抗来保持稳定的灯工作和防止可见的闪动。一般，通过驱动镇流器的工作频率接近谐振电路的空载谐振频率来增加镇流器的输出阻抗。需要获得高镇流器输出阻抗的装置和方法在美国专利号B15,041,763中有教导，其全部内容在此一并作为参考。

此外，发明人已经发现小型荧光灯，与一般的线性荧光灯相比较，在大约1％的标定光输出的低水平灯电流上，具有灯不稳定性的附加区域。这种不稳定性的附加区域表明它本身倾向于灯的光输出熄灭，或“熄火(drop out)”，与在线性荧光灯中所观察到的各种低光水平之间的闪动相反。尽管不能完全理解这种现象，应该相信它与小型荧光灯的物理特性有关，例如小的灯管直径和灯弯曲的小半径和小半径的数量。

因此，本技术领域需要一种在小型荧光灯的大约1％的全光输出以下能保持稳定、没有闪动调光范围的镇流器电路。

发明内容

为了克服现有技术镇流器电路的缺陷，本发明提供一种用于小型荧光灯的调光系统和方法，包括一种具有逆变器电路的这种类型的镇流器，逆变器电路具有驱动具有预定空载谐振频率的谐振输出电路的工作频率。选择逆变器电路的工作频率使得开环系统增益在第一预定水平以下(例如，低于15)，并且镇流器输出阻抗在第二预定水平以上(例如，在大约最大负递增灯阻抗的绝对值的两倍以上)。

根据本发明的若干方面，逆变器电路的工作频率通过包括频率确定电阻器-电容器(RC)网络的控制电路来确定。在灯输出小于大约1％的标定光输出时，选择RC网络的元件值，使得逆变器电路的工作频率是空载谐振电路的谐振频率的预定函数。

出于本文件和所附权利要求的目的，术语“DC”是指电压或电流波形是单向的，并且可以是有规律的脉动或无规律的脉动。术语“AC”是指电压或电流波形以规律的循环时间间隔反转极性并具有交替的正值和负值。术语“DC成份”是指AC或DC波形的平均值。术语“AC成份”是指在减去它的DC成份后剩余的AC或DC波形部分。

如果结合附图，从下列本发明的详细描述本发明的前述或其它方面将显而易见。

附图说明

为了解释本发明，在附图中示出目前优选的实施例，但是，应该明白本发明不限于公开的具体方法和手段。在附图中：

图1是现有技术的荧光灯系统的高级框图；

图2是一般荧光灯的电压/电流特性曲线；

图3A是表示根据本发明的灯V-I曲线和灯负递增阻抗曲线的示例图；

图3B是图3A示出的一般小型荧光灯在非常低的灯电流水平的V-I特性图的部分放大图；

图4是表示用于描述根据本发明的示例性系统的增益与频率的关系的示图；

图5是根据本发明的示例系统的高级框图；

图6是图5的控制电路的一部分的示意图；和

图7是图5的控制电路的另一部分的示意图。

具体实施方式

灯的光输出稳定性一般涉及用于操作灯的电流源的质量。电流源质量通过称为输出阻抗的数量来数字地描述。输出阻抗定义为RMS输出电压的变化除以RMS输出电流的相应变化的比率，单位为欧姆。因此，显示0.001安培的电流水平变化而导致1伏特的输出电压变化的电流源具有1伏特除以0.001安培或1,000欧姆的输出阻抗。

图2是一般荧光灯的电压/电流特性图。在这个曲线上的任何操作点的灯递增阻抗定义为在该点的曲线斜率。从图中可以看出，灯递增阻抗在非常低电流时为正，在最大电压点变为零，当电流继续递增时迅速为负。显而易见，存在一个点，在该点灯递增阻抗实现它的最大负值，这点在图2中标记为A。最大负递增阻抗的点是灯最不稳定并最可能显示电弧电流和光输出的变化的工作点。因此，电流输出阻抗的测量应该在灯的最大负递增阻抗点进行，以使正确指示灯工操作稳定。

在图3A和3B中示出根据本发明的实例性灯的荧光灯V-I曲线和灯负递增阻抗的示图。对于工作在小于大约1％标定光输出的小型荧光灯，不仅在负递增阻抗的高峰上观察到不稳定性，而且预期在V-I曲线的高峰下也观察到灯电流水平的不稳定性。

在图3B中更详细地示出，一般小型荧光灯的V-I曲线显示为“悬崖”的陡斜坡，对于“悬崖”灯电压迅速从曲线的高峰降到零值，当灯调光调到大约1％的标定输出以下时，灯电流递增地减小很少。换句话说，当试图将灯电流降到相应于在大约1％的标定光输出以下的光输出的水平时，灯趋于“熄火”，即，熄灭。因此，期望尽可能地不“降低悬崖”来降低灯电流水平，即，在高峰下面的陡峭正斜坡的区域操作，因为这是灯对造成“熄火”和灯闪动的系统混乱最敏感的区域。如下面详细描述，本发明提供一种装置和方法，用于低电流水平操作小型荧光灯，而不用“降低悬崖”，即，没有灯熄灭和闪动。

