CN102884694A - 用于直流供电的吊顶系统中的照明器材的具有自动极性保护和应急备份的高效直流镇流器结构 - Google Patents

Abstract

用于照明器材的高效镇流器结构，所述镇流器结构具有自动极性保护电路，用于不管器材在具有直流电源的直流供电的吊顶系统中安装成任何朝向都提供极性恒定的输出直流电压。主直流镇流器电路包括由来自保护电路的输出直流电压供电的主直流振荡器，以在正常工作期间使器材中的灯被点亮。应急备份直流镇流器电路包括：电池，在正常工作期间被输出直流电压充电到充电直流电压；以及应急直流镇流器，由来自所述电池的充电直流电压供电，以在应急工作期间使器材中的灯被点亮。

Description

用于直流供电的吊顶系统中的照明器材的具有自动极性保护和应急备份的高效直流镇流器结构

背景技术

建筑结构中的传统吊顶或悬顶系统包括网格框架，框架组件在天花板平面内沿纵向和横向延伸而相互正交，并且交叉处构成多个通常是四边形的多边形开口，在这些开口内插入并支撑照明器材、天花板瓷砖、风道、扬声器等类似的天花板部件。天花板系统提供对建筑基础设施及其它机械和电气服务的视觉和听觉屏障及其它功能，其中，建筑基础设施是诸如喷淋管、水管、空调通道、电气管道、电源线缆、电话线缆、计算机网络线缆、线缆托架、接线盒等，天花板系统通常安装在建筑结构的实际天花板和悬挂框架之间的头顶空间内。

希望对办公环境或家庭环境中的不同电气设备提供直流(DC)电压以使其运转，因而，例如在美国专利7,661,229中，在先技术已提出通过在框架组件内沿框架组件支撑电导体或电线，而把直流电源集成在天花板系统中。电线连接到直流电源的正负极端子。电抽头用于把正负极电源端子连接到电气设备上的输入端。

还希望从上述直流供电的天花板系统对例如具有直流镇流器的荧光照明器材的照明器材供电。照明器材安装在所选的一个开口中，例如直接安装在新安装部或已有安装部的任何所选开口中，新的照明器材可替代同一开口内的另一照明器材，或者，可把已有照明器材从一个开口重新布置到另一开口以适合不同照明需求。照明器材可以有意或无意地以不同朝向安装在所选开口内，也就是说，照明器材可以安装在纵向延伸的框架组件的纵向，或者可调转九十度，并且可以安装在横向延伸的框架组件的横向。

然而，由于照明器材只能由一个朝向的直流电源实现正确供电，另一朝向的直流电源会提供错误供电，所以不同朝向会为直流镇流器带来直流极性问题。具体而言，镇流器的一个直流输入正极端必须连接到直流电源的正极端，而镇流器的另一直流输入负极端必须连接到直流电源的负极端。在照明器材的一个朝向可实现这些正确电连接，但是在照明器材的另一朝向不能实现。当然，具有错误电连接的照明器材不能正确工作，实际上，照明器材会被损坏，因而需要修理以及/或者更换。

发明内容

简而言之，本发明的一个特征在于用于安装在吊顶系统中的照明器材的镇流器结构，优选地，照明器材具有一个或多个荧光灯和镇流器，吊顶系统具有框架组件在天花板平面内沿纵向和横向延伸而相互交叉并且限定多个开口的网格框架。在如办公环境或家庭环境中的吊顶系统为直流供电，具有直流(DC)电源从而为诸如照明器材等的电气设备供电。照明器材安装在所选的一个开口内，而且在所选开口内能够有意或无意地设置成不同朝向，也就是说，照明器材可以安装在纵向延伸的框架组件的纵向，或者可调转九十度，可以安装在横向延伸的框架组件的横向。

如上所述，由于在先技术的照明器材镇流器只能由一个朝向的直流电源实现正确供电，另一朝向的直流电源会提供错误供电，所以这些不同的朝向会产生直流极性问题。具体而言，在先技术的镇流器具有必须连接到直流电源正极端的一个直流输入正极端，以及必须连接到直流电源负极端的另一直流输入负极端。

