CN101331803A - 调光镇流器和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种镇流灯电路和操作方法。该镇流灯电路包括换流器电路和阴极加热电路，其中由换流器电路生成的灯电流与由阴极加热电路生成的灯阴极电压成反比。

Description

调光镇流器和方法
技术领域
本发明涉及调光镇流器和方法。
背景技术
传统地，热阴极荧光灯的调光通过控制驱动串联的所有灯的串联共振换流器(inverter)的操作频率来实现。闭环控制电路调整灯电流或功率以调节灯的流明输出来提供调光。
为了提供满意的灯的寿命，随着灯被调暗，为灯提供具有增加的值的阴极电压。以此方式施加的该阴极电压具有加热阴极的效果，以便当在调暗的模式操作时以较低的操作电流减少灯的溅射效果。随着灯被调暗，尽管处于增加的电压，该阴极电压也连续地提供阴极加热。
此前描述的调光系统和方法具有一些缺点。首先，相对并联灯配置，串联灯配置导致维护成本的增加。如果一个灯出现故障，则串联配置的所有灯将出现故障。每次一个灯出现故障，该故障模式需要服务调用。其次，即使在灯正提供100％流明输出时，也连续提供电压给阴极，是对于调光的低效技术。各阴极耗散高达3瓦或每个灯的系统功率的10％，而没有产生任何可见光。
本公开提供了一种镇流器电路和调光灯的方法，其克服了与连续提供的阴极电压照明系统相关联的一些缺点。此外，本公开还演示了一种用于并行灯调光的方法。
发明内容
一种镇流灯电路，包括：换流器电路，被配置为将dc波形转变为用于驱动第一灯的第一ac电流波形；以及阴极加热电路，可操作地连接到换流器电路，并且被配置为生成用于加热第一灯的电极的第二ac波形，第二ac波形的RMS值随着第一ac电流波形的RMS值增加而减小，而第二ac波形的RMS值随着第一ac电流波形的RMS值减小而增加，其中利用脉冲宽度调制控制第一和第二ac波形的RMS值。
一种操作热阴极灯的方法，包括：以灯电流驱动一个或多个灯，以便产生灯流明输出，通过经由脉冲宽度调制的灯电流的控制，所述灯流明输出随着灯电流RMS值减小而减小，并且随着灯电流增加而增加；以及将脉冲宽度调制的与等电流同步的阴极加热电压提供到一个或多个灯的电极，所述阴极加热电压随着灯电流增加而减小，并且随着灯电流增加而增加，当灯电流小于预定值时阴极加热电压限制为最小电压，而当灯电流大于预定值时阴极加热电压处于最小值或0。
附图说明
图1是本公开的示例性实施例的示意性表示；
图2A和图2B根据本公开的示例性实施例、分别图示灯的灯电流和阴极电压；
图3是根据本公开的示例性实施例的电流馈电换流器的示意性表示；
图4是根据本公开的示例性实施例的并联灯镇流器电路的示意性表示；以及
图5是根据本公开的示例性实施例的串联灯镇流器电路的示意性表示。
具体实施方式
参照图1，图示了根据本公开一个实施例的镇流器灯电路10方块图。如以下将进一步详细描述的，该镇流器灯电路10使得灯120和灯222能够以串联或并联配置操作。然而，要理解的是，该实施例和公开不限于两灯系统。只要必须的功率可用并且各镇流器被适当配置，公开的调光镇流器和方法能够驱动三、四、五、六、七或更多灯。
电源12提供AC线电压给镇流器灯电路10。取决于可用的线电压，电源12可以包括宽范围的电压。例如，在美国120V和277V典型地可用，然而，其他线电压能够被用来提供给该镇流器电路。
镇流器电路10包括EMI滤波器14、AC到DC PFC电路16、以及高频换流器电路18。高频换流器电路18包括阴极加热电源24、阴极加热开关晶体管Q126、开关电容器C1 28和变压器T1 30。该镇流器电路10被用来驱动灯120和灯222，然而，另外的灯可以被增加到该电路。此外，图1所示的镇流器电路10将操作单个灯。
