CN101061758A - 具有预热和调光控制的电子镇流器 - Google Patents

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CN101061758A CNA2005800392524A CN200580039252A CN101061758A CN 101061758 A CN101061758 A CN 101061758A CN A2005800392524 A CNA2005800392524 A CN A2005800392524A CN 200580039252 A CN200580039252 A CN 200580039252A CN 101061758 A CN101061758 A CN 101061758A
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Abstract

公开了一种镇流器电路，用于控制气体放电灯如小型荧光灯的预热、点亮或执行气体放电灯的调光。该镇流器电路具有：连接用于接收电源电压的一对输入端子的逆变器；连接开关晶体管逆变器以提供驱动信号的基极驱动变压器；连接开关晶体管逆变器的谐振电路；和连接基极驱动变压器的加载电路。该基极驱动变压器包括初级线圈和次级线圈组。该加载电路适于使基极驱动变压器至少临时饱和，由此在谐振电路中实现不同于谐振电路的自然谐振频率的振荡频率。

Description

具有预热和调光控制的电子镇流器
                     优先权
本申请要求在2004年11月29日提交的美国临时申请号为60/631192的优先权，这里加入其全部内容供参考。
                    技术领域
本发明涉及气体放电灯(如荧光灯)的镇流器，特别涉及用于在启动和稳定操作期间控制气体放电灯的预热序列或调光性能的电子镇流器电路。
                    背景技术
气体放电灯是一种人造光源，其根据完全不同于白炽灯的物理原理来工作。在通过加热金属灯丝直到其白热发光，白炽灯产生光时，气体放电灯通过特殊气体发送电流，从而产生光。根据使用的气体或混合物的类型，它直接产生可见光，或是先产生紫外光，然后使用荧光体(如荧光粉末或涂层)将紫外光转换成可见光。这两种类型的气体放电灯具有重要的商业应用。前者(直接产生光)常用作公园和道路照明，而后者(间接产生光)，特别是荧光灯，具有更广泛的应用，因为它们对产生的光色具有良好控制和展示。
与常规白炽灯相比，气体放电灯具有长寿命、低的管温度和高的光效率。为此，气体放电灯(特别是荧光灯)提供目前照明的大比例的需求，尽管它们制造起来更复杂和需要电子装置来提供流过气体的恰当电流。小型荧光灯大概是最好的已知气体放电灯，并且在工业和家庭应用中正在不断增多地代替常规白炽灯。
通过在位于灯每端的两个灯丝(还称为阴极或电极)之间施加高电压而电离封闭在灯中的汞蒸气，实现标准气体放电灯的操作。在点亮期间，灯丝的发射涂层的温度增加到用于发射电子的最佳值，并加热灯丝附近的汞蒸气。与白炽光源不同，如果气体放电光源直接连接到常规电压源，则它不能起动。此外，大多数气体放电光源(包括荧光灯)在工作中呈现负电阻特性，这意味着当灯以较低功率工作时，灯电压较高和电流较低，相反，当灯以较高功率工作时，灯电压较低和电流较高。如果灯直接连接到电压源，则负电阻特性可能导致工作不稳定。
由于这些原因，被称为镇流器的附件与气体放电灯一起使用，以执行必要的点亮和稳定。在两种主要类型的镇流器中，即电磁镇流器和电子镇流器，电子镇流器具有特别的重要性。电磁灯镇流器采用电磁感应来提供合适的起动和操作电条件，从而给气体放电灯供电，电子灯镇流器采用固态电子电路来实现这一功能。由于电子镇流器通常采用逆变器类型的电源对输入功率进行整流，然后在高频对其进行斩波，它们能将该电源的频率从标准主频改变为20000Hz或更高，这大大增加了气体放电灯的效率和基本上消除了与荧光或高亮度放电光相关的频闪效应。近年来，由于显著的效率提高以及半导体制造技术和高频开关技术的快速发展的进一步支持，电子镇流器在气体放电灯中变得越来越有优势了。
在灯工作如预热、点亮和正常工作的各个阶段期间，镇流器通过调整电压和电流来执行其功能。用于气体放电灯的镇流器通常根据产生点亮条件的方法来分类。其种类包括瞬时起动、快速起动、预热起动和程序起动镇流器。根据气体放电灯的类型和其它设计需要，可以找到更为适合的一种类型的镇流器。
瞬时起动镇流器省略预热阶段，并直接进行点亮和正常操作。为此，瞬时起动镇流器，包括在能量效率发光产品中常用的一些准瞬时起动电路(下面将进一步说明)，它们不需要用于预热的控制电路。在瞬时起动镇流器中，通过允许在灯和两个灯丝两端施加高电压(例如1000伏峰值)来产生电弧，由此用电弧电流加热灯丝，从而实现点亮所需的灯丝温度的增高。用于这种类型的镇流器的电路通常使灯跨接在高压源上(与其并联)，所述高压源通常是谐振电路。一般不提供通过灯丝的电流路径。事实上，瞬时起动镇流器通常与灯只有两个接点，每一端有一个接点。准瞬时起动电路在操作上与瞬时起动电路相似，除了准瞬时起动电路允许镇流器的谐振电流经过灯丝(通常用于通过谐振电路使得在除去灯期间不能产生高电压)，但是与瞬时起动电路一样，没有预热阶段，因此不用对预热进行控制。
