CN102687380A - 具有自适应参数的相位控制 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及具有自适应参数的相位控制。一种用于确定相位控制电力范围的极限的方法包括:在电力范围的极限附近的第一开启角度处向开关施加第一门控脉冲;感测第一门控脉冲之后的开关的导通状态;和响应开关的导通状态确定电力范围的极限。如果开关在第一门控脉冲之后保持导通,那么第一开启角度可被用作电力范围的极限。如果开关在第一门控脉冲之后不保持导通,那么可通过重复增加开启角度、在增加的开启角度处向开关施加门控脉冲并在各门控脉冲之后感测开关的导通状态直到开关在门控脉冲之后导通,来确定极限。

Description

具有自适应参数的相位控制
(相关申请)
本PCT申请要求在2009年12月30日提交的美国非临时申请No.12/650420作为优先权。
背景技术
图1示出用于控制AC电力向负载的流动的现有技术的电路。这里示为三端双向可控硅开关元件(Triac)TR的AC电力开关被串联连接于电源12与负载14之间。控制器16操作三端双向可控硅开关元件以通过使用图2所示的相位控制技术调节被传送到负载的RMS电力。
可从AC电源得到的电压在图2中被示为虚线。AC电源的各线周期具有在时间t0的第一零交叉处开始并在t2的中点零交叉处结束的正半周期。AC线周期接着具有在t2处开始并在t4处的另一零交叉上结束的负半周期。对于共同的60Hz电力,从t0到t4的整个线周期持续1/60秒。
在图2所示的线周期的开始处,三端双向可控硅开关元件在延迟期间TD中保持为关。在时间t1处,三端双向可控硅开关元件被接通,以连接电源与负载。实际向负载施加的AC电压波形的一部分被示为实线。三端双向可控硅开关元件在导通期间TC中继续向负载传导电力,直到它在t2的零交叉处关断。三端双向可控硅开关元件是自变换器件,这意味着,当通过器件的电流低于后面描述的保持电平时,它们自身关断。对于三端双向可控硅开关元件在t3处接通并在t4处关断的负半周期重复相同的过程。一般地,如果负载为纯电阻,那么,如图3所示,流过负载的电流IL具有与向负载施加的AC电压的一部分基本上相同的波形。
通过改变导通期间TC,传输到负载的电力量可被调节。如果负载是照明负载,那么调节电力量控制负载的亮度。图2和图3所示的波形代表相对较低的电力设定,其中,在各线周期中小的百分比的可用的电力被传送到负载。图4和图5示出导通期间TC较长的相对较高的电力设定。实线的波形的区域越大,则越大的百分比的可用的电力被传输到负载。
常常关于整个AC线周期是360度的角度描述图2~5所示的时间期间。因此,导通期间TC一般被称为导通角度θC,而延迟期间TD一般被称为开启(触发,firing)角度θF或者延迟角度或触发角度。图2和图3中的解释性的开启角度为约120度,而图4和图5中的解释性的开启角度为约60度。
附图说明
图1是用于控制AC电力向负载的流动的现有电路的框图。
图2~5示出用于控制AC电力向负载的流动的现有相位控制技术。
图6~8示出现有技术的相位控制器件的构成和操作。
图9示出根据本专利公开的一些发明原理的电力控制系统的实施例。
图10示出根据本专利公开的一些发明原理的用于确定负载的最大电力电平的方法的实施例。
图11示出根据本专利公开的一些发明原理的用于确定负载的最小电力电平的方法的实施例。
图12示出根据本专利公开的一些附加的发明原理的调光器36的实施例。
图13示出根据本专利公开的一些发明原理的使用可变脉冲宽度的相位控制技术的实施例。
图14~18示出根据本专利公开的一些发明原理的电力控制系统的实施例的构成和操作。
图19示出根据本专利公开的一些发明原理的电力控制系统的另一实施例。
图20示出根据本专利公开的一些发明原理的二导线调光器的实施例。
图21示出根据本专利公开的一些发明原理的二导线调光器的示例性实施例。
图22示出根据本专利公开的一些发明原理的二导线调光器的另一示例性实施例。
图23示出根据本专利公开的一些发明原理的二导线的另一示例性实施例。
图24示出根据本专利公开的一些发明原理的用于门控开关的方法的实施例。
具体实施方式
在图1的电路中,控制器16包含需要电力供给用于操作的电子电路。如图6所示,控制器和三端双向可控硅开关元件或其它的相位控制开关一般封装于共同的组件18中。组件必须包括线端子20和负载端子22,以能够作为开关操作。如果组件可包含与中性端子24的连接,那么全AC电源总是可用于产生用于控制器的电力供给。但是,在许多的情况下,中性连接是不可用的,因此,必须从流过负载的电流路径导出(derive)用于控制器的电力供给。这对于可导出用于控制器的电力供给的方式施加限制。
例如,可以在没有用于照明应用的中性连接情况下在二导线相位控制调光器中使用图6的电路。在三端双向可控硅开关元件为关(off)的时间期间中,跨着线和负载端子出现全AC线电压。该电压可被用于产生用于控制器的电力供给,但是,在二导线调光器的情况下,被电力供给消耗的任何电流还流过负载14,并且会干涉负载的正常关状态。例如,小型化荧光灯(CFL)一般包含输入整流器和电容器及其自身的控制电子器件。即使流过关状态中的灯的小的电力供给电流也会保持将输入电容器充电,直到它达到导致灯短暂点亮的电压电平。这可能会导致可见的闪烁并降低灯的操作寿命。
在三端双向可控硅开关元件为开(on)的时间期间中,调光器的线和负载端子基本上被短路,因此,会存在不足的可用于产生对于控制器的电力供给的电压。因此,对于两个导线器件中电力供给,非常少的电力一般是可用的。
