CN103716973B - 一种电感镇流器气体放电灯的控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电感镇流器气体放电灯的控制器，包括：储能器件、过零点检测电路、电压比较电路和驱动电路，储能器件两端并联有开关器件。本发明通过过零点检测电路检测交流电的交流变换，输出交流电过零点信号，将该信号与调光控制信号进行多次比较，得到驱动开关元件的驱动信号，用以驱动开关元件的导通与截止，储能器件通过充放电对气体放电灯的电感镇流器进行限流调节，从而调节负载的电能，实现最终的调光节能效果。故本发明控制器，能够克服原电感镇流器不能单独调光的现象，对电网的供电没有特殊要求，能够实现线性的可调光，不会额外增加功耗，而且保持较高的功率因素。

Description

一种电感镇流器气体放电灯的控制器

技术领域

本发明属于照明设备控制技术领域，具体涉及一种电感镇流器气体放电灯的控制器。

背景技术

现今市场销售的气体放电灯，包括钠灯、金卤灯等用于常规户外照明的灯具，传统配置的电源都为电感镇流器，电感镇流器在使用过程中，可以长期使用，故障率低，比之电子镇流器成本上也相对较低，得到了很多灯具厂商和业主的认可。但是电感镇流器唯一的缺点为无法进行节电控制，只能保证在满功率下工作，无法实现智能化节电的效果。

现在许多节能公司，比如做EMC（电磁兼容）的公司很多，国家也在大力提倡节能减排，为降低城市每年的电费而努力。很多新建的道路都采用了LED灯具的方式，但是对于这样的路灯来说，建造的成本非常高，同时对于传统的路灯来说，本身安装的灯具已经完全安装固定完成，无法进行LED灯具的修改，除非进行城市道路改造，否则无法在原来的灯具上进行改装。这导致了原本市政规划的道路上的灯具无法进行节电控制，只能采取分时段关断某一路的电源，但是这样做会导致照明度大大降低，严重的话会出现交通事故，

为此如何让电感镇流器具有可调光功能，使其具有智能调光，从而大大的节省能源的损耗。而目前电感镇流器智能型可调光的解决方案已有如下几种：

（1）调节电感镇流器的电感量，通过改变线路中的电感量的大小，使得电感中产生的感应电动势变化，从而影响到工作电流的变化，使输出功率改变，但是该技术方案，涉及使用的电感体积大、引脚多，改变电感量所用继电器的数量也多，在切换过程中，继电器上容易拉出高压电弧，对整流器和节电器都存在使用隐患。

（2）采用调频技术，调频会使电源内阻增大，而且对电网的影响也很大，会造成电网的不稳定，且对电感整流器和灯源的性能要求也偏高，在一定程度上，提升了改造成本。

（3）ChenJing和PiaoAnlin等在标题为TheFullyDimmingTechnologyofFluorescentLampwithMagneticBallast（ChinaLight＆Lighting，2011.7）的文献中提出单独采用交流调相方式，将电源中多余的功率切除掉，以控制通过灯管的电流而实现调光；但这个方式用于电感镇流器中，会使得电感镇流器在工作时出现续能不足，导致灯具闪烁现象，而且通过检测过零点信号，单片机控制延迟一定时间在接通交流电，会使接通交流电的瞬间，电压处在高压状态，没有使用过零接入，对电路存在影响。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种电感镇流器气体放电灯的控制器，克服了原电感镇流器不能单独调光的现象，对电网的供电没有特殊要求，能够实现线性的可调光，不会额外增加功耗，且保持较高的功率因素。

一种电感镇流器气体放电灯的控制器，包括：

储能器件，其两端并联有开关器件，用于在开关器件导通或截止状态下，通过充放电对气体放电灯的电感镇流器进行限流调节；

过零点检测电路，与储能器件连接，用于对储能器件两端电压进行过零检测，输出过零点信号；

电压比较电路，与过零点检测电路相连，用于使所述的过零点信号与外部输入的调光控制信号进行比较，产生过零开启信号；进而使所述的过零开启信号与调光控制信号进行二次比较，以确定气体放电灯的调光范围并输出驱动信号；

