CN1154785A - 带灯丝预热的单个晶体管镇流器 - Google Patents

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Abstract

用于驱动一种气体放电的一个镇流器电路，它具有一个脉动交流整流电源(20)；一个能量储存电路(30)；一个开关(40)，它可以有一端连接到一个能量储存电感器，而相对的一端可以连接到电路公共点；一个控制电路(50)用于以至少是一个DC控制电流的函数的一种速率断开和闭合开关(40)；一个谐振电路(60)，它与能量储存电路(30)耦合用于激励气体放电灯。

Description

带灯丝预热的单个晶体管镇流器
本发明涉及电子镇流器这一通用课题，用于操作气体放电灯，以及特别地，但不是专门地用于驱动荧光灯的电子镇流器。
由于在把电能转换成光能方面荧光灯的高效率，它越来越多地被使用。镇流器使气体放电灯工作是通过提供一个受控电源给灯泡阴极或灯丝加热并提供足够的启动电压或放电电压来电离气体，使得在灯泡的灯丝之间建立一个电弧。
镇流器的一个重要类别是“快速启动”镇流器。在一个快速启动镇流器里，在触发穿过灯泡的电弧之前首先加上灯丝电压或阴极电压，它大约需750毫秒。这种操作模式提供最佳性能，以及按启动次数计最好的灯寿命。一种这样的镇流器发表在Konopka等人的美国专利第5144195号里，并且转让到本发明的受让方。在那个专利里，发表了一种镇流器，其中用延迟灯泡驱动转换器升压启动的时刻来控制对灯丝加热。当给上电源时这种转换器立刻启动并且在约700毫秒后升压开始。升压前转换器没有足够的电压输出使灯泡触发。在这个期间输出电压足以对灯丝加热。当升压开始时，加到转换器的电压上升，灯的电压也上升并且灯泡被触发。
一种更现代的镇流器发表在Konopka等人的美国专利第5399944号里，并且转让给本发明的受让方。美国专利5399944发表一种“单个晶体管”镇流器。这种镇流器包括一个能量储存电路，一个响应振荡器运行的功率晶体管开关和一个使能量储存电路同荧光灯耦合的谐振电路。与用在普通功率因数校正镇流器里的两个或三个晶体管相比，这里用于电路整个操作的只有一个功率晶体管。不仅制造费用降低，而且镇流器的能量储存电容器在略低于电网峰值电压下工作。与许多其它要求能量储存电容器在大大超过电网峰值电压下工作的镇流器电路相比它是有利的。
虽然“单个晶体管”镇流器在这一技术方面代表一个重要的发展，但是仍然可以做进一步的改进。尤其是在触发灯泡弧光放电以前给灯丝预热来改善灯泡寿命，这将是很合乎需要的。
图1是本发明主题的镇流器的图；
图2A和2B是显示在图1中灯丝加热电路的两个实施例的原理图；
图3是一个显示在图1中电流改变电路的原理图。
本发明容许以许多不同形式实施，图中示出并将详细描述本发明的一种特殊实施例。同时，应该理解，现在发表的应该考虑为本发明的一个原理性范例，而不是有意把本发明限于所描述的任何特殊实施例。
参照图纸，图1是本发明主题的镇流器10的方框图。特别地，镇流器10包括一个脉动的并且整流过的交流电源20，一个能量储存电路30，一个开关40，一个用于闭合和断开开关的开关控制电路50，一个与能量储存电路耦合的谐振电路60，用它激励气体放电灯70。在图中显示的还有一个功率因数校正电路25和一个灯丝加热电路72。
镇流器10可以提供：荧光灯的灯丝预热；一个改进过的单个晶体管镇流器；一个用于使被单个晶体管镇流器驱动的荧光灯暗淡的装置；一个用于使被单个晶体管镇流器驱动的荧光灯灯丝预热的装置。
转到电源20，一组端子22a和22b用于连接一个低频交流电源，比如一个60Hz、120V交流输电线。整流二极管23a，23b，23c和23d把进来的正弦波转换成在公共端子24和一个正输出端子26之间的一个全波脉动的整流电压。一个电容器28避免电路运行中的高频噪声窜扰到电源线上，起到功率因数校正电路低阻抗电流源的作用。一个小电感器网络(例如与交流电源串联)还可以包括进来去进一步把噪声减少到满意的水平。
