CN1315820B - 双重控制的调光镇流器 - Google Patents

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Abstract

一种调光镇流器装置，包括至少一个电源线调光控制输入端和至少一个非电源线调光控制输入端。在优选实施例中，所述装置包括响应电源线调光控制输入端的触发角-脉宽调制转换器，响应非电源线调光控制输入端的电压-脉宽调制变换器，响应所述触发角-脉宽调制转换器和电压-脉宽调制变换器的低通滤波器，以及响应所述低通滤波器具有调光值指令输入端的调光镇流器电路。

Description

双重控制的调光镇流器
本发明涉及可调光的镇流器系统。
在以可调的亮度向荧光灯供电的现有的镇流器电路中，使用若干不同的方法进行调光控制。用于调光控制的一种通用方法使用相位控制装置，例如三端双向可控硅开关。使用相位控制装置改变交流电流(AC)供电信号的触发相位角。然后，调光镇流器电路根据触发相位角可控地对荧光灯进行调光。
另一种用于调光控制的流行方法是根据例如0到10V的直流输入和利用交流供电的方法不同。在这种方法中，逆变器电路根据直流输入的幅值可控地对荧光灯进行调光。
本发明的特征如所附权利要求所述。不过，通过参看结合附图进行的详细说明，可以更好地理解本发明的其它特征，其中：
图1是双重控制的调光镇流器装置的实施例的方块图；
图2是图1的装置中的电压-PWM变换器、触发角-PWM变换器、光耦合器和滤波器的优选实施例的原理图；
图3是图1的装置中的PFC/逆变器的优选实施例的原理图；
图4是用于控制灯的双重控制的调光镇流器装置的另一个实施例的方块图；
图5是图4的装置中的触发角-PWM变换器、光耦合器和滤波器的优选实施例的原理图；
图6表示在图5的实施例中接近全导通状态的示例的波形；以及
图7表示在图5所示的实施例中的接近90度导通状态的示例的波形。
本发明的实施例提供了一种双重控制的调光镇流器装置。所述的双重控制的调光镇流器装置的实施例能够接受和提供两种调光控制：基于电源线的调光控制和非基于电源线的调光控制.最好是，基于电源线的调光控制响应由三端双向可控硅开关产生的相位切换交流供电信号的触发角进行控制。最好是，非基于电源线的调光控制响应直流控制信号进行控制。本发明的实施例有利地提供了可以和多个调光控制方法匹配的并且可以用于多种灯的镇流器。
如在本发明中使用的，术语“灯”包括一般的放电灯。这不仅包括荧光灯，而且包括其它类型的放电灯，例如高强度放电(HID)灯等.
图1是用于控制灯20的双重控制调光镇流器装置的方块图.所述装置接收来自交流电源线22和24的主电源。交流电源线22和24可以分别被称为“火线”和“中线”，或者分别被称为“电源线”和“公共线”。
相位切换三端双向可控硅开关26可以和交流电源线22相连，用于提供对灯20进行调光的电源线型控制。相位切换三端双向可控硅开关26改变相位切换供电信号的触发角，对其中的调光控制信号进行编码。双重控制调光镇流器装置能够根据触发角对灯20进行调光。
非电源线调光控制信号可以通过输入端30和32接收.最好是，非电源线调光控制信号包括在输入端30和32之间提供的直流电压。所述直流电压可以在例如0到10V的范围内改变。最好是，直流电压具有小于交流供电信号的幅值。双重控制调光镇流器装置还能够根据直流电压对灯20进行调光。
EMI(电磁干扰)滤波器34和三端双向可控硅开关26的输出端、交流电源线24以及地线36相连。EMI滤波器34向和其相连的整流器38提供交流信号.整流器38对交流信号进行整流，并将其提供给和其相连的功率因子校正(PFC)/逆变器电路40.PFC/逆变器电路40根据从整流器38接收的功率和从调光值输入42接收的调光值指令信号对灯20进行控制和供电。
触发角-PWM(脉宽调制)转换器44和整流器38的输出相连。触发角-PWM转换器44产生一种脉冲信号，其脉宽根据整流器38的输出的触发角进行调制。
滤波器46，例如一种低通滤波器，响应触发角-PWM转换器44。滤波器46产生具有和触发角-PWM转换器44输出的脉宽相关的直流电压值的信号.来自滤波器46的信号被提供给调光值输入端42，以便提供调光值指令信号。PFC/逆变器电路40根据在调光值输入端42的调光值指令信号对灯20进行调光。因此，触发角-PWM转换器44，滤波器46，和PFC/逆变器电路40协同操作，根据由相位切换三端双向可控硅开关26产生的触发角对灯20调光。
电压-PWM变换器50响应输入端30和32.电压-PWM变换器50产生其脉宽根据输入端30和32之间的电压被调制的脉冲信号。
光耦合器52使电压-PWM变换器50和滤波器46相连。光耦合器52以光学方式使电压-PWM变换器50以及输入端30和32隔离于触发角-PWM滤波器44。
滤波器46产生具有和电压-PWM变换器50的脉宽相关的直流电压值的信号。来自滤波器46的信号被提供给调光值输入端42，产生调光值指令信号。PFC/逆变器电路40根据调光值指令信号对灯20进行调光。因此，电压-PWM变换器50，光耦合器52，滤波器46和PFC/逆变器电路40协同操作，根据输入端30和32之间的电压对灯20进行调光。
图2是图1的双重控制调光镇流器装置的实施例的原理图。触发角-PWM转换器44包括微控制器60。微控制器60具有通过电阻64和图1的整流器38相连的输入端62。齐纳二极管30被连接在输入端62和镇流器的地之间.微控制器60被编程用于把在输入端62接收的触发角转换成在输出端72提供的脉宽调制信号.
