CN104380052A - 用于控制电气负载的方法、装置和系统 - Google Patents
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Abstract
公开的是一种用于控制电气负载的系统、装置和方法。与电气负载并联地提供旁路器件，该旁路器件在使用中，当控制电气负载的控制器处于低传导或断开状态时，采用高传导或低阻抗状态。在一个实施例中，旁路器件包括用于检测控制器的传导状态的检测器、和用于响应于检测到的控制器的状态来控制旁路器件的阻抗的旁路控制。
Description
技术领域
本申请涉及诸如照明设备的电气负载的控制。
优先权要求
本申请要求于2012年5月16日提交的标题为“Method,Apparatus andSystem for Controlling an Electrical Load(用于控制电气负载的方法、装置和系统)”的澳大利亚临时专利申请No.2012902012的优先权。
通过引用在此合并此申请的全部内容。
通过引用的合并
在本申请中引用到以下文献：
PCT/AU03/00365，标题为“Improved Dimmer Circuit Arrangement(改善的调光器电路布置)”；
PCT/AU03/00366，标题为“Dimmer Circuit with Improved Inductive Load(具有改善的电感负载的调光器电路)”；
PCT/AU03/00364，标题为“Dimmer Circuit with Improved Ripple Control(具有改善的纹波控制的调光器电路)”；
PCT/AU2006/001883，标题为“Current Zero Crossing Detector in ADimmer Circuit(调光器电路中的电流过零检测器)”；
PCT/AU2006/001882，标题为“Load Detector For A Dimmer(用于调光器的负载检测器)”；
PCT/AU2006/001881，标题为“A Universal Dimmer(一种通用调光器)”；
PCT/AU2008/001398，标题为“Improved Start-Up Detection in a DimmerCircuit(调光器电路中的改善的启动检测)”；
PCT/AU2008/001399，标题为“Dimmer Circuit With Overcurrent Detection(带有过电流检测的调光器电路)”；
PCT/AU2008/001400，标题为“Overcurrent Protection in a Dimmer Circuit(调光器电路中的过电流保护)”；以及
澳大利亚临时专利申请No 2011904151，标题为“Dimmable LightEmitting Diode Load Driver with Bypass Current(具有旁路电流的可调光发光二极管负载驱动器)”。
通过引用在此合并这些文献的每篇的全部内容。
背景技术
在电气负载控制系统中可以控制的电气负载包括灯(包括紧凑型荧光灯(CFL)和发光二极管(LED)灯)、风扇和马达。一种控制这样的负载的方法是通过使用诸如相位控制调光电路的控制器。
相位控制调光电路(也被称为调光器电路或简单称为调光器)用于控制从诸如供电或市电电力的电源提供给负载的功率。具体地，功率控制是由电源提供的电流的控制。这样的电路常常使用被称为相位控制调光的技术。这允许通过改变在给定的周期期间将负载连接到电源的开关的导通时间量来控制提供给负载的功率。
例如，如果由电源提供的电压可以通过正弦波来表示，那么如果将负载连接到电源的开关一直接通，则向负载提供最大功率。用这种方式，电源的总能量被传送给负载(减去如本领域技术人员将理解的通常的损耗)。如果对于每个周期的一部分(正和负两者)关断开关，那么正弦波的成比例量被有效地从负载隔离，从而减少提供给负载的平均能量。例如，如果开关在每个周期中被接通和关断一半，那么仅仅大约一半的功率将被传送给负载。如果负载是灯，则这导致灯展现减少的亮度。如果每个周期期间切换的点随着时间而变化，则整体效果将是，例如在灯的情况下，流畅的调光行为导致对光的亮度的控制。