电源开关40有两个开关端子，一个开关端子连接到电路的公共节点41。另一个开关端子连接到功率因数校正电感器25a和能量储存电路30之间的连接处的一个节点42。于是这个节点42被由开关控制电路50确定的一个频率(约30KHz)周期性地连接到公共端子41上。电源开关40可能由任何种类的高频器件组成，例如，一个双极型晶体管、场效应晶体管、晶体闸流管、绝缘栅双极型晶体管或一个电子管器件。
电源开关40通过一个功率因数校正电感器25a和一个二极管25b连接到全波整流交流电源正极端子26。这个二极管25b被定向使功率不会从能量储存电路30回流到电源20。当电源开关40“接通”或闭合时，通过功率因数校正电感器25a的电流与时间成线性关系上升，并以与输入的电压成比例的电流对电感器充电。功率因数校正电感器25a储存的能量与通过它的电流的平方成正比。因此，当电源开关40周期性地通断时，电感器25a以与电压的平方成正比的数量从电源20吸取能量，恰如连接到一个电阻器时所产生的。从电源输电线吸取的电流与电压同相且与之成正比，得到一个好的功率因数。
在图1显示的实施例中，能量储存电路30包括一个由初级绕组33和次级绕组34形成的能量储存电感器。初级绕组33和次级绕组34有相似的物理特性。初级绕组有第一和第二初级绕组端子。初级绕组33的第一初级绕组端子接到电源开关40。初级绕组33的第二初级绕组端子接到能量储存电容器35。能量储存电容器35的另一端接到电路公共点41。次级绕组34有一端接到电路公共点41，相对的另一端通过辅助电容器C接到电源开关40，同时经由二极管D接到第二初级绕组端子。
当电源开关40闭合时，电流从能量储存电容器35通过初级绕组33被抽取出来。这个电流以与通过功率因数校正电感器25a的电流同样的方式线性上升。以这种方式，能量从电容器35传递到初级绕组33。能量储存电路30的详细操作描述在Konopka等人的美国专利第5399944号里，发表内容通过参考文献合并在这里。
在节点42的电压由方波组成，交替地，当电源开关闭合时它为零，当电源开关40断开时它两倍于电容器35两端电压。能量储存电路30的输出端的电压因此也是一个方波。在两个输出节点38和39之间获得能量储存电路30的输出。由一个电感器61串联一个电容器62组成的谐振电路60设置在能量储存电路30的输出端子38和39之间。
谐振电路电感器61(例如，3.35mH)和谐振电容器62(例如，0.0068mF)以略高于电源开关40周期的频率谐振。灯负载70跨接于谐振电容器62使交流电流流过谐振电感器61和灯负载70。在能量储存电容器35上的电压上升越高，流过灯的从能量储存电容器35吸取附加功率的电流越大，直到达到平衡为止。
在电路运行中，节点42的电压被能量电路30箝位，使得当输入的线电压最高时，能量储存在能量储存电容器35里。当电源线电压低或零时，能量被从能量储存电容器35取出并转换成在能量储存线圈33和34里的电流。因为能量储存电容器35运行时的电压接近于线电压的峰值，所以加在功率因数校正电感器25a节点42上的电压大致是线电压峰值的2倍。当电源开关以50％占空比运行时，得出系统对交流电源线呈现的阻抗的功率因数接近为1。
在这个设计中，镇流器10被加载后防止弧光放电的一个方法是变换运行频率使之偏离谐振。它具有降低输出电压的作用，使之降到低于灯泡放电电压。如果从能量储存电感器33和34(参看图2A)或谐振电路电感器61(参看图2B)产生灯丝电压，灯丝电压不会受频率偏移的影响，因为这些电感器不受频率改变的影响。如果想要得到一个使暗淡的功能，供给加热灯丝73a和73b的电压最好从谐振电路电感器61获得(参看图2B)，因为它更接近正弦波。电容器72a和72b(例如，大约0.33mF)最好用于连接线圈74a和74b(仅只几圈)，它们从谐振电路电感器61提供功率去加热灯丝73a和73b。
转到图3，电源开关40的工作要响应控制电路50。在一种实施例中，开关控制电路50包括一个使用脉冲宽度调制(PWM)控制的集成电路(IC)(例如，一个型号为MC2845的电流型控制集成电路51，从Motorola半导体制造部门可以买到)。这个IC有八个电路连接线或管脚：一个COMP输出(管脚1)，一个VFB输入(管脚2)，一个电流检测输入(管脚3)，一个频率控制或RT/CT输入(管脚4)，一个GND输入(管脚5)用于连接到地电位铁块(也就是电路公共点24)，一个控制信号输出(管脚6)用于电源开关运行，一个Vcc输入(管脚7)和一个VREF输出(管脚8)。在灯泡镇流器文本里一个非常类似的IC芯片运行的详细解释可以在美国专利5144195里找到，该专利已转让给本发明的受让方，并通过参考文献合并在这里。还有其它器件，它们对那些技术熟练的人来说应该是熟悉的。