相反，在将适中的高压(例如500V RMS)施加于灯两端来点燃灯之前，预热起动和程序起动镇流器通过允许电流在有限时间内(例如1秒或更短)流过灯丝本身来加热灯丝，使各灯丝分别达到发射温度。由于这些镇流器的电路提供经过灯丝的电流路径用于预热，因此它们可能需要控制电路来进行所希望预热过程，并且通常具有与灯的四个接点，在灯的每个灯丝端上各有两个。
在目前工业用途中，有很多电路变型和实施方案用于这些基本起动技术。如成本、灯寿命、镇流器尺寸、应用和与灯的接点数量等若干属性都影响采用的起动方法。例如，由于瞬时起动和准瞬时起动电路通常具有较低的成本和较高的效率，被广泛地用于低成本和节能光源市场中，其中低成本和高效率促进点亮方法的选择。在有些情况下，瞬时起动操作不仅可以降低初始产品成本，而且可以产生稍大的能量效率(即：每瓦光输出)，这是因为在灯正常操作期间没有灯丝加热功率输送给灯丝。为此，瞬时起动镇流器最经常是被选择用于其中使用大量的灯并且灯不频繁开关的普通办公室空间照明。对于其它低成本能量效率应用，例如在低成本结合用于在除去灯或灯丝有故障期间降低输出电压的需求的情况下，用户可选择准瞬时起动电路。
然而，灯的寿命短是使用瞬时起动或准瞬时起动镇流器的节能光附件的主要缺陷，特别是用在需要频繁开启灯的情况下(如在浴室或安装移动传感器的地方)。这就使得在很多应用中优选在点亮之前进行某种预热的镇流器。通常已知的是，预热起动方法由于在点亮之前灯丝的独立加热，导致在点亮序列期间降低灯丝发射涂层的老化，从而可以使得灯的寿命明显更长。
另一方面，预热起动方法一般需要附加的电路，以便减少在正常操作期间使用的灯丝加热功率，因此可能增加附加成本(与瞬时起动和准瞬时起动电路相比)。目前在市场上可得到的具有预热功能的镇流器由于明显更复杂的电路布局而使尺寸较大，并且价格昂贵。因此期望的是，在镇流器电路中引进一种低成本简化的电路，用于实现预热功能。此外，即使对于不进行预热的镇流器，往往希望具有用于某些性能的低成本方案，如用于在正常功能期间的调光功能。
                    发明内容
本申请公开了一种镇流器电路，用于控制气体放电灯如小型荧光灯的预热、点亮、或执行气体放电灯的调光功能。本发明的镇流器电路提供内置动态和/或可调的频率控制，用以执行各种功能，如预热、点亮和调光。与依赖于变压器的线性性能和复杂的控制电路来改变频率的常规电子镇流器电路相比，本发明利用驱动变压器在饱和条件下的非线性特性来改变驱动信号，由此使得该电路能够以不同于其自然谐振频率的频率振荡。
在一个实施例中，该镇流器电路具有开关晶体管逆变器、基极驱动变压器、谐振电路、和将负载施加于基极驱动变压器的加载电路。开关晶体管逆变器连接用于接收电源的一对输入端子。基极驱动变压器连接到开关晶体管逆变器，以提供驱动信号。谐振电路连接到开关晶体管逆变器。谐振电路还连接到气体放电灯，从而给灯供电。加载电路连接到基极驱动变压器。基极驱动变压器包括初级线圈和次级线圈组。加载电路适用于使基极驱动变压器至少暂时饱和，由此在谐振电路中实现不同于该谐振电路的自然谐振频率的振荡频率。
基极驱动变压器的次级线圈组还可包括连接到加载电路的负载线圈和次级线圈子组。在一个实施例中，次级线圈子组包括连接到开关晶体管逆变器的第一双极晶体管的第一次级线圈和连接到开关晶体管逆变器的第二双极晶体管的第二次级线圈。开关晶体管逆变器可以是半桥开关晶体管逆变器。
在一个实施例中，加载电路在镇流器电路的起动期间施加随着时间变化的动态负载。动态负载在镇流器电路的起动的初始部分期间使基极驱动变压器饱和。这导致比谐振电路的自然谐振频率f0更高的振荡频率，从而产生受控制的动态预热和点亮条件。
加载电路可包括R-C定时电路，该R-C定时电路具有定时电阻器R和定时电容器C。R和C的值以及基极驱动变压器的负载线圈的匝数N都是根据镇流器电路的期望起动定时特性确定的。
在另一实施例中，加载电路在气体放电灯的操作阶段期间施加可调负载，从而执行调光功能。可调负载可通过改变控制电压或者通过改变加载电路中的可变电阻器或电位计的电阻来调节。
本申请还公开了一种气体放电灯组件，其包括气体放电灯和镇流器电路，该镇流器电路包括用于控制气体放电灯的预热和点亮的动态加载电路。气体放电灯可以是荧光灯，如小型荧光灯。加载电路在气体放电灯的操作阶段期间还可施加可调负载，从而执行调光功能。
本发明可以便于形成适用于气体放电灯、特别是用于小型荧光灯的更便宜和更小巧的电子镇流器。
下面参照附图详细说明几个实施例，使前述和其它特征及优点更明确。
                 附图简要说明
图1表示根据本发明的采用预热或调光控制的镇流器的实施例的电路模型。
图2表示根据本发明的具有动态加载电路的实施例的镇流器的电路模型。
图3表示图2的镇流器电路的定时电容器C4两端的电压VC4的示意时序图。
