CN101568222A - 荧光灯两线制调光控制方法及其调光控制装置 - Google Patents

Abstract

一种荧光灯两线制调光控制方法及其装置，用户控制端微处理器接收用户请求信号，使电路中阻抗变化，从而在一段时间内交流电线上形成大切角电压波形信号，经电子镇流器端波形转换、信号检测处理后给出调光控制信号。本发明装置由用户控制端及电子镇流器端通过交流电线连接而成。用户控制端包括调光控制信号输入电路、阻抗切换电路以及双向可控硅电路；电子镇流器端包括依次连接的整流电路、功率因素校正电路和逆变电路，及波形转换电路、波形识别和数/模转换电路和低通滤波电路。本发明仅在作调控操作的短时间内形成大切角电压波形，而在其他时间仅维持较小初始切角，因此镇流器功率因数能保持在0.95以上，总电流谐波失真则可改善为小于20％。

Description

荧光灯两线制调光控制方法及其调光控制装置

【技术领域】

本发明专利涉及电子镇流器荧光灯的调光控制技术，特别是一种荧光灯两线制调光控制方法及其双向可控硅调光控制装置。

【背景技术】

目前，室内照明的光源中，白炽灯因发光效率低、耗电高、寿命短而已逐渐被淘汰。随着新颖材料，新型结构、新设计理论和制造工艺的进展，荧光灯的综合性能得到了大幅提升。以不断发展的节能高效技术优势，荧光灯已成为当前主要的建筑照明光源。

可调光荧光灯电子镇流器具有明显的节电效果，近年来得到了迅速发展和应用。

荧光灯是一种低压气体放电灯，是负电阻性负载。因此，荧光灯调光控制技术要比白炽灯调光复杂得多。荧光灯调光是通过调节灯管电流来实现的。电子镇流器调节灯电流的方法有：调节镇流器逆变电路的直流总线电压；调节电子镇流器逆变电路开关的驱动电压占空比；调节电子镇流器逆变电路频率等多种方式。

调光控制信号的传送，有模拟方式和数字方式两类。可以通过另外铺设信号线的办法传送调光信号，也可以利用电力供应线在向电子镇流器提供交流电源的同时，向镇流器提供荧光灯亮度控制的控制信号。这其中有：通过电力线上叠加载波传送控制信号的两线制调光方法，利用可控硅相控(斩波法)的两线制调光方法等。

上述第二种调光法是目前广泛使用的调光方法。它是通过控制可控硅的导通角，将电网输入电子镇流器的正弦波电压斩掉一部分，电源电压受双向可控硅切角δ之后的波形如图2所示。电子镇流器中的检测电路检出不同的导通角量值，将电源电压波形导通角的变化转换成低压直流模拟量信号，进而改变镇流器的工作频率，达到控制灯电流(即亮度)的目的。

图1是常用的可控硅控制调光荧光灯电子镇流器电路。这种控制方式具有很宽的调光范围，但由于在调光深度加大时最大电压波形切角可能接近180度，因此随着调光深度的加大，镇流器功率因数可能降低到0.5以下，总电流谐波失真在30％以上。这种在电子镇流器输入端非正弦波电压输入造成的总电流谐波失真将十分严重。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是为了克服传统可控硅相控调光方法在电子镇流器工作期间，其输入电压波形始终保持有一定的较大切角而带来的总电流谐波失真大的缺陷，提供一种荧光灯两线制调光控制方法以及对应于该调光控制方法的双向可控硅调光控制装置。

本发明所述的荧光灯两线制调光控制方法为：

(1)用户调光控制端，第一微处理器根据用户输入的对应于不同调光要求的信号请求，输出与用户调光信号请求相应的持续一时间段的控制电平信号；

(2)阻抗切换电路通过上述控制电平信号，使其连接的双向可控硅电路中的移相电路的阻抗发生变化；

(3)双向可控硅电路根据移相电路的阻抗变化改变其导通角，在步骤(1)所述的时间段内单相交流电输送线上输出一定数量的交流正半周或负半周或正负半周都具有固定大小的切角

