CN102246602A - 控制荧光灯的方法、控制器以及荧光灯 - Google Patents

Abstract

公开了一种对荧光灯(CFL)进行控制的方法，使得在可以提升灯电流的快速启动模式期间，能够对灯进行调光。该方法涉及确定提升级别和调光级别，并且根据提升级别和调光级别来控制灯功率。可以设置调光阈值，在调光阈值以下(即，在调光器输出光级处)，就禁用提升功能。在控制中可以包括滞后，以免在模式之间跳跃。还公开了一种与荧光灯一同使用的控制器，该控制器适合于根据上述方法进行操作，并且公开了一种使用这种控制器的荧光灯。

Description

控制荧光灯的方法、控制器以及荧光灯

技术领域

本发明涉及控制荧光灯的方法、用于荧光灯的控制器以及荧光灯。

背景技术

自1930年以来，相对长的普通照明灯管形式的荧光灯已经广泛用于照明应用。然而，这种荧光灯的大小和特性(具体地，特征颜色或色温)导致它们没有广泛用在家庭环境中。

荧光灯依赖于：从电极发射电子，以提供电子，从而使灯管内的气体离子化。由于来自热电极的电子发射更高效，因此荧光灯通常包括灯丝作为电极。因此，除了需要电子发射电流以外，荧光灯还需要到电极的两个端子或管脚，以便使电流通过灯丝，从而加热灯丝。部分地，由于荧光灯的相对高的操作效率，荧光灯已经被开发用于各种辅助应用。这些辅助应用中的许多应用要求灯相对于传统和公知的荧光普通照明灯管而言较小。部分地，为了满足对于小设备的要求，已经开发了冷阴极荧光灯(CCFL)。CCFL灯的特征在于，CCFL灯具有到发射电极的仅单个端子管脚。该电极不是由灯丝组成，而是由简单的条状物组成：以便实现高发射温度，从而提高效率，电极可以被布置为在自加热模式下起作用。CCFL灯倾向于使用在诸如背光或LCD显示器之类的应用中。

荧光灯技术的另一发展针对小型荧光灯(CFL)。小型荧光灯通常具有集成的控制器或镇流器，从而也使用备选术语“集成式小型荧光灯”(CFL-i)。由于全世界都越来越关注能耗，因此集成式小型荧光灯也受到越来越多的关注。在下文中，以包括方式使用术语CFL来包括CFL-i。

开发这种灯的一般目的在于代替传统白炽灯(爱迪生灯)。诸如CFL灯之类的荧光灯与白炽光源相比具有固有的效率优势，典型地效率是白炽光源的大约5倍。然而，尽管荧光灯已经使用了20多年，但是荧光灯还没有具体实现高市场渗透。这部分地由于欠佳的市场化，部分地由于荧光灯的价格较高，也部分地由于荧光灯的特性。

由于全世界对能耗的关注，并且一些国家在政治上正逐渐取缔传统的白炽灯，因此期望对CFL灯的商业兴趣和市场容量会增加。此外，近年来已经解决了妨碍CFL灯被广泛采纳的技术性障碍。例如，尽管原来的CFL灯非常大，但是现代的CFL灯可以匹配或几乎匹配常规的白炽灯泡。会增加对CFL灯的采纳的技术开发的另一示例是对灯进行调光的能力。典型地可以通过舍相来实现灯调光，其中在每个周期的一部分期间正弦交流干线电源电压或电流被中断(即，被设置为零)，或者备选地，使用步进调光，其中(以离散的“步长”)减小提供给灯的平均电流水平。

迄今仅被部分地解决的阻碍采纳的另一障碍是，在开启冷灯时观察到的缓慢光增强。可以通过在“快速启动”模式下临时增大灯电流来在一定程度上解决上述问题。在已知的快速启动模式下，临时禁用灯电流反馈系统，并且将操作强制在低于正常操作频率的固定频率下。由于低频操作，灯电流较高，使得灯较快变热。在预定时间段之后，当光输出已经达到其正常操作水平时，快速启动模式终止，操作频率增大，并且电流返回至其正常操作值。

为了实现快速启动方法，在快速启动期间禁用调光，以防止由于操作频率降低而引起的操作不稳定性。这对于用户而言是不便的，因为在快速启动时间段快要结束时，未经调光的光输出可以不方便地或不可接受地高，并且浪费能量。此外，很难精确确定应当施加快速启动的时间段，这是由于该时间段来源于通过若干组件的泄漏。