仍参看图3，控制器IC51的参考电压VREF输出提供一个方便的调节合适的电压源，用于在启动镇流器时控制IC的运行。当把电源加到镇流器10的电源20时，IC被加电，参考电压VREF输出是5伏。这个输出(IC的管脚8)使用一个电阻R5和一个电容器C5给IC的频率控制输入(也就是RT/CT输入，管脚4)提供一个电流源，同时给延时操作开关电路52加电。这个开关电路的功能是把DC控制电流的数值或流动变成IC的频率控制输入。
在图3中，延时操作开关电路52包括两个晶体管T1和T2，它们作为电子开关工作并共同去短暂地增加供给IC51的RT/CT输入的电流。特别地，这两个晶体管开关以这样一种方式连接，当第一个晶体管T1截止，第二个晶体管T2就导通，它们形成一个通路，把流进IC的RT/CT输入的电流分流。
更特别地，当IC51被加电时，电流流过两个输入电阻R1(例如，约4.7KW)和R4(例如，大约10KW)使时间延迟电容器C1(例如，大约100mF)充电。只要这个电容器C1在充电，与第一个晶体管T1的基极输入并联的输入电阻R4两端就产生电压。这个电阻R4、时间延迟电容器C1和偏置第一个晶体管开关的其它电阻R1和R2被选择成在一个预定的时间延迟后截止第一个晶体管。只要第一个晶体管T1导通，第二个晶体管T2的基极输入和发射极就接地，第二个晶体管开关断开。电流的路径是从电压源或参考电压VREF流过一个电阻网络，该网络包括两个互相并联的电阻R3(它与二极管D2串联)和R5。全部电流流到IC的RT/CT输入(管脚4)。选择并联电阻R3的大小(例如，大约6.8KW)使IC产生的输出频率远高于谐振频率，防止在加热灯泡的灯丝时灯负载放电。
一段时间间隔后，这个时间间隔部分地由时间延迟电容器C1的大小确定，通过第一个晶体管T1的基极电阻R4的电流下降得足以使第一个晶体管截止。当第一个晶体管T1截止时，它不再使第二个晶体管T2的基极接地。因此，由于电流流过输入电阻R2并进入第二个晶体管T2的基极，第二个晶体管导通。这使得流过并联电阻R3的电流短路接地并使得与这个电阻串接的二极管D2反向偏置。现在，从电压源VREF到IC51的频率控制RT/CT输入(管脚4)的电流路径只有通过一个电阻R5。因为这个电流较低，IC的输出频率回到指定的谐振频率，这个谐振频率由电阻R5和与连接IC的频率控制RT/CT输入(管脚4)的电容器C5确定。在电源开关控制以指定的谐振频率运行后，弧光放电使灯负载70点燃。
在一个实施例中，镇流器电路包括：一个被连接到交流电流供电的脉冲整流电压电源；一个有两个端子，其中一端连接到电路公共点的能量储存电容器；一个能量储存电感器，其一个端子连接电源，其第二端子连接能量储存电容器的另一端；一个开关，其一端连接能量储存电感器的第一端子，另一端连接到电路公共点；一个控制电路，用于以一种速率断开与闭合开关，这种速率至少是一个DC控制电流的函数；一个与能量储存电感器耦合的谐振电路，用于激励气体放电灯，并且这个谐振电路的特点在于当DC控制电流处于DC预置数值时达到谐振频率；一个电流改变电路，用于在与交流源连接后改变DC控制电流，以便仅仅在预置延迟以后开关才达到以谐振的速率运行。
在本发明的一个实施例中，电流改变电路包括：一个时间延迟电路，特点在于可预置时间间隔；一个启动开关，它响应时间延迟电路来断开和闭合；一个电阻网络，它从一个参考电压产生DC控制电流，并且它有一个节点通过启动开关连接到电路的公共点，以便DC控制电流的改变响应时间延迟电路的运行，使得灯泡的元件在灯点燃前加热。
本发明的一个重要的优点是改进灯的寿命。另一个重要优点是可以通过在灯被点燃后提供一个手动控制改变谐振电路的频率来加上暗淡特性。