图4表示图2所示的镇流器电路的开关频率的示意时序图。
图5表示根据本发明的具有动态加载电路的另一实施例的镇流器的电路模型。
图6-7表示基于图5的镇流器电路的示例镇流器电路的加载阻抗和开关频率的时序图。
图8表示根据本发明的具有用于调光控制的可调加载电路的实施例的镇流器的电路模型。
图9表示图8的镇流器电路的开关频率的示意时序图。
图10表示图8的镇流器电路的开关频率和负载晶体管Q4导通之后的可变电阻器VR1的电阻值之间的关系的示意图。
图11表示灯频率和基于图8的镇流器电路的示例镇流器电路的电位计电阻之间的测量关系的示意图。
图12表示灯频率和基于图8的镇流器电路的示例镇流器电路的灯输出功率之间的测量关系的示意图。
                   具体实施方式
下面参照附图详细介绍根据本发明的镇流器电路，其用于控制气体放电灯如小型荧光灯的预热、点亮或执行气体放电灯的调光功能，附图中相同的部分用相同的参考数字或文字表示。
图1表示根据本发明的采用预热和/或调光控制的镇流器的实施例的等效电路模型。该镇流器包括用于给气体放电灯110供电的镇流器电路100。镇流器电路100具有用于接收DC电源电压的正和负的DC输入端子B+和B-。另外，如图1中的电路方框所示，镇流器电路100包括逆变器120、基极驱动变压器T1、谐振电路130和驱动变压器加载电路140。
逆变器120连接到输入端子B+和B-。基极驱动变压器T1连接逆变器120以提供驱动信号。基极驱动变压器T1包括初级线圈T1A和次级线圈组，如图1中的实施例所示，次级线圈组包括第一次级线圈T1B基极驱动线圈、第二次级线圈T1C基极驱动线圈和第三次级线圈T1D。加载电路140通过AC输入端子150和155连接到基极驱动变压器T1的第三次级线圈T1D。在这种结构中，第三次级线圈T1D用作驱动变压器负载线圈。
如图1中具体实施的逆变器120的开关晶体管被连接作为半桥开关晶体管逆变器，半桥开关晶体管逆变器具有第一双极晶体管Q1，该第一双极晶体管Q1在其集电极连接到正DC输入端子B+。第一双极晶体管Q1具有连接到节点160的发射极。第一次级线圈T1B是连接在第一双极晶体管Q1的基极-发射极结之间的基极驱动线圈。逆变器120还包括第二双极晶体管Q2，其集电极连接到节点160。第二双极晶体管Q2具有连接到端子170的发射极。第二次级线圈T1C是连接在第二双极晶体管Q2的基极-发射极结之间的基极驱动线圈。
谐振电路130具有隔直流电容器C1、谐振电容器C2、和谐振电感器T2，它们都通过基极驱动变压器T1的初级线圈T1A串联连接并位于DC输入端子B+和节点160之间。经过节点160，谐振电路130连接到开关晶体管逆变器120。在应用中，谐振电路130直接连接到气体放电灯110的灯丝(未示出)，从而给灯110供电。
镇流器电路100的一个重要特性在于：加载电路140适于使基极驱动变压器T1至少临时饱和，从而使得以不同于谐振电路130的自然谐振频率f0的振荡频率驱动谐振电路130。
如下面将进一步介绍的，根据本发明的镇流器电路100具有在饱和状态时基极驱动变压器T1的非线性性能的优点，以提供独特的方式来控制逆变器操作，从而设置气体放电灯110的预热、点亮和其它操作(如包括在正常操作期间的调光功能的操作等级)。可以通过可以控制基极驱动变压器T1的饱和的独特的加载电路140，可以进行频率的变化、切换或“扫描”，而不需要复杂的频率控制电路用于频率变化。加载电路140可以设计成使得其可以给驱动变压器施加动态负载或可调负载，或者施加动态负载和可调负载。当加载电路140设计成向基极驱动变压器T1施加动态负载时，它使镇流器电路100产生自动和预定的预热起动序列，以起动气体放电灯110。如果加载电路140的设计修改成在镇流器电路100的正常操作期间向基极驱动变压器T1施加可调负载，则相应地改变逆变器120的振荡频率，从而实现气体放电灯110的可变输出功率，由此向气体放电灯110提供调光功能。
如本领域公知的，预热起动(包括程序起动)镇流器电路和一些准瞬时起动镇流器电路允许电流流过灯的灯丝。这种镇流器电路通常由谐振电路和逆变器开关来驱动。例如，通常利用变压器电路向镇流器电路中的逆变器开关提供驱动信息。变压器在输出阶段经过谐振电流的变压器耦合向逆变器晶体管提供驱动信号。在谐振电流开始流动时，正信号被提供给一个晶体管。在谐振电流增加、然后减、最终反向(如对于谐振条件是正常的)时，变压器驱动信号也增加、减小和反向。然后这个反向信号将使已经导通的驱动晶体管截止，并在驱动阶段的相反侧将正信号施加于另一晶体管。重复这个过程，以谐振电路的自然谐振频率产生振荡条件。
在具有谐振电路的镇流器电路中，流过灯丝的电流受到谐振电流的幅度的影响。因此应理解的是，通过改变谐振电流的幅度，可以控制流过灯丝的电流。如果使用流过灯丝的电流来预热灯丝，则可以通过控制谐振电流的幅度来控制预热电平。同样，通过控制谐振电流的幅度，还可以控制在正常操作期间气体放电灯的输出功率，从而执行调光功能。
