CN101971708A - 用于对气体放电灯调光的方法和控制电路 - Google Patents

用于对气体放电灯调光的方法和控制电路 Download PDF

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Abstract

在对气体放电灯调光的方法中，提供了连接在灯的用于接收交流电源电压的端子之间的可控开关。控制开关的开启和闭合。至少在电源电压半周期内的第一闭合时间段和随后的第二闭合时间段期间闭合该开关。第二闭合时间段长于第一闭合时间段。该开关可在电源电压半周期内的多个闭合时间段期间闭合，其中第一闭合时间段之后的每个闭合时间段长于在先的闭合时间段。第一闭合时间段在延迟时间段之后开始，延迟时间段在电源电压的电压过零之后所述灯的第一次再点燃之后。

Description

用于对气体放电灯调光的方法和控制电路
技术领域
本发明涉及一种对气体放电灯调光的方法。本发明还涉及一种用于对气体放电灯调光的调光控制电路、该调光控制电路的使用和包括该调光控制电路的控制模块。本发明还可应用于荧光灯领域和其它类型的气体放电灯领域。
发明背景
随着特别用于但不限于用于办公场所、公共区域以及家庭的气体放电灯(例如荧光灯)的发展和激增，出现了非常广泛的安装基础。过去，这样的灯设置了包括基本上电容性和电感性元件的简单镇流器以及启动灯点燃的启辉器。包括启动开关的常规启辉器被构造为小的通常为圆柱形的体积，而且该小尺寸部件设置在光源中如果启辉器出现故障较易进行替换的位置。通过开启(open)启辉器的启动开关来启动灯。灯然后以预定的最大功率水平运行延长的时间段。随着时间推移，由于灯中使得电能转换为光的效率降低的电化学过程，灯的光输出慢慢减少。因此，通常基于在长时间之后荧光灯的光输出和其初始光输出相比已降低的灯的光输出来确定对于指定照明系统应用所需要的灯数量。因此，照明系统中灯的初始光输出比实际需要的高，并且在其寿命的该阶段对灯调光将仍然允许为指定的照明系统应用产生所要求的光量。
近年来，需要尽可能地节省能源。考虑到包括荧光灯的常规照明系统实际上系统地尺寸过大，以及如上所述提供比需要的更多的光，对能够对灯调光即减少灯的光输出从而同时降低灯的电能消耗的兴趣更加迫切。但是包括荧光灯和常规镇流器的常规照明系统没有提供对灯调光的设施。因此，照明系统需要被调整来对荧光灯调光。
实际上，平均调光约20％是可接受的，尽管在一些情况下还可调光达30％或者40％，或者不超过10％。调光的百分比对应节省电能的百分比，考虑到全世界安装的数百万的荧光灯，就节能而言这一点产生了巨大的潜力。
美国专利4,682,083公开了一种包括适合于并联耦合至现有常规镇流器的开关模块的荧光灯调光适配器，其中控制开关模块的导通状态以通过在改变灯电流的时间期间以300Hz及更高范围的频率切换而改变灯中的电流。将该开关模块切换为导通产生经过荧光灯的零电流和灯两端的零电压，并且在此期间灯将不发光。有效地，灯的调光与切换模块导通的时间成比例。
将现有的已安装的包括荧光灯的常规照明系统改变为调光的照明系统需要调适每个照明系统。根据美国专利4,682,083的调光适配器被设计为和常规镇流器联合使用。当以这样的调光适配器改进现有的照明系统时，假定可以找到调光适配器的充足空间，则有必要对照明系统进行各种拆解和组装操作。无论如何，需要付出较大的安装努力。但是数量众多的已安装照明系统实际上使得必须简便、迅速和低成本地进行所述改进而不必拆解照明系统以进行必要的工作从而不必再次组装照明系统。而且，现有照明系统中用于附加元件(如调光适配器)的可利用空间非常有限，或者实际上不存在。
因为在常规调光系统中将产生高dV/dt(电压梯度值，或者电压随时间的变化)的电压，所以上面讨论的调光系统将产生相当大的EMI(电磁干扰)，而为了符合EMC(电磁兼容性)的要求，需要又重又大的EMI滤波器，这又与低空间要求相抵触。
发明内容
