CN101982022A - 波形检测和组合的分步和线性调光控制 - Google Patents

波形检测和组合的分步和线性调光控制 Download PDF

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CN101982022A CN2009801115334A CN200980111533A CN101982022A CN 101982022 A CN101982022 A CN 101982022A CN 2009801115334 A CN2009801115334 A CN 2009801115334A CN 200980111533 A CN200980111533 A CN 200980111533A CN 101982022 A CN101982022 A CN 101982022A
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亨里克斯·T·P·J·范艾尔克
耶罗恩·克莱因彭宁
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    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B41/00—Circuit arrangements or apparatus for igniting or operating discharge lamps
    • H05B41/14—Circuit arrangements
    • H05B41/36—Controlling
    • H05B41/38—Controlling the intensity of light
    • H05B41/39—Controlling the intensity of light continuously
    • H05B41/392—Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor
    • H05B41/3921—Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor with possibility of light intensity variations
    • H05B41/3924—Controlling the intensity of light continuously using semiconductor devices, e.g. thyristor with possibility of light intensity variations by phase control, e.g. using a triac

Abstract

本发明涉及一种检测电路(100)，能够利用其占空比或平均值检测整流的相切或正弦波形，并且响应地在线性相切和分步调光之中选择相应的调光模式。电路(100)接收具有占空比的整流的波形，该波形通过比较器(22，24)获得并且被转换为DC信号。由占空比控制的后者随后通过另一比较器(20)与参考电平(40)比较，比较器(20)响应地提供控制开关器件(30)的信号。因此，在DC信号大于参考电平(40)时，即当电路(100)检测到整流的正弦波形时，开关器件(30)将自动与一组信号电平连接，或者在DC信号小于参考电平(40)时，即当电路(100)检测到整流的相切波形时，开关器件(30)将自动与DC信号相同的电平连接。

Description

波形检测和组合的分步和线性调光控制
技术领域
本发明涉及发光装置领域，更具体地涉及调光(light-dimming)领域。
背景技术
紧凑型荧光灯或CFL，通常被成为“节能”灯，是高能效的，消耗能量比传统白炽灯少五倍。
在仅仅数十年以前，调光只对白炽灯是常见的，并且包括采用固态调光器(solid-state light dimmer)切换电流开和关120次每秒，从而节约能源并且允许调光器安装在标准电墙盒内(standard electrical wall-box)。
