CN1220572A - 带简单起动电路的自由振荡器电路 - Google Patents

Abstract

一种用在自由振荡电路中的起动电路ALS,在为低压气体放电灯EL提供供电时,它特别适用于EVG中的场效应晶体管半桥。通过使用起动电容C5,可以放弃采用两端开关元件。

Description

带简单起动电路的自由振荡器电路

本发明涉及一种用于负载的工作电路，它由振荡器电路产生一种高频功率来供给负载。同时，振荡器电路自身也需供给一种供电功率，譬如整流的网络功率等。由此，专用的振荡器电路带有一些电压控制开关元件，如场效应晶体管半桥等。在低压气体放电灯的电气串联装置中，这种工作电路非常适用。

本发明这种工作电路其一个重要的观点源于：工作开始时，振荡器需要进行自由振荡。为产生该自由振荡，通常采用一些诸如正反馈控制变压器之类的装置来控制振荡器的开关元件。但是，在振荡过程中，首先要自行产生正反馈作用，而这种正反馈作用可以说必须由外部触发产生。

在德国专利申请DE19548506A1中，可得到一种大家熟悉的起动电路方案，它通过导通供电功率而产生这种触发作用。在此，供电功率导通后，电容器通过一个电阻进行长时间充电，直至到达两端开关元件的击穿电压。在半桥振荡器的场效应晶体管控制电路中，上述击穿将释放一部分存储于电容器中的电荷。其它的细目可在引证的文件中查取。

本发明的技术问题在于，提供了文章开头讲述的那种工作电路，且带有一种较为改善的起动电路。

为此，发明提供一种用于负载的工作电路，尤其适用于低压气体放电灯，该工作电路带有一个自由振荡器，并由自由振荡器的压控开关元件把供电功率变成高频输出功率供给负载，其特征在于，通过一个起动电路将自由振荡带入运行，起动电路中的起动电容连接在与开关元件控制端相连的控制电路与开关元件的参考电位之间。

首先，本发明以下述认识作为依据，即常规方案技术水平中采用了两端开关元件，这是一个重要的缺点。同样，结果表明，同工作电路中采用的其它元件相比，两端开关元件具有相当高的废品率，由此便导致了与之装配在一起的电气串联装置或其它工作电路产生较高的废品率，这是不必要的。

因此，在本发明的方案中放弃使用两端开关元件。替而代之的是一个电容器，在此称为起动电容。该起动电容的作用为，通过电容的电路接线，其充电电荷不断增加，当供电功率导通后，某开关元件的参考电位便将振荡器或其一个开关元件的控制电路投入运行，使得相关的开关元件进行第一次开关操作过程，上述参考电位可能取自于一个功率供电支路。对此，应作如下特殊考虑，即这里的压控开关元件不需要大电流，只需纯粹的电压控制。对于接通状态过程或断开状态过程，压控开关元件均有一个定义的阈电压。两端开关元件在本发明中将避免采用，这在前文已有阐述，其击穿过程可通过接近并超过开关元件的电压阈值来代替。该过程是通过供电功率导通后的充电起动电容来进行直接或间接作用的。

典型地，这可按如下方法实现，即复合控制电路的电位全部由起动电容来控制移动，这在下文将会作更详细的讲解。但是，又不一定非得需要复合控制电路不可；最简单的情形下，只是经常采用正反馈装置的一个接点作为自由振荡最低意义上的“控制电路”(如控制变压器的二次线圈)，这样，起动电容的电压实际上是直接作用于压控开关元件控制端的。假期控制变压器一次线圈带有相位延迟，且能给开关元件的控制加上负荷，那么就可以得到这种简单的“最小型”控制电路了。

总之，根据本发明，采用一种起动电容作为既简单又低廉的元件，由此，就不需要带有上述缺点的两端开关元件了。

发明的优选实施方案中，振荡器为一种半桥电路，常称作电气串联装置。压控开关元件的优选范例经常采用场效应晶体管，主要是MOSFET，或IGBT。

优选地，起动电容只是简单通过充电电阻进行充电，充电电阻连接在起动电容与一个适合于充电的电位之间，该电位可能就取在功率供电的一个支路上，而充电电阻具有较高的阻值，这样，起动电路在振荡工作中就很少起到干扰作用。

