CN101690396A - 向光源供应信号 - Google Patents

Abstract

用于向光源(6)供应电压和电流信号的供电电路包括开关(22，32，42，52)以及控制所述开关(22，32，42，52)以便降低光源(6)的功率谱谐波含量的频率分量的值的控制器(21，31，41，51)。通过开关所述电压和电流信号中的一个信号，或者通过开关导致所述电压和电流信号中的一个信号的信号，可以调节所述电压和电流信号中的另一个信号。光源(6)的功率谱可以是所述电压和电流信号的函数。通过调节它们中的一个，可以调节该功率谱，从而降低该功率谱谐波含量的频率分量的值。结果，减小了来源于光源(6)的光中的可见闪烁，而不使用能量存储电容器来降低该可见闪烁。

Description

向光源供应信号

技术领域

本发明涉及用于向光源供应电压信号和电流信号的供电电路、包括供电电路的设备、向光源供应电压信号和电流信号的方法、用于控制供电电路的控制信号以及用于存储和包含产生控制信号的信息的介质。这种电源的实例为开关模式电源和其他电源。这种设备的实例为消费产品和非消费产品。这种介质的实例为机械存储器和非机械存储器以及诸如盘和棒之类的载体。

背景技术

US2007/0040533在其标题中公开了开关电源中的输入波形控制并且在其摘要中公开了以下认识：滤波器尺寸可以充分地减小，因为功率因数允许以系统的方式偏离到单位一以下。给定希望的目标功率因数，特定的可计算的波形允许使用最小的滤波器尺寸。US2007/0040533还在其图8中公开了由输入电压和预定义输入电流得到的输出电压并且还在其0043段中公开了对于具有200μF的输出电容器的转换器而言，该输出电压表现出相对较小的120Hz波纹。所述输出电容器负责减小该波纹。因此，在输出电容器具有减小的值的情况下，波纹将获得增大的值。

该现有技术公开内容的缺点归因于输出电压中的波纹仍然太大这一事实。当使用转换器向光源供电时，该波纹将导致可见的闪烁。该现有技术公开内容的进一步的缺点归因于转换器使用了具有相对较大的值的电解输出电容器这一事实。这种电解输出电容器尤其在较高的温度下具有相对较短的寿命。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于向具有至少降低的可见闪烁(优选地只有不可见的闪烁)的光源供应电压信号和电流信号的供电电路，而无需相对较大的电解输出电容器(优选地根本无需任何电解输出电容器)。

本发明的另外的目的是提供包括供电电路的设备，提供向光源供应电压信号和电流信号的方法，提供用于控制供电电路的控制信号以及提供用于存储和包含控制信号的介质，以便向具有至少降低的可见闪烁(优选地只有不可见的闪烁)的光源供电，而无需相对较大的电解输出电容器(优选地根本无需任何电解输出电容器)。

本发明的第一方面提供了用于向光源供应电压信号和电流信号的供电电路，该供电电路包括至少一个开关以及用于控制所述至少一个开关以便降低光源功率谱的谐波含量的至少一个频率分量的值的控制器。

所述至少一个开关例如开关所述电压和电流信号中的一个信号，或者例如开关导致所述电压和电流信号中的一个信号的信号。通过这种方式，可以调节所述电压和电流信号中的另一个信号。光源的功率谱为例如所述电压和电流信号的函数(乘积)。通过调节它们中的一个，可以以能够降低该功率谱谐波含量的至少一个频率分量的值的方式调节该功率谱。结果，可以减小可见闪烁。

可见闪烁可以是直接可见的闪烁和/或可以是间接可见的闪烁，例如移动目标的频闪效应形式的闪烁。

向光源馈送电压信号(例如AC电压信号)和/或电流信号(例如AC电流信号)。光源可以是AC类型或者DC类型。例如，气体放电灯经常是但并非总是AC驱动的。例如，发光二极管或LED以及有机发光二极管或OLED为DC类型。

依照一个实施例，供电电路由所述谐波含量的所述至少一个频率分量至少包括等于来源于AC源的另外的电压信号和另外的电流信号中的至少一个的基频的两倍的频率下的第一频率分量来限定。