因此仍需要一种对启用快速启动的荧光灯进行控制而同时保持调光功能的优点的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种对启用快速启动的荧光灯进行控制而同时保持调光功能的优点的方法。

根据本发明，提供了一种对荧光灯进行控制的方法，包括：当荧光灯在快速启动模式下时，(a)确定调光级别，(b)根据调光级别设置提升(boost)级别，以及(c)根据调光级别和提升级别来控制灯功率。因此，通过使用灯电流反馈系统，设定点可以根据所需的调光而改变。所产生的快速启动不会受到上述频率模式不稳定性的影响。因此，与在快速启动时间段期间强加固定操作频率模式的现有技术相比，根据实施例，不强加固定频率，而是启用灯电流反馈系统。在该系统启用的情况下，设定点可以根据所需的调光而改变。由于不需要固定的低频率模式，因此可以避免频率模式不稳定性。

优选地，当小型荧光灯在快速启动模式下时，多次重复步骤(a)、(b)和(c)中的每一步骤。通过避免无意或不变地禁用提升特征，这提供了与一些类型的步进调光器的更好兼容。

优选地，步骤(c)包括：将灯功率控制到快速启动设定点，快速启动设定点是调光级别、提升级别和正常操作设定点的乘积。通过以调光级别、提升级别和正常操作设定点的乘积(通过简单地将三个值乘在一起)的形式来提供快速启动设定点，这提供了特别便利的控制算法。

在优选实施例中，步骤(b)包括：在调光级别小于调光阈值的情况下，将提升级别设置为单位一，在调光级别不小于调光阈值的情况下，将提升级别设置为大于单位一的值。因此，通过在特定条件下将提升设置为单位一，可以在快速启动模式周期的一部分或者整个快速启动模式周期期间禁用快速启动条件

备选地而非限制性地，在更优选的实施例中，步骤(b)包括：在调光级别小于调光阈值减去预定滞后偏移的情况下，将提升级别设置为单位一，在调光级别大于调光阈值加上另一预定滞后偏移的情况下，将提升级别设置为大于单位一的值。有利地，通过提供这种滞后，可以有效地防止在提升值分别为单位一和大于单位一的两个状态之间的跳跃，这种滞后可以是对称的，其中所述预定滞后偏移等于所述另一预定滞后偏移，或者这种滞后可以是非对称的，其中所述预定滞后偏移不等于所述另一预定滞后偏移。

优选地，通过控制经过灯的电流来控制灯功率。可以通过调整操作频率来实现电流控制，这是因为通常较低频率操作获得较高功率。备选地，控制功率的其他措施(例如，控制电源开关的占空比，或者控制电源或输入电压)对于本领域技术人员而言是显而易见的并且在本发明的范围内。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于小型荧光灯的控制器，该控制器适合于根据如上所述的方法进行操作。

根据本发明的实施例，所述控制器包括提升连接，并且被配置为经由所述提升连接，接收对快速启动功率和快速启动模式的持续时间加以确定的信息。优选地，控制器被配置为，使得在使用中通过由与提升连接相连的一个或多个电阻器和一个或多个电容器组成的网络，来提供所述信息。因此，可以根据使用所述控制器的灯的类型，来预先确定启动功率和持续时间。

优选地，所述网络包括用于确定快速启动功率的电阻器和电容器，使得通过与所述电阻器和电容器相关联的时间常数来确定快速启动模式的持续时间。因此，可以针对快速启动模式的持续时间和功率使用单个管脚，这提供了特别简单的实现方式，并且腾出了控制器的其他管脚以用于所需的附加功能。

根据本发明的另一方面，提供了一种小型荧光灯，包括适于根据如上所述方法进行操作的控制器。有利地，这种灯与舍相或步进调光类型的现有调光器控制器兼容。

参照下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见，并得以说明。

附图说明

参照附图，通过示例描述本发明的实施例，在附图中：

图1示出了CFL灯的侧视图；

图2是CFL灯的一些组件的示意图；

图3是针对CFL灯的操作的一般状态机；

图4是根据本发明第一实施例修改的图3的状态机的一部分的视图；以及

图5是示出了用于确定提升级别和持续时间的具有单个管脚连接的控制器的示意图。

应当注意，附图是图示性的并未按比例示出。在附图中为了清楚和方便起见，以在大小上放大或缩小的方式示出了这些附图的一部分的相对尺寸和比例。相同的附图标记通常用于指代修改的且不同实施例中的相应或类似特征。