的电压脉冲波形信号；

(4)上述对应不同调光请求而数量不同的具有大切角

的电压脉冲波形信号通过单相交流电输送线传输至电子镇流器端的整流电路；

(5)电子镇流器端中的第二微处理器对单相交流电输送线输入到电子镇流器的具有大切角

的电压波形进行检测和处理，给出与用户调光请求相对应于的逆变电路调光控制信号电压。

(6)在步骤(1)所述的时间段结束后，单相交流电输送线的电压波形恢复为具有初始切角θ的电压波形。

本发明对应于上述调光控制方法所涉及的荧光灯两线制可控硅调光控制装置由用户调光控制端以及电子镇流器端通过单相交流电输送线连接而成，用户调光控制端包括双向可控硅电路，电子镇流器端包括依次连接的桥式整流电路、功率因数校正电路和逆变电路，其特征是用户调光控制端还包括由第一微处理器构成的调光控制信号输入电路，该调光控制信号输入电路的信号输出端连接到阻抗切换电路的信号输入端，阻抗切换电路与双向可控硅电路连接，并构成为双向可控硅电路中移相电路的一部分，微处理器供电电路连接交流电相线并供给第一微处理器工作电源电压，电子镇流器端还包括波形转换电路，该波形转换电路的输入端连接桥式整流电路的输出端，波形转换电路的输出端连接由第二微处理器构成的波形识别和数/模转换电路的输入端，波形识别和数/模转换电路的输出端连接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接到逆变电路的调光控制信号输入端，逆变电路输出可变频的高频工作电流驱动荧光灯。

本发明所述的荧光灯两线制调光控制方法及其调光控制装置仅在作调光控制操作(一般小于10秒钟)的短时间内有几个到几百个工频的具有较大切角

的交流电电压波形，通过电子镇流器端波形转换和识别后，第二微处理器将控制信号转换为相应的直流模拟调光控制信号电压。而在调光控制操作结束后的工作期间，单相交流电输送线输入到电子镇流器的电压波形维持一个小于30度的初始切角θ，电压波形如图3所示。大切角脉冲的数量与用户的调光请求相对应，系统通过对带大切角

的单相交流电电压波形的识别，从而获知用户的调光请求，通过波形处理后进一步得到荧光灯电子镇流器中逆变器控制荧光灯亮度所需的电信号。见图3。

由于本发明调光电子镇流器工作时，单相交流电输送线输入到电子镇流器的电压波形只作较小的初始切角，而仅在用户进行调光操作过程的短时间内，对单相交流电输送线输入到电子镇流器的交流电电压波形正半周或负半周或正负半周才作固定大小的较大切角

(一般大于始切角θ，小于180°)处理，因此无论荧光灯调光深度如何改变，镇流器的功率因数PF都能保持在0.95以上，总电流谐波失真ATHD则保持为小于20％，从而大大降低了镇流器产生对电网的电流谐波干扰。