图1显示用于控制给负载20的功率进而控制负载本身的典型的电气负载控制系统100。控制系统100被连接到电力供应或电源10，其在典型的情况中是市电或供应电力，但是也可以是任何其它合适的电源。
与负载20串联连接的是控制器30，诸如调光器电路。如上所述，控制器30将控制从电源10传递给负载20的功率量。
一些电气负载对当调光器或控制器被切断(即，不传导)时由漏电流引起的无意的激励敏感，特别是使用电子切换来切换到断开状态或非传导状态的控制器中的漏电流引起的无意的激励。这样无意的激励的故障现象(symptom)包括在灯的情况中的负载的间歇照明或者风扇或马达的无意的不稳定启动(actuation)。另外跨越整个控制范围的一些负载的控制可以通过改变负载的阻抗来削弱。
图2显示诸如发光二极管(LED)或紧凑型荧光灯(CFL)灯的典型的复杂的电气负载20的一般配置。经由连接点24a和24b将负载20连接至电源10。典型地将输入电容器25跨接连接点24a、24b，其还被连接至整流器21的输入。典型地将整流器21的电压输出连接至储存电容器26，储存电容器26提供用于内部负载控制电子器件22的供电，内部负载控制电子器件22驱动例如紧凑型荧光管或发光二极管23。将理解，在这些情况中，“电气负载”包括诸如LED或CFL的主负载以及在使用中支持它的操作的额外的电子元件。
图3A和3B显示与诸如上述的典型的复杂电气或电子负载串联的控制器30(例如调光器或调光器电路)两端的典型的电压波形。图3A显示随着来自电源的波形在它的周期上变化的调光器两端的电压波形，而图3B显示负载两端的电压波形。将注意到，当对负载的驱动被切断时，负载两端的电压没有立即下降为零。在图3A中将切断点指示为点11。如上所述，这样的行为可以有助于(contribute to)控制调光电路之内的困难，诸如过零12检测和用于内部调光器操作的可用功率的减少。
过去，已经尝试通过提供与负载并联的传导元件(有时候被称为“旁路”元件)来解决这些问题中的一些。这样的元件包括可选地具有正温度系数的低功率白炽灯或等效电阻器，或者电容器。然而，这些布置会遭受很多缺点，包括过大的功率耗散，并且诸如电容器的电抗性元件会削弱相关调光器在功率波形中定位诸如过零的关键点的能力。
发明内容
在一个方面中，提供了用在电气负载控制系统中的旁路器件，该电气负载控制系统包括电气负载和用于控制从电源提供给电气负载的功率的控制器，旁路器件用于与电气负载并联连接，旁路器件包括：
检测器，用于检测控制器何时处于低传导或断开状态；以及
旁路控制，用于当检测器检测到控制器处于低传导或断开状态时，促使旁路器件采用低阻抗状态。
在一种形式中，旁路器件进一步包括输入端子，并且其中检测器包括用于经由输入端子检测负载两端的电压信号的波形中的高频分量的高频分量检测器。
在一种形式中，旁路控制包括电压限制器，该电压限制器用于当检测器检测到所述控制器处于低传导或断开状态时将旁路器件的输入端两端的电压限制为最大电压值。
在一种形式中，旁路器件进一步包括用于向检测器和旁路控制中的至少一个提供功率的电源单元。
在一种形式中，检测器还用于检测控制器何时处于高传导或接通状态，并且其中旁路控制还用于当控制器处于高传导或接通状态时促使旁路器件采用高阻抗状态。
根据第二方面，提供了用于控制提供给电气负载的功率的电气负载控制系统，包括：
电气负载；
控制器，用于控制从电源提供给电气负载的功率；以及
与电气负载并联的旁路器件，其中旁路器件适用于当控制器处于低传导或断开状态时采用低阻抗状态。
在一种形式中，当控制器处于高传导或接通状态时，旁路器件适用于采用高阻抗状态。
在一种形式中，控制器是相位控制调光器电路。
在第三方面中，提供了一种在电气负载控制系统中控制传递给电气负载的功率的方法，该电气负载控制系统包括电气负载、用于控制提供给负载的功率的控制器、以及与电气负载并联的旁路器件，该方法包括：
检测控制器何时处于低传导或断开状态；以及
当控制器被检测为处于低传导或断开状态时，促使旁路器件采用低阻抗状态。
在一种形式中，检测控制器何时处于低传导或断开状态的步骤包括在电气负载两端的功率信号的波形中检测高频分量的存在。
