CN102474931B - 用于与墙壁调光器协作的驱动器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于驱动可调光负载(L)的驱动器(100；200)，其从切相市电(U1)供电，并且基于市电的切相决定负载的调光状态。所述驱动器包括：生成负载电流的负载电流生成设备(130；230)；连接到负载电流生成设备的输入(131；231)的可控辅助负载(170；270)；控制辅助负载的控制设备(140；240)。控制设备具有接收指示驱动器输入处的瞬时电压的信号的输入(141；241)。负载电流生成设备生成断续的电流脉冲，从而使得平均输出电流对应于通过输入市电的切相角而反映出的调光命令。控制设备在由负载电流生成设备生成的输出电流为零的时段期间接通辅助负载。

Description

用于与墙壁调光器协作的驱动器
技术领域
本发明特别涉及一种用于驱动光源(特别是LED)的驱动器，但是本发明的驱动器也可以用于驱动任何类型的负载。
背景技术
在传统的照明应用中，使用基于对发光元件的电阻性加热的白炽灯。所述灯由市电供电，其在欧洲涉及50Hz下的230V AC。在传统上，这样的灯与一个通/断开关串联连接，从而使得所述灯或者关断或者在标称功率下产生光。为了满足能够对灯进行调光(即降低光级)的需求，已经开发出市电调光器以作为与灯串联连接的设备，所述市电调光器或者是作为单独的设备或者与墙壁安装的开关集成在一起。这样的调光器通常基于利用TRIAC(三端双向可控硅开关)对市电电压进行切相(phase-cutting)来操作。由于这样的调光器是公知的，因此下面的描述将保持简短。
图1A是示意性地示出经过整流的市电的电压(垂直轴)与时间(水平轴)的关系的曲线图。可以看出，该电压遵循连续正弦形状的曲线，其中的负部分被反转。为电阻性负载提供的功率(其被表达为P＝U2/R)可以被视为与曲线下方的表面积成比例。
图1B和1C是示出了切相调光器(即，前沿调光器(图1B)或后沿调光器(图1C))的输出电压的可比曲线图。在前沿调光器(图1B)的情况下，在市电的过零之后紧接着抑制输出电压以便保持为零，直到0至180°之间的特定相位pX为止，此时电压进行跳跃以遵循市电曲线。同样地，被提供给电阻性负载的功率可以被视为与曲线下方的表面积成比例：可以看出，当所述相位pX增大时(曲线的右手侧)，该功率降低。在后沿调光器(图1C)的情况下，电压在过零之后遵循市电直到0至180°之间的特定相位pY为止，此时电压被抑制以便跳跃到零。同样地，被提供给电阻性负载的功率可以被视为与曲线下方的表面积成比例：可以看出，当所述相位pY减小时(曲线的左手侧)，该功率降低。图1B的情况被表示为“前沿调光”，图1C的情况被表示为“后沿调光”。
白炽灯的一个问题在于其效率低下：其许多功率消耗都以热量的形式被浪费。已经开发出具有高得多的效率的替换光源，比如像气体放电灯、LED、OLED等等。为了产生相同的光量，这样的光源所需的电能要少很多，为此其可以被称作“节能灯”。这样的光源无法通过直接连接到市电来操作：其需要由驱动器设备来驱动，所述驱动器设备继而由市电供电。驱动器包括用于TL灯的CuFe镇流器，但是本发明涉及电子驱动器。正如本领域技术人员所公知的那样，已经开发出的此类电子驱动器一方面是为了向市电给出适当的负载(功率因数校正)，并且另一方面是为了向光源生成适当的输出电流。所述驱动器可以被设计成用于控制电流幅值，但是也可以被设计成用于控制输出功率。
此外，还期望能够对节能灯进行调光，因此也开发了可调光电子驱动器。这样的驱动器具有通常无线耦合到遥控器的用户控制输入，用户通过所述遥控器可以控制光强度，即对光源进行调光。在这种情况下，调光优选地由驱动器执行，这是通过减小输出电流强度(幅度)或者减小灯电流的PWM占空比而实现的。