所述功率谱的谐波含量的第一频率分量例如具有100Hz(2×50Hz，欧洲)或者120Hz(2×60Hz，美国)的频率。

依照一个实施例，供电电路通过降低来源于所述光源的光中的可见闪烁而不使用能量存储电容器以降低该可见闪烁来限定。

依照一个实施例，供电电路通过所述功率谱为所述电压信号和电流信号的函数并且所述至少一个开关开关所述电压信号以控制所述电流信号来限定。不应当使用并且应当避免的能量存储电容器为例如电解电容器。

依照一个实施例，供电电路通过所述控制器包括用于产生所述至少一个开关的控制信号的装置来限定。

这种装置可以是存储器或者驱动器。当光源已知时，不必要测量供电电路中的信号，并且可以事先定义所述控制信号。

依照一个实施例，供电电路通过所述控制器包括用于将测量的信号转换成用于所述至少一个开关的控制信号的转换器来限定。

这种转换器可以是微处理器(的一部分)。当光源未知时或者当光源可以是许多不同光源中的一个时或者当许多光源可以变化时，可能有必要测量供电电路中的信号，并且所述控制信号可能必须从测量的信号中导出。

所述光源可以是高强度放电灯或HID灯，例如为AC类型，其中当例如在最大电流流量时或者之后不久电极温度为高时，发生换向。

本发明的第二方面提供了包括依照本发明的供电电路的设备。

本发明第三方面提供了向光源供应电压信号和电流信号的方法，该方法包括至少一个开关步骤以及用于控制所述至少一个开关步骤以便降低光源功率谱的谐波含量的至少一个频率分量的值的控制步骤。

本发明的第四方面提供了用于控制向光源供应电压信号和电流信号的供电电路的控制信号，该控制信号被设计用于降低光源功率谱的谐波含量的至少一个频率分量的值。

本发明的第五方面提供了用于存储和包含产生依照本发明的控制信号的信息的介质。

该信息可以是用于以相对直接的方式产生控制信号的直接信息，或者该信息可以是用于以相对间接的方式将测量的信号转换成控制信号的间接信息。

所述系统、方法、控制信号和介质的实施例与供电电路的实施例相应。

一种认识可能在于，来自光源的光的可见闪烁由具有含谐波含量的功率谱的光源引起。基本的思想可能在于，以降低该功率谱谐波含量的至少一个频率分量的值的方式控制供电电路中的开关。

本发明解决了提供用于向具有至少降低的可见闪烁(优选地只有不可见的闪烁)的光源供应电压信号和电流信号的供电电路，而无需相对较大的能量存储电容器(优选地根本无需任何能量存储电容器)的问题。本发明的另一个优点在于，在供电电路中可以避免能量存储电容器。

本发明的这些和其他方面根据下面描述的实施例是清楚明白的，并且将参照这些实施例进行阐述。

附图说明

在附图中：

图1示出了用于由现有技术供电电路提供输入的灯的市电电压和模拟的市电电流(上图)以及市电功率和市电功能(function)(下图)，

图2示出了当被馈送图1所示的失真市电电流时灯的功率的频谱，

图3示出了当被馈送正弦市电电流时灯的功率的频谱，

图4示出了针对市电电流谐波含量的频率分量的调节的相位角的、用于供电电路提供输入的灯的市电电压和模拟的市电电流(上图)以及市电功率和市电功能(下图)，

图5示出了当被馈送图4中示出的市电电流时灯的功率的频谱，

图6示出了当被馈送图7中示出的市电电流时灯的功率的频谱，

图7示出了针对仅仅具有第三和第五谐波分量的市电电流的、用于供电电路提供输入的灯的市电电压和模拟的市电电流(上图)以及市电功率和市电功能(下图)，

图8示出了针对被设计成使得市电功率的100Hz分量在大的程度上降低至例如零的市电电流的、用于供电电路提供输入的灯的市电电压和模拟的市电电流(上图)以及市电功率和市电功能(下图)，

