CN1942041A - 照明布置中控制荧光灯的设备与方法 - Google Patents

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CN1942041A CNA2006100887379A CN200610088737A CN1942041A CN 1942041 A CN1942041 A CN 1942041A CN A2006100887379 A CNA2006100887379 A CN A2006100887379A CN 200610088737 A CN200610088737 A CN 200610088737A CN 1942041 A CN1942041 A CN 1942041A
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Abstract

本发明涉及一种在包含至少一个荧光灯的照明布置中控制此类荧光灯的设备，其中对于每个荧光灯，该设备具有以下特点：电容分压器，包含：串联到荧光灯的第一电容器以及第二电容器；开关，并联到所述电容器之一；用来测量流经荧光灯的瞬时灯电流的部件；以及控制电路，用来根据瞬时灯电流，生成用于半导体开关的输入信号。

Description

照明布置中控制荧光灯的设备与方法
技术领域
本发明涉及一种在照明布置中控制荧光灯的设备，该照明布置包含至少一个此类荧光灯。具体地，该荧光灯为用来照亮显示器的冷阴极荧光管。
背景技术
在例如用于计算机屏幕的液晶显示器(LCD)中，荧光灯被用做背光(backlight)。在较广范围应用的其他类型的显示器中，也会发现类似的背光，例如在机动车、照明广告面板等等中。
冷阴极荧光管一般用于LCD屏幕的背光。其具有以下优点：生成少量热，并且可用寿命相对较长，效率高。另外，电极结构简单，使之可能生产也可用于小液晶显示器的非常小的冷阴极荧光管。
冷阴极荧光管包含管子，在该管子的第一端具有高压端子，在该管子的第二端具有低压端子。向高压终端供应高频AC电压，典型的供给电压具有近似50到100kHz的频率以及近似500到1000V的电压幅度。低压端子一般接地。然而，也可能将这两个冷阴极荧光管端子连接到相互偏移180°的AC电压(非反相与反相)，其中虚地位于约管子中心处。这对特别长的管子尤其有利。
LCD的关键标准是其尽可能均匀地照亮整个显示器表面。根据屏幕的尺寸，两到16个或者更多个冷阴极荧光管用于背光。这些灯相互平行、垂直上下地排列，并且其光通过反射器以及漫射板在液晶板上分布。为了达到可能的最均匀的亮度分布，不仅需要各个灯以相同亮度发光，而且需要每个灯在自身中也必须沿其长度发射均匀亮度的光。由于制造公差造成的各个灯之间亮度的不一致分布可能会发生，并且可以通过在制造过程中选择而被控制保持到特定程度。
经由被称为背光反相器的反相器，向液晶显示器中的冷阴极荧光管提供高频AC电压。反射器将灯发射的光引向散射板，散射板将该光导向液晶板，并且在其上分布该光。液晶板一般插在两个极化板之间。整个结构保持在一框架内。冷阴极荧光管具有负增量电阻。在达到启动电压之前，具有仅非常低电流强度的电流流经灯。然后，电流强度迅速上升，并且同时电压下降。为了补偿冷阴极荧光管的负增量电阻，现有技术的管子经常与电容器串联，目的是生成总体正增量电阻、以及稳定电路。该串联电容器也被称为“镇流器”，并且被选择来匹配每个荧光灯的电阻。由于制造公差，在照明布置中并联连接的各种荧光灯具有不同的电阻，结果是荧光灯的有效灯电流有变化，由此造成了亮度的非均匀分布。在模拟(analogue)减光降低荧光灯亮度的情况下，强化了这个问题。
美国专利6670781涉及用于LCD的冷阴极荧光管的控制电路，并且处理以下问题：尤其在是模拟减光的情况下，这些灯发出非均匀的亮度，并且闪烁。为了解决这个问题，美国专利6670781提出了一种使用预定数目的电流脉冲的新的荧光灯控制方法。
例如在美国专利6538373与6108215中，描述了其他荧光灯、尤其是用于液晶显示器的冷阴极荧光管，以及相关控制设备。
日本专利申请JP2002352974A与相关专利摘要描述了在具有多个冷阴极荧光管的照明布置中控制这样的冷阴极荧光管的设备，其中流经每个冷阴极荧光管的电流得到控制。通过整流器电路，测量流经管子的电流，并且输入到微机中。微机生成PWM(Pulse-Width Modulation，脉宽调制)控制信号，作为测定管子电流的函数，以驱动晶体管，控制管子电流。冷阴极荧光管与由晶体管桥接的电阻器串联。串联电阻器生成了电路结构中另外的损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有多个荧光灯、尤其是冷阴极荧光管的照明布置，其在正常操作以及宽减光范围两者下都发出均匀亮度。
本发明提供了一种控制包含至少一个、优选为几个荧光灯的照明布置中的此类荧光灯的设备。对于每个荧光灯，该控制设备包含：电容分压器，包含：串联到荧光灯的第一电容器以及第二电容器；开关，并联到所述电容器之一；用来测量流经荧光灯的瞬时灯电流的部件；以及控制电路，用来根据瞬时灯电流，生成用于开关的输入信号。所述开关桥接所述电容器之一，从而通过截止与导通该开关，可以改变跨越荧光灯的电压，以调整荧光灯中的灯电流。优选地，在具有多个荧光灯的照明布置中，操作与各个荧光灯相关的开关，使得各个灯电流相同，并且荧光灯由此生成相同的亮度。因为使用了电容分压器，所以当开关导通(open)时，通过电容器几乎不产生损失或者产生可忽略的损失。与节能一起，低功率损失具有以下优点：电容器自身可以由单个小部件以SMD技术实现。在另一方面，如果使用欧姆分压器，则在电阻器上会产生可观的损失，这使之必须在几个电阻器上分割电压负载。提供与荧光灯串联的电容分压器还具有以下优点：第二电容器作为荧光管的另外的“镇流器”，并且对荧光管特性曲线的稳定也有贡献。如本领域公知的，如果电容分压器的第一电容器对应于与荧光管串联的电容器，则对于稳定荧光管特性曲线是有利的。
优选地，所述开关为半导体开关，具有为MOSFET或双极晶体管。
优选地，根据本发明的设备的控制电路包含控制放大器，用来接收作为输入信号的灯电流实际值、以及灯电流目标值，并且发出灯电流误差信号。该误差信号用来生成控制开关以调节灯电流的输入信号。
