CN1893757A - 依赖于系统电压调节功率的电路设备和方法及电子镇流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于依赖于系统电压来调节电子装置(3)的功率的电路设备，该电子装置(3)具有利用其能够检测电子装置(3)的直流运行或交流运行的装置(31)并且具有调节单元(32)，在该调节单元(32)中存储了电子装置(3)的至少一个直流运行的功率/系统电压特性(321)和至少一个交流运行的功率/系统电压特性(322)，该调节单元(32)被这样设计，使得能够依赖于所检测到的电子装置(3)的运行并且依赖于相关的功率/系统电压特性(321，322)执行电子装置(3)所消耗的电功率的调节。本发明还涉及一种用于依赖于系统电压来调节电子装置的功率的方法。电子装置有利的为电子镇流器(3)的形式。

Description

依赖于系统电压调节功率的电路设备和方法及电子镇流器
技术领域
本发明涉及一种用于依赖于系统电压来调节电子装置的功率的电路设备，并且涉及一种用于依赖于系统电压来调节这样的电子装置的功率的方法。此外，本发明涉及一种电子镇流器，该电子镇流器具有用于依赖于系统电压来调节功率的电路设备。
背景技术
出于操作和设置灯、尤其是荧光灯的目的设置电子镇流器。这样的电子镇流器电连接在电源系统和电灯之间，并且一方面限制和调节灯电流，而另一方面确保特定条件下的安全起动。在具有功率调节的电子镇流器的情况下，所汲取到的(drawn)系统输入电流的高值出现在系统电压不足的情况下。在直流运行期间，所汲取到的电流再次增加，这在通过电池作电源的情况下导致这个电池更快速地放电或者具有更短的使用寿命。此外，在这个运行期间，在输入部件处也出现高负荷。在常规的功率调节的电子镇流器中，在特定输入电压未达预定点的情况下限制电子镇流器的电功率消耗。限制程度和部件的设计都基于直流运行期间更重的负荷。在交流运行期间，即使在针对系统电压不足的相对高的值的情况下，给定具有持续效应的相同大小(dimension)，也会出现限制。然而，在扩展的工作电压范围(例如220V到240V交流)中，限制不应该过早发生。由于这个事实，在直流运行期间需要允许相对高的运行电流。然而，这里仍然不考虑可能的电池电源的缓慢放电。
图1示出了电功率的调节特性，在这个情况下，表征由电子镇流器所消耗的电功率的系统功率被绘制为系统电压的函数。在常规的、功率调节的电子镇流器的情况下，发生电子镇流器消耗的电功率的限制，而不必确定电子镇流器是直流运行还是交流运行。如果特定输入电压未达到预定点，则电子镇流器的功率消耗因此实际上均匀降低。如在这方面可从图1中的图解中看出的那样，在直流运行的情况下，发生如由曲线1来表征的限制。如此处可以看到的那样，在具有大于为大约160V的第一系统电压阈值的值的系统电压处的电功率将直至这个第一系统电压阈值保持基本恒定。在这个第一系统电压阈值和第二系统电压阈值之间的范围中，该第二系统电压阈值在图1中为大约125V，电功率的消耗降低。如果系统电压下降到这个第二系统电压阈值以下，则电子镇流器关断，并且因此在逻辑上使电功率的消耗降到零。如可从曲线2中看出的那样，即使在针对系统电压相对高的值的情况下，在交流运行期间也会不利地出现限制。如在这方面可从图1中看出的那样，在大于大约180V的系统电压范围中，发生电子镇流器的电功率消耗的基本上恒定的调节，在这种情况下，大约180V的值代表第三系统电压阈值。在这个第三系统电压阈值直至第四系统电压阈值的范围中，该第四系统电压阈值在该示例性实施例中为大约140V，电子镇流器的这个电功率消耗降低。在这个第四系统电压阈值未达到预定点的情况下，电子镇流器又关断，并且从而将功率消耗降低到值0。根据图1中的图解说明，在所示的曲线分布1和2中从可以再一次清楚地看出并理解已经在上面提及的公知的功率调节的电子镇流器的缺陷。
