CN1241350A - 电路系统 - Google Patents

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Abstract

一种电路系统,包括:输入端子(T1,T2),供从供电电源获取供电电流;装置(Ⅰ),供产生控制信号S;装置(Ⅱ),配备有一个转换器配备有至少一个开关元件(13)和控制装置(17),控制装置(17)根据控制信号S的信号值高频触发所述开关元件;装置(Ⅲ),供产生表示供电电源所提供供电电压瞬时值大小的电压Sc。电压Sc起基准信号的作用促使装置(Ⅰ)产生交替处在第一范围和第二范围的控制信号S。装置(Ⅱ)促使大小等于控制信号S在第一范围的信号值的较强供电电流(Ⅳ1)的提取,和大小等于控制信号S在第二范围的信号值的较弱供电电流(Ⅳ2)的提取,输出端子(T3,T4)耦合到装置(Ⅱ)供将装置(Ⅱ)与光源(L1)连接起来。

Description

电路系统
本发明涉及一种电路系统，该系统包括：
输入端子，供从供电电源获取供电电流；
装置I，供产生控制信号S；
装置II，配备有一个变换器，变换器配备有至少一个开关元件和一个控制装置，控制装置根据控制信号S的值以高频触发所述开关元件；
装置III，供产生作为供电电源所提供的供电电压瞬时值的大小的电压Sc；
输出端子，耦合到装置II上，供与光源连接。
从欧洲专利EP 507393可以了解到本说明开端所述的那一种电路系统。该专利的电路系统接正弦电压源时提取形状大致相应的供电电流。该专利电路系统的装置III由一个整流电路构成。整流电路产生的电压控制着一个上变换器的工作过程。控制信号由一个检测装置产生，由这个检测装置测定由上变换器供电的容性装置的充电电流。这种电路系统可用作半导体光源的电源。
半导体光源发光效率较高，约在15流明/瓦左右，使用寿命长，达几万个小时，因而用作交通灯极有吸引力。目前，交通灯通常由白炽灯构成，其转换操作大部分采用配备有一个三端双向可控硅开关元件(TRIAC)和一个控制电路的固态继电器(SSR)进行。SSR在所使用的白炽灯150瓦左右较高的负荷下能可靠地工作。
然而，若交通灯采用半导体光源，则负荷就小得多，15瓦或以下也就足够了。这种半导体光源与现行的电路系统和现行的SSR配用时TR1AC偶尔不会进入导通状态，这时从SSR提取的供电电流大部分流经控制电路，可能使控制电路损坏。
本发明的目的是提供本说明书开端所述的那一种可接现行SSR而无损坏控制电路风险的电路系统。
按照本发明，上述目的是这样达到的：以电压Sc作为基准信号促使装置I产生交替处在第一范围和第二范围的控制信号S，同时由装置II促使所提取的较强供电电流值为控制信号S在第一范围的信号值，并促使所提取的较弱供电电流值为控制信号S在第二范围的信号值。
由于控制信号交替处在第一和第二范围，因而电路系统一方面从供电电源提取较强的供电电流，从而使SSR靠地转换，避免损坏控制电路，另一方面使从供电电源提取的供电电流有效值，从而也使获自供电电源的功率，保持低值。控制信号S影响变换器控制装置的工作循环和/或频率，因而可简单地控制从供电电源提取的供电电流。这里，供电电源起交流电压发生器的作用，促使控制信号S借助于基准信号Sc交替处在第一和第二范围，从而无需单独的装置来完成此项任务。
变换器可以作成例如谐振半桥电路，作成逆向变换器或作成升压变换器与另一种变换器的组合件，例如升压变换器与下变换器的组合件。要提高功率因数最好采用多谐振正向/逆向变换器。在所有情况下，无需交替提取强供电电流和弱供电电流。实践证明，此项操作只在低温下进行即可。
要取得高功率因数最好是在装置I从基准电压Sc产生供电电压的绝对瞬时值较高时处在第一范围、供电电压的绝对瞬时值较低时处在第二范围的控制信号S时进行。
本发明电路系统的工作条件，例如供电电压和环境温度，实际上变化极大。本发明电路系统的一个引入注目的实施例具有这样的特点：装置I、II和III形成控制系统的一部分，供控制光源提供的光通量，控制系统还有一个装置IV供产生表示光源所消耗的功率与规定值之间的差值的误差信号Sf，装置I产生的控制信号S还部分与误差信号Sf有关。达到所要求的光通量所需要消耗的功率可通过配合提取较强供电电流的相对持续时间简单加以控制。相对持续时间是指各供电电压周期提取较强供电电流的持续时间与周期持续时间的比值。由于为交替提取较强和较弱的供电电流而采用了装置I，II和III，因而在此实施例中，尽管条件千变万化也能简单地使光源所产生的光通量与所要求的通量值大致相当。