为了满足电力供给的需求,两个导线调光器一般具有工作专用的最小灯瓦特数。当与白炽灯一起使用时,这些最小值会是足够的。例如,具有规定的60瓦最小负载的调光器会需要用于电力供给的一定量的毫安培的泄漏电流。60瓦白炽灯可能能够容忍这种水平的泄漏电流。但是,60瓦等同CFL只能被定级为13瓦。并且,CFL的电容输入结构和电子控制会导致它们易受由于泄漏电流导致的故障影响,或者,CFL不能使得调光器传导它操作用于其控制电子器件的电力供给所需要的电流量。
被相位控制器件中的控制器使用的很多电力专用于控制电力开关。一些开关,诸如晶体管和继电器,必须在整个导通期间中接收恒定的门控信号。其它的开关,诸如三端双向可控硅开关元件和硅控制整流器(SCR),具有如果负载电流超过锁存电平则响应短门控脉冲导致它们锁入导通状态的再生开关性能。一旦处于导通状态,则开关保持导通,直到通过开关的电流低于保持电平,在该点上,它自动关断。这一般出现在负载电流低于零交叉处或附近的保持电平时。因此,可被短脉冲触发的闭锁开关的使用可减少控制器所需要的电力的量。
可参照示出AC线周期上的各种门控脉冲的图7理解这一点。信号G1示出可在从t1到t2的整个导通期间中被用于晶体管或需要连续的门控脉冲的其它开关的门控脉冲。因此,门控操作在整个导通期间中消耗电力。该技术可以并且在一些情况下被用于在不另外固有地存在足够的使诸如三端双向可控硅开关元件或SCR的闭锁开关保持在导通状态的电流时保持这种导通状态。
信号G2示出可被用于在时间t1处触发三端双向可控硅开关元件或SCR的短门控脉冲,这在适当的条件下对于半周期的剩余部分继续闭锁。在这种情况下,门控操作仅在小部分的导通期间中消耗电力,由此减少总电力消耗。
虽然信号G2的门控技术可充分地通过纯电阻负载工作,但是,当与具有电容输入或其它非线性特性的负载一起使用时,它呈现不同的一组挑战。例如,CFL灯泡的输入电流一般不跟随输入电压的波形。而是,如示出用于AC电源的一个正半周期上的示例性CFL的电压和电流波形的图8所示,输入电流趋于以短持续期、高幅度脉冲的形式流动。在图8中,CFL被假定为直接与AC电源连接,使得向CFL施加全AC电压波形。电压在时间t0处开始上升,但是CFL在时间t5之前不提取任何电流。电流然后缓慢上升,直到在t6处达到峰值。电流然后迅速下降,直到在t8处的半周期结束之前的t7处基本上达到零,这与电流如图3和图5所示的那样跟随电压波形的电阻负载相反。
重新参照图8,如果在从t0到t5的时间期间中向三端双向可控硅开关元件施加短门控脉冲,那么CFL会无法接通和/或保持为开。即,由于在CFL不提取电流的时间施加门控脉冲,因此,开关器件即三端双向可控硅开关元件根本不会接通,并且,导通的整个半周期会被错过。作为替代方案,如果门控脉冲在CFL会提取一些电流的时间处被施加但不足以将三端双向可控硅开关元件锁入导通状态,那么CFL可仅在门控脉冲的持续期接收电力,并且,结果会是来自CFL的光的短暂的闪烁,即闪变。因此,与时间t5对应的开启角度可代表最大亮度的极限,即最大可能导通时间。
类似地,一般存在与半周期的结束接近的最小亮度对应的开启角度。如果三端双向可控硅开关元件被门控太晚,那么它可能未能将任何电力传导到CFL,或者,如果CFL不提取足够的电流以将三端双向可控硅开关元件锁入或使其保持在导通状态,那么它可能仅在门控脉冲期间中导通。结果会是光的闪烁,或者,灯会突然关掉而不是随着接近变暗范围的下端平稳地变暗。降低可用的线电压以及通过三端双向可控硅开关元件的导通期间的短的持续期会使该范围的下端的问题变得严重。
但是,事先不能获知任何给定负载的最小和最小亮度的开启角度。并且,开启角度限制会由于诸如灯瓦特数、电路上的灯的数量、线电压、温度等操作条件的变化以及来自不同的制造商的灯之间的变化、制造容限等而变化。
一种确保三端双向可控硅开关元件将在在最大亮度点附近操作时被触发的方式是在整个导通期间中继续门控三端双向可控硅开关元件。然后,即使门控脉冲在t5之前开始,当CFL开始在时间t5处提取电流时,连续的门控也确保三端双向可控硅开关元件将最终开始导通。但是,这会消耗比电力供给可提供的电力多的电力。
另一种用于应对最大亮度处的开启角度中的不确定性的技术包括使用图7中的信号G3所示的多个门控脉冲。通过在适当的时间长度上使用足够的脉冲,可确保脉冲中的一个将在CFL提取足以闭锁的电流时触发三端双向可控硅开关元件。但是,多个门控脉冲的使用会产生有害的电磁和/或声学噪声。与每半个周期使用单个门控脉冲相比,它也会消耗更多的电力。
另一种用于确保三端双向可控硅开关元件将在在最大和最小亮度点附近操作时被触发的技术是,将开启角度限制到很好地处于各种灯在任何期望的操作条件下期望的极限内的范围。但是,这需要足够大的包含于工作的高端和低端中的时间缓冲,这可减少一些负载的可用的变暗范围。
图9示出根据本专利公开的一些发明原理的电力控制系统26的实施例。图9的实施例包括用于控制电力从线连接30向负载连接32的流动的开关电路28、用于自动检测供开关电路28使用的一个或更多个参数的功能块34。可被检测的参数的例子包括最大和/或最小电力、电流和/或电压电平、开关电路中的一个或更多个开关的导通状态、与系统连接的负载或多个负载的类型、与系统连接的负载的数量、与系统连接的一个或更多个负载的故障等。
开关电路28可包含任意类型的电力开关,包括诸如三端双向可控硅开关元件、SCR、门控关断(GTO)半导体闸流管的半导体闸流管、诸如双极结晶体管(BJT)、场效应晶体管(FET)等的晶体管和诸如机电继电器、固态继电器等的继电器。开关电路28还可包含诸如测量和控制电路、开关驱动器、电力供给、通信电路、隔离电路等的支持电路。支持电路还可包含用于实现相位控制的功能或其它电力控制技术。