另一方面，谐振电路的电流幅度取决于驱动电路的频率和/或占空比。因此通过在开关阶段改变驱动信号的频率，可以控制预热电平和/或调光等级。在预热期间，开关阶段中的驱动信号的频率可以在某个范围内变化，使得谐振电路产生足够的灯丝电流以使灯丝的温度升高，由此使气体放电灯为点亮做好准备。在点亮时，灯丝温度和信号频率都达到合适的值，以便保证可以点亮气体放电灯。点亮之后，气体放电灯达到正常操作的稳定状态，在正常操作期间，通过在开关阶段改变驱动信号的频率，可以控制气体放电灯的输出功率。通过这种方式，可以执行灯操作的所有三个阶段(即预热、点亮和正常操作)。
在这一点上，本发明提供新的电路和方法，用于以非常简单的电路控制主逆变器频率，所述简单的电路可以用低成本制造。本发明利用在饱和条件下的变压器的一些非线性性能来改变驱动信号，由此允许该电路以不同于谐振阶段的谐振频率的频率进行振荡。相反，常规镇流器电路取决于真实的、线性变压器操作，以给晶体管提供驱动信号。在需要改变驱动信号的频率的情况下，常规镇流器电路一般采用特殊的频率控制电路来实现所需的频率改变。(有些常规镇流器，如准瞬时起动电路，可以通过固定频率逆变器来驱动，并以单一固定频率运行。)
通过这里公开的内容，很清楚的是，根据本发明的镇流器电路100可以用在任何镇流器中，通过控制驱动谐振电路的开关阶段(如图1所示的半桥晶体管逆变器，或全桥开关，或者任何其它合适的开关装置)的频率和/或占空比，控制起动阶段(预热和点亮)和/或正常操作。这将在下面参照附图进一步说明。
再来参照图1，图1表示根据本发明的典型实施例，应该理解的是，如果允许驱动变压器T1在循环期间的某一点饱和，则将改变耦合到逆变器120的开关晶体管Q1和Q2的驱动信号。在该饱和点，驱动信号开始明显减小，在完成谐振循环之前允许被驱动的晶体管(Q1或Q2，取决于该循环的相位)开始截止。使逆变器120的被驱动晶体管(Q1或Q2)截止的效果导致谐振电感器T2中的电流下降，因此使谐振电流方向较早地反向。谐振电流的这种早反向导致驱动信号的频率特性改变，从而使得谐振电路130现在以其自然谐振频率f0或以上的频率进行振荡。
因此应该理解，逆变器120的振荡频率和相应地谐振电路130的振荡频率可以通过控制基极驱动变压器T1的饱和的点、程度和持续时间来控制。根据本发明的镇流器电路100通过控制施加于基极驱动变压器T1上的“负载”来控制基极驱动变压器T1的饱和。负载的控制又是使用通过负载线圈T1D耦合到基极驱动变压器T1的加载电路140来实现的。由加载电路140施加的负载作为时间的函数改变，或者可以使其改变，以便在起动期间提供不同的条件。这些条件包括变压器T1的饱和点(在时间域中)、饱和持续时间和饱和程度。
由加载电路140添加的负载增加了基极驱动变压器T1两端的总负载。这一增加的负载在足够大时，使基极驱动变压器T1饱和。一旦基极驱动变压器T1饱和，则由加载电路140施加的附加负载的进一步增加导致逐步增大逆变器频率。相反，由加载电路140施加的附加负载的减小导致逆变器频率降低，直到再次实现线性变压器操作为止。在变压器的线性区域中，从谐振电路130的谐振电流提供的反馈再次向逆变器120及其开关晶体管Q1和Q2提供自然驱动频率信息。
在驱动谐振电路130的逆变器频率从足够高的频率变为较低频率从而接近于谐振电路130的自然谐振频率时，实现了预热和点亮。当逆变器频率远远高于该自然频率时，谐振电路可能呈现高感应特性，产生小谐振电流。然而，在逆变器频率减小而变得更接近于该自然谐振频率时，谐振电流(其影响气体放电灯110的灯丝中的预热电流)增加。这个阶段的适当定时将导致由镇流器电路100进行的预热的期望量，直到它达到点亮条件为止，而点亮条件是通过减小频率和增加谐振电流，谐振电流已经将灯丝加热到用于发射的足够高的温度和在灯两端产生足够高的电压用于点亮的时候。点亮之后，镇流器电路100可以在稳定工作频率(或操作频率)下操作，从而输出所希望的灯功率。
应该理解，镇流器电路100只是本发明的典型实施例。本领域技术人员将认识到，上述公开的各个特征和方案可以使用不同的电路设计。例如，尽管逆变器120被示出为直接连接到输入端子B+和B-，它们也可以间接地连接其间的中间元件或电路(如功率因子校正模块)。对于另一例子，如图1的实施例所示的负载线圈T1D是添加在驱动变压器T1上的独立线圈(与初级线圈T1A和其它次级线圈T1B和T1C分开)。原则上并不要求这个特定的结构。此外，尽管典型镇流器电路100中的次级线圈组包括三个次级线圈(次级线圈子组T1B和T1C，以及作为负载线圈的附加的次级线圈T1D)，原则上，次级线圈组(和次级线圈子组)可包括任何数量(如一个、两个、三个或更多)的次级线圈。然而，在图1的镇流器电路100中所示的独立的负载线圈T1D是优选的，使得可以引入负载，而不影响基极驱动变压器T1和逆变器120的正常操作。当与其它镇流器电路隔开时，负载线圈T1D允许以最小成本引入简单负载和负载控制电路。
在稳定工作条件下，仍然可以调整由加载电路140施加的负载，从而改变镇流器电路100的逆变器频率，因此控制灯的光输出。因此可以执行调光功能，从而用可调的负载调节光输出。