期望以低成本对气体放电灯调光、特别是对荧光灯、更特别是对现有照明系统的荧光灯调光。进一步期望的是提供用于气体放电灯、特别是用于荧光灯、更特别是用于现有照明系统的荧光灯的具有低EMI的调光控制电路。进一步期望的是提供用于气体放电灯、特别是用于荧光灯、更特别是用于现有照明系统的荧光灯的小体积调光模块。
在一实施例中，根据本发明的对气体放电灯调光的方法包括：提供一被配置为连接于灯的用于接收交流电源电压的端子之间的可控开关，并控制所述开关的开启和闭合，至少在电源电压半周期内的第一闭合时间段和随后的第二闭合时间段期间闭合该开关，其中第二闭合时间段长于第一闭合时间段。现有技术公开了相等长度的闭合时间段导致电网供电电压半周期内高的再点燃电压，和现有技术相反，本发明建议从第一闭合时间段到接下来的闭合时间段要增加所述闭合时间段。这样，第一闭合时间段可保持得较短，而接下来的闭合时间段可保持得更长，从而通过产生电压的低dV/dt来减少所产生的EMI。因为所产生的EMI较低，不需要体积大的滤波器，从而保持执行该方法的调光控制电路的小体积。
在一实施例中，该开关在电源电压半周期内的多个闭合时间段期间闭合，其中第一闭合时间段之后的每个闭合时间段长于先前的闭合时间段，从而既提供优良的调光性能又提供低EMI。选择闭合时间段数量及其持续时间，从而实现特别的调光量。另外，选择它们的持续时间，使得它们将产生人类肉眼所看不见的光波动。
在一实施例中，第一闭合时间段在延迟时间段之后开始，延迟时间段在电源电压的电压过零之后的所述灯的第一次再点燃之后。在气体放电灯中，在电源电压的电压过零之后，使得电流流动的等离子体将需要一些时间来变得稳定。以此时间作为延迟时间将防止本发明的方法中过量的EMI，并且提供实施该方法的调光控制电路的稳定功能。在一实施例中，延迟时间段至少为电源电压半周期的20％。在另一个实施例中，延迟时间段至少为2ms，例如在50Hz的电网供电系统中大约为5ms。
在一实施例中，电源电压半周期中闭合时间段的长度随着时间减小。以从小时到年的单位计数的该时间可以为灯的预期寿命。不考虑灯调光，则灯的光输出随时间降低。如果将使用之初的灯的光输出作为第一参考值，将其预期寿命结束时灯的光输出作为第二参考值，则灯的调光可随时间以多种方法改变。例如，灯在其预期寿命结束时的调光可以处于最小值(没有调光或者低调光)，使得灯的光输出等于第二参考值，而灯在使用之初的调光可以处于最大值(高调光)，使得灯的光输出不等于第一参考值，但基本上等于第二参考值，而在灯的寿命中调光从高调光降低至低调光，从而基本上灯总是产生相同的光量。灯的调光量可跟随灯的(不考虑调光的)光输出随时间的变化。光输出变化基本上随灯的工作时间线性减小，或者非线性地减小。
在一实施例中，本发明提供了用于执行根据本发明的气体放电灯调光方法的调光控制电路。该调光控制电路包括：被配置为连接于灯的用于接收交流电源电压的端子之间的可控开关，和可操作地连接至该开关以控制所述开关的开启和闭合的开关控制电路，该开关控制电路被配置为至少在电源电压半周期内的第一闭合时间段和随后的第二闭合时间段期间闭合该开关，其中第二闭合时间段长于第一闭合时间段。该可控开关可以为半导体开关元件例如晶体管，例如FET(场效应晶体管)。可通过在半导体开关元件的栅极处提供合适的信号来控制其开关。在另一个实施例中，该开关控制电路被配置为在电源电压半周期内的多个闭合时间段期间闭合开关，其中第一闭合时间段之后的每个闭合时间段长于先前的闭合时间段。该开关控制电路可包括具有存储器和处理存储在存储器中的计算机指令的处理器的编程计算机或者控制器。
在一实施例中，本发明提供了一种调光控制电路，其被配置为在延迟时间段之后开始第一闭合时间段，延迟时间段在电源电压的电压过零之后的所述灯的第一次再点燃之后。电压过零检测元件或者功能提供了将启动计时器来对延迟时间段进行计数的触发器信号。在经过延迟时间段后，如上所解释，开关控制电路将开始可控开关的第一闭合时间段。
在一实施例中，本发明提供了一种调光控制电路，其中预先确定每个闭合时间段的长度，使得闭合时间段结束时灯的再点燃电压不超过电源电压电压过零后所述灯的第一再点燃电压。每个闭合时间段的长度可在调光控制电路或者开关控制电路中编程。通过保持低的再点燃电压，调光控制电路工作时所产生的EMI保持得低。