电路45接收来自触发角-PWM转换器44的输出72.电路45包括晶体管74，电阻75，齐纳二极管76和电阻80。来自触发角-PWM转换器44的输出72借助于电阻75被连接到晶体管74的基极。晶体管74具有和镇流器的地相连的发射极，以及借助于齐纳二极管76和电阻80的串联组合与电源线VCC相连的集电极。晶体管74的集电极和滤波器46的输入端相连。
电压-PWM变换器50包括连接在输入端30和输入端32之间的电容器82。二极管84的阴极和输入端30相连，阳极和晶体管86的基极相连。晶体管86具有和电源线VCC相连的集电极，以及通过电阻90和92的串联组合与电源线VCC相连的基极.齐纳二极管94被连接在控制接地和电阻90与92的节点之间；此处所用的“控制接地”应当理解为和“镇流器接地”不同，并且和镇流器接地分开，因为两个接地点实际上处于相对于大地接地十分不同的电位上。晶体管96具有和电阻90、92的节点相连的栅极，和输入端32相连的漏极以及和控制接地相连的源极.晶体管86具有通过电阻100、102的串联组合和控制接地相连的发射极。
电阻100、102的节点和PWM控制电路106例如元件号为TL494的电路的空载时间控制(DTC)输入端104相连.上述在电压-PWM变换器50中的元件用于根据电阻100和102的值对输入端30和32之间的电压进行分压，然后将分压的电压提供给DCT输入端104.上述的元件还用于限制被施加于DTC输入端104的最大和最小电压.
PWM控制电路106具有由定时电阻110和定时电容112控制的片上振荡器。PWM控制电路106还具有片上第一误差放大器和第二误差放大器。第一误差放大器的同相输入端113和第二误差放大器的同相输入端114和地相连.第一误差放大器的反相输入端115和第二误差放大器的反相输入端116和片上参考调节器的参考端117相连。
PWM控制电路106具有可以由集电极端子118和发射极端子119接近的片上输出晶体管。集电极端子118和电源线VCC相连。发射极端子119借助于电阻120和光耦合器52的输入端相连.
在上述的结构中，PWM控制电路106在发射极端子109产生一个脉冲信号，其脉宽根据DTC输入端104的电压被调制.