图9示出了当被馈送图8中示出的市电电流时灯的功率的频谱，

图10示出了当被馈送图11中示出的市电电流时灯的功率的频谱，

图11示出了针对最大可容许失真下的市电电流的、用于供电电路提供输入的灯的市电电压和模拟的市电电流(上图)以及市电功率和市电功能(下图)，

图12示出了依照使用AC驱动灯(例如气体放电灯)的相对最优的实现方式的灯电压和灯电流(上图)以及灯功率(下图)，

图13示出了当被馈送现有技术灯电流时灯的功率的频谱，

图14示出了当被馈送依照图12的相对最优的实现方式的灯电流时灯的功率的频谱，

图15示出了包括整流器和降压转换器的现有技术供电电路，

图16示出了包括整流器、升压转换器和降压转换器的现有技术供电电路，

图17示出了依照本发明的包括整流器和返驰式转换器(fly backconverter)或单端初级电感转换器(sepic converter)的供电电路，以及

图18示出了依照本发明的包括整流器和返驰式转换器的供电电路。

具体实施方式

图1在其上图中示出了用于由现有技术供电电路提供输入的灯的市电电压Vm和模拟的市电电流Im并且在其下图中示出了用于该灯的市电功率Pm和市电功能Sm。典型地，当通过标准二极管整流器对电解电容器充电时，找到该电流形状。谐波含量相当高，但是这对于小灯(例如25瓦特)不是问题，这归因于对于这样的小灯存在立法例外这一事实。当在灯没有能量存储的情况下施加市电电流Im时，光的波动等于Sm函数。为了可视化该效应，可以将时域中的该描绘转移到频域，如图2所示。

图2示出了当被馈送图1中示出的失真市电电流时灯的功率的频谱。除了具有26瓦特幅度的DC光发射之外，在100Hz下存在具有20瓦特幅度的显著的分量，其为光通量的78％。当应用具有磁性镇流器的灯时，电流和功率具有基本上为正弦的形状(从而忽略HID灯的非线性行为)并且频谱示于图3。

图3示出了当被馈送正弦市电电流时灯的功率的频谱。100Hz下的分量具有大约16.4瓦特的幅度，其在该实例中为光通量的63％。

图4针对市电电流谐波含量的频率分量的调节的相位角在其上图中示出了用于由供电电路提供输入的灯的市电电压和模拟的市电电流并且在其下图中示出了用于该灯的市电功率和市电功能。只有频率分量的相位角经过调节；频率分量的谐波幅度没有发生改变。即使没有能量存储，灯功率通量也可以变得接近方波。峰值电流比标准情形更低。图5中的频率分析示出了低频闪烁可以降低的程度。

图5示出了当被馈送图4中示出的市电电流时灯的功率的频谱。100Hz分量的幅度降低到4.3瓦特，其等于仅仅16.5％并且实际上不再是个问题。对于实际的实现而言，不需要将更高的频率分量降低到低于该水平，因而当针对200Hz和100Hz的16.5％设计时，电流形状可以变得甚至更好，如图7所示。

图6示出了当被馈送图7中示出的市电电流时灯的功率的频谱。

图7针对只有第三和第五谐波分量的市电电流在其上图中示出了用于由供电电路提供输入的灯的市电电压和模拟的市电电流并且在其下图中示出了用于该灯的市电功率和市电功能。利用更低谐波的更高含量，可以甚至更好地降低闪烁，如图8所示，但这可能在指定的合法规则(legislation)之外。

图8针对被设计成使得市电功率的100Hz分量在大的程度上降低至例如零的市电电流在其上图中示出了用于由供电电路提供输入的灯的市电电压和模拟的市电电流并且在其下图中示出了用于该灯的市电功率和市电功能。

图9示出了当被馈送图8中示出的市电电流时灯的功率的频谱。这里，完全去除了100Hz分量，并且200Hz分量具有仅仅2.5瓦特的幅度。

通常，依照IEC61000-3-2的类C给照明设备评定等级。对于低于25W的功率水平，存在特殊的相对放松的规则。关于如何允许输入电流失真，存在两个选项A和B：

A.依照IEC61000-3-2的类D的功率相关极限，对于欧洲市电，220伏特...240伏特，第三谐波的78.2％，第五谐波的43.7％，第七谐波的23％，第九谐波的11.5％，等等。只要满足这些极限，则没有附加的限制。