“普通”可调光电子驱动器意在由“普通”市电供电，即例如在欧洲是230V、50Hz的正弦形状电压。但是，也存在期望能够利用市电调光器对灯进行调光的情况。这样的情况可能通常在现有光源被集成有电子驱动器的光源所替换时发生，此时现有光源例如是通过墙壁安装的调光器供电的白炽灯。已经开发出能够接收来自市电调光器的“经过调光的”市电的电子驱动器：这样的驱动器可以被描述为在为灯生成电流方面作为普通驱动器操作，但是其还具有对输入市电的相位角进行分析并且基于该信息来确定针对灯的调光水平的功能。
图2是一种实际情况的方框图，其中电子灯驱动器20连接到由根据前述切相原理操作的市电调光器10所提供的“经过调光的市电”。调光器10具有接收原始市电的输入11以及提供经过调光的市电VD的输出12。市电调光器10具有用于控制调光水平的用户输入13，其通常是旋转手柄。在一种常见情况下，市电调光器10是墙壁安装的，而由市电调光器10供电的灯L被安装在相对较远的地方，这由长供电线14示出。灯L配备有或者作为单独设备或者作为内置设备的电子驱动器20，其具有连接到供电线14以便接收经过调光的市电VD的输入21以及连接到灯L的实际光源的输出22。
发明内容
这种电路中的一个问题涉及以下事实：市电调光器10包括带有TRIAC 15的输出级。正如本领域技术人员应当知晓的那样，当电流降到被指示为保持电流的特定水平以下时，TRIAC开关关断；该水平可能取决于单独的TRIAC。因此，在电压过零之前，调光器10的输出电流就被切断。此外，TRIAC需要特定点燃电流(其也被称作闭锁电流)来接通。总而言之，基本上市电调光器只有在特定输出电流水平以上才正确地操作，并且市电调光器通常是为大约30W的最小输出功率而开发的。节能灯的耗电通常小于30W，特别对于用在消费者家中的灯的情况下尤其是这样。当对灯进行调光时，该问题只会变得更糟。灯可能不会启动，可能熄灭，可能表现出不规律性以及可见的闪烁和可听的蜂鸣声等等。这对于用户来说显然是不可接受的，从而妨碍了节能灯的接受度。
本发明的一个目的是克服或者至少减轻前述问题。
在一个实施例中，本发明提供一种用于与市电调光器协作的电子驱动器。所述驱动器为灯生成占空比受控电流，这意味着灯电流被接通及关断，同时接通时间与电流周期之间的比值决定平均输出电流并且因而决定平均输出光。在灯电流被关断的时段期间，一个辅助阻抗被耦合到市电，从而从市电调光器吸取电流以便满足针对保持TRIAC的需要。
在另一个实施例中，本发明提供一种用于与市电调光器协作的电子驱动器。所述驱动器在市电电压高于零的那些时段期间生成高频灯电流。在市电电压为零的那些时段期间，一个辅助阻抗被耦合到市电，从而从市电调光器吸取电流以便满足针对保持TRIAC的需要。在从属权利要求中提到了进一步的有利详细阐述。
附图说明
下面将通过参照附图对一个或更多优选实施例所做的描述来进一步解释本发明的上述和其他方面、特征及优点，其中相同的附图标记指代相同或类似的部件，且在附图中：
图1A-图1C是示意性地示出了电压与时间的关系的曲线图；
图2是连接到市电调光器的电子灯驱动器的方框图；
图3是示意性地示出了根据本发明的电子驱动器的一个实施例的方框图；
图4是示意性地示出了根据本发明的电子驱动器的第二实施例的方框图。
具体实施方式
图3是示意性地示出了根据本发明的电子驱动器100的一个实施例的方框图。驱动器100具有用于接收来自市电调光器(未示出)的切相市电U1的输入101，并且具有用于连接到灯L的输出109。
整流器110具有连接到驱动器输入101的输入111，并且具有用于提供经过整流的市电U2的输出119。整流器110例如可以被实施为二极管桥。应当指出的是，经过整流的市电U2具有基本上与市电U1相同的波形，其不同之处在于所有电流半周期的极性现在都是相同的。由于整流器是本领域技术人员所公知的，因此在这里不需要对整流器110的设计或操作进行更加详细的讨论。
