CN1291420A - 镇流器电路 - Google Patents

Abstract

由反馈电路来稳定电灯电压或者从自振荡变换器获得的电流。开关晶体管的控制极连接到变流器的输出线圈上,该变流器的输入电流线圈与谐振负载电灯电路是串联的。检测电灯电压或电流,而得到的信号用于控制流过变流器的辅助控制线圈的电流。较好地,两个相反传导型的控制晶体管并联在控制线圈两端,并且相应于该电灯电压的低通滤波的直流信号对该控制晶体管进行偏置。

Description

镇流器电路

本发明涉及用于操作诸如荧光电灯之类的放电灯的电子镇流器，特别涉及使用于如下应用中的那样的镇流器，在此应用中，不论是由于环境温度、线路电压或者其它变化，电灯工作参数的变化都是不希望的。

在高竞争的市场中，大量生产的大多数磁耦合自振荡变换器用于出售。通常，半电桥变换器由于减少了零件数目，所以具有较低的成本。这样的变换器可以分为两组：利用具有饱和铁心的变流器的变换器，通常与功率BJT=s(双极性面结型晶体管)结合在一起；和利用具有线性铁心的变流器的变换器，通常与MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)结合在一起。正如本领域普通技术人员理解的那样，在此，线性铁心是这样一个铁心，在其中操作是在具有曲线的B-H特性而不是尖锐的B-H特性的区域上进行；即，任何时候这样的通量水平导致在通量水平中的一个显著的增加将伴随着磁化电流中的显著的增加。

在设计具有饱和铁心的电灯镇流器中，功率BJT的存储时间占据开关周期的一大部分，并且它是前向基极电流、反向基极电流、饱和模式中的电流增益、集电极电流以及基极中的少数载流子寿命时间的一个复杂函数。这大量的变量和影响因数使电路对于其工作环境很灵敏，并且该电路工作点随着负载以及输入功率线路电压的变化而变化、按照环境温度而改变等等。

在L．R．Nerone的文章“用于小型日光灯镇流器的D类变换器的AA数学模型”(功率电子学的IEEE学报，vol．10，no．6，1995年11月第708-715页)中可以找到半电桥MOSFET类型的荧光灯变换器的数学分析。此文的图3表示了具有与谐振负载电路串联的变流器的这样的一种变换器的示意图。该变流器具有初级线圈或者负载电流线圈T_1c，它检测变换器输出电流并直接从变流器上的输出线圈T_1a和T_1b将控制信号提供到MOSFET的控制极。荧光灯与调谐电容器C并联，然后此组合与谐振电感L串联。这个电路有一个缺点，就是此电路对提供到半电桥电路的直流电压相当敏感。710页上的脚注1指出此电路的变化有时可以用于减少电力线变化的灵敏度，在此电路中检测电容器电流本身。进一步，正如712页指出的，为了提供高电压以便点亮电灯，虽然负载电流滞后，以控制极驱动电路中的正确相位操作，对变换器操作在接近于串联RLC的电路谐振频率需要对该电路提出精确要求。如果由于控制极电容而使电流变得显著的话，则情况可能更复杂。

本发明的目的是提供一种电灯镇流器，其中，使由于线性电压或者环境温度的改变而加到电灯的输出的变化最小化。

本发明的另一个目的是提供一种电灯镇流器，它不需要调节直流电源，但是具有一个调节的输出。

根据本发明，用于操作放电灯的半电桥变换器包括：两个场效应开关晶体管，在它们之间有一输出节点，和一个具有负载线圈的线性铁心变流器，该变换器的输出电流通过该负载线圈，以及至少一个输出线圈，用于提供控制信号到开关晶体管控制极。该变换器具有一个反馈与调节电路，它检测电灯操作参数之一：该电灯两端的电压、通过该电灯的电流或者该电灯消耗的功率。响应于该检测的参数，反馈与调节电路使交流控制电流流过变流器上的控制线圈。该控制电流确定两个FET的开关时刻，从而改变振荡频率以便保持电灯电压恒定。

在本发明的优选实施例中，两个控制晶体管并联在控制线圈两端，用于以相反方向传导电流。每个控制晶体管由各自的整流与滤波器电路控制，该整流与滤波器电路通过它的整流器连接以便检测电灯端子之一处的电压。整流的电灯电压由低通滤波器滤波并加到各自的控制晶体管的控制终端。

