CN102685978A

CN102685978A - 照明装置

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Publication number: CN102685978A
Application number: CN2012100603334A
Authority: CN
Inventors: 井户滋
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: EP2501205A1; JP5760184B2; CN102685978B; US20120235582A1; JP2012195147A; EP2501205B1; US9030107B2

Abstract

一种照明装置，包括：晶闸管和至少一个负载电路的串联电路，该串联电路连接于AC电源两端；电流控制电路，用于在所述晶闸管的部分或整个导通时段期间将输入电流调节为保持在预定水平；以及短路电路，用于在所述晶闸管的部分导通时段以及所述晶闸管的部分或整个关断时段期间，短接所述负载电路的输入端以具有预定电阻。所述电流控制电路和所述短路电路并联连接到所述负载电路。

Description

照明装置

技术领域

本发明涉及包括用于调光功能的双向晶闸管(三端双向可控硅开关元件(triac))的照明装置。

背景技术

传统上，已公开了包括恒流电路以及相位角控制电路的照明装置，该恒流电路用于将恒定电流提供给LED(发光二极管)；该相位角控制电路用于调节三端双向可控硅开关元件的触发角(firing angle)，其中LED、该恒流电路和三端双向可控硅开关元件串联连接(参见例如日本专利申请公开No.2009-200257(JP2009-200257A)，图1和权利要求1)。

JP2009-200257A中公开的照明装置能够进行调光控制，并且即使例如在电源电压变化时，也能够防止大于预定的电流流经LED。传统上，已经采用由三端双向可控硅开关元件执行的白炽灯泡的调光操作。可以仅通过以具有三端双向可控硅开关元件的调光器代替现有的壁装开关，来实现调光控制。然而，近来趋向使用LED灯来代替白炽灯泡，这会造成具有三端双向可控硅开关元件的调光器发生故障。

当具有三端双向可控硅开关元件的调光器发生故障时，难以保持三端双向可控硅开关元件的导通状态，并且由此，三端双向可控硅开关元件会变为关断。这是因为来自三端双向可控硅开关元件的输出电流下降到低于保持三端双向可控硅开关元件的导通状态所需要的维持电流。

三端双向可控硅开关元件发生故障的原因如下所述。首先，因为由LED灯消耗的功率较小，因此来自三端双向可控硅开关元件的输出电流会容易变得小于三端双向可控硅开关元件的维持电流。其次，由于LED灯的电路配置，输入电流变得不连续并且减小到变得小于三端双向可控硅开关元件的维持电流，因而关断三端双向可控硅开关元件。

为此，需要将包含电阻器的分流电路设置在LED灯中，以便将流经LED灯的电流增大至大于三端双向可控硅开关元件的维持电流，或者需要设置功率因数提高电路或抖动(dither)整流电路，以便防止输入电流不连续。可替换地，可以通过设置电阻器或并列连接到负载的白炽灯泡来稳定三端双向可控硅开关元件的操作。

简而言之，可以通过将负载电流设计为大于三端双向可控硅开关元件的维持电流，来防止三端双向可控硅开关元件发生故障。然而，在将包含电阻器的分流电路设置在LED灯中以将LED灯的电流增大到大于三端双向可控硅开关元件的电流时，由于由分流电路的电阻器所产生的热而在电路元件中产生应力。

同时，为了满足减小LED灯的尺寸和制造成本的需求，已尝试简化热消散结构或电路。然而，如果在用于防止三端双向可控硅开关元件发生故障的分流电路中产生热，则难以减小LED灯的尺寸和成本。

而且，在将功率因数提高电路设置在LED灯中时，增加了LED灯的成本，并且难以缩小LED灯。另外，在将电阻器并列连接到负载时，由于输入电压的波动，LED灯会发生故障。这导致在来自商业电源的电压较低时使流经电阻器的电流减小。为此，可以将电阻器设计为具有小电阻。然而，这在提供较高电源电压时增加了功率损耗。