在一种形式中，促使旁路器件采用低阻抗状态的步骤包括将旁路器件的输入端两端的电压限制为最大电压值。
附图说明
在此参照下面的附图来描述各种方面，附图中：
图1-显示典型的现有技术电气负载控制系统；
图2-显示典型的复杂电气负载的一般配置；
图3A-显示在图1的布置中的控制器两端的电压波形；
图3B-显示在图1的布置中的负载两端的电压波形；
图4A-显示根据在此描述的一方面的电气负载控制系统的布置；
图4B-显示被连接到供电器使用的图4A的布置；
图5-显示在图4A和4B的旁路器件中的检测器的一个实施例；
图6-显示在合并了供电器的图4A和4B的旁路器件中的检测器的另一实施例；
图7A-显示在控制器改变状态时的旁路器件的端子之间出现的电压波形；
图7B-显示在图7A的波形中检测到高频分量时产生的控制信号；
图7C-显示响应于图7B的控制信号的限制通过旁路控制的电流；
图8A-显示旁路器件两端的电压波形；
图8B-显示随着图8A的波形变化的控制器的阻抗；
图8C-显示随着控制器的阻抗变化的旁路器件的阻抗；
图9A-显示用于旁路器件的电路布置的一个实施例；
图9B-显示用于使用数字实施方式的旁路器件的电路布置的另一实施例；
图10A-显示当如图4A和4B中显示使用旁路器件时控制器两端的电压信号的波形；
图10B-显示当如图4A和4B中显示使用旁路器件时电气负载两端的电压信号的波形；
图11-显示根据所公开的一个实施例的一般方法的流程图；以及
图12-显示图11的一般方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
图4A显示用于连接至电源(未显示)的根据在此描述的一个方面的电气负载控制系统100的布置。那里显示的是电气负载20，其可以包括如图2中显示的布置，并且包括LED、CFL、风扇或马达。与电气负载20串联连接的是控制器30。在一个实施例中，控制器30是相位控制调光器电路或调光器。在一个实施例中，控制器是前沿相位控制调光器。在另一个实施例中，控制器是后沿相位控制调光器。在一个实施例中，控制器是没有连接到中性电力线的2线调光器。在另一个实施例中，控制器是连接到中性电力线的3线调光器。
虽然与调光器电路结构有关的细节不是本公开的主题，并且对于本领域技术人员将是已知的，但是在以下专利申请中公开了许多特定调光器电路配置的细节：PCT/AU03/00365，标题为“Improved Dimmer Circuit Arrangement(改善的调光器电路布置)”；PCT/AU03/00366，标题为“Dimmer Circuit withImproved Inductive Load(具有改善的电感负载的调光器电路)”；PCT/AU03/00364，标题为“Dimmer Circuit with Improved Ripple Control(具有改善的纹波控制的调光器电路)”；PCT/AU2006/001883，标题为“CurrentZero Crossing Detector in A Dimmer Circuit(调光器电路中的电流过零检测器)”；PCT/AU2006/001882，标题为“Load Detector For A Dimmer(用于调光器的负载检测器)”；PCT/AU2006/001881，标题为“A Universal Dimmer(通用调光器)”；PCT/AU2008/001398，标题为“Improved Start-Up Detectionin a Dimmer Circuit(调光器电路中的改善的启动检测)”；PCT/AU2008/001399，标题为“Dimmer Circuit With Overcurrent Detection(具有过电流检测的调光器电路)”；以及PCT/AU2008/001400，标题为“Overcurrent Protection in a Dimmer Circuit(调光器电路中的过电流保护)”。通过引用将这些文献的每个的全部内容合并于此。
在其它实施例中，控制器30可以是包括金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)或可控硅整流器(SCR)的任何其它合适的器件。