图4表示镇流器系统开环增益与频率的关系的示图，其用于描述根据本发明的实例性系统和方法。为了提高稳定性，传统上操作镇流器尽可能接近谐振。因此，当将线性荧光灯向下调到低水平的光输出(例如，小于大约1％的标定光输出)时，需要递增镇流器的输出阻抗来保持稳定的灯工作。一般，通过驱动镇流器的工作频率以尽可能接近谐振来增加镇流器输出阻抗。

如图4所示，示例性镇流器的谐振电路的空载谐振频率是大约80kHz。但是，对于小型荧光灯，在这个镇流器的工作频率上，当荧光灯下调到低水平的光输出时，镇流器的开环增益大大地增加了。例如，对于一个这种镇流器和小型荧光灯，发明人已经发现在大约4％的标定光输出以下，由于小型荧光灯存在于谐振电路的负载减小，系统增益开始迅速上升。高增益使得它难以形成稳定的闭环控制器。例如，在图4中，在谐振频率上，以1％的标定光输出的增益相对以5％的标定光输出的增益是非常高的。结果灯输出电流变得甚至对最轻微的波动也非常灵敏。

因此，小型荧光灯具有如上所述的熄火趋势，因此与线性荧光灯相比，更难以保持以低光输出水平工作。

根据本发明，为了降低增益，选择镇流器的工作频率完全不谐振，从而当以大约1％的标定光输出水平来操作灯时，镇流器用预定水平以下的例如15的开环增益来操作。通过改变频率例如从80kHz至85kHz，无论光输出例如是5％或1％，增益大约是相同的。这提供了稳定的控制环。

但是工作频率不必升到如此高，使得镇流器的输出阻抗降到预定水平以下(即，镇流器的输出阻抗应当保持在预定输出阻抗之上，例如最大负递增灯阻抗的绝对值)。通过在这个频率范围内操作，小型荧光灯可以调暗到大约1％光输出以下，没有熄火和没有闪动。

优选地，示例性镇流器包括用于选择工作频率的装置，使得开环系统增益在第一预定水平(大约15)以下并且镇流器输出阻抗在第二预定水平(大约为最大负递增灯阻抗的绝对值的两倍，但至少大于灯的最大负递增阻抗的绝对值)以上，其中该示例性镇流器用于将小型荧光灯调光到大约1％的光输出以下，示例性镇流器是包括具有预定空载谐振频率的谐振输出电路的这种类型的示例性镇流器。用于选择的装置优选包括具有频率确定RC网络以及所选择成份值的振荡器，从而在大约1％的标定光输出或在大约1％的标定光输出以下的灯的光输出是空载谐振回路谐振频率的预定函数。

开环系统增益定义为谐振电路输出电压与谐振电路输入电压的比率。

现在参照示例性实施例的附图，其中相同的附图标记表示相同的元件，图5是根据本发明的示例性系统的高级框图。系统提供从正弦电源到小型荧光灯500的电源变量。在图5中，火线输入和中线输入提供给前端401。系统一般包括前端401用已知的方式将来自电源的AC输入电压转换成存储在总线电容器Cbus的DC总线电压。

前端401的输出经过电容器Cbus提供给逆变器电路416，逆变器电路416将高频转换AC电压提供给谐振电路430。更具体地说，逆变器416是振荡器控制的并用已知的方式以D/1-D形式的互补操作运行周期进行转换，其中D是操作运行周期，因此用脉冲宽度调制波形来驱动谐振电路430。

谐振电路430可以包括DC阻挡电容器Cblock、谐振电感器Ltank和谐振电容器Ctank。谐振电路430将来自逆变器电路416的脉冲宽度调制波形转换成用于驱动灯500的高频AC电压。控制电路418将表示通过灯的电流的输入和表示期望光输出水平的输入调光控制信号进行比较，以通过调整逆变器416的工作频率和负载频率来控制通过灯的电流。来自谐振电路430的电流提供给灯500，以在可选择功率水平的范围达到和保持稳定的放电。下面进一步描述控制电路418。

在图6中示出包括电流反馈电路的控制电路418的一部分。运算放大器U7:A设置成积分器，其对来自相位-至-DC电路602的期望光水平信号与来自灯电流检测电路604的信号之间的差进行积分。相位-至-DC电路602接受来自控制输入的输入控制信号并将它转换成表示期望的光水平输出的DC水平。灯电流检测电路604以公知的方式提供表示灯电流的信号。用比较器U3:B将积分器的输出与来自振荡器702(图7)的输出作比较，产生驱动图5的半桥式逆变器电路416中的开关的脉冲宽度调制波形。