发明内容

鉴于上面的原因，本发明提供能够减少备用功率和制造成本两者的照明装置。

根据本发明的实施例，提供一种照明装置，包括：晶闸管和至少一个负载电路的串联电路，该串联电路连接于AC电源两端；电流控制电路，用于在所述晶闸管的部分或整个导通时段期间将输入电流调节为保持在预定水平；以及短路电路，用于在所述晶闸管的部分导通时段以及所述晶闸管的部分或整个关断时段期间，短接所述负载电路的输入端以具有预定电阻。所述电流控制电路和所述短路电路并联连接到所述负载电路。

在所述晶闸管的所述导通时段期间，可以根据所述AC电源的电压逐步调节所述电流控制电路的所述输入电流。

所述照明装置还包括用于检测所述至少一个负载电路的输入电流的负载电流检测单元。根据所述负载电流检测单元的检测结果来分级地调节所述电流控制电路的电流设定值。

可以通过由所述负载电流检测单元检测的所述短路电路的输入电流来调节所述电流控制电路的所述电流设定值。

在检测到晶闸管的关断时段比等于或小于预定值时，可以停止所述电流控制电路和所述短路电路的操作。

可以基于由所述短路电路的电流确定的所述晶闸管的栅极驱动类型来控制所述电流控制电路和所述短路电路的操作。

根据本发明的实施例，能够提供减少备用功率和制造成本两者的照明装置。

附图说明

根据结合附图给出的以下实施例的描述，本发明的目的和特征将变得明显，其中：

图1是示出根据本发明第一实施例的照明设备的方框图；

图2是示出第一实施例的照明装置的电流调节电路的电路图；

图3是第一实施例的电流调节电路的时序图；

图4是示出根据本发明第二实施例的照明设备的方框图；

图5是示出根据本发明第三实施例的照明设备的方框图；以及

图6是示出第三实施例的照明装置的电流调节电路的电路图。

具体实施方式

现将参照构成说明书的一部分的附图来描述本发明的实施例。

(第一实施例)

如图1中所示，根据本发明第一实施例的照明装置10包括连接到AC电源AC的两个端子的电流调节电路AT1和三端双向可控硅开关元件调光器PCD的串联电路。照明装置10还包括串联连接到三端双向可控硅开关元件调光器PCD的并联电路，该并联电路包括：连接到多个LED11的第一负载电路PS1；连接到多个LED 12的第二负载电路PS2；以及连接到多个LED 13的第三负载电路PS3。电流调节电路AT1并联连接到负载电路PS1、PS2以及PS3。

具有三端双向可控硅开关元件T和触发器20的三端双向可控硅开关元件调光器PCD与AC电源AC同步，该触发器20提供与例如来自调光控制旋钮(未图示)的输入相对应的触发电流，并且将触发电流以受控相位角从触发器20提供给三端双向可控硅开关元件T，以改变施加到负载电路PS1、PS2以及PS3的电压。根据来自三端双向可控硅开关元件调光器PCD的施加电压，负载电路PS1、PS2以及PS3分别改变功率，并且将功率提供给LED 11，12以及13。电压V_PC施加到负载电路PS1、PS2以及PS3中的每一个，并且输入电流I_AT施加到电流调节电路AT1。

因此，在照明装置10中，电流调节电路AT1并联连接到负载电路PS1、PS2以及PS3。而且，在照明装置10中，可以使用两个反向并联连接的晶闸管来代替三端双向可控硅开关元件T。

如图2中所示，电流调节电路AT1包括二极管桥DB1、电容器C13、具有恒流开关电路15和恒流电路16的电流控制电路14、以及具有电阻器短路控制电路18和电阻器短路开关电路19的短路电路17。

恒流开关电路15包括电阻器R22、电容器C20、齐纳二极管D4、晶体管Q2、电阻器R21以及晶体管Q1。在恒流开关电路15中，如果电压V_PC的大小等于或大于齐纳二极管D4的齐纳电压，则晶体管Q2导通，并且因此，晶体管Q1关断。即，恒流开关电路15用于取决于晶体管Q1是否导通或关断来调节恒流电路16的电流水平。

恒流电路16包括电阻器R13、电容器C18、齐纳二极管D5、晶体管Q3、电阻器R12、R23、R14和R20以及电容器C19。在恒流电路16中，通过电阻器R13和齐纳二极管D5使晶体管Q3的基极电压基本恒定，从而使晶体管Q3的发射极电压恒定。因此，恒流电路16用于使电阻器R14的电流恒定。

