CN1293531A - 无电极荧光灯调光系统 - Google Patents

Abstract

一种用于无电极气体放电灯30的镇流器10,包括调光电路12。镇流器10包括配有射频电感器32的负载电路20,产生对无电极灯30提供电力的射频场。在镇流器10的直流一交流转换器13中电感器56的电压由调光电路12检测。使用移频键控(FSK)的调光电路12通过调光电感器80使电感器56与调光电路12耦合,调光电感器80本身与串联配置的调光开关82、84连接。信号发生器86激活调光开关82和84,对镇流器10提供频移。该频移使射频电感器32的输出下降,从而关断无电极灯30。通过调光电路12重复开关造成无电极灯30的视觉调光。

Description

无电极荧光灯调光系统

本发明涉及用于无电极荧光灯的使用再生门驱动电路以控制直流-交流转换器的一对串联连接的互补导电型开关类型的镇流器或电源电路。本发明特别涉及允许荧光灯调光控制的镇流器的可调光系统。

本发明发明人的美国专利No．5796214、1996年9月6日申请的申请号为08／709062和1997年7月21日申请的申请号为08／897435的申请都披露和要求保护无电极灯的镇流器。该镇流器包括具有相反导电模式的一对串联连接开关组成的直流-交流转换器。例如，一个开关可以是n沟道增强型MOSFET，而另一个为p沟道增强型MOSFET，同时其源极在公共节点上互连。这允许对MOSFET的栅极或控制节点施加单一的控制电压，以交替接通一个MOSFET，然后再接通另一个MOSFET。上述镇流器允许灯处于“接通”状态或“关断”状态，但不产生调光无电极灯的情况。

在有电极的灯中，普通的方法是连续地改变振荡频率，以控制流过电弧的电流量，从而控制来自灯的光强度。试图将该原理用于无电极荧光灯可能导致射频线圈和镇流器开关过热。此外，当电弧电流下降至小于额定值的50％时，普通的调光方法将不产生满足环状放电的足够大的h场。随着电弧电流下降，h场降低，而方位角的e场增加，造成环状电弧熄灭，而纵向的辉光放电继续进行。

对于无电极灯来说，期望设置镇流器，该镇流器包括考虑无电极灯调光控制的范围的调光电路。

本发明的示范性实施例提供无电极气体放电灯的镇流器。该镇流器包括在谐振容抗网络中配有射频电感器的负载电路，射频电感器产生对无电极灯供电的射频场。直流-交流转换器电路与负载电路耦合，以在其中由射频电感器导入要使用的交流电流。采用移频键控(FSK)的调光电路与镇流器的驱动电路耦合。调光电路由次级互耦的调光电感器、串联连接的调光开关和信号发生器组成。当脉冲施加在调光开关的栅极上时，移频键控(FSK)旁路耦合的次级电感器的电压。当脉冲施加在调光开关的栅极上时，镇流器的频率转换成更高的等级，造成射频电感器电流降低，熄灭无电极灯的电弧。通过调制调光开关的操作，可以控制无电极灯的平均功率以及平均光强度。

图1是按照本发明实施例教导的包括调光电路的镇流器的示意图；

图2表示在正常电路操作期间由镇流器的驱动电路产生的振荡信号；

图3表示调光电路的FSK脉冲信号；和

图4表示施加在图2所示的频率线路信号上的图3的FSK脉冲信号。

图5是本发明实施例的调光电路详图；和

图6详细说明调光电路的电流流动。

图1表示在本发明的实施例中包括调光电路12的无电极灯镇流器电路10。镇流器10的直流-交流转换器13包括被分别控制的开关14和16，将来自电源18的直流电流例如全波电桥(未示出)的输出转换成由包括谐振电感器22和谐振电容器24的负载电路20接收的交流电流。在母线26和基准导线28之间有直流母线电压Vbus 25。负载电路20还包括无电极灯30和提供能量激发无电极灯30的等离子体达到发光状态的射频线圈32。隔直流电容器34连接在负载电路20和基准导线28之间。通过负载电路20对无电极灯30提供电力的其它配置和代替电容器的配置在现有技术中是已知的。