现今，几种CFL灯也可调光，或者借助于相同种类的固态调光器，或者借助于所谓的分步调光器。分步调光器是CFL灯的一种调光功能，其中有限数量的调光状态，通常四个，可以通过一定的电源开关开/关的顺序选择。
CFL市场的目前的需求是使CFL灯能够同时按照分步调光和线性相切调光工作，这样可以更容易采用这种可调节CFL灯替换任何白炽灯。然而，问题在于能够区分“正常”AC电源电压(即具有正弦波形而没有相切的电压)和通过正向或反向的相切调光器的AC电源电压(即相切波形)的供给，从而可能分别从一个固定调光或最大控制值切换为连续调光器控制动作。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种电路，能够检测整流的相切或正弦波形并且在线性相切调光和分步调光中选择相应的调光模式。
这个目的通过根据权利要求1所述的电路、根据权利要求15所述的控制电路、根据权利要求16所述的方法、根据权利要求18所述的计算机程序以及根据权利要求19所述的集成电路可以实现。
按照本发明的实施例，提供一种电路，至少包括：
-具有属性的整流信号；
-转换器，用于将所述属性转换为恒定信号；
-第一比较器，用于将所述恒定信号与第一参考电平比较，并且响应于所述恒定信号与所述第一参考电平之间的比较提供第一输出信号；
-第一开关器件，所述第一开关器件由所述第一输出信号控制，用于在至少一组信号电平中的任一个或所述恒定信号之间切换。
在实施例中，所述属性是所述整流信号的平均值，并且所述转换器包括：
-低通滤波器，配置为对所述整流信号进行平均，以及
-上钳位电路。
在实施例中，如果提供给所述电路的电源电压出现过电压，则所述上钳位电路将第一参考电平钳位于不超过预定的最大参考电平。
在实施例中，所述转换器还包括缓冲电路，用于缓冲所述整流信号并将获得的缓冲信号传送至所述低通滤波器。
在其它的实施例中，所述属性是占空比，并且所述转换器用于将接近所述占空比的第一占空比转换为恒定信号。因此，按照本发明的实施例，提供一种电路，至少包括：
-整流信号，该整流信号具有占空比；
-转换器，用于将接近所述占空比的第一占空比转换为恒定信号；从而，第一占空比可以不受电源电压变化的影响，以便获得整流信号的占空比的合理的(fair)表示，并且恒定或DC信号可以是占空比的函数；
-第一比较器，用于将恒定信号与第一参考电平比较，并且响应于恒定信号与第一参考电平之间的比较提供第一输出信号；从而基于在占空比和恒定信号之间的转换，可以检测到具有整流的相切或正弦波形的整流信号；以及
-第一开关器件，第一开关器件由第一输出信号控制，用于在至少一组信号电平中的任一个或恒定信号之间切换。因此，可以在线性相切调光和分步调光中自动选择有关的调光模式。
并且，第一开关器件在恒定信号大于第一参考电平时切换至至少一组信号电平中的一个，以及在恒定信号小于第一参考电平时切换至恒定信号。因此，当整流信号具有整流的相切波形时选择线性相切调光，并且当整流信号具有整流的正弦波形时选择分步调光。
转换器可以包括：
-比较器件，用于将整流信号与至少一个参考电平比较，并且响应于整流信号与至少一个参考电平之间的比较提供比较信号，比较信号具有设定的幅度和等于第一占空比的占空比；因此，第一占空比可以从比较信号获得，该比较信号是具有设定的幅度和等于第一占空比的占空比的方波信号(square wave signal)；以及
-积分器件，用于对比较信号进行积分，并且提供从其获得恒定信号的积分信号。因此，积分器件的输出可以是常量或由接近于整流信号的占空比的第一占空比控制的DC信号。
积分器件可以包括低通滤波器。因此，可以平滑比较信号中的纹波(ripple)。
低通滤波器也可以是开关电容器低通滤波器，该开关电容器低通滤波器至少包括第一和第二电容元件以及第二和第三开关器件，第一电容元件以及第二和第三开关器件模拟电阻元件，第二和第三开关器件中的每一个具有由时钟信号控制的开关顺序。因此，可以获得低截止频率以便进一步衰减来自比较信号的纹波，并且可以从例如紧凑型荧光灯(CFL)中产生的频率获得时钟信号。
积分器件此外还包括采样和保持电路，用于对第二电容元件两端的信号进行采样和保持。因此，可以产生额外的低通滤波，并且积分器件可提供一个常量或DC信号。