根据本发明的一方面，本发明的镇流器结构具有连接到一对直流输入端的自动极性保护电路，用于不管器材安装成任何朝向都提供极性恒定的输出直流电压。因而，无论直流电源的正极端或负极端连接到镇流器结构的哪个输入端，产生的输出直流电压一直具有相同极性，例如为正极性。因而，照明器材在所选开口内的位置不像在先技术中那般重要。

在优选实施例中，保护电路是高效直流-直流电桥并包括第一支路和第二支路，第一支路具有类型相反的第一对金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，第二支路具有类型相反的第二对MOSFET，两个支路在第一对MOSFET和第二对MOSFET之间桥接在一起。保护电路还包括多个齐纳二极管，用于保持MOSFET的栅极偏置电压为稳定值。由于MOSFET的插入损耗低，因此来自保护电路的输出直流电压和来自直流电源的供电直流电压的差小于十分之一伏特。这与基于二极管的传统电桥相比是有利的，基于二极管的传统电桥插入损耗高得多因而效率较低。

镇流器结构包括：主直流镇流器电路，其包括由保护电路的输出直流电压供电的主直流镇流器，用以在正常工作期间使器材中的灯被点亮；以及应急备份直流镇流器电路，用以在直流电源出现故障的应急工作期间使器材中的灯被点亮。感测电路有益地感测直流电源故障，并在感测到该故障时启动应急备份直流镇流器电路。应急备份直流镇流器电路包括：电池，用于在正常工作期间被输出直流电压充电到充电直流电压；以及应急直流镇流器，由来自电池的充电直流电压供电，以在应急工作期间使器材中的灯被点亮。

镇流器结构还包括在保护电路和应急备份直流镇流器电路之间的高效直流-直流转换器，用于转换并把输出直流电压减小到减小后的直流电压，以为镇流器电路供电。直流-直流转换器具有有源集成电路控制器芯片和低插入损耗。这和具有诸如电阻等的插入损耗高得多因而效率较低的无源元件的传统转换器相比是有利的。

根据本发明的另一方面，通过如下操作执行安装和操作照明器材的方法，其中该照明器材可以以不同朝向安装在由具有直流电源的直流供电的吊顶系统的网格框架的框架组件所限定的所选开口中，所述操作包括：将一对直流输入端连接到直流电源，该对直流输入端在器材的一个朝向的情况下具有预定极性、而在器材的另一朝向的情况下具有相反极性；连接自动极性保护电路和直流输入端，从而不管器材安装成哪个朝向都提供极性恒定的输出直流电压；在正常工作期间，用来自保护电路的输出直流电压为包括主直流镇流器的主直流镇流器电路供电，以使器材中的灯被点亮；以及，在直流电源出现故障时，由应急备份直流镇流器电路在应急工作期间使器材中的灯被点亮，该步骤包括：在正常工作期间用输出直流电压把电池充电到充电直流电压，并且在应急工作期间用来自电池的充电直流电压为应急直流镇流器供电以使器材中的灯被点亮。

附图说明

图1是根据本发明的镇流器结构的示意电路图。

具体实施方式

图1是用于照明器材的示意电路图，优选地，照明器材具有一个或多个荧光灯，所述照明器材被安装并支撑在由如美国专利7,661,229所述的一类直流供电的吊顶或悬顶系统的网格框架的框架组件所限定的所选开口内，框架组件在天花板平面内沿纵向和横向延伸而相互正交并且交叉处形成通常是四边形的多边形开口，因而，在此通过引用并入上述美国专利的全部公开内容。通过在框架组件内沿框架组件支撑电导体或电线，把直流电源集成在天花板系统中。电线连接到直流电源的正极端和负极端。

照明器材的轮廓和其支撑开口的轮廓互补。优选地，开口的形状是正方形，通常大小为2英尺×2英尺或者4英尺×4英尺。照明器材可以有意或无意地以不同朝向安装在所选开口内，也就是说，照明器材可以安装在纵向延伸的框架组件的纵向，或者可调转九十度而安装在横向延伸的框架组件的横向。优选地，每个框架组件由一块金属板折叠并冲模而形成。每个框架组件具有大致水平的凸缘部以及垂直网状部，在框架组件的水平凸缘部上沿照明器材的外围支撑照明器材。在各个开口中还可以支撑除了照明器材以外的天花板构件，如风道、扬声器等。用螺纹杆或天花板线使天花板系统相对于建筑结构的实际天花板悬挂。

