CN1075337C - 含有连接到灯上的第一和第二电路支路的电路装置 - Google Patents

含有连接到灯上的第一和第二电路支路的电路装置 Download PDF

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Abstract

一种用来控制灯(La)的电路装置包括：用来连接到电压源上的电源输入端子(K1、K2)；备有初级绕组L1和次级绕组L2的变压器；含有用来支持灯的端子(N1、N2)并把次级绕组L2的第一端连接到第二端上的第一支路；包含开关元件(Q1)和初级绕组L1的串联电路并与电源输入端子互连的第二支路；耦合到开关元件的控制极上以便用来产生控制信号的控制电路(SC1)，该控制信号用来使开关元件导通和不导通，从而产生初级绕组L1中的第一电流和次级绕组L2中的第二电流。根据本发明，第二支路包括初级绕组(L1)、开关元件(Q1)、和用来连接灯的端子(N1、N2)的串联装置。由此，能实现借助于只通过部分灯电流的开关元件来控制灯的总电流。

Description

含有连接到灯上的第一和第二电路支路的电路装置
本发明涉及一种用来控制灯的电路装置，这种装置包括：
-用来连接到电压源上的电源输入端子；
-备有初级绕组L1和次级绕组L2的变压器；
-含有用来支持灯的端子、并把次级绕组L2的第一端连接到第二端上的第一支路；
-含有开关元件和初级绕组L1的串联电路并且与电源输入端子互连的第二支路；
-耦合到开关元件的控制极上并用来产生控制信号的控制电路，该控制信号用来使开关元件导通和不导通，从而产生初级绕组L1中的第一电流和次级绕组L2中的第二电流。
这样的电路装置，从美国专利US 5072155中可知。在该已知的电路装置中，在灯工作的期间内，把灯耦合到变压器的次级绕组L2上，由第二电流产生通过灯的电流。通过调节控制信号的频率和/或占空系数，可以在较宽的范围内调节灯所消耗的功率。然而，该已知电路装置的缺点在于，第一电流比较大，使得开关元件必须设计成通过较大的电流。这使该已知电路装置比较贵。
本发明的目的在于提供一种比较廉价的电路装置，用它可以在较宽的范围内调节在该电路装置上工作的灯所消耗的功率。
根据本发明，提供一种如开头那一段中所描述的为此用途的电路装置，其特征在于，第二支路包括用来支持灯的端子、初级绕组、和开关元件的串联装置。在灯工作的期间内，借助于根据本发明的电路装置，灯电流由第一和第二电流共同产生。然而，开关元件只需要设计成通过第一电流。这就有可能根据本发明在电路装置上装备只能通过较小电流的开关元件、然而利用该电路装置却可以产生较大的灯电流。通过该控制信号的频率和/或占空系数、可以控制第一和第二电流的有效值，使得该开关元件也能够在较宽范围内调节通过灯的总电流的有效值。
第一支路还备有第一二极管装置，这经常是合乎理想的。在灯的工作期间，第二电流通过这些第一二极管装置流动，使得在有这些第一二极管装置参加的情况下，第二电流为直流。取决于与该电路装置一起工作的灯的类型、还取决于控制信号的频率，为了能够由第二电流产生部分灯电流，这种整流是需要的。
当电压源所提供的电源电压为低频交流(AC)电压时，在电路装置中包括二极管桥是有利的，把桥的输入端子分别耦合到用来支持灯的端子之一和电源输入端子上，把桥的输出端子分别耦合到开关元件的主电极和初级绕组L1的一端上。由此可以实现在灯工作的期间内，第一电流为直流。这经常是需要的，因为第一电流通过经常流过只能在一个方向上通过电流的开关元件。由第一电流产生的部分灯电流以与电源电压相同的频率改变极性。这样的低频极性变化在某些灯里是有用的，例如，用来对抗电泳的出现。在其它灯里，这一低频极性变化使比较简单的电极结构成为可能，因为每一个电极可交替地用作阳极和阴极。为了实现由第二电流所产生的一部分灯电流的极性与由第一电流所产生的一部分灯电流的极性相同，最好使电路装置还备有下列装置：