这里，最好配备装置IV供根据光源所消耗的电流产生信号Si，装置VI供根据光源环境的环境温度产生信号St，装置VII供根据信号Si和信号St计算误差信号Sf。本实施例特别适用于半导体光源。半导体光源两端的电压通常仅在不大的程度上与流过其中的电流有关，因而信号Si也表示出半导体光源所消耗功率的大小。半导体光源的发光效率通常与环境温度有关，因而有了装置VI就可以简单地根据环境温度估计出半导体光源所消耗功率的期望值。
这里，最好给装置I配备装置I′供促使控制信号在误差信号Sf减弱时变化，这个变化促使装置II产生的较强供电电流增加。温度高而供电电压低时，控制信号S偶而也会在供电电压的整个周期中业已处在第二范围，因而不可能通过增加提取较强供电电流的相对持续时间促使电路系统消耗的功率提高。装置I′确保在这些情况下电路系统所消耗的功率可进一步提高，这是因为较强供电电流值增加的缘故，这样就可以使半导体光源提供的光通量在较宽的环境温度范围内保持不变，而在没有装置I′的情况下就做不到这一点。
现在参看附图更详细地说明本发明电路系统的上述和其它方面。附图中：
图1是本发明电路系统的示意图；
图2更详细地示出了装置I和III的细节；
图3更详细地示出了装置II的细节；
图4更详细地示出了装置IV包括装置V、VI和VIII在内的细节；
图5示意绘出了供电电压Vv、供电电流Iv和一些信号的梯度；
图6A，6B和6C示出了在各种条件下测出的供电电压Vv和供电流Iv的梯度。
从图1的示意图中可以看到电路系统配备有输入端子T1，T2供从供电电源(Vin)提取供电电流。输入端子T1，T2经除其它以外包括一个低通滤波器的输入电路F1接整流装置RM。整流装置RM制成例如二极管电桥。装置II通过整流装置RM得到供电，输出端子T3，T4即耦合到装置II上，将装置II与光源L1连接起来。装置II配备有一个装有至少一个开关元件13和控制装置17的变换器。装置I产生控制信号S。控制装置17根据控制信号S以高频转换开关元件。电路系统还配备有装置III供产生表示供电电源所提供供电电压的瞬时值的电压Sc。整流装置RM形成装置III的一部分。
电压Sc用作基准信号，促使装置I产生交替处在第一和第二范围的控制信号S。装置II确保在控制信号S的值处在第一范围时提取较强的供电电流，在控制信号S的值处在第二范围时提取较弱的供电电流。
控制信号S在供电电压的绝对瞬时值较高时处在第一范围，在供电电压的绝对瞬时值较低时处在第二范围。
这里，半导体光源L1接输出端子T3，T4，输出端子T3，T4耦合到装置II上。其中一个输出端子T3直接接装置II。另一输出端子T4经装置V接装置II。装置V产生表示半导体光源所消耗电流的大小的信号Si。装置V形成装置IV的一部分，供产生表示半导体光源所提供的光通量与所要求光通量之间差值的误差信号Sf。装置I产生的控制信号，部分与误差信号Sf有关。装置IV还配备有装置VI和装置VII。装置VI产生表示半导体光源L1环境温度高低的信号St。装置VII根据信号Si和信号St计算误差信号Sf。
控制信号S的值还与误差信号Sf有关。装置I配备有装置I′，供误差信号减小时促使控制信号变化，从而使此控制信号促使装置II增加较强供电电流的电流值。
图2是供产生表示低频供电电压瞬时绝对值大小的基准信号Sc的装置III和供产生控制信号S的装置I的一个实施例更为详细的示意图。供电电压由二极管电桥1a-1d整流。二极管电桥构成整流装置RM。二极管电桥的输出端为阻性阻抗2a，2b，2c组成分压器所短接。分压器由阻性阻抗2b和2c构成的部分为容性阻抗3所短接，后两个阻性阻抗2b和2c的公共连接点提供与供电电压的绝对瞬时值大致成比例的基准信号Sc。
在装置III的另一个实施例中，基准信号Sc是通过二极管电桥的输出端产生的，该二极管电桥由一个二极管电阻网络组成，在二极管电桥输入端的供电电压导线之间切换。此实施例的好处是，通知基准信号就可以紧跟供电电压的幅度。
