CN102548170A - 可变电感电子镇流器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种荧光灯系统和应用于荧光灯系统的可变电感。该荧光灯系统包含荧光灯管和可变电感电子镇流器。该可变电感电子镇流器包含通用电子镇流器和可变电感控制器。该可变电感控制器是耦接于该通用电子镇流器，用以根据不同状况，包含附加电感或消去电容，以调整该荧光灯系统的功率。另外，选择性的绕组加在现存变压器上可增加该荧光灯系统的功率。因为，本发明所提供的该可变电感电子镇流器可同时具有通用自激振荡半桥电子镇流器的大小与成本优势，所以该可变电感电子镇流器不仅能使节能灯的制造商快速铺货，亦能使该节能灯的使用者在小额成本下额外地节能。

Description

可变电感电子镇流器
技术领域
本发明是有关于一种应用于荧光灯系统分段調光的可变电感，尤指一种利用内建在现有电子镇流器内的可变电感控制器，通过改变镇流电感以调整荧光灯系统的功率的荧光灯系统和可变电感。
背景技术
通常在节能灯(Compact Fluorescent Lamp，CFL)系统的核心中存在一个自激振荡半桥电子镇流器(以下称为通用电子镇流器)，用以驱动荧光灯管(也称为气体放电灯管(gas discharge tube)。图1是为现有技术说明具有终止于节点B(地端)的荧光灯管11的节能灯系统10的示意图。尽管终端，整流，共振腔，预热，和电磁干扰等的变化，所有自激振荡，半桥镇流都可被归纳至图1的操作原理。
当节能灯系统10运作时，在节能灯系统10通电后，电容C2被充电，以通过晶体管Q1使双向触发开关U1激发。饱和的变压器T1包含绕组T1-1，T1-2，T1-3，用以提供正向回馈信号，以轮流驱动晶体管Q1和晶体管Q2。变压器T1的饱和特性伴随着晶体管Q1和Q2的反向恢复时间可决定晶体管Q1、Q2的导通时间。在节能灯系统10成功启动后，二极管D7截止双向触发开关U1。电感L1和电容C4形成串联谐振，以升高在荧光灯管的信号电压。电容C5是直流阻隔电容。电阻R4是用以适当地设定起始状态。电容C3是用以调整转动率(slew rate)，以将切换损失减至最小。换流器在节点A输出方波，以驱动复合的负载分支阻抗Z，负载分支阻抗Z是用以设定点亮阶段的荧光灯系统的功率。
通用电子镇流器具有紧密设计与低成本的优势，可结合荧光灯管形成自足的荧光灯系统，通常这类型荧光灯系统被称为基本节能灯。但是基本节能灯还是面对一些挑战，像是调光或是降低荧光灯的亮度的能力。这是因为荧光灯是利用运作在固定频率的固定镇流电感来发光。因此，通用电子镇流器并不具备调光能力。
另一方面，结合集成电路控制器的电子镇流器的操作频率则可在点亮阶段被程序化，以因应调光的目的。但是结合集成电路控制器的电子镇流器需要昂贵的N型金属氧化物半导体晶体管开关，以尽量减少集成电路控制器的负载，和为了调光目的而扩大电子镇流器的操作频率范围。另外，集成电路控制器亦是复杂的电源管理系统。虽然具有结合集成电路控制器的电子镇流器的荧光灯系统可以调光但却不具低成本优势。因此，在价格敏感的照明市场中，具有结合集成电路控制器的电子镇流器的荧光灯系统并不受到欢迎。
发明内容
本发明的一实施例提供一种荧光灯系统。该荧光灯系统包含荧光灯管，及可变电感电子镇流器，其中该可变电感电子镇流器是用以调整该荧光灯系统的功率。
本发明的还一实施例提供一种应用于荧光灯系统的可变电感。该可变电感包含可调电感模块和切换模块。该切换模块是选择性地串联电连接于该可调电感模块和该荧光灯系统的荧光灯管之间，用以提供可调镇流电感，以调整荧光灯系统的功率。
附图说明
图1是为现有技术说明具有终止于节点B的荧光灯管的节能灯系统的示意图。
图2A是说明图1的基本节能灯在节点A与B之间具有定电感的负载分支。
图2B是说明具有附加电感的负载分支。
图2C是说明具有消去电容的负载分支。
图3是为本发明说明可变电感电子镇流器的第一实施例的示意图。
图4是为本发明说明图3的可变电感控制器的第一实施例的示意图。