驱动电路，与电压比较电路和开关器件相连，用于对所述的驱动信号进行隔离及功率放大后输出开关控制信号以控制所述的开关器件。

优选地，所述的储能器件采用硅钢片功率电感，其一端接火线，另一端接电感镇流器；其电感量的大小，决定了节能型电感整流器的一个可调光的范围，可以按照客户需求，调整电感量，满足所需的调光范围；采用低频硅钢片制作的功率电感具有体积小巧，发热量少等优点。

优选地，所述的过零点检测电路包括两个电阻R1～R2、两个电容C1～C2和一晶体管输出型光电耦合器U1；其中，电阻R1的一端与电容C1的一端和储能器件的一端相连并接火线，电阻R1的另一端与光电耦合器U1的第一输入端相连，电容C1的另一端与光电耦合器U1的第二输入端和储能器件的另一端相连；光电耦合器U1中晶体管的基极与电容C2的一端相连，集电极接电源电压，发射极与电容C2的另一端和电阻R2的一端相连并输出所述的过零点信号，电阻R2的另一端接地；该电路结构能够有效保护控制器内部元件，实现高低压隔离。

所述的电压比较电路包括两个比较器B1～B2、五个电阻R3～R7、二极管D和稳压二极管ZD；其中，比较器B1的正相输入端与电阻R4的一端和电阻R5的一端相连，反相输入端接收所述的过零点信号，输出端与电阻R3的一端、二极管D的阳极和稳压二极管ZD的阴极相连；电阻R4的另一端接收所述的调光控制信号，电阻R5的另一端接地，电阻R3的另一端接电源电压；比较器B2的正相输入端与二极管D的阴极相连，反相输入端与电阻R6的一端和电阻R7的一端相连，输出端输出所述的驱动信号；电阻R6的另一端接收所述的调光控制信号，电阻R7的另一端与稳压二极管ZD的阳极相连并接地。

所述的驱动电路包括光电双向可控硅驱动器U3和电阻R8；其中，驱动器U3输入侧发光二极管的阳极接电源电压，阴极接收所述的驱动信号；驱动器U3输出侧双向可控硅的一端与电阻R8的一端相连，另一端与开关器件的一端相连；电阻R8的另一端与开关器件的控制极相连且输出所述的开关控制信号，开关器件的另一端接火线。

所述的调光控制信号为0～10V的电压信号；所述的过零点检测电路、电压比较电路和驱动电路以所述的调光控制信号作为工作电压，使控制器实现内部无源工作。

所述的开关器件采用双向可控硅。

本发明控制器可通过低功耗低电压的控制芯片实现，芯片采用无源工作的方式，通过在外接的调光控制信号上提取电源电压为芯片内部电路供电，完全能满足芯片内部工作，无需为控制芯片单独设计电源电路，减少了芯片内部电路结构，提高控制芯片的可靠性。

本发明通过过零点检测电路检测220VAC/50Hz交流电的交流变换，输出交流电过零点信号，将该信号与调光控制信号进行多次比较，得到驱动开关元件的驱动信号，用以驱动开关元件的导通与截止，开关元件与主功率电感是并联的关系，当开关元件闭合状态下，主功率电感处于被短路状态；当开关元件截止状态下，主功率电感处于连入整体电路中；在这一整个的过程中，主功率电感调整电感整流器中存储的能量，从而调节负载的电能，实现最终的调光节能效果。

同时，本发明采用可控硅作为开关器件，采用过零导通/零点断开技术，降低了可控硅实现降压产生的很大谐波，从而降低了谐波对其他设备和电网的影响；因为电感镇流器在调光的过程中，内部的电动势和感应电动势都是处于一个动态的瞬态平衡中，会造成瞬间的电流有变化，因此本发明用可控硅在瞬间导通电流的选择上有冗余；因电感镇流器是处于长时间大功率的工作状态下，所以可控硅的散热有要求。