光耦合器52具有和镇流器的地相连的发射极输出端和借助于齐纳二极管76与电阻80的串联组合和电源线VCC相连的集电极输出端。光耦合器52的集电极输出端和晶体管74的集电极都和滤波器46的输入端相连。
滤波器46包括电阻140和电容142，它们形成低通滤波器。滤波器46输出一个直流信号，其值取决于由触发角-PWM转换器44产生的信号或者由电压-PWM变换器50产生的信号的脉宽。
优选的元件型号和元件值如表1所示。不过，应当注意，在本发明的范围内，还包括具有和表1所示的不同的元件型号和元件值的其它实施例。
表1
  元件   元件型号/元件值
  光耦合器52   5IL00401
  微控制器60   PIC12C508
  电阻64   200k欧姆
  齐纳二极管70   4.7V
  晶体管74   2N3904
  电阻75   2.3k欧姆
  齐纳二极管76   3.3V
  电阻80   10k欧姆
  电容器82   6800pF，600V
  二极管84   RGP10J
  晶体管86   2N3094
  电阻90   10k欧姆
  电阻92   10k欧姆
  齐纳二极管94   48L01162S20，15V
  晶体管96   48L001186，600V，1A
  电阻100   6.8k欧姆
  电阻102   3.6k欧姆
  PWM控制电路106   TL494
  电阻110   10k欧姆
  电容器112   0.12微法
  电阻120   3.6k欧姆
  电阻140   10k欧姆
  电容142   10微法
如图3所示，PFC/逆变器电路40可以作为升压变换器500和半桥型逆变器500以及串联谐振输出电路700的组合来实现。
升压变换器500包括电感器510，晶体管520，升压控制电路530，整流器540，和储能电容550。升压变换器500接收整流器38输出的全波整流电压(未被滤波)，并在电容器550两端提供经过滤波的基本上是直流的输出电压.电容器550两端的直流电压具有大于整流器38的输出的全波整流电压的峰值的电压。此外，当被正确地设计和控制时，升压变换器500提供高度的功率因子校正能力，使得从交流主电源汲取的电流基本上和交流主电压同相。升压变换器500还确保从交流主电源汲取的电流具有基本上和交流主电压相同的波形。
逆变器600包括第一晶体管610，第二晶体管620，驱动器电路640，以及比较器电路660。驱动器电路640以基本上互补的方式使晶体管610，620导通和截止，使得当晶体管610导通时，晶体管620截止，反之亦然。驱动器电路640使晶体管610，620转换的频率可以响应外部调光输入而改变，借以使灯提供可调的亮度值。
谐振输出电路700包括变压器，第一电容器720，第二电容器730，和灯电流检测电路740。变压器具有作为电感器的一次绕组712.一次绕组712和第一电容器720一起作为串联谐振电路，其具有双重作用：(i)提供用于触发灯的高电压；和(ii)在灯发光之后限制提供给灯的电流。第二绕组714，716提供用于加热灯的阴极的功率。第二电容730作为隔直电容，确保被提供给灯的电流基本上是交流的(即没有或具有很小的直流分量)。灯电流检测电路740包括二极管742，744和电阻746。在电阻746上产生的电压正比于灯电流的值。二极管742、744用于“控制”灯电流的正半周通过电阻746，而使灯电流的负半周旁路电阻746。因为只有灯电流的正半周需要通过电阻746，以便监视灯电流，所以二极管742，744的控制功能防止了在电阻746中的不必要的附加功率消耗。
驱动器电路640包括具有频率控制输入端644的驱动器集成电路(IC)642。驱动器IC 642例如可以使用型号为IR2155的驱动器IC642来实现。驱动器IC 642提供逆变器晶体管的互补的开关转换，其转换频率由在输入端644和镇流器地之间存在的有效电阻确定。在输入端644和镇流器地之间存在的有效电阻根据电阻646、648的值和在比较器电路660的输出端668提供的信号被确定。
比较器电路660包括具有输入端664、666和输出端668的运算放大器IC662。运算放大器IC662例如可以利用型号为LM2904的运算放大器实现。在图3中，IC 662的管脚1，2和3相应于IC的内部的运算放大器(op-amp)的输入端和输出端，具体地说，管脚1在内部和运算放大器的输出端相连，管脚2和运算放大器的反相输入端(-)相连，管脚3和运算放大器的同相输入端(+)相连。
比较器电路660比较两个信号：(i)来自灯电流检测电路740的灯电流反馈信号；和(ii)在滤波器46(图1)的输出端42提供的调光值指令信号。比较器电路660响应两个量之间的任何差值在管脚1提供合适的输出.然后，在管脚1的输出控制在逆变器驱动器IC642和镇流器地之间的有效电阻，所述有效电阻然后被用于确定驱动器IC 642使逆变器晶体管进行转换的频率。
基本上和驱动器电路640以及比较器电路660类似的电路的详细操作在美国专利5457360中详细说明了，该专利在此列为参考。
图4是用于控制灯220的双重控制调光镇流器装置的另一个实施例的方块图。所述装置从交流电源线222和224接收主电源。交流电源线222和224可以分别被称为“火线”和“中线”，或者分别被称为“电源线”和“公共线”。
相位切换三端双向可控硅开关226可以和交流电源线222相连，用于提供对灯220进行调光的电源线型控制。相位切换三端双向可控硅开关26改变相位切换供电信号的触发角，对其中的调光控制信号进行编码。双重控制调光镇流器装置能够根据触发角对灯220进行调光.