在镇流器10中，开关14和16在检测中相互互补，例如，开关14可以是n沟道增强模式器件，而开关16是p沟道增强模式器件。每个开关14和16包括固有的反向导通二极管(未示出)。当按MOSFET实施时，各开关14和16有各自的栅极或控制端36和38。开关14的栅极36至源极40的电压控制该开关的导通状态。同样地，开关16的栅极38至源极42的电压控制该开关的导通状态。如图所示，源极40和42在公共节点44上被连接在一起。在栅极36和38在公共节点46上互连的情况下，控制节点46和公共节点44之间的单一电压控制两个开关14和16的导通状态。开关的漏极48和50分别与母线26和基准导线28连接。

开关14和16可以另外按绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关来实施，例如，分别为p沟道器件和n沟道器件。但是，各IGBT开关应该伴随有反向导通二极管(未示出)。优于MOSFET的IGBT的优点在于，它们具有较高的额定电压，利用相同的IGBT可以使电路具有宽范围的直流输入电压值。此外，开关14和16可以按双极面结型晶体管(BJT)开关来实施，例如分别为NPN和PNP器件。与IGBT开关一样，BJT开关分别附带有反向导通二极管(未示出)。

控制节点46和公共节点44之间连接的栅极驱动电路52控制开关14和16的导通状态。栅极驱动电路52包括与谐振电感器22相互耦合的驱动电感器54，其一端与公共节点44连接。与节点44连接的电感器22的端部可以是形成电感器54和22的变压器绕组的抽头。电感器54和22按照在这些电感器符号附近的实心圆点选择极性的。驱动电感器54提供使栅极驱动电路52操作的驱动能量。第二电感器56在节点46和电感器54之间与驱动电感器54串联连接。第二电感器56用于调整节点46和44之间出现的栅-源电压的相位角。节点46和44之间的双向电压箝位电路58把栅-源电压的正负偏差箝位在例如由图示背对背齐纳二极管的额定电压确定的各自的极限上。电容器60最好设置在节点46和44之间，以可断定地限制节点46和44之间栅-源电压的变化率。例如，这有利地保证在开关14和16的开关模式中的空载时间间隔，其中，两个开关在任一个开关导通的时间之间是断开的。

起动电路包括利用源18的激励通过电阻器64、66和68初始充电的耦合电容器62。在这一瞬间，电容器62上的电压为零，而在起动过程期间，因电容器62充电的相对长的时间常数，串联连接的电感器54和56基本上起短路作用。例如，利用电阻器64-68有相等值，在初始母线激励时，节点44和46上的电压大致为母线电压25的三分之一。在这种方式中，电容器62开始从左向右增加充电，直至达到上开关14的栅-源电压的阈值电压(例如，2-3伏)。在该点时，上开关14接入其导通模式，然后产生经开关提供给负载电路20的电流。接着，负载电路中产生的电流产生第一开关14和第二开关16的再生控制。

在镇流器电路10的稳定状态操作期间，开关14和16之间公共节点44的电压大约为母线电压25的一半。在电阻器64和66之间的节点46上的电压例如也大约为母线电压25的一半的情况下，在稳定状态操作期间，电容器62不能再通过电阻器64和66充电，以致再次产生导通开关14的起动脉冲。在稳定状态操作期间，电容器62的容抗远远小于驱动电感器54和电感器56的感抗，从而电容器62不干扰这些电感器的操作。

另一方面，电阻器68可以用来旁路上开关14，而不是下开关16。电路的操作与上述有关旁路下开关16的电阻器68的操作相同。但是，初期假定节点44有比在电阻器64和66之间的节点46高的电位，从而电容器62从右向左开始充电。这导致加大节点46和节点44之间的负电压，该电压对导通下开关16有效。

有利地，镇流器电路10不需要触发器件，例如二端交流开关元件，该元件一般用于起动。此外，电阻器64、66和68是非临界值部件，这些电阻器例如可以各为100千欧或1兆欧。最好这些电阻器有相近的值，例如大致相等。

在正常的灯操作期间，无电极灯30由射频电感器32激发，以便灯30中的等离子体被激发，产生光。当关断射频电感器32的电源时，灯进入关断状态，等离子体仅用灯中保留的电离气体来分散。当电源重接通时，灯重新点火。图2表示提供给射频线圈32的振荡信号100。在本发明的一个实施例中，振荡信号100可以在大约2．6兆赫下操作，该信号大约有400纳秒的时间周期。

