CN1075336C - 电路设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括用于操纵电灯(La)的DC-AC变换器的电路装置。依据本发明，本发明装置还包括：二极管(D1、D2)、线圈(L1)和两个电容器(C2、C3)，以下述方式来确定谐振频率，使该线圈与并联连接的两个电容器的串联电路的谐振频率大约等于DC-AC变换器的工作频率。因此，由此可使本电路装置具有高功率因数。

Description

电路设备
本发明涉及一种用于操纵电灯的电路装置，它设有：
-连接到供电电压源的端子；
-设有第一输出端和第二输出端并且耦联到该端子上的、用于对由供电电压源供给的AC电压进行整流的整流装置；
-设有第一输入端和第二输入端的、并耦联到各自输出端的DC-AC变换器；
-包括第一电容装置并将输入端互连的第一分路；
-包括第一电感装置和第二电容装置的串联电路的、并且使第一输出端连到第二输出端的第二分路；
-包括两个单向性元件的串联电路的、并且把第一电感装置和第二电容装置的共同结点连接到第一输入端的第三分路；以及
-包括第三电容装置的、并且把单向性元件的共用结点与在电灯工作时出现高频电压的DC-AC变换器的点相连接的第四分路。
这样的电路装置已见于欧洲专利申请0244644。在已有的电路装置中，第一分路特别起到改善电路装置功率因数功能的滤波器的作用。为了满意地达到此功能，第一电感装置的自感选得如此之大，以致第一电感装置成为电路装置庞大而昂贵的部分。
本发明的目的是提供一种其功率因数相当高的、并且其第一分路的第一电感装置具有相当低的自感的电路装置。
依据本发明，为此目的在上节中描述的电路装置的特征是，由第一电感装置与由第二电容装置和第三电容装置并联电路而构成串联电路的谐振频率，被选定在由0.1Fb和0.2Fb限定的范围内，其中Fb是DC-AC变换器的工作频率。
已发现，依据本发明的电路装置有相当高的功率因数。因为DC-AC变换器的工作频率通常在10KHz的数量级或更高，所以可以把第一电感装置的自感和第二与第三电容装置的电容值选得较低，因而使电路装置不包括任何庞大或较贵的元件。
还已发现，特别高的功率因数值之所以可以实现是因为由第一电感装置及由第二电容装置和第三电容装置的并联电路而构成串联电路的谐振频率被选在0.5Fb和1.5Fb所限定的范围内。
已发现，如此来构成DC-AC变换器，也就是使其包括耦联到输入端的两个开关元件的串联电路，并使其第四分路把单向性元件的共用结点连接到开关元件的共用结点上，很有好处。之所以能实现很高的功率因数，是因为在电灯工作时，有相当大幅度的高频电压施加到两个开关元件的共用结点上。
也已发现，当选择第二电容装置的电容量与第三电容装置的电容量之间的比率在由1和4限定的范围内时，很有好处。
按照本发明在DC-AC变换器的工作频率是约1MHz量级的电路装置中，测量将得到相当好的结果。这种电路设备将用于，例如，操纵无电极电灯。因为工作频率非常高，所以第二和第三电容装置的相当大的部分是由电路装置中元件和导电连线的寄生电容形成。
为了加强依据本发明的测量所取得的效果，可以在电路装置中两次实施依据本发明的测量。这种电路设备包括：除第一电感装置之外，还有第二电感装置，第二分路包括第一电感装置、第二电容装置和第二电感装置的串联电路，而且该电路装置还设有：
-一个第五分路，它包括另外两个单向性元件的串联电路，并且把第二输入端连接到第二电容装置与第二电感装置的共用结点上，以及
-一个第六分路，它包括第四电感装置，并且把另外的单向性元件的共用结点连接到电灯工作时出现高频电压的DC-AC变换器的接点上。
用这样的电路装置已达到非常好的效果，即其中的DC-AC变换器包括耦联到输入端的两个开关元件的串联电路，并且第六分路把另一单向性元件的共用结点连接到该开关元件的共用结点。
参照附图，将更详细地阐明本发明的实施例，其中：
图1表示依据本发明的电路装置的一个实施例；
图2表示依据本发明的电路装置的另一个实施例；以及
图3表示由供电电压源提供的电流对图1所示实施例的各种取值的关系。