非电源线调光控制信号可以通过输入端230和232接收.最好是，非电源线调光控制信号包括在输入端230和232之间提供的直流电压。所述直流电压可以在例如0到10V的范围内改变.最好是，直流电压具有小于交流供电信号的幅值。双重控制调光镇流器装置还能够根据直流电压对灯220进行调光。
EMI(电磁干扰)滤波器234和三端双向可控硅开关226的输出端、交流电源线224以及地线236相连。EMI滤波器234向和其相连的整流器238提供交流信号。整流器238对经滤波的交流信号进行整流，并将其提供给和其相连的功率因子校正(PFC)/逆变器电路240。PFC/逆变器电路240根据从整流器238接收的功率和从输入端242接收的频率控制信号对灯220进行控制和供电。
触发角-PWM(脉宽调制)转换器244和整流器238的输出相连。触发角-PWM转换器244产生一种脉冲信号，其脉宽根据整流器238的输出的触发角进行调制。
光耦合器245使触发角-PWM转换器244和滤波器246例如低通滤波器相连。滤波器246产生具有和来自触发角-PWM转换器244的脉宽相关的直流电压值的信号。来自滤波器246的信号被提供给输入端230。光耦合器245以光学方式使触发角-PWM转换器244以及其它的镇流器电路和输入端230、232隔离。
调光调节电路248响应输入端230和232、滤波器246的输出、以及来自线249的检测的灯电流信号。调光调节电路248根据检测的灯电流信号和被施加于输入端230、232的直流电压信号产生频率控制信号。调光调节电路248借助于光耦合器250和输入端242相连。PFC/逆变器电路240根据从光耦合器250接收的频率控制信号对灯220进行调光.
触发角-PWM转换器244，光耦合器245，滤波器246，调光调节电路248，光耦合器250和PFC/逆变器电路240协同操作，根据由相位切换三端双向可控硅开关226产生的触发角对灯220进行调光.调光调节电路248，光耦合器250和PFC/逆变器电路240协同操作，根据输入端230和232之间的电压对灯220进行调光。
图5是图4的触发角-PWM转换器244、光耦合器245和滤波器246的实施例的示意图。触发角-PWM转换器244包括微控制器260.微控制器260具有通过电阻264和图4的整流器238相连的输入端262。输入端262通过齐纳二极管270和地相连。微控制器260被编程，用于把在输入端262接收的触发角转换成在输出端272提供的脉宽调制信号。输出端272借助于电阻292和光耦合器245相连。
光耦合器245具有和镇流器地相连的发射极输出端，以及通过电阻294和10V电源线相连的集电极输出端。电容器296使光耦合器245的集电极输出端和镇流器地相连.电阻300使光耦合器245的集电极输出端和晶体管302的基极相连。晶体管302的发射极和镇流器地相连。晶体管302的集电极通过电阻304和10V电源线相连。晶体管302的集电极通过电阻306和二极管310、312的串联组合与输入端230相连.二极管310和312的节点通过电容314和镇流器地相连。
上述的触发角-PWM转换器244的实施例在输出端272产生一个PWM信号，其占空比响应来自整流器38的整流的相位切换电压而改变。图6和图7表示当使用和镇流器串联的相位切换调光器时的整流电压的例子.图6表示在接近全导通的状态下整流电压的波形320。在这种状态下，灯电流大约为180毫安。图7表示在大约90度的导通状态下整流电压波形322。在这种状态下，灯电流大约为80毫安。
图6还表示根据整流的电压波形320在输出端272产生的脉冲波形324。图7还表示根据整流的电压波形322在输出端272产生的脉冲波形326。光耦合器245和包括晶体管302的电路协同操作，用于隔离并再生在输出端272产生的波形。在晶体管302的集电极出现的再生波形具有大约10V的幅值。在电容器314上的电压具有一个取决于再生波形的脉宽的直流值。所述的直流值在大约10V(图6的波形330)到1V(图7的波形332)的范围内改变，借以被控制的调光镇流器的输出在0到10V直流的范围内调节.
