CN110383949A - 照明设备、系统和用于控制照明设备的方法 - Google Patents

照明设备、系统和用于控制照明设备的方法 Download PDF

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CN110383949A CN201880016615.XA CN201880016615A CN110383949A CN 110383949 A CN110383949 A CN 110383949A CN 201880016615 A CN201880016615 A CN 201880016615A CN 110383949 A CN110383949 A CN 110383949A
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P·J·斯托贝拉
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Abstract

一种照明设备(7)包括：输入端子，用于接收输入功率；功率转换器(5)，用于从输入端子接收输入功率，并且用于将输入功率变换为充电功率和供电功率；能量存储设备(11)，用于接收充电功率并且用于提供放电功率。照明设备(7)还包括用于接收供电功率和放电功率的LED负载(9)，其中照明设备(7)被布置为被操作在第一模式中和第二模式中，其中在第一模式中，LED负载(9)被布置为从功率转换单元接收供电功率，并且能量存储设备(11)被布置为从功率转换器接收充电功率，其中在第二模式中，LED负载(9)被布置为从能量存储设备接收放电功率。照明设备(7)还包括控制器(13)，控制器(13)用于监测能量存储设备的电荷水平，并且用于当电荷水平低于下阈值水平(THL)时，将照明设备(7)切换到第一模式中，并且当电荷水平超过上阈值水平(THU)时，将照明设备(7)切换到第二模式中，上阈值水平(THU)高于下阈值水平(THL)，并且用于在第二模式中将功率转换器(5)从输入端子断开。

Description

照明设备、系统和用于控制照明设备的方法
技术领域
本发明涉及一种用于向负载提供功率的改造灯。本发明还涉及一种包括改造灯的系统。
背景技术
发光二极管(LED)被用作一种固态光源。与常规照明(诸如白炽灯或荧光灯)相比，其优点是紧凑性、高功效、良好的色彩、多样且可变的色彩，等等。LED广泛地使用在室内照明、装饰照明和户外照明中。这些应用中的一些应用要求LED的输出光从最大光输出的1％至100％被调节。
在改造应用中，照明设备可以经由外部设备连接到市电。这样的外部设备可以是切相式墙壁调光器、低压电子镇流器或荧光镇流器。这样的镇流器可以是磁性类型或电子类型。由外部设备供应给照明设备的功率显著低于外部设备供应给它们的标称负载(诸如，例如白炽灯、低压卤素灯、荧光灯、高强度放电灯)的标称功率。作为这种情况的结果，外部设备在被照明设备加载时以显著降低的效率操作。此外，外部设备与照明设备之间可能存在兼容性问题。外部设备具有额定最小输出功率要求。具有LED负载，该最小输出功率可能没有达到。外部设备则不能按所指定的进行操作。
在照明设备领域中，与外部设备的兼容性改进是公知的。
WO2016/145264公开了一种照明系统，其包括：固态替换灯，被配置为替换灯装置中的非固态灯；功率供应器，被配置为对从灯装置汲取的功率进行转换以向至少一个固态灯供电；以及功率输出，用于被连接到固态替换灯的外部电子设备。