【附图说明】

图1为现有技术中调频式可控硅荧光灯调光电路图；

图2为图1调光电路中有切角的电子镇流器输入电压波形图；

图3为本发明在用户调光控制端发送的电源电压波形信号图；

图4为本发明荧光灯两线制调光控制装置的电路图；

图5为本发明荧光灯两线制调光控制装置的另一实施例电路图。

图中各序号分别表示为：

1-用户调光控制端             2-电子镇流器端

3-双向可控硅电路

T-双向可控硅                 A1-双向可控硅第一阳极

A2-双向可控硅第二阳极        G-双向可控硅控制极

D-双向触发二极管             R4-双向触发二极管限流电阻

C-移相电容器

4-阻抗切换电路

B-桥式整流器                 a-桥式整流器B的输入端

c-桥式整流器B的另一输入端    R1-固定电阻

Q1-第一晶体极管              R2-第一晶体管偏置电阻

U-光电耦合器

D3-整流二极管                D4-整流二极管

5-微处理器供电电路

R3-限流降压电阻               D1-第一整流二极管

D2-第二整流二极管             C1、C2-滤波电容器

DZ-稳压二极管

6-调光控制信号输入电路

MCU1-第一微处理器             13-用户调光接口装置

SW1、SW1…SWn-调光控制开关    LED1、LED2…LEDn-调光指示灯

7-桥式整流电路                8-功率因数校正电路

9-逆变电路

10-波形转换电路

Z1-钳位稳压二极管

Q2-第二晶体极管               C3-滤波电容器

R5、R6-分压电阻               R7-输出电阻

11-波形识别和数/模转换电路

MCU2-第二微处理器

12-低通滤波电路

C4、C5-低通滤波电容器         R8、R9-低通滤波电阻

L-相线                        N-零线

L1-单相交流电输送线

R-可变移相电阻                Vac-交流输入电压

θ-初始切角                    

-大切角

【具体实施方式】

参见图4，本发明所述的荧光灯两线制调光控制装置由用户调光控制端1以及电子镇流器端2通过单相交流电输送线L1连接而成。

用户调光控制端1中由第一微处理器MCU1构成调光控制信号输入电路6，该调光控制信号输入电路6的信号输出端连接阻抗切换电路4，阻抗切换电路4中的电阻R1与双向可控硅电路3连接，并构成为双向可控硅电路3中移相电路(由图4中移相电容器C、固定移相电阻R1、第一晶体管偏置电阻R2所构成)的一部分。第一微处理器MCU1的通用输入/输出端口连接用户调光接口装置13(参见图5)，用户调光接口装置13可以是由控制开关SW1、SW1…SWn以及相应的调光指示灯LED1、LED2…LEDn-调光指示灯所构成(参见图4)，控制开关当然也可以由其他相同功能的按键、旋钮或者滑杆形式的开关或者可变电阻器等电器元件所构成。第一微处理器MCU1的信号输出端连接阻抗切换电路4中的光电耦合器U输入端。

用户调光控制端1中的阻抗切换电路4由光电耦合器U、桥式整流器B、第一晶体管Q1及其偏置电阻R2、固定电阻R1构成，光电耦合器U输出端的两极分别连接第一晶体管Q1的基极和发射极，其集电极与基极之间连接偏置电阻R2，集电极与发射极分别连接桥式整流器B的输出端，该桥式整流器B的输入端分别连接双向可控硅T的第二阳极A2和固定电阻R1。

参见图5，本发明中所述的阻抗切换电路4也可以由光电耦合器U、整流二极管D3、D4、第一晶体管Q1及其偏置电阻R2、固定电阻R1构成，光电耦合器U输出端的两极分别连接第一晶体管Q1的基极和发射极，其集电极与基极之间连接偏置电阻R2，集电极与整流二极管D4的负极相连接，发射极与整流二极管D3的正极相连接，整流二极管D3、D4，的另一端共同连接双向可控硅T的第二阳极A2，固定电阻R1一端连接电容器C和双向触发二极管限流电阻R4的公共端，另一端连接第一晶体管Q1发射极与整流二极管D3的公共端。

双向可控硅电路3中双向可控硅T通过第一阳极A1，第二阳极A2串接在单向交流电输送线L1(相线)上，其控制极G经双向触发二极管D及限流电阻R4，连接移相电路的输出端，即移相电容器C和阻抗切换电路4中固定电阻R1的公共点。

在用户调光控制端1中微处理器供电电路5连接交流电输送线L1(相线)，供给第一微处理器MCU1工作电源电压。微处理器供电电路5中第一整流二极管D1正极与第二整流二极管D2负极连接，并通过降压限流电阻R3后与双向可控硅第二阳极A2相连接，第一整流二极管D1负极和第二整流二极管D2正极分别与两串接的滤波电容器C1、C2以及稳压二极管DZ负极和正极相连接，两串接的电容器C1、C2公共点连接双向可控硅的第一阳极A1，稳压二极管DZ两端连接第一微处理器MCU1的工作电源输入端，供给第一微处理器MCU1所需之稳定的直流电压。