在图1中，K1和K2构成了连接到供电电压源的端子。RB是耦联到端子上的整流装置，用来对由供电电压源供给的AC电压进行整流。K3和K4分别是第一和第二输出端。K3和K4分别耦联到由输入端K5和K6、开关元件Q1和Q2、电容器C4和C5及线圈Ba组成的DC-AC变换器的第一输入端K5和第二输入端K6。另外，图1的DC-AC变换器包括用来使开关元件Q1和Q2交替导通和不导通的装置(未示出)。放电灯La连接到DC-AC变换器。此DC-AC变换器的结构如下。第一输入端K5和第二输入端K6是由开关元件Q1和Q2串联电路互连的。两输入端也是由电容器C4和电容器C5的串联电路互连的。开关元件Q1和Q2的共用结点通过线圈Ba和电灯La的串联电路接到电容器C4和C5的共用结点上。包括第一电容装置的第一分路由电容器C1组成，同时还互连到两输入端。由线圈L1和电容器C2组成的第二分路互连到输出端K3和K4。本实施例中的线圈L1和电容器C2分别构成了第一电感装置和第二电容装置。包括两个单向元件串联电路的第三分路，把线圈L1和电容器C2的共用结点连接到输入端K5。本实施例的两个单向性元件由二极管D1和二极管D2组成。电容器C3构成了第三电容装置，同时构成了把两个二极管D1和D2的共用结点连接到两个开关元件Q1和Q2的共用结点上的第四分路。输出端K4连接到输入端K6上。本电路装置是这样确定的：由线圈L1及电容器C2与电容器C3并联电路而组成串联电路的谐振频率大约等于DC-AC变换器的工作频率。
图1所示电路装置的工作如下。
当端子K1和K2连接到供电电压源上时，整流装置RB把供电电压源供给的AC电压，整流成出现在输出端K3和K4之间的DC电压。同时，使得开关元件Q1和Q2以频率f交替地导通和不导通。由于在电灯稳定工作时DC电压出现在电容器C1的两端，使得一个频率为f的高频交变电流流过电灯La。电容器C3通过二极管D1由供电电压源充电，并随后也以频率f通过二极管D2和电容器C1放电。结果，在电灯稳定工作时，电容器C1的两端会出DC电压，其幅值大于由供电电压源提供的AC电压的最大幅值。因此当AC电压的幅值达到其最大值时，还可以防止由供电电压源产生峰值电流。因为频率f大约等于由线圈L1与电容器C2与电容器C3的并联电路构成的串联电路的谐振频率，所以C3两端的高频电压幅值就相当大。其结果，在每个高频周期的一部分期间内来自电容器C3的给电容器C1充电的充电电流会相当高。当AC电压的瞬时幅值超过一定的阈值时，电容器C3两端的高频电压的最大幅值将达到与出现在电容器C1两端的DC电压的幅值相等的值。电容器C3两端的高频电压幅值也不会随着AC电压的瞬时幅值的进一步增加而有任何增加。这也意味着，来自电容器C3的电容器C1的充电电流也不会有任何增加。电容器C3两端的高频电压最大幅值的限制也限制了电容器C2两端高频电压的最大幅值。结果，在每个高频周期的一部分期间内，通过线圈L1的电流直接给电容器C1充电。当AC电压的瞬时幅值超过阈值时，这一直接充电电流实际上补偿了来自电容器C3的充电电流不再增加这一实际情况。这样就达到了从供电电压源吸收的总充电电流(由通过电容器C3的充电电流和通过线圈L1的直接充电电流组成)大约与AC电压的瞬时幅值成正比例，即，电路装置的功率因数相当地高。
在图2所示的电路装置中，与图1所示的电路装置元件对应的所有元件都具有相同的标号。图2所示的电路装置包括：除由线圈L1构成的第一电感装置外，还有由线圈L2构成的第二电感装置。本实施例的第二分路是由线圈L1、电容器C2和线圈L2的串联电路构成。二极管D3和D4组成另外的单向性元件。二极管D3和二极管D4串联构成把第二输入端K6连接到电容器C2和线圈L2的共用结点的第五分路。本实施例中的电容器C6构成第四电容装置同时构成把二极管D3和二极管D4的共用结点连接到开关元件Q1和Q2共用结点的第六分路。电路参数范围是如此选择的，使得由线圈L2和并联的电容器C6与电容器C2串联而成的电路的谐振频率大约等于DC-AC变换器的工作频率。还这样地选择电路参数范围，使得由线圈L1和并联的电容器C2与电容器C3串联而成的电路的谐振频率大约等于DC-AC变换器的工作频率。
图2所示电路设备的工作如下。
如图2所示的电路装置，在每个高频周期内，电容器C3交替地通过二极管D1由供电电压源充电并且通过二极管D2和电容器C1放电。此外，在图2所示的电路装置中，在每个高频周期内，电容器C6还通过二极管D4由供电电压源充电并且通过二极管D3和电容器C1放电。这样做的结果是，在每个高频周期内电容器C1顺序地由电容器C3和电容器C6来充电。因而电容器C1两端的DC电压的幅值将相当高，这将有利于提高本电路装置的功率因数。当AC电压的瞬时幅值超过当电容器C6两端的高频电压最大幅值等于由电容器C1两端的DC电压幅值时的阈值时，在每个高频周期的一部分期间，电容器C1就同样地直接由通过线圈L2的电流充电。当AC电压的瞬时幅值还超过当电容器C3两端的高频电压最大幅值等于电容器C1两端的DC电压幅值时的另一阈值时，在每个高频周期的一部分期间，电容器C1同样地直接由通过线圈L1的电流充电。如给出这样的AC电压瞬时幅值的话，线圈L1的直接充电电流和线圈L2的直接充电电流实际上补偿了来自电容器C3和电容器C6的充电电流不会有任何增加这一实际情况。