可通过模拟和/或数字硬件、软件、固件或它们的任何组合实现自动检测功能34。自动检测功能可与开关电路分离、与开关电路一体化,或者在混合配置中被实现。
在一些实施例中,本发明的原理可被用于在相位控制开关被用于控制从AC电力供给向负载的流动时确定AC电力供给的波形上的一个或更多个限制点。限制点可以是提供在图10和11的示例性实施例中描述的最大或最小电力流动的点,该点可被用于例如布线器件、橱柜或台架安装变暗器或其它的可现场安装控制装置。
图10示出根据本专利公开的一些发明原理的用于确定负载的最大电力电平的方法的实施例。在控制单相AC电源以提供CFL灯的变暗控制的三端双向可控硅开关元件的情况下描述图10的实施例,但是,本发明的原理也适于其它负载或具有可被脉冲刺激的施加触发的一个或更多个闭锁开关的其它相位控制系统。适当的例子包括诸如三端双向可控硅开关元件和SCR的半导体闸流管和其它的再生型的开关。
图10示出在时间t0的零交叉处开始的正AC半周期的第一部分。在一个实施例中,在确定最大亮度水平的第一次尝试中,在时间t9(开启角度θ9)的测试点处向三端双向可控硅开关元件施加门控脉冲。可通过查找表、计算、用户输入或任何其它适当的来源提供初始的开启角度。检测信号DET提供三端双向可控硅开关元件的导通状态的指示。检测信号可由诸如电流传感器、电压传感器、零交叉电路等的任何适当的装置提供。检测信号被监视以确定是否在去除门控脉冲之后在导通状态中闭锁三端双向可控硅开关元件。如果如图10的第一尝试所示的那样检测信号不指示例如~1.5ms的预定监视期间TM1中的闭锁条件,那么初始开启角度被假定为已太低。检测信号可在监视期间中被采样一次或更多次。作为结果,开启角度增加一定的预定量,并且,在下一负半周期中进行第二次尝试。在第二次尝试中,在时间t10(开启角度θ10)的第二测试点处施加门控脉冲,并且,在时间TM2中监视检测信号。如果如所示的那样检测信号不表示闭锁条件,那么第二开启角度重新被假定为已太低。开启角度重新增加预定的量,并且,在下一正半周期中进行第三次尝试。在第三次尝试中,在时间t11(开启角度θ11)的第三测试点处施加门控脉冲,并且,在时间TM3中监视检测信号。如本解释性的例子所示,检测器信号DET表示三端双向可控硅开关元件处于导通状态,并且进一步,由于即使在去除门控脉冲之后三端双向可控硅开关元件也保持在导通状态,因此,三端双向可控硅开关元件该假定为被闭锁。
根据开启角度的增量的大小,过程可适于将角度减小到当前角度和先前角度之间的值,以找到或瞄准用于最大亮度水平的开启角度。
开启角度θ11可被用作用于随后的操作的最大亮度设定。在一个实施例中,最大亮度设定可被一次确定,例如,在通电时被确定。作为替代方案,可以响应诸如变化的负载、线电压、用户输入等的变化的条件连续地、周期性地和/或偶尔地执行最大亮度确定。作为另一替代方案,调光器可通过使用预编程的最小和/或最大亮度水平操作,然后在负载升温后执行一个或更多个亮度极限确定。
在图10的实施例中,从太高的开始点接近最大亮度点。作为替代方案,算法可从太低的点开始并从其它的方向接近最大亮度点。在这种实施例中,开启角度会在各尝试中减小预定增量,直到三端双向可控硅开关元件未能闭锁。然后,可以使用先前的开启角度作为最大值。
重新参照第一尝试,如果三端双向可控硅开关元件被确定为在开启角度θ9被闭锁,那么最大亮度可被假定为处于θ9或接近θ9。作为替代方案,可进行随后的尝试/迭代,以减小开启角度来确定更亮的最大操作点是否是可用的。在一些实施例中,算法可沿两个方向操作,以一次、周期性地或偶尔地确定最大亮度点。
当在随后的尝试上增加或减小开启角度时,开启角度可以在固定的增量、可变的增量或任何其它适当的增加上增加或减小。在图10的实施例中,在AC电源的正半周期中进行用于确定最大亮度的尝试。在其它的实施例中,在负半周期、正半周期和负半周期、或任何其它适当的配置中进行确定。
图11示出根据本专利公开的一些发明原理的用于确定负载的最小电力电平的方法的实施例。图11的实施例以基本上与图10的实施例相反的方式操作,并且,以上关于图10描述的各种变体也适于图11的实施例。
图11示出在时间t15的零交叉处结束的正AC半周期的最后部分。在用于确定最小亮度水平的第一尝试中,在时间t14(开启角度θ14)的第一测试点处向三端双向可控硅开关元件施加门控脉冲。检测信号不表示监视期间TM4中的闭锁条件,因此,初始开启角度被假定为已太高。因此,开启角度减小,并且,在下一正半周期中进行第二尝试。在第二尝试中,在时间t13(开启角度θ13)的第二测试点处施加门控脉冲,并且,检测信号不表示时间TM5中的闭锁条件,因此,开启角度重新减小。在第三尝试中,在时间t12(开启角度θ12)的第三测试点处施加门控脉冲,并且,检测信号DET表示三端双向可控硅开关元件被锁入导通状态。因此,开启角度θ12被确定为最小亮度点。
上述的本发明的原理可提供各种单独和/或共同的益处。例如,通过用实际的装置和/或在实际的工作条件下确定用于最大和/或最小亮度的设定,本发明的原理可消除由制造容限、负载设计、线电压、环境温度等的变化导致的不确定性。这可扩展用户可用的可变暗范围。
并且,在多于一次地执行极限确定的实施例中,本发明的原理可使得系统能够适于改变条件。例如,CFL灯泡的最小亮度在冷却时会比在变热时高。本发明的原理可使得调光器能够在灯变热时调整最小亮度水平,由此在一些或所有的时间上使可变暗范围最小化。可对于会随着灯的老化改变的操作极限进行类似的调节。