图5是为本发明说明可变电感控制器的第二实施例的示意图。
图6是为本发明说明可变电感电子镇流器的第三实施例的示意图。
其中，附图标记说明如下：
10                          节能灯系统
11                          荧光灯管
30、40、50                  可变电感电子镇流器
320、620                    可变电感控制器
321                         供电及断电侦测器
322                         初始状态模块
323                         状态机
A、B、C、D、E、F            节点
C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7  电容
C8                          消去电容
D1-D7                       二极管
Gnd                         地端
L1                          电感
L2                          附加电感
MT1、MT2                    主控端
Q1、Q2                      晶体管
R1-R4、R5-R6                电阻
S1                          开关
SW                          切换端
T1                变压器
T1-1、T1-2、T1-3  绕组
Trigger           触发端
U1                双向触发开关
U2                三极交流开关
Vdd               供电端
具体实施方式
图2A是说明图1的基本节能灯在节点A与节点B之间具有定电感的负载分支。电容C5是直流阻隔电容。对于自激振荡半桥换流器而言，虽然自激振荡半桥换流器的操作频率F主要是由电感L1和电容C4所决定，但可更进一步通过荧光灯管11的阻抗、变压器T1(绕组T1-1)的特性以及晶体管Q1和Q2的反向恢复时间所修正。因为节点A输出的方波信号具有固定的振幅，所以可通过在操作频率F的阻抗Z决定荧光灯管11的功率。
请参照图2B，当开关S 1是关闭时，附加电感L2和电感L1串联以增加镇流电感。为了说明图2B，图2B中的附加电感L2是电连接在电容C5和节点B之间。
附加电感L2附加在负载分支的功效是根据式(1)，使操作频率F降至：
F≈1/{2π*√[(L1+L2)*C4]}.(1)
根据式(2)，使镇流电感的阻抗Z增加至：
Z≈√[(L1+L2)/C4].  (2)
由式(2)可知，当附加电感L2是附加(串联)在负载分支上时，流经镇流电感的电流减少，如此将降低荧光灯系统的功率以及荧光灯系统的亮度。
如图2B所示，当开关S 1开启时，因为开关S 1的路径是为短路，所以负载分支上的总电感、操作频率F以及阻抗Z恢复到图2A所示的电感L1、操作频率F和阻抗Z。因为有二种不同的镇流电感，所以荧光灯系统的功率具有二种不同的功率位准，导致荧光灯系统的功率具有二种不同的亮度。
基于上述类似的原理，如图2C所示，消去电容C8加在图2A的负载分支，消去电容C8和附加电感L2在操作频率F处形成串联谐振，导致在负载分支上仅有电感L1有作用。消去电容C8被设计在操作频率F时，约可消去附加电感L2的阻抗，亦即消去电容C8是为调整电容。如图2C所示，开关S1跨在消去电容C8二端和消去电容C8并联。当开关S1开启(开关S1的路径是为短路)时，消去电容C8和附加电感L2之间的串联谐振被移除，留下电感L1和附加电感L2。如图2C所示，在荧光灯系统具有附加电感的电子镇流器的例子中，利用提供给负载分支上二不同的电感值(电感L1，电感L1加上附加电感L2)，可使得荧光灯系统的功率变成可调式功率。另外，在图2C的实际应用中，电感L1和附加电感L2可结合成单一电感以降低成本。