调光电路12操作以可控制地变更频率，实际上是提高该电路信号100的频率，从而使负载电路移出谐振，该谐振依次造成使电感器32施加电压下降。在这种方式中，不能获得诱发无电极灯30的等离子体所需要的电压，灯进入关断状态。

在特别注意图1所示的调光电路12的情况下，该电路采用移频键控(FSK)操作，通过镇流器电路的移频来实现无电极灯30的调光。调光电路12包括与门驱动电路52的电感器56电感性耦合的调光电感器80。在操作上，如果用电感器代替由电感器56和电感器80组成的变压器，那么调光电路12可以旁路电感器电压。电感器80与被信号发生器86驱动的一对调光开关82、84耦合。在本实施例中，调光开关82和84可以是两个n沟道MOSFET，其中，源极92、94连接在一起，而漏极96、98分别与调光电感器80连接。

图3表示可以由图1所示的信号发生器86产生的FSK脉冲信号。可以理解，信号发生器86可以是许多公知信号发生器中的一种，该发生器可以产生改变频率的各种波形和可改变脉冲宽度的波形。当FSK脉冲信号100的脉冲施加在晶体管82和84的栅极88、90上时，镇流器电路10的频率升高，导致射频线圈电流减小，熄灭无电极灯30的电弧。因此，更低的电压施加在射频线圈32上，保持射频线圈32中的功率分散和晶体管82及84处于安全限度。

注意调光电路12和操作，图4表示移频键控操作在图2所示的载波信号100上施加图3所示脉冲波形式信号102。尤其在第一时间周期104期间，载波信号控制在期望的2．6兆赫值。但是，一旦激活关断电路12，就如图所示，在第二时间周期106期间，载波频率增加至大约2．8兆赫。频率上的这种改变造成灯关断的出现。

应该指出，在本实施例中，FSK周期108大约为2kHz，因而大约为毫秒时间周期的一半。在该情况下，第二时间周期106大约为0．5毫秒。因此，对于0．5毫秒时间周期来说，进入灯30的能量或功率下降。因此，传递给灯30的功率量由脉冲发生器86提供的脉冲宽度来限定。通过调整提供的脉冲宽度，实验上已经表明，可以获得占空因数从大约为0．2到1．0的调光控制范围，占空因数约为0．2可以使光强度降低至大约总输出的20％，占空因数为1．0从而光强度为100％，因而意味着灯在所有时间都接通。由于灯的高频操作，观察者不能看出迅速的接通和关断转换，而是平均光强度作为整个调光效果。可以理解，由于重复的转换会损坏灯的电极，所以这种重复的接通-关断开关转换在普通的电极灯中是不希望的。

再次参照图5，表示更详细回顾调光电路12和其操作。如上所述，当信号发生器86提供脉冲，使晶体管82和84导通，电感性耦合的电感器80对于调光电路12来说起到电压源作用。构成晶体管82的栅极88和晶体管84的栅极90，以接收来自信号源86的输入脉冲。晶体管82的源极92和晶体管84的源极94连接，晶体管82的漏极96与电感器80的一端连接，而晶体管84的漏极98与电感器80的另一端连接。

各晶体管82、84有二极管110、112。这些二极管对于在本发明中采用类型的垂直晶体管来说是本征的。可以理解，并不是对本发明强行进行限制，而是采用本征二极管有利。

为了激活调光电路12，信号源86将足够大值的信号施加在栅极88和90上，超过栅极源极界面的阈值电压，以便同时导通两个晶体管82、84。通过导通晶体管82和84，电流在调光电路12中流动。

参照图4，在第二时间周期106期间，当激活调光电路12时，许多正负导通转换将出现在载波100中。在第一个导通转换期间，图5中表示为114的电流通过二极管110和晶体管84的沟道116流动。在该方向上流动，晶体管82的沟道118中的电阻远远大于通过二极管110的电阻，以致基本上所有电流都流过二极管110。同样，由于二极管112阻挡电流，因而电流144流过晶体管84的沟道116。在载波信号100的相反导通时间周期期间，如上述说明，由于相同的理由，电流120流过二极管112和开关82的沟道118。