-形成变压器一部分的次级绕组L3；
-包含用来支持灯的端子和第二二极管装置并把次级绕组L3的第一端连接到第二端上的第三支路；
-形成第一和第三两个支路的一部分的开关装置；
-耦合到开关装置的控制极上的控制装置，它用来在每当由第一电流所产生的灯电流的一部分改变极性时，调节开关装置的导通状态，使得只有一个次级绕组以导通状态连接到用来支持灯的端子上。
备有上述这些装置的电路装置能够实现：由第二电流所产生的一部分灯电流的极性，与由第一电流所产生的一部分灯电流的极性总是相同的。当控制装置由第一电流形成时，这是特别有利的。因为在这种电路装置中，不需要以单独电路元件的形式提供控制装置，控制装置只是由第一电流形成，所以，这种电路装置的结构可以比较简单，因而，比较廉价。
当灯电流包括高频分量时，某些放电灯(特别是，高压放电灯)的放电电弧可能呈现出不稳定性。在根据本发明用来控制这样的灯的电路装置中，当该电路装置备有用来从通过灯的电流中滤除高频分量的滤波器时，是有利的。
已经发现，当开关元件、变压器、和二极管装置形成逆程型直流-直流变换器时，可以得到有利的结果。
还发现，在设计变压器时使每一个次级绕组的圈数占初级绕组圈数的30％～70％是有利的。更可取的是，把每一个次级绕组的圈数选为近似等于初级绕组L1的圈数。已经发现，这可能更有利地设计组成该电路装置的其它元件。
因为借助于该控制信号的频率和/或占空系数，可以调节灯所损耗的功率，所以，如果需要，该电路装置可以备有耦合到控制电路上、用来控制灯所消耗功率的控制环。
已经发现，在电路装置包括第一、可能还包括第二二极管装置的情况下，当这样设计该电路装置时，即当第二电流等于零时，控制信号使开关元件导通时，在这些二极管装置中损耗的功率较小。
图1、2和3示出根据本发明电路装置的实施例；
图4示出具有图3所示电路装置的灯，在其工作期间内所得到电流和电压波形的例子。
下面，将参考附图，更详细地说明本发明。
图1中，K1和K2为用来连接到电压源上的电源输入端子。T为具有初级绕组L1和次级绕组L2的变压器。电路部分R与用来支持灯的端子N1和N2一起形成把次级绕组L2的第一端连接到第二端上的第一支路。电路部分R包括除端子N1和N2以外的形成第一支路一部分的全部元件。例如，电路部分R可以包括二极管装置和/或容性装置。灯La连接到端子N1和N2上。端子N1和N2、初级绕组L1、和开关元件S1的串联装置形成与电源输入端子互连的第二支路。开关元件S1的控制极耦合到用来产生控制信号的控制电路SC1上，该控制信号用来使开关元件导通和不导通，从而产生初级绕组L1中的第一电流和次级绕组L2中的第二电流。图1中，以虚线示出控制电路SC1与开关元件之间的耦合。控制电路SC1的输入端耦合到电路部分RC的输出端上，而电路部分RC的输入端耦合到灯上。图1中，以虚线示出此二耦合。
图1所示电路装置的操作如下。
当把电源输入端子连接到电压源的接线柱上时，控制电路SC1使开关元件交替地导通和不导通。因此，第一电流流经第二支路。同时，第二电流流经第一支路。第一和第二电流都流经灯La。借助于控制电路产生的控制信号的占空系数和/或频率，可以调节第一电流的有效值和第二电流的有效值。因此，通过其本身只有第一电流流过的开关元件S1，可对灯的总电流的有效值进行调节。由此，可以借助于只通过部分灯电流的开关元件而在较宽范围内调节灯电流，因而，在设计中可采用较低要求的开关元件。可以在灯的工作期间，作为灯La所损耗功率的一种度量的信号，出现在耦合到灯La上的电路部分RC的输入端上。电路部分RC通过控制电路SC1来调节控制信号的占空系数和/或频率，以控制灯La所消耗的功率，使得该功率基本上等于灯消耗功率的所需值。电路部分RC还可以具有用来调节灯功率所需值的装置(图1中未示出)。