图3示出其中供电电压是频率为50Hz、有效值为220V的正弦波AC电压时对图1所示实施例的各种范围而言从供电电压源得到的电流。电流以安培为单位绘制在垂直轴上。时间以秒为单位绘制的水平轴上。在0.005秒的时间间隔内，即，四分之一供电电压周期内，示出了电流波形。电容器C2的电容是11nF，电容器C3的电容也是这个值。DC-AC变换器的工作频率Fb是30KHz。顺次地选择线圈L1的自感量，使得电容器C2和电容器C3与线圈L1的并联电路的谐振频率，分别大约为0.5Fb、Fb、1.5Fb。从图3可以明显看出，在谐振频率大约等于Fb时，从供电电压源得到的电流表现出偏离正弦波形最小。这三种情况的功率因数分别是0.93、0.99、0.93。还可以从图3看出，当L1、C2和C3的谐振频率大约等于0.5Fb或1.5Fb时，从供电电压源得到的电流，低于当谐振频率大约是Fb时从自供电电压源得到的电流，因而在前两种情况下比在谐振频率等于Fb情况下从供电电压源得到的功率小。如果要使从谐振频率等于0.5Fb或1.5Fb的供电电压源中得到的功率等于从谐振频率大约等于Fb供电电压源中得到的功率，则需要对本电路装置的电路参数范围做进一步修改，而修改会导致消耗的功率增加和功率因数的减小。
依据如图1所示的本发明的电路装置的具体实施例中，线圈L1的自感为31μH，电容器C2的电容为58pF，以及电容器C3的电容为71pF。该DC-AC变换器的工作频率是2.65MHz。鉴于高的工作频率，电容器C2和电容器C3两者的电容量应加上寄生电容。用频率约50Hz有效电压为220V的正弦波AC电压给电路装置供电。该功率因数是0.96。当把电容器C3从电路装置中去掉时功率因数不大于0.53。

Claims (7)

1．一种用于操纵电灯的电路装置，它设有：
-连接到供电电压源的端子；
-设有第一输出端和第二输出端并耦联到所述端子上的、用于对由供电电压源供给的AC电压进行整流的整流装置；
-设有第一输入端和第二输入端的、并耦联到各自输出端的DC-AC变换器；
-包括第一电容装置并将输入端互连的第一分路；
-包括第一电感装置和第二电容装置的串联电路的、并且使第一输出端连到第二输出端的第二分路；
-包括两个单向性元件的串联电路的、并且把第一电感装置和第二电容装置的共同结点连接到第一输入端的第三分路；以及
-包括第三电容器装置的、并且把单向性元件的共用结点与在电灯工作时出现高频电压的DC-AC变换器的点相连接的第四分路，
其特征在于将由第一电感装置与由第二电容装置及第三电容装置的并联电路所组成串联电路的谐振频率选择在由0.1Fb和2.0Fb限定的范围内，其中Fb是DC-AC变换器的工作频率。
2．根据权利要求1的电路装置，其特征在于将由第一电感装置与由第二电容装置及第三电容装置的并联电路所组成的串联电路的谐振频率选择在由0.5Fb和1.5Fb限定的范围内。
3．根据权利要求1或2的电路装置，其特征在于DC-AC变换器包括耦联到输入端的两个开关元件的串联电路，而且第四分路把单向性元件的共用结点连接到开关元件的共用结点。
4．根据权利要求1或2的电路装置，其特征在于将第二电容装置的电容与第三电容装置的电容之比选择在由1和4所限定的范围内。
5．根据权利要求1或2的电路装置，其特征在于DC-AC变换器的工作频率高于1MHz。
6．根据权利要求1或2的电路装置，其特征在于本电路装置包括第二电感装置，第二分路包括由第一电感装置、第二电容装置和第二电感装置的构成的串联电路，本电路装置还设有：
-第五分路，它包括另两个单向性元件的串联电路，并把第二输入端连接到第二电容装置和第二电感装置的共用结点，以及
-第六分路，它包括第四电容装置，并把另外的单向性元件的共用结点连接到在电灯工作时其上出现高频电压的DC-AC变换器的点上。
7．根据权利要求6的电路装置，其特征在于所述DC-AC变换器包括耦联到输入端的两个开关元件的串联电路，并且第六分路把另外的单向性元件的共用结点连接到开关元件的共用结点上。
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