现在描述镇流器电路的操作。如之前讨论的，AC线电压12为镇流器电路提供功率。AC线电压12最初由EMI滤波器14滤波，随后馈送到AC到DC PFC电路16。AC到DC PFC电路16将滤波后的AC线电压转变DC电压。该DC电压被馈送给高频换流器电路18以便被转变为用于驱动灯20和22的高频ac波形、和用于在调光时加热各灯的阴极21、23、25和27的ac波形。
现在将参照双电平流明输出描述用于驱动灯120和灯222的高频换流器电路18的操作。然而，图1所示的镇流器电路将提供多电平的灯调光和/或渐变调光操作，该渐变调光操作以渐变方式调暗灯120和灯222，直到通过脉冲宽度调制的信号的占空比实现期望的流明输出。
参照图2A和图2B，图示了作为时间函数的灯电流I灯和阴极加热电压V阴极的波形。灯电流I灯在高频换流器电路18的端子C和D提供给灯120。如果高频换流器电路18被配置为以并行方式驱动灯，则端子D是I灯电流的返回路径。端子C和端子E分别提供灯电流I灯给灯1和灯2。为了驱动串联配置的灯1和灯2，端子E被配置为提供开路，而端子D提供灯电流返回路径。
进一步参照图2B，V阴极的波形在阴极加热电路的端子F、G、H、I、J和K提供给灯122和灯222的阴极。具体地，变压器T1 30的次级绕组、端子F和G连接到灯1的第一阴极21。变压器T1 30的端子H和I连接到灯2的第一阴极25。变压器T1 30的端子J和K分别提供电压给灯1和灯2的第二阴极23和27。
晶体管Q1 26提供控制以产生图2B的V阴极波形。具体地，通过将Q126切换到传导状态，变压器T1 30被激励，并且在灯120和灯222的阴极产生电压。Q1 26的切换能够由外部设备(如调光器开关等)控制，该外部设备可操作地控制逻辑设备以控制晶体管Q1 26的切换率，以便提供要施加到灯1和灯2的阴极21、23、25和27的V阴极的必须的RMS值。该V阴极的必须的RMS值将依赖于灯120和灯222的期望的流明输出。更具体地，灯流明越高，驱动该灯所需的灯电流I灯越高。该相对高的灯电流否定对用于减少溅射的灯阴极电压的需要。如图2所示，当I灯等于灯的100％额定电流时，V阴极等于0或处于最小值。
在操作的调暗的灯模式期间，控制Q1 26的切换以便在灯1和灯2的阴极21、23、25和27提供电压，以便维持阴极的合适加热同时I灯处于灯额定电流的最小值。阴极的合适加热是维持可接受的阴极温度以最小化溅射所需的加热量(即，V阴极RMS)。
此前描述的用于控制施加到灯120和灯222的各阴极的电压的RMS值的技术，与灯的电流的脉冲宽度调制(PWM)调光同步。一般来说，灯流明输出越低，生成和施加到灯阴极的脉冲宽度调制的电压的占空比越高。相反，灯电流越高，生成和施加到灯阴极的脉冲宽度调制的电压的占空比越低。
换句话说，随着正阴极电压的脉冲宽度增加，横过阴极的RMS电压增加，由此提供用于加热阴极的能量的相对增加。相反，随着正阴极电压的脉冲宽度减小，横过阴极的RMS电压减小，由此提供用于加热阴极的能量的相对减小。随着(各)灯到达其最大额定功率，取决于灯的类型和使用的换流器电路，阴极加热电压接近最小值或零RMS伏。
应当注意到，图2A中所示的竖线表示高频换流器频率，而图2B中所示的竖线的包络表示可操作地连接到Q1的输入的PWM控制信号的频率，该频率通常处于100hz到600hz的范围以最小化由人眼观察到的闪烁(flicking)效果。
实际上如上所述，本公开描述了一种镇流器灯电路，其包括换流器电路和可操作地连接到该换流器电路的阴极加热电路。该换流器电路和阴极加热电路可操作地连接到一个或多个灯，以提供多个流明输出水平(即，调光)，同时维持用于减少所述一个或多个灯的溅射的最小阴极温度。