在一实施例中，本发明提供了一种调光控制电路，其中如上所述，开关控制电路配置为在包括电网电压的许多周期的更长时间段上减小电源电压半周期内的闭合时间段长度。
在一实施例中，本发明提供了一种调光控制电路，还包括用于接收表示调光水平的调光控制信号的接收器，开关控制电路被配置为根据调光水平控制开关。调光控制电路可被设计为自动工作，并且可另外根据通过接收器接收的调光控制信号(例如无线发送至耦合到该接收器的接收天线的RF(射频)控制信号或者IR(红外)控制信号)来工作。调光控制信号可用于设置连接至调光控制电路的气体放电灯的特定调光水平，或者可用于通过提供指令以使调光控制电路执行特定调光功能来对调光控制电路或者开关控制电路编程。
在本发明的一实施例中，调光控制电路用于调光荧光灯。
在一实施例中，本发明提供了一种包括调光控制电路的控制模块，该控制模块具有对应于常规启辉器的外部尺寸。因为调光控制电路所实施的调光控制方法产生低的EMI，所以将这样的EMI降低至可接受水平的电过滤仅仅需要相对较小的元件。这些小元件可建造在控制模块外壳内(通常为圆筒形外壳，在外壳的一侧具有两个端子)，其可具有和常规启辉器相同甚至比常规启辉器更小的尺寸。因此，可以以包括根据本发明的调光控制电路的控制模块替换常规启辉器。
根据下面结合附图对实施例的非限制性实例的详细描述，本发明的其它特征和特性将更容易理解。
附图说明
图1示意性描绘了包括根据本发明的调光控制电路的照明电路；
图2示意性描绘了包括根据本发明的调光控制电路的另一个照明电路；
图3示意性描绘了可用于根据本发明的实施例中的遥控电路；
图4示意性描绘了根据本发明的调光控制电路的实施例；
图5描绘了由根据本发明的调光控制方法或调光控制电路的实施例所产生的灯电压和灯电流的示意图；
图6描绘了由根据本发明的调光控制方法或调光控制电路的实施例所产生的灯电压、灯电流和调光控制信号的示意图；
在不同的附图中，相同的附图标记表示相同或者相似的部件，或者部件具有相似的功能。
具体实施方式
图1描绘了包括具有四个端子A、B、C和D的荧光灯11的照明电路10。灯11的端子A连接至电感12的第一端子。电感12的第二端子、灯11的端子C适合于连接至电网电压，例如50Hz或者60Hz的电网交流电压。灯11的端子B和D连接至将在下面更详细解释的调光控制电路13。照明电路10具有电感特性。
图2描绘了包括具有四个端子E、F、G和H的荧光灯21的照明电路20。灯21的端子E连接至电感22和电容23串联连接的第一端子。电感22和电容23的串联连接的第二端子、灯21的端子G适合于连接至电网电压，例如50Hz或者60Hz的电网交流电压。灯21的端子F和H连接至将在下面更详细解释的调光控制电路24。照明电路20具有电容特性。
除了电容23以外，分别在图1和2中示出的照明电路10和20可整体或者部分相同。
图3描绘了包括发射/接收模块31、处理模块32、和IR(红外)存在检测模块33的遥控电路30。而且，还包括两个开关34和35。
发射/接收模块31包括用于向外部设备或者系统发射RF(射频)信号和/或从其接收RF(射频)信号的天线36。例如，发射/接收模块31可向图1和2所示出的调光控制电路13或者24发射控制信号。这样的控制信号可命令调光控制电路13或者24采取具体行动，例如分别点亮灯11或者21，或者对灯11或者21调光，或者关掉灯11或者21。例如在建筑照明管理系统的情况下，发射/接收模块31还可以从中央或者本地照明控制系统(未示出)接收控制信号。这种接收的控制信号可命令遥控电路30产生用于发射的具体控制信号，例如如上所指示的发射的控制信号。
存在检测模块33被配置为检测例如由附近的生物发射的红外辐射。
处理模块32处理由发射/接收模块31和存在检测模块33输入其中的控制信号和其它信号以及由开关34和35的闭合和开启产生的信号。处理模块32可为发射/接收模块31供电。处理模块32还可基于所接收的信号或者基于在遥控电路30的存储器中编程的指令产生控制信号，并向发射/接收模块31输出控制信号，控制信号通过天线36发射并指定例如由调光控制电路13或者24、或者建筑照明管理系统(未示出)接收。