比较信号可以从第二比较器响应于在整流信号与至少一个参考电平之中的第二参考电平之间的比较提供的第二输出信号获得。因此，整流信号可以具有桥式整流波形。
还可以从第二输出信号和第三输出信号的逻辑和所产生的和信号获得比较信号，该第三输出信号是通过第三比较器响应于整流信号与至少一个参考电平中的第三参考电平之间的比较而提供的。因此，整流信号可以具有桥式整流波形或倍压整流波形。
按照本发明，还提供一种控制电路，至少包括：
-紧凑型荧光灯(CFL)；以及
-根据前述权利要求中任一项所述的电路。
-因此，可以获得CFL灯的调光控制。
按照本发明，提供一种检测整流的相切或正弦波形的方法，该方法包括：
-将占空比转换为恒定信号；
-将该恒定信号与参考电平比较；
-响应于恒定信号与参考电平之间的比较，提供输出信号；以及
通过输出信号控制开关器件，开关器件在至少一组信号电平中的任一个或恒定信号之间切换。
按照本发明，还提供一种在线性相切调光和分步调光之中选择调光模式的方法，该方法包括：
-将占空比转换为恒定信号；
-将该恒定信号与参考电平比较；
-响应于恒定信号与参考电平之间的比较，提供输出信号；
-通过输出信号控制开关器件，开关器件在恒定信号大于参考电平时切换至至少一组信号电平中的一个，以及在恒定信号小于参考电平时切换至恒定信号。
当计算机程序在计算机上执行时，可以通过包括程序代码装置的计算机程序执行前述方法的步骤。
本发明还延伸到包括前述电路的集成电路。
附图说明
参考下文描述的实施例，本发明的这些和其它方面和优点将显而易见，并结合这些实施例，来阐述本发明的这些和其它方面和优点。在下列附图中：
图1示出根据本发明的实施例的相切调光器检测电路在检测整流信号时的示意图；
图2示出图1中的转换器10在整流信号是全波桥式整流的情况下的示意图；
图3示出图1中的转换器10在整流信号是全波桥式整流或倍压整流的情况下的示意图；
图4示出在采用图3的转换器时桥式和倍压整流信号的占空比时序图；
图5示出图2或图3中的积分器件120的示意图，使用具有采样和保持电路的开关电容器低通滤波器；
图6示出根据本发明的实施例的图1中的相切调光器检测电路在检测整流信号时的详细表示；以及
图7示出转换器10的可替换的实施方式的示意图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的实施例的相切调光器检测电路100的示意图。电路100至少包括转换器10、比较器20以及开关器件30。具有一定占空比D和波形的整流信号输入转换器10，该占空比D定义为波形的波时限(wave duration)τ和周期T之间的比率τ/T，如图1针对桥式整流AC电源电压信号所示，其中δ(＝T-τ)测量相切时间。
转换器10将接近占空比D的占空比D1转换为恒定或DC信号，该信号通过比较器20与固定DC参考电平40相比较。响应于恒定信号与固定DC参考电平40之间的比较，比较器20输出输出信号以控制调光器的种类，开关器件30在分步调光配置中的几个固定电压值50(通常四个参考电压值)或相切调光配置中的由转换器10提供的恒定信号之间切换。
为了防止当两个输入即恒定信号和固定DC参考电平40大约是相同的电平时输出信号的快速切换，比较器20可以是产生输入滞后(hysteresis)的史密特触发器。
图2描述了图1中的转换器10在整流信号是全波桥式整流的情况下的示意图。转换器10可以包括比较器件110和积分器件120。
在整流信号是全波桥式整流的情况下，比较器件110通过比较器22将整流信号与固定DC参考电平42比较，并响应于整流信号与参考电平42之间的比较提供具有等于占空比D1的占空比的方波的比较信号。事实上，为了减少对电源供电变化的依赖，以及因此为了占空比D较为合理的表示，占空比D1接近于整流信号的占空比D，因为相应的参考电平42被选择为接近整流信号的最低电平，如图2中所表示的。利用开关器件32在VREF处的端子和接地的另一个端子之间的开关顺序，比较信号的幅度可以被设定为固定值VREF，并且固定DC参考电平40可以选为与固定值VREF成正比。
积分器件120对比较信号进行积分，并且提供从其获得恒定信号的积分信号，该积分信号由固定幅度值VREF和占空比D1线性控制。
