CN101588673A - 在线式积分型气体放电灯调光控制方法及其装置 - Google Patents

Abstract

在线式积分型气体放电灯调光控制方法及其装置，方法为：调光控制开关端输出半周具有触发角斩波的交流电压信号；将该信号通过交流电线传输至电子镇流器端；通过积分电路提取可变直流信号；对该信号进行阻抗、极性变换、电位隔离、功率放大处理，得到调光控制电压提供给荧光灯逆变电路。其装置包括调光控制开关端和镇流器端，由交流电线连接，调光控制开关端置有可输出半周具有触发角斩波交流电压信号的直流分量叠加开关电路，镇流器端依次连接的整流器电路、功率因数校正电路以及逆变电路，一积分式隔离解调电路的输入端连接镇流器端的交流电线上，其输出端连接逆变电路。本发明具有实施方法简单，造价低廉，高功率因数，低谐波失真等优点。

Description

在线式积分型气体放电灯调光控制方法及其装置

【技术领域】

本发明涉及一种电子镇流器气体放电灯的调光控制技术，特别是利用镇流器的供电线路传送气体放电灯亮度控制信号的在线式积分型调光方法及其装置。

【背景技术】

荧光灯，金属卤化物灯等低压或高压气体放电灯因发光效率高、节能已成为主要的照明光源。随着电子技术的进步，与之配套的电子镇流器，逐渐替代了传统的电感式镇流器。可调光的气体放电灯技术近年来也得到了迅速的发展和应用。

对具有非线性负阻特性的气体放电灯进行调光的方法主要有调相、调频等方法。集成电路厂商已为气体放电灯镇流器开发出数量众多的驱动控制电路，应用时，只要对驱动控制电路施加一个低电压调光控制信号即可实现调光。

除了台灯之外，由于多数固定式照明灯的控制开关与灯具位置具有一定距离的分离，因此如何从开关面板向远离的与灯管(泡)近在一起的镇流器传送调光控制信号成为争相研究的课题。

在现有技术方案中，增加两根专用线传送调光信号最简单，但其只适用于台灯或落地灯等控制开关与镇流器距离很近的灯具。

有一种在电力线上叠加载波传输控制信号的所谓X10协议方案，可以实现同一电网上多达256个终端家用电器包括气体放电灯镇流器的智能化控制。但由于成本高，传送速度慢等因素，不适用于普通用户。

在一线进一线出的所谓两线制调光技术方案中，可控硅相控调光法是早期使用的一种调光方法。该方法通过控制双向可控硅的导通角，对电网输入的正弦波电压正负半周作可变触发角的对称截波，经整流后对电压作升压变换。镇流器中的检测电路是以整流电路输出的直流电压的波动电压差作为控制信号的，为了获得必要精度的控制信号，在最大调光深度时，电压波形的触发角要大到接近180度。随着触发角的加大，可控硅的功率负荷也加大，导致电压波形严重失真，从而使得电流总谐波失真而无法得到改善，即使采取功率因数校正措施，在调光深度加大时，功率因数也因校正乏力而变得极差。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是为了克服现有技术中可控硅相控调光在荧光灯亮度受控期间，电源电压波形触发角大，而导致电压波形始终严重失真，从而使得电流总谐波失真的缺陷，提供一种在线式积分型气体放电灯调光控制方法及其装置。

本发明所述的气体放电灯调光控制方法为：

1、调光控制开关端的直流分量叠加开关电路，根据用户的调光请求，输出交流电压正半周或者负半周具有触发角斩波的正弦波电压信号；

2、上述具有触发角斩波的正弦波电压信号通过单相交流电输送线传输至电子镇流器端；

3、镇流器端的积分电路对上述信号进行积分，提取可变直流信号；

4、对上述可变直流信号进行阻抗变换以及按照输出调光控制的需要作极性变换；

5、对步骤4输出的直流信号进行电位隔离；

6、对电位隔离后的直流信号进行功率放大，得到所需的低压直流调光控制电压提供给荧光灯逆变电路。

本发明对应于上述调光控制方法所涉及的在线式积分型气体放电灯调光控制装置，包括调光控制开关端和镇流器端，两者之间由单相交流电输送线连接，镇流器端还包括依次连接的整流器电路、功率因数校正电路以及逆变电路，其特征在于：调光控制开关端置有一可根据用户的调光请求，输出交流电压正半周或者负半周具有触发角斩波的正弦波电压信号的直流分量叠加开关电路，镇流器端还置有一积分式隔离解调电路，其输入端连接在调光控制开关端与镇流器端之间的单相交流电输送线上，其输出端连接在逆变电路的调光控制电压输入端。