如上所述，由于在先技术的照明器材镇流器只能由一个朝向的直流电源实现正确供电，另一朝向的直流电源会提供错误供电，所以照明器材的这些不同朝向产生直流极性问题。具体而言，在先技术的镇流器具有必须连接到直流电源正极端的一个直流输入正极端，以及必须连接到直流电源负极端的另一直流输入负极端。当然，具有错误电连接的照明器材不能正确工作。

根据本发明的一方面，镇流器结构具有连接到如24V直流的直流电源的正极端和负极端的一对直流输入端12、14(参看图1)，在照明器材的一个朝向下为预定极性，在照明器材的另一朝向下为相反极性。自动极性保护电路20连接到直流输入端12、14，从而无论在器材安装成哪个朝向的情况下都提供具有恒定极性的直流输出电压。因而，无论是直流电源的正极端还是负极端连接到镇流器结构的输入端12或输入端14，输出16所产生的输出直流电压总是具有相同极性。例如，如果向输入端12或输入端14施加正电压或负电压，那么输出直流电压将一直是正电压。因而，照明器材在所选开口内的定位不像在先技术那般重要。

在优选实施例中，保护电路20是高效直流-直流电桥，包括第一支路和第二支路，第一支路具有分别为相反的p型及n型的第一对金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)Q1、Q3，第二支路具有分别为相反的p型及n型的第二对MOSFET Q2、Q4，这两个支路在第一对MOSFET Q1、Q3和第二对MOSFET Q2、Q4之间桥接在一起。保护电路还包括多个齐纳二极管Z1、Z2、Z3、Z4，用于将MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4的栅极偏置电压保持为稳定值。由于MOSFET Q1、Q2、Q3、Q4的低插入损耗，在保护电路20的输出16处的输出直流电压和来自直流电压源的例如24V直流的电源直流电压相差小于十分之一伏特。这与插入损耗高得多因而效率较低的基于二极管的传统电桥相比是有利的。

在工作时，如果向输入端12施加正直流电压，那么Q1截止、Q2导通、Q3导通、Q4截止，输出16上的输出直流电压为正。如果在输入端12施加负直流电压，那么Q1导通、Q2截止、Q3导通、Q4截止，输出16上的输出直流电压仍然为正。

镇流器结构还包括连接到保护电路20的直流-直流转换器30，用于转换输出16处的输出直流电压，并且在输出18上将该电压减小为例如约5伏直流的减小后的直流电压。直流-直流转换器30具有有源集成电路控制器芯片22，并且直流-直流转换器30的输入损耗低。这和具有诸如电阻等插入损耗高得多、因而效率较低的无源元件的传统转换器相比是有利的。

镇流器结构还包括主直流镇流器电路，该电路包括经由继电器(RE1)26由来自直流-直流转换器30的减小后的直流电压供电的主直流镇流器24，以在正常工作时点亮照明器材中的灯。在输出18处的减小后的直流电压给继电器26中的线圈28通电，线圈28把继电器26从常闭(Normally Closed,NC)状态切换到常开(Normally Open,NO)状态，其中在常开状态中，端子12、14上的直流电源电压被施加到主直流镇流器24的输入引线，从而在正常工作时使灯被点亮。

镇流器结构还包括用于如下所述地感测直流电源故障的感测电路32和应急备份直流镇流器电路，应急备份直流镇流器电路用以在感测电路32感测到直流电源故障的应急工作期间点亮照明器材中的灯。应急备份直流镇流器电路包括可再充电电池40和应急直流镇流器，在正常工作时，电池40通过输出18处的减小后的直流电压经过线圈28到电池40的端子34而充电到充电直流电压，在应急工作期间，应急直流镇流器由电池端子34处的充电直流电压供电，以使器材中的灯被点亮。

应急直流镇流器包括推挽振荡器，推挽振荡器具有一对设置成在20kHz到60kHz之间的谐振频率振荡的晶体管Q5、Q6。振荡器连接在变压器T1的第一初级线圈42之间。变压器T 1的次级线圈44连接在灯50上。电池端子34处的充电直流电压连接到初级线圈42的中心抽头，从而给变压器T1供电并使灯50在应急工作期间被点亮。