当恒流开关电路15的晶体管Q1导通时，电流流经电阻器R20。因此，流经电阻器R14和R20的电流的组合电流流经电阻器R12。因此，取决于晶体管Q1是否导通或关断来调节流经电阻器R12的电流。即，当晶体管Q1导通时，流经电阻器R12的电流增大，当晶体管Q1关断时，流经电阻器R12的电流减小。当晶体管Q1从导通状态关断时，通过电阻器R20和电容器C19的时间常数来平滑地调节电流；并且当晶体管Q1从关断状态导通时，通过电阻器R23和电容器C19的时间常数来平滑地调节电流。

电阻器短路控制电路18包括电阻器24、齐纳二极管D8、电容器C22以及晶体管Q4。在电阻器短路控制电路18中，如果电压V_PC的大小等于或大于齐纳二极管D8的齐纳电压，则晶体管Q4导通，并且因此，电阻器短路开关电路19的MOSFET M1关断。

电阻器短路开关电路19包括电容器C21、齐纳二极管D7、电阻器R19、MOSFET M1、电阻器R16以及电容器C23。在电阻器短路开关电路19中，由电阻器R19偏置MOSFET M1。当电阻器短路控制电路18的晶体管Q4关断时，电阻器短路开关电路19的MOSFET M1导通，以使得短路电流流经电阻器R16。齐纳二极管D7用于限制MOSFET M1的栅-源极电压。电阻器C23是用于通过例如吸收MOSFET M1的尖峰噪声来减少应力的缓冲器元件。

如图3中所示，在时间点T₀和时间点T₁之间的时间段期间，三端双向可控硅开关元件T关断。在时间点T₁导通三端双向可控硅开关元件T，以使得电压V_PC增加到等于或大于齐纳二极管D8的齐纳电压(阈值V_TH2)和齐纳二极管D4的齐纳电压(阈值V_TH1)。在此，阈值V_TH2小于阈值V_TH1。当电压V_PC达到阈值V_TH1或更高时，晶体管Q2导通，并且因此，晶体管Q1关断。因而，没有电流流经电阻器R20，并且流经电阻器R14的少量电流流经电阻器R12。

当电压V_PC达到阈值V_TH2或更高时，晶体管Q4导通，并且因此，MOSFET M1关断。因而，没有电流流经电阻器R16。而且，由于存在包含电阻器R22和电容器C20的延迟电路，晶体管Q2略微延迟地导通。延迟电路用于防止在三端双向可控硅开关元件T导通时瞬间产生的振铃电流所造成的故障。通过根据振铃产生的时间段设计延迟电路，能够可靠地导通三端双向可控硅开关元件T。

在时间点t₁和时间点t₂之间的时间段期间，保持晶体管Q1和MOSFET M1的关断状态，并且将电阻器R12的电流保持在低水平的设定电流I_LO。当电压V_PC在时间点t₂减小到变为小于阈值V_TH1时，晶体管Q2关断，并且因此，晶体管Q1导通。因而，经由晶体管Q1产生电阻器R20的电流，以使得电阻器R12的电流增大。因此，输入电流I_AT变为电流I_HI。在时间点t₃和时间点t₄之间的时间段期间，当电压V_PC降低到变为小于阈值V_TH2时，晶体管Q4关断，并且因此，MOSFET M1导通。因而，在电阻器R16处产生电流I_SH。

在时间点t₅和时间点t₈之间的时间段期间的电路操作与在时间点t₁和时间点t₄之间的时间段期间的电路操作相同，并且因此，在此将省略其多余的描述。

在三端双向可控硅开关元件T的关断时段期间，MOSFET M1由于电阻器R19和电容器C21的延迟电路而暂时导通。通过形成电阻器R19和电容器C21的延迟电路的延迟时间，能够使MOSFET M1在三端双向可控硅开关元件T的整个关断时段期间保持导通状态。

如上所述，根据第一实施例的照明装置10，能够将三端双向可控硅开关元件T的导通状态中的电流设定为等于或大于预定值，而不论负载电路的数量为何。这使得能够减少备用功率。