本发明的原理中的一些可使得能够实现不明显的极限确定。例如,可通过在标称最小亮度水平上开始并在接通灯之后或在任何其它的适当的时间上对于某时间期间(例如,~0.5-1.0秒)如上面描述的那样自适应地调整最小水平,确定最小亮度水平。在这种实施例中,由于由灯提取的电流可能足以闭锁三端双向可控硅开关元件但不足以将灯点亮,因此,最小水平确定可能是不可见的。
在一些实施例中,调光器可包含在紧接着接通以使其升温之后暂时在最大电力设定上或附近操作灯的反冲突跳式(kick)起动特征,并使得更容易使气体放电保持在更低的亮度水平上。在范围可以为例如从几百毫秒到几秒的反冲突跳式起动期间之后,调光器可跳向或逐渐变为更低的用户规定的设定。但是,此时,用户规定的设定可比实际最小亮度低。通过实现连续的自适应算法以确定上述的最小亮度,调光器可使灯保持在当前的最低的可变暗设定,由此防止闪烁或关断条件。随着灯继续升温,自适应的算法可继续向下调整最小亮度设定,直到达到用户规定的设定。
在一些实施例中,可在不执行自适应调整算法的情况下在在更高的亮度水平上操作的同时通过监视开关的导通状态自动确定最小的亮度水平。例如,如果灯如图8所示的那样在高的亮度水平下操作,那么调光器可监视检测器信号以确定负载电流什么时候低于开关的保持电流。在图8所示的操作条件下,这在时间t7处出现。调光器可捕获该事件的定时,并且使用它作为最小亮度水平。
该技术可被用于防止当通过使用自适应技术确定最小亮度水平时会另外出现的闪烁。例如,由于反冲突跳式起动或者由于用户已选择相对较高的亮度水平,因此,调光器可首先在相对较高的亮度水平上操作灯。当从高亮度水平变暗时,如果在自适应算法找到正确的最小亮度水平之前开启角度达到负载电流低于开关保持电流的点,那么可能能够看到短的闪烁。通过使用基于捕获的关断时间的最小亮度水平,可能避免闪烁,并且,可通过自适应水平确定获得最小亮度水平。作为替代方案,捕获的时间可被用作最小亮度水平的自适应确定的初始开始点。
本发明公开的一些附加的发明原理涉及用于使自适应亮度极限确定与用户界面一体化的技术。一些现有技术的调光器使得用户能够手动调整最小亮度水平。可通过与被用于设定变暗水平的主电位计串联连接的特殊的调整电位计实现这一点。也可通过使调光器中的微控制器或其它电路直接读取调整电位计实现这一点。可通过将调光器切换到特殊的编程模式、通过按压并保持一般具有不同的功能的按钮或通过使用特殊模式开关,启动最小亮度水平调整。
图12示出根据本专利公开的一些附加的发明原理的调光器36的实施例。调光器包括用于向负载提供电力的相位控制的开关电路38、用于提供在本专利公开中描述的自动极限检测功能中的任一种的自动检测功能块40、模式切换功能块42和用于使得用户能够设定变暗水平的用户输入41。开关电路38可包含包括半导体闸流管、晶体管等的任何适当地相位控制技术。可包括诸如机械开关或空气间隙继电器的主控开/关开关39以完全断开调光器与电力源。
可通过位于外壳上或内、面板后面、踏板开关下面等的任何位置上的专用的模式开关实现模式切换功能42。作为替代方案,可通过按压、保持或转动按钮或在正常的操作不会被使用的一些方式中的其它的控制,例如,将摇臂开关按压并保持更长的时间长度,实现模式切换功能。也可通过无线技术、网络接口或任何其它适当的技术实现模式切换功能。可通过电位计、编码器、上/下按钮等实现用户输入。
在通过使用任何适当的模式开关技术、例如将专用的模式开关移动到预定的位置进入调整模式时,图12的系统可使变暗范围扩展到开关电路的可能的下限。系统还可使得能够实现上述的自适应最小亮度水平功能。用户然后可操作变暗水平输入,以将变暗水平调整到希望的水平。如果自适应最小亮度水平功能被启用,那么它可防止用户将最小亮度水平调整为低于由自适应算法确定的极限。一旦用户设定最小变暗水平,可就使用模式开关或其它的模式开关技术以离开最小调整模式并返回正常操作模式。一旦离开最小调整模式,就可使用新的最小变暗水平,以重新调整变暗范围,并然后将其以例如非易失性存储器、静止存储器等的非易失性形式进行存储,以供进一步使用。
如果自适应最小亮度水平功能在最小水平调整过程中不被启用,那么用户可选择低于会由自适应算法确定的水平的最小亮度设定。但是,在正常的操作模式中,自适应算法可被启用以防止变暗水平低于自适应地确定的最小水平。
以上描述的本发明的原理也可被应用于变暗范围的另一端,以帮助用户设定最大亮度水平。例如,可在调光器处于最大调整模式中时启用用于确定最大亮度极限的自适应算法。在该模式中,系统可将变暗范围扩展到开关电路的可能的上限。然后,通过被启用或禁用的自适应最大亮度水平功能,用户可将变暗水平设为最大希望的水平,该最大希望水平然后被用于重新调整变暗范围,并在从最大调整模式离开时被以非易失性形式进行存储。
根据本专利公开的一些附加的发明原理,自适应极限确定也可被集成到调光器的其它功能中。例如,可根据什么时候检查开关的状态以不同的方式解释模式开关的设定或其它模式开关功能。出于解释的目的,将在具有专用的二位置模式开关的系统的情况下描述一些例子,但是,本发明的原理适用于使用任何其它的模式开关功能的系统。
如果当调光器为开时在正常操作中检查模式开关的状态,那么模式开关的状态的变化会将调光器置于最大和/或最小变暗水平调整模式中。但是,如果在通电时检查模式开关的状态,诸如当机械开关39被接通时,或者当从外部源向调光器施加电力时,模式开关可被用于配置供不同类型的负载使用的调光器。