优选的元件型号和元件值如表I I所示.注意，具有其它的型号和元件值的其它实施例也在本发明的范围内。
表II
  元件   型号/元件值
  微控制器260   PIC12C509
  电阻264   200K欧姆
  齐纳二极管270   4.7V
  电容器288   0.1微法
  电阻292   5k欧姆
  电阻294   20k欧姆
  电容器296   1000pF
  电阻300   200k欧姆
  电阻304   10k欧姆
  电阻306   200欧姆
  二极管310   1N4148
  二极管312   1N4148
  电容器314   22微法
至此，说明了包括双重控制的调光镇流器的优选实施例的若干实施例。
显然，本领域的技术人员可以利用多种方式修改本发明，可以作出和上述的优选实施例不同的许多其它的实施例。例如，在其它的实施例中，一些元件对可以被间接地连接，而不像优选实施例中直接连接。因此，本文使用的术语“连接”包括直接连接和间接连接.借助于间接连接，意味着元件对借助于一个或几个中间元件进行连接。此外，可以使用相位控制的调光器代替所述的相位切换调光器。
因而，所附的权利要求旨在覆盖本发明的所有改型，这些改型都落在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种调光镇流器装置，包括：
耦合到电源线的电磁干扰滤波器，用于对接收到的交流信号进行滤波并且输出该交流信号；
耦合到电磁干扰滤波器的整流器，其接收来自电磁干扰滤波器的经滤波的交流信号并对其进行整流；
至少一个电源线调光控制输入端；
至少一个非电源线调光控制输入端；和
响应所述电源线调光控制输入端的触发角-脉宽调制转换器，其与该整流器耦合；
其特征在于还包括响应所述非电源线调光控制输入端的电压-脉宽调制变换器；
响应所述触发角-脉宽调制转换器和所述电压-脉宽调制变换器的低通滤波器；
具有响应所述低通滤波器的调光值指令输入端的调光逆变器电路，其耦合到该整流器；和
用于使电压-脉宽调制变换器和低通滤波器相耦合的光耦合器。
2.根据权利要求1的调光镇流器装置，其特征在于所述光耦合器具有和电压-脉宽调制变换器相连的输入端，和镇流器地相连的发射极输出端，以及和低通滤波器相连的集电极输出端，所述调光镇流器装置还包括：
使光耦合器的集电极输出端和电源线相连的齐纳二极管和电阻的串联组合；以及
晶体管，其具有和触发角-脉宽调制转换器的输出端相连的基极、和光耦合器的集电极输出端相连的集电极、以及和镇流器地相连的发射极。
3.根据权利要求1所述的调光镇流器装置，其中所述至少一个非电源线调光控制输入端包括第一输入端和第二输入端，并且其中电压-脉宽调制变换器包括：
使第一输入端和第二输入端相连的电容器；
具有基极、集电极和发射极并且所述集电极和电源线相连的第一晶体管；
使第一晶体管的基极和电源线相连的第一电阻和第二电阻的串联组合；
具有和第一输入端相连的阴极以及和第一晶体管的基极相连的阳极的二极管；
使第一电阻和第二电阻的节点和控制接地相连的齐纳二极管；
具有和第一电阻与第二电阻的节点相连的栅极、和第二输入端相连的漏极、以及和控制接地相连的源极的第二晶体管；
使第一晶体管的发射极与控制接地相连的第三电阻和第四电阻的串联组合；以及
具有和第三电阻与第四电阻的节点相连的输入端的脉宽调制电路。
4.一种调光镇流器装置，包括：
耦合到电源线的电磁干扰滤波器，用于对接收到的交流信号进行滤波并且输出该交流信号；
耦合到电磁干扰滤波器的整流器，其接收来自电磁干扰滤波器的经滤波的交流信号并对其进行整流；
至少一个电源线调光控制输入端；
至少一个非电源线调光控制输入端；和
响应所述电源线调光控制输入端的触发角-脉宽调制转换器，其耦合到该整流器；
其特征在于还包括响应所述触发角-脉宽调制转换器的低通滤波器；
响应所述低通滤波器和所述非电源线调光控制输入端的调光调节电路；以及
具有响应所述调光调节电路的调光值指令输入端的逆变器电路，其耦合到该整流器；
用于使触发角-脉宽调制转换器和低通滤波器相耦合的第一光耦合器；和
用于使调光调节电路和逆变器电路的调光值指令输入端相连的第二光耦合器。
5.根据权利要求4的调光镇流器装置，其特征在于还包括：
具有和触发角-脉宽调制转换器相连的输入端、和控制接地相连的发射极输出端、以及集电极输出端的光耦合器；
使光耦合器的集电极输出端和电源线相连的第一电阻；
使光耦合器的集电极输出端和控制接地相连的第一电容器；
具有基极、集电极和发射极并且所述发射极和控制接地相连的晶体管；
使光耦合器的集电极输出端和该晶体管的基极相连的第二电阻；
使所述晶体管的集电极和电源线相连的第三电阻；
第四电阻、第一二极管和第二二极管的串联组合，用于使所述晶体管的集电极和非电源线调光控制输入端相连；以及
使第一二极管和第二二极管的节点和控制接地相连的第二电容器。
6.根据权利要求4的调光镇流器装置，其特征在于至少一个非电源线调光控制输入端包括第一直流输入端和第二直流输入端。
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