根据第一实施例的照明装置10，与对于每一个负载电路PS1、PS2以及PS3均设置维持电流电路的电路配置相比，能够提供更加简单的电路配置。这使得能够减少制造成本。

根据第一实施例的照明装置10，在三端双向可控硅开关元件T的导通状态期间，根据AC电源的电压逐步调节电流控制电路14的输入电流，以使得在电压增大时电流减小。因此，能够减小恒流电路16的损耗。

根据第一实施例的照明装置10，还能够在三端双向可控硅开关元件T的关断状态期间，将足够的电源电压提供给三端双向可控硅开关元件T的驱动电路。

(第二实施例)

接下来，将描述根据本发明第二实施例的照明装置30。

而且，在以下描述和附图中，具有基本相同配置和功能的组件由类似的参考标记来表示，因此这里将简化或省略其多余的描述。

如图4中所示，第二实施例的照明装置30包括具有电流调节电路AT1和负载电路电流检测单元CS的电流调节单元ATX1，该负载电路电流检测单元CS连接到电流调节电路AT1以用于检测负载电流。将负载电路PS1、PS2以及PS3的至少一个的电流I_LOAD输入到电流调节电路AT1的负载电路电流检测单元CS。当检测到负载电流时，负载电路电流检测单元CS将表示所检测的负载电流水平的检测信号Si1传输给电流调节电路AT1。

根据检测信号Si1，电流调节电路AT1调节输入电流。例如，电流调节电路AT1可以采用与所检测的负载电流水平成反比，来增加或减小第一实施例的恒流电路16中的晶体管Q3的发射极电流。在这种情况下，当大负载电流流动时，能够减少电流调节电路AT1的输入电流，从而减少照明系统的功率损耗。

根据第二实施例的照明装置30，能够在连接大量负载电路时，通过设置负载电路电流检测单元CS来减少电流消耗和功率损耗。

(第三实施例)

接下来，将描述根据本发明第三实施例的照明装置40。如图5中所示，第三实施例的照明装置40包括电流调节电路AT2。

如图6中所示，电流调节电路AT2包括二极管桥DB1、微型计算机MCU1、参考电压产生电路IC1以及输入电压检测电路41。电流调节电路AT2还包括恒流电路42、控制电源电路43、电阻器短路开关电路44以及短路电流检测电路45。参考电压产生电路IC1用于将参考电压V_REF提供给包含在微型计算机MCU1中的A/D转换器(未图示)。为此，尽管电压V_CC略微改变，但是A/D转换器的转换结果是稳定的。输入电压检测电路41包括电阻器R22和R21以及电容器C20，并且用于在全波整流之后将输入电压传输给微型计算机MCU1的A/D输入端口AD1。

通过将电容器C20增加到包括电阻器R22和R21的分压电路来提供低通滤波器。因为必须由微型计算机MCU1检测电源电压的变化，将截止频率设定为高于电源频率的两倍。例如将截止频率设定为大约3kHz。

恒流电路42包括电阻器R13、电容器C18、齐纳二极管D5、晶体管Q3以及电阻器R16和R14。控制电源电路43包括电阻器R20、R33、R32和R31、电容器C19、晶体管Q1和Q2、齐纳二极管D7以及电容器C3。

在恒流电路42中，由齐纳二极管D5确定晶体管Q3的基极电压，以使得晶体管Q3的发射极电压基本恒定。随后，通过由电阻器R14和R20以及晶体管Q1确定晶体管Q3的发射极的输出电流，来控制电阻器R16的电流。

由包括电阻器R31和R32以及晶体管Q2的切换电路来控制晶体管Q1的发射极电流。由微型计算机MCU1的输出端口P1来控制切换电路的导通或关断。例如，来自微型计算机MCU1的输出端口P1的输出是PWM输出，并且可以通过改变PWM输出的占空比来容易地控制晶体管Q1的发射极电流。

晶体管Q1的集电极连接到电容器C3。因此，当晶体管Q1导通时，通过电阻器R16、晶体管Q3、电阻器R20以及晶体管Q1对电容器C3充电。因此，将功率提供给微型计算机MCU1和参考电压产生电路IC1。由齐纳二极管D7将电容器C3的电压限制到恒定值。