例如,在第一实施例中,如果模式开关在通电时处于第一位置,那么调光器可被配置为供CFL使用,或者,如果模式开关在通电时处于第二位置,那么它可被配置为供白炽灯使用。作为替代方案,模式开关可具有多于两种的用于选择模式的状态和/或条件,该模式例如为在相同的电路上包含白炽灯和CFL灯的混合模式,使得算法因此适用。
在第二实施例中,如果模式开关在通电时处于第一位置,那么调光器可被配置为用于CFL操作,或者,如果模式开关在通电时处于第二位置,那么它可被配置为用于自动配置模式。在自动配置模式中,系统可通过在非常高的开启角度(低导通角度)下将半导体闸流管开启或通过观看结果来确定与其连接的负载的类型。如果负载为CFL,那么开启角度可被设为一般不会导致半导体闸流管闭锁的水平(例如,零交叉之前的1.5ms),但会导致半导体闸流管通过白炽灯负载闭锁。因此,如果半导体闸流管闭锁,那么系统假定负载为白炽灯或其它的电阻负载,并且因此如后面描述的那样配置自身。但是,如果半导体闸流管未能闭锁,那么系统可假定负载是CFL或其它类型的电容或非线性输入,并因此如后面描述的那样配置自身。作为替代方案,可通过在零交叉之前短暂地接通诸如晶体管的任何其它类型的开关并观看负载电流的量,实现CFL/白炽灯确定。
在第三实施例中,如果模式开关在通电时处于第一位置,那么调光器可被配置为用于白炽灯操作,或者,如果模式开关在通电时处于第二位置,那么它可被配置为自动配置模式。
在这些实施例中的任一个中,在模式开关在通电时被读取并且系统被配置为用于负载的类型时,模式开关可随后被用于将调光器置于最大和/或最小变暗水平调整模式,并然后在完成新的最小或最小水平调整之后返回正常的工作模式。
在以上的实施例中的任一个中,如果调光器被配置为用于通过CFL操作,那么它可在返回正常的模式之后实现进一步启动过程如下。首先,可以确定最小变暗水平。如果最小变暗水平已被存储于存储器中,那么它可被检索并被用作最小值。如果没有存储最小水平,那么,如在本发明公开中描述的那样,可以使用自适应算法或其它的技术以确定最小变暗水平。作为替代方案,可以使用用于CFL的一般最小变暗水平,可以使用查找表,或者,可以使用其它适当的技术以确定最小变暗水平。作为另一替代方案,调光器可在具有或没有自适应最小水确定的帮助的情况下强制用户手动设定最小变暗水平。
还可在建立最小变暗水平之前或之后确定手动或自动最大变暗水平。可以完全通过自适应算法、借助于自适应算法以手动的方式或者完全以手动的方式确定最大变暗水平。
在确定最小和/或最小变暗水平之后,调光器可跳到反冲突跳式起动水平,然后逐渐降低到用户设定水平。可在该模式中启用或禁用自适应的最大和/或最小水平确定。
在以上的实施例中的任一个中,如果调光器被配置为通过白炽灯操作,那么它可跳过反冲突跳式起动并作为一般的白炽灯调光器操作。
本发明公开的一些附加的发明原理涉及使用可变脉冲宽度以门控电力开关。图13示出根据本专利公开的一些发明原理的使用可变脉冲宽度的相位控制技术的实施例。例子1示出变暗范围的最大端附近的电力电平的波形。通过在时间t16(开启角度θ16)处开始并继续到大致处于正半周期的中间的时间t19的信号GATE门控三端双向可控硅开关元件或其它的闭锁开关。检测器信号DET表示三端双向可控硅开关元件在被门控之后很快开始导通。如果三端双向可控硅开关元件通过短的门控脉冲被门控,那么可能未能闭锁,并且,导通的整个半线周期会被错过。由于一般在半周期的中间附近出现峰值导通电流,因此,连续地门控三端双向可控硅开关元件直到半周期的大致中间确保三端双向可控硅开关元件将闭锁并在可能的情况下保持。但是,在半周期的剩余部分中断开门控脉冲可明显减少由门控电路消耗的电力量。
图2示出稍低于例子1的电力电平的波形。三端双向可控硅开关元件在时间t17(开启角度θ17)处开始被门控,并且继续到时间t19。这里,信号DET表示三端双向可控硅开关元件在被门控立即开始导通。例子3示出稍低于例子2的电力电平的波形。随着开启角度接近半周期的中点,门控脉冲的可变宽度逐渐变小,由此减少门控三端双向可控硅开关元件所需要的电力的量。
随着开启角度接近并然后穿过中点,三端双向可控硅开关元件或其它的闭锁开关可通过短门控脉冲被门控。随着开启角度接近变暗范围的下端,上述的自适应算法可被用于确定最小变暗水平。
检测器信号DET对于在各半周期的第一部分中实施可变脉冲宽度技术可能不是必需的,但可能便于通过使用以上引入的一些概念解释操作,并且对于用于自动确定变暗范围的下限的自适应算法的实现也会是有用的。
本发明公开的一些附加的发明原理涉及用于检测开关的导通状态的技术。图14示出根据本发明公开的一些发明原理的电力控制系统的实施例。图14的实施例包括响应控制器56提供在线端子52和负载端子54之间流动的电力的相位控制的开关50。零交叉检测器58向控制器56提供零交叉信号ZC,以使开关50的操作与AC线电压同步化。在图16的实施例中,控制器使用零交叉信号ZC中的变化,以确定开关的导通状态。可参照图15~18理解这一点。
图15示出开关50持续为开并且不向负载施加电力时的零交叉信号。零交叉信号ZC在AC线电压的正半周期中为高并且在负半周期中为低。
图16示出具有诸如具有电容输入的CFL灯泡的非线性负载的最大输出电平上的零交叉信号。零交叉信号ZC在时间t20处的零交叉处走高。开关在时间t21处通过门控信号GATE中的脉冲被门控。这导致开关锁入导通状态,由此,只要开关被闭锁,就导致ZC下降到低电平。在t22处,负载电流下降为低于开关的保持电流,这导致开关关断并导致ZC上升回到高电平。
图17与图16类似,但是示出中间范围负载条件下的零交叉信号。这里,当它在t23处被门控并直至t24之前保持导通时,开关闭锁。