图1和图2所示的以及之前参照这些图描述的镇流器灯电路10的变化，包括其中阴极电压的最小RMS值是预定值的镇流器灯电路，当灯电流大于另一预定值时，阴极加热电路生成最小RMS值。例如，对于大于或等于相关灯电流的大约75％的灯电流，最小阴极电压为大约0.4V RMS。
其他变化包括：高频换流器电流包括如上所述的两个或多个换流器和阴极加热电路，其中多个灯被驱动和调暗以产生多个调光模式。
关于控制(各)灯电流和阴极电压之间实际反比关系，此前描述的镇流器灯电路的多个配置是可用的。一般来说，这些配置控制灯电流电路和阴极加热电压电路，以生成具有RMS值的阴极加热ac电压，该RMS值随着ac灯电流的RMS值增加而减小。除了灯电流和阴极加热电压之间的该反比关系外，经由控制器或硬件实现的编程能够实现预定限度，以提供最小阴极加热电压和/或最大阴极加热电压。
如之前讨论的，阴极电压RMS值经由PWM控制。例如，由阴极加热电路生成相对低频的振荡器电压(即100Hz到1kH)，并且该振荡器电压被脉冲宽度调制以提供适当的RMS电压给灯的阴极。随着灯电流增加，通过减小该阴极加热电路振荡器电压的脉冲宽度减小了阴极电压。对于灯电流的减少发生相反的情形。具体地，灯被调暗，通过增加脉冲宽度调制的阴极电压波形的宽度增加了阴极电压的RMS值。
本公开的各实施例包括关于涉及灯电流的阴极电压的控制的同步或非同步操作。对于同步操作，如图1所示，一个实施例包括开关晶体管Q1。高频换流器电路的电路(circuitry)可操作地连接到晶体管Q1，使得低的灯电流产生同步的、对应于晶体管Q1中的“导通”，以生成阴极电压的增加。此外，高频换流器电路可操作地连接到晶体管Q1，使得灯电流的增加产生同步的、对应于晶体管Q1中的“截止”，以生成阴极电压的减小。
如上所述，灯电流和阴极电压之间的非同步关系也在本公开的范围内。例如，其中灯电流和阴极电压被独立地控制。
PWM控制的其他变化的示例包括涉及调频灯电流的PWM电压RMS、和涉及调幅灯电流的PWM电压RMS。
参照图3和4，图示了根据本公开的一个实施例的、包括阴极加热电源24的高频换流器电路18的示意性表示。图3示意性地图示提供驱动一个或多个灯的必要功率的换流器部分50。在Timothy Chen等人的申请号为10/987,472、共同地由通用电气公司拥有并转让给其的共同未决美国专利申请中，描述了该电路，并且因此通过引用并入其全部内容。
在本公开的一个实施例中，
VDC(50)＝450Vrms    D102(72)＝TVS 440V
R101(54)＝330K欧姆  D103(74)＝SUM1M 47L
R102(56)＝330K欧姆  D104(76)＝SUM1M 47L
R103(58)＝620K欧姆  D105(78)＝32V Diac
R104(60)＝620K欧姆  D106(80)＝1N5817
R105(62)＝150欧姆   D107(82)＝1N5817
R107(64)＝150欧姆   D108(84)＝US1M
R108(66)＝150欧姆    D109(85)＝US1M
C101(100)＝1.5nf     T101(51)＝0.78mH
C102(101)＝0.22nf    T102(52)＝2.5mH
C103(102)＝3.9nf     Q101(124)＝BUL1101E
D101(71)＝TVS440V    Q102(88)＝BUL1101E
参照图4，图示了根据本公开的一个实施例的并联灯电路110的示意性表示。该电路经由T10151可操作地连接到图3所示的换流器电路。