与电气负载20并联的有旁路器件40。如下面将更详细地描述的，在一个方面中，当控制器30处于低传导(高阻抗)或断开状态时，旁路器件40适用于采用低阻抗状态(高传导状态)。当控制器30处于低传导(高阻抗)或断开状态时，这使得减少通过负载20的漏电流的发生，如下面将更详细地描述的。
图4B显示被连接至电源或供应10的电气负载控制系统100，因为当在使用中时它会被连接。电源10将从国家到国家变化，但是在一些国家中，例如，电源10是在约50Hz或约60Hz的约110V至约240V的市电或供应源。
在其它实施例中，控制系统100被连接至独立于市电电网的便携式电源或本地电源，诸如备用电源。
在一个实施例中，如图5中显示，旁路器件40包括检测器41和旁路控制42。在使用中，检测器41检测控制器或调光器30何时从高传导状态(例如具有通常小于5欧的电阻)切换到低传导(例如具有通常多于100千欧的电阻)或断开状态。在另一实施例中，高传导状态的示例是小于或等于最大电阻的约0.01％的电阻，并且低传导状态的示例意味着大于或等于最大电阻的约90％的电阻。在其它实施例中，高传导状态是小于或等于最大电阻的约0.1％的电阻，并且在其它实施例中，意味着小于或等于最大电阻的约1％的电阻。仍然在其它实施例中，高传导状态意味着在最大电阻的约0.1％和约0.5％之间的电阻。仍然在其它实施例中，高传导状态意味着小于最大电阻的约10％的电阻。
这种检测可以通过很多不同的手段来进行，如下面将更详细地描述的。响应于检测器41检测到控制器或调光器30已经切换到低传导或断开状态，生成控制信号43并且将其提供给旁路控制42。一旦接收到控制信号43，旁路控制42就动作以减少旁路器件40的阻抗来采用低阻抗状态。在一个实施例中，最大阻抗约为150千欧，而最小阻抗约为1.5千欧。因此在一个实施例中，最小阻抗约为最大阻抗的1％。
在一个可选实施例中，检测器41还检测控制器或调光器30何时改变为高传导状态。在一些进一步的实施例中，一旦检测器41检测到控制器30已经改变为高传导状态，旁路控制42就动作以促使旁路器件40采用低传导或高阻抗状态。
图6显示旁路器件40的另一个实施例。在此实施例中，旁路器件40还包括向检测器41和旁路控制42提供功率的供电器44。
在一个实施例中，检测器41检测端子44a和44b上的电信号的变化，其结果提供了关于电气负载20的状态的信息。使用此信息，旁路控制器42动作以限制负载/旁路器件组合两端的电压以确保负载20被完全切断。
在一个实施例中，检测器41检测由关断的控制器30产生的、在端子44a和44b处的信号中的高频分量。一旦检测到这些高频分量，检测器41就产生控制信号43来促使旁路控制42将端子44a和44b之间的电压限制为最大电压值。在一个实施例中，此最大电压值约为50伏。在其它实施例中，此最大电压值在约40伏和约60伏之间。
图7A显示当控制器30关断时在端子44a和44b之间的电压波形。在此波形中，显示了上述高频分量。图7B显示检测器41在检测到这些高频分量时所产生的控制信号43。图7C显示响应于控制信号43的通过旁路控制42的电流限制，从而限制端子44a和44b之间的电压。
图8A显示如图7A中的旁路器件40两端的电压的波形。图8B和8C分别显示控制器30和旁路器件40的阻抗(当它们在传导状态之间变化时)。特别时，图8C显示当控制器30处于低传导状态(或者高阻抗状态，例如断开状态)时旁路器件如何采用低阻抗状态。图8C还显示当控制器30处于高传导状态(或者低阻抗状态，例如接通状态)时旁路器件40采用高阻抗状态。
图9A显示上述示例的一个实施例。在此实施例中，电容器C1和电阻器R6的组合充当高通滤波器以使得端子44a和44b之间的电压的高频分量的负向趋势(negative going)能够关断晶体管Q4，从而产生控制信号43，其被传达给包括晶体管Q3和Q6和关联电阻器R18的旁路控制42。对于控制信号43生效(be asserted)的时段，进而导通晶体管Q4。可选地，电阻器R18可以是还保护电路免于过多的功率耗散的正温度系数电阻器。
在替换实施方式(未示出)中，控制信号43可以被锁存，并且仅在随后的市电半周期的开始处被重置。这样的实施方式将对旁路控制42的保持驱动该周期的其余持续时间。