如果希望进一步控制，可以给加载电路140添加附加电路，以便提供增强的或更精确的控制。除了通过控制频率来控制谐振电流的幅度之外，通过随着时间的变化来改变基极驱动变压器T1上的受控制的(动态的或可调的)负载，也可以控制谐振元件、特别是通常与灯并联的谐振电容器C2的两端的电压。例如，骤然降低基极驱动变压器T1上的负载将使用于驱动谐振电路的频率急剧下降。这又会引起灯110两端的电压的骤然增大，从而产生用于灯110之操作的点亮条件。
进一步增强本发明的措施包括添加电路来影响正常灯操作期间的驱动变压器负载，从而产生如除去灯期间的输出电压控制、灯使用寿命终止的效果，或任何其它可能的操作增强和保护方案。
如在下面的附加实施例中所示，本发明的优点之一在于：本发明使得可以用加载电路140中的象R-C定时电路那样简单的装置来控制频率(因此控制预热和调光)。R-C定时电路可以提供动态负载和可调负载。
(1)动态负载和预热控制
图2表示根据本发明的具有动态加载电路的实施例的镇流器的等效电路模型。该镇流器包括用于给气体放电灯210供电的镇流器电路200。镇流器电路200具有用于接收DC电源电压的正负DC输入端子B+和B-。如图2的电路方框所示，镇流器电路200包括逆变器220、基极驱动变压器T1、谐振电路230和连接到基极驱动变压器T1的驱动变压器加载电路240。
逆变器220连接到输入端子B+和B-。基极驱动变压器T1连接到逆变器220以提供驱动信号。基极驱动变压器T1包括初级线圈T1A和次级线圈组，在图2中所示的实施例中，次级线圈组包括第一次级线圈T1B基极驱动线圈、第二次级线圈T1C基极驱动线圈和第三次级线圈T1D。加载电路240(其细节如下所述)通过AC输入端子250和255连接到基极驱动变压器T1的第三次级线圈T1D。因此，在图2所示的实施例中，第三次级线圈T1D用作驱动变压器负载线圈。
如图2中具体实施的逆变器220的若干个开关晶体管被连接作为半桥开关晶体管逆变器，该半桥开关晶体管逆变器具有第一双极晶体管Q1，该第一双极晶体管Q1在其集电极连接到正DC输入端子B+。第一双极晶体管Q1具有连接到节点260的发射极。第一次级线圈T1B是跨接在第一双极晶体管Q1的基极-发射极结之间的基极驱动线圈。逆变器220还包括第二双极晶体管Q2，其集电极连接到节点260。第二双极晶体管Q2具有连接到端子270的发射极。第二次级线圈T1C是跨接在第二双极晶体管Q2的基极-发射极结之间的基极驱动线圈。
谐振电路230具有隔直流电容器C1、谐振电容器C2、和谐振电感器T2，它们都通过基极驱动变压器T1的初级线圈T1A串联连接并位于DC输入端子B+和节点260之间。经过节点260，谐振电路230连接到逆变器220。在应用中，谐振电路230直接连接到气体放电灯210的灯丝(未示出)，并对其供电。
图2中的加载电路240是图1的加载电路140的方框表示的典型实施例。加载电路240具有由四个二极管(D1、D2、D3、D4)构成的桥式整流器、负载电阻器R1、负载晶体管Q4、定时电阻器R2和R3、和定时电容器C4。R2、R3和C4的定时电路允许Q4缓慢地截止。负载晶体管Q4的截止的延迟使得气体放电灯210能够被适当地启动。
桥式整流器(D1、D2、D3和D4)的正DC输出端子280连接到负载电阻器R1上。桥式整流器(D1、D2、D3和D4)的负DC输出端子270连接到负DC输入端子B-上。定时电阻器R3连接到正DC输入端子B+和负载晶体管Q4上。
加载电路240使用简单的R-C定时电路，从而在该电路启动时提供固有的动态负载特性。当DC电压Vin施加于DC输入端子B-和B+之间时，将通过定时电阻器R3给定时电容器C4充电。使用定时电阻器R2来限制定时电容器C2两端的最高电压。加载电路240和受影响的逆变器频率的机制被进一步描述在图3和图4中，并在下面加以说明。
图3表示图2的镇流器电路200的定时电容器C4两端的电压VC4的示意时序图。当从B+向B-施加足够高的DC电压时，接通镇流器电路200。这一过程例如可以通过另一输入电路(如来自AC电源的全波整流器或任何其它常用滤波器、整流器和功率因子校正方案(未示出))来实现。当镇流器电路200接通时，电压VC4随着时间上升，直到它达到Vin×R2/(R2+R3)为止。在负载晶体管Q4的发射极上的电压VQ4e大致等于VC4+0.7V，并在VC4上升时，随着时间升高。
在VQ4e随着时间升高时(如图3所示)，施加于负载电阻器R1上的电压V280-VQ4e一般会下降(V280是DC输出端子280两端的电压，VQ4e是负载晶体管Q4的发射极上的电压)。电压V280-VQ4e的精确定时特性是复杂的，因为V280也随着时间变化。在V280接近于VQ4e时，流过负载电阻器R1的电流IR1接近于零。如果V280变得小于VQ4e，则IR1为零，并且不从负载线圈T1D输送电流。此外，流过初级线圈T1A的电流也将限制IR1的最大电流。