装置I供根据基准信号Sc产生控制信号S，其半导体开关4的控制极4a接收装置III来的基准信号Sc。半导体开关的一个电极4e，在这里同时用作控制极和主电极，接收误差信号Sf。半导体开关4的主电极4b经单向元件5和阻性阻抗6和7组成的串联电路接经稳压的供电电源的端子Vcc。所述阻抗6和7的公共连接点接第二半导体开关8的控制极8a。半导体开关8短接此外还配备有阻性阻抗9b和9c的分压器的阻性阻抗9a。分压器9a，9b，9c将端子Vcc接地。阻性阻抗9c为容性阻抗10所短接。阻性阻抗9b和9c的公共连接点接差动放大器11的不倒相输入端11a。倒相输入端11b经阻性阻抗12a接收误差信号Sf。输出端Lc给装置II提供控制信号S。倒相输入端11b经阻性阻抗12b接输出端11c。差动放大器11和阻性阻抗12a和12b构成装置I′。
在所述的实施例中，控制信号S通过基准信号Sc与误差信号Sf的比较而产生的过程是通过晶体管电路(晶体管4和8)进行的。在另一个实施例中，这个比较过程是采用集成电路(例如操作放大器)进行的。
装置II(其具体细节见图3)在这里系制成多谐振正向/逆向变换器。开关元件13连同感性阻抗14及变压器15的初级线圈15a一起，构成一个串联电路，短接输入端16a，16b。开关元件13的控制极13a接控制装置17的输出端17b。开关元件13的主电极13b和13c为容性阻抗18所短接。变压器15的次级线圈15b为容性阻抗19所短接，且接二极管电桥的输入端20p，20q。二极管电桥的输出端20r，20s为容性阻抗21所短接。控制装置17由一个高频交替地使开关元件13在恒定的截止时间期间保持断开在可变的导通时间期间保持接通的计时器构成。导通时间随控制信号S的提高成比例地拖长。
图4更详细地示出产生误差信号Sf的装置IV。图4所示的装置IV配备有装置V、VI和VII。装置V的输入端22a和22b为阻性阻抗23所短接。输入端22a经阻性阻抗24接差动放大器25的不倒相输入端25a。输入端22b经容性阻抗26接不倒相输入端25a。输入端22b还经阻性阻抗27a接差动放大器25的倒相输入端25b。差动放大器25的输出端25c和输入端25b经阻性阻抗27b互连起来。
装置VI供产生表示光源L1环境温度高低的信号St，配备有阻性阻抗27c和击穿元件28组成的串联电路。此串联电路将端子Vcc与地连接起来。击穿元件28为阻性阻抗29和30组成的串联电路所短接。阻性阻抗29为温度系数为负、以下将称之为与温度有关的阻性阻抗的阻性阻抗31所短接。阻性阻抗30为容性阻抗32所短接。阻性阻抗29和30的公共连接点33形成提供信号St的输出端。
装置VI的输出端33接差动放大器34的不倒相输入端34a。差动放大器34的倒相输入端34b经阻性阻抗35接装置V的输出端25c。差动放大器34的输出端34c和倒相输入端34b经阻性阻抗36互连起来。装置VI的输出端33还接差动放大器37的不倒相输入端37a。差动放大器37的倒相输入端37b经阻性阻抗38接差动放大器34的输出端34c。容性阻抗39和阻性阻抗40组成的并联电路将差动放大器37的输出端37c与其倒相输入端37b连接起来。
图中所示的电路系统的工作过程如下。电路系统的输入端T1和T2接低频供电电源(例如110伏60赫交流电源电压)时，整流装置RM会产生随装置II输入端16a，16b的低频变化的直流电压。控制装置17借助于控制极13a处的开关电压使开关元件13交替地在导通时间期间进入导通状态在截止时间期间进入不导通状态。开关元件13的开关操作使变压器15的初级线圈中流通着高频变化的电流，从而使变压器15的次级线圈中感应出高频变化的电压，由二极管电桥20a-20d和容性阻抗21变换成大致恒定的直流电压，提供给半导体光源L1。