具体实施方式

在图1中，示出了荧光灯的示例，首先示出了与传统螺帽白炽灯泡兼容并且具有几乎与传统螺帽白炽灯泡完全相同形式的小型荧光灯(CFL)。在套筒12中支撑外玻璃罩11，套筒12位于螺帽13之上，螺帽13通过螺纹14和尖端15提供直接从干线电源到灯的电连接。

在图2中示出了这种CFL照明设备内的主要组件。盘绕或螺旋状的玻璃管21设置在外玻璃罩11内。螺旋状玻璃管21安装在套筒22上，套筒22还用于安装一个或多个电路板23。在图中仅示出了单个电路板23，然而在备选设计中，垂直于附图平面而设置的另外的电路板也由套筒22支撑。在电路板23(可以是印刷电路板(PCB))上安装一个或多个分立组件24以及提供对CFL的有效控制所需的一个或多个集成电路25。通过引线26提供与螺帽13的螺纹14和尖端15的连接。

在图3中示出了操作如上所述CFL的一种方式。图3示出了CFL灯的一般操作的状态机，包括预热、点火和快速启动状态以及正常操作状态(也可以被称作“发光”状态)。

状态机通过与芯片的电源电压相对应的状态变量VDD来进行操作。首先，在状态31中，VDD是零。控制器从而进入复位(RESET)状态32。如果VDD＞VDDreset，则状态机(经由32a)移至启动(START-UP)状态。从而，如果VDD＞VDDstart，则状态机(经由33a)移至预热(PREHEAT)状态34。在预热状态中，灯丝被预热，使得能够更容易点火，并且极大地改善了灯的使用期限。在该状态中，驱动器所转换的所有功率进入灯丝。典型地，这明显小于正常操作期间的灯功率，从而电流可以在300-400mA的范围内。通常通过从启动频率(在100kHz范围内)向下至例如70kHz的值向下扫描频率，来实现这一点。通常，控制预热电流，或者控制预热频率。

在预定预热时间之后，状态机移至点火(IGNITION)状态35。当在点火状态35中时，操作频率降低，在灯上产生高电压，使得灯能够点火和开启。高电压是通过谐振LC电路接近其谐振频率来创建的。点火电压通常在600V量级，但取决于灯管直径、温度、气体填充(gas filling)、水银柱压力等等；典型地，较细的灯管需要较高的电压。谐振电路中的电流可以达到大约3A。在谐振频率下，电路所转换的瞬时功率会非常高，典型地高于100W。

从点火状态35，CFL移至快速启动(QUICK START)状态36。当快速启动时间(下文中参照本发明实施例进行更详细描述)结束时，CFL移至发光(BURN)状态37。在点火状态35、快速启动状态36或发光状态37中的任一状态中时，状态机测试是否足够的电源电压(VDD)仍然可用，如果不是，则状态机根据需要返回到复位状态32或预热状态34。在发光模式中，灯在大约40-45kHz的频率下操作。根据电路，该频率是固定频率或在控制灯电流的情况下是可变的。后者更适合于调光，因为可以在较深调光级别处处理固有的灯不稳定性。当然灯电流取决于灯功率，但是对于常规的CFL-i而言通常在100-200mA范围内，尽管存在可以大于300mA的例外情况。

注意到，不是所有的CFL灯都根据上述顺序初启，具体地，一些灯在没有单独的预热状态下进行操作。例如，频率可以仅从大约100kHz通过点火状态直接向下扫描至正常操作频率。本发明同样可适用于这样的初启方法。

在CFL灯的正常操作状态(例如，图3的点亮状态37，然而应理解，本发明通常不限于任何特定状态机或其他操作方法)期间，灯电流反馈系统可以根据基准电流设定点来控制灯。对于具有调光功能的灯，可以根据调光级别，根据以下公式来调整设定点：

设定点＝调光*基准，

其中，“调光”是在0-100％之间的对与调光有关的所需亮度级加以指示的因子，“基准”是没有被调光的灯的正常设定点。因此“调光”可以从100％(这与没有调光的正常灯操作相对应)以及在0％和100％之间的值开始变化。在极端情况下，如果“调光”等于0％，则灯完全熄灭。因此，对于本领域技术人员而言显而易见的是，“调光”的值随着光级的增大而增大，并且随着光级的减小而减小。