发明内容
因此，本发明的一个目标是提供一种用于依赖于系统电压来调节电子装置的功率的电路设备和方法，利用该电路设备和利用该方法可以克服从现有技术中公知的缺陷。此外，本发明的目标在于提供一种用于操作电灯的电子镇流器，利用该电子镇流器同样可以克服现有技术中的上述缺陷。该目标通过具有如权利要求1所要求保护的特征的电路设备以及具有如权利要求14中所要求保护的特征的电子镇流器来实现。此外，该目标通过具有如权利要求16中所要求保护的特征的用于依赖于系统电压来调节电子装置的功率的方法来实现。
用于依赖于系统电压来调节电子装置的功率的根据本发明的电路设备包括利用其能够检测电子装置的直流运行或交流运行的装置。本发明的另一重要概念可以从电路设备还具有调节单元的事实中看出，在该调节单元中存储了至少一个直流运行特性以及至少一个交流运行特性，该调节单元被这样设计，使得能够依赖于所检测到的电子装置的运行以及根据相关特性来对要由电子装置所消耗的电功率执行调节。每个该过程中的特性都依赖于系统电压来表征要由电子装置所消耗的系统功率或者电功率的分布。通过在根据本发明的调节之前检测是直流运行还是交流运行，能够显著更准确和更精确地对电功率消耗执行随后的调节。由于针对两种运行模式中的每种都规定了特定的和单独的功率/系统电压特性，此外能够以依赖于该情形的精确的方式对电子装置的系统电流消耗进行调节，以及因此明显延长电池电源的使用寿命。此外，本发明能够使出现在电子装置的输入部件上的负荷大大降低。即使在针对系统电压不足的相对高的值的情况下，本发明仍能够防止在交流运行期间出现给定与直流运行期间相同大小的限制。
利用其能够检测电子装置的运行的装置有利地具有鉴别器级。
被存储在调节单元中的直流运行特性和所存储的交流运行特性具有至少部分不同的特性分布。
调节单元优选地被这样设计，使得在检测到直流运行的情况下，执行功率调节，以致在系统电压降低到第一系统电压阈值的情况下，电功率基本上保持恒定。此外，调节单元被这样设计，使得在检测到直流运行的情况下，执行功率调节，以致在系统电压降低到第一系统电压阈值以下的情况下，降低电功率，以便连续下降到第二系统电压阈值。此外，调节单元有利地被这样设计，使得在检测到直流运行的情况下，执行功率调节，以致在系统电压下降到第二系统电压阈值以下的情况下，电子装置关断。
关于在交流运行的情况下的电子装置的电功率的限制，调节单元优选地被这样设计，使得在以这样的方式检测到交流运行的情况下，执行功率调节，以致在系统电压降低到第三系统电压阈值的情况下，电功率基本上保持恒定，并且在系统电压降低到第三系统电压阈值以下的情况下，有利地降低电功率，以便连续降低到第四系统电压阈值。此外，调节单元优选地被这样设计，使得在检测到交流运行的情况下，执行功率调节，以致在系统电压下降到第四系统电压阈值以下的情况下，电子装置关断。
第一和/或第二系统电压阈值以及第三和/或第四系统电压阈值能够有利地可变地被确定。此外，第一和第三系统电压阈值以及第二和第四系统电压阈值优选地相同。第一和第二系统电压阈值之间的电功率的连续下降有利地比第三和第四系统电压阈值之间的电功率的连续下降更急剧。这样的有利实施例能够实现其中依赖电子装置的直流运行和交流运行的系统电压能单独执行电功率的最佳调节的情形。因此以这种方式有利地来设计的特性具有基本上只在每个特性的两个系统电压阈值之间彼此基本上不同的特性分布。
电子装置有利的是电子镇流器的形式。尤其是在具有PFC(功率因数校正)输入级的电子镇流器的情况下，因此能够以最佳方式来执行依赖于系统电压的功率调节。特别是，因此能够依赖于系统电压来调节PFC输入级的输出电功率。