请参照图3，图3是为本发明的第一实施例说明一种提供可调功率给终止于节点B的荧光灯管的可变电感电子镇流器30的示意图。如图3所示，可变电感电子镇流器30包含通用电子镇流器，其中通用电子镇流器包含二极管D1-D7，晶体管Q1-Q2，电容C1-C5，电感L1，电阻R1-R4，变压器T1(包含绕组T1-1、T1-2、T1-3)和双向触发开关(diode AC switch，DIAC)U1。另外，通用电子镇流器另包含可变电感控制器320。
可变电感控制器320具有供电端Vdd电连接于节点C，触发端Trigger电连接于节点D(双向触发开关U1和电容C2的接面)，切换端SW电连接于电容C5，及地端Gnd电连接于节点B。可变电感控制器320具有类似于图2B或图2C的可变镇流电感的功能。除了可变电感控制器320，可变电感电子镇流器30包含和图1中的通用电子镇流器一样的组件。
请参照图4，图4是为图3和图4的可变电感控制器320的第一实施例的示意图。可变电感控制器320包含三个功能方块：供电及断电侦测器321，初始状态模块322和状态机323。可变电感控制器320另包含电阻R5、R6、电容C6、C7、附加电感L2，和三极交流开关U2。电阻R5是电连接于供电端Vdd和供电及断电侦测器321的输入端之间。电阻R6是电连接于供电及断电侦测器321的输入端和地端Gnd之间。电阻R5和R6形成分压电路，以供电给可变电感控制器320。电容C6是电连接于供电及断电侦测器321的输入端和地端Gnd之间(和分压电路的较低分支的电阻R6并联)，用以滤除电源噪声。三极交流开关U2和附加电感L2是平行电连接于切换端SW和地端Gnd之间。电容C7是电连接于三极交流开关U2的闸极与状态机323的接面和触发端Trigger之间。初始状态模块322确保可变电感控制器320被关闭超过预定时间之后，仍能总是从指定状态开始。当可变电感控制器320被关闭的时间短于预定时间时，供电及断电侦测器321控制可变电感控制器320的直流电源以及从电源萃取出输入信号。状态机323在电容C7的触发信号根据预定状况传送至三极交流开关U2的闸极之前，利用并联开关避开来自电容C7的触发信号。当并联开关是为开启关闭状态时，来自电容C7的触发信号宣洩於三极交流开关U2的主控端MT1。双向触发开关U1共同激发电容C2和电容C5。
另外，如图4所示，附加电感L2可使荧光灯系统的功率如上所述的下降。因为三极交流开关U2关闭时可阻隔高频交流电压，所以三极交流开关U2被选择作为开关。在状态机323的并联控制下，触发信号亦可类似于电容C2触发晶体管Q1一样通过双向触发开关放电电容C7所提供。因为操作频率F远超过三极交流开关U2的关闭限制，三极交流开关U2自然拴锁，所以反而转变三极交流开关U2的组件限制成为一个优点。
请参照图5，图5是为本发明的可变电感控制器620的第二实施例的示意图。可变电感控制器620的组成部分具有和图4一样的代号，以及类似或相同的结构与功能，在此不再赘述。但可变电感控制器620不包含附加电感L2，而另包含消去电容C8。消去电容C8是连接切换端SW和地端Gnd之间(并联三极交流开关U2)，因此可增加荧光灯系统的功率。值得注意的是可变电感控制器620的切换模式和图4中的可变电感控制器320相反。在图5中，为了要降低荧光灯系统的功率，则三极交流开关U2必须被开启，以短路消去电容C8。然而在图4中，为了要降低荧光灯系统的功率，则三极交流开关U2必须被关闭，以包含附加电感L2。
在上述实施例中，三极交流开关U2是由控制信号所控制，其中控制信号可来自供电及断电侦测器321、占用侦测器(例如，用以节能调光的红外线侦测器或超声波侦测器)及/或补偿环境光的光侦测器。三极交流开关U2是做为一个切换模块，用以提供给上述实施例中的可变电感控制器一个自动切换的功能。另外，机械开关也可以做为一个切换模块，以达到手动切换的功能。
