CN101288345A - 用于放电灯的电子镇流器、使用电子镇流器的照明设备和具有照明设备的照明系统 - Google Patents

Abstract

一种用于操作至少一个放电灯的电子镇流器，包括，提供恒定直流电压的斩波器，被配置用于将来自斩波器的直流电压转换成高频交流电压的逆变器，以及用于谐振高频交流电压以产生被提供给至少一个放电灯用于其操作的谐振交流电压的谐振电路。电子镇流器还包括被配置用于指定与由至少一个放电灯确定的功率要求相对应的目标功率的功率调节器，以及基于流过谐振电路的谐振电流通过反馈控制改变逆变器的开关频率以将提供给放电灯的输出功率维持在目标功率的逆变器控制器。

Description

用于放电灯的电子镇流器、使用电子镇流器的照明设备和具有照明设备的照明系统

技术领域

本发明一般地涉及使用逆变器来操作一个或多个放电灯的电子镇流器、照明设备和使用照明设备的照明系统。

技术背景

一般地，用于放电灯的电子镇流器包括用于对来自商用电源的整流后的直流电压进行功率转换的斩波器，以及接收斩波器的输出功率以将高频功率提供给放电灯的逆变器。镇流器被配置成用于响应于放电灯侧的变化的功率需求来调节来自斩波器的输出功率，即改变构成斩波器的开关元件的开关频率以调节斩波器的输出功率以与不同功率需求的放电灯相匹配。

但是，在放电灯的功率需求会在更大程度上改变的情况下，例如，在操作单个放电灯与多个放电灯的情况之间的相当大的负荷功率差别的情况下，就变得有必要根据功率需求改变构成斩波器的感应器。例如，如图2所示，操作45W额定功率的单个放电灯与操作两个放电灯相比，在相应电源电压下斩波器的开关元件的工作频率最大有约为两倍的差距。在这种情况下，由于对斩波器在调节其输出功率上的限制，驱动斩波器的开关元件的工作频率或者开关元件的导通期间可能超出由斩波器的集成控制电路给出的可控范围。例如，当放电灯需要较少功率时，斩波器的开关元件的工作频率变得相当高，引起过高的斩波器输出电压。为了避免这个问题，可能认为有效的是使用具有大的电感的感应器用于斩波器以将工作频率维持在低的范围内。但是，当负荷功率增加时，这种方案将遭受斩波器输出功率的不足，即使通过增加开关元件的导通期间也如此，从而使得难以提供逆变器所需的功率。结果，单个镇流器对于选择性地操作单个放电灯和多个灯来说实际上是不可能的。这提出了下面的问题，即，需要分别的设计来制造各个斩波器以符合一个或多个放电灯侧的功率需求以及具有不同电感的感应器的使用。

发明内容

考虑到上述问题，本发明已经被实现用于提供具有覆盖从单灯操作到多灯操作的大负荷功率变化的情况的单一电路设计的电子镇流器。

根据本发明的电子镇流器被配置成用于操作至少一个放电灯，并且包括用于对交流电压进行整流以给出直流电压的整流器，包括感应器、电容器和被控制用于反复截断通过感应器的来自整流器的直流电压以在电容器上产生恒定直流电压的开关元件的斩波器，包括被控制用于在合适的开关频率导通或断开以将来自斩波器的直流电压转换成高频交流电压的至少一个开关元件的逆变器，以及包括感应器和第一电容器、并且被配置成用于谐振高频交流电压以产生将被施加给至少一个放电灯用于其操作的谐振交流电压的谐振电路。

电子镇流器的特征在于包括被配置用于指定与由至少一个放电灯决定的功率需求相匹配的目标功率的功率调节器，以及被配置用于监视表示流入谐振电路的谐振电流的谐振指数以及用于基于谐振指数以反馈方式改变所述逆变器的开关频率以将施加给至少一个放电灯的输出功率维持在目标功率的逆变器控制器。

利用这种安排，本发明的电子镇流器基于通过谐振电路的谐振电流进行反馈控制以调节被馈送给放电灯的输出电压，并且维持输出功率与负荷侧的功率需求相匹配。这样，就不需要调节来自斩波器的输出电压，这使得能够通过具有相同电路设计的电子镇流器来进行单灯操作和多灯操作。