本发明的另一方面涉及一种用于操作电灯、特别是荧光灯的电子镇流器，该电子镇流器具有根据本发明的电路设备或者根据本发明的电路设备的有利改进方案。
在根据本发明的方法中，执行电子装置的依赖于系统电压的功率调节。该电子装置包括利用其检测电子装置的直流运行或交流运行的装置，并且该电子装置还包括调节单元，在该调节单元中存储了至少一个直流运行的功率/系统电压特性和至少一个交流运行的功率/系统电压特性，调节单元依赖于所检测到的电子装置的运行并根据相关特性对由电子装置所消耗的电功率执行调节。过程中的特性表征依赖于系统电压的要由电子装置所消耗的电功率。
根据本发明的方法的其它有利改进方案在从属权利要求中给出。此外，根据本发明的电路设备的有利改进方案也可被看作是根据本发明的方法的有利改进方案。
附图说明
参考附图，将在下面对本发明的一个示例性实施例进行更详细地解释，其中：
图1示出了依赖于电子镇流器的直流运行和交流运行的系统电压的电子镇流器的系统功率的特性分布图；
图2示出了电子镇流器中的根据本发明的电路设备的方框电路图的示意图；
图3示出了依赖于根据本发明的电子装置的直流运行和交流运行的系统电压的电子装置的系统功率的特性分布图；
图4示出了根据本发明的电路设备的示例性实施例；
图5示出了根据本发明的电路设备的另一示例性实施例；
图6a示出了在直流运行期间没有任何反向调节(back-regulation)时的系统电压和输入功率之间的关系的曲线图；
图6b示出了在直流运行期间没有任何反向调节时的系统电压和功率损耗之间的关系的曲线图；
图6c示出了在直流运行期间有反向调节时的系统电压和输入功率之间的关系的曲线图；以及
图6d示出了在直流运行期间有反向调节时的系统电压和功率损耗之间的关系的曲线图。
具体实施方式
图2示出了电子镇流器3的方框电路图的简化图解，该电子镇流器3具有根据本发明的电路设备。所示的示例性实施例中的根据本发明的电路设备包括鉴别器级31，该鉴别器级31被用于检测电子整流器3是直流运行还是交流运行。此外，电子镇流器3包括调节单元32，该调节单元32电连接到鉴别器级31。电子镇流器3的直流电压运行的系统功率/系统电压特性321(功率/系统电压特性)和交流运行的系统功率/系统电压特性322(功率/系统电压特性)被存储在调节单元32中。调节单元32电连接到电子整流器3的PFC输入级33。根据本发明，调节单元32的特征在于以下事实，即针对电子镇流器3的交流运行和直流运行规定单独的、不同的特性321和322，根据这些特性能够优化将要由电子镇流器3所消耗的系统电功率或者电功率的调节。
图3示出了特性321和322的分布图。如可从图3中看到的那样，针对电子镇流器3的直流运行所存储的特性分布图321在第一系统电压阈值上基本上是恒定的，所示的示例性实施例中的该第一系统电压阈值是在大约180V的系统电压阈值处。在直流运行期间的第一系统电压阈值和第二系统电压阈值之间的范围中，该第二系统电压阈值在大约140V的系统电压处，电子镇流器3的系统功率根据所示的下降特性被限制。在电子镇流器3的直流运行期间，如果被施加到电子镇流器3的系统电压下降到大约140V处的第二系统电压阈值以下，则电子镇流器3关断。
此外，图3示出了特性分布图322，该特性分布图322被用于在电子镇流器3的交流运行的情况下通过调节单元32来限制系统功率。如在这方面能从图3中的图解说明中可看到的那样，在第三系统电压阈值以上的范围中，所示的示例性实施例中的该第三系统电压阈值对应于第一系统电压阈值并且因此同样为大约180V，发生恒定的功率调节。在这个第三系统电压阈值和第四系统电压阈值之间的系统电压范围中，该示例性实施例中的该第四系统电压阈值对应于第二系统电压阈值并且因此为大约140V，发生连续下降的功率调节。以与直流运行期间的过程类似的方式，在第四系统电压阈值未达预定点的情况下，电子镇流器3在交流运行期间也关断。