CN102273325B - 用于驱动荧光灯的电子电路和照明应用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于从在功率输入端处提供的周期性输入电压来驱动荧光灯的电子电路。所述电路包括用于给所述荧光灯供电的逆变器和控制单元。所述控制单元包括:测量输入,连接到所述功率输入端,用于向所述控制单元提供表示周期性输入电压的值的同步信号;控制输入,用于接收表示所述荧光灯的期望的照明特性的输入信号;以及控制输出,连接到所述逆变器的使能输入。所述控制单元布置成通过所述控制输出向所述逆变器提供控制信号,以与表示所述周期性输入电压的值的所述同步信号的周期性同步地操作所述逆变器,所述控制信号基于所述输入信号。

Description

用于驱动荧光灯的电子电路和照明应用装置
技术领域
本发明涉及使用荧光灯等的照明应用。荧光灯是通常包括灯泡(也叫做灯头)和用于启动灯的电子电路的气体放电灯。电子电路通常包括用于向该灯提供AC电流的逆变器。 
背景技术
当前,例如与时间相关的调光或者颜色变化之类的动态效应越来越多地应用在照明应用中。荧光灯也可以应用于这些照明应用中。为了给这些灯提供调光功能提出了解决方案。荧光灯的调光可以通过应用能够以变化的频率来驱动荧光灯的电子灯驱动器来实现,因此向灯提供了变化的电流。从而通过改变例如半桥电路的开关频率来获得调光。然而,由于要求IC控制灯驱动器,这样的电子灯驱动器的应用相当昂贵。由于具有调光功能的荧光灯非常适合于家庭应用,因此应当避免昂贵组件的应用。此外,例如PWM调光之类的频率调光方法,其与例如50Hz(或者100Hz整流)的电源电压不同步,在应用于低频率时通常会导致闪烁。 
通过使用例如环逆变器的自振荡逆变器来启动荧光灯(或者灯泡)并给荧光灯供电而不使用电子灯驱动器是众所周知的。已知这些逆变器与电子灯驱动器相比更便宜。然而,在这样的自振荡逆变器中无法应用通过频率调光方法进行的调光。 
从例如US6,380,692还已知通过应用可控制的传导装置来对照明负载进行调光。这些装置(例如,基于TRIAC的调光器)提供可以应用来动态对特定照明应用供电(例如,使强度能够改变)的断相AC电压。例如作为输出电压从基于TRIAC的调光器获得的经调整的AC电压并不能马上应用来给荧光灯泡供电。此外,经调整(例如,使强度能够改变)的断相AC电压。例如作为输出电压从基于TRIAC的调光器获得的经调整的AC电压并不能马上应用来给荧光灯泡供电。此外,经调整(例 如,断相)的AC电压的产生可能需要例如半导体闸流管或者TRIAC之类的昂贵的高功率电子部件。 
发明内容
鉴于上述提到的缺点,本发明的目的是提供便于对荧光灯进行调光的相对便宜的电子电路。 
根据本发明的一个方面,提供一种用于从在功率输入端处提供的周期性输入电压来驱动荧光灯的电子电路,所述电路包括 
—用于给所述荧光灯供电的逆变器; 
—控制单元,包括 
○测量输入,连接到所述功率输入端,用于向所述控制单元提供表示周期性输入电压的值的同步信号, 
○控制输入,用于接收表示所述荧光灯的期望的照明特性的输入信号,以及 
○控制输出,连接到所述逆变器的使能输入, 
其中,所述控制单元布置成通过所述控制输出向所述逆变器提供控制信号,以与表示所述周期性输入电压的值的所述同步信号的周期性同步地操作所述逆变器,所述控制信号基于所述输入信号。 
根据本发明的电子电路包括用于给荧光灯供电(例如,通过提供(高频)交流电压)的逆变器。为了实现这点,所述电子电路可以在所述电路的功率输入端处提供有例如AC电压的周期性输入电压。所述周期性输入电压可以由所述逆变器(在其端子处)接收,用于在操作中给荧光灯供电。在提供给逆变器之前,周期性输入电压如果有需要的话可以由例如全桥或者半桥整流器整流。 