响应于恒定信号与固定DC参考电平40之间的比较，当整流信号具有整流正弦波形时可以选择分步调光，而当整流信号具有整流相切波形时可以选择线性相切调光。实际上，这对应的事实是，当恒定信号大于固定DC参考电平40时，开关器件30将与用于分步调光器配置的固定电压值50(VFIXED)中的一个连接，而当恒定信号小于固定DC参考电平40时，开关器件30将与已经存在于相切调光器中的恒定信号连接。
需要注意的是，在紧凑型荧光灯(CFL)的情况下，固定电压值50在等于用于相切检测比较器的参考电压时可以设定为100％。其它值可以从这个值获得，并设定为70％和40％或在100％与最小可检测电平(MDL)之间的任何其它期望的值。在更详细的版本中，最小可检测电平可以外部调整。在δ＝135°以上时，应该保持在外部调整的最低水平(VFIXED-min)直到CFL灯由于太低的相切调光电源电压而关闭。然而，应当注意，实际上，MDL应该保持在外部调整的最低水平(VFIXED-min)的值δ可以大约从90°到150°而变化。
此外，还要注意，术语相切调光包括反向相切或下降沿模式调光(trailing edge mode dimming)以及正向相切或前沿模式调光(leading edge mode dimming)。
图3示出图1中的转换器10在整流信号是全波桥式整流或倍压整流的情况下的示意图。为了不仅检测全波桥式整流信号而且也检测倍压整流信号，与图2中的示意图比较，采用了具有固定DC参考电平44的附加比较器24。如图4所示，固定DC参考电平44(如图4中RefB所示)将以如下方式选择，加法器60输出的和信号具有与D1相同的占空比，无论整流信号的波形如何，该和信号通过一方面响应于整流信号与固定DC参考电平42(如图4中RefA所示)之间的比较的比较信号(如图4中A所示)(如图4中A+B所示)产生以及另一方面响应于整流信号与参考电平44之间的比较的比较信号(如图4中B所示)的逻辑和产生。
在比较器件110内部的加法器60可能包括或非门，并且积分器件120可以包括通过一阶RC网络(RC network)或积分器实现的低通滤波器70。
此外，为了允许负载低通滤波器70，在低通滤波器70的输出端可以增加缓冲器80。
也需要注意，低通滤波器70将要求具有足够低的截止频率f0，以有效抑制来自其输入端的信号的纹波通过。因此，为了实现最小三角形纹波，低通滤波器70的截止频率f0应该比从周期T获得的频率f小100倍。在f＝100Hz(T＝10ms)并且低通滤波器70是RC滤波器或积分器的典型情况下，对于100pF的内部片上电容C和1Hz的截止频率f0，这会导致1.6GΩ的电阻值R，这对片上电阻是不现实的。一个可替换的方法是设有外部元件，例如100nF的外部电容器和1.6MΩ的外部电阻器。
因此，为了产生足够低的截止频率f0，低通滤波器70可以被开关电容器低通滤波器(CS、CL、34、36)有利取代，如图5中所示，其中两个开关器件34、36具有由时钟信号fCL控制的开关顺序，并且连同电容元件CS模拟电阻元件Req＝1/(fCL.CS)，其中如果时钟信号fCL对应于紧凑型荧光灯(CFL)的频率flamp除以32，则fCL＝flamp/32。在这个配置中，开关电容器低通滤波器的截止频率f0变为：f0＝1/(2*π*Req*CL)，或者另外表示为：f0＝fCL*CS/(2*π*CL)。因此，对于50kHz的CFL灯的频率，CL＝100pF以及f0＝1Hz，这将导致1562.5Hz的fCL和CS＝0.4pF。通过采用几个较小的电容元件的矩阵，可以得到相当准确的CL/CS比率。在这些配置下，在输出端上的最大纹波是较低的并且等于fCL*CS/(2*fduty-cycle*CL)＝0.03*VRFF。
从灯频率获得fCL的“除以32”的电路72可以通过使用五个D型触发器(DFF)的链并用作分频器的异步5比特计数器实现。需要注意的是，“除以32”的电路72也可以通过同步计数器实现，然而在实现过程中需要更多的逻辑门。
为了改进滤波以在周期T期间获得恒定信号，如图5中所示，增加了在电容元件CL后面由电容元件CH、开关器件38和S&H逻辑电路92组成的采样和保持(S&H)电路90，其中S&H逻辑电路92的数据输入端由比较器件110的比较器22或60的逻辑输出端驱动。当采样和保持开关已经闭合，同时电容元件CS接地(GND)，这产生了额外的低通滤波。滤波时间常数取决于CL/CH的比率和施加在S&H逻辑电路92的时钟输入端的采样时钟频率，该频率是从周期T获得的频率f。例如，如果CL/CH＝2，则当f＝100Hz(T＝10ms)时，截止频率f0约为16Hz。也还需要注意，完整的逻辑部分可以是时钟异步的以节省逻辑门的数量。