在上述实施例中，尽量减少改变原始的电子镇流器。然而，为了荧光灯管的高电压需求(例如高功率荧光灯系统)，信号侦测与双向触发开关的触发倾向连接AC电源而不是直流电压轨(dc voltage rail)是因为在高功率荧光灯系统关闭之后，直流电压轨通常仍旧维持高电压(如此，不是因减少的电压范围造成侦测错误，就是在可变电感控制器开机前激发电子镇流器，造成触发错误)；以及信号侦测与双向触发开关的触发倾向连接AC电源而不是直流电压轨是因为在可变电感控制器不受控制下，三极交流开关U2将被电子镇流器自动触发。
请参照图6，图6是为本发明说明可变电感电子镇流器50的第三实施例的示意图。在图6的实施例中，除了电阻R1的一端耦接于节点F以及可变电感控制器320的供电端Vdd从耦接于节点C变成耦接于节点F。在荧光灯系统断电之后，节点F具有地电压(0V)，节点F具有地电压是有助于信号侦测。节点F亦输出半波整流电源电压，以增加电阻R1和电容C2的充电时间，并延长双向触发开关U1的激发延迟时间。为了更好的侦测，电阻R9是耦接于节点E和可变电感控制器320内的电阻R5和R6的接合处之间，以提供全波整流电源电压去抑制电源涟波电压。
在一些少见的例子中，自激振荡半桥电子镇流器采用N型金属氧化物半导体晶体管做为和变压器T1一起变化成为一个线性磁芯的开关。在这些少见的例子中，因为可变电感控制器是一个用以对电子镇流器做平行处理的独立组件，所以可变电感控制器的观念仍然可被应用。
综上所述，上述提供调光功能的电子镇流器可同时具有通用自激振荡半桥电子镇流器的大小与成本优势。电子镇流器不仅能使节能灯的制造商快速铺货，亦能使节能灯的使用者在小额成本下额外地节能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (30)

1.一种荧光灯系统，包含：
荧光灯管；及
该荧光灯系统的特征在于还包含：
可变电感电子镇流器，用以调整该荧光灯系统的功率。
2.如权利要求1所述的荧光灯系统，其特征在于，该荧光灯管的一端是經由可变电感控制器终止于地端。
3.如权利要求1所述的荧光灯系统，其特征在于，该可变电感电子镇流器包含：
通用电子镇流器，包含自激振荡半桥换流器；及
可变电感控制器，耦接于该通用电子镇流器用以调整该功率。
4.如权利要求3所述的荧光灯系统，其特征在于，该可变电感控制器包含：
分压电路，电连接于地端与电源端之间，用以供电给该可变电感控制器；
电容，平行电连接该分压电路的较低分支，用以滤除噪声；
初始状态模块，包含输入端，电连接于该分压电路的输出节点，及输出端；
供电及断电侦测器，包含输入端，电连接于该分压电路的输出节点，及输出端；
状态机，包含第一输入端，电连接该初始状态模块的输出端，第二输入端，电连接于该供电及断电侦测器的输出端，及输出端；
附加电感，以串联方式电连接于该荧光灯管，用以提供可调镇流电感，以调整荧光灯系统的功率；及
三极交流开关，平行电连接于该附加电感，用以选择性地短路该附加电感，其中该三极交流开关的闸极端是电连接于该状态机的输出端和一触发电容的一端。
5.如权利要求4所述的荧光灯系统，其特征在于，该三极交流开关是通过一电容的信号触发，其中该电容是在该状态机的并联控制下，通过该通用电子镇流器的双向触发开关放电。
6.如权利要求4所述的荧光灯系统，其特征在于，该三极交流开关操作在远高于关闭频率之上以达到闭锁机制的功效。
7.如权利要求5所述的荧光灯系统，其特征在于，当该并联开关是为关闭状态时，该触发信号宣洩於该三极交流开关的第一主控端。
8.如权利要求5所述的荧光灯系统，其特征在于，该双向触发开关分别为了晶体管开关与该三极交流开关共同激发二个启动电容。
9.如权利要求4所述的荧光灯系统，其特征在于，该信号是由一端电连接于该双向触发开关的电容所提供。
10.如权利要求4所述的荧光灯系统，其特征在于，在该荧光灯系统断电之后，该电源端是具有零地电压的交流电源端，以助于信号侦测。
11.如权利要求10所述的荧光灯系统，其特征在于，另包含：
电阻，电连接于该分压电路和另一交流电源端之间，用以提供全波整流电源电压以抑制电源涟波电压。