WO2013/017994公开了一种用于驱动负载(特别是LED单元)的驱动器设备和对应的驱动方法，所述驱动器设备包括：功率输入端子，用于从外部功率供应器接收周期性供应电压，外部功率供应器可能包括用于对所述周期性供应电压进行调光的调光器；功率输出端子，用于提供驱动电压和/或驱动电流以用于驱动负载；功率级，耦合在功率输入端子与功率输出端子之间，用于控制从所述功率输入端子接收的输入电流，以在第一模式中从所述外部功率供应器汲取高功率，或者在第二模式中从所述外部功率供应器汲取低功率或不汲取功率，所述高功率高于驱动所述负载所要求的功率，并且所述低功率低于驱动所述负载所要求的功率，其中所述功率级仅在所述供应电压的多个后续半周期时段中的一定百分比的半周期时段内控制所述输入电流处于第二模式中，并且用于在所述第一模式中向所述功率输出端子提供所述驱动电压和/或驱动电流；以及能量存储单元，耦合到所述功率级，用于在所述第一模式中存储在所述功率输入端子处提供的电能，并且用于在所述第二模式中经由所述功率输出端子向所述负载提供所存储的电能。
发明内容
本发明的目的是提供一种照明设备、以及包括该照明设备和外部设备的对应系统，其具有与外部设备的改进的兼容性。根据本发明的第一方面，提供了一种用于与荧光镇流器一起操作的照明设备，包括：
-细长主体，在第一侧具有第一对输入端子并且在第二侧具有第二对输入端子，以用于接收输入功率；
-功率转换器，用于从第一对输入端子和第二对输入端子接收输入功率，并且用于将输入功率变换为充电功率和供电功率；
-能量存储设备，用于接收充电功率并且用于提供放电功率；
-LED负载，用于接收供电功率和放电功率；
其中照明设备被布置为被操作在第一模式中和第二模式中，
其中在第一模式中，LED负载被布置为从功率转换器接收供电功率，并且能量存储设备被布置为从功率转换器接收充电功率，
其中在第二模式中，LED负载被布置为从能量存储设备接收放电功率，
其中照明设备还包括控制器，控制器用于：
-监测能量存储设备的电荷水平，并且用于当电荷水平低于下阈值水平时，将照明设备切换到第一模式中，并且当电荷水平超过上阈值水平时，将照明设备切换到第二模式中，上阈值水平高于下阈值水平；并且用于
-在第二模式中，将功率转换器从输入端子断开。
当在第一模式中，通过来自功率转换电路的供电功率来驱动LED负载时，该照明设备具有改进的兼容性。在第二模式期间，LED负载由来自能量存储设备的放电功率驱动。此外，在第二模式中，功率转换器从输入端子断开。这防止连接到照明设备的外部设备向照明设备供应功率。在第一模式中，照明设备将汲取足够的功率来驱动LED负载，并且汲取附加的功率来对能量存储设备充电。因此，在第一模式中，外部设备供应比仅LED负载所需要的更多的功率，由此提高外部设备的效率。第一模式与第二模式之间的切换可以基于能量存储设备的电荷水平来执行。当电荷水平低于下阈值水平时，照明设备被切换在第一模式中，并且当电荷水平超过上阈值水平时，照明设备被切换到第二模式中。上阈值水平高于下阈值水平。
在一个实施例中，能量存储设备是电池、超级电容器和电容器之一。
能量存储设备的这些优选示例允许容易的电能存储，并且可以具有大能量密度。
在另一实施例中，功率转换器还包括：输入转换器，布置在输入端子之间，用于从输入端子接收输入功率，并且用于将输入功率变换为充电功率和供电功率；以及双向转换器，用于在第一模式中向能量存储设备提供充电功率，并且用于在第二模式中向LED负载提供放电功率。
双向转换器是单个转换器，其能够用于在第一模式中向能量存储设备提供充电功率，并且在第二模式中向LED负载提供放电功率。双向转换器提供了用于双向功率传送的简单解决方案。
在另外的实施例中，转换器是多输出转换器，其被布置为：在第一模式中，经由多个输出中的一个输出向能量存储设备提供充电功率，并且在第一模式中，经由多个输出中的一个输出的另一输出向LED负载提供供电功率。
优点是，一个专用的转换器输出被布置以驱动LED负载，其中另一转换器输出被布置以对能量存储设备充电。这提供了用于对能量存储设备充电和放电的简单且优化的转换器拓扑。此外，LED由优化的转换器输出来驱动。
在另外的实施例中，功率转换器包括开关模式功率供应器。
开关模式功率供应器是具有高效率的功率转换器。开关模式功率供应器的示例是：降压转换器、升压转换器、反激转换器和LLC谐振转换器。
在另一实施例中，控制器具有用于接收外部控制信号的输入，外部控制信号用于否决从第一模式到第二模式的切换、或从第二模式到第一模式的切换。