本发明调光控制开关端对交流电压的半周波上作可变角度的斩波，并借助电源线传输该交流电压中叠加可变直流分量的信号；在镇流器媏，对叠加了该可变直流分量的交流电压信号进行积分处理，提取可变直流信号，经极性变换、电位隔离和功率放大等信号处理后用作调光控制信号。

本发明具有实施方法简单，造价低廉，高功率因数，低谐波失真等优点，是一种理想的两线制气体放电灯亮度控制信号的传送方式和装置。

【附图说明】

图1为本发明在线式积分型气体放电灯调光装置方框图；

图2为本发明直流分量叠加开关电路图；

图3为本发明交流电压可变触发角波形图；

图4为本发明积分式隔离解调电路电路图；

图5为本发明中直流分量叠加开关电路和积分式隔离解调电路电路图。

图中各序号和符号分别表示为：

1-调光控制开关端          2-电子镇流器端

3-直流分量叠加开关电路    4-整流电路

5-功率因数校正电路        6-积分式隔离解调电路

7-逆变电路                8-荧光灯

9-积分电路                10-阻抗及极性变换电路

11-电位隔离电路           12-功率放大电路

SW-电源开关               D-二极管

UA-移相控制电路           SD-单向可控硅

L-单相交流电相线          N-单向交流电中线

Vac-交流电压值            δ-触发角

Rv-可变电阻               C-移相电容器

Rj-积分电阻            Cj-积分电容器

U1a-第一运算放大器     U1b-第二运算放大器

U2-光电耦合器          Q-晶体管跟随器

R-偏置电阻             K-单向可控硅的阴极

A-单向可控硅阳极       G-单向可控硅控制极

【具体实施方式】

参照图1，本发明所述的在线式积分型气体放电灯调光控制装置包括调光控制开关端1和电子镇流器端2，两者之间由单相交流电输送线连接。电子镇流器端还包括依次连接的整流电路4、功率因数校正电路5以及逆变电路6。调光控制开关端1置有一可根据用户的调光请求，输出交流电压正半周或者负半周具有触发角δ斩波的正弦波电压信号的直流分量叠加开关电路3，电子镇流器端2还置有一积分式隔离解调电路6，其输入端连接在调光控制开关端2与电子镇流器端2之间的单相交流电输送线上，其输出端连接在逆变电路7的调光控制电压输入端。

参照图2，直流分量叠加开关电路3由电源开关SW，二极管D，单向可控硅SD，以及移相控制电路UA所构成，单向可控硅SD串联连接在单相交流电的相线L上，一个二极管D与单向可控硅SD并联连接，移相控制电路UA连接在单向可控硅SD的阴极K和控制极G之间。

本发明所述的移相控制电路UA可以是数字电路构成，也可以采用模拟移相电路构成。

参照图5，如本发明实施例中采用模拟移相电路所构成的移相控制电路UA，其结构是：可变电阻Rv与移相电容器C串联连接后跨接在单向可控硅SD的阴极K和阳极A两端，单向可控硅SD的控制极G连接可变电阻Rv与移相电容器C公共端。

参照图4，所述的积分式隔离解调电路6包括依次相连接的积分电路9、阻抗变换及极性变换电路10、电位隔离电路11以及功率放大电路12。

所述的积分电路9由积分电阻Rj和积分电容器Cj构成。所述的阻抗变换及极性变换电路10由第一运算放大器U1a构成。所述的电位隔离电路11由光电耦合器U2构成。所述的功率放大电路12由第二运算放大器U1b和晶体管跟随器Q构成，第二运算放大器U1b反相输入端连接晶体管跟随器Q发射极，并作为积分式隔离解调电路6的输出端连接逆变电路7的调光控制电压输入端，第二运算放大器U1b的输出端连接晶体管跟随器Q的基极，第二运算放大器U1b同相输入端通过偏置电阻R连接本电路工作电源，晶体管跟随器Q集电极连接本电路工作电源。

本发明所述的在线式积分型气体放电灯调光控制方法为：

(1)调光控制开关端的直流分量叠加开关电路，根据用户的调光请求，输出交流电压正半周或者负半周具有触发角斩波的正弦波电压信号，所述的触发角大于0度，小于等于30度；