在原有的电感镇流器上串联本发明控制器，能够克服原电感镇流器不能单独调光的现象，对电网的供电没有特殊要求，能够实现线性的可调光，不会额外增加功耗，而且保持较高的功率因素；而且不需要对现有的路灯结构进行任何的改装，实现真正意义上的智能节能控制的同时也节省成本；无需另外购置配套的电感镇流器产品，节省了智能照明升级的成本。

同时，本发明融合了PLC通讯技术，将控制信息转换成用户所需的操作动作，实现对电感镇流器的各功能控制，实现了真正意义上的节能调光和智能控制。配合系统上位机的使用，可以定时定终端的实施固定功率调光，线性功率调光并对调光现象进行实时反馈；融合PLC智能控制模块，还能对电感镇流器进行故障报警和实时功率采集等。

附图说明

图1为本发明控制器的结构示意图。

图2为过零点检测电路的结构示意图。

图3为电压比较电路的结构示意图。

图4为驱动电路的结构示意图。

图5为本发明控制芯片与电感镇流器的连接示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。

如图1所示，一种电感镇流器气体放电灯的控制器，包括：功率电感、双向可控硅Z、过零点检测电路、电压比较电路和驱动电路；其中：

双向可控硅Z并联于功率电感两端。

功率电感一端接火线L，另一端接电感镇流器；其用于在双向可控硅Z导通或截止状态下，通过充放电对气体放电灯的电感镇流器进行限流调节；本实施方式中，功率电感采用低频硅钢片制作，具有体积小巧，发热量少等优点；其电感量的大小，决定了节能型电感整流器的一个可调光的范围，可以按照客户需求，调整电感量，满足所需的调光范围。

过零点检测电路与功率电感相连，用于对功率电感两端电压进行过零检测，输出过零点信号；如图2所示，本实施方式中过零点检测电路包括两个电阻R1～R2、两个电容C1～C2和一晶体管输出型光电耦合器U1；其中，电阻R1的一端与电容C1的一端和功率电感的一端相连并接火线L，电阻R1的另一端与光电耦合器U1的第一输入端相连，电容C1的另一端与光电耦合器U1的第二输入端和功率电感的另一端相连；光电耦合器U1中晶体管的基极与电容C2的一端相连，集电极接电源电压VCC，发射极与电容C2的另一端和电阻R2的一端相连并输出过零点信号，电阻R2的另一端接地。光电耦合器U1采用型号为TLP630（东芝TOSHIBA）的晶体管输出型光电耦合器。

电压比较电路与过零点检测电路相连，用于使过零点信号与外部输入的调光控制信号进行比较，产生过零开启信号；进而使过零开启信号与调光控制信号进行二次比较，以确定气体放电灯的调光范围并输出驱动信号；如图3所示，本实施方式中电压比较电路包括两个比较器U2A和U2B、五个电阻R3～R7、二极管D和稳压二极管ZD；其中，比较器U2A的正相输入端与电阻R4的一端和电阻R5的一端相连，反相输入端接收过零点信号，输出端与电阻R3的一端、二极管D的阳极和稳压二极管ZD的阴极相连；电阻R4的另一端接收调光控制信号，电阻R5的另一端接地，电阻R3的另一端接电源电压VCC；比较器U2B的正相输入端与二极管D的阴极相连，反相输入端与电阻R6的一端和电阻R7的一端相连，输出端输出驱动信号；电阻R6的另一端接收调光控制信号，电阻R7的另一端与稳压二极管ZD的阳极相连并接地。本实施方式中调光控制信号为0～10V的电压信号，电源电压VCC即采用0～10V的调光控制信号。