12.如权利要求4所述的荧光灯系统，其特征在于，该通用电子镇流器另包含启动电路，启动电路包含：
启动电阻，电连接于该电源端；
启动电容，电连接于该启动电阻与该地端之间；及
双向触发开关，电连接于该启动电阻和该启动电容的接合处；
其中该电源端输出半波整流电源电压，以增加该启动电阻该启动电容的充电时间，并延长该双向触发开关的激发延迟时间。
13.如权利要求3所述的荧光灯系统，其特征在于，该可变电感控制器包含：
分压电路，于地端与电源端之间，用以供电给该可变电感控制器；
第一电容，平行电连接于该分压电路，用以滤除噪声；
初始状态模块，包含输入端，电连接于该分压电路的输出节点，及输出端；
供电及断电侦测器，包含输入端，电连接于该分压电路的输出节点，及输出端；
状态机，包含第一输入端，电连接于该初始状态模块的输出端，第二输入端，电连接于该供电及断电侦测器的输出端，及输出端；
消去电容，以串联方式电连接该荧光灯管，用以提供可调镇流电感，以调整荧光灯系统的功率；及
三极交流开关，平行电连接于该消去电容，用以选择性地短路该消去电容，其中该三极交流开关的闸极端是电连接于该状态机的输出端一触发电容的一端。
14.如权利要求13所述的荧光灯系统，其特征在于，该信号是由一端电连接于该双向触发开关的电容所提供。
15.如权利要求13所述的荧光灯系统，其特征在于，该三极交流开关是通过一电容的信号触发，其中该电容是在该状态机的并联控制下，通过该通用电子镇流器的双向触发开关放电
16.如权利要求13所述的荧光灯系统，其特征在于，该三极交流开关操作在远高于关闭频率之上以达到闭锁机制的功效。
17.如权利要求15所述的荧光灯系统，其特征在于，当该并联开关是为关闭状态时，该触发信号宣洩於该三极交流开关的第一主控端。
18.如权利要求15所述的荧光灯系统，其特征在于，该双向触发开关分别为了晶体管开关与该三极交流开关共同激发二个启动电容。
19.如权利要求13所述的荧光灯系统，其特征在于，在该荧光灯系统断电之后，该电源端是具有零地电压的交流电源端，以助于信号侦测。
20.如权利要求19所述的荧光灯系统，其特征在于，另包含：
电阻，电连接于该分压电路和另一交流电源端之间，用以提供全波整流电源电压以抑制电源涟波电压。
21.如权利要求13所述的荧光灯系统，其特征在于，该通用电子镇流器另包含启动电路，启动电路包含：
启动电阻，电连接于该电源端；
启动电容，电连接于该启动电阻与该地端之间；及
双向触发开关，电连接于该启动电阻和该启动电容的接合处；
其中该电源端输出半波整流电源电压，以增加该启动电阻该启动电容的充电时间，并延长该双向触发开关的激发延迟时间。
22.一种应用于荧光灯系统的可变电感，其特征在于，包含：
可调电感模块；及
切换模块，选择性地串联电连接于该可调电感模块和该荧光灯系统的荧光灯管之间，用以提供可调镇流电感，以调整荧光灯系统的功率。
23.如权利要求22所述的可变电感，其特征在于，该可调电感模块是消去电容。
24.如权利要求22所述的可变电感，其特征在于，该可调电感模块是附加电感。
25.如权利要求22所述的可变电感，其特征在于，该切换模块是三极交流开关，用以自动切换。
26.如权利要求25所述的可变电感，其特征在于，该三极交流开关是电容性地耦接于双向触发开关，因此该双向触发开关分别为了晶体管开关与该三极交流开同激发二个启动电容。
27.如权利要求25所述的可变电感，其特征在于，用以控制该三极交流开关的控制信号是耦接于供电及断电侦测器，以漸次地调光。
28.如权利要求25所述的可变电感，其特征在于，用以控制该三极交流开关的控制信号是耦接于占用侦测器，以节能调光。
29.如权利要求25所述的可变电感，其特征在于，用以控制该三极交流开关的控制信号是耦接于补偿环境光的光侦测器。
30.如权利要求22所述的可变电感，其特征在于，该切换模块是机械开关，用以手动切换。
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