如可从图3中看到的那样，第一和第二系统电压阈值之间的区域中的特性321的下降比第三和第四系统电压阈值之间的特性322的下降更急剧。一旦第一系统电压阈值已未达预定点，这个调节响应就有助于电池电源的使用寿命被延长。如能从图3中看到的那样，在直流运行期间，要由电子镇流器3所消耗的系统功率或电功率在第一和第二系统电压阈值之间从大约100的值被限制到大约60的值。这种情况下的值100和60作为电子镇流器3的额定功率的百分比给出系统功率。还可以从图3中看出，在电子镇流器3的交流运行期间，系统功率在第三和第四系统电压阈值之间从大约100的值被限制到大约80的值。
将要提及的是特性321和322还能够相互变换的事实。在这种情况下，第一和第三系统电压阈值和/或第二和第四系统电压阈值也能彼此不同。
还可以规定，对具有明显降低的系统功率的运行也进行直接转换，其中，例如，在第一系统电压阈值未达预定点的情况下，在直流运行期间，直接限制为系统功率的大约60％的值。
图4示出了根据本发明的电路设备的一个示例性实施例。系统电压UN通过整流器GL产生相对于参考电位GND的整流过的系统电压UGL。电感器L01、二极管D01和晶体管T01以已知的方式被连接来形成升压变换器，该升压变换器在存储电容器C01处产生出总线电压U总线。
总线电压U总线馈入荧光灯的电子镇流器ECG，该电子镇流器ECG示意性地被示为已知的半桥装置。
升压变换器的晶体管T01通过电阻R01由集成电路Ic01来控制，使得相对系统电压和最终的系统电流得到功率因数校正。考虑功率因数校正的集成电路在市场上是流行的。这些集成电路的例子是英飞凌公司(Infineon)的ICB1FL02G、或者国际整流器公司(International Rectifier)的IR2166和IR1150S。
电路Ic01具有反馈输入FB，与总线电压U总线成比例的电压被馈入该反馈输入FB。最初，这借助包括电阻R1和R2的分压器进行，该分压器被连接在总线电压U总线和参考电位GND之间。反馈输入FB被连接到电阻R1和R2的连接点。从而控制环闭合，并且不管系统电压UN如何，该控制环保持总线电压U总线恒定。同时，电路Ic01驱动晶体管T01，使得系统电流与系统电压近似成比例。
正常运行期间，系统电压UN是具有50-60Hz的系统频率的交流电压。在应急电源的情况下，系统电压UN是直流电压。与在直流电压的情况下相比，在交流电压的情况下来自系统电压的能量流的在时间上的分布是不同的。给定相同的输入功率，晶体管T01上的电流负荷在直流运行期间因此大于在交流运行期间的电流负荷。因此需要将晶体管T01设计为在直流电压的情况下负荷更大，这导致与正常运行时相比在部件方面更为复杂。
因此有利地在图4中所示的电路设备中降低直流电压情况下的输入功率。这通过鉴别器级来进行，该鉴别器级包括下列部件：电容器C10，C11；二极管D10，D11；电阻R11，R12。包括电容器C10和电阻R12的串联电路与整流过的系统电压UGL并联连接。包括二极管D11和电容器C11的串联电路与电阻R12并联连接。二极管D10和电阻R11也与电容器C11并联连接。
在交流电压的情况下，在电容器C10和电阻R12之间的连接处产生相对于参考电位GND的交流电压。这个交流电压由二极管D11来整流，并且利用这个整流过的电压为电容器C11充电。因此，如果系统电压是交流电压，则在电容器C11处可得到相对于参考电位GND的电压。当没有交流电压时，电阻R1 1被用来使电容器C11放电。二极管D10是齐纳二极管，并且从而出于进一步保护估计级的目的来限制电容器C11处的电压。
针对其中系统电压为直流电压的情况，电容器C10在稳态时被充电到直流电压。因此电阻R12处的电压为零，而且电容器C11处的电压也为零。