DC/DC转换器120具有连接到整流器输出119的输入121，并且具有用于提供基本上恒定的输出电压U3的输出129。由于DC/DC转换器是本领域技术人员所公知的，因此在这里不需要对DC/DC转换器120的设计或操作进行更加详细的讨论。
可控断续器130具有连接到DC/DC转换器输出129的输入131，并且其输出139连接到驱动器输出109。断续器130具有两个操作状态，即导通状态和不导通状态。断续器130具有控制输入132，并且响应于在该控制输入处接收到的控制信号而在其导通状态或其不导通状态下操作。在一个简单的实施例中，断续器130可以被实施为一个开关。应当清楚的是，取决于断续器130的操作状态，灯L接收或者不接收灯电流。
控制设备140具有耦合到整流器输出119的输入141，并且具有用于向断续器130的控制输入132提供控制信号Sci的第一输出144。为了降低输入141处的电压水平，控制设备140可以配备有电阻性分压器(未示出)，正如本领域技术人员应当清楚的那样。控制设备140可以例如被实施为适当编程的控制器或微处理器，其被设计成生成作为二进制信号的第一控制信号Sci，所述二进制信号具有两个可能数值的其中之一，为了简化起见其将分别被称作高或低。如果信号具有例如为高的第一值，则断续器130处于其导通状态；如果信号具有例如为低的第二值，则断续器130处于其不导通状态。假设两个信号值之间的切换是在恒定切换频率f下执行的，但是这一点并非本质性的。该频率的精确值对于实施本发明来说并不重要，但是通常可以处在1kHz或更高的范围内。应当清楚的是，该切换频率f决定灯输出电流频率的频率。灯电流周期T被定义为T＝1/f。在每一个电流周期内，电流在特定持续时间t1被接通并且在特定持续时间t2被切断，其中t1+t2＝T。占空比Δ被定义为Δ＝t1/T。占空比可以基本上在0％到100％之间变化，并且决定平均电流水平和平均输出光级。
正如前面所解释的那样，市电的切相角决定所需的输出光级。因此，控制设备140被设计成分析在其输入141处接收到的信号，以便与在其输入141处接收到的市电信号的切相角相关设定其第一控制信号Sci的占空比Δ。
在t2期间，断续器130不向灯L提供任何电流，因此不从市电U1吸取任何电流。正如前面所解释的那样，这可能会导致市电调光器出问题。根据本发明，这些问题通过连接在DC/DC转换器输出129与地之间的可开关辅助负载170而得以避免。可开关负载170可以适当地被实施为串联布置的辅助阻抗172与可控开关171。
控制设备140具有用于为可控开关171的控制输入提供第二控制信号Scz的第二输出145，所述可控开关171例如可以被实施为FET。开关171具有两个操作状态，即导通状态和不导通状态。第二控制信号Scz被生成为反相的第一控制信号Sci，从而当断续器130处于其不导通状态时开关171处于其导通状态，反之亦然。因此，作为一种替换方案，可以由接收第一控制信号Sci作为输入信号的反相器提供第二控制信号Scz。
其结果是，当灯L不吸取任何电流时，辅助阻抗172在t2期间从市电吸取电流，从而确保用于市电调光器中的TRIAC的最小电流。辅助阻抗172例如可以是电阻器，其数值特别取决于标称灯功率以及市电调光器的期望特性。举例来说，在一个适当的实施例中，对于U3是大约400V并且灯L具有20W标称功率的情况，50kΩ的电阻值就足够了。
应当提到的是，辅助阻抗172只在调光期间从市电吸取电流；如果灯操作在100％的占空比下(完全标称功率)，则不会引入额外的损耗。
图4是示意性地示出了根据本发明的电子驱动器200的第二实施例的方框图。驱动器200具有用于接收来自市电调光器(未示出)的切相市电U1的输入201，并且具有用于连接到灯L的输出209。