图18示出恰好低于最小输出电平的开启角度处的零交叉信号。开关在t25处被门控,但是,不存在足以闭锁开关的电流,因此,当门控脉冲结束时,开关停止导通。
基于零交叉电路的导通检测器的潜在益处在于,它可出于同步化目的利用现有的装置,由此不需要附加的电路。
图19示出根据本专利公开的一些发明原理的电力控制系统的另一实施例。图19的实施例中包括响应控制器66提供在线端子62和负载端子64之间流动的电力的相位控制的开关60。电流传感器68测量流过开关60的电流,并且产生使得控制器能够确定开关的导通状态的信号ISW。电流传感器可包含串联感测电阻器、Hall效应检测器、电流变压器或任何其它适当的电流感测器件。
虽然出于解释的目的与控制器分开地表示上述的零交叉检测器和电流传感器,但是,它们可与控制器一体化。
本发明公开的一些附加的发明原理涉及用于向二导线调光器提供电力供给的技术。如上所述,可用于操作二导线调光器中的任何控制电路的电力的量受器件的两个端子两端的电压必须在各线周期的导通部分中几乎为零的要求限制。并且,当与诸如CFL的负载一起使用时,可在线周期的非导通部分中从两个端子两端的线电压导出的电力的量,或者,当负载为关时,其受CFL可在不导致CFL的闪烁或其它故障的情况下容忍的泄漏电流的量。
图20示出根据本专利公开的一些发明原理的二导线调光器的实施例。调光器70包括提供在线端子74和负载端子76之间流动的电力的相位控制的开关电路72。用于操作开关电路的电力由在合适的时间并以可具有低的静态电流并大致仅提取操作开关电路所需要的那样多的电力的方式从负载和线端子74和76导出其电力的有源电力供给78提供。例如,当调光器为关时或者在周期线的非导通部分中,有源电力供给可提供非常少的电力,并且,当调光器为开时,会提供更多的电力。由有源电力供给提取并供给的电力的量可基于电流变暗水平改变。例如,当调光器在会需要更多的电力以门控三端双向可控硅开关元件或其它的开关的变暗范围的高端附近工作时,有源电力供给可提取更多的电力,但是,在对于门控驱动会需要很少的电力的变暗范围的下端,它会提取很少的电力。
图21示出根据本专利公开的一些发明原理的通过提供用于控制器82的电力供给+Vs以操作相位控制开关84的线调节器80实现有源电力供给的二导线调光器的示例性实施例。线调节器80可包含能够整流整个线电压并使其下降到可被控制器82使用的电平的高电压商业调节器。它可包含电阻分压器、降低变压器、半导体电压调节器和/或任何其它适当的电路。
图22示出根据本专利公开的一些发明原理的通过提供用于控制器82的电力供给+Vs以操作相位控制开关84的开关模式电力供给(SMPS)86实现有源电力供给的二导线调光器的另一示例性实施例。开关电力供给86可基于具有或没有隔离变压器的诸如降压转换器、拉压转换器等的任何适当的布局。
图23示出根据本专利公开的一些发明原理的用线性调节器实现有源电力供给的二导线调光器的另一示例性实施例。图23的实施例包括电感器L1和用于将输入电压降低和整流到适于三端子电压调节器88的电平和形式的整流器D1。分压器电阻器R1和R2设定被电容器C1过滤的调节器的输出电压,以提供供给电压+Vs。供给电压被控制器90使用以门控三端双向可控硅开关元件TR1或其它的闭锁开关。另一电阻器R3将输入电压分压,以向控制器提供零交叉信号ZC。可以包括机械开关92以提供手动空气间隙断开。
本发明公开的一些附加的发明原理涉及不同的半周期中的开关的不对称门控。当开关尽可能接近零交叉或其它最大电力点地被门控时,被传送到负载的电力的量被最大化。但是,在该点处实际门控开关的能力可受到诸如由门控驱动电路消耗的电力量的各种实际考虑限制。对于从电力开关的两个主端子导出用于控制电路的电力供给的两导线相位控制器件,这会是特别有问题的。在不同的半周期中的不同的时间门控一个或更多个开关可帮助将传送到负载的电力最大化,同时仍容纳电力供给的产生。
图24示出根据本专利公开的一些发明原理的用于门控开关的方法的实施例。在具有单个门控信号GATE的三端双向可控硅开关元件的情况下示出该方法,但是,本发明的原理可被应用于具有任意数量或类型的诸如背对背SCR、晶体管等的开关器件的任意类型的相位控制系统。在图24的实施例中,θM代表与时间tM对应的开启角度,在该开启角度处,最大电力在正半周期中被传送到负载。在白炽灯或其它的电阻负载的情况下,θM可以为零,在这种情况下,tM会刚好处于零交叉ZC处。通过CFL或其它的电容负载,如图24所示,tM一般会从零交叉稍微偏移。时间tM′代表相同的开启角度θM,但是,是用于负半周期。
在图24的实施例中,三端双向可控硅开关元件在交替的半周期中的不同的时间处被门控。在正半周期中,门控脉冲从最大电力点延迟TCHARGE的延迟时间。该时间延迟可使得电力供给能够从二导线器件的端子提取足够的电荷,以通过正和负半周期。因此,在负半周期中,三端双向可控硅开关元件可刚好在最大电力点tM′上被门控。
根据负载的类型、负载惯性等,交替半周期中的开启角度的差异可能是用户感觉不到的和/或是对负载无害的。例如,通过白炽灯或CFL,人视觉的综合能力可防止看到交替半周期中的任何闪烁或光水平的差异。由于如果在负半周期中包括时间延迟则比可能的多的电力在负半周期中被传送到负载,因此这可扩展灯的有效的变暗范围。因此,由于正半周期中的时间延迟,因此,在负半周期中负载可用的额外能量可补偿负载能量损失的全部或一部分。