较好地，该晶体管是MOSFET，并且变压器输出线圈是两个控制极信号线圈，每个线圈直接连接到各自的MOSFET的控制极。在正常操作中，在确定触发MOSFET的起动时刻时，通过控制线圈的电流是主要因数，并且从而控制变换器频率。

在另一个实施例中，例如通过使用变流器，类似的反馈与调节电路具有检测电灯电流的电流传感器。还可以使用任何其它种类的电流传感器，比如检测产生的磁场的电流传感器。另外，通过检测电灯电压和电灯电流两者，并且乘感应的瞬时值，还可以确定电灯功率以使它成为反馈响应的参数。

因为开关晶体管是场效应晶体管，所以他们不描写任何显著的控制元件的电流，因此不降低负载或者引起反馈电路的增益的变化。

使用附图将进一步讨论本发明的实施例。在附图中

图1是使本发明具体化的一个变换器的示意图，以及

图2是用于图1的实施例的等效的控制极驱动电路的示意图，以及

图3是使本发明具体化的用于电灯电流控制的变换器的示意图。

表示在图1中的电路实施例举例说明了本发明的基本概念。一个直流电压电源2提供直流高电压到FET变换器3，其可以是任何通用类型，但是通常是连接到交流电源的一个桥式整流器或者一个倍压器电源。由变流器7的线性铁心上的输出线圈T_1-1与T_1-2。来控制FET的开关，该变流器7具有一个负载线圈T_1-3，通过该负载线圈负载电流流向负载8。

变换器3包括直流电压总线与信号地线之间串联连接的两个MOSFET开关晶体管Q1与Q2，并且具有提供变换器输出的一个中点节点S。保护二极管D1与D2连接在各自的开关晶体管电流通路两端。或者，各自的MOSFET的体二极管可以执行此功能。为了将电流信号转换为电压信号，在每个开关晶体管控制极与它的源电极之间连接一个齐纳二极管对ZP1与ZP2。这些二极管对提供通过变流器输出线圈T_1-1与T_1-2的电流的一个路径，并且它们还防止对开关晶体管控制极的过电压损坏。

谐振负载电路连接在节点S与信号地线之间。线性铁心变压器6的初级线圈T_1-3在电路中提供一个非常低的阻抗，这样当估计谐振电路工作时不需要考虑它。具有相对大的电容的隔直流电容器C1连接在线圈7与谐振电感线圈L之间，谐振电感线圈L又与电容器C2串联，荧光灯FL连接在电容器C2两端。

如至此所述的，图1的电路与上面引用的Nerone文章的图3相同。根据本发明，反馈电路10连接在电灯FL与变压器7的铁心6上的控制线圈T_1-4之间。电灯电压加到两个电路中，该两个电路除了它们的极性外其余是完全相同的。二极管D11与D21的阳极与阴极连接到各自的直流滤波器，该各自的直流滤波器由串联电阻器R11和R21与连接在该串联电阻器与信号地线之间的电容器C11和C21构成。电阻器R12和R22连接在电容器C11和C21两端，并且与电阻器R11和R21一起形成分压器，其设置下面叙述的偏置电平。

相反传导型双极性控制晶体管Q11与Q21连接在控制线圈T_1-4两端，并且将他们的基极通过电阻器R13与R23连接到各自的电容器C11与C21。控制晶体管与各自的二极管D12，D22和电阻器R14，R24串联连接，二极管D12，D22保护晶体管不会流通反向电流，电阻器R14，R24是定义反馈电路增益的一个因数。另外一个电阻器R3也连接在线圈T_1-4两端以便提供适当的缓冲和偏置。

操作中，C11，C21两端的电压是与电灯电压的正和负半周期成比例的直流电压。在控制晶体管的基极电压中产生的变化起着改变开关晶体管的开关周期的作用，从而改变变换器的自谐振频率。

如果变换器频率变化，则加到电灯的输出电压将改变，这是熟知的。相应地，由于电流反馈，变换器频率的受控变化减少电灯电压的变化，这另外由于环境温度或者线路电压的变化而引起的。

根据安培定律，通过记录可以算术地分析该电路的操作，H^*dl=N3^*i_L+N2^*i_s+N1^*i_s+N4^*i_c    (1)

其中，N是各自的线圈的匝数，i_L是通过电感和线圈T_1-3的电流，i_s是反馈线圈中的电流，而i_c是控制线圈中的电流。因为N2与N1相等并且可以认为等于N，所以上式可以简化。另外，如图2所示，变流器的磁化电感反射到控制极驱动电路为L_m并且控制线圈也反射为等于(N4／2N)i_c的电流源i_cL。因此在等效电路中i_z=(i_s-i_cL)-i_mag    (2)