图6给出根据本发明的实施例的图1中的相切调光器检测电路在检测整流信号时的详细表示。在这个实施例中，两个输入比较器22、24被扩展为具有滞后输入端，以最小化倍压整流信号上存在的电源纹波的影响。对于分步调光，示出了四个参考电压值，以及由逻辑信号QA和QB控制的开关器件。
在图7中示出了根据本发明的一个可替换的实施例的转换器，该转换器利用整流输入信号的平均值工作。图中示出转换器10的一个可替换的配置。在这个实施例中，转换器10可以包括缓冲电路111，随后是低通滤波器70：低通滤波器70具有对整流输入信号进行平均的作用。低通滤波器70后面是上钳位电路130。如果在电源供电中出现过电压，上钳位电路作用于参考电压VREF以防止它超过最大电平。上钳位电路是借助于晶体管整流闭环反馈环高增益差分放大器工作的传统电路，作用于参考电压VREF。
在另一可替换的实施例中，缓冲电路111完全可以省略，并且整流输入信号可以直接馈送至低通滤波器70。
可以提供另一电路，以确保整流输入信号在相切信号时适当地衰减，使得对于额定电源电压(例如230V AC，没有相切的全正弦波)，整流输入信号等于参考电压VREF。因此，与包括占空比控制(几乎完全与电源电压变化无关)的实施例相反，如图7中所示的实施例涉及平均值控制，并非与电源电压变化无关。所以，为了保持低通滤波控制信号在限度之内，增加了上钳位。一旦主电源就在其额定值(230V AC，没有相切的全正弦波)以上，则上钳位应当激活。双侧(double sided)整流信号具有207V DC的平均值，单侧整流(single sided)信号大约为103.5VDC。这些值典型地远大于输入信号，并因此被衰减至值VREF，例如可以低至1V。
对这个电路100的预期应用包括可调光照明应用，以及具体的增强的紧凑型荧光灯控制。
总之，已经描述了一种检测电路100，能够采用其占空比或平均值检测整流的相切或正弦波形，并且响应地，在线性相切与分布调光之中选择的相应的调光模式。电路100接收具有占空比的整流的波形，该波形从比较器22，24获得并且被转换为DC信号。由占空比控制的后者随后通过另一比较器20与参考电平40比较，比较器20响应地提供控制开关器件30的信号。因此，在DC信号大于参考电平40时，即当电路100检测到整流的正弦波形时，开关器件30将自动与一组信号电平连接，或者在DC信号小于参考电平40时，即当电路100检测到整流的相切波形时，开关器件30将自动与DC信号相同的电平连接。
虽然在附图和前面的描述中详细阐述和说明了本发明，但是这种阐述和说明视为说明性或典型性并非限制的；本发明不受公开的实施例的限制。
从研究附图、公开文献和所附权利要求，本领域的熟练技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实施已公开的实施例的其它变型。
在权利要求中，词“包括”不排除其它元件和步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。一个单一或其它单元可以履行在权利要求中列举的几项的功能。重要的是某些措施在相互不同的附属权利要求中被列举，并不表示这些措施的组合不能用于改良。
计算机程序可以存储/分布在适合的介质上，例如光存储介质或者连同其它硬件提供的或作为其他硬件一部分的固态存储器，但是也可以以其它形式分布，例如经由互联网或其它有线网或无线通信系统。
在权利要求中的任何参考符号不应当解释为限制发明范围。

Claims (19)

1.一种电路(100)，至少包括：
-具有属性的整流信号；
-转换器(10)，用于将所述属性转换为恒定信号；
-第一比较器(20)，用于将所述恒定信号与第一参考电平(40)比较，并且响应于所述恒定信号与所述第一参考电平之间的比较提供第一输出信号；