供电功率导通后，为避免整个工作电路可能出现稳态情况，可优选采取以下典型方法，即在选择起动电容的充电接点时，它带有一种振荡或波动的电位。对此，若工作电路的电源经过整流器的话，那么电源输入侧的充电电阻就连接在交流电压接线上。但是，如果不存在交流电压源，譬如由电池供电工作的情形，那么就另外还有一种解决方案，它的意义比较重大。然后，就可由诸如触发器之类的双稳态元件来产生上述的波动或振荡。然而，对于本发明工作电路考虑采用的低压气体放电灯电气串联设备，它完全是为电源供电而配置的。

此外，可优选地采用一个放电电阻同起动电容并联起来，它与充电电阻也作并联连接。尤其是在振荡器振荡时该放电电阻能支持起动电容进行放电。如果电源采用整流器和一个由该整流器充电的大电解电容进行供电的话，那么对提高工作的可靠性将是很有意义的。在此涉及到一些工作相位，整流器在这些相位处不对电解电容进行再充电，于是整流侧与电源侧之间不存在电位耦合。整流侧处于这种“飘移”状态时，整流器内偏移电容的作用将会干扰连接于电源侧与整流侧的充电电阻的电位比，因此便干扰了其放电功能。

本发明的另一种优选实施方案中采用了一种放电二极管，它用来给振荡工作中的起动电容提供循环放电。该放电二极管作如下连接，即它在实际起动过程中先是关断的，由此以让起动电容进行充电。如果工作电路已经进行了第一次自由振荡，那么在放电二极管的另一接线边就会产生跟随振荡频率的电位状态，使得起动电容经过放电二极管进行循环放电。在其它电位状态时，放电二极管处于关断状态。优选地，桥电路中的放电二极管连接在桥中间抽头上，且位于起动电容控制电路侧接线边与开关元件远端供电支路边之间。

正如已有的实施方案一样，这里被统称为“控制电路”的其具体实施方案可以有多种可能性。下面讲述两种优选的方案，事实证明，方案采用一种半桥电路对于可靠低损耗工作非常适用。在第一种方案中，由一电阻及控制变压器的二次线圈组成一个串联控制电路，为实现自由振荡所需要的正反馈，在该电路中并联了一个电容，其中，串联电路与电容一起连接在相关开关元件的控制端上。第二种方案中，又加上了一个与电容并联的线圈，该线圈与电容形成一种振荡电路。这两种形式的工作原理、优点以及其它方案可在以下文件中查取，它们也是在以下专利申请中公开的：DE4129430A1及DE19548506A1，这在上文已经提及过。

导通之前，为了给开始起动预先确定工作电路的电位状态，可典型地在开关元件远端供电支路接线边与供电支路之间连接一个电阻。通过这样一个电阻-对于无干扰正常工作它的阻值自然很大-相应的远端供电支路接线边其电位相对于供电支路而言是处于静止状态的，也就是说，对于一个确定的开关元件，在起动过程中，它首先是没有电压的，或者基本上是等于整个供电电压(整流电压)。

下面按照附图讲述本发明两种具体的实施范例，其中，在此公布的单个特征在其它情况下可以组合起来，或成为本发明的各个基本特征，其中：

附图1为本发明工作电路的一种电路图；

附图2为附图1所示电路的各个电压电流典型示波时间流程图。

附图3为一种与附图1工作电路较为相符的电路图，但带有另一种起动电路接线；

附图4为一种与附图1工作电路较为相符的电路图，但带有另一种控制电路选择方案。

附图1示出了一种工作电路，它用在低压气体放电灯的电气串联装置中，而放电灯就作为负载EL。在此，整流器GL由电压源经过保险丝SI提供供电，整流器还供电给电解电容C1，起到保持电压的作用。在电解电容C1处有两个分支的供电支路，它们经过一个滤波器，该滤波器由第一个支路的线圈L1和连接在两支路间的电容C2组成。