在一个实施例中，
R1(126)＝100欧姆    D201(138)＝SR1M
R201(136)＝1M欧姆   D202(140)＝SR1M
R202(144)＝1M欧姆   D203(150)＝SR1M
R203(148)＝1M欧姆   D204(152)＝SR1M
R204(154)＝1M欧姆   D301(130)＝TVS 440V
R306(128)＝10K欧姆  D302(132)＝TVS 440V
C200(158)＝1nf      T201(124)＝1mH
C201(142)＝1.5nf    T101(51)＝0.6mH
C202(156)＝1.5nf
C210(160)＝1.2nf    L1(118)＝F32T8
C211(134)＝2.7nf    L2(120)＝F32T8
C212(146)＝2.7nf    CP1(114)＝LM324
参照图5，图示了图示了根据本公开的一个实施例的串联配置的灯电路170的示意性表示。该电路经由T10151可操作地连接到图3所示的换流器电路。
在一个实施例中，
R1(126)＝100欧姆    D202(140)＝SR1M
R201(136)＝1M欧姆   D203(150)＝SR1M
R202(144)＝1M欧姆   D204(152)＝SR1M
R203(148)＝1M欧姆   D301(130)＝TVS 440V
R204(154)＝1M欧姆   D302(132)＝TVS 440V
R306(128)＝10K欧姆  T201(124)＝1.3mH
C200(158)＝1nf      T101(51)＝0.6mH
C201(142)＝3.3nf
C210(160)＝1.5nf    L1(118)＝F32T8
C211(134)＝3.3nf    L2(120)＝F32T8
D201(138)＝SR1M     CP1(114)＝LM324
C215(161)＝470pf
已经参照各优选实施例描述了本发明。显然，在阅读和理解之前的详细描述时，将对其他人出现修改和替换。意图在于本发明被解释为包括所有这样的修改和替换。

Claims (29)

1.一种镇流灯电路，包括：
换流器电路，被配置为将dc波形转变为用于驱动第一灯的第一ac电流波形；以及
阴极加热电路，可操作地连接到换流器电路，并且被配置为生成用于加热第一灯的电极的第二ac波形，第二ac波形的RMS值随着第一ac电流波形的RMS值增加而减小，而第二ac波形的RMS值随着第一ac电流波形的RMS值减小而增加，其中利用脉冲宽度调制控制第二ac波形的RMS值。
2.如权利要求1所述的镇流灯电路，其中第二波形的最小RMS值是第一预定值，当第一ac波形大于第二预定值时，阴极加热电路生成最小RMS值。
3.如权利要求2所述的镇流灯电路，其中第一预定值小于或等于大约4V RMS，并且第二预定值大于或等于用于驱动第一灯的额定电流的大约75％。
4.如权利要求2所述的镇流灯电路，还包括：
所述换流器电路被配置为将dc波形转变为用于驱动第二灯的第三ac波形；以及
所述阴极加热电路被配置为生成用于加热第二灯的电极的第四ac波形。
5.如权利要求4所述的镇流灯电路，还包括：
控制电路，被配置为操作具有可操作地并联连接的两个或多个灯、或可操作地串联连接的两个或多个灯的镇流灯电路。
6.如权利要求5所述的镇流灯电路，还包括控制电路输出，其中所述控制电路输出可操作地连接到一个或多个灯。
7.如权利要求2所述的镇流灯电路，其中利用脉冲宽度调制控制第一波形的RMS值。
8.如权利要求2所述的镇流灯电路，其中利用双频脉冲宽度调制控制第一ac波形的RMS值和第二波形的RMS值。