为说明问题起见，图5示意示出了供电电压Vv、信号Sc和Sf、控制信号S、开关电压Vs和供电电流Iv的各梯度。为清楚起见，图5中绘出了变换器的开关频率只比供电电源的频率高一个数量级的情况。实际上，变换器的开关频率通常要比供电电源的频率(例如50或60赫)高得多，例如高数十千赫。装置III产生的信号Sc，其值大致上与供电电压Vv的瞬时值成比例。此信号Sc的信号值比经半导体开关4的基极-发射极电压在供电电压各半周期的时间间隔Δt期间扩大了的误差信号Sf大。接着，半导体开关4进入导通状态，从而使电流流过支路4-7，从而使阻性阻抗7两端产生电压降，使半导体开关8进入导通状态，于是差动放大器11的不倒相输入端11a处的电压S′升高，从而也使控制信号S的电压升高。控制信号S电压升高的结果增加了开关电压的脉冲持续时间。这也使开关元件13的导通时间增加。在开关元件13导通时间增加的这种情况下，装置II达到了在时间间隔Δt期间从供电电源提取较强供电电流IV1的目的。信号Sc再次小于经半导体开关4的基极-发射极电压扩大的误差信号Sf时，控制信号S会再次减小，于是开关元件13的导通时间减少了，从而使装置II这时达到从供电电源提取较弱供电电流的目的。
由于装置V的输入端22a，22b与半导体光源L1串联连接，因而阻性阻抗23两端出现与半导体光源L1所消耗的电流成比例的电压。差动放大器25产生的信号Si，其电压等于阻性阻抗23两端的电压乘以常数因子。由于诸LED(发光二极管)两端的电压大致恒定，因而Si表示诸LED所消耗功率的大小。
通过装置VI中阻性阻抗27和击穿元件28组成的串联电路，阻性阻抗29，30，31组成的电路两端产生基本上恒定的电压。与温度有关的阻性阻抗31的电阻值随着环境温度的升高成比例地减小，从而使信号St的电压升高。阻性阻抗29，30和31可以选择得使信号St在例如-40℃至+75℃范围的环境温度下的电压大致上表示半导体光源L1为提供所要求光通量必须消耗的功率的大小。装置VII的差动放大器34和37提供的信号，其电压大致上等于常数因子乘以信号Si的信号值与信号St的信号值之间的差值。信号Si的信号值随着半导体光源所消耗功率的增加成比例地增加。误差信号Sf的信号值(信号Sc即与此信号值比较)也随信号Si的信号值与信号St的信号值之间差值的增加成比例地增加。因此，要提高供电电压的瞬时绝对值就需要装置II为较强供电电流的提取创造条件，从而使从供电部分提取较强供电电流的持续时间Δt从而也使电路系统所消耗的功率受到限制，进而也使半导体光源L1所消耗的功率受到限制，从而使此功率将自己调节到接近给定环境温度下所要求的功率值。
在实际应用中，给半导体光源L1配备了一个由18个LED组成的电路。18个LED配置成三个串联电路，每个串联电路有6个LED。其中一个串联电路中先后两个LED之间的各连接点接其它两串联电路中相应的连接点。所使用的各LED在250毫安的电流下的电压为2.5±0.5伏。二极管电桥1a-1d在此实际应用中由IN4007型的二极管构成。单向元件5为IN418型二极管。在二极管电桥20a-d中，20a和20b共同构成负极公用的BYV118F二极管，20c和20d则为BYV10-40型二极管。击穿元件28为击穿电压为6.2伏的IN825型齐纳二极管。半导体开关4和8由BC×70型晶体管构成。开关元件13采用STP3N100型FET(场效应晶体管)。差动放大器11，25，34和37制成NE532型运算放大器。控制装置17由NEC7555型计时器IC(集成电路)构成。此IC的插脚5和3分别形成图3所示控制装置的输入端17a和输出端17b。感性阻抗14的电感值为600微亨。变压器15初级线圈和次级线圈的圈数比为4。与温度有关的阻性阻抗31制成菲利浦斯出品的232264090106型NTC(负温度系数)电阻。供在端子Vcc处产生电压的稳压电压源为LM78LO9型。其它元件的额定值列于下表中：2a       82千欧    2b        68千欧     2c      6.8千欧3        4.7纳法   6         47千欧     7       100千欧9a       20千欧    9b        10千欧     9c      15千欧10       33纳法    12a       68千欧     12b     10千欧18       4.7纳法   19     267纳法(220纳法∥47纳法)21       470微法   23         1欧       24      100千欧26       10纳法    27a       1.3千欧    27b     6.8千欧27c      10千欧    29        82千欧     30      68千欧32       100纳法   35         1千欧     36      1千欧38       33千欧    39        68纳法     40      1兆欧