延迟时间TCHARGE可以是固定的或者可变的,并且可被设为任何的长度和/或线周期中的位置。可通过多个相位使用一个或更多个时间延迟。涉及开关的不对称门控的本发明的原理不限于任何特定的应用。但是,当与具有由半波整流器馈送的电力供给的二导线器件组合时,它们会是特别有益的。例如,由于电力供给仅在正半周期中从线提取电荷,因此,可很容易地通过图23的实施例实现不对称的门控技术。电力供给已能够通过组合的正负半周期。因此,三端双向可控硅开关元件可在最大电力点被门控,由此向负载传送比对称门控脉冲可能的多的电力。
在根据本发明公开的一些发明原理的另一实施例中,系统包括:适于耦合于AC电源和负载之间的可现场安装的控制装置中的闭锁开关,其中,AC电源具有带有周期的波形;和与闭锁开关耦合并适于通过改变周期中的向闭锁开关施加控制脉冲的点改变传送到负载的电力量的控制器;这里,控制脉冲的持续期依赖于周期中的向闭锁开关施加控制脉冲的点。
在根据本发明公开的一些发明原理的另一实施例中,系统包括:具有被配置为控制电力从AC电源向负载的流动的可现场安装的控制装中的闭锁开关的相位控制器件,其中,闭锁开关具有与AC电源的波形上的接通闭锁开关的点对应的可变操作点,并且,操作点可在第一和第二极限之间的操作范围上改变;和与闭锁开关耦合并适于将相位控制器件置于调整模式、调整相位控制器件的操作点以选择第一和第二极限中的至少一个并且自适应地限制操作点以防止闭锁开关在处于调整模式中时未能在波形的线周期中闭锁的控制器。
在根据本发明公开的一些发明原理的另一实施例中,系统包括:被配置为控制电力从AC电源向负载的流动的可现场安装的控制装中的闭锁开关,其中,闭锁开关具有与AC电源的波形的周期中的接通闭锁开关的点对应的可变操作点,并且,操作点可在具有与提供最小电力流动的周期中的点对应的下限的操作范围上改变;和与闭锁开关耦合并适于在开关在周期中的明显比下限早的点上被接通时通过感测周期中的闭锁开关变得不导电的点确定下限的控制器。
在根据本发明公开的一些发明原理的另一实施例中,系统包括:适于耦合于AC电源和负载之间的可现场安装的控制装置中的开关,AC电源具有波形,该波形具有具有第一极性的第一部分和具有第二极性的第二部分;和与开关耦合并适于在开始波形的第一部分之后的第一点上在波形的第一部分中向开关施加控制脉冲并在开始波形的第二部分之后的第二点处在波形的第二部分中向开关施加控制脉冲的控制器;其中,第一点与波形的第一部分的开始之间的时间与第二点与波形的第二部分的开始之间的时间明显不同。
虽然这里描述的本发明的原理不限于任何特定的形式中的实现,但是,原理中的一些对于实现为建筑用布线装置会是特别有益的。由于需要安装在电气箱中、构建和重新模型化计划的价格敏感性、劳动成本等,布线器件趋于在尺寸、成本、电力耗散等上具有明显的限制。这里描述的本发明的原理可使得能够实现提供高水平的性能同时仍适应对于布线器件的限制的高度有效的相位控制方案。
在本专利公开中描述的发明原理可包含具有可以以包括模拟和/或数字硬件或它们的混合、软件、固件或它们的任意的组合等的任意适当的方式实现的功能的方法和装置。
在单相位变暗系统的情况下描述了本发明的原理中的一些,但是,本发明的原理也适于诸如用于风扇、泵等的电动机速度控制、加热应用等的其它类型的相位控制应用。因此,术语调光器和变暗应被理解为包括使用在本发明公开中描述的发明原理的任何电力控制应用。术语门控、门控脉冲、门控信号等不仅指的是三端双向可控硅开关元件、SCR、FET等的门控,而且指的是用于诸如偶极结晶体管(BJT)、继电器等的任意类型的电力开关的任何控制信号、端子等。
以上参照一些特定的示例性实施例描述了本发明公开的发明原理,但是,在不背离本发明的概念的情况下,可以在配置和细节上修改这些实施例。因此,任何变化和修改应被视为落入以下的权利要求的范围内。

Claims (52)

1.一种用于确定通过可现场安装的控制装置中的开关与负载耦合的AC电力供给的波形上的极限点的方法,该方法包括:
选择波形上的第一点作为测试点;和
可被重复一次或更多次的过程,该过程包含:
在波形上的测试点处向开关施加控制脉冲;
感测开关的导通状态;和
如果闭锁开关未响应控制脉冲而保持导通,则选择新的点作为波形上的测试点。
2.根据权利要求1的方法,其中,极限点是提供从AC电力供给向负载的最大电力流动的点。
3.根据权利要求2的方法,其中,选择第一点包含选择接近波形的半周期的开始的点。
4.根据权利要求1的方法,其中,极限点是提供从AC电力供给向负载的最小电力流动的点。
5.根据权利要求4的方法,其中,选择第一点包含选择接近波形的半周期的结束的点。
6.根据权利要求1的方法,还包括使用最后选择的点作为极限点。
7.根据权利要求1的方法,其中,选择新的点作为测试点包含在离开波形上的先前测试点的距离处沿波形选择沿第一方向的新的点。
8.根据权利要求1的方法,还包括通过使用最后选择的测试点与次最后选择的测试点之间的点作为测试点来重复该过程。
9.根据权利要求1的方法,其中,开关包含闭锁开关。
10.根据权利要求9的方法,其中,感测开关的导通状态包含确定开关是否被闭锁。
11.根据权利要求1的方法,其中,确定开关是否被闭锁包含在施加控制脉冲之后在预定的间隔中将开关的状态采样一次或更多次。
12.根据权利要求1的方法,其中,新的点与波形上的先前测试点相距预定增量距离。
13.根据权利要求1的方法,还包括耦合电力开关与小型化的荧光灯。
14.根据权利要求13的方法,其中,极限点防止小型化的荧光灯闪烁。
15.根据权利要求1的方法,其中,可现场安装的控制装置包含布线器件。
16.一种可现场安装的系统,包括:
开关,被配置为控制AC电力从线端子向负载端子的流动;
控制器,与开关耦合并适于向开关施加控制脉冲并通过感测控制脉冲之后的开关的导通状态确定AC电力的波形上的极限点。