驱动电路与电压比较电路和双向可控硅Z相连，用于对驱动信号进行隔离及功率放大后输出开关控制信号以控制双向可控硅Z；如图4所示，本实施方式中驱动电路包括光电双向可控硅驱动器U3和电阻R8；其中，驱动器U3输入侧发光二极管的阳极接电源电压VCC，阴极接收驱动信号；驱动器U3输出侧双向可控硅的一端与电阻R8的一端相连，另一端与双向可控硅Z的一端相连；电阻R8的另一端与双向可控硅Z的控制极相连且输出开关控制信号，双向可控硅Z的另一端接火线。驱动器U3采用型号为IL4208（威世通VISHAY）的光电双向可控硅驱动器。

本实施方式控制器可通过低功耗低电压的控制芯片实现，如图5所示；交流火线接入控制芯片的ACIN端，(control_0-10V)的控制调光电压接入到控制芯片的(control_0-10V)输入端，由(control_0-10V)的控制调光电压的变化，来控制双向可控硅的导通角度。需要调光的过程中，改变(control_0-10V)控制调光电压，可以改变开关器件在交流波形中在相应的角度导通，在双向可控硅不导通的情况下，交流电通过功率电感给电感镇流器提供能量，功率电感在该时段中起到了储能/限流作用，此时电感镇流器上的输出功能就会很小，整体的功率降低。当双向可控硅在某一时段内导通后，交流电通过双向可控硅直接给电感镇流器供电，提供了电感镇流器的输出功率，但是这个变化会比较缓慢，在交流负半周过零点时，双向可控硅又有一个相位角不导通，功率电感又进行储能/限流的作用，当双向可控硅在特定的相位角上导通后，交流电通过双向可控硅直接给电感镇流器供电，提供了电感镇流器的输出功率，又缓慢的提高输出功率，以此对电感镇流器输出功率进行调节，因此可以得到一个平均的输出功率，实现电感镇流器功率调节。

双向可控硅的导通角度由(control_0-10V)的外接控制电压决定，控制芯片的取电完全取自于外接的(control_0-10V)电压，控制芯片内部采用了低功耗宽电压工作的器件，以达到无源工作，提高了电路的工作稳定性以及控制芯片的自身功耗。

本实施方式中，过零点检测电路检测交流电在220VAV/50Hz的正弦波状态下的一个电流方向变化过程，在此过程中，当电流方向发生变化的同时，交流电压处于最低值，过零点检测电路通过检测过零点输出过零点信号(zero-crossing)，用于后续电路中的过零点开启；电压比较电路采集交流过零点信号(zero-crossing)，根据外接调光控制信号(control_0-10V)的电压变化，输出不同的驱动信号(Optocoupler_driver)；将过零点信号(zero-crossing)和调光控制信号(control_0-10V)通过反向比较器进行电压比较，输出过零开启信号(zero-sure)，再将过零开启信号(zero-sure)和调光控制信号(control_0-10V)通过正向比较器进行比较，输出结合了零点开启确认信号(zero-sure)和调光控制信号(control_0-10V)的驱动信号(Optocoupler_driver)；驱动电路控制双向可控硅的开启和关闭，该电路通过电压比较电路部分输出的驱动信号(Optocoupler_driver)驱动光耦U3，光耦U3输出控制开关控制模块信号(silicon_control)，用于使双向可控硅的导通/关闭。

本实施方式通过过零点检测电路检测220VAC/50Hz交流电的交流变换，输出交流电过零点信号，将该信号与调光控制信号进行多次比较，得到驱动开关元件的驱动信号，用以驱动开关元件的导通与截止，开关元件与主功率电感是并联的关系，当开关元件闭合状态下，主功率电感处于被短路状态；当开关元件截止状态下，主功率电感处于连入整体电路中；在这一整个的过程中，主功率电感调整电感整流器中存储的能量，从而调节负载的电能，实现最终的调光节能效果。

同时，本实施方式采用可控硅作为开关器件，采用过零导通/零点断开技术，降低了可控硅实现降压产生的很大谐波，从而降低了谐波对其他设备和电网的影响；因为电感镇流器在调光的过程中，内部的电动势和感应电动势都是处于一个动态的瞬态平衡中，会造成瞬间的电流有变化，因此本实施方式用可控硅在瞬间导通电流的选择上有冗余；因电感镇流器是处于长时间大功率的工作状态下，所以可控硅的散热有要求。