在本发明的实施例中，在快速启动阶段期间，灯以类似于其正常操作模式的方式进行操作，即，操作频率不是固定的，而是可以在通过反馈回路来控制灯电流时发生改变，考虑了可变因子“提升(boost)”。因此在快速启动期间，根据以下公式来调整设定点：

设定点＝提升*调光*基准

其中，“提升”指示快速启动期间灯电流的相对增大。因此提升可以采用单位一(与不增大电流相对应，因此与禁用的快速启动相对应)或大于单位一(在这种情况下，通过因子“提升”来缩放通过灯的电流)的值。

本领域技术人员容易认识到的是，两个因子“提升”和“调光”因此在快速启动期间以组合方式进行操作，分别用于增大或减小灯电流。然而，在快速启动阶段结束之后，当灯处于其正常操作状态或发光模式下时，在控制系统中不再使用因子提升，而是继续使用因子“调光”调光确定所需的调光程度。

如果将灯调光到非常低的水平，则在快速启动阶段结束处，可以存在显著且快速的灯电流变化。灯电流的这种变化由快速启动周期的结束而引起的，在快速启动周期结束时刻，灯电流从提升级别变化到非提升级别。因此，灯可能局部冷却，并且开始改变光输出或者可能甚至熄灭，这对于用户而言显然是不期望的。如果将灯调光到非常低的水平，则可以通过禁用提升来避免上述效果。为了检验这一点，可以采用IF-THEN-ELSE测试：

此外，由于一些调光器是可用的(从开启时的低级别开始，然后增大到高级别)，上述IF-THEN-ELSE测试会导致在所有条件下都禁用提升。为了避免上述问题，可以在快速开始阶段期间反复实现测试，例如，以下伪代码来实现：

作为附加优选改进，可以添加滞后以防止在阈值处在两种状态(即，提升＞1的快速启动启用状态，和提升＝1的快速启动禁用状态)之间跳跃。滞后的程度可以关于阈值对称或非对称。这种方法存在另外优点。通过将阈值调整到较高级别，非常容易实现在连接舍相调光器时完全禁用快速启动(而不管灯被调光多深)

根据本发明的实施例的方法在快速启动状态36中时影响状态机的操作，现在参照图4来描述该方法。

图4示出了根据本发明实施例的方法的子状态机。子状态机示出了在快速启动36中时控制CFL的方法，可以对应于上述参照图3所示的状态机。控制器从初始状况40进入快速启动状态36。控制移至活动(ACTIVE)状态42，在活动状态42处，将提升级别设置为大于单位一的预定值，例如，对于提升而言设置为2.0，以两倍于非提升电流级别。以因子2来提升电流使快速启动时间缩减了接近因子2。状态机测试以下条件：

调光＜调光阈值(-滞后)

如满足该条件，则控制通过链路48移至非活动(INACTIVE)状态44，提升级别被设置为单位一。否则，控制停留在活动状态42，并且重复测试。

一旦在非活动状态44中，状态机就测试以下条件：

调光＞调光阈值(+滞后’)

如果满足该条件，则控制器通过链路46移至活动状态42，否则重复测试。

因此，状态机对适合其所处的子状态的条件进行反复测试，并且在满足适合的测试条件时改变子状态。

状态机在预定时间段内保持在快速启动状态36中；备选地，仅该时间段的最大值可以是预定的，并且满足一些其他条件(例如，灯温度超过预定温度)的控制系统较早地终止了该时间段。

为了限制或完全避免在快速启动时间段结束时照度级的任何明显变化，可以通过过渡阶段来实现从快速启动状态36到发光状态37的变化。在过渡阶段期间，提升级别可以从其快速启动期间的值逐步减小到单位一(提升级别在发光阶段的值)。典型地，在达到1分钟或大约1分钟的时间段内，通过一系列达到16个的级别来使提升步进。在该过渡期间，可以与在快速启动阶段期间一样，对灯功率应用调光级别乘数。

总之，快速启动状态36与现有的快速启动状态的不同之处在于，快速启动状态36在快速启动时间段期间不需要在现有技术中使用的固定操作频率模式，并且快速启动状态36启用灯电流反馈系统。随着该系统的启用，设置点可以根据所需调光而变化。这样的快速启动不会受到上述频率模式不稳定的影响。