图2所示电路装置适合于由低频交流(AC)电压供电。图2中，K1和K2为用来连接到电压源上的电源输入端子。T1为具有初级绕组L1、和次级绕组L2和L3的变压器。线圈L4和电容C3形成用来从通过灯的电流中滤除其高频分量的滤波器。在此实施例中，二极管D1、电容C1、线圈L4、支持灯的端子N1和N2、和开关装置Q2，形成第一支路。二极管D1形成第一二极管装置。二极管D2、电容C2、开关装置Q2、线圈L4、电容C3、和端子N1和N2形成第三支路。二极管D2形成第二二极管装置。电容器C1和C2用作缓冲电容，还用作高频滤波器。电路部分SC2形成耦合到开关装置Q2上的控制装置，用来调整该开关装置导通状态。图2中，以虚线示出电路部分SC2与开关装置Q2之间的耦合。线圈L4、电容C3、端子N1和N2、由二极管D3～D6形成的二极管桥、开关元件Q1、和初级绕组L1形成第二支路。电路部分SC1连接到开关元件Q1的控制极上。电路部分SC1形成控制电路，用来产生使开关元件导通和不导通的控制信号。
电源输入端子K1连接到线圈L4的第一端上。线圈L4的另一端连接到端子N1上。连接到端子N1和N2上的灯La把端子N2连接到端子N1上。电容C3把线圈L4的第一端连接到端子N2上。端子N2连接到二极管桥的第一输入端子上。二极管桥的另一个输入端子连接到电源输入端子K2上。二极管桥的第一输出端子连接到开关元件Q1的第一主电极上。开关元件Q1的另一主电极连接到初级绕组L1的第一端上。初级绕组L1的另一端连接到二极管桥的另一输出端子上。次级绕组L2的第一端连接到电源输入端子K1、次级绕组L3的第一端、和电容C1的第一端上。电容C1的另一端连接到二极管D1的阳极、和开关装置Q2的第一主电极上。二极管D1的阴极连接到次级绕组L2的另一端上。次级绕组L3的另一端连接到二极管D2的阳极上。二极管D2的阴极连接到电容C2的第一端、和开关装置Q2的第二主电极上。电容C2的另一端连接到次级绕组L3的第一端上。开关装置Q2的第三主电极连接到端子N2上。电路部分SC2的输入端分别耦合到电源输入端子K1和电源输入端子K2上。
图2所示电路装置的操作如下。
当把电源输入端子K1和K2连接到供给低频交流电压的电压源接线柱上时，控制电路SC1使开关元件Q1交替地导通和不导通。结果是，第一电流在初级绕组中流动。在低频电源电压加到电源输入端子K1上的电位高于加到电源输入端子K2上的电位的半周期间内，该第一电流从电源输入端子K1，通过线圈L4、端子N1和N2、灯La、电容C3、二极管D3、初级绕组L1、开关元件Q1和二极管D5，流到电源输入端子K2上。同时，电路部分SC2使开关装置Q2保持在第一状态下，即开关装置Q2的第一主电极以导通状态连接到第三主电极上。结果是，第二电流可以从次级绕组L2的第一端，通过线圈L4、端子N1和N2、灯La、电容C3、开关装置Q2、和二极管D1，流到次级绕组L2的另一端上。在开关装置Q2的第一状态下，开关装置Q2的第二与第三主电极为不导通互连，因此，从次级绕组L3的另一端到次级绕组L3的第一端无电流。由此，实现了由第一电流所产生的一部分灯电流与由第二电流所产生的一部分灯电流具有相同的方向而流经灯管。在低频电源电压使电源输入端子K2的电位高于电源输入端子K1的电位的半周期间内，该第一电流从电源输入端子K2，通过二极管D4、初级绕组L1、开关元件Q1、二极管D6、端子N1和N2、灯La、线圈L4、和电容C3，流到电源输入端子K1上。同时，电路部分SC2使开关装置Q2保持在第二状态下，即开关装置Q2的第二主电极以导通状态连接到第三主电极上。因此，第二电流可从次级绕组L3的另一端，通过二极管D2、开关装置Q2、端子N1和N2、灯La、线圈L4、和电容C3，流到次级绕组L3的第一端上。在开关装置Q2的第二状态下，开关装置Q2的第一与第二主电极不导通互连，因此，从次级绕组L2的第一端到次级绕组L2的另一端无电流流过。由此，实现了在低频电源电压使电源输入端子K2的电位高于电源输入端子K1的电位的半周期间内，由第一电流所产生的一部分灯电流也以与由第二电流所产生的一部分灯电流相同的方向面流过灯管。由第一和第二电流所产生灯的总电流为低频交流电流，其频率等于该低频电源电压的频率。