本发明的电子镇流器可以包括被配置用于检测环境温度的温度传感器。在这种情况下，逆变器控制器优选地被配置用于还基于环境温度来改变开关频率以将施加给至少一个放电灯的输出功率维持在目标功率。考虑到放电灯需要的功率随环境温度改变，通过基于环境温度来调节输出功率以确保更稳定的灯操作。

优选地，谐振电路第一谐振电路和第二谐振电路，第一谐振电路包括在逆变器的输出端之间串联连接的感应器和第一电容器，第二谐振电路包括第二电容器，该第二电容器与至少一个放电灯在第一电容器两端之间串联连接。通过使用这样配置的谐振电路，可能对输出功率进行一致的控制以与负荷相匹配从而确保更稳定的放电灯操作。

此外，逆变器控制器可以被配置用于在随功率需求改变的预定范围内改变开关频率。这种安排使得能够根据负荷进行一致的输出控制用于稳定的灯操作。

本发明还公开了配备有如在前面限定的电子镇流器和至少一个放电灯的照明设备，以及包括多个照明设备和被配置用于管理照明设备的控制器的照明系统。

附图说明

图1是图示根据本发明第一实施例的电子镇流器的电路图；

图2是图示与根据放电灯数量改变斩波器频率的现有技术相关联的问题的图；

图3是图示可应用于上述电子镇流器的另一个插座的电路图；

图4是图示可应用于上述电子镇流器的又一个插座的电路图；

图5是图示在不同额定功率的放电灯的情况下上述电子镇流器的逆变器工作频率的变化的图；

图6是图示上述电子镇流器的逆变器工作频率随环境温度的变化而变化的图；

图7和8是图示包含上述电子镇流器的照明设备的透视图；以及

图9是图示使用上述照明设备的照明系统的示意图。

具体实施方式

第一实施例

现在参照图1的电路图，对根据本发明第一实施例的电子镇流器进行解释。电子镇流器被设计成用于操作两个串联连接的放电灯La1和La2，并且包括滤波器10、整流器电路20、斩波器30、逆变器60、斩波器控制器40、逆变器控制器70和被连接到逆变器60的谐振电路80。电子镇流器的电路接地Gnd通过电容器12被连接到大地E/G。

来自商用电压源的交流电压通过滤波器10和二极管的整流器电路20被转换成脉动直流电压。脉动直流电压通过斩波器30的开关元件Q1的开关操作经由感应器T1和二极管D1被提供给平滑电容器C4。开关元件Q1的开关时间由斩波器控制器40控制，以在平滑电容器C4上产生总体上恒定的直流电压。

来自斩波器30的直流功率通过逆变器60的开关元件Q2和Q3的开关操作被转换成高频功率以提供给谐振电路80。谐振电路80包括感应器T2、电容器C7和C8，并且谐振电路80的输出端被连接到放电灯La1和La2。由谐振电路80与放电灯La1和La2的复合阻抗以及开关元件Q2和Q3的开关操作所确定的高频功率被提供给放电灯La1和La2。

虽然如图1所示插座被配置用于操作两个串联连接的放电灯，但是插座可以如图3和4所示地被配置分别用于单灯操作和多灯操作。

逆变器控制器70包括控制集成电路IC2，用于控制以进行逆变器60的开关元件Q2和Q3的高频开关操作。此外，逆变器控制器70被配置用于设置由放电灯的额定功率和所使用的灯的数量确定的目标功率。即，逆变器控制器70包括用于设置开关元件Q2和Q3的基本工作频率以产生目标功率的功率调节电路72，以及用于与目标功率相匹配地调节输出功率的反馈控制电路74。反馈控制电路74被配置用于检测流过谐振电路80的谐振电流，以基于谐振电流对来自逆变器60的输出进行反馈控制。

现在，对斩波器30和作为斩波器30的控制电路的斩波器控制器40的结构和功能进行简要说明。斩波器30包括感应器T1、电容器C3、开关元件Q1和平滑电容器C4。电容器C3连接在整流器20的输出端之间，而感应器T1的一次绕组与开关元件Q1在整流器20的输出端之间串联连接。平滑电容器C4与二极管D1在开关元件Q1的两端之间串联连接以通过开关元件Q1的开关操作来累积平滑直流电压，并提供平滑直流电压作为斩波器30的输出。电流检测电阻器R1被连接到开关元件Q1的源端。