(2)上述具有触发角斩波的正弦波电压信号通过单相交流电输送线传输至电子镇流器端；

(3)镇流器端的积分电路对上述信号进行积分，提取可变直流信号，该积分电路可以是电阻电容积分电路；

(4)对上述可变直流信号进行阻抗变换以及按照输出调光控制的需要作极性变换，所述的阻抗变换及极性变换是通过运算放大器电路进行；

(5)对步骤4输出的直流信号进行电位隔离，所述的电位隔离是通过光电耦合器电路进行。

(6)对电位隔离后的直流信号进行功率放大，得到所需的低压直流调光控制电压提供给荧光灯8的逆变电路7。

在本发明中，直流分量叠加开关电路3，根据亮度要求对交流电源电压波形的半个周波上作可变角度δ斩波，交流电压正负半周经这种不对称畸变使交流电压信号中叠加上一个可用作调光控制的可变直流分量。借助电源线将该调光控制信号传送到电子镇流器端2一侧的积分式隔离解调电路6。

如所周知，交流电压的数学表达式为：

v(t)＝v_max×sin(ωt)dt

其中v(t)为t时刻的交流电压值；

v_max为交流电压峰值；

ω为初始相位；

对上述函数正弦因子在一个周期内积分：

$v_{\mathrm{av}}={\∫}_0^T\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}={\∫}_0^{\frac{T}{2}}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}+{\∫}_{\frac{T}{2}}^T\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}$

$={\∫}_0^{\frac{T}{2}}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}-{\∫}_0^{\frac{T}{2}}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}=0$

式中v_av为一个周期内的电压积分值；

T为周期，即交流电源频率的倒数。

这表明，上、下半个周期对称的正弦波电压，经积分后数值为零。如果交流电源的任一半波过零后再经δ度才导通，则交流电的电压积分值就不为零，其值仅与触发角δ的大小有关：

$v_{\mathrm{av}1}={\∫}_{\mathrm{\δ}}^T\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}$

$={\∫}_0^T\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}-{\∫}_0^{\mathrm{\δ}}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}$

$=-{\∫}_0^{\mathrm{\δ}}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\mathrm{dt}$

$=\cos \mathrm{\δ}-1$

式中δ为交流电压半个周期内的触发角。

在线式直流分量叠加开关就是根据亮度要求对交流电源的半波作可变角度斩波，使交流电源中叠加一个调光控制信号的。由于只是一个变化范围在30度以内的较小的可变触发角，而且亮度最大时触发角为零，所以对功率因数和电流谐波基本没有影响。

积分式隔离解调电路电路6安装在电子镇流器端2的一侧，通过积分电路9将交流电压中叠加的代表不同亮度的调光控制信号分离出来，再按电子镇流器所需的控制电平进行放大。积分电路9对非对称可变触发角正弦波信号进行积分所获得的直流电压与电压波形的触发角δ大小成比例，而与电源电压的高低无关。因此，电源电压的波动不会引起调光亮度的变化，可以实现宽电压范围供电的镇流器的调光。

以下简述实施例中本发明所述的在线式积分型气体放电灯调光控制信号的形成和传送方法：

参照附图，根据亮度控制的要求，改变单向可控硅SD控制极G上的移相电压实现对交流电源电压波形在正半波或负半波上作可变角度斩波。

输入交流电源电压的相线L线经控制电源通/断的电源开关SW后接到单向可控硅SD的阴极K和二极管D的正极。在输入的电压正半波时，二极管D导通，输入电压直接输出；在电压负半波时，二极管D截止，在单向可控硅SD阴极K和控制极G之间的移相电压到达可控硅的触发电压之前，没有电压输出。当移相控制电路UA的输出电压到达可控硅SD的触发电压时，可控硅SD触发导通，使输出电压波形负半周形成一个如图3所示可变触发角δ的斩波。若图2中将直流分量叠加开关电路3的输入端与输出端倒置，则可得到对输入电压波形的正半周作可变触发角斩波。

移相控制电路UA可以是由数字电路，用来提供可变移相电压；也可以采用如图5所示的由可变电阻Rv和移相电容器C所组成的模拟移相电路。无论直接改变由数字电路提供的移相电压，还是调节电阻-电容模拟移相电路中可变电阻的阻值，都可以使输出电压波形的半个周波上形成一个可变触发角斩波

所述的积分式隔离解调电路5位于电子镇流器端2的一侧。如图4所示，积分电阻Rj和积分电容器Cj构成积分积分电路9，接在单向交流电源的相线L与中线N之间，对通过单相交流电源相线L传送过来的，由直流分量叠加开关输出的电压波形的半个周期上有可变触发角斩波的电压波形进行积分，获得交流电压中的直流分量。积分电压的数值Vav与可变触发角δ的大小有关，Vav＝Cosδ-1。