这允许操作者将操作从优化的兼容性改变为能量管理。这在例如建筑物中的能量管理变得重要时可能是有用的。来自能量存储设备的能量然后用于覆盖系统中的能量要求。
在另一实施例中，照明设备被配置为：当LED负载需要低于功率阈值的功率时，并且当电荷水平高于下阈值时，切换到第二模式。
当LED负载仅需要其标称功率的一部分时，LED负载功率的可控性在稳定的输入电压被提供时可以更好地被执行。在这种情形下，能量存储设备可以提供最稳定的输入电压，并且因此优选为以低功耗被使用。
在另一实施例中，照明设备被配置为：当照明设备处于需要待机功率的待机中时，并且当电荷水平高于下阈值时，切换到第二模式。
类似于LED负载的低功耗，当照明设备总共需要少量的功率时，例如，当照明设备处于待机中时，优选的是具有稳定的输入电压，该输入电压由能量存储设备来提供。
在另外的实施例中，提供了一种系统，包括：
-在前述权利要求中任一项中要求保护的照明设备；以及
-外部设备，用于向输入端子提供功率，并且从AC供应器接收功率。
该系统具有以下优点：外部设备以针对外部设备与照明设备之间的兼容性的优化方式向照明设备供应功率。
在另一实施例中，该系统被描述为其中照明设备被布置用于在第一模式中在外部设备的额定功率范围内汲取输入功率。
当外部设备操作在其额定功率范围时，外部设备的效率处于其最大。
在另一实施例中，外部设备被布置为以下中的一项：切相式调光器、气体放电灯的镇流器、高强度放电灯的镇流器和电子镇流器。最常用的镇流器是荧光镇流器，其可以是，但不限于，电磁镇流器和电子镇流器中的任何镇流器。
这些是使改进的照明设备的大部分受益的外部设备。
在另外的实施例中，提供了一种用于控制照明设备的方法，其中该方法包括以下步骤：
-接收输入功率，
-将输入功率变换为充电功率和供电功率；
-将充电功率存储在能量存储设备中；
-向LED负载供应供电功率或来自能量存储设备的放电功率，
-确定能量存储设备的电荷水平；
-当能量存储设备的电荷水平低于下阈值水平时，将照明设备切换到第一模式中；
-当电荷水平超过上阈值水平时，将照明设备切换到第二模式中，
其中在第一模式中，供电功率被供应给LED负载，并且充电功率被供应给能量存储设备，并且其中在第二模式中，放电功率被供应给LED负载。
在根据本发明的实施例的照明设备、系统和方法的帮助下，LED负载可以更有效地被驱动。
发明人的见解是，照明设备也可以实施在非改造应用中。一种示例可以是，照明设备被布置为：当电价处于低水平时，对能量存储设备充电，并且当电价处于高水平时，对能量存储设备放电。这允许能量成本上的节省。
附图说明
现在将参考附图来详细描述本发明的示例，在附图中：
图1示出了根据本发明的照明设备的示例，
图2示意性地示出了中断外部设备与照明设备之间的电流流动的开关，
图3示意性地示出了中断外部设备与照明设备之间的电流流动的三个开关，
图4示意性地示出了中断外部设备与照明设备之间的电流流动的四个开关，
图5示意性地示出了功率转换器的内部结构的第一拓扑，
图6示意性地示出了功率转换器的内部结构的第二拓扑，
图7示意性地示出了功率转换器的内部结构的第三拓扑，
图8示意性地示出了功率转换器的内部结构的第四拓扑，以及
图9示出了能量存储设备中的电荷随时间变化的示例的曲线图。
具体实施方式
照明设备具有许多不同的配置。改造灯被认为兼容于向照明设备供应功率的外部设备。由于存在要求不同类型的负载行为的若干类型的外部设备，所以在现有技术中提出了不同种类的解决方案，以用于改进LED负载与外部设备之间的兼容性。本发明提出了一种解决方案，其允许针对多于仅一种类型的外部设备的兼容性。
图1示出了基本连接，该基本连接在耦合到外部设备3的输入的市电功率供应器1与如下连接之间，该连接在外部设备的输出与照明设备7之间。外部设备3可以是以下之一：切相式调光器、低压变压器和荧光镇流器，诸如磁性镇流器或电子镇流器。市电功率供应器1供应市电输入电压Vac，并且外部设备3向照明设备7供应输入功率Pin。