斩波器控制器40被提供以给出开关元件Q1的最佳操作，并且斩波器控制器40具有基本上等同于可从摩托罗拉公司购得用作功率因子改进电路的一般的斩波器控制IC“MC32262”的配置。控制IC的结构已经是公知的，在这里不详细说明。而是对用于控制集成电路IC1的外部构件进行简单说明。

控制集成电路IC1的1号管脚(输出电压反馈端)适用于接收平滑输出电压Vdc被与平滑电容器C4并联连接的可变电阻器VR1和电阻器R11的串联电路分压后的电压。

2号管脚(误差放大器输出/补偿端)被连接到电容器C15和电阻器R14的并联组合。

3号管脚(倍增器(multiplier)输入端)适用于接收斩波器输入电压(电容器C3上的电压)的脉动电压被电阻器R9和R10分压后的电压，并且还被连接到与电阻器R10并联的电容器C14。

4号管脚(电路检测输入端)适用于通过电阻器R13接收电阻器R1上的电压，用于检测流过开关元件Q1的电流，并且被连接到与电阻器R13并联的电容器C16。

5号管脚(零电流检测输入端)被连接以通过电阻器R12接收感应器T1的二次绕组的输出，用于检测流过感应器T1的电流过零。

6号管脚(接地端)被连接到电路接地Gnd。

7号管脚(输出端)通过电阻器R3和R4被连接到开关元件Q1的栅极端，用于驱动开关元件Q1。

8号管脚(电源电压端)被连接以接收作为控制电路的电源的电压Vcc，所述电压被电阻器R20和R21分压并且由电容器C13平滑、由齐纳二极管ZD1稳定。

通过这种配置，控制集成电路IC1基于到3号管脚的输入检测输入到斩波器30的脉动电压，基于到1号管脚的输入检测斩波器30的平滑输出电压，基于到4号管脚的输入检测流过开关元件Q1的电流，以及基于到5号管脚的输入检测流过感应器T1的电流，用于控制开关元件Q1的操作以产生预定的输出直流电压。

逆变器60接收所产生的在斩波器30的输出端之间的直流电压(电容器C4上的平滑直流电压Vdc)，以产生高频交流输出。开关元件Q2使其漏极连接到斩波器30的输出端，使其源极连接到开关元件Q3的漏极。开关元件Q3的源极被连接到用于反馈控制电路的检测电阻器R2。电阻器R2被连接到电路接地Gnd。开关元件Q2和Q3的栅极以及逆变器60的输出端被连接到逆变器控制器70。

逆变器控制器70的结构基本上等同于可从ST微电子(STMicroelectronics)得到的内置了运算放大器的一般控制器IC“L6574”。结构是公知的，这里不详细说明。而是将对用于控制器集成电路IC2的外部构件进行说明。

控制器集成电路IC2的1号管脚(预热时间设置电容器端)被连接到电容器C17，而控制器集成电路IC2的2号管脚(预热频率设置电阻器端)被连接到电阻器R17。电容器C17和电容器R17给出确定预热频率的时间常数。

控制器集成电路IC2的3号管脚(照明频率设置电容器端)被连接到电容器C18，而控制器集成电路IC2的4号管脚(照明频率设置电阻器端)被连接到可变电阻器VR2和电阻器R22。电容器C18、可变电阻器VR2和电阻器R22给出确定灯工作频率的时间常数。这样，控制器集成电路IC2可与电容器C18、可变电阻器VR2和电阻器R22协作以界定功率调节电路72，该功率调节电路72确定被提供给放电灯的目标功率即基本工作频率。可以通过改变可变电阻器VR2的电阻来调节目标功率(基本工作频率)。

关于控制器集成电路IC2的5号管脚(内置运算放大器的输出端)、6号管脚(内置运算放大器的输入端)和7号管脚(内置运算放大器的(+)端)，6号管脚被连接到逆变器60的开关元件Q3的源电阻器R2，7号管脚被连接以接收Vcc被与Vcc并联连接的可变电阻器VR3和电阻器R15分压后的电压。电容器C19和电阻器R19的并联电路被连接在5号管脚(内置运算放大器的输出端)和6号管脚(内置运算放大器的输入端)之间，而二极管D4和电阻器R23的串联电路被连接在4号管脚(照明频率设置电阻器端)与5号管脚(内置运算放大器的输出端)之间以基于运算放大器的输出电平确定灯的工作频率。即，内置在控制器集成电路IC2中的运算放大器与分别连接到控制器集成电路IC2的5号管脚、6号管脚和7号管脚的电阻器R21、二极管D4、电容器C19和电阻器R19协作以界定反馈控制电路74，该反馈控制电路74基于流入谐振电路80的谐振电流(等同于流过电阻器R2的电流)的值来改变开关元件Q2和Q3的工作频率，以进行反馈控制以维持提供给放电灯La1和La2的输出功率与目标功率匹配。控制器集成电路IC2的8号管脚和9号管脚是异常检测端，其应用不是必需的。