还在图9A中显示了可以可选地与上述第一示例并联使用的检测器41的额外的功能。此元件的功能是当负载20两端的电压小于某一预计值时维持对串联旁路器件40的电流供应。在此实施例中，当端子44a和44b之间的电压降到预计值之下时，切断晶体管Q4。在一个实施例中，预计值约为50V。在另一实施例中，预计值在约40V和约60V之间。如上所述，此晶体管的集电极将控制信号43传达给旁路控制42，旁路控制42包括与电阻器R18串联的晶体管Q3和Q6。此布置的功能起作用以在低电压处增加在端子44a和44b之间流动的电流，这改善了对控制器的功率的流动。此外，此功能帮助抑制当控制器30是驱动电感负载的前沿模式调光器电路时所产生的电压和电流的合成振铃信号(resultant ringing)。
用于检测器41和旁路控制42的功率要么是在元件之内内部得到，要么可以通过分离的PSU 44来供应。可以在图9A中看到此PSU实施方式的示例，包括二极管D16、D17、D18和D19。如先前描述的，提供PSU 44的这些元件是可选的并且不需要存在，如在图5中指示的。
图9B显示对图9A的实施例的另一实施例替换例。在此实施例中，以作为微控制器的数字形式来提供检测器41(例如由德州仪器公司提供的一个微控制器，例如在标识为MSP430x2xx的器件家族中，并且作为一个特定的示例MSP430F2012)。在此实施例中，供电器PSU 44被提供，并且被微处理器/检测器41控制，从而高效率地工作。
在此布置中，当通过二极管电桥(1)传导旁路的供电电流和放电电流两者时，二极管电桥(1)整流旁路器件40两端的电压以使得旁路器件40针对正的半周期和负的半周期一样地工作。框(3)提供市电电压采样并将此馈送到微处理器/检测器41用在其操作中。框(4)提供110V交叉检测，用于向检测器/微处理器41提供触发信号，并且框(5)提供用于监视供电器44储存电容器的电压的电路。框(6)提供温度监视功能，而旁路控制器42由电阻器R18和受控电流源(8)提供。
图10A和10B显示作为利用旁路器件40的结果的在控制器或调光器30和电气负载20两端的电压外形的变化。这些波形示出调光器电压波形之内的参考点(诸如过零12)的改善的描绘，并且可以分别与图3A和3B的没有使用旁路器件40的波形比较。
可以看出，更清楚地定义了功率源波形中的诸如过零点12的关键点，如本领域技术人员将理解，这允许调光器或控制器30更容易地检测它们的存在，从而使得它更高效率地起作用。此过程还导致调光器或控制器30的内部功率的可获得性提高，从而增强它的操作。
因此，如图11中显示，还提供了一种控制电气负载的一般方法200。在第一步骤210中，检测到控制器或调光器30进到低传导状态的动作。在步骤220中，在检测到控制器或调光器30进入到低传导状态中时，促使旁路器件40假定低阻抗状态。
在一般方法200的一个实施例300中，如图12中显示，在步骤310中，通过检测市电波形中的高频分量来执行假定低传导状态的控制器或调光器30的检测。在检测到这些高频分量时，在步骤320中产生控制信号，然后促使在步骤330中旁路控制器限制旁路器件40的端子44a和44b两端的电压。
将理解，存在很多其它方法来检测调光器或控制器30是否已经假定低传导或非传导状态。
一种方法是检测通过控制器或调光器30的传导的结束。可以使用很多方法来检测这个。
在此方法的一个实施例中，使用端子44a和44b之间的电压信号的带限差分(band limited differentiation)。
在此方法的另一个实施例中，该方法包括检测由于传导的停止导致的电压信号的间断。
在此方法的另一实施例中，利用例如“询问(challenge)”技术，对连接至端子44a和44b的电路的阻抗变化进行检测，其中在“询问”技术中在端子44a和44b两端切换内部测试负载，并且测量随后的电压改变。
在另一种方法中，使用微处理器来代替如上述的旁路器件的测量和定时功能，从而改善它的精确度和效率。在微处理器之内，可以使用预言性技术，通过该技术可以使用一个周期中的测量来设置随后的周期中的切换时间(未显示)。可选地，这样的技术也能够自动地适应传导时间的改变。