电容器C10处的电压通过开关S10来估计，该开关S10如图4中所示为MOSFET的形式。开关S10的源极被连接到参考电位。栅极和源极形成开关S10的控制输入并且被连接到电容器C10。开关S10的漏极通过电阻R10被连接到反馈输入FB。如果系统电压UN现在是交流电压，则开关S10通过电容器C11处的电压导通。电阻R10因此与电阻R1并联连接。因此反馈输入FB处的电压为：
如果系统电压UN现在为直流电压，则由于电容器C11处的电压变为零所以开关S10断开。反馈输入FB处的分压器因此仅仅包括电阻R1和R2。反馈输入FB处的电压因此为：
在直流电压的情况下，总线电压U总线到反馈输入FB的反馈因此比交流情况下的反馈高。因此，电路Ic01控制晶体管T01，使得在交流电压情况下建立的总线电压U总线比在直流电压情况下的总线电压U总线高。总线电压U总线的相应绝对值可以通过选择电阻R1、R2和R10来确定。
由于直流电压情况下的总线电压U总线比交流电压情况下的总线电压U总线低，所以系统电压所消耗的功率在直流电压情况下较少。因此有利地降低直流电压情况下的电池上的负荷。同时，也有利地降低直流电压情况下的晶体管T01上的负荷。交流电压情况下和直流电压情况下的总线电压比可以这样来设置，使得晶体管T10上的负荷在两种情况下都相同。由于原则上在直流电压情况下更高的负荷，所以没有必要有利地使用在直流电压情况下要承担更高负荷的晶体管T01。
在示例性实施例中，描述电路设备的输入功率PIN和系统电压UN之间的关系的特性在每种情况下都是恒定的。直流电压情况下的输入功率PIN比交流电压情况下的输入功率PIN小。
图5示出了根据本发明的电路设备的另一示例性实施例。与图4中所示的示例性实施例的区别基本上在于以下事实，即图4中所示的开关S10已被图5中的开关S20取代。开关S20现在是双极性晶体管的形式。因而可以免去图4中所示的限压齐纳二极管D10。为此，开关S20的基极通过限流电阻R24被连接到电容器C11。开关S20的基极还通过电阻R23被连接到参考电位GND。这使得能够设置开关S20在其处闭合的电容器C11处的电压值。此外，还插入发射极电阻R21，以便减小开关S20相对于干扰的灵敏度。
图6a示出了在直流运行期间没有任何反向调节时的系统电压UN和输入功率PIN之间的关系的曲线图。输入功率PIN在系统电压UN上是恒定的并且在交流电压情况下和直流电压情况下近似相同。
图6b示出了在直流运行期间没有任何反向调节时的系统电压UN和功率损耗PV之间的关系的曲线图。功率损耗PV描述了图4或5中所示的晶体管T01的损耗。可以清楚地看出，在直流电压情况下比在交流电压情况下损耗高大约0.1W。在直流电压情况下没有任何反向调节时，因而需要在直流电压情况下针对负荷设计晶体管T01。由于在紧急操作期间，直流电压情况很少出现，所以这是不经济的。
图6c示出了在直流运行期间有反向调节时的系统电压UN和输入功率PIN之间的关系的曲线图。输入功率PIN在系统电压UN上是恒定的。与图6a相反，与交流电压情况相比，针对直流电压情况，输入功率PIN现在降低了大约30W。
图6d示出了在直流运行期间有反向调节时的系统电压UN和功率损耗PV之间的关系的曲线图。功率损耗PV描述了图4或5中所示的晶体管T01的损耗。与图6b相比，比率现在反向：可以清楚地看出，直流电压情况下的损耗比交流电压情况下的损耗小大约0.1W。因此可以针对交流电压的正常情况经济地设计晶体管T01。

Claims (16)