控制器集成电路IC2的10号管脚(接地端)被连接到电路接地Gnd。

控制器集成电路IC2的11号管脚(下部开关元件驱动信号输出端)通过电阻器R7和R8被连接到开关元件Q3的栅极。

控制器集成电路IC2的12号管脚(电源下部端)被连接到Vcc。14号管脚(上部开关元件驱动信号基准电压端)被连接到开关元件Q2的源极与开关元件Q3的漏极之间的节点。

控制器集成电路IC2的15号管脚(上部开关元件驱动信号输出端)通过电阻器R5和R6被连接到开关元件Q2的栅极。

电容器C20被连接在控制器集成电路IC2的16号管脚(上部开关元件驱动电源端)与14号管脚之间。

通过这种配置，控制器集成电路IC2，被给予能量后，以预热频率将开关元件Q2和Q3驱动预热时间以导通放电灯，所述预热频率和预热时间由控制器集成电路IC2设置。在放电灯被导通之后，反馈控制电路74接收代表流过开关元件Q3的电流的信号以基于由功率调节电路72设置的电灯频率改变逆变器60的工作频率，以获得与目标功率匹配的输出功率。

本实施例的电子镇流器除了谐振电路80之外，还包括用于预热放电灯灯丝的预热电路90。谐振电路80包括在逆变器60的输出端(Vs-Gnd)之间串联连接的谐振感应器T2和谐振电容器C7，以及直流阻隔电容器C8，该直流阻隔电容器C8与放电灯La1和La2在电容器C7两端之间串联连接。感应器T2和电容器C7构成第一谐振电路。电容器C8与感应器T2和放电灯在逆变器60的输出端之间串联连接，以构成第二谐振电路。电容器C7与电容器C8的电容比被设置为C7＜C8。

预热电路90包括谐振感应器T3、电容器C6和开关元件Q4，且谐振感应器T3的一次绕组通过电容器C6和开关元件Q4连接在开关元件Q3两端(在Vs-Gnd之间)。放电灯La1和La2使得它们非共用的灯丝通过电容器C9和C11分别连接到谐振感应器T3的两个二级绕组。谐振感应器T3的另一个二级绕组通过电容器C10被连接到放电灯La1和La2的共用灯丝。

谐振电路80取决于逆变器60的功能而具有不同功能。谐振电路80给出如图5所示的谐振曲线，该曲线是针对两种放电灯A(FHF32-32W的额定功率)和B(FL40ss/36-40W的额定功率)给出的。

从施加能量到灯被导通，逆变器控制器70使逆变器60将工作频率从预热模式(和开始模式)切换到照明模式(频率由最小频率fmin确定并且由反馈控制电路调节)，从而点亮放电灯。在点亮灯之后，反馈控制电路74基于流过开关元件Q3的电流(等于流入谐振电路80的电流)改变逆变器60的工作频率。这样，逆变器60的工作频率对于具有不同负荷的放电灯A和B有Δf的变化，如图5所示，从而相应地输出功率改变ΔW，以根据放电灯的额定功率给放电灯提供最佳输出功率。此外，当放电灯的数量改变时，反馈控制电路74工作以基于流入谐振电路的电流电平改变逆变器60的工作频率，从而给出与由功率调节电路72确定的目标功率相匹配的输出功率。

工作频率在由目标功率确定的有限范围内改变以防止工作频率的过度变化，从而防止在开关元件Q2和Q3每一个处的开关损耗的不适当增加。

如前面说明的，进行逆变器60的反馈控制以获得基于负荷功率需求的最佳输出功率，使得斩波器30可以只需要调节以基本上提供恒定的输出电压。有了这样的结果，即使在例如由于灯数量的变化导致负荷功率改变相当大的情况下，也只要求在由在斩波器控制器40中使用的控制器集成电路IC1界定的斩波器30的工作频率范围(开关元件Q1的工作频率范围)内调节频率，从而消除了改变斩波器30自身的电路构造的需要，并且实现了具有单一电路设计的电子镇流器可以适用于不同的负荷功率。