图7表示图5的控制电路418的另一部分，包括控制镇流器的工作频率的振荡器702。振荡器702包括部分集成电路U6、电阻R95和R124和电容器C84。低光输出水平的振荡器的频率取决于电阻R95和R124和电容器C84的值。电容器C84通过电阻R95和R124充电。当它达到由集成电路U6确定的值时，集成电路U6使电容器C84放电。

控制电路418还包括频率转移电路704，其以更高的期望光输出水平，通过改变从电阻R95和R124到C84可获得的充电电流来改变振荡器的工作频率。

相位-至-DC电路602供应期望的光水平信号到电阻R28，期望的光水平信号是与调光器控制输入成比例的电压。当通过由电阻R5和R28形成的分压器施加给U2:D的非逆变输入的电压低于电阻R3和R64的分压器施加的U2:D的逆变输入的电压时(靠近调光范围的下端)，U2:D的输出低，且晶体管Q1截止。那么工作频率由电阻R95和R124和电容器C84的值来确定。当来自相位-至-DC电路602的期望光水平信号增加时，施加到U2:D的非逆变输入的电压增加，从而造成U2:D的输出增加，因此接通晶体管Q1，使得振荡器的输出电流与期望的光水平信号成比例。振荡器的电流输出降低在高光输出水平操作的镇流器的镇流器的工作频率。

尽管描述的本发明用于小型荧光灯，在此描述的电路可以控制任何类型的气体放电灯。因为在不脱离本发明的范围的情况下可以对上述电路作出某些变化，所以在上述说明书包含的或附图所示的任何主题应该是说明性的解释，并没有限制意义。

本发明可以以合适的计算机软件的形式来体现，或以合适的硬件形式来体现或合适的硬件和软件的组合，而不脱离本发明的精神和范围。关于这种硬件和/或软件的进一步的详情对于本领域技术人员是显而易见的。因此，没有必要在此进一步描述这种硬件和/或软件。

尽管在此参照某些具体的实施例进行解释和描述，不过，本发明并不局限于所述的情形。相反，在本发明的精神和权利要求的等同范围内可以作出各种变型，而不脱离本发明。

Claims (12)

1.一种电子调光镇流器，用于对具有最大负递增阻抗的小型荧光灯进行调光，所述电子调光镇流器具有开环系统增益和输出阻抗，所述电子调光镇流器包括：

逆变器，具有输出和工作频率；

谐振电路，连接逆变器的输出；和

控制电路，控制逆变器的工作频率，使得开环系统增益在15以下，并且镇流器输出阻抗大于最大负递增阻抗的绝对值，从而所述镇流器能够在1％的标定光输出以下操作所述小型荧光灯，且没有可看到的闪动。

2.如权利要求1所述的电子调光镇流器，其中控制电路控制逆变器的工作频率，使得在1％的标定光输出处的开环系统增益等于在5％的标定光输出处的开环系统增益。

3.如权利要求1所述的电子调光镇流器，其中控制电路包括振荡器，振荡器包括用于确定所述工作频率的频率确定电阻器-电容器网络。

4.如权利要求3所述的电子调光镇流器，其中所述频率确定电阻器-电容器网络具有的元件值使得逆变器的工作频率是谐振电路的空载谐振频率的函数。

5.如权利要求1所述的电子调光镇流器，其中当所述逆变器的工作频率偏离谐振电路的空载谐振频率时，开环系统增益降低。

6.如权利要求1所述的电子调光镇流器，其中所述逆变器的工作频率不同于谐振电路的空载谐振频率。

7.一种用于对小型荧光灯进行调光的方法，所述方法使用包括具有空载谐振频率、开环系统增益和镇流器输出阻抗的谐振电路的这种类型的电子调光镇流器，将小型荧光灯调光到1％的标定光输出以下，荧光灯具有最大负递增阻抗，所述方法包括：

选择逆变器的工作频率，使得开环系统增益在15以下，并且使得镇流器输出阻抗大于所述最大负递增阻抗的绝对值，从而在1％的标定光输出以下操作所述小型荧光灯，且没有可看到的闪动。

8.如权利要求7所述的方法，还包括：选择逆变器的工作频率，使得在1％的标定光输出处的开环系统增益等于在5％的标定光输出处的开环系统增益。

9.如权利要求7所述的方法，其中选择所述逆变器的工作频率的步骤包括提供具有振荡器的控制电路，所述振荡器具有频率确定电阻器-电容器网络。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述频率确定电阻器-电容器网络具有的元件值使得所述逆变器的工作频率为谐振电路的空载谐振频率的函数。

11.如权利要求7所述的方法，其中当所述逆变器的工作频率偏离谐振电路的空载谐振频率时，开环系统增益降低。

12.如权利要求7所述的方法，其中所述逆变器的工作频率不同于谐振电路的空载谐振频率。

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