本发明电子镇流器端2包括依次连接的桥式整流电路7、功率因数校正电路8和逆变电路9。

在电子镇流器端2中还包含有波形转换电路10。该波形转换电路10的输入端连接桥式整流电路7的输出端，波形转换电路10的输出端连接由第二微处理器MCU2构成的波形识别和数/模转换电路11的输入端，波形识别和数/模转换电路11的输出端连接低通滤波电路12的输入端，低通滤波电路12的输出端连接到逆变电路9，逆变电路9产生高频电流驱动荧光灯。

如上所述的波形转换电路为由分压电阻R5、R6、钳位稳压二极管Z1、滤波电容器C3、第二晶体管Q2以及输出电阻R7所构成的晶体管开关电路。当然，波形转换电路10不局限于上述电路构造，也可以采用比较器等来构成波形转换电路(图中未列出)。

如上所述的低通滤波电路12为由低通滤波电阻R8、R9以及低通滤波电容器C4、C5所构成的二阶低通滤波器。低通滤波器也可以是其他形式的一阶、二阶或多阶低通滤波电路。

本发明所述的荧光灯两线制调光控制方法为：

1、在用户调光控制端1，在用户作调光操作时，第一微处理器MCU1接收用户输入的对应于不同调光要求的电平信号请求，并向阻抗切换电路4中的光电耦合器U输出相应的在一时间段内的高电平直流信号。用户输入的对应于不同调光要求的电平信号请求可以通过第一微处理器MCU1上的通用输入/输出端口输入第一微处理器MCU1中。上述时间段一般大于等于0.02秒，小于等于10秒。在这段时间内，第一微处理器MCU1向阻抗切换电路4中光电耦合器U输出持续的高电平。至于持续时间可根据用户的调光请求相应预先设置，例如，0.15秒对应用户需要调到50％的亮度，0.2秒对应用户需要调到20％的亮度等等。

2、阻抗切换电路4通过上述高电平直流信号，使其连接的双向可控硅电路3中移相电路的阻抗发生变化。

具体地，光电耦合器U在收到第一微处理器MCU1发来的调光请求的高电平信号后，使晶体管Q1截止，桥式整流器B的输入端a与另一输入端c之间等于接入了电阻R2，电阻网络等效总阻值为电阻R1+电阻R2。在一时间段后，第一微处理器MCU1输出低电平，光电耦合器U使晶体管Q1导通，此时桥式整流器B的输入端a与另一输入端c之间阻值很小，电阻网络的等效总电阻值变成R1。

3、双向可控硅电路4根据移相电路的阻抗变化改变其导通角，在所述的时间段内输出交流电正负半周都具有大切角

的电压波形信号(可参见图3)。所述的具有大切角的电压波形信号，其切角

大于初始切角θ，小于180度。所述的初始切角θ一般可以做到小于30度。

进一步地说，在本实施例中，当阻抗切换电路4中的等效总电阻值变大时，触发二极管D触发延迟，双向可控硅T开始导通的交流电压的相角增大，即交流电压波形为具有大切角状态。当阻抗切换电路4中的等效总电阻值变小时，交流电压波形恢复为初始切角θ状态。

对应用户不同的调光请求，第一微处理器MCU1向阻抗切换电路4中的光电耦合器U输出的高电平持续时间不同，所以阻抗切换电路呈现大电阻的时间也不同，从而输入到电子镇流器的交流电输送线L1(相线)上呈现的具有较大切角