整流器210具有连接到驱动器输入101的输入211，并且具有用于提供经过整流的市电U2的输出219。整流器210例如可以被实施为二极管桥。应当指出的是，经过整流的市电U2具有基本上与市电U1相同的波形，其不同之处在于所有电流半周期的极性现在都是相同的。由于整流器是本领域技术人员所公知的，因此在这里不需要对整流器210的设计或操作进行更加详细的讨论。
逆变器230具有连接到整流器输出219的输入231，并且其输出239连接到驱动器输出209。逆变器230能够生成交变输出电流，这通常是通过对其输入电压进行换向而实现的。在一个实施例中，逆变器230具有本身已知的全桥设计。应当清楚的是，逆变器230仅仅在存在市电电压时才提供灯电流，因此在市电电压被切断时没有电流。因此，平均灯电流并因而平均光输出取决于切相角。
由于在市电电压被切断时没有灯电流，因此这可能会导致市电调光器出问题，正如前面所解释的那样。根据本发明，这些问题通过连接在整流器输出219与地之间的可开关辅助负载270而得以避免。可开关负载270可以适当地被实施为串联布置的辅助阻抗272与可控开关271。开关271具有两个操作状态，即导通状态和不导通状态。为了控制开关271，驱动器200还包括控制设备240，所述控制设备240具有用于为可控开关271的控制输入提供控制信号Scz的输出245，所述可控开关271例如可以被实施为FET。
控制设备240具有耦合到驱动器输入201的输入241。为了降低输入241处的电压水平，控制设备240可以配备有电阻性分压器(未示出)，正如本领域技术人员应当清楚的那样。控制设备240可以例如被实施为适当编程的控制器或微处理器，其被设计成生成作为二进制信号的控制信号Scz，所述二进制信号具有两个可能值其中之一，为了简化起见其将分别被称作高或低。如果信号具有例如为高的第一值，则开关271处于其导通状态；如果信号具有例如为低的第二值，则开关271处于其不导通状态。
控制设备240被设计成分析在其输入241处接收到的信号，并且检测经过调光的市电U1中的过零。控制设备240被设计成生成其输出控制信号Scz，从而使得当经过调光的市电U1变为零时或略早一些时，Scz变为高，并且当经过调光的市电U1从零升高时或略迟一些时，Scz变为低。其结果是，辅助阻抗272在灯L不吸取任何电流的那些时段期间从市电吸取电流，以便确保用于市电调光器中的TRIAC的最小电流。
辅助阻抗272例如可以是电阻器，其值特别取决于标称灯功率以及市电调光器的期望特性。举例来说，在一个适当的实施例中，对于230V市电和具有20W标称功率的灯L的情况，15kΩ的电阻值就足够了。
应当提到的是，辅助阻抗272只在调光期间从市电吸取电流；如果灯操作在100％的占空比下(完全标称功率)，则不会引入额外的损耗。
总而言之，本发明提供用于驱动可调光负载的驱动器100、200，所述驱动器由切相市电U1供电，并且基于市电的切相决定负载的调光状态。
所述驱动器包括：
生成负载电流的负载电流生成设备130、230；
连接到负载电流生成设备的输入131、231的可控辅助负载170、270；
控制辅助负载的控制设备140、240。
该控制设备具有接收指示驱动器输入处的瞬时电压的信号的输入141、241。
该负载电流生成设备生成断续的电流脉冲，从而使得平均输出电流对应于通过输入市电的切相角而反映出的调光命令。
该控制设备在由负载电流生成设备生成的输出电流为零的那些时段期间接通辅助负载。
本发明的一个优点在于，其确保将从调光器吸取一些电流。这将会确保调光器中的定时组件可以正确地运转，所述定时组件通常是需要电流来充电或放电的电容器。
虽然在附图和前面的描述中详细示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应当清楚的是，这样的图示和描述应当被视为说明性或示例性的，而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例；相反，在所附权利要求书中所限定的本发明的保护范围内，可能有若干变型和修改。