尽管精确地介绍上述电压和电流如何变化是不简单的(并且不是关键的)，应该理解，在启动期间，负载晶体管Q4最初将导通(因此负载电阻器R2连接到端子B-1上)，然后在初始时间周期之后截止，导致负载线圈T1D两端的有效负载阻抗增加。总体效果是：在镇流器电路200导通之后，通过负载线圈T1D施加的附加负载随着时间动态地减小。如这里进一步介绍的，这个初始时间周期可用作预热时间，其中在该时间周期期间，负载线圈T1D两端的负载阻抗相对较低(负载饱和以及相应的开关频率相对较高)。
图4表示图2中所示镇流器电路200的开关频率的示意时序图。由于在镇流器电路200接通之后，负载线圈T1D两端的负载阻抗随着时间动态地增加，镇流器电路200的开关频率随着时间动态地减小。如上所述，在通过负载线圈T1D施加足够的附加负载时，基极驱动变压器T1将饱和，导致镇流器电路200中的开关频率比谐振电路230的自然谐振频率高。当由基极驱动变压器T1的负载线圈(第三次级线圈)T1D施加的附加负载变低时，镇流器电路200的开关频率减小。
如图4中进一步所示，在镇流器电路200已经启动之后的初始时间周期内，镇流器电路200的开关频率相对较高。至少一部分初始周期可用于预热，并且相应的频率可被称为预热频率。通过该时间，开关频率下降到足够低，以便允许谐振电路产生点亮电压(如图4中的点亮频率所示)，灯210的灯丝被充分地预热到用于点亮的所希望的温度。点亮之后，开关频率继续下降，直到它达到所希望的工作频率fw为止。
上面是镇流器电路200所固有的动态过程。当镇流器电路200接通时，该动态过程自动地发生。这个动态过程的详细特征通过专门的设计来确定的，包括电路的元件的物理特性(如电阻器和电容器)的值。在设计根据本发明的镇流器电路200时，可仔细地选择加载电阻器R1的值和线圈T1D的匝数(N)，以便实现预热频率的所希望范围，同时可以选择定时电容器C4的值，以便实现所希望的预热时间和预热持续时间。
图5表示根据本发明的具有动态加载电路的另一实施例的镇流器的电路模型。镇流器电路500具有加载电路550，该加载电路550是图2的镇流器电路200中的动态加载电路240的变型/修改方案。镇流器电路500给气体放电灯510供电。除了用于接收DC电源电压的正负DC输入端子B+和B-之外，如图5的电路方框图所示，镇流器电路500包括逆变器520、基极驱动变压器T1、谐振电路530和连接到基极驱动变压器T1的加载电路540。
与图2中的动态加载电路240相反，加载电路540中的定时电路采用两个NPN晶体管(Q4和Q5)而不是一个PNP晶体管。加载电路540具有桥式整流器(D1、D2、D3和D4)、负载电阻器R1、偏置电阻器R4、启动晶体管Q4和Q5、定时电阻器R2和R3、以及定时电容器C4。
加载电路540采用简单的RC定时电路，在该电路启动时提供固有的动态负载性能。加载电路540的机制在图6和图7中示出，并在下面介绍。
图6和图7表示基于图5的镇流器电路500建立的示例镇流器电路的负载阻抗和开关频率的时序图。当DC电压Vin施加于DC输入端子B-和B+之间时，晶体管Q4导通；负载线圈T1D两端的初始负载阻抗等于R1。定时电容器C4通过定时电阻器R3来充电。这对应于以图7所示的相对较高开关频率为特征的大约0.5秒的初始时间周期。在这个初始时间周期期间，负载线圈T1D两端的负载阻抗较低，并且负载线圈T1D向基极驱动变压器T1施加足够高的负载，从而使变压器T1饱和(图6)。
定时电阻器R2限制定时电容器C4两端的最高电压。当定时电容器C4两端的电压高得足以导通晶体管Q5时，偏置电阻器R4将被接通到B-。这就使晶体管Q4截止。结果是，负载阻抗现在将等于R1+R4(反映从R1的初始值增加)。负载阻抗的增加导致较少的加载，并使基极驱动变压器T1远离饱和条件。这一点是通过图7所示的开关频率的下降来反映。
图6-7所示的数据是用于小型荧光灯的镇流器的典型数据，预热持续时间大约为半秒，点亮时间为持续大约5ms。在启动期间，开关频率从70kHz变为53kHz。
应该理解的是，图2中的动态加载电路240和图5中的加载电路540只是根据本发明的可用于控制气体放电灯的启动的动态加载电路的例子。还应该理解的是，逆变器220和谐振电路230的元件可以用很多方式重构。例如，隔直流电容器C1、谐振电容器C2和谐振电感器T2可以按各种顺序设置。
在替换实施例中，谐振电路230可以返回到端子B-而不是B+。在另一实施例中，加载电路240的AC输入(在250和255)可以经过二极管返回到镇流器电路200，该二极管通常处于相位控制或功率因子校正电路中。
(2)可调加载和调光控制
对图2的镇流器电路200中的动态加载电路240稍作修改可以实现一种可调加载电路，用于除灯启动以外的其他目的，如在正常操作期间的调光功能。
图8表示根据本发明的具有用于调光控制的可调加载电路的实施例的镇流器的等效电路模型。该镇流器包括用于给气体放电灯810供电的镇流器电路800。镇流器电路800的整个电路设计类似于图2的镇流器电路200。除了用于接收DC电源电压的正负DC输入端子B+和B-之外，如图8的电路方框图所示，镇流器电路800包括逆变器820、基极驱动变压器T1、谐振电路830和连接到基极驱动变压器T1的加载电路840。