图1还示出了根据本发明的基本照明设备配置。功率转换器5被配置为操作在两种操作模式中。在第一操作模式中，功率转换器5被配置为向LED负载9并且向能量存储设备11提供功率。在一种实施例中，从外部设备11汲取的功率等于外部设备3的标称功率。这允许外部设备3操作在其优化的操作范围中，而导致从市电输入电压到用于照明设备7的输入电压的更高效和兼容的变换。在第二操作模式中，外部设备3的输出功率为零或几乎为零。功率转换器5从能量存储设备11向LED负载9供应功率。控制器13可以用于在第一操作模式与第二操作模式之间切换功率转换器5。
能量存储设备11可以是以下之一：电池、超级电容器和电容器。在一种实施例中，能量存储设备11被布置，以使得来自外部设备3的输入功率的多于半个市电周期的中断可以通过能量存储设备11中存储的能量来桥接。在这种情况下，与外部设备3的兼容性可以最佳地被保证。
图2示出了中断外部设备3与照明设备7之间的电流流动的开关17。由于市电将保持存在，所以对照明设备7的功率供应必须通过开关17主动地被中断。该开关17也可以是存在于功率转换器5中的开关，其被用于使用开关模式功率供应方法向LED负载9提供功率。当电流流动在第二操作模式期间通过断开开关17已经被中断时，外部设备3操作在空载。没有显著功率被传送到照明设备7，并且因此没有附加功率损耗存在于外部设备3中。此外，由于外部设备3不提供功率，所以兼容性不是问题。在这种情形下，去往LED负载9的功率经由能量存储设备11被提供。在功率转换器5之后直到并且包括LED负载9的电路系统为了简化附图已经被省略。
图3示出了中断外部设备3与照明设备7之间的电流流动的三个开关17、19、21。在这种情况下，外部设备3可以是荧光灯镇流器，并且照明设备可以是细长的荧光可改造照明设备，其在第一侧具有第一对输入端子并且在第二侧具有第二对输入端子。在该情况下，四个连接存在于外部设备3与照明设备7之间。为了确保没有电流从外部设备3朝向照明设备7流动，需要至少三个开关17、19、21。前两个开关19、21被放置以使得所谓的灯丝电流路径被中断。第三开关17被布置以使得从一个灯丝到另一灯丝的电流路径被中断。该电流也称为灯电流。第三开关17可以再次是照明设备7的功率转换器5的一部分。在功率转换器5之后直到并且包括LED负载9的电路系统为了简化附图已经被省略。
图4示出了中断外部设备3与照明设备7之间的电流流动的四个开关19、21、23、25。该特定实施例提供了图3中示出的所提出的实施例的替换物。两个开关19、23和21、25被放置在灯丝中的每个灯丝中，从而灯丝电流路径和灯电流路径两者都被中断。在功率转换器5之后直到并且包括LED负载9的电路系统为了简化附图已经被省略。
图5示出了照明设备7的内部结构的第一拓扑。功率转换器5包括输入转换器27。该输入转换器把从外部设备3接收的电压变换成合适电压，该合适电压将由输入转换器27之后的电路系统的其余部分接收。输入转换器27可以是整流器电路或功率因数校正PFC电路，整流器电路用于整流由外部设备3供应的AC电压，PFC电路用于改进照明设备7的功率因数。在第一操作模式中，功率从输入转换器27被供应到LED驱动器29，LED驱动器29被布置以驱动LED负载9。此外，在第一操作模式中，输入转换器27向转换器31提供功率，转换器31被布置以向能量存储设备11提供功率。在该实施例中，转换器31可以是双向转换器。在第二操作模式中，转换器31经由LED驱动器29从能量存储设备11向LED负载9提供功率。转换器31可以被布置为直接驱动LED负载9。LED驱动器29因此可以被省略。在第一操作模式中功率转换器从外部设备3的断开必须在输入转换器27附近的位置处完成，从而在第二操作模式中能量仍然可以从能量存储设备11流动到LED负载9。