1、一种用于依赖于系统电压来调节电子装置(3)的功率的电路设备，该电子装置(3)具有利用其能够检测电子装置(3)的直流运行或交流运行的装置(31)，并且该电子装置(3)具有调节单元(32)，在该调节单元(32)中存储了电子装置(3)的至少一个直流运行的功率/系统电压特性(321)和至少一个交流运行的功率/系统电压特性(322)，该调节单元(32)被这样设计，使得能够依赖于所检测到的电子装置(3)的运行并且依赖于相关的功率/系统电压特性(321，322)执行电子装置(3)所消耗的电功率的调节。
2、如权利要求1所述的电路设备，
其特征在于，
利用其能够检测所述电子装置(3)的运行的装置具有鉴别器级(31)。
3、如权利要求1或2所述的电路设备，
其特征在于，
被存储在所述调节单元(32)中的直流运行的功率/系统电压特性(321)和交流运行的功率/系统电压特性(322)具有至少部分不同的分布。
4、如前述权利要求之一所述的电路设备，
其特征在于，
所述调节单元(32)被这样设计，使得在检测到直流运行的情况下，执行功率调节，以致在系统电压下降到第一系统电压阈值的情况下，保持电功率基本上恒定。
5、如权利要求4所述的电路设备，
其特征在于，
所述调节单元(32)被这样设计，使得在检测到直流运行的情况下，执行功率调节，以致在系统电压下降到第一系统电压阈值以下的情况下，降低电功率，以便连续下降到第二系统电压阈值。
6、如权利要求5所述的电路设备，
其特征在于，
所述调节单元(32)被这样设计，使得在检测到直流运行的情况下，执行功率调节，以致在系统电压下降到第二系统电压阈值以下的情况下，关断电子装置(3)。
7、如前述权利要求之一所述的电路设备，
其特征在于，
所述调节单元(32)被这样设计，使得在检测到交流运行的情况下，执行功率调节，以致在系统电压下降到第三系统电压阈值的情况下，保持电功率基本上恒定。
8、如权利要求7所述的电路设备，
其特征在于，
所述调节单元(32)被这样设计，使得在检测到交流运行的情况下，执行功率调节，以致在系统电压下降到第三系统电压阈值的以下的情况下，降低电功率，以便连续下降到第四系统电压阈值。
9、如权利要求8所述的电路设备，
其特征在于，
所述调节单元(32)被这样设计，使得在检测到交流运行的情况下，执行功率调节，以致在系统电压下降到第四系统电压阈值以下的情况下，关断电子装置(3)。
10、如权利要求5和6所述的电路设备，
其特征在于，
所述第一和/或所述第二系统电压阈值以及所述第三和/或所述第四系统电压阈值能够可变地来确定。
11、如权利要求5和8所述的电路设备，
其特征在于，
所述第一系统电压阈值对应于所述第三系统电压阈值，并且所述第二系统电压阈值对应于所述第四系统电压阈值。
12、如权利要求11所述的电路设备，
其特征在于，
电功率在第一和第二系统电压阈值之间的连续下降比电功率在第三和第四系统电压阈值之间的连续下降更急剧。
13、如前述权利要求之一所述的电路设备，
其特征在于，
所述电子装置是电子镇流器(3)的形式。
14、一种用于操作电灯、特别是荧光灯的电子镇流器，其具有如权利要求1到13之一所述的电路设备。
15、如权利要求14所述的电子镇流器，
其特征在于PFC输入级(31)，该PFC输入级(31)的输出电功率能够由如权利要求1到13之一所述的电路设备依赖于系统电压来调节。
16、一种用于依赖于系统电压来调节电子装置(3)的功率的方法，该电子装置(3)具有利用其来检测电子装置的直流运行或交流运行的装置(31)，并且该电子装置(3)具有调节单元(32)，在该调节单元(32)中存储了电子装置(3)的至少一个直流运行的功率/系统电压特性(321)和至少一个交流运行的功率/系统电压特性(322)，调节单元(32)依赖于所检测到的电子装置(3)的运行并且根据相关的功率/系统电压特性(321，322)执行要由电子装置(3)所消耗的电功率的调节。
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