在装运时将两个使能连接器36、38彼此分开，但是，在安装镇流器结构时，使能连接器36、38互连，从而使得在正常工作时、在输出18处的减小后的直流电压能够经过线圈28以及互连的连接器36、38到达晶体管Q7的发射极。晶体管Q7的基极经由感测电路32连接到输出16处的输出直流正电压。晶体管Q7的集电极连接到变压器T1的第二初级线圈43的中心抽头。第二初级线圈43及其端子45、47在图1中示出两次，以简化该图中的电连接。在正常工作期间，Q7偏置截止，从而防止推挽振荡器振荡。然而，在紧急情况下，直流电源故障，并且在输出16处不再有输出直流电压。感测电路32检测到该紧急情况，并且在该时刻Q7偏置导通，推挽振荡器现在开始振荡并激励变压器的第二初级线圈43，第二初级线圈43进而激励次级线圈44。

提供继电器(RE2)46和继电器(RE3)48以防止镇流器结构在瞬间启动模式或快速启动模式时被损坏。每个继电器46、48从常闭(NC)状态切换到常开(NO)状态，在常开状态，镇流器的一个或两个输出引线断开。

本发明的镇流器结构实现的效率的量级大于90%。这和效率量级为60%到70%的在先技术镇流器结构形成了对比。

在所附权利要求书中提出了被认为是新颖的并且期望得到专利保护的内容。

Claims (9)

1.一种用于能够以不同朝向安装在具有直流电源的吊顶系统中的照明器材的镇流器结构，所述镇流器结构包括：

主直流镇流器电路，用以在正常工作期间使所述器材中的灯被点亮；

应急备份直流镇流器电路，用以在所述直流电源出现故障的应急工作期间使所述器材中的灯被点亮；以及

连接到所述直流电源的一对直流输入端，所述直流输入端在所述器材的一个朝向下具有预定极性、而在所述器材的另一朝向下具有相反极性，

其中，所述直流输入端连接有自动极性保护电路，用于不管所述器材安装成任何朝向都提供极性恒定的输出直流电压；

所述主直流振荡器电路包括由来自所述保护电路的输出直流电压供电的主直流振荡器，以在正常工作期间使所述器材中的灯被点亮；以及

所述应急备份直流镇流器电路包括：

电池，在正常工作期间，通过所述输出直流电压使所述电池充电到充电直流电压；以及

应急直流镇流器，由来自所述电池的充电直流电压供电，以在应急工作期间使所述器材中的灯被点亮。

2.根据权利要求1所述的镇流器结构，其中，所述保护电路是高效直流-直流电桥并且包括第一支路和第二支路，所述第一支路具有彼此类型相反的第一对金属氧化物半导体场效应晶体管即MOSFET，所述第二支路具有彼此类型相反的第二对MOSFET，所述第一支路和所述第二支路在所述第一对MOSFET和所述第二对MOSFET之间桥接在一起。

3.根据权利要求2所述的镇流器结构，其中，所述保护电路包括多个齐纳二极管，所述齐纳二极管用于将MOSFET的栅极偏置电压保持为稳定值。

4.根据权利要求2所述的镇流器结构，其中，由于所述高效直流-直流电桥的MOSFET的插入损耗低，所述保护电路的输出直流电压和来自所述直流电源的供电直流电压的差小于十分之一伏特。

5.根据权利要求1所述的镇流器结构，还包括在所述保护电路和所述应急备份直流镇流器电路之间的高效直流-直流转换器，所述转换器用于转换输出直流电压并把所述输出直流电压减小为减小后的直流电压，从而为镇流器电路供电。

6.根据权利要求5所述的镇流器结构，其中，所述直流-直流转换器具有有源集成电路控制器芯片和低插入损耗。

7.根据权利要求1所述的镇流器结构，还包括感测电路，所述感测电路用于感测直流电源故障并在感测到该故障时启动所述应急备份直流镇流器电路。

8.根据权利要求1所述的镇流器结构，还包括外壳，所述外壳用于将所述镇流器结构以任何朝向支撑在所述吊顶系统的框架的开口中。

9.根据权利要求1所述的镇流器结构，其中，所述灯是荧光灯，而且所述荧光灯器材能够以不同朝向安装在由所述吊顶系统的网格框架的框架组件所限定的开口中。