其中，i_z是齐纳二极管电流(将MOSFET的源电容的控制极认为是零)并且i_mag为变压器的反射磁化电流。由此得到，当磁化电流超过反馈电流i_s与控制电流i_c之间的差值时，i_z改变符号并且控制极电压改变极性，它关断该MOSFET。

通过关系式 $i_{\mathrm{mag}}=(V_z/L_m)(t+(\mathrm{\φ}-\mathrm{\π}/2)/\mathrm{\ω})---\left(3\right)$

可以描述变换器频率的关闭时间的关系，

其中V_z是齐纳二极管的击穿电压，L_m是反射到Q1的控制极驱动电路的磁化电感，φ是谐振电路输入电流由半电桥变换器加到该谐振电路的电压之间的相位角，而ω是变换器频率。在谐振电路中假设具有高品质因数(Q)稳态操作，电流i_L是具有峰值I_p的正弦曲线，以使i_L(t)=-I_psin(ωt）    (4)

在开关时刻

i_s(π-φ)=i_mag((π-φ)／ω    (5)

从等式(3)我们能因此确定

sin(φ)=NπV_z／N3*I_pωL_m    (6)

等式(6)随同调谐回路参数控制该电路的自振荡操作。其中i_s括控制电流i_cL的影响，调节变换器以补偿变化。

从上面的等式与分析中，这是十分清楚的：控制信号i_c的插入改变了变换器频率，有助于保持电灯电压恒定而与输入线路电压变化、负载电阻改变或者其它偏差无关。如果去掉电灯FL，如果没有反馈，过度的高电压将出现在电灯端子处。这增加了i_cL的幅值以致(i_s-i_cL)大约为零。这导致打开开关Q1与Q2，并且提供嵌入的过压保护。

本领域普通技术人员可以容易地导出实际的变换器的其它细节，这不是实现本发明的关键。例如，直流电源2最好是具有适当的熔丝与RF噪声滤波器的任何熟知的全波整流器设计，但是在一些应用中价格比较低廉或者简化的设计是可以接受的。该电灯电路可以是不同的，只要存在一个节点或者传感器，从此可以获得与电灯电压或者电流成适当比例的一个信号。

除了安排反馈电路以使电灯电流变化最小化之外，图3的实施例类似于图1。使用相同的参考数字，其中元件功能是相同的并且电路数值可能是相同的，而为了设计与构造最优化，其它电路元件值可以是不同的。因此变换器与负载电路可以与图1相同。反馈电路310连接在变流器T302与变压器7的铁心6上的控制线圈T_1-304之间。变流器T302测量实际的电灯电流。例如，连接到电灯FL1的灯丝的两个导体可以经过铁心，以使铁心感应是实际的电弧电流的差动电流。与电灯电流成比例的信号加到两个电路，该两个电路除它们的极性外是相同的。类似于图1的电路，二极管D311与D321的阳极和阴极分别地连接到由串联电阻器R311与R321和连接在该串联电阻器与信号地之间的电容器C311与C321形成的各自的直流滤波器上。电阻器R312和R322连接在电容器C311和C321两端，并且与电阻器R311和R321一起形成分压器，其设置下面叙述的偏置电平。

相反传导型双极性控制晶体管Q311与Q321连接在控制线圈T_1-304两端，并且将他们的基极通过电阻器R313与R323连接到各自的电容器C311与C321。控制晶体管与各自的二极管D312，D322和电阻器R314，R324串联连接，二极管D312，D322保护晶体管不会流通反向电流，电阻器R314，R324是定义反馈电路的增益的一个因数。另外一个电阻器R303也连接在线圈T1-304两端以便提供适当的缓冲和偏置。

操作中，C311，C321两端的电压是与电灯电流的正和负半周期成比例的直流电压。在控制晶体管的基极电压中产生的变化起着改变开关晶体管的开关周期的作用，从而改变变换器的自谐振频率。因此由于电流反馈，变换器频率的受控制的改变减少电灯电流的变化，这另外由于环境温度或者线路电压的变化而引起。

在这些优选实施例中，谐振电感线圈与变流器铁心两者都是工作在通量的通常线性范围中。同时该公开的镇流器实施例是指用于单个电灯，但是多个电灯的实施例也是可行的，这是熟知的。当然，将需要提供适当的启动电路。因此，本发明的范围将只能由附加的权利要求限制。