与图2中的动态加载电路240相反，可调加载电路840采用具有可变电阻器VR1的电位计，所述可变电阻器VR1连接到桥式整流器(D1、D2、D3和D4)的DC输出端子880上。此外，图8的可调加载电路840中的负载晶体管Q4是NPN晶体管，而不是图2的加载电路200中的PNP晶体管。
在向镇流器电路800加电和负载晶体管Q4被偏置导通之后，可以调整可变电阻器VR1，从而使加载电路840施加的有效负载为可调的负载。具体地说，通过调节可变电阻器VR1(可以通过将简单的电位计来实现)，加载电路840施加能控制基极驱动变压器T1的饱和的可调负载，从而形成可变振荡频率，这进而形成气体放电灯810的可调功率输出。具有可调加载电路840的镇流器电路800的特性进一步在图9-12中示出，并将在下面介绍。
图9表示图8的镇流器电路800的开关频率的示意时序图。T表示在已经施加图8中的Vin之后接通图8中的NPN负载晶体管Q4的延迟时间。在延迟时间T期间，NPN负载晶体管Q4截止，并使可变电阻器VR1有效地断开电连接。延迟时间T之后，NPN负载晶体管Q4导通，并且可变电阻器VR1电连接在负载线圈T1D两端，从而允许可调负载。延迟时间T的持续时间由可调加载电路840中的具有R2、R3和C2的R-C定时电路来控制。延迟时间T允许镇流器电路800在启动期间正常接通。
负载晶体管Q4已经导通之后，从基极驱动变压器T1的负载线圈T1D输送负载电流IVR1。IVR1的值与VR1的值成反比。同时，流过初级线圈T1A的电流还限制IVR1的最大电流。通过控制VR1的值，镇流器电路800的开关频率可以在fmax和fmin的范围内调节，其中fmax和fmin分别是可以通过调节电位计VR1来实现的最高频率和最低开关频率。这在图10-11中被进一步示出。
图10表示图8的镇流器电路800的开关频率和负载晶体管Q4导通之后的可变电阻器VR1的电阻值之间的关系的示意图。
图11表示灯频率和基于镇流器电路800建立的示例镇流器电路的电位计电阻之间的测量关系的示意图。
从图10-11可以看出，随着可变电阻器VR1(或电位计电阻)的值增大，开关频率减小。
图12表示灯频率和基于镇流器电路800建立的示例镇流器电路的灯输出功率之间的测量关系的示意图。随着镇流器电路800的开关频率减小，灯810的光输出增加，反之亦然。因此，通过调节可变电阻器VR1的值，可以调节镇流器开关频率和灯810的光输出。如果镇流器电路800和气体放电灯810的组件被构成为在灯810的最高输出电平正常地起动，调节可变电阻器VR1将执行调光功能。
应该理解的是，图8中的可调加载电路只是根据本发明的可以用于实现这种调光应用的可调负载电路的一个例子。
还应该理解的是，逆变器820和谐振电路830的元件可以用很多方式重构。例如，三个主谐振元件(隔直流电容器C3、谐振电容器C4和谐振电感器T2)可以按任何顺序来设置。
在替换实施例中，谐振电路830可以返回到端子B-而不是B+。在另一实施例中，AC输入(在850和855)可以经过二极管返回到镇流器，该二极管通常处于相位控制或功率因子校正电路中。
通过如在数字式能量管理系统中常用的更复杂得多的控制电路进行动态负载的控制，还可以实现进一步的控制增强，其中在数字式能量管理系统中，由随后可影响动态负载上的控制的电路发送和接收数字和模拟控制信号。这些信号可以通过工业上已知的很多方法发送到镇流器，包括但不限于：电力线载波、数字和模拟控制方案，如DALI和0到10伏系统，甚至更低的功率RF。
因此，根据本发明的镇流器电路可以用于控制气体放电灯(如小型荧光灯)的预热、点亮和/或调光。根据本发明的镇流器电路可构成为执行这里公开的特征的各种组合，包括预热和点亮但没有调光，调光但没有预热和点亮(这种情况下，可能需要其它电路用于预热和点亮)、以及预热/点亮和调光。本发明的镇流器电路提供简单的和低成本的动态和/或可调频率控制以执行这些功能。与依赖于变压器的线性性能和用于改变频率的复杂频率控制电路的常规电子镇流器电路相反，本发明利用驱动变压器在饱和条件下的非线性性能以改变驱动信号，由此允许该电路以不同于谐振电路的自然谐振频率的频率进行振荡。
在前面的说明中，参考本发明的具体实施例介绍了本发明公开的内容，但是本领域技术人员将认识到本发明公开的内容不限于此。上述公开的各种特征和方案可以单独或组合使用。此外，本公开可以用在这里所述以外的任何数量的环境和应用中，而不脱离本说明书的较宽宗旨和范围。我们要求保护落入下述权利要求书的范围和宗旨内的所有变型和修改方案。相应地，说明书和附图应被视为是示意性的，而不是限定性的。应该认识到，这里使用的术语“包括”、“包含”和“具有”具体来说应该看作是开放式技术用语。

Claims (21)

1、一种镇流器电路，用于控制气体放电灯如小型荧光灯的镇流器，该镇流器电路包括：
一对输入端子，用于接收电源电压；
逆变器，连接该输入端子；
基极驱动变压器，连接该逆变器以提供驱动信号，该基极驱动变压器包括初级线圈和次级线圈组；
谐振电路，连接到该逆变器，该谐振电路适于电连接该气体放电灯；和