从前面的描述，技术熟练的人显然将会观察到可以有许多种变化、替代和修改。因此，只是把这些描述认作例证，目的是教会在本领域懂技术的人实现本发明的方法。零部件的尺寸和按排可以有多种变化。此外，等效的元件可能代替那些说明过的和描述过的元件。例如，本发明是参照Motonola半导体公司的一种可用的集成电路控制器(也就是，MC2845)来描述的。其它类似器件也是可以用的，技术熟练的人懂得它们的操作。本发明还有一些特点可以利用，它们与本发明的其它特点无关。例如，一旦灯被点燃，IC的频率控制管脚(例如，管脚4)可能用于使灯暗淡。通过增加流入到这个管脚的电流，输出频率可以升高到足以使谐振电路60偏离谐振。可以使用一个由分压器或可变电阻器组成的简单的手动控制。其作用是改变前面所描述过的流过R3的电流。
因此，在不离开在附加的权利要求里明确定义过的本发明的精神和范围做各种修改、替代、变化和改变会受到赞赏。当然，我们的意图是通过附加的权利要求覆盖所有包含在权利要求范围之内的这些改变。

Claims (10)

1.用于驱动气体放电灯的一个镇流器电路，包括：
连接到一个交流电源的脉冲整流电压电源；
一个能量储存电容器有两个端子，所说的端子之一连接到电路的一个公共点；
一个能量储存电感器有一个第一端子，连接到所说的电源，还有一个第二端子，连接到所说的能量储存电容器的另一端；
一个开关，它有一端连接到所说的能量储存电感器的所说的第一端子，还有另一端连接到所说的电路公共点；
一个与所说的能量储存电感器耦合的谐振电路，用于激励气体放电灯；
一个开关控制电路，用于以一种速率断开和闭合所说的开关，这个速率至少是一个DC电流数值的函数；
一个电流改变电路，用于在连接所说的交流电流后改变所说的DC电流数值，使之仅在一个预置的延迟后所说的开关才以达到谐振的速率运行。
2.权利要求1的镇流器电路，其特征在于：
所说的开关控制电路有一个参考电压输出和一个频率控制输入，并且其中所说的电流改变电路包括：一个电阻，连接在所说的开关控制电路的所说的电压输出和所说的开关控制电路的所说的频率控制输入之间；还有一个电路，用于在所说的预置延迟后改变所说的电阻；
所说的谐振电路包括一个预置的谐振频率，当所说的DC电流为预置的数值时达到该预置的谐振频率，其中所说的电流改变电路包括一个电阻开关电路，用于在接上所说的交流供电后于一个预置时间间隔内改变所说的预置DC电流数值，使所说的谐振电路在至少是所说的预置时间间隔内以不同于预置谐振频率的频率运行；
所说的电流改变电路包括：一个时间延迟电路，有一个预置的时间间隔；
一个晶体管开关，响应所说的时间延迟电路而断开和闭合；
一个电阻网络，用于从参考电压产生所说的DC电流值，所说的电阻网络有一个第一节点连接到所说的参考电压，有一个第二节点连接到所说的开关控制电路，还有一个第三节点通过所说的晶体管开关连接到电路公共点，使所说的DC电流数值随所说的时间延迟电路的运行而变化。
3.权利要求2的镇流器电路，其特征在于：
所说的电阻网络包括：一个第一电阻器连接在所说的第一节点和所说的第二节点之间；一个串联电路，包括一个第二电阻器和一个二极管，所说的串联电路连接在所说的第一节点和所说的第二节点之间，并且所说的第二电阻器和所说的二极管一起连接在所说的第三节点上；
所说的时间延迟电路包括：一个晶体管，它响应一个RC电路而运行，该电路连接到所说的参考电压，使所说的晶体管在一个电容器的充电期得到偏置。
4.权利要求1的镇流器电路，其特征在于：
所说的电流改变电路包括一个电阻网络，用于从参考电压产生所说的DC电流数值，所说的电阻网络有一个第一节点连接到所说的参考电压，有一个第二节点连接到所说的控制电路，还有一个第三节点通过一个晶体管开关连接到电路公共点，使所说的电流数值随所说的时间延迟电路的运行变化。
所说的开关控制电路包括一个集成电路和一个电容器。集成电路有一个脉冲宽度调制输出，用于控制所说的开关的断开和闭合，还有一个参考电压输出和一个电流控制输入。电容器连接在所说的电路公共点和所说的电流控制输入之间。
5.权利要求1的镇流器电路，其特征在于气体放电灯有一个加热元件用于启动灯，进一步，还包括一个灯丝加热电路，它与一个所说的能量储存电感器和所说的谐振电路耦合，该灯丝加热电路适配得以可拆卸方式连接到所说的气体放电灯的加热元件；