图6示出了照明设备7的内部结构的第二拓扑。功率转换器5包括用于从外部设备3接收电压的输入转换器27。输入转换器27可以是整流器电路或功率因数校正PFC电路，整流器电路用于整流由外部设备3供应的AC电压，PFC电路用于改进照明设备7的功率因数。在第一操作模式中，输入转换器27向转换器31和第一LED驱动器29提供功率。在第一操作模式中，转换器31被布置为对能量存储设备11充电。在第二操作模式中，能量存储设备11向另外的LED驱动器29提供功率以用于驱动LED负载9。第一LED驱动器29可以被布置为驱动相同的LED负载9。第一和第二LED驱动器29可以是相同的，但是也可以具有不同的配置。LED驱动器29在实施例中被用作照明设备7的非必要添加物。LED驱动器29可以用于通过稳定去往LED负载9的电流，来改进LED负载9的光输出质量。
图7示出了照明设备7的内部结构的第三拓扑。类似于图6中所示出的功率转换器，功率转换器包括用于从外部设备接收电压的输入转换器27。输入转换器可以是整流器电路或功率因数校正PFC电路，整流器电路用于整流由外部设备3供应的AC电压，PFC电路用于改进照明设备7的功率因数。输入转换器27向转换器31提供功率。该转换器31被布置为对能量存储设备11充电。能量存储设备11向LED驱动器29提供功率以用于驱动LED负载9。
图8示出了照明设备7的内部结构的第四拓扑。转换器31被布置为从外部设备接收电压。该转换器31是双输出转换器。转换器31包括至少两个输出。在第一操作模式中，转换器31被布置为从外部设备3接收功率，并且经由第一输出向LED负载9提供功率。此外，转换器31经由第二输出向能量存储设备11提供功率。在第二操作模式中，转换器31被布置为阻挡来自外部设备3的能量流。能量存储设备11向LED驱动器29提供功率，LED驱动器29被布置为驱动LED负载9。应当注意，代替双输出转换器，两个单独的转换器可以用来实现与双输出转换器相同的功能。
图9示出了用于对能量存储设备11充电和放电的阈值的示例。控制器13控制能量存储设备11的充电和放电。控制器13还可以监测能量存储设备11的电荷水平。控制器13可以是以下中的任何一项：模拟控制电路、微控制器或FPGA。下阈值THL确定电荷水平何时足够低以使功率转换器5切换到第一操作模式中。在该示例中，下阈值THL被放置在10％的电荷水平。在第一操作模式中，能量存储设备11将由功率转换器5充电，并且LED负载9将由外部设备11供电，直到已经达到电荷的上阈值THU。在该示例中，上阈值THU已经被放置在90％的电荷水平。上阈值THU确定能量存储设备11中何时存在足够的电荷以允许功率转换器5切换到第二操作模式中。在第二操作模式期间，能量存储设备11通过功率转换器5放电到LED负载9中，并且放电直到已经达到下阈值THL。功率转换器5然后切换回到第一操作模式中。
此外，当LED负载9需要低于功率阈值Plow的低功率量时，并且当能量存储设备11的电荷水平高于下阈值水平THL时，功率转换器5可以切换到第二模式中。功率阈值Plow可以被设置在深度调光开始出现的水平。
此外，当照明设备7处于待机模式中时，功率转换器5可以被切换到第二模式中。这导致照明设备7仅需要一些待机功率。该功率可以用于唤醒功率转换器5，或者经由无线通信系统和有线通信系统进行通信。
应当注意，多于两种操作模式可以被实施，并且附图中的波形仅是示例。
还要注意，照明设备可以是，但不限于，灯具、照明装置和改造灯之一。优选地，照明设备使用在一般照明应用中。

Claims (12)

1.一种用于与荧光镇流器(3)一起操作的照明设备(7)，包括：
-细长主体，在第一侧具有第一对输入端子并且在第二侧具有第二对输入端子，以用于接收输入功率；
-功率转换器(5)，用于从所述第一对输入端子和所述第二对输入端子接收所述输入功率，并且用于将所述输入功率变换为充电功率和供电功率；
-能量存储设备(11)，用于接收所述充电功率并且用于提供放电功率；
-LED负载(9)，用于接收所述供电功率和所述放电功率；
其中所述照明设备(7)被布置为被操作在第一模式中和第二模式中，
其中在所述第一模式中，所述LED负载(9)被布置为从所述功率转换器(5)接收所述供电功率，并且所述能量存储设备(11)被布置为从所述功率转换器接收所述充电功率，