在原有的电感镇流器上串联本实施方式控制器，能够克服原电感镇流器不能单独调光的现象，对电网的供电没有特殊要求，能够实现线性的可调光，不会额外增加功耗，而且保持较高的功率因素；而且不需要对现有的路灯结构进行任何的改装，实现真正意义上的智能节能控制的同时也节省成本；无需另外购置配套的电感镇流器产品，节省了智能照明升级的成本。

同时，本实施方式融合了PLC通讯技术，将控制信息转换成用户所需的操作动作，实现对电感镇流器的各功能控制，实现了真正意义上的节能调光和智能控制。配合系统上位机的使用，可以定时定终端的实施固定功率调光，线性功率调光并对调光现象进行实时反馈；融合PLC智能控制模块，还能对电感镇流器进行故障报警和实时功率采集等。

Claims (5)

1.一种电感镇流器气体放电灯的控制器，其特征在于，包括：

储能器件，其两端并联有开关器件，用于在开关器件导通或截止状态下，通过充放电对气体放电灯的电感镇流器进行限流调节；

过零点检测电路，与储能器件连接，用于对储能器件两端电压进行过零检测，输出过零点信号；

电压比较电路，与过零点检测电路相连，用于使所述的过零点信号与外部输入的调光控制信号进行比较，产生过零开启信号；进而使所述的过零开启信号与调光控制信号进行二次比较，以确定气体放电灯的调光范围并输出驱动信号；

驱动电路，与电压比较电路和开关器件相连，用于对所述的驱动信号进行隔离及功率放大后输出开关控制信号以控制所述的开关器件；

所述的电压比较电路包括两个比较器B1～B2、五个电阻R3～R7、二极管D和稳压二极管ZD；其中，比较器B1的正相输入端与电阻R4的一端和电阻R5的一端相连，反相输入端接收所述的过零点信号，输出端与电阻R3的一端、二极管D的阳极和稳压二极管ZD的阴极相连；电阻R4的另一端接收所述的调光控制信号，电阻R5的另一端接地，电阻R3的另一端接电源电压；比较器B2的正相输入端与二极管D的阴极相连，反相输入端与电阻R6的一端和电阻R7的一端相连，输出端输出所述的驱动信号；电阻R6的另一端接收所述的调光控制信号，电阻R7的另一端与稳压二极管ZD的阳极相连并接地；

所述的过零点检测电路包括两个电阻R1～R2、两个电容C1～C2和一晶体管输出型光电耦合器U1；其中，电阻R1的一端与电容C1的一端和储能器件的一端相连并接火线，电阻R1的另一端与光电耦合器U1的第一输入端相连，电容C1的另一端与光电耦合器U1的第二输入端和储能器件的另一端相连；光电耦合器U1中晶体管的基极与电容C2的一端相连，集电极接电源电压，发射极与电容C2的另一端和电阻R2的一端相连并输出所述的过零点信号，电阻R2的另一端接地；

所述的驱动电路包括光电双向可控硅驱动器U3和电阻R8；其中，驱动器U3输入侧发光二极管的阳极接电源电压，阴极接收所述的驱动信号；驱动器U3输出侧双向可控硅的一端与电阻R8的一端相连，另一端与开关器件的一端相连；电阻R8的另一端与开关器件的控制极相连且输出所述的开关控制信号，开关器件的另一端接火线。

2.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于：所述的储能器件采用硅钢片功率电感，其一端接火线，另一端接电感镇流器。

3.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于：所述的过零点检测电路、电压比较电路和驱动电路以调光控制信号作为电源电压。

4.根据权利要求3所述的控制器，其特征在于：所述的调光控制信号为0～10V的电压信号。

5.根据权利要求1所述的控制器，其特征在于：所述的开关器件采用双向可控硅。