为了进一步说明该操作，直接参照图6，其中，在等效电阻器网络中表示电流114。在该附图中，电流114有大约200mA的值。当电流流过晶体管82时，其潜在的路径是通过漏极-源极有大约5欧姆(RDS-on)值电阻的沟道116，或是通过正向导通的二极管110。一旦晶体管82导通，具有最小电阻的路径是二极管110，基本上所有电流114都将流过二极管110。当电流流过晶体管84时，二极管112呈现基本上大于晶体管84的RDS导通的电阻器，也大约为5欧姆。因此，基本上所有电流流过晶体管84的沟道118。因此，由于存在本征二极管110、112，所以调光电路12基本上是与二极管串联的晶体管，而不是串联的两个晶体管。在这种配置下，由于仅需要确保一个晶体管的RDS导通充分低，所以不需要使用非常低的RDS导通器件，因此，在一个实施例中，可以使用高达10欧姆或更大RDS导通的晶体管。

通过用图3所示的波形102调节晶体管82和84的操作，可以控制灯30产生的平均功率以及平均光强度。实验数据表明，如果图3所示的调制波形大约为2kHz，那么光输出可以从20％变化至100％。如果FSK周期108基本上在2kHz范围以外，那么由于信号不允许灯30完全熄灭，所以未出现期望的调光。另一方面，如果调制的FSK波形102再次基本上在2kHz范围以外，那么灯30就保持熄灭很长的时间周期，在灯的重新起动时将出现不期望的过高电压。

由于灯30没有消耗电极，所以本发明可以用作调光无电极灯系统的低成本设计。

一般来说，在灯30的关断时间周期期间，系统的输入功率在23瓦系统中小于1．5瓦。当晶体管82和84截止时，因允许射频线圈电流增加和重新起动灯，功率提高至大约100％，即23瓦。本调光系统可以用于各种瓦数的灯系统，包括23瓦、50瓦和100瓦但并不限于此。

还要指出，如果需要，2kHz调制波形可以稍微改变，以提供与电源线路频率的同步。实际上，镇流器因输入信号的滤波将有线路纹波。因此，在某些环境下，期望提供多种纹波频率，使FSK调制频率与纹波同步。例如，必需有为镇流器母线上存在的纹波的10-15倍的FSK调制频率。

可以理解，通过可以施加在电源线路上的电源线路通信信号，可以将操作设定值提供给调光电路12。例如，如图5所示，通过通信线路124将来自遥控源122的操作参数提供给信号发生器86。因此，设定值被遥控地提供给调光电路。传送设定值信号的另一方式是从电源线路中得到设定值，并提供比例信号，以产生在调光电路中使用的脉冲调制。

镇流器电路10一般在约2．5-2．6兆赫的频率下操作，该频率比由适当的镇流器电路供电的电极型灯的频率约高10至20倍。

对于直流母线电压160伏下额定功率为23瓦的灯30来说，图1所示电路的示范性部件值如下：

谐振电感器22…………………………………………20微亨

驱动电感器54…………………………………………0．2微亨

电感器22和电感器54之间的匝数比…………………35∶1

第二电感器56…………………………………………1．5微亨

电容器60………………………………………………470皮法

电容器62………………………………………………22毫微法

各齐纳二极管58………………………………………7．5伏

各电阻器64、66和68…………………………………270千欧

谐振电容器24…………………………………………680皮法

隔直流电容器34………………………………………3．3毫微法

射频电感器32…………………………………………10微亨

电感器56和电感器80之间的匝数比…………………1∶1

尽管已经参照图示的特定实施例说明了本发明，但对于本领域技术人员来说，仍可以进行许多改进和变更。因此，应该指出，所附权利要求书欲覆盖落入本发明精神和范围内的所有改进和变更。

此外，开关14可以是International Rectifier公司，ElSegundo，California销售的IRFR 210或IRFR 214n沟道增强型MOSFET，而开关16是International Rectifier公司销售的IRFR 9210或IRFR 9214 p沟道增强型MOSFET。晶体管82和84可以是具有5-10欧姆、RDS导通和最大50V的通用MOSFET。

Claims (19)