的电压脉冲数量也不同，此电压脉冲的数量与用户的调光请求相对应，例如：5个大切角

电压脉冲对应用户需要向上调光，10个大切角

电压脉冲对应用户需要向下调光，15个大切角电压脉冲对应用户需要调到50％的亮度，20个大切角

电压脉冲对应用户需要调到20％的亮度，等等。

4、上述具有大切角的电压波形信号通过单相交流电输送线L1传输至电子镇流器端2的桥式整流电路7。

5、电子镇流器端2中的第二微处理器MCU2对单相交流电输送线L1输入到电子镇流器的具有大切角

的电压波形进行检测和处理，给出与用户调光请求相对应于的逆变电路调光控制信号电压。

具体地，波形转换电路10从整流电路7的输出端接收整流后的具有大切角

的脉动直流电压波形信号，并将该电压波形信号转换成相应的脉冲方波信号输出给第二微处理器MCU2。

在本实施例中的波形转换电路10上，当电压波形无论有切角

或初始切角θ时，第二晶体管Q2都截止，并输出高电平。但是切角愈大，第二晶体管Q2相对输出持续高电平的时间就愈长，即脉冲宽度就愈宽。

第二微处理器MCU2对波形转换电路10提供的信号进行检测，具体地，第二微处理器MCU2是对波形转换电路10提供的信号中的脉冲宽度与个数进行检测。并根据检测结果给出与用户请求信号相对应的脉冲宽度调制信号，经低通滤波电路12后向荧光灯逆变电路9提供调光控制信号电压。关于第二微处理器MCU2的检测条件和输出结果及其它们之间的对应关系等都可以通过预先编制微处理器程序而达到，这里不再赘述。

6、用户完成调光操作后，步骤(1)所述的时间段结束，单相交流电输送线输入到电子镇流器的电压波形恢复为初始切角θ状态。

本发明中双向可控硅T仅在用户作调光操作时的短时间内对电源电压波形作数量有限的较大切角

从而大大降低了电子镇流器因电压波形畸变对电网产生附加的电流谐波干扰。

Claims (16)

1、一种荧光灯两线制调光控制方法，其特征在于：

(1)用户调光控制端，第一微处理器根据用户输入的对应于不同调光要求的信号请求，输出与用户调光信号请求相应的持续一时间段的控制电平信号；

(2)阻抗切换电路通过上述控制电平信号，使其连接的双向可控硅电路中的移相电路的阻抗发生变化；

(3)双向可控硅电路根据移相电路的阻抗变化改变其导通角，在步骤(1)所述的时间段内输出交流电正半周或负半周或正负半周都具有大切角的电压波形信号；

(4)上述具有大切角的电压波形信号通过单相交流电输送线传输至电子镇流器端；

(5)电子镇流器端中的第二微处理器对单相交流电输送线输入到电子镇流器的具有大切角的电压波形进行检测和处理，给出与用户调光请求相对应于的逆变电路调光控制信号电压。

(6)在步骤(1)所述的时间段结束后，单相交流电输送线输入到电子镇流器的电压波形恢复为具有初始切角的电压波形。

2、根据权利要求1所述的荧光灯两线制调光控制方法，其特征在于：用户输入的对应于不同调光要求的信号请求是通过第一微处理器上的通用输入/输出端口输入第一微处理器中。

3、根据权利要求1所述的荧光灯两线制调光控制方法，其特征在于：所述的时间段为大于等于0.02秒，小于等于10秒。

4、根据权利要求1所述的荧光灯两线制调控方法，其特征在于：所述的具有大切角的电压波形信号，其切角大于初始切角，小于180度。

5、根据权利要求1或4所述的荧光灯两线制调光控制方法，其特征在于：所述的初始切角小于30度。

6、根据权利要求1所述的荧光灯两线制调光控制方法，其特征在于：第二微处理器可以通过其前置的波形转换电路得到由整流电路输出的具有大切角的脉动直流电压波形信号经转换后形成相应的脉冲方波信号，然后由第二微处理器进行检测和处理。