B.依照一组特殊条件，当波具有特定形状时，第三谐波可以达到86％，第五谐波可以达到61％。在这种情况下，对于电流波形中的最后的峰值存在限制，其降低了闪烁降低的性能。

图10示出了当被馈送图11中示出的市电电流时灯的功率的频谱。100Hz闪烁分量现在只有总功率的大约10％的幅度。

图11针对最大可容许失真下的市电电流在其上图中示出了用于由供电电路提供输入的灯的市电电压和模拟的市电电流并且在其下图中示出了用于该灯的市电功率和市电功能。

最直接的实现方式使用由预调整器和灯驱动器(例如用于LED的电流源)构成的标准拓扑结构。差别可能在于，在预调整器输出端处看到的缓冲电容器可能由仅滤除高频含量的小的(例如陶瓷)电容器替换。在该实现方式中，可以确切地依照所需的性能来对电流定形。通过使用返驰式或单端初级电感转换器以便直接将市电电流转换成LED电流，其他(更高级的)实现方式也是可能的。

应用可以是LED灯或灯驱动器，其没有缓冲电容器(低成本、极端小型化、长寿命)。

其他应用可以是HID和CFL灯。于是，可能需要考虑有关灯行为的一些附加的要求，如以下I、II、III和IV中所描述的。

I.主要的方法是省略能量存储，这意味着输入功率总是等于输出功率。与此独立的是，灯电流的换向可以在任何时间进行。该时间由最适合于给定灯的条件确定。对于HID灯，最好是在电极温度高时进行换向，这意味着在最大电流流量时或者之后不久。该条件能够容易满足。

II.HID灯(尤其是低功率版本)可能具有达到极低电流的一些问题。这是因为电极(从它们的设计阶段起)非常冷，因而传导通道在一定阈值之下可能丧失。为了处理这个问题，可以将最小水平的电流引入电流波形中。这给设计添加了一点能量存储要求，但是仍然比任何常规方法少得多。

III.能量存储的附加要求有时由市电DIP规范给出。依照II的实现方式也将在市电DIP期间自动施加该低电流，并且在能量存储可用的情况下尽可能长时间地保持灯激活。

IV.由于光可能稍微取决于电流方向，因而灯电流换向也可能引入闪烁，并且优选地处于比市电电流更高的频率下。

图12在其上图中示出了依照使用AC驱动灯(例如气体放电灯)的相对最优的实现方式的灯电压V和灯电流I并且在其下图中示出了灯功率P。灯电流以150Hz换向，其是用于这样的灯的良好的工作频率，并且防止了来自燃烧器不对称的可见闪烁。所述换向总发生在最高电流阶段期间，这有利于电极和EMI(低的再点火电压)。电流形状引入了防止灯熄灭的下限。功率曲线示出了由所提出的市电电流的定形而引起的一般形式，但是不再到零。

图13示出了被馈送现有技术灯电流时灯的功率的频谱。

图14示出了被馈送依照图12的相对最优的实现方式的灯电流时灯的功率的频谱。

借助于频域中的电流合成，有可能去除或者显著降低电子灯中所需的滤波电容(例如低于25瓦特功率水平)。利用市电电流中可接受的谐波含量的极限允许去除任何可见的闪烁效应。产品的可靠性和寿命可以显著地提高。更高的工作温度允许进一步的小型化并且节省成本。在高的工作温度下利用完整的LED寿命变得可能。

图15示出了包括整流器1和降压转换器3的现有技术供电电路。整流器1包括由四个二极管12-15组成的整流桥。桥的输入端耦合到AC源11(例如用于产生230伏特)，桥的输出端耦合到电解电容器16，其具有例如10μF、350伏特的值以便降低闪烁。降压转换器3包括晶体管32和反串行二极管33的串联电路32-33。该串联电路32-33并联耦合到电解电容器16。存在与二极管33并联的电感器34和电容器35的另一串联电路34-35。存在与电容器35并联的电阻器36和光源6(例如LED)的又一串联电路。晶体管32的控制电极、二极管33和电阻器36的公共点以及电阻器36和光源6的公共点耦合到LED控制器31。