在本发明的优选实施例中，控制器被配置为，使得可以通过外部组件来确定快速启动模式的持续时间(即，时间状态机处于快速启动状态下的时间，其中不存在由欠或过温度条件而引起的快速启动持续时间的改变)。类似地，还可以通过外部组件来确定快速启动模式期间的提升级别(即，状态机出于快速启动状态下时的功率级别，其中不存在由欠或过温度条件而引起的快速启动功率级别的改变)。外部组件可以是电阻器和电容器。

图5示出了控制器的一部分以及由电容器和电阻器组成的网络的示意图。控制器50具有“提升BOOST”连接管脚51，提升管脚中的输入电流与灯电流的增大成比例。电阻器Rboost经由二极管D2连接在管脚51与接地之间；Rboost与二极管D2之间的节点V2连接至第二电容器C2的第一端子，第二电容器C2的另一端子经由电阻器Rreset与另一电容器C1的并联布置连接至接地。电容器C2与复位电阻器Rreset之间的节点V1连接至另一电阻器Rinrush，另一电阻器Rinrush的另一端子经由阻塞二极管D1和另一电容器Cbus接地。Cbus和D1间接连接至PFC级的输出(在电压VoutPFC处)或者直接连接至整流后的干线电压。

电阻器Rboost确定提升电流。提升时间段的持续时间由时间常数C3Roost来确定。时间常数C1Rreset确定冷却时间常数，并且影响在关闭灯之后立即开启灯时的提升。

通过阅读本公开，其他变型和修改对于本领域技术人员而言是显而易见的。这样的变型和修改可以涉及CFL控制领域已知的等同和其他特征，这些等同和其他特征可以代替这里已经描述的特征而使用，或者与这里已经描述的特征一起使用。

尽管所附权利要求涉及特征的具体组合，但是应当理解，本发明的公开范围还包括任何新的特征或者本文中显式、隐式或概括公开的特征的任何新的组合，而不管其是否涉及与任何权利要求当前所要求保护的发明相同的发明，也不管其是否减轻了与本发明相同的任何或所有技术问题。

以分开的实施例的形式描述的特征也可以在单个实施例中以组合的方式提供。相反，为了简要起见，在单个实施例中描述的不同特征也可以分开或以任何适合的子组合方式来提供。

申请人特此声明，在本申请或者从本申请衍生的任何其他申请的审查期间，可以针对这样的特征和/或这样的特征的组合来设计新的权利要求。

为了完整起见，还应说明术语“包括”不排除其他元件或步骤，术语“一”不排除多个，单个处理器或其他单元可以完成权利要求中引述的若干装置的功能，并且权利要求中的附图标记不应视为限制权利要求的范围。

Claims (11)

1.一种对荧光灯进行控制的方法，包括：当小型荧光灯在快速启动模式下时，

(a)确定调光级别，

(b)根据调光级别设置提升级别，以及

(c)根据调光级别和提升级别来控制灯功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，当小型荧光灯在快速启动模式下时，多次重复步骤(a)、(b)和(c)中的每一步骤。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，步骤(c)包括：将灯功率控制到快速启动设定点，快速启动设定点是调光级别、提升级别和正常操作设定点的乘积。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，步骤(b)包括：在调光级别小于调光阈值的情况下，将提升级别设置为单位一，在调光级别不小于调光阈值的情况下，将提升级别设置为大于单位一的值。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，步骤(b)包括：在调光级别小于调光阈值减去预定滞后偏移的情况下，将提升级别设置为单位一，在调光级别大于调光阈值加上另一预定滞后偏移的情况下，将提升级别设置为大于单位一的值。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过控制通过灯的电流，来控制灯功率。

7.一种用于荧光灯的控制器，所述控制器适合于根据权利要求1至6中任一项所述的方法进行操作。

8.根据权利要求7所述的控制器，还包括提升连接91，并且被配置为经由所述提升连接，接收对提升级别以及快速启动模式的持续时间加以确定的信息。

9.根据权利要求8所述的控制器，被配置为：在使用中，通过由与提升连接相连的一个或多个电阻器和一个或多个电容器组成的网络，来提供所述信息。

10.根据权利要求8所述的控制器，其中，所述网络包括用于确定提升级别的电阻器、以及电容器，使得利用与电阻器和电容器相关联的时间常数，来确定快速启动模式的持续时间

11.一种荧光灯，包括适于根据权利要求1至6中任一项所述的方法来进行操作的控制器。

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