所述电子电路还包括控制单元,该控制单元包括测量输入,该测量输入连接到所述功率输入端,用于向控制单元提供表示周期性输入电压的值的同步信号。这样的同步信号可以例如指示所述周期性输入电压的过零(zero-crossing)时刻,或者指示何时达到峰值电压或者何时观测到预定的电压电平。在实施例中,电子电路包括检 测电路,该检测电路用于获得所述同步信号,例如输入电压的过零时刻。这样的过零检测可以例如在AC输入电压的情况下例如通过周期性输入电压的PLL(锁相环)检测来实现。本发明使用所述同步信号(例如,指示过零时刻或者峰值时刻或者预定电压电平时刻)来将所述逆变器的操作与周期性输入电压同步。要注意,本领域技术人员应理解,这样的同步信号可以从功率输入端(即,从周期性输入电压)直接确定,但同样也可以从所述逆变器的端子处提供的电压来确定。如果整流器先于逆变器应用,那么在所述逆变器的端子处提供的电压可以例如不同于周期性供电电压。 
控制单元还布置成在所述控制单元的控制输入处接收表示期望的照明特性的输入信号。作为例子,输入信号可以表示应用所述电子电路的照明应用的期望的亮度或者期望的颜色设置。在根据本发明的所述电子电路中应用的控制单元布置成基于所述同步信号和所述输入信号确定控制信号,所述控制信号被应用来使所述逆变器能够在操作中给荧光灯供电。所述控制信号在操作中通过控制单元的控制输出提供给逆变器的使能输入。这样的控制单元(或者控制器)可以例如包括模拟或者数字控制器或者微处理器。作为例子,所述控制信号可以包括例如控制脉冲的第一信号,该第一信号使得所述逆变器能够在其固有频率开始振荡。由于同步信号的输入,荧光灯的供电可以与所述周期性输入电压同步。基于表示期望的亮度特性的输入信号,提供给荧光灯的功率可以由适当的控制信号控制。这可以理解成如下:在实施例中,在逆变器的使能输入处提供的控制信号可以使得逆变器在第一时刻和第二时刻之间启用。作为例子,第一时刻可以具有与周期性输入电压的过零时刻(或者峰值时刻)相关的延迟,所述延迟由所述控制单元基于所述输入信号来确定。通过在过零时刻(通常为同步信号)和启用所述逆变器的控制信号的应用之间应用延迟,在操作中由所述逆变器提供给荧光灯的功率可以得到调整:由逆变器给荧光灯供电的传统方式是包括用于启动逆变器的启动器或者启动器开关。在本发明中,没有应用启动器或 者启动器开关,因为逆变器的启动由控制单元提供的控制信号来控制。基于表示期望的照明特性的输入信号和同步信号,当逆变器开始振荡(并因而向荧光灯提供功率)时控制单元控制该时刻。在实施例中,在操作中逆变器将持续给荧光灯供电直至第二时刻。在所述第二时刻,逆变器将停止向荧光灯提供功率。在实施例中,所述第二时刻对应于周期性输入电压的下一过零。或者,所述第二时刻由所述控制单元等同地控制。根据本发明的电子电路因而使得能够启动和停止逆变器以在周期性输入电压(例如(经整流)AC输入电压)的周期的部分或者全部期间给荧光灯供电。在50Hz的AC输入电压的情况下,这样的周期将具有10ms的持续时间。在实施例中,控制单元控制荧光灯的供电的启动时刻(也称为第一时刻),而停止时刻(也称为第二时刻)可以由逆变器设计(如下文所解释,所述逆变器可以设计来在操作中当可用电压低于预定电平时停止给荧光灯供电)或者由控制单元来确定,例如通过在控制单元的控制输出处提供第二信号以禁止逆变器向荧光灯提供功率。通过控制电子电路的逆变器的启动和停止,控制单元控制逆变器在特定的占空比操作以及因而控制由逆变器提供的平均功率。通过例如根据表示期望的例如强度或者亮度之类的照明特性的经调整的输入信号调整占空比,照明特性可以相应地被改变。 