为探查本发明电路系统的性能，测定了从供电电源提取的电流Iv随时间t变化的情况。令电路系统在60赫频率的供电电源下工作，改变供电电源所提供电压的有效值Veff，并模拟出各种环境温度Tamb。环境温度的模拟是用不受温度影响、阻值为与温度有关的阻性阻抗31在待模拟的温度下的阻值(即在-40℃下为332千欧，25℃下为10千欧，在74℃下为1.5千欧)的阻性阻抗取代与温度有关的阻性阻抗31进行的。
图6A，6B，6C分别示出了在相当于下列条件下对本发明的电路系统进行试验的结果：Veff＝80伏，Tamb＝74℃；Veff＝117伏，Tamb＝25℃；和Veff＝135伏，Tamb＝-40℃。在这些图中，曲线a表示从供电电源提取的电流Iv(毫安)在供电电压(曲线b)一个周期期间随时间t(毫秒)变化的情况。直线C是为使SSR开关可靠工作在各周期期间必须从供电电源提取的150毫安级供电电流。图6A，6B和6C中，时间间隔Δt的持续时间分别为5.2毫秒，3.3毫秒和2毫秒。在时间间隔Δt期间电路系统从供电电源提取的较强供电电流的电流值大于在所探查的变化多端的各条件下所要求的150毫安最小电流值，从而使各SSR可以可靠地导通。
半导体光源L1需要较高的电能在高温下提供所要求的光通量。在这些情况下，误差信号Sf的信号值较小。装置I′的输入端I2′处误差信号Sf的信号值较小时会提高差动放大器11输出端的电压，从而使控制信号S在第一范围和第二范围的电压值都比误差信号Sf信号值较低时的电压值都大。在这里所述的实际应用中，控制信号S在第一范围的信号值在误差信号Sf从10伏下降到0伏时从4.7伏上升到6.2伏。在第二范围，控制信号S的信号值在误差信号的该同样下降幅度下从2.0伏上升到3.5伏。这就是说，装置I′使电路系统在时间间隔Δt期间再也不能增加的情况下也增加所消耗的功率。

Claims (5)

1.一种电路系统，包括：
输入端子(T1，T2)，供从供电电源(Vin)获取供电电流(Iv)；
装置I，供产生控制信号S；
装置II，配备有一个变换器配备有至少一个开关元件(13)和控制装置(17)，控制装置(17)根据控制信号S的信号值高频触发所述开关元件；
装置III，供产生表示供电电源(Vin)所提供的供电电压(Vv)的均电压值的大小的电压Sc；
输出端子(T3，T4)，耦合到装置II上，供将装置II与光源(L1)连接起来；
其特征在于，电压Sc起基准信号的作用促使装置I产生交替处在第一范围和第二范围的控制信号S，同时装置II促使大小等于控制信号S在第一范围的信号值的较强供电电流(Iv1)的提取，和大小等于控制信号S在第二范围的信号值的较弱供电电流(Iv2)的提取。
2.如权利要求1所述的电路系统，其特征在于，供电电压(Vv)的绝对瞬时值较高时，控制信号S处在第一范围，供电电压的绝对瞬时值较低时，控制信号S处在第二范围。
3.如权利要求1或2所述的电路系统，其特征在于，装置I，II和III构成控制系统的一部分供控制光源(L1)所提供的光通量，控制系统还有装置IV供产生表示光源(L1)所消耗的功率与所要求功耗值之间的差值的误差信号Sf，同时装置I所产生的控制信号还与误差信号Sf部分有关。
4.如权利要求3所述的电路系统，其特征在于，装置IV配备有装置V、装置VI和装置VII，装置V供根据光源(L1)所消耗的电流产生信号Si，装置VI供根据光源环境的环境温度产生信号St，装置VII供根据信号Si和信号St计算误差信号Sf。
5.如权利要求3或4所述的电路系统，其特征在于，装置I配备有装置I′供促使控制信号在误差信号Sf减小时变化，这个变化促使装置II加强较强的供电电流。
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