附图下方的供电支路电位为负值，它定义了工作电路整流侧的参考电位。与此相反，上方供电支路为正电位。在两个供电支路之间，由两MOSFET晶体管T1与T2组成一个半桥，在此，采用N沟道晶体管，且在负极侧为源极接线边。而在半桥的中间抽头和正极供电支路之间存在一个负载电路，它由一个串联电灯扼流圈L2，低压气体放电灯EL和串联耦合电容C7组成。在远端，有一个与负载并联的电路，它由两个谐振电容C8、C9和一个热敏电阻KL组成，其目的是起到灯的点燃作用。

为便于MOSFET晶体管T1、T2进行去载转换，上述半桥晶体管T2还并联了一个电容C6。

MOSFET晶体管的源极接线边作为晶体管内部的参考电位，而T1、T2的源极接线边与其相应的栅极接线边之间分别有一个控制电路AS1及AS2。对于下方的半桥晶体管T1，其控制电路AS1通过一个起动电路ALS与晶体管T1的源极接线边连接起来，这在下文将作更详细讲述。AS1与AS2控制电路的结构是相同的，它们由一个并联电路和一个串联电路组成，其中，并联电路由线圈L3或L4与电容C3或C4组成，而串联电路则由一个二次绕组HW1或HW2和电阻R3或R4组成，HW1与HW2的一次绕组由电灯的扼流圈L2提供。二次绕组的绕组方向为-由HW1,HW2及L2上的黑点指示出-背靠背相互放在一起。

迄今讲述的开关元件都是大家熟悉的，也可以在已引用的DE19548506A1中去查找它们。由于另外还采用了一些别的元件，所以还需参阅该权利申请及其它相关的现有技术。

在附图1的下部区域，用划线包围了起动电路ALS，从原理上讲，连接于半桥中间抽头与正极供电支路间的电阻R2也属于该起动电路。起动电路中，起动电容C5位于下方桥晶体管T1的控制电路AS1与负极供电支路之间。与之并联的为一个放电电阻R5。放电二极管D1与起动电容C5相串联，并连接在半桥的中间抽头上，其阳极位于起动电容C5侧，另外，充电电阻R1也与C5相串联，并连接在位于整流器GL进线侧的交流电压源上。

在工作电路直接导通后，也就是整流器GL的电源电压进行供电以后，电阻R2使得半桥的中间抽头保持在正极供电支路的电位上。由此，下方的桥晶体管T1所处的电压实际上就是电解电容C1的总直流电压。基本上，控制电路1的电压也就是电容C3上的电压，它加在桥晶体管T1的源极接线边与栅极接线边之间，图中称作U_CS，而起动电容C5上的电压U_C5是与该电压相毗连的。

由于控制变压器L2-HW1/HW2没有正反馈，在半桥的中间点也没有电位振荡，所以在开始时控制电路AS1及AS2不能给出输出信号，因此，起动电路ALS必须照顾到第一个开关过程。在当前这个范例中，起动电容C5通过充电电阻R1从电源相线上进行充电，以此使桥晶体管T1产生第一次导通动作。一旦起动电容C5上的电压U_C5达到桥晶体管T1栅极与源极间第一次导通所需的阈电压-由于控制电路AS1不参与工作，所以开始时电压分别是U_C5和U_GS-电流就开始流经晶体管T1和负载电路。

现在，电灯扼流圈L2内的电流便把正反馈机理带入运行，其方式是，根据控制变压器的绕组比，该电流在二次线圈HW1和HW2内引起一个感应电流。尽管导通的晶体管T1和放电二极管D1使得起动电容C5不断放电-桥中间点电位不断降低，但二次线圈HW1内的感应电流可通过电阻K3对电容C3进行充电，从而继续保持晶体管T1导通。于是，起动电容C5两端电压U_C5对桥晶体管T1的第一次控制只要能使桥晶体管T1产生足够的导电能力，那么通过正反馈机理就可让自由振荡投入运行了，而且只需经过较短的时间间隔就能进入起振状态。