在根据本发明的电子电路的实施例中,由控制单元提供的控制信号包括控制脉冲,所述控制脉冲的持续时间基本上对应于逆变器的振荡频率的周期。与为荧光灯供电的传统电路相比,在所述灯的操作期间,在根据本发明的电子电路中应用的逆变器在周期性输入电压(例如经整流的AC输入电压)的过零时刻时或者更早的时候停止给荧光灯供电。这样,所述逆变器应当在周期性输入电压的每个周期重新启动(例如在50Hz AC电压的情况下每10ms一次)以维持基本上持续的照明输出(由人眼所察觉的)。照惯例,当应用启动器或者启动器电路时,启动信号仅需要应用一次来启动给荧光灯的供电。由于因而根据本发明的电子电路更频繁地应用启动信号, 所以要小心不要提供过大的功率来启动倒相器,以不损害它。已经发现具有基本上对应于逆变器的振荡频率的周期的持续时间的控制脉冲是启动所述逆变器的合适脉冲。典型地,这样的脉冲可以小于或者等于20微秒。要注意,传统的启动器脉冲可以更长(例如,几毫秒)。 
本发明还提供一种照明应用,该照明应用包括荧光灯单元和根据本发明的用于驱动所述荧光灯单元的电子电路。在本发明的意义中,荧光灯单元包括一个或者多个荧光灯。在实施例中,根据本发明的照明应用包括:荧光灯单元,该荧光灯单元包括与所述电子电路的一个或多个逆变器电容性耦合的一个或者多个荧光灯;所述电子电路的控制单元,该控制单元布置成独立地控制多个逆变器。在这样的布置中,控制单元可以确保每个灯在不同的占空比操作(通过控制给灯供电的所述逆变器的启动和停止),从而例如获得期望的诸如强度或者颜色之类的照明特性。 
附图说明
图1示意性地描述了根据本发明的照明应用; 
图2示意性地描述了可以应用在根据本发明实施例的电子电路中的逆变器; 
图3示意性地说明了可以应用在本发明中用来控制逆变器的控制单元的操作; 
图4示意性地说明了可以应用在本发明中用来控制逆变器的控制单元的另一操作。 
具体实施方式
图1示意性地描述了根据本发明的照明应用的实施例。图1示意性地描述了包括第一荧光灯100和第二荧光灯110以及电子电路115的荧光灯单元。荧光灯100和110分别由第一逆变器120和第二逆变器130供电。所示出的实施例进一步包括布置成向逆变器的使 能输入(125和135)提供控制信号150(通过控制输出155)以控制逆变器的启动的控制单元140。控制单元布置成在控制输入165处接收表示期望的照明特性的输入信号160和来自检测单元180的同步信号170,所述检测单元布置成检测经整流的AC电压190(通常是周期性输入电压)的过零时刻,该经整流的AC电压190是从布置成对AC输入电压210进行整流的整流器200获得的。控制单元包括用于接收同步信号170的测量输入175(要注意,在实施例中,这样的测量输入175可以直接连接到周期性供电电压(在整流器前或者在整流器后)并由控制单元应用来确定同步信号,而不通过应用检测单元180)。控制单元140布置成向逆变器提供控制信号150以与表示周期性输入电压的值的同步信号170的周期性同步地操作逆变器,由此使用输入信号160和同步信号170来确定控制信号150。同步信号例如可以指示周期性输入电压的过零时刻或者峰值时刻。控制信号150例如(如图2中详细说明的)可以包括关于由同步信号170表示的过零时刻延迟的脉冲。不像传统的为荧光灯供电的逆变器,本发明中应用的逆变器不需要提供有启动器或者启动器电路,因为控制单元布置成在经整流的AC电压190的每个周期期间提供启动逆变器的控制信号。 
为了控制在经整流的AC电压的每个周期期间提供给荧光灯100和110的功率,本发明中应用的逆变器的供电至少在经整流的AC电压的每个周期结束时停止。这例如可以通过适当的逆变器设计来获得,使得当给逆变器提供的电压降到低于特定值时,逆变器停止给荧光灯供电。作为例子,逆变器可以布置成一旦提供给逆变器120和130的供电电压220等于零就停止给灯供电。这例如也可以通过为图2中示出的逆变器的电容C1选择充分小的电容值来实现。 
或者,控制单元可以布置成例如在供电电压220的下一个过零时刻之前向逆变器提供用于停止该逆变器的信号。这样,控制单元140可以确保逆变器仅仅在供电电压220的一部分(例如,一段)期间给荧光灯供电。在这种情况下,逆变器将在下一过零时刻之前停 止向荧光灯供电。因而,可以使用供电电压的优选的段或者部分来给荧光灯供电,例如,供电电压的中央部分而不是供电电压的尾部。 