图16示出了包括整流器1、升压转换器2和降压转换器3的现有技术供电电路。已经针对图15讨论了整流器1和降压转换器3。升压转换器2位于整流器1的输出端与降压转换器3的输入端之间，与整流器1的输出端和降压转换器3的输入端并联耦合，并且包括耦合到整流器1的输出端的电感器23和晶体管22的串联电路23-22，还包括耦合到串联电路23-22且耦合到降压转换器3的输入端的二极管24和电容器25的另一串联电路24-25。晶体管22的控制电极、二极管24和电容器25的公共点以及整流器的输出端耦合到功率因数校正控制器21。升压转换器2允许电容器16变得更小并且为非电解的，但是电容器25必须具有例如10μF、400伏特的值以便降低闪烁。图16的供电电路用于具有更高功率和/或更严格规定的情况。

为了实现本发明，依照第一选项，功率因数校正控制器21和LED控制器31还必须彼此耦合以用于同步目的并且产生如图4、图7、图8和/或图11所示的市电电压和市电电流。于是，甚至电容器25也可以变得更小且为非电解的。

图17示出了依照本发明的包括整流器1和返驰式或单端初级电感转换器4的供电电路。这是用于实现本发明的第二个选项。上面针对图15已经讨论了整流器1。返驰式或单端初级电感转换器4包括并联耦合到整流器1的输出端的变压器的初级绕组43和晶体管42的串联电路。变压器的次级绕组44并联耦合到二极管45和电容器46的另一串联电路。存在与电容器46并联的电阻器47和光源6(例如LED)的又一串联电路。晶体管42的控制电极、电容器46和电阻器47的公共点以及电阻器47和光源6的公共点耦合到LED和功率因数控制器41。返驰式转换器和单端初级电感转换器之间的差异在于，单端初级电感转换器包括绕组之间的附加电容器(未示出)。

图18示出了依照本发明的包括整流器1和返驰式转换器5的供电电路。这是用于实现本发明的第三个选项，不排除另外的选项。上面针对图15已经讨论了整流器1。返驰式转换器5包括并联耦合到整流器1的输出端的变压器的初级绕组53和晶体管52的串联电路。变压器的次级绕组54并联耦合到二极管55和电容器56的另一串联电路。存在与电容器56并联的光源6，例如LED。晶体管52的控制电极以及晶体管52和整流器1的输出端的公共点耦合到LED和功率因数控制器51。

通过控制图17和图18中的晶体管42和52的接通和断开，可以控制输入电流以及平均输出电流的幅度。在光源具有相对较小的参数变化的情况下，输出电流的测量是不必要的并且如图18所示的电流隔离是可能的。在光源具有相对未知的参数变化的情况下，可以例如由控制器测量通过初级绕组或者通过晶体管的电流，或者可以将测量结果提供给控制器。

该控制器可以包括用于产生晶体管(开关)的控制信号的装置(存储器)或者可以包括用于将测量的信号(例如测量的电流)转换成晶体管(开关)的控制信号的转换器。换言之，可以存储用于产生控制信号(直接地或者通过转换测量的信号间接地产生)的信息。该信息可能地可以以缩放的方式存储在表格中，并且可以用于(如果可能的话)以同步的方式利用输入电压产生该控制信号。

电压可以定义为：

$V\left(t\right)=\sqrt{2}{V}_{\mathrm{rms}}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)$

对于电阻负载，可以将电流定义为：

$I\left(t\right)=\sqrt{2}{I}_{\mathrm{rms}}\sin \left(2\mathrm{\πft}\right)$

对于电感或电容负载，可以引入相位角：

失真电流由若干频率分量构成：

于是，总电流可以定义为：

图1和图2的电流的适当定义通过采用奇次分量以及0与π之间的相位角来获得。当所有相位角为0时，获得最佳的闪烁降低。于是，可以依照另外的条件最优化幅度。在大多数情况下，这些幅度可以达到允许的最大值，这归因于在这种情况下也实现了最大的闪烁降低这一事实。