17.根据权利要求16的系统,其中,控制器适于通过以下来确定极限点:
选择波形上的第一点作为测试点;和
执行可被重复一次或更多次的过程,该过程包含:
在波形上的测试点处向开关施加控制脉冲;
感测开关的导通状态;和
如果闭锁开关未响应控制脉冲而保持导通,则选择新的点作为波形上的测试点。
18.根据权利要求16的系统,其中,控制器适于在系统操作的同时连续地确定极限点。
19.根据权利要求16的系统,其中,控制器适于在系统开始操作时确定极限点。
20.根据权利要求16的系统,其中,控制器适于周期性地确定极限点。
21.根据权利要求16的系统,其中,控制器适于响应模式输入来确定极限点。
22.根据权利要求21的系统,还包括被配置为向控制器提供模式输入的模式开关。
23.根据权利要求16的系统,其中,开关包含闭锁开关。
24.根据权利要求16的系统,还包括与开关耦合并适于感测开关的导通状态的传感器。
25.根据权利要求24的系统,其中,传感器包含零交叉检测器。
26.根据权利要求24的系统,其中,电力开关、传感器和控制器被配置于布线器件中。
27.根据权利要求26的系统,其中,布线器件包含没有AC电源的中性极的二导线器件。
28.根据权利要求16的系统,其中,所述系统适于通过确定用作最大亮度水平的AC电力的波形上的第一极限点并确定用作最小亮度水平的AC电力的波形上的第二极限点而在最大变暗范围上控制小型化的荧光灯。
29.根据权利要求16的系统,还包括通过使用从线和负载端子导出的电力向控制器提供操作电力的有源电力供给。
30.根据权利要求29的系统,其中,有源电力供给包含线性调节器。
31.根据权利要求29的系统,其中,有源电力供给包含开关电力供给。
32.一种方法,包括:
向可现场安装的控制装置中的闭锁开关施加控制脉冲,其中,闭锁开关被耦合于AC电源和负载之间,并且,AC电源具有带有周期的波形;和
通过改变向闭锁开关施加控制脉冲的周期中的点,改变传送到负载的电力的量,
其中,控制脉冲的持续期根据向闭锁开关施加控制脉冲的周期中的点。
33.根据权利要求32的方法,其中,各控制脉冲基本在半周期的中点之前开始并在同一半周期的大致中点处结束。
34.根据权利要求32的方法,其中,在基本在半周期的中点之后的点处开始的控制脉冲具有基本相同的脉冲持续期。
35.一种用于操作具有被配置为控制电力从AC电源向负载的流动的可现场安装的控制装置中的闭锁开关的相位控制器件的方法,其中,闭锁开关具有与AC电源的波形上的闭锁开关被接通的点对应的可变操作点,并且,操作点可在第一与第二极限之间的操作范围上改变,该方法包括:
将相位控制器件置于调整模式;
调整相位控制器件的操作点以选择第一和第二极限中的至少一个;和
在调整模式中时自适应地限制操作点以防止闭锁开关不能在波形的线周期中闭锁。
36.根据权利要求35的方法,其中,调整操作点包含手动调整操作点。
37.根据权利要求35的方法,其中,自适应地限制操作点包含:
在操作范围的第一或第二极限中的一个附近的波形的线周期中的第一点处向开关施加第一控制脉冲;
响应第一控制脉冲感测开关的导通状态;和
响应开关的导通状态确定操作范围的极限。
38.根据权利要求35的方法,其中,极限为下限。
39.根据权利要求35的方法,其中,极限为上限。
40.根据权利要求35的方法,其中,相位控制器件通过驱动专用模式开关而被置于调整模式。
41.根据权利要求35的方法,其中,相位控制器件通过以不会在正常操作期间被使用的方式致动控制而被置于调整模式。
42.一种用于操作被配置为控制电力从AC电源向负载的流动的可现场安装的控制装置中的闭锁开关的方法,其中,闭锁开关具有与AC电源的波形上的闭锁开关被接通的点对应的可变操作点,并且,其中操作点可在具有与周期中的提供最小电力流动的点对应的下限的操作范围上改变,该方法包括:
在开关在周期中的基本比下限早的点处被接通时,通过感测周期中的闭锁开关变为非导通的点,来确定下限。
43.根据权利要求42的方法,还包括使用周期中的闭锁开关变为非导通的点作为下限。
44.根据权利要求42的方法,还包括使用周期中的闭锁开关变为非导通的点作为自适应极限确定的开始点。
45.一种用于控制耦合于AC电源与负载之间的可现场安装的控制装置中的开关的方法,AC电源具有波形,该波形带有具有第一极性的第一部分和具有第二极性的第二部分,该方法包括:
在开始波形的第一部分之后的第一点处在波形的第一部分期间向开关施加控制脉冲;
在开始波形的第二部分之后的第二点处在波形的第二部分期间向开关施加控制脉冲,
其中,第一点与波形的第一部分的开始之间的时间与第二点与波形的第二部分的开始之间的时间基本不同。
46.根据权利要求45的方法,其中,波形的第一部分是正部分,并且,波形的第二部分是负部分。
47.根据权利要求45的方法,其中,第一点与波形的正部分的开始之间的时间与第二点与波形的负部分的开始之间的时间之间的差包含延迟时间。
48.根据权利要求47的方法,其中,
可现场安装的控制装置包含被配置为控制开关的电力供给;
并且,该方法还包括在延迟时间期间用AC电源对电力供给充电。
49.根据权利要求45的方法,其中,第一点与最大电力传送的点对应。
50.根据权利要求45的方法,其中,开关包含三端双向可控硅开关元件。
51.根据权利要求45的方法,其中,开关包含两个或更多个开关器件。
52.根据权利要求51的方法,其中,所述两个或更多个开关器件包含背对背硅控制整流器。
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