在“标准”自由振荡工作时，桥中间点的电位振荡使得起动电容C5经过放电二极管D1循环进行放电，由此电压U_C5小得可以忽略不计。附图1所示的实施范例中，充电电阻R1连接在整流器GL进线侧的电源相线上。其背景如下：假使由于电灯EL内部的原因使得负载电流暂时发生中断，那么正反馈也便因此而中止，这样就可能产生一种稳态，而这种稳态应该可靠地经过几个电源半波来进行避免，在负载电流中断的瞬间，电压U_C5恰好等于桥晶体管T1的导通阈电压，由此，在达到稳态后，总的放电电流将通过放电二极管D1和桥晶体管T1对起动电容C5的充电电流和流经充电电阻R1的电流进行补偿。在这种稳态状况下，由于晶体管T1具有微弱的导电能力，所以桥中间点电位还加在负极供电支路上，因此，电解电容C1上的电压基本上等于负载电路电容C7、C8、C9的总电压。晶体管T1的漏极-源极电压实际上就等于栅极-源极电压U_GS。在这种状态下需要重新恢复起动，现通过以下方式来确保该设想：假设附图1所画出的电压U_GL为负值，那么，流经充电电阻R1并对起动电容C5进行充电的充电电流将会按照电源振荡频率，使电容C5经由充电电阻R1进行再次放电。由此便可恢复起动。

根据前言中已草述的原理，如果电解电容C1没有再充电的话，负电压U_GL将很难使起动电容C5通过充电电阻R1进行放电。因此另外加上一个放电电阻R5。其作用已经讲述过了。在此，通过起动电容C5的放电，上文所述的机理就一定能够得以确保再次启动运行。

现在用另一种方式讲述一下附图1所示电路图的起动过程，见附图2，它画出了晶体管T1的栅极-源极电压U_GS，起动电容C5的电压U_C5，流经桥晶体管T1(流经开关线路)的电压I_T1，以及流经电灯扼流圈L2的电流I_L2。所画的时间轴为从左至右，而电压与电流的零点是相互偏离的，它们位于附图的左边。

值得注意的是，在附图振荡时间标度上，不知道充电过程，那么也就不知道电压U_C5的时间坡度了。该附图是在电压U_C5与U_GS同时上升之后才开始的，其值都超过了晶体管T1的导通阈电压，其中还有一个突然上升的尖峰电流I_T1。这个短暂的尖峰电流是由于梯形电容C6快速充电而引起的，但I_T1在上升后继续还有一个延伸。电压U_C5的陷落处在一定程度上可反映出晶体管电流I_T1的上升。因此从电压U_C5的时间曲线上可以看出，放电过程中的电压在时间上较早地就有了下降，由于晶体管电流I_T1增加了，所以在晶体管T1开关线路的欧姆电阻上产生了一个电压降，基于这个电压降，U_C5就很容易再次上升。所以，U_C5这种容易上升的形状与同时电流I_T1的形状在性质上是相符的。

另外，附图2中还画出了电灯扼流圈在晶体管T1开始导通后的电流图形，它是由I_T1带入工作运行的。由于晶体管电流I_T1的上升作用，上文正反馈机理将导致控制电路开始投入运行，也就是说，晶体管T1将由控制电路AS1再次关断，而紧接着晶体管T2便由控制电路AS2控制导通。相应地，晶体管T1的电压U_GS通过振荡作用达到负值，这时出现的振荡情形恰好同开始时电灯扼流圈I_L2的振荡相反。在其余的时间曲线上可看到电压U_GS与负载电流的起振情况，负载电流也就是电灯扼流圈电流I_L2。