结果,如图1所示的照明应用中的荧光灯可以在由控制单元控制的特定占空比下操作,而不是以基本上连续的方式来操作,因而布置成在比最高(连续)功率低的平均功率下操作。由此可以实现由荧光灯提供的灯的强度的变化。本领域技术人员应知,在荧光灯单元的荧光灯100,110具有不同颜色的情况下,由荧光灯单元提供的灯的颜色变化同样可以通过独立地调整操作占空比(即,通过控制逆变器120,130供电的启动和停止)来提供。根据本发明的电子电路115(其可以应用在根据本发明的照明应用中)能够实现逆变器的激活控制以开启灯;在每个周期应用控制信号(例如,脉冲)来启动逆变器(以及因而启动灯),而不是应用仅在灯开启时应用一次的启动器电路,在经整流的AC电压的每个周期中提供该脉冲,控制信号还与该经整流的AC电压同步。 
本领域技术人员还应理解,同样的原理也适用于仅具有一个灯或者多于两个灯的荧光灯单元。 
图2示意性地描述了能够应用在根据本发明的电子电路或者照明应用中的逆变器的例子。在图2中示意性描述的逆变器是所谓的环逆变器。示出的该逆变器不包括在电子电路中通常找到的、用于给荧光灯供电的、例如CFL(紧凑型荧光灯)驱动器之类的启动电路。为了启动逆变器,可以将控制单元(例如,图1中示出的控制单元140)的脉冲输出提供给晶体管T2的基极,如箭头250所指示。T2的发射极节点连接于共同接地点。示出的逆变器还包括变压器,在该变压器内部集成有镇流器电感器。应清楚这样的镇流器电感器也可以是单独的组件。在示出的实施例中,变压器例如可以被应用来向具有灯电压在1kV的量级上的电容性耦合的荧光灯供电。在本发明的实施例中,图2中说明的环逆变器应用在根据本发明的电子电路中。这样的逆变器可以布置成当逆变器的供电电压下降至低于特定值时停止。逆变器停止时的供电电压值例如可以通过图2中电 阻R4和R5的适当选择,或者图2中变压器L2的绕组比例的适当选择来设置。逆变器的停止同样可以通过应用与晶体管T1和T2的发射极串联的电阻来影响。 
图3中示意性地指示了例如由控制电路提供来控制逆变器的控制信号的可能的定时。图3示意性地描述了经整流的AC电压300作为时间t的函数,其中在经整流的AC电压300中的过零时刻t0被检测到,并在一些时间间隙T1之后由控制单元产生宽度为T2的脉冲以启动逆变器(这里应用术语过零时刻来指示当输入电压基本上达到等于零的电压电平时的时刻)。间隙T1(即,关于在t0发生的过零时刻的延迟)可以例如基于表示例如期望的照明强度之类的期望的照明特性的输入信号来确定。由于该脉冲,逆变器可以启动将功率传递给荧光灯或者灯单元。该供电可以例如维持至逆变器停止时的下一过零时刻,即操作中的荧光灯因而在间隙T3期间被供电。然后此过程以例如100Hz的速率重复(如果经整流的AC电压源自50Hz AC电压)。这样,在一个周期(10毫秒)中传递的能量被调制,于是灯例如可以被调光。如果对多个灯供电,由控制单元转换成时间移位T1的(用户)输入信号对每个灯可以不同。用户输入信号可以是例如IR信号、Zigbee控制信号或者电位计的角度。进一步,也可以是从在消费者家中找到的墙壁调光器或者线上调光器的测量相位角。这样,不需要额外的对灯的接口技术。 
应用来启动逆变器以给荧光灯供电的脉冲宽度T2应当足够的宽以启动逆变器,但不应当太宽,因为这可能会由于脉冲的频繁施加(例如,每10毫秒一次)而损害逆变器。优选地,脉冲宽度基本上对应于逆变器振荡频率的一个周期。如上文已经提到的,在根据本发明的电子电路中应用的逆变器可以布置成当下一过零时刻发生时或者当逆变器的供电电压(例如,图3中示出的经整流的AC电压300)下降至低于特定电平时停止给荧光灯供电。或者,如图4所描述,控制单元可以控制逆变器(通过提供例如脉冲T4之类的控制信号)以在下一过零时刻之前停止给逆变器供电。因而在间隙T5而不 是图3描述的间隙T3期间对荧光灯供电。在实践中,这可以例如通过将图2中所示逆变器的晶体管T2的基极接地来实现(因此使晶体管的基极和发射极短路)。这可以例如由诸如双极晶体管或者FET之类的开关来实现。 