正如图2所示电路装置那样，图3所示电路装置适合于由低频交流(AC)电压供电。和图2所示电路装置的元件和电路部分相对应的元件和电路部分在图3中标以相同的符号。在图3所示电路装置中，无电路部分SC2。在此实施例中，开关装置Q2由双极晶体管Q3和Q4、二极管D7、D8、线圈L5和L6，和电容C4和C5组成。线圈L5和电容C5形成滤波器，用来对双极晶体管Q4的基极-发射极电流进行滤波，线圈L6和电容C4用来对双极晶体管Q3实现相同的功能。电路装置的其它元件相应于图2所示电路装置中的相应元件。
线圈L5的第一端连接到电容C5的第一端、二极管D8的阴极、和电源输入端子K1上。线圈L5的另一端连接到双极晶体管Q4的基极上。双极晶体管Q4的发射极连接到电容C5的另一端、二极管D8的阳极、线圈L4的第一端、电容C2的另一端、和次级线圈L3的第一端上。双极晶体管Q4的集电极连接到电容C1的第一端和次级绕组L2的第一端上。电容C1的另一端连接到端子N2上。线圈L6的第一端连接到二极管桥的第一输入端子、二极管D7的阴极、和电容C4的第一端上。二极管D7的阳极连接到端子N2、电容器C4的另一端、和双极晶体管Q3的发射极上。线圈L6的另一端连接到双极晶体管Q3的基极上。双极晶体管Q3的集电极连接到电容C2的第一端上。在所有其它方面，图3所示电路装置的结构和图2所示电路装置的结构相对应。
图3所示电路装置的操作如下。
当把输送低频交流(AC)电压的电压源接线柱连接到电源输入端子K1和K2上时，控制电路SC1使开关元件Q1交替地导通和不导通。结果是，第一电流在初级绕组中流动。在低频电源电压使电源输入端子K1上的电位高于电源输入端子K2上的电位的半周期间内，该第一电流从电源输入端子K1，通过电容C5、线圈L5、双极晶体管Q4的基极-发射极结、线圈L4、端子N1和N2、灯La、电容C3、二极管D7、电容C4、二极管D3、初级绕组L1、开关元件Q1、和二极管D5，流到电源输入端子K2上。因为晶体管Q4的基极-发射极结有电流通过，所以，Q4导通，第二电流可从次级绕组L2的第一端，通过双极晶体管Q4的集电极、双极晶体管Q4的发射极、线圈L4、端子N1和N2、灯La、电容C3、和二极管D1，流到次级绕组L2的另一端上。因为晶体管Q3的基极-发射极结没有电流通过，所以，晶体管Q3不导通，从次级绕组L3的另一端到次级绕组L3的第一端无电流通过。在低频电源电压使电源输入端子K2上的电位高于电源输入端子K1上的电位的半周期间内，该第一电流从电源输入端子K2通过二极管D4、初级绕组L1、开关元件Q1、二极管D6、线圈L6、晶体管Q3的基极-发射极结、电容C4、端子N1和N2、灯La、线圈L4、电容C3、二极管D8、和电容C5，流到电源输入端子K1上。因为晶体管Q3的基极-发射极结有电流通过，所以，Q3导通，第二电流可从次级绕组L3的另一端通过二极管D2、晶体管Q3的集电极、晶体管Q3的发射极、端子N1和N2、灯La、线圈L4、和电容C3，流到次级绕组L3的第一端上，因为晶体管Q4的基极-发射极结没有电流通过，所以，晶体管Q4不导通，从次级绕组L2的第一端到次级绕组L2的另一端无电流流过。图3电路装置中开关装置Q2的状态，由取自电压源的电流的方向来确定。因此，为此不需要单独的控制装置，故图3所示电路装置比较便宜。
图4中，时间以任意单位沿所示坐标系统的水平轴绘出。电压以任意单位在图4a的垂直轴上绘出；电流以任意单位在图4b、4c、4d和4e的垂直轴上绘出。图4a表示出现在图3所示电路装置的电源输入端子K1和K2之间低频电源电压的幅值。在图4a所示例子中，该电压为正弦形的。