-第一开关器件(30)，所述第一开关器件由所述第一输出信号控制，用于在至少一组信号电平中的任一个或所述恒定信号之间切换。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述属性是所述整流信号的平均值，并且所述转换器(10)包括：
-低通滤波器(70)，配置为对所述整流信号进行平均，以及
-上钳位电路(130)。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，如果提供给所述电路(100)的电源电压出现过电压，则所述上钳位电路(130)将第一参考电平钳位于不超过预定的最大参考电平。
4.根据权利要求2或3所述的电路，其中，所述转换器(10)还包括缓冲电路(111)，用于缓冲所述整流信号并将获得的缓冲信号传送至所述低通滤波器(70)。
5.根据权利要求1所述的电路，所述属性是占空比(D)，所述转换器(10)用于将接近所述占空比(D)的第一占空比(D1)转换为恒定信号。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电路，其中，所述第一开关器件在所述恒定信号大于所述第一参考电平时切换至所述至少一组信号电平中的一个，以及在所述恒定信号小于所述第一参考电平时切换至所述恒定信号。
7.根据权利要求5所述的电路，其中，所述转换器包括：
-比较器件(110)，用于将所述整流信号与至少一个参考电平比较，并且响应于所述整流信号与所述至少一个参考电平之间的比较提供比较信号，所述比较信号具有设定的幅度和等于所述第一占空比的占空比；
-积分器件(120)，用于对所述比较信号进行积分，并且提供积分信号，从所述积分信号获得所述恒定信号。
8.根据权利要求7所述的电路，其中，所述积分器件包括低通滤波器(70)。
9.根据权利要求8所述的电路，其中，所述低通滤波器是开关电容器低通滤波器，所述开关电容器低通滤波器至少包括第一和第二电容元件(CS，CL)以及第二和第三开关器件(34，36)，所述第一电容元件以及所述第二和第三开关器件模拟电阻元件(Req)，所述第二和第三开关器件中的每一个具有由时钟信号控制的开关顺序。
10.根据权利要求9所述的电路，其中，所述积分器件还包括：
-采样和保持电路(90)，用于对所述第二电容元件两端的信号进行采样和保持。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的电路，其中，从第二比较器(22)响应于所述整流信号与所述至少一个参考电平中的第二参考电平(42)之间的比较而提供的第二输出信号获得所述比较信号。
12.根据权利要求11所述的电路，其中，从所述第二输出信号和第三输出信号的逻辑和所产生的和信号获得所述比较信号，所述第三输出信号是通过第三比较器(24)响应于所述整流信号与所述至少一个参考电平中的第三参考电平(44)之间的比较而提供的。
13.根据权利要求11所述的电路，其中，所述整流信号是通过桥式整流器来整流的。
14.根据权利要求12所述的电路，其中，所述整流信号是通过桥式整流器或倍压整流器来整流的。
15.一种控制电路，至少包括：
-紧凑型荧光灯(CFL)；
-根据前述权利要求中任一项所述的电路。
16.一种检测整流的相切或正弦波形的方法，所述方法包括：
-将占空比转换为恒定信号；
-将所述恒定信号与参考电平比较；
-响应于所述恒定信号与所述参考电平之间的比较，提供输出信号；
-通过所述输出信号控制开关器件，所述开关器件在至少一组信号电平中的任一个或所述恒定信号之间切换。
17.一种在线性相切调光和分步调光之中选择调光模式的方法，所述方法包括：
-将占空比转换为恒定信号；
-将所述恒定信号与参考电平比较；
-响应于所述恒定信号与所述参考电平之间的比较，提供输出信号；
-通过所述输出信号控制开关器件，所述开关器件在所述恒定信号大于所述参考电平时切换至所述至少一组信号电平中的一个，以及在所述恒定信号小于所述参考电平时切换至所述恒定信号。
18.一种计算机程序，包括在计算机上执行所述计算机程序时使得计算机执行根据权利要求16至17中的任一项所述的方法步骤的程序代码装置。
19.一种集成电路，包括根据权利要求1至15中任一项所述的电路。
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