7、根据权利要求1所述的荧光灯两线制调光控制方法，其特征在于：第二微处理器对电压波形进行检测和处理，给出与用户请求信号相对应的脉冲宽度调制信号，经低通滤波电路后向荧光灯逆变电路提供调光控制信号电压。

8、根据权利要求1或6或7所述的荧光灯两线制调光控制方法，其特征在于：第二微处理器对接收的信号中的脉冲宽度与个数进行检测和处理。

9、一种荧光灯两线制调光控制装置，由用户调光控制端以及电子镇流器端通过单相交流电输送线连接而成，用户调光控制端包括双向可控硅电路，电子镇流器端包括依次连接的桥式整流电路、功率因数校正电路和逆变电路，其特征在于：用户调光控制端还包括由第一微处理器构成的调光控制信号输入电路，该调光控制信号输入电路的信号输出端连接阻抗切换电路的信号输入端，阻抗切换电路与双向可控硅电路连接，并构成为双向可控硅电路中移相电路的一部分，微处理器供电电路连接交流电相线并供给第一微处理器工作电压，电子镇流器端还包括波形转换电路，该波形转换电路的输入端连接桥式整流电路的输出端，波形转换电路的输出端连接由第二微处理器构成的波形识别和数/模转换电路的输入端，波形识别和数/模转换电路的输出端连接低通滤波电路的输入端，低通滤波电路的输出端连接逆变电路的调光控制信号输入端，逆变电路输出高频电流驱动荧光灯。

10、根据权利要求9所述的荧光灯两线制调光控制装置，其特征在于：由第一微处理器构成的调光控制信号输入电路中，第一微处理器通用输入/输出端口连接调光控制装置及相应的调光指示灯，第一微处理器的信号输出端连接阻抗切换电路中的光电耦合器输入端。

11、根据权利要求9所述的荧光灯两线制调光控制装置，其特征在于：阻抗切换电路由光电耦合器、桥式整流器、第一晶体管及其偏置电阻、固定电阻构成，光电耦合器输出端的两极分别连接第一晶体管的基极和发射极，其集电极与基极之间连接偏置电阻，集电极与发射极分别连接桥式整流器的输出端，该桥式整流器的输入端分别连接双向可控硅的第二阳极和固定电阻。

12、根据权利要求9所述的荧光灯两线制调光控制装置，其特征在于：本发明中所述的阻抗切换电路还可以由光电耦合器、两整流二极管、第一晶体管及其偏置电阻、固定电阻构成，光电耦合器输出端的两极分别连接第一晶体管的基极和发射极，其集电极与基极之间连接偏置电阻，集电极与一整流二极管的负极相连接，发射极与另一整流二极管的正极相连接，两整流二极管的另一端共同连接双向可控硅的第二阳极，固定电阻一端连接电容器和双向触发二极管限流电阻的公共端，另一端连接第一晶体管发射极与整流二极管的公共端。

13、根据权利要求9所述的荧光灯两线制调光控制装置，其特征在于：双向可控硅电路中双向可控硅通过第一、第二阳极串接在交流电压相线上，其控制极经双向触发二极管及其限流电阻后，接移相电路的输出端，即移相电容器和阻抗切换电路中固定电阻的公共点。

14、根据权利要求9所述的荧光灯两线制调光控制装置，其特征在于：微处理器供电电路中第一整流二极管正极与第二整流二极管负极连接，并通过降压限流电阻后与双向可控硅第二阳极相连接，第一整流二极管负极和第二整流二极管正极分别与两串接的滤波电容器以及稳压二极管负极和正极相连接，两串接的电容器公共点连接双向可控硅的第一阳极，稳压二极管两端连接第一微处理器的工作电源输入端。

15、根据权利要求9所述的荧光灯两线制调光控制装置，其特征在于：波形转换电路为由分压电阻、滤波电容器、第二晶体管、输出电阻以及钳位稳压二极管所构成的晶体管开关电路。

16、根据权利要求9所述的荧光灯两线制调光控制装置，其特征在于：波形转换电路也可以由比较器构成。

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