本发明提供了一种用于动态控制荧光灯并且给荧光灯供电的低成本解决方案。本发明可以应用在任何其中一个或多个电容性耦合的荧光灯的照明输出应当依靠用户输入来控制的领域。按照要求,这里公开了本发明的详细实施例;然而,要理解公开的实施例仅仅是本发明的例示,其可以以不同的形式实施。因而,这里详细公开的具体的结构和功能细节不能被解释为限制,而仅仅是权利要求的基础和用于教导本领域技术人员以几乎任何适当的详细结构变化地使用本发明的代表性基础。进而,这里使用的术语和措辞并不旨在于限制,而是提供对本发明的可理解的描述。 
这里使用的术语“一”定义为一个或者多于一个。这里使用的术语多个定义为两个或者多于两个。这里使用的术语“另一个”定义为至少第二个或者更多。这里使用的术语包括和/或具有定义为包含(即,开放式语言,不排除其它元件或步骤)。权利要求中的任何标号不应当被视为限制权利要求或者发明的范围。 
在相互不同的从属权利要求中记载特定措施的事实并不指示不能利用这些措施的结合。 

Claims (15)

1.一种用于从在功率输入端处提供的周期性输入电压来驱动荧光灯的电子电路,所述电路包括
-用于给所述荧光灯供电的逆变器;
-控制单元,包括
○测量输入,连接到所述功率输入端,用于向所述控制单元提供表示所述周期性输入电压的值的同步信号,
○控制输入,用于接收表示所述荧光灯的期望的照明特性的输入信号,以及
○控制输出,连接到所述逆变器的使能输入,
其中,所述控制单元布置成通过所述控制输出向所述逆变器提供控制信号,以与表示所述周期性输入电压的值的所述同步信号的周期性同步地操作所述逆变器,所述控制信号基于所述输入信号;并且
所述同步信号指示所述周期性输入电压的过零时刻;
提供给所述逆变器的所述控制信号使得所述逆变器在与所述过零时刻相关的第一时刻和第二时刻之间启用。
2.根据权利要求1的电子电路,其中所述同步信号从检测电路获得。
3.根据权利要求1的电子电路,其中所述第一时刻具有与所述过零时刻相关的延迟,所述延迟由所述控制单元基于所述输入信号确定。
4.根据权利要求1的电子电路,其中所述第二时刻对应于所述周期性输入电压的下一过零时刻。
5.根据权利要求1至4之任一的电子电路,其中所述控制信号包括用于将所述逆变器从所述第二时刻禁用的第二信号。
6.根据前述权利要求1至4之任一的电子电路,其中所述逆变器是自振荡环逆变器。
7.根据权利要求6的电子电路,其中所述逆变器的镇流器电感器集成在所述环逆变器的变压器中。
8.根据前述权利要求1至4之任一的电子电路,其中所述控制信号包括控制脉冲,所述控制脉冲的持续时间基本上对应于所述逆变器的振荡频率的周期。
9.根据前述权利要求1至4之任一的电子电路,其中所述输入信号由例如调光器电路的用户接口提供。
10.根据前述权利要求1至4之任一的电子电路,其中所述照明特性包括强度设置点和/或颜色设置点。
11.根据前述权利要求1至4之任一的电子电路,所述电子电路包括多个逆变器,所述控制单元布置成独立地控制所述多个逆变器。
12.根据前述权利要求1至4之任一的电子电路,其中,在操作中,所述控制信号在周期性输入电压的每个周期期间提供给所述逆变器。
13.一种照明应用装置,包括荧光灯单元和根据前述权利要求之任一的用于驱动所述荧光灯单元的电子电路,并且所述荧光灯单元电容性耦合于所述电子电路。
14.根据权利要求13的照明应用装置,其中所述荧光灯单元包括多个荧光灯,每个灯电容性耦合于所述电子电路的多个逆变器中的一个逆变器。
15.根据权利要求14的照明应用装置,其中所述控制单元布置成独立地控制耦合于所述多个荧光灯的所述多个逆变器。
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