Claims (10)

1．一种用于至少一个放电灯(FL1)的自振荡变换器，其中变换器包括具有两个场效应晶体管(Q1，Q2)与在所述场效应晶体管之间的一个输出节点(S)的半电桥变换器(3)，一个用于控制所述场效应晶体管的控制极驱动电路，和具有负载电流通过的负载线圈(T_1-3)的一个线性铁心变压器(7)，该负荷线圈(T_1-3)具有连接到输出节点的一个端，其特征在于：变压器(7)包括一个控制线圈(T_1-4)，该变换器进一步包括用于控制控制极驱动电路的一个的装置，以便改变振荡频率以保持电灯电流、电灯电压与电灯功率形成的参数组中的电灯工作参数恒定，所述装置包括连接到所述控制线圈(T_1-4)并在所述控制线圈(T_1-4)中产生交流电控制电流的一个反馈与调节电路(10，310)。

2．如权利要求1所述的变换器，其中变换器是电压反馈变换器和该反馈与调节电路(10)包括用于检测电灯电压的装置，并且该控制电流响应于检测的电压。

3．如权利要求1或2所述的变换器，其特征在于，所述变压器(7)进一步包括连接到一个所述场效应晶体管(Q1)的控制极上的第一控制极信号线圈(T1-4)和连接到另外一个所述场效应晶体管(Q2)的控制极上的第二控制极信号线圈(T_1-2)。

4．如权利要求3所述的变换器，其中所述控制极信号线圈(T_1-1，T_1-2)直接地连接到各自的控制极，两个相应的反向极性齐纳二极管(ZP1，ZP2)串联连接在每个控制极信号线圈(T_1-1，T_1-2)两端，并且所述控制极信号线圈(T_1-1，T_1-2)没有任何附加的电路的加载。

5．如权利要求3所述的变换器，其特征在于：所述反馈与调节电路(10)包括

-第一整流与滤波器电路，用于提供具有第一极性的第一单向电压，

-第二整流与滤波器电路，提供具有与所述第一极性相反的极性的的第二单向电压，

-响应于所述第一单向电压的第一单向电流控制电路，包括具有一个电流通路的第一控制晶体管(Q11)，第一控制晶体管(Q11)连接在控制线圈(T_1-4)两端以便允许电流在一方向上通过控制线圈(T_1-4)，以及

-响应于所述第二单向电压的第二单向电流控制电路，包括第二控制晶体管(21)，该第二控制晶体管(21)连接在控制线圈(T_1-4)两端以便允许电流在与该一方向相反的一个方向通过控制线圈(T_1-4)。

6．如权利要求5所述的变换器，其中所述第一整流与滤波电路包括一个低通滤波器，该低通滤波器包括输入电阻器(R11)和与电容器(C11)并行连接的分路电阻器(R12)，所述输入电阻器(R11)以及分路电阻器(R12)形成一个分压器，它为所述第一控制晶体管(Q11)提供偏压，其中所述第二整流与滤波电路包括一个低通滤波器，该低通滤波器包括输入电阻器(R21)和与电容器(C21)并行连接的分路电阻器(R22)，所述输入电阻器(R21)以及分路电阻器(R22)形成一个分压器，它为所述第二控制晶体管(Q21)提供偏压，并且其中所述控制晶体管(Q11，Q21)是具有分别的基极的双极性面结型晶体管，而包括在第一整流与滤波电路中的低通滤波器包括连接在分压器与第一控制晶体管(Q11)之间的另外一个电阻器(R13)，而包括在第二整流与滤波电路中的该低通滤波器包括连接在分压器与第二控制晶体管(Q21)的基极之间的另外一个电阻器(R23)。

7．如权利要求6所述的变换器，其中所述反馈与调节电路(10)进一步包括与每个控制晶体管(Q11，Q21)串联连接的各自的保护二极管(D12，D22)。

8．如权利要求1所述的变换器，其中反馈与调节电路(310)包括检测电灯电流的装置，并且该控制电流响应于该检测的电流。

9．如权利要求8所述的变换器，其中用于检测电灯电流的所述装置包括一个变流器(T302)。

10．如权利要求9所述的变换器，其中，所述变流器(T302)是一个具有铁心的差动变流器，连接到电灯灯丝的导体通过该铁心。

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