例如，闭合所述开关34可命令处理模块32产生将由发射/接收模块31发射的控制信号，该控制信号被发射以指示调光控制电路13或者24工作而分别开启灯11或者21。闭合所述开关34超过预定的时间段(例如一秒)可产生命令控制电路13或者24工作而分别减少灯11或者21的调光的指令。闭合所述开关35可命令处理模块32产生将由发射/接收模块31发射的控制信号，控制信号被发射以命令调光控制电路13或者24工作而分别关闭灯11或者21。闭合所述开关35超过预定的时间段(例如一秒)可产生命令调光控制电路13或者24工作而分别增加灯11或者21的调光的指令。
图4示出了包括端子41和42、整流电路43、开关44、二极管45、齐纳二极管46、辐射敏感二极管47、电阻器48、和天线49、和控制处理器50的调光控制电路40。不同部件43至50可包括在外壳51中而形成控制模块。
作为位于外壳51外部、从所述外壳51延伸的唯一元件的端子41和42被连接至整流电路43的输入端子K、L，所述整流电路例如可实现为全桥或者半桥整流电路。整流电路43的输出端子M和N连接至可提供开启或者闭合电路的开关44。开关44可以为具有控制端P的可开关半导体元件，在控制端P处可输入开关控制信号以确定开关44的闭合或者开启状态。串联连接的二极管45、电阻器48、和齐纳二极管46连接在端子M和N之间。控制处理器50从电阻器48和齐纳二极管46之间的节点获得电力，并进一步被连接至端子N。辐射敏感二极管47和天线49被连接至控制处理器50以向其提供输入信号。控制处理器50包括处理器或者计算机系统、至少一个软件应用程序、和至少一个用于存储程序指令和数据的存储器。
如已在上面参考图3所解释的，控制信号例如可由遥控电路30或者其它电路例如作为建筑照明管理系统部分的电路发射。这样的控制信号可被控制电路40的天线49接收以由控制处理器50处理。可替换地，或者另外地，控制信号可被辐射敏感二极管47接收以由控制处理器50处理。天线49或者辐射灵敏二极管47接收的控制信号可以命令控制处理器在开关44的端子P处向开关44提供开关控制信号以如所接收的控制信号所决定地那样或者基于存储在控制处理器50中的一组数据开启和闭合开关44。
图5图示了在本发明的调光控制方法实施例中通过气体放电灯的交流电流I和该气体放电灯两端的相应的(经整流的)电压U，水平时间标尺为2ms/div(即50Hz电网供电电压)。如电流I曲线所示，与气体放电灯并联的开关(例如图4中的开关44)在电网供电电压的半周期期间闭合五次。在第一闭合时间段之后，每个相继的时间段持续时间更长。第一闭合时间段处于电网电源电压过零之后的延迟时间段之后。在图5的左手侧，在电压U的曲线中可识别第一再点燃电压峰值。在第一再点燃峰值之后的大约5ms之后，开关在第一闭合时间段期间闭合，气体放电灯两端的电压变为零。在第一闭合时间段之后，开关再次开启，并且其后在电压U的同一半周期内再次闭合和开启四次。开关的闭合时间段的起始时间之间的时间周期基本上相同，而闭合时间段增长。需要注意的是开关的闭合时间段的起始时间之间的时间周期也可变化。还需要注意的是在每个闭合时间段结束时的再点燃电压峰值低于图5左手侧的第一再点燃电压峰值，从而产生低的EMI。
图6图示了在本发明的调光控制方法实施例中通过并联连接至气体放电灯的可控开关(例如图4中的开关44)的电流IS和该气体放电灯两端的相应的(经整流的)电压U，水平时间标尺为2ms/div(即50Hz的电网供电电压)。图6还示出了当开关闭合时具有逻辑高值(从而将气体放电灯短路)和当开关开启时具有逻辑低值的调光控制信号UC(例如在图4中由控制处理器50在开关44的端子P处提供给开关44的调光控制信号)。如电流I曲线所示，与气体放电灯并联的开关(例如图4中的开关44)在电网供电电压的半周期期间闭合六次。在第一闭合时间段之后，每个相继的时间段持续时间更长。第一闭合时间段处于电网电源电压过零之后的延迟时间段之后。