电阻器短路开关电路44包括电阻器R19、MOSFET M1以及电阻器R18和R34，并且该电阻器短路开关电路44并联连接到晶体管Q3的集电极和发射极之间。在电阻器短路开关电路44中，控制MOSFET M1以取决于经由电阻器R34从微型计算机MCU1的端口P2传输的信号而导通或关断。

短路电流检测电路45包括电阻器R35和电容器C35。当电阻器短路开关电路44的MOSFET M1导通时，电流流经电阻器R18，并且因此在电阻器R18两端产生电压。将电阻器R18两端所检测的电压通过电阻器R35和电容器C35的低通滤波器输入到微型计算机MCU1的A/D转换器输入端口AD2。

根据在电阻器短路开关电路44的导通状态期间流动的电流量，电流调节电路AT2执行恒流控制。在电流调节电路AT2中，当提供功率时，操作恒流电路42，以使得将电压输出给电阻器R14。因为由电阻器R33偏置晶体管Q2的基极，所以晶体管Q2导通，并且因此，晶体管Q1导通。因而，对电容器C3充电，以使得电压V_CC立即达到由齐纳二极管D7限制的电压。当电压V_CC达到例如若干电压时，微型计算机MCU1开始操作。

微型计算机MCU1在远短于AC电源AC的时段的时段中执行A/D转换。通过微型计算机MCU1的端口AD1来检测电源输入电压。例如，通过使用输入到端口AD1的电源输入电压来检测如在第一实施例中的两个阈值电压V_TH1和V_TH2。

通过基于由端口AD1检测的电源输入电压调节输出端口P1的PWM输出，微型计算机MCU1控制晶体管Q1的浪涌(inrush)电流和电阻器R16的电流。PWM输出的频率远高于包含电阻器R20和电容器C19的低通滤波器的截止频率。而且，低通滤波器的截止频率高于电源频率的两倍。例如，将截止频率设定为1kHz，并且将PWM频率设定为50kHz。通过使用来自输出端口P1的PWM信号来控制恒流电路42，并且通过使用来自端口P2的信号来控制电阻器短路开关电路44。即，如第一实施例中的，当电压V_PC降低到变为小于阈值V_TH2时，将端口P2设定为高电平，以使得MOSFET M1导通。

电流检测电阻器R18连接到MOSFET M1的源极。当从端口P2输出高电平信号时，执行端口AD2上的A/D转换，以使得在电阻器R18两端检测的电压连续地输入到微型计算机MCU1。基于电阻器R18的检测电压，检测负载的连接状态。

由于负载有输入电容，因此随着连接负载的数量增加，MOSFET M1的短路电流倾向于减小。通过根据MOSFET M1的短路电流的减小来调节输出端口P1的PWM输出，能够减小恒流电路42的输入电流。在这种情况下，微型计算机MCU1用作负载电流检测单元，该负载电流检测单元监控电阻器短路开关电路44的输入电流，以根据电阻器短路开关电路44的所监控的输入电流来调节流经恒流电路42的电流。

而且，能够在MOSFET M1的导通状态期间基于电压V_PC来确定三端双向可控硅开关元件调光器PCD是否导通。此外，能够基于流经MOSFET M1的电流来确定三端双向可控硅开关元件调光器PCD的类型。例如，在调光器包括一般RC电路和两端交流开关元件(diac)的情况下，在三端双向可控硅开关元件的关断时段期间，即使在MOSFET导通时，几乎没有任何电流流入MOSFET。这是因为包含在调光器中的触发器电路的电流消耗在脉冲触发器类型的三端双向可控硅开关元件调光器中较低。

在另一方面，在三端双向可控硅开关元件T的导通状态期间，将触发器电流连续地提供给三端双向可控硅开关元件T的栅极的连续触发器类型三端双向可控硅开关元件调光器的情况下，在三端双向可控硅开关元件T的关断状态期间，必需预备足够的触发器功率。为此，在三端双向可控硅开关元件T的关断时段期间，相对大量的电流在MOSFET M1中流动。