9.如权利要求8所述的镇流灯电路，其中脉冲宽度调制频率大于或等于100Hz，并且小于或等于1kHz。
10.如权利要求2所述的镇流灯电路，还包括：
频率调制器，所述频率调制器控制第一ac电流波形的RMS值，并且所述频率调制器控制第二ac电流波形的脉冲宽度调制。
11.如权利要求2所述的镇流灯电路，还包括：
调光信号输入，所述镇流电路被配置为作为所述调光信号输入的函数控制第一和第二ac波形的RMS值。
12.如权利要求2所述的镇流灯电路，第一ac电流波形的RMS值与第二ac波形的RMS值成反比，并且第一ac电流波形的RMS值小于大约第二预定值，而第二ac波形的RMS值大于大约第一预定值。
13.如权利要求2所述的镇流灯电路，其中第一灯是萤光灯。
14.如权利要求1所述的镇流灯电路，其中换流器电路和阴极加热电路同步。
15.如权利要求1所述的镇流灯电路，其中利用双电平频率调制控制第二波形的RMS值。
16.如权利要求7所述的镇流灯电路，其中所述换流器电路包括基于馈送电流的换流器电路。
17.如权利要求7所述的镇流灯电路，其中所述换流器电路包括基于馈送电压的换流器电路。
18.如权利要求1所述的镇流灯电路，其中换流器电路以大约等于或大于20kHz并且大约等于或小于30MHz的频率工作。
19.如权利要求7所述的镇流灯电路，其中阴极加热电路以大约等于或大于100Hz并且大约等于或小于1kHz的频率进行脉冲宽度调制。
20.一种镇流灯电路，包括：
用于将dc波形转变为用于分别驱动一个或多个灯的一个或多个ac波形的装置；以及
用于生成用于加热一个或多个灯的电极的一个或多个脉冲宽度调制的ac波形的装置，其中用于加热电极一个或多个ac波形的RMS值随着用于驱动一个或多个灯的ac波形的RMS值增加而减小，而用于加热电极一个或多个ac波形的RMS值随着用于驱动一个或多个灯的ac波形的RMS值减小而增加。
21.如权利要求20所述的镇流灯电路，还包括：
用于控制用于加热电极的ac波形的最小RMS值为第一预定值的装置，当用于驱动一个或多个灯的ac波形大于第二预定值时，阴极加热电路生成最小RMS值。
22.如权利要求21所述的镇流灯电路，还包括：
用于操作具有可操作地并联连接的两个或多个灯、或可操作地串联连接的两个或多个灯的镇流灯电路的装置。
23.一种操作热阴极灯的方法，包括：
用灯电流驱动一个或多个灯，以便产生灯流明输出，所述灯流明输出随着灯电流减小而减小，并且随着灯电流增加而增加；以及
将脉冲宽度调制的阴极加热电压提供到一个或多个灯的电极，所述阴极加热电压随着灯电流增加而减小，并且随着灯电流增加而增加，当灯电流小于预定值时阴极加热电压限制为最小电压，而当灯电流大于预定值时阴极加热电压处于最小值或零。
24.如权利要求23所述的方法，其中一个或多个灯并联连接。
25.如权利要求23所述的方法，其中一个或多个灯串联连接。
26.如权利要求23所述的方法，其中使用频率调制控制灯电流和阴极加热电压。
27.如权利要求23所述的方法，其中使用脉冲宽度调制控制灯电流和阴极加热电压。
28.如权利要求27所述的方法，还包括：
利用双电平开关控制灯电流和阴极加热电压，所述灯电流在所述双电平开关在以用于增加持续时间的一个模式操作时增加，所述灯电流在所述双电平开关以用于减少持续时间的第二模式操作时减少，所述阴极加热电压在所述双电平开关以用于增加持续时间的一个模式操作时减少，而所述阴极加热电压在所述双电平开关以用于减少持续时间的第二模式操作时增加。
29.如权利要求23所述的方法，其中利用双电平频率调制控制灯电流和阴极加热电压。
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