在图6的左手侧，在电压U的曲线图中可识别出第一再点燃电压峰值(这里，从左边数第二个峰值)。在第一再点燃峰值之后的大约4.3ms之后，开关在第一闭合时间段期间闭合，并且气体放电灯两端的电压变为零。在第一闭合时间段之后，开关再次开启，并且其后在电压U的相同半周期内再次闭合和开启五次。开关的闭合时间段的起始时间之间的时间周期基本上相同，而闭合时间增长。需要注意的是开关的闭合时间段的起始时间之间的时间周期也可变化。还需要注意的是在每个闭合时间段结束时的再点燃电压峰值(基本上以虚线表示)低于图5左手侧的第一再点燃电压峰值，从而产生低的EMI。
虽然在优选实施例中说明和描述了本发明，但是应当理解的是可在不限于这里所公开的细节的本发明的范围内偏离这些优选实施例。
这里所使用的术语“一”或“一个”定义为一个或者多于一个。这里所使用的术语复数定义为两个或者多于两个。这里所使用的术语另一个定义为至少第二个或者更多个。这里所使用的术语包括和/或具有定义为包括(即开放语言)。这里所使用的术语程序、软件应用程序等等定义为设计为在计算机系统上执行的指令序列。程序、计算机程序、或者软件应用程序可包括子程序、函数、过程、目标方法、目标实施、可执行应用程序、applet、servlet、源代码、目标代码、共享图书馆/动态负载图书馆和/或其它设计为在计算机上执行的指令序列。

Claims (15)

1.一种对气体放电灯调光的方法，包括：
-提供被配置为连接于灯的用于接收交流电源电压的端子之间的可控开关，和
-控制所述开关的开启和闭合，至少在电源电压半周期内的第一闭合时间段和随后的第二闭合时间段期间闭合所述开关，
其中所述第二闭合时间段长于第一闭合时间段。
2.根据权利要求1的方法，其中该开关在电源电压半周期内的多个闭合时间段期间闭合，第一闭合时间段之后的每个闭合时间段长于在先的闭合时间段。
3.根据权利要求1或者2的方法，其中所述第一闭合时间段在延迟时间段之后开始，延迟时间段在电源电压的电压过零之后所述灯的第一次再点燃之后。
4.根据权利要求3的方法，其中所述延迟时间段至少为电源电压半周期的20％。
5.根据权利要求3或者4的方法，其中所述延迟时间段至少为2ms。
6.根据前述权利要求中任一项的方法，其中电源电压半周期中闭合时间段的长度随着时间减小。
7.根据权利要求6的方法，其中所述电源电压半周期内闭合时间段的长度随着灯的预期寿命减小。
8.一种用于气体放电灯的调光控制电路，该调光控制电路包括：
-被配置为连接于灯的用于接收交流电源电压的端子之间的可控开关，和
-可操作地连接至所述开关以控制开关的开启和闭合的开关控制电路，该开关控制电路被配置为至少在电源电压半周期内的第一闭合时间段和随后的第二闭合时间段期间闭合该开关，
其中所述第二闭合时间段长于所述第一闭合时间段。
9.根据权利要求8的调光控制电路，其中所述开关控制电路被配置为在电源电压半周期内的多个闭合时间段内闭合所述开关，其中第一闭合时间段之后的每个闭合时间段长于在先的闭合时间段。
10.根据权利要求8或者9的调光控制电路，其中所述开关控制电路被配置为在延迟时间段之后开始第一闭合时间段，延迟时间段在电源电压的电压过零之后所述灯的第一次再点燃之后。
11.根据权利要求8-10中任一项的调光控制电路，其中预先确定每个闭合时间段的长度，使得在闭合时间段结束时灯的再点燃电压不超过电源电压的电压过零后灯的第一再点燃电压。
12.根据权利要求8-11中任一项的调光控制电路，其中所述开关控制电路被配置为在电源电压的半周期内随时间减小闭合时间段的长度。
13.根据权利要求8-12中任一项的调光控制电路，还包括用于接收表示调光水平的调光控制信号的接收器，开关控制电路被配置为根据调光水平控制所述开关。
14.根据权利要求8-13中任一项的调光控制电路在对荧光灯进行调光中的用途。
15.包括根据权利要求8-13中任一项的调光控制电路的控制模块，该控制模块具有对应常规启辉器的外部尺寸。
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