举例来说，取代灯L，所述驱动器可以驱动另一种可调光负载。
在图3的实施例中，控制器输入141被示出为耦合到整流器110的输出119，以便接收相位角定时信息；替换地，控制器输入141可以耦合到整流器输入111，这是因为输入电压U1也包含该信息：这种替换方案被显示在图4的实施例中。相反，出于类似的推理，图4的实施例中的控制器输入241可能耦合到整流器输出219。
在图4的实施例中，设备230被实施为逆变器，其只要接收输入电压就生成高频电流，而在图3的实施例中，设备130被实施为占空比控制的断续器，其生成由控制器140控制断续的断续电流。还有可能将这些教导组合：在图3的实施例中，设备130可以被实施为占空比控制的逆变器，其生成由控制器140控制断续的断续电流，并且其中所述电流是高频电流(例如大约45kHz)。这样的占空比控制的逆变器可能操作在两个操作状态下：在第一状态下，所述逆变器关断并且不生成电流，而在第二状态下，所述逆变器接通并且生成高频电流。所述逆变器响应于来自控制器140的控制信号Sci而接通或关断。
通过研究附图、本公开内容和所附权利要求书，本领域技术人员在实施所要求保护的本发明时可以理解并实现所公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，词语“一”或“一个”不排除多个。单个处理器或其他单元可以实现在权利要求中引述的几个项目的功能。在互不相同的从属权利要求中引述某些措施并不表示不能使用这些措施的组合来获益。权利要求中的任何附图标记不应当被理解为限制其范围。
在前面，已经参照方框图解释了本发明，所述方框图示出了根据本发明的设备的各个功能方框。应当理解的是，这些功能方框当中的一个或多个可以用硬件来实施，其中这样的功能方框的功能由各个单独的硬件组件执行，但是还有可能用软件来实施这些功能方框当中的一个或多个，从而通过计算机程序的一个或更多程序行或者诸如微处理器、微控制器、数字信号处理器等可编程设备执行这样的功能方框的功能。

Claims (9)

1.一种用于驱动可调光负载(L)的驱动器(100；200)，所述驱动器被设计成从切相市电(U1)供电，并且基于所述市电的切相决定所述负载的调光状态；
所述驱动器具有用于连接到供电线(14)的输入(101；201)以及用于连接到所述可调光负载(L)的输出(109；209)，所述驱动器包括：
用于生成负载电流的负载电流生成设备(130；230)，其具有耦合到驱动器输出(109；209)的输出(139；239)；
连接到所述负载电流生成设备(130；230)的输入(131；231)的可控辅助负载(170；270)；
用于控制所述辅助负载(170；270)的控制设备(140；240)；
其中，所述控制设备(140；240)具有被耦合以接收指示驱动器输入(101；201)处的瞬时电压的信号的输入(141；241)；
其中，所述负载电流生成设备(130；230)被设计成生成断续的电流，从而使得平均输出电流对应于通过输入市电(U1)的切相角而反映出的调光命令；
以及其中，所述控制设备(140；240)被设计成在由负载电流生成设备(130；230)生成的输出电流为零的那些时段期间接通所述辅助负载(170；270)，其中所述控制设备(140；240)具有用于向所述负载电流生成设备(130)的控制输入(132)提供第一控制信号(Sci)的第一控制输出(144)，以及用于针对所述可控辅助负载(170)的可控开关(171)的控制输入提供第二控制信号(Scz)的第二控制输出(145)，其中所述第二控制信号(Scz)被生成为反相的第一控制信号(Sci)。
2.根据权利要求1所述的驱动器，其中，所述辅助负载(170；270)是串联布置的阻抗(172；272)与所述可控开关(171；271)。
3.根据权利要求2所述的驱动器，其中，所述阻抗(172；272)包括电阻器。