所说的谐振电路包括一个电感器；其中所说的灯丝加热电路包括：
至少有一个线圈，它与所说的谐振电路的所说的电感器以变压器方式耦合；
一个电容器，与所说的至少一个线圈串联。
6.一个镇流器电路，为用AC交流电源去操作一种在那里面至少有一个加热元件的气体放电灯，其中包括：
一个电源电路，用于把AC交流电源转换成一个脉动、整流、功率因数校正了的输出电源；
一个能量储存电感器电路，它连接到所说的电源电路输出端，并且它包括一个次级绕组和一个初级绕组，初级绕组有一个端子连接到所说的电源电路的所说的输出；
一个电子开关把电路的公共点连接到所说的初级绕组的所说的一端，该开关运行响应一个DC控制电流；
一个储存电容器，连接在所说的初级绕组的另一端和所说的电路的公共点之间；
一个谐振电路，连接到所说的能量储存电感器电路，它激励气体放电灯；
一个启动电路，用于把所说的谐振电路在运行于谐振前的预置时间间隔内改变DC控制电流数值。
7.权利要求6的镇流器电路，其特征在于所说的谐振电路包括一个当所说的DC控制电流在预置DC数值时达到的谐振频率；其中所说的启动电路包括一个开关电路，它提供一个高于所说的预置DC数值的电流，而在预置时间间隔结束时提供等于所说的预置值的控制电流。
8.权利要求6的镇流器电路，其特征在于所说的启动电路包括：
一个具有所说的预置时间间隔的时间延迟电路；
一个启动开关，它的断开和闭合响应所说的时间延迟电路；
一个电阻网络，用于从参考电压产生所说的DC电流值，所说的电阻网络有一个端连接到所说的参考电压，相对的一端通过所说的启动开关连接到电路的一个公共点，以便所说的控制电流随所说的时间延迟电路的运行而变化。
9.权利要求8的镇流器电路，其特征在于：
所说的电阻网络包括：两个互相并联的电阻，所说的两个电阻之一连接在所说的参考电压和所说的启动开关之间；
所说的时间延迟电路包括：一个具有基极输入的共发射极电路；一个RC电路，连接到所说的参考电压和所说的共发射极电路的所说的基极输入；
所说的谐振电路包括一个电感器；进一步包括：一个灯丝加热电路，它与所说的谐振电路电感器耦合，且适配得以可拆卸方式与气体放电灯为快速启动灯泡至少一个加热元件相连，所说的灯丝加热电路包括：至少一个线圈，与所说的谐振电路电感器以变压器方式耦合；一个电容器，它与所说的至少有一个线圈和所说的至少有一个加热元件串联；
所说的能量储存电感器电路通过一个串联电路连接到所说的电源电路的所说的输出，串联电路包括：一个功率因数校正电感器和一个二极管，该二极管被定向使能量不能回流到所说的电源电路。
10.一个镇流器电路，为使用AC交流电源去操作一种含加热元件的气体放电灯，其中包括：
一个电源电路，用于把AC交流电源转换成一个脉动、整流、功率因数校正了的输出电源；
一个能量储存电感器电路，它连接到所说的电源的所说的输出，所说的能量储存电感器电路包括：一个初级绕组，有一端连接到所说的电源电路的所说的输出，相对的一端通过一个能量储存电容器连接到电路的一个公共点；一个次级绕组，其第一端子连接到所说的电路公共点，次级绕组第二端子通过一个箝位二极管连接到所说的初级绕组的所说的相对的一端，一个附加的电容器连接在所说的次级绕组第二端子和所说的初级绕组的所说的一端之间；
一个电子开关把一个电路的公共点连接到所说的初级绕组的所说的一端；
一种控制方式，用于断开和闭合所说的响应DC直流控制电流的电子开关；
一个谐振电路，连接到所说的初级绕组的所说的一端并激励气体放电灯，所说的谐振电路有一个谐振频率，当所说的DC控制电流在预置的DC数值时达到该谐振频率；
一个启动电路，在给所说的电源电路加载后用它来改变在预置时间间隔内的所说的DC控制电流，所说的启动电路包括：一个时间延迟电容器；一个启动开关，其断开和闭合响应所说的时间延迟电容器上的电压；一个电阻网络从参考电压产生所说的DC控制电流，并且该网络有一个节点通过所说的启动开关连接到所说的电路公共点，使所说的DC控制电流至少随所说的启动开关的运行而变化。
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