其中在所述第二模式中，所述LED负载(9)被布置为从所述能量存储设备接收所述放电功率，
其中所述照明设备(7)还包括控制器(13)，所述控制器(13)用于：
-监测所述能量存储设备的电荷水平，并且用于当所述电荷水平低于下阈值水平(THL)时，将所述照明设备(7)切换到所述第一模式中，并且当所述电荷水平超过上阈值水平(THU)时，将所述照明设备(7)切换到所述第二模式中，所述上阈值水平(THU)高于所述下阈值水平(THL)；并且所述控制器(13)用于：
-在所述第二模式中，将所述功率转换器(5)从所述输入端子断开。
2.根据权利要求1所述的照明设备(7)，其中所述能量存储设备(11)是电池、超级电容器和电容器之一。
3.根据权利要求1或2所述的照明设备(7)，其中所述功率转换器(5)还包括：
输入转换器(27)，布置在输入端子之间以用于从所述输入端子接收所述输入功率，并且用于将所述输入功率变换为充电功率和供电功率，以及
双向转换器(31)，用于在所述第一模式中向所述能量存储设备(11)提供所述充电功率，并且用于在所述第二模式中向所述LED负载(9)提供放电功率。
4.根据权利要求1或2所述的照明设备(7)，其中所述功率转换器(5)是多输出转换器，所述多输出转换器被布置为：在所述第一模式中，经由多个输出中的一个输出向所述能量存储设备(11)提供充电功率，并且在所述第一模式中，经由所述多个输出中的一个输出的另一输出向所述LED负载(9)提供供电功率。
5.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(7)，其中所述功率转换器(5)包括开关模式功率供应器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(7)，其中所述控制器(13)具有用于接收外部控制信号的输入，所述外部控制信号用于否决从所述第一模式到所述第二模式的切换、或从所述第二模式到所述第一模式的切换。
7.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(7)，其中所述照明设备(7)被配置为：当所述LED负载(9)需要低于功率阈值(Plow)的功率时，并且当所述电荷水平高于所述下阈值(THL)时，切换到所述第二模式。
8.根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(7)，其中所述照明设备(7)被配置为：当所述照明设备(7)处于需要待机功率的待机中时，并且当所述电荷水平高于所述下阈值(THL)时，切换到所述第二模式。
9.一种系统，包括：
-根据前述权利要求中任一项所述的照明设备(7)；以及
-外部设备(3)，用于向所述输入端子提供功率，并且从AC供应器(1)接收功率。
10.根据权利要求7所述的系统，其中所述照明设备(7)被布置用于：在所述第一模式中，在所述外部设备(3)的额定功率范围内汲取所述输入功率。
11.根据权利要求7或8所述的系统，其中所述外部设备(3)被布置为以下之一：切相式调光器、气体放电灯的镇流器、高强度放电灯的镇流器和电子镇流器。
12.一种用于控制用于与荧光镇流器(3)一起操作的照明设备(7)的方法，
-接收输入功率，
-将所述输入功率变换为充电功率和供电功率；
-将所述充电功率存储在能量存储设备(11)中；
-向LED负载(9)供应所述供电功率或来自所述能量存储设备(11)的放电功率，
-确定所述能量存储设备(11)的电荷水平；
-当所述能量存储设备(11)的电荷水平低于下阈值水平(THL)时，将所述照明设备(7)切换到第一模式中；
-当所述电荷水平超过上阈值水平(THU)时，将所述照明设备切换到第二模式中，
其中在所述第一模式中，所述供电功率被供应给所述LED负载(9)，并且所述充电功率被供应给所述能量存储设备(11)，并且其中在所述第二模式中，所述放电功率被供应给所述LED负载(9)。
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