4.根据权利要求1所述的驱动器，其还包括：
用于将输入市电(U1)转换成恒定DC电压(U3)的转换装置(110，120)，其中所述负载电流生成设备(130)是可控断续器，其具有耦合到所述转换装置(110，120)的输出(129)的输入(131)并且具有控制输入(132)，所述断续器能够在激活状态下操作并且能够在阻断状态下操作，在激活状态下其传递电流，在阻断状态下其阻断电流；
其中，所述控制设备(140)的第一控制输出(144)用于向所述断续器(130)的控制输入(132)提供第一控制信号(Sci)；
其中，所述控制设备(140)被设计成生成其第一控制信号(Sci)，从而使得所述断续器(130)在其激活状态与其阻断状态之间交替，其处在所述激活状态下达第一持续时间(t1)并且在所述阻断状态下达第二持续时间(t2)；
以及其中，辅助负载(170)在所述阻断状态期间被接通并且在所述激活状态期间被关断。
5.根据权利要求1所述的驱动器，其还包括：
用于将输入市电(U1)转换成恒定DC电压(U3)的转换装置(110，120)，其中所述负载电流生成设备(130)是可控逆变器，其具有耦合到所述转换装置(110，120)的输出(129)的输入(131)并且具有控制输入(132)，所述逆变器能够在激活状态下操作并且能够在关断状态下操作，在所述激活状态下其输出高频电流，在所述关断状态下其不生成电流；
其中，所述控制设备(140)的第一控制输出(144)用于向所述逆变器(130)的控制输入(132)提供第一控制信号(Sci)；
其中，所述控制设备(140)被设计成生成其第一控制信号(Sci)，从而使得所述逆变器(130)在其激活状态与其关断状态之间交替，其处在所述激活状态下达第一持续时间(t1)并且处在所述关断状态下达第二持续时间(t2)；
以及其中，所述辅助负载(170)在所述关断状态期间被接通并且在所述激活状态期间被关断。
6.根据权利要求4或5所述的驱动器，其中，所述转换装置(110，120)包括：
整流器(110)，其具有连接到所述驱动器输入(101)的输入(111)以及用于提供经过整流的市电(U2)的输出(119)；
DC/DC转换器(120)，其具有连接到整流器输出(119)的输入(121)以及用于提供基本恒定的输出电压(U3)的输出(129)；
其中，所述负载电流生成设备(130)其输入(131)耦合到所述转换装置(120)的输出(129)；
其中，所述控制设备(140)被设计成基于经过整流的市电(U2)中的切相角信息设定所述第一持续时间(t1)与所述第二持续时间(t2)之间的比例。
7.根据权利要求6所述的驱动器，其中，所述控制设备(140)具有优选地通过电阻性分压器耦合到整流器输出(119)的输入(141)，或者其中，所述控制设备(140)具有优选地通过电阻性分压器耦合到整流器输入(111)的输入(141)。
8.根据权利要求1所述的驱动器，其还包括：
整流器(210)，其具有连接到驱动器输入(201)的输入(211)以及用于提供经过整流的市电(U2)的输出(219)；
其中，所述负载电流生成设备(230)是逆变器，其输入(231)耦合到整流器输出(219)。
9.根据权利要求8所述的驱动器，其中，所述控制设备(240)具有优选地通过电阻性分压器耦合到整流器输出(219)的输入(241)，或者其中，所述控制设备(240)具有优选地通过电阻性分压器耦合到整流器输入(211)的输入(241)，以用于接收代表切相市电(U1；U2)的信号；
其中，所述控制设备(240)被设计成监测所述切相市电(U1；U2)的过零，并且在所述切相市电(U1；U2)逼近零时接通所述辅助负载(270)，以及在所述切相市电(U1)从零升高时关断所述辅助负载(270)。
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