可以提前半周期(即128个时间离散点)计算值I(t)，并且可以将其临时存储在存储器中。微处理器检测输入电压中的过零并且开始读出第一值I(t)＝I(0)。然后，(对于128点和50Hz)每78.125μs加载新的电流值。

在一个简单的实施例中，通过数模转换器将电流值转换成电压。当电流刚越过零值时，通过分立逻辑电路激活(接通和/或使导通)作为开关而操作的晶体管。然后，当电流达到计算且存储的值的二倍时，使晶体管失活(断开和/或使不导通)。由于电流的上升和下降基本上是线性的这一事实，平均值将等于所述计算且存储的值。

所述开关可以是任何种类的晶体管或者可以是另一种类的开关，例如晶闸管、三端双向可控硅开关或者继电器，而不排除另外的开关。

总的来说，用于向光源6供应电压和电流信号的供电电路包括开关22、32、42、52以及控制开关22、32、42、52以降低光源6的功率谱谐波含量的频率分量的值的控制器21、31、41、51。通过开关所述电压和电流信号中的一个信号或者通过开关导致所述电压和电流信号中的一个信号的信号，可以调节所述电压和电流信号中的另一个信号。光源6的功率谱可以是所述电压和电流信号的函数。通过调节它们中的一个，可以调节功率谱，从而降低该功率谱谐波含量的频率分量的值。结果，降低了来源于光源6的光中的可见闪烁，而不使用能量存储电容器来降低该可见闪烁。

尽管在附图和前面的说明中详细地图示和描述了本发明，但是所述图示和描述应当被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的；本发明并不限于所公开的实施例。本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开内容和所附权利要求书的研究，应当能够理解并实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求书中，措词“包括/包含”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”并没有排除复数。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项的功能。在相互不同的从属权利要求中列举若干技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。计算机程序可以存储/分布在适当的介质上，例如存储/分布在与其他硬件一起提供或者作为其他硬件的一部分而提供的光学存储介质或固态介质上，但是也可以以其他形式分布，例如通过因特网或者其他有线或无线电信系统分布。权利要求中的任何附图标记都不应当被视为对这些权利要求的范围的限制。

Claims (10)

1.一种用于向光源(6)供应电压信号和电流信号的供电电路，该供电电路包括至少一个开关(22，32，42，52)以及控制所述至少一个开关(22，32，42，52)以便降低光源(6)的功率谱谐波含量的至少一个频率分量的值的控制器(21，31，41，51)。

2.如权利要求1所述的供电电路，所述谐波含量的所述至少一个频率分量至少包括等于来源于AC源(11)的另外的电压信号和另外的电流信号中的至少一个的基频的两倍的频率下的第一频率分量。

3.如权利要求1所述的供电电路，用于降低来源于所述光源(6)的光中的可见闪烁而不使用能量存储电容器以降低该可见闪烁。

4.如权利要求1所述的供电电路，所述功率谱为所述电压信号和电流信号的函数并且所述至少一个开关(22，32，42，52)开关所述电压信号以控制所述电流信号。

5.如权利要求1所述的供电电路，所述控制器(21，31，41，51)包括用于产生所述至少一个开关(22，32，42，52)的控制信号的装置。

6.如权利要求1所述的供电电路，所述控制器(21，31，41，51)包括用于将测量的信号转换成用于所述至少一个开关(22，32，42，52)的控制信号的转换器。

7.一种包括如权利要求1所述的供电电路的设备。

8.一种向光源(6)供应电压信号和电流信号的方法，该方法包括至少一个开关步骤以及用于控制所述至少一个开关步骤以便降低光源(6)的功率谱谐波含量的至少一个频率分量的值的控制步骤。

9.一种控制向光源(6)供应电压信号和电流信号的供电电路的控制信号，该控制信号被设计用于降低光源(6)的功率谱谐波含量的至少一个频率分量的值。

10.一种用于存储和包含产生如权利要求9所述的控制信号的信息的介质。

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