积分电容器Cj和积分电阻Rj的连接点即积分电路9的输出端输出的积分电压，在由第一运算放大器U1a进行阻抗变换和按照输出调光控制的需要作极性变换，由光电耦合器U2作电位隔离，隔离输出的电压经第二运算放大器U1b和由晶体管跟随器Q功率放大后，得到所需的低压直流调光控制电压。此直流电压送到调光镇流器的逆变电路7，调控气体放电灯(荧光灯8)输出功率，实现气体放电灯亮度的调控。

在调光过程中，当输入/输出功率最大时，应使可控硅触发角为零；当输入/输出功率最小时，触发角最大。这可以根据亮度控制电路的需要，选取触发角的部位是位于正弦波的正半周或负半周，并通过改变积分式隔离解调电路中的放大器的极性变换来保证。

Claims (14)

1、一种在线式积分型气体放电灯调光方法，其特征在于：

(1)调光控制开关端的直流分量叠加开关电路，根据用户的调光请求，输出交流电压正半周或者负半周具有触发角斩波的正弦波电压信号；

(2)上述具有触发角斩波的正弦波电压信号通过单相交流电输送线传输至电子镇流器端；

(3)镇流器端的积分电路对上述信号进行积分，提取可变直流信号；

(4)对上述可变直流信号进行阻抗变换以及按照输出调光控制的需要作极性变换；

(5)对步骤4输出的直流信号进行电位隔离；

(6)对电位隔离后的直流信号进行功率放大，得到所需的低压直流调光控制电压提供给荧光灯逆变电路。

2、根据权利要求1所述的在线式积分型气体放电灯调光方法，其特征在于：所述的触发角大于0度，小于等于30度。

3、根据权利要求1所述的在线式积分型气体放电灯调光方法，其特征在于：步骤3所述的积分电路为电阻电容积分电路。

4、根据权利要求1所述的在线式积分型气体放电灯调光方法，其特征在于：步骤4所述的阻抗变换及极性变换是通过运算放大器电路进行。

5、根据权利要求1所述的在线式积分型气体放电灯调光方法，其特征在于：步骤5所述的电位隔离是通过光电耦合器电路进行。

6、一种在线式积分型气体放电灯调光控制装置，包括调光控制开关端和镇流器端，两者之间由单相交流电输送线连接，镇流器端还包括依次连接的整流器电路、功率因数校正电路以及逆变电路，其特征在于：调光控制开关端置有一可根据用户的调光请求，输出交流电压正半周或者负半周具有触发角斩波的正弦波电压信号的直流分量叠加开关电路，镇流器端还置有一积分式隔离解调电路，其输入端连接在调光控制开关端与镇流器端之间的单相交流电输送线上，其输出端连接在逆变电路的调光控制电压输入端。

7、根据权利要求6所述的在线式积分型气体放电灯调光控制装置，其特征在于：直流分量叠加开关电路由电源开关，二极管，单向可控硅，以及移相控制电路所构成，单向可控硅串连连接在单相交流电相线上，二极管与单向可控硅并联连接，移相控制电路连接在单向可控硅的阴极和控制极。

8、根据权利要求7所述的在线式积分型气体放电灯调光控制装置，其特征在于：移相控制电路可以是数字电路构成，也可以采用模拟移相电路构成。

9、根据权利要求8所述的在线式积分型气体放电灯调光控制装置，其特征在于：所述模拟移相电路构成的移相控制电路结构是可变电阻与移相电容器串联连接后跨接在单向可控硅的阴阳极两端，单向可控硅的控制极连接可变电阻与移相电容器的公共端。

10、根据权利要求6所述的在线式积分型气体放电灯调光控制装置，其特征在于：所述的积分式隔离解调电路包括依次相连接的积分电路、阻抗变换及极性变换电路、电位隔离电路以及功率放大电路。

11、根据权利要求10所述的在线式积分型气体放电灯调光控制装置，其特征在于：所述的积分电路由积分电阻和积分电容器构成。

12、根据权利要求10所述的在线式积分型气体放电灯调光控制装置，其特征在于：所述的阻抗变换及极性变换电路由第一运算放大器构成。

13、根据权利要求10所述的在线式积分型气体放电灯调光控制装置，其特征在于：所述的电位隔离电路由光电耦合器构成。

14、根据权利要求10所述的在线式积分型气体放电灯调光控制装置，其特征在于：所述的功率放大电路由第二运算放大器，和晶体管跟随器构成，第二运算放大器反相输入端连接晶体管跟随器发射极，并作为积分式隔离解调电路输出端连接逆变电路的调光控制电压输入端，第二运算放大器输出端连接晶体管跟随器的基极，第二运算放大器同相输入端通过偏置电阻连接工作电源，晶体管跟随器的集电极连接工作电源。

Images