在又另一种方法中，使用在本发明之外的额外的电流测量功能，该功能通常在调光器之内，当到负载20中的电流被检测为停止时，该调光器向旁路器件40传达控制信号。
在又另一种方法中，使用从负载20到调光器30的连接模式，凭借该模式负载电流通过旁路器件40并且因此可以用于激活上述电流分流功能。
在又另一种方法中，使用外部电流测量部件，诸如霍尔效应传感器，来检测到负载的电流的停止。
所述的各种实施例和方面当用在电气负载功率控制系统中时的优点包括：
a)当调光器处于断开状态时，防止电路漏电流对电气负载中的电容性元件充电，否则会导致间歇性激活；如果负载是紧凑型荧光灯或LED灯，则这样的激活包括负载的间歇性闪光。
b)不管调光器的传导状态，在完整的市电周期期间更好地向相关调光器的内部控制电路提供功率。
c)相关调光器检测触发其切换状态转变的市电波形上的参考点的能力增强。
d)相对于现有技术功耗减少。
e)相对于现有技术物理尺寸减小。
f)电磁辐射减少，否则可能与邻近的电子设备干扰。
g)提供了调光器的最大传导角的增加，从而增加了负载(灯)的可能亮度。通过提供供应调光器需要的功率的电流路径的旁路器件的基本功能，来获得最大传导角的增加。将理解，调光器常常调整它们的最大传导角来确保它们可以接收它们工作所需要的功率。在将电容性负载连接到调光器的情况中，负载的电容两端的剩余电压通过减小调光器两端的电压而恶化调光器的供电器的操作。
旁路器件帮助将负载的电容放电，并且提供电流路径以便调光器的供电器可以充电而不管电容性负载连接与否。
h)抑制由驱动电感负载的调光器电路(或控制器)所感应的电压振铃。
以上优点尤其适用于2线调光器配置，上面的a)、d)和e)项还提供对3线调光器配置的优点。
将理解，上面已经使用许多示范性实施例来描述，然而，可以通过在所附权利要求的范围之内的任何数量的其它合适的手段来执行在此描述的各方面。
Claims (11)
1.一种用在电气负载控制系统中的旁路器件，该电气负载控制系统包括电气负载和用于控制从电源提供给电气负载的功率的控制器，该旁路器件用于与电气负载并联连接，该旁路器件包括：
检测器，用于检测控制器何时处于低传导或断开状态；以及
旁路控制，用于当检测器检测到控制器处于低传导或断开状态时，促使旁路器件采用低阻抗状态。
2.如权利要求1中所述的旁路器件，进一步包括输入端，并且其中检测器包括高频分量检测器，该高频分量检测器用于经由输入端检测负载两端的电压信号的波形中的高频分量。
3.如权利要求2中所述的旁路器件，其中旁路控制包括电压限制器，当检测器检测到控制器处于低传导或断开状态时，电压限制器将旁路器件的输入端两端的电压限制为最大电压值。
4.如权利要求1至3中任何一个中所述的旁路器件，进一步包括用于向检测器和旁路控制中的至少一个提供功率的电源单元。
5.如权利要求1至4中任何一个中所述的旁路器件，其中检测器还用于检测控制器何时处于高传导或接通状态，并且其中旁路控制还用于当控制器处于高传导或接通状态时促使旁路器件采用高阻抗状态。
6.一种用于控制提供给电气负载的功率的电气负载控制系统，包括：
电气负载；
控制器，用于控制从电源提供给电气负载的功率；以及
与电气负载并联的旁路器件，其中旁路器件适用于当控制器处于低传导或断开状态时采用低阻抗状态。
7.一种如权利要求6中所述的电气负载控制系统，其中当控制器处于高传导或接通状态时，旁路器件适用于采用高阻抗状态。
8.如权利要求6或7中任何一个所述的电气负载控制系统，其中控制器是相位控制调光器电路。
9.一种在电气负载控制系统中控制传递给电气负载的功率的方法，该电气负载控制系统包括电气负载、用于控制提供给该负载的功率的控制器、以及与电气负载并联的旁路器件，该方法包括：
检测控制器何时处于低传导或断开状态；以及
当控制器被检测为处于低传导或断开状态时，促使旁路器件采用低阻抗状态。
10.如权利要求8中所述的方法，其中检测控制器何时处于低传导或断开状态的步骤包括在电气负载两端的功率信号的波形中检测高频分量的存在。
11.如权利要求9或10中任何一个中所述的方法，其中促使旁路器件采用低阻抗状态的步骤包括将旁路器件的输入端两端的电压限制为最大电压值。
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