1．在无电极灯的镇流器中，降低直流-交流转换器输出的调光电路，用于无电极灯的有选择调光，所述调光电路包括：

第一调光开关；

与第一调光开关串联连接的第二调光开关；

电压源，电压源的第一端与第一调光开关连接，而电压源的第二端与第二调光开关连接；

信号源，构成该信号源以产生调制信号，提供给第一和第二调光开关，

其中，接收的调制信号起动第一和第二调光开关，使电流流过第一和第二调光开关，从而降低直流-交流转换器的输出。

2．如权利要求1的调光电路，其中，镇流器电路还包括：

负载电路，包括无电极灯，并包括谐振电感器、谐振电容器和射频电感器；

直流-交流转换器与所述负载电路耦合，将交流电流引入所述负载电路，所述直流-交流转换器包括：

(a)在直流电压下在母线和基准导线之间串联连接的第一和第二开关，并在公共节点上被连接在一起，所述交流电流流过该节点；

(b)控制节点还在非公共节点的位置处连接所述第一和第二开关，其中，控制节点和公共节点之间的电压确定开关的导通状态；和再生地控制所述第一和第二开关的门驱动装置；所述装置包括：

(a)按在其上感应电压的方式与所述谐振电感器相互耦合的驱动电感器，该感应电压与所述交流负载电流的瞬时变化率成正比；所述驱动电感器被连接在所述公共节点和所述控制节点之间；

(b)与所述驱动电感器串联连接的第二电感器，具有串联连接的驱动电感器和第二电感器被连接在所述公共节点和所述控制节点之间，所述第二电感器按在其上感应电压的方式与所述电压源相互耦合；和

(c)连接在所述公共节点和所述控制节点之间的双向箝位电路，限定相对于所述公共节点的所述控制节点电压的正负偏差。

3．在权利要求1的电路中，其中，第一调光开关和第二调光开关是MOSFET。

4．在权利要求3的电路中，其中，MOSFET包括本征二极管。

5．在权利要求1的电路中，其中，电压源是与调光电路的电感器电感耦合的直流-交流转换器的电感器。

6．在权利要求1的电路中，其中，电压源是直流-交流转换器的电感器。

7．在权利要求1的电路中，其中，调光开关按照可调整的占空因数操作。

8．在权利要求7的电路中，其中，调光开关的占空因数在20％占空因数至100％占空因数内可调整。

9．在权利要求7的电路中，其中，通过将设定值提供给信号源来调整调光开关的占空因数。

10．在权利要求9的电路中，其中，将设定值遥控地提供给信号源。

11．在权利要求1的电路中，其中，当调光开关被激活时，对灯提供的功率小于1．5瓦。

12．在权利要求1的电路中，其中，调制信号大约为2kHz。

13．在权利要求1的电路中，其中，调制波形与输电线频率同步。

14．在权利要求1的电路中，其中，根据调光开关的动作，直流-交流转换器的频率升高，而施加给射频电感器的电压降低。

15．一种无电极灯的镇流器电路，包括：

谐振负载电路，包括无电极灯，并包括谐振电感器、谐振电容器和射频电感器；

与所述谐振负载电路耦合的直流-交流转换器电路，用于在所述谐振负载电路中导入交流电流，所述直流-交流转换器电路包括其上施加直流-交流转换器电压的电感器；

控制所述直流-交流转换器电路的操作的驱动装置；和

限定直流-交流转换器电路的电压输出的调光电路，所述调光电路包括：

(a)第一调光开关；

(b)与第一调光开关串联连接的第二调光开关；

(c)电压源，电压源的第一端与第一调光开关连接，电压源的第二端与第二调光开关连接；

(d)信号源，构成该信号源以产生调制信号，提供给第一和第二调光开关，

其中，接收的调制信号起动第一和第二调光开关，使电流通过第一和第二调光开关流动，从而降低直流-交流转换器的输出。

16．一种由配有直流-交流转换器的镇流器激励的无电极荧光灯的调光方法，该直流-交流转换器产生用于激励无电极荧光灯的射频电感器的电压，该调光方法包括：

产生与施加在射频电感器上的电压成正比的电压源；

将来自信号源的调制信号提供给开关网络；

当调制信号被提供给开关网络时，接通用于选择占空因数的开关网络，

其中，当激活开关网络时，电流流过开关网络，从而镇流器的开关频率增加，该电流使施加给射频电感器的电压降低，从而开关网络的重复激活和去激活产生光强度的改变，导致可觉察的对无电极灯输出的调光。

17．如权利要求16的方法，其中，调光网络的占空因数是可调整的，以便使无电极灯处于调制信号占空因数的20％至100％的状态下。

18．如权利要求17的方法，其中，调制信号大约为2kHz。

19．如权利要求17的方法，其中，调制信号受镇流器电路遥控。

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