图4b表示由于电源电压和开关元件Q1交替地导通和不导通的结果而通过初级绕组L1流动的第一电流IP的波形。在实际应用中，低频电源电压的频率近于50Hz，而用以使开关元件Q1导通和不导通的频率近于20KHz。显然，第一电流为脉动直流，其平均幅值的波形为相位与电源电压同相、频率等于电源电压频率的全波整流正弦形电流。这样的脉动电流可以这样来实现，例如，使开关元件Q1的占空系数与电源电压的瞬时幅度无关。在图4所示例子中，在第二电流已变成零以后，才使开关元件Q1导通。由此，限制了二极管D1和D2中的功率损耗。
图4c表示出由第一电流产生、流经电源输入端子K1和K2的灯电流中未经滤波的部分的波形IK。显然，该电流为脉动交变电流，其平均幅值的波形是相位与电源电压同相且频率等于电源电压频率的正弦形电流。这意味着，借助于在开关装置输入端之前的滤波器(图3中未示出)可以实现较高的功率因数。
图4d表示第二电流IS的波形，该电流在所示电源电压第一半周内流经次级绕组L2，并在所示电源电压第二半周内流经次级绕组L3。该电流IS是由第二电流产生的灯电流的未经滤波的部分，显然，IS为脉动交变电流，其平均幅值的波形为相位与电源电压同相、频率等于电源电压频率的正弦形电流。
图4e示出IK与IS之和。该和也是脉动交变电流，其平均幅值的波形为相位与电源电压同相、频率等于电源电压频率的正弦形电流。由于包括线圈L4和电容C3的滤波器的作用，已滤波的总灯电流为相位与电源电压同相、频率与电源电压频率相同的正弦形电流。

Claims (10)

1．一种用来控制灯的电路装置，这种装置包括：
一用来连接到电压源上的电源输入端子；
一备有初级绕组L1和次级绕组L2的变压器；
一含有用来支持灯的端子并把次级绕组L2的第一端连接到第二端上的第一支路；
-含有开关元件和初级绕组L1的串联电路并与电源输入端子互连的第二支路；
-耦合到开关元件的控制极上并用来产生控制信号的控制电路，该控制信号用来使开关元件导通和不导通，从而产生初级绕组L1中的第一电流和次级绕组L2中的第二电流；
其特征在于，第二支路包括用来支持灯的端子、初级绕组和开关元件的串联装置。
2．根据权利要求1中所述的电路装置，其特征在于，其中第一支路还备有第一二极管装置。
3．根据权利要求1或2中所述的电路装置，其特征在于，它包括一个二极管桥，桥的输入端子分别耦合到用来支持灯的端子之一和一个电源输入端子上，桥的输出端子分别耦合到开关元件的主电极和初级绕组L1的一端上。
4．根据权利要求1中所述的电路装置，其特征在于还备有：
-形成变压器一部分的次数绕组L3；
-包括用来支持灯的端子和第二二极管装置并把次级绕组L3的第一端连接到第二端上的第三支路；
-形成第一和第三两个支路的一部分的开关装置；
-耦合到开关装置的控制极上的控制装置，它用来在每当由第一电流所产生的灯电流的一部分改变极性时，调节开关装置的导通状态，使得只有一个次级绕组以导通状态连接到用来支持灯的端子上。
5．根据权利要求4中所述的电路装置，其特征在于，其中的控制装置由第一电流形成。
6．根据权利要求1,2,4或5中所述的电路装置，其特征在于，备有一个滤波器，用来从通过灯的电流中滤除高频分量。
7．根据权利要求2,4或5中所述的电路装置，其特征在于，其中开关元件、变压器、和二极管装置形成逆程型直流一直流变换器。
8．根据权利要求1,2,4或5中所述的电路装置，其特征在于，其中每一个次级绕组的圈数等于初级绕组圈数的30％～70％。
9．根据权利要求1,2,4或5中所述的电路装置，其特征在于，这种电路装置备有耦合到控制电路上、用来控制灯所消耗功率的控制环。
10．根据权利要求2,4或5中所述的电路装置，其特征在于，这样来设计这种电路装置，使得当第二电流等于零时、控制信号使开关元件导通。
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