加载电路，连接到该基极驱动变压器，该加载电路适于至少使该基极驱动变压器临时饱和，由此在该谐振电路中实现不同于该谐振电路的自然谐振频率的振荡频率。
2、根据权利要求1所述的镇流器电路，其中，该加载电路在该镇流器电路起动期间施加随着时间改变的动态负载。
3、根据权利要求1所述的镇流器电路，其中，该加载电路在该镇流器电路的起动的初始部分期间施加使该基极驱动变压器饱和的动态负载，从而在该谐振电路中形成从fmax到fmin变化的振荡频率，其中至少fmax高于该谐振电路的自然谐振频率f0。
4、根据权利要求1所述的镇流器电路，其中，该加载电路在该镇流器电路起动期间施加随着时间变化的动态负载，该起动包括预热阶段和随后的点亮阶段，在该预热阶段期间，该动态负载控制该基极驱动变压器的饱和，同时该谐振电路在该气体放电灯的灯丝中产生灯丝电流，以预热这些灯丝到足够用于点亮灯的温度。
5、根据权利要求1所述的镇流器电路，其中，该加载电路在该气体放电灯的操作阶段期间施加可调负载，从而执行调光功能。
6、根据权利要求5所述的镇流器电路，其中，通过改变可变电阻器或电位计的电阻或者通过改变该加载电路中的控制电压来调节该可调负载。
7、根据权利要求1所述的镇流器电路，其中，该基极驱动变压器的次级线圈组包括次级线圈子组和独立的负载线圈，该负载线圈连接该加载电路。
8、根据权利要求7所述的镇流器电路，其中，该逆变器是包括第一双极晶体管和第二双极晶体管的开关晶体管逆变器，并且其中该次级线圈子组包括连接到该第一双极晶体管的第一次级线圈和连接到该第二双极晶体管的第二次级线圈。
9、根据权利要求1所述的镇流器电路，其中，该逆变器是半桥开关晶体管逆变器。
10、根据权利要求1所述的镇流器电路，其中，该加载电路包括具有定时电阻器R和定时电容器C的R-C定时电路，并且该基极驱动变压器的次级线圈组包括具有N匝的独立的负载线圈，R、C和N的值根据该镇流器电路的期望起动定时特性来确定。
11、根据权利要求1所述的镇流器电路，其中，在所述输入端子接收的电源电压是DC电源电压。
12、一种镇流器电路，用于控制气体放电灯如小型荧光灯的操作，该镇流器电路包括：
逆变器，连接到用于接收电源电压的一对输入端子；
基极驱动变压器，连接到该逆变器以提供驱动信号，该基极驱动变压器包括初级线圈和多个次级线圈；
谐振电路，连接该逆变器，该谐振电路适于电连接该气体放电灯；和
加载电路，连接到该基极驱动变压器，其中，该加载电路施加使该基极驱动变压器至少部分饱和的可调负载，从而在该谐振电路中产生可从faax到fmin变化的振荡频率以及在从Pmin到Pmax范围内的该气体放电灯的相应功率输出。
13、根据权利要求12所述的镇流器电路，其中，所述多个次级线圈包括第一次级线圈、第二次级线圈和第三次级线圈，该第三次级线圈连接该加载电路。
14、根据权利要求12所述的镇流器电路，其中，在灯起动期间，该加载电路施加动态负载，以使该基极驱动变压器至少临时饱和，从而预热和点亮该气体放电灯。
15、根据权利要求12所述的镇流器电路，其中，该加载电路包括具有电位计的R-C定时电路，通过该电位计调节该可调负载。
16、根据权利要求12所述的镇流器电路，其中，通过改变该加载电路中的控制电压来调节该可调负载。
17、根据权利要求12所述的镇流器电路，其中，该可调负载被手动调节，以执行调光功能。
18、一种气体放电灯组件，包括：
气体放电灯；和
镇流器电路，用于控制该气体放电灯的预热、点亮和正常操作，该镇流器电路包括：
一对输入端子，用于接收电源电压；
开关晶体管逆变器，连接到所述输入端子；
基极驱动变压器，连接到该开关晶体管逆变器以提供驱动信号，该基极驱动变压器包括初级线圈和多个次级线圈；
谐振电路，连接到该开关晶体管逆变器，该谐振电路适于电连接该气体放电灯；和
加载电路，连接到该基极驱动变压器，其中，该加载电路在该镇流器电路的起动的初始部分期间施加使该基极驱动变压器饱和的动态负载，从而在该谐振电路中产生从fmax到fmin变化的振荡频率，其中至少fmax高于该谐振电路的自然谐振频率。
19、根据权利要求18所述的气体放电灯组件，其中，该气体放电灯是荧光灯。
20、根据权利要求18所述的气体放电灯组件，其中，该加载电路在该气体放电灯的操作阶段期间施加可调负载，以执行调光功能。
21、一种气体放电灯组件，包括：
气体放电灯；和
镇流器电路，用于控制该气体放电灯的预热、点亮和正常操作，该镇流器电路包括：
一对输入端子，用于接收电源电压；
开关晶体管逆变器，连接到所述输入端子；
基极驱动变压器，连接到该开关晶体管逆变器以提供驱动信号，该基极驱动变压器包括初级线圈和多个次级线圈；
谐振电路，连接到该开关晶体管逆变器，该谐振电路适于电连接该气体放电灯；和
加载电路，连接到该基极驱动变压器，其中，该加载电路施加使该基极驱动变压器至少部分饱和的可调负载，从而在该谐振电路中产生可从fmax到fmin变化的振荡频率以及在从Pmin到Pmax范围内的该气体放电灯的相应功率输出。
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