虽然图示的实施例利用开关元件Q3的源电阻器以检测流入谐振电路80的谐振电流，但是也可以利用任何其它等同的方案以用于相同的目的。例如，在图1的布置中，灯电流与通过电容器C7的电流的复合电流可以等同于谐振电流而被利用。

此外，本实施例包括温度系数电阻器TC(热敏电阻)，其作为温度传感器被添加到包括电阻器R15和可变电阻器VR3的串联电阻器网络中，以向逆变器控制器70的反馈控制电路74提供基准电压，从而补偿由于环境温度变化引起的阻抗改变，以维持恒定的输出功率。

当放电灯由于环境温度变化而引起阻抗变化，即环境温度变得比最佳温度(例如25℃)低或高时，反馈控制电路74工作以将表示与工作频率相关的输出功率的曲线向更低的频率平移Δf，如图6所示，从而补偿ΔW并且提供与在功率调节电路72处设置的目标功率相匹配的输出功率。

虽然本实施例图示了分别用于斩波器控制器40和逆变器控制器70的单独控制器集成电路的使用，但是同样可能使用将这些控制器集成电路组合在一起的单芯片集成电路。

图7和8示出了含有上述用于放电灯的电子镇流器的照明设备的一个实例。电子镇流器由安装在印刷电路板110上的上述各种电子构件实现，并且被容纳在外壳100内，以在输入端120处提供交流电源。外壳100在其底部设置有灯插座102，用于给插入到插座中的放电灯La1和La2提供输出功率。

图9示出了使用多个上述照明设备L和配备有人体检测传感器和可编程系统的管理设备M的照明系统。管理设备M被配置用于在由人体检测传感器检测到有人时导通灯，并且在检测到没有人时断开灯，或者甚至被配置用于根据时间范围而导通灯中的一部分，用于有效的照明管理，以实现能源节约。

Claims (6)

1.一种电子镇流器，用于操作至少一个放电灯，所述电子镇流器包括：

整流器，被配置以对交流电压进行整流以给出直流电压；

斩波器，包括感应器、电容器和开关元件，该开关元件被控制用于反复截断通过所述感应器的来自整流器的直流电压以在所述电容器上产生恒定直流电压；

逆变器，包括被控制用于以合适的开关频率导通或断开以将来自所述斩波器的所述直流电压转换成高频交流电压的至少一个开关元件；

谐振电路，包括感应器和第一电容器、并且被配置成用于谐振所述高频交流电压以产生将被施加给至少一个放电灯用于其操作的谐振交流电压；

其中，所述电子镇流器包括：

功率调节器，被配置用于指定与由所述至少一个放电灯确定的功率需求相匹配的目标功率；以及

逆变器控制器，被配置用于监视表示流入所述谐振电路的谐振电流的谐振指数以及用于基于所述谐振指数以反馈方式改变所述逆变器的所述开关频率以将施加给所述至少一个放电灯的输出功率维持在所述目标功率。

2.如权利要求1所述的电子镇流器，还包括：

被配置用于检测环境温度的温度传感器，所述逆变器控制器被配置用于还基于所述环境温度来改变所述开关频率以将施加给所述至少一个放电灯的所述输出功率维持在所述目标功率。

3.如权利要求1所述的电子镇流器，其中

所述谐振电路包括第一谐振电路和第二谐振电路，所述第一谐振电路包括在所述逆变器的输出端之间串联连接的所述感应器和所述第一电容器，所述第二谐振电路包括第二电容器，该第二电容器与所述至少一个放电灯在所述第一电容器两端之间串联连接。

4.如权利要求1到3中任何一个所述的电子镇流器，其中

所述逆变器控制器被配置用于在随所述功率需求改变的预定范围内改变所述开关频率。

5.一种照明设备，包括如在权利要求1到3的任何一个中限定的电子镇流器和至少一个放电灯。

6.一种照明系统，包括多个如在权利要求5中限定的照明设备和被配置用于管理所述照明设备的控制器。

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