尽管起动电容C5的电压U_C5第二个陷落同第一个陷落的性质是相似的，但前者明显要比后者大。这种作用的增加其原因在于，第二次与第一次导通过程都是纯粹通过正反馈作用机理产生的，从而使得桥晶体管T1的导电能力有了显著的增强。由此，桥中间点电位降至负极供电支路参考电位之下，而且，MOSFET管T1的体内二极管存在流动电压，必将导致电灯扼流圈L2内的电流量增加。

附图2中的图形基本思想为，在第一次起动开始时，尽管起动电容C5的电流通过晶体管T1而进行联合放电，但是根据正反馈机理，电流I_L2在二次线圈HW1及HW2内引起一个感应电流，使得桥晶体管T1产生很好的导通过程。

第二种实施范例的工作性质与第一种是一样的，其电路图如附图3所示。它与附图1电路的区别在于：桥晶体管T2现采用一种P沟道MOSFET，而不是上述的N沟道MOSFET。相应地，电阻R2位于桥中间点与负极供电支路之间。进一步地说，控制电路AS2不是连接在桥中间点上，而是接在供电支路上方。由此，起动电路连接在控制电路2与正极供电支路之间-本实施范例也由此而一投入工作。在此，充电电阻R1位于另一根电源相线上。放电二极管D1的极性需要匹配，也就是说需要反向。该范例中，电容C6位于桥中间点与下方负极供电支路之间；但它也可同样放在原来的位置。此外，本实施例的工作方式与上文讲述的内容是相符的，这里就不重作阐述了。

如附图4所示，控制电路AS1与AS2也可以由一种并联电路组成，它只含有一个电容C3、C4和一个串联电路，该串联电路由电阻R3、R4和控制变压器的二次线圈HW1、HW2组成，控制变压器的一次线圈就是上文提到的电灯扼流圈L2。此外，电路的结构与附图1所示电路是一样的。

对于第一种实施例，其主要元件采取以下典型值：

C5:100nF

R1:330KΩ

R5:47KΩ

D1:1N4005

Claims (10)

1．用于负载(EL)，尤其是适用于低压气体放电灯的工作电路，它带有一个自由振荡器，并由自由振荡器的压控开关元件(T1,T2)把供电功率变成高频输出功率提供给负载(EL)，其特征在于，通过一个起动电路(ALS)将自由振荡带入运行，起动电路中带有一个起动电容(C5)，该电容连接在控制电路(AS1,AS2)与开关元件的参考电位之间，控制电路(AS1,AS2)连接在开关元件(T1,T2)的控制端上。

2．根据权利要求1的工作电路，其特征在于，振荡器为一半桥(T1,T2)。

3．根据权利要求1或2的工作电路，其特征在于，压控开关元件(T1,T2)为场效应晶体管或IGBT晶体管。

4．根据权利要求1的工作电路，其特征在于，在起动电容(C5)和功率供电支路之间连接一个充电电阻(R1)。

5．根据权利要求4的工作电路，其特征在于，在振荡器功率供电中，充电电阻(R1)连接在整流器(GL)的电源进线侧。

6．根据权利要求1的工作电路，其特征在于，起动电容(C5)并联了一个充电电阻(R5)。

7．根据权利要求1的工作电路，其特征在于，在起动电容(C5)的控制电路侧接线端和开关元件(T1,T2)的远端供电支路接线端之间连接有一个放电二极管(D1)，以便起动电容(C5)在振荡工作中进行循环放电。

8．根据权利要求1的工作电路，其特征在于，电阻(R3,R4)同振荡器的控制变压器的次级线圈(HW1,HW2)形成一个串联电路，电容(C3,C4)与该串联电路再构成一个并联电路，然后连接在开关元件(T1,T2)的控制端上，由此组成控制电路(AS1,AS2)。

9．根据权利要求8的工作电路，其特征在于，一个线圈(L3,L4)与电容(C3,C4)相并联，它与电容(C3,C4)组成一个振荡电路。

10．根据权利要求1的工作电路，其特征在于，在振荡器的中间抽头和供电支路之间连接一个电阻(R2)，以定义振荡器在起动时的电位状态。

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