因此，能够通过检测是否存在相对大量的电流来确定三端双向可控硅开关元件调光器PCD是哪种类型。以这种方法，通过确定三端双向可控硅开关元件调光器PCD是哪种类型，能够优化该稳定操作。具体来说，在脉冲触发器类型的情况下，操作恒流电路42，以使得在三端双向可控硅开关元件T的导通时段期间电流流动以确保维持电流。相反，在连续触发器类型的情况下，由连续触发器信号来提供保持三端双向可控硅开关元件的导通状态所需的维持电流，并且因此，可以将流经恒流电路42和电阻器短路开关电路44的电流减少或设定为零，从而减少整个系统的功率消耗。而且，可以在三端双向可控硅开关元件T的整个或部分“导通”时段期间，控制恒流电路42以使得恒定电流流经该恒流电路。

而且，通过使用微型计算机MCU1规律地监控输入电压，能够检测三端双向可控硅开关元件T中的故障。具体来说，当三端双向可控硅开关元件T出现故障并因而关断时，比预期的更频繁地从输入AC频率产生输入电压的零电压。而且，当三端双向可控硅开关元件T由于高频电流噪声未关断时，会检测到所具有频率低于AC功率的频率的信号分量。在这些情况下，能够通过增加恒流电路42的电流水平来稳定三端双向可控硅开关元件T。

根据第三实施例的照明装置40，当连接大量负载电路时，能够减少电流消耗，从而减少功率损耗。

根据第三实施例的照明装置40，当三端双向可控硅开关元件T的关断时段比(关断时段/导通时段)不大于预定值时，例如，触发相位角不大于10°，微型计算机MCU1处理照明装置40，以使得将商业AC功率的100％施加到负载电路PS1至PS3，而不使用三端双向可控硅开关元件调光器PCD。因此，在这样的情况下，微型计算机MCU1停止恒流电路42与电阻器短路开关电路44的操作，以使得没有电流流经它们，以减少功率损耗。

根据第三实施例的照明装置40，还能够优化该稳定操作，从而通过确定三端双向可控硅开关元件调光器PCD是哪种类型来减小整个系统的功率消耗。

根据第三实施例的照明装置40，还能够通过使用微型计算机MCU1，根据负载电压的状态来调节恒流电路42的浪涌电流。这使得能够对于各种类型的三端双向可控硅开关元件调光器实现稳定操作。

根据第三实施例的照明装置40，还能够在例如将照明装置40直接连接到商业电源而不使用三端双向可控硅开关元件调光控制的情况下，执行无稳定操作。

根据第三实施例的照明装置40，还能够在三端双向可控硅开关元件由于强噪声而变得不稳定时，执行稳定操作。

在本发明以上实施例的照明装置中，LED、二极管桥、负载电路以及其它单元不限于相应的实施例中的那些。适当的修改和改进可以应用于这些单元。

尽管相对于这些实施例已经描述和示出本发明，但是本领域技术人员应该理解：在未偏离如以下权利要求所限定的本发明的保护范围的情况下可以做出各种变化和修改。

Claims

1.一种照明装置，包括：

晶闸管和至少一个负载电路的串联电路，所述串联电路连接于AC电源两端；

电流控制电路，用于在所述晶闸管的部分或整个导通时段期间将输入电流调节为保持在预定水平；以及

短路电路，用于在所述晶闸管的部分导通时段以及所述晶闸管的部分或整个关断时段期间，短接所述负载电路的输入端以具有预定电阻，

其中，所述电流控制电路和所述短路电路并联连接到所述负载电路。

2.根据权利要求1所述的照明装置，其中，在所述晶闸管的所述导通时段期间，根据所述AC电源的电压来逐步调节所述电流控制电路的所述输入电流。

3.根据权利要求1或2所述的照明装置，还包括用于检测所述至少一个负载电路的输入电流的负载电流检测单元，

其中，根据所述负载电流检测单元的检测结果来调节所述电流控制电路的电流设定值。

4.根据权利要求3所述的照明装置，其中，通过由所述负载电流检测单元检测的所述短路电路的输入电流来调节所述电流控制电路的所述电流设定值。

5.根据权利要求1或2所述的照明装置，其中，在检测到所述晶闸管的关断时段比等于或小于预定值时，停止所述电流控制电路和所述短路电路的操作。

6.根据权利要求1或2所述的照明装置，其中，基于由所述短路电路的电流确定的所述晶闸管的栅极驱动类型来控制所述电流控制电路和所述短路电路的操作。