在本发明特别优选的实施例中，所述控制电路还包含：比较器电路，连接在所述控制放大器与开关之间，并且根据控制放大器的灯电流误差信号与周期性斜坡信号，生成用于所述开关的输入信号。优选地，所述周期性斜坡信号为脉冲生成器的输出信号，如在现有技术中公知的。脉冲生成器用于控制荧光灯以对灯进行减光。其生成具有用来切换开关荧光灯供给电压的脉冲频率的斜坡信号。开关时间之间的比例确定了荧光灯的减光水平。
由此，本发明有利地利用了一般在现有技术荧光灯控制电路中可得的脉冲生成器的斜坡信号，以细致地调节灯电流。此处，比较器接收作为输入信号的脉冲生成器的斜坡信号以及灯电流误差信号，生成PWM信号作为用于开关的输入信号。
虽然在现有技术荧光灯控制电路中，脉冲生成器用来对灯进行减光，从而在其最大值的0％与100％之间切换开关荧光灯的供给电压，但是根据本发明，斜坡信号用来在例如供给电压的10％或+/-5％的范围上控制或调节灯电流，以确保并联的几个荧光灯承载相同的灯电流，并且由此生成相同的亮度。
在本发明的替换实施例中，控制电流不包含控制放大器，而只包含比较器电路，其接收作为输入信号的灯电流实际值、以及脉冲生成器的斜坡信号，并且作为这些信号的函数，生成用于所述开关的输入信号。虽然本实施例能够利用比具有控制放大器的实施例少的组件来实现，但是其不能那么精确地点调整灯电流。
虽然在首先描述的实施例中，调节并联的几个荧光灯的灯电流至其只相差进行1％的程度，肉眼不可能检测这种差别，但是在第二实施例中一般不能达到这样的精度。然而与现有技术相比，第二实施例仍然设法改进了荧光灯的均匀亮度。
在本发明的优选实施例中，提供灯电流评估电路，其与所述荧光灯串联，并且导出所述灯电流实际值。灯电流评估电路可以现有技术公知的方式构造。
根据本发明，优选地，还提供总体电流评估电路，用来测量流经所有荧光灯的电流，并且形成电流平均值，该电流平均值可以用作灯电流目标值。这就意味着可以特别简单的方式生成灯电流目标值，但是也达到了本发明的目的，即所有灯以相同亮度发光。
用于荧光灯的控制设备一般具有开关级(switching stage)、以及包含初级绕组与次级绕组的变压器。在本发明的优选实施例中，所述总体电流评估电路与该变压器的次级绕组串联，并且测量流经该次级绕组的变压器反转电流。这与流经所有荧光灯的总电流足够精确地对应。
优选地，安排根据本发明的设备电容分压器，使得所述第一电容器连接在荧光灯的上游，所述第二电容器连接在荧光灯的下游。所述第一电容器对应于现有技术中公知的整流电容器，并且用来将荧光灯的负特性转换为正特性。优选地，所述开关与所述第二电容器并联，第一电容器与第二电容器之间的电容比例如近似1∶5。这样选定的尺寸确保了在第二电容器与开关上不会发生过量电压降，从而可以由例如400V电容器实现第二电容器。同样的电压承受能力也适用于所述开关，其优选地采用MOSFET的形式。
分压器的电容比还决定了可以利用本发明输出的荧光灯的电压范围，例如最大电压的10％。
附图说明
以下根据优选实施例参照附图更详细地解释本发明，其中
图1为用来解释本发明所根据的概念的电路；
图2为根据本发明的、在照明布置中控制荧光灯的设备的方框图；
图3为根据本发明的设备的详细电路图；以及
图4为在根据本发明的设备中发生的信号的时延(time-lapse)图。
附图标记
10                                              荧光灯
12                                              变压器
14                                              开关
16                                              脉冲宽度调制电路
18                                              桥式电路
20                                              脉冲生成器
22                                              总体电流评估电路
24                                              平均电路
26                                              灯电流评估电路
28                                              开关
30                                              比较器
32                                              误差放大器
C1、C2                                          电容器
L1、L2                                          荧光灯
C11、C21、C12、C22                              电容器
R1、R2                                          电阻器
D1、D2、D3、D4                                  二极管
IL、IL1、IL2                                 灯电流
I∑                                                                                        电流合成信号
IAV                                            电流平均信号
IE1、IE2                                      电流误差信号
PWM1、PWM2                                    脉冲宽度调制信号
UBurst                                           脉冲生成器的斜坡电压
具体实施方式
图1显示用来解释本发明基本原理的电路图。该电路包含荧光灯10，尤其是冷阴极荧光管，其通过电容串联电路从变压器12被供电。该电容串联电路包含形成分压器的、两个分离的电容器C1、C2。属于分压器的这些电容器中的一个由开关14桥接，开关14由例如脉冲宽度调制控制，以调整灯电压、以及由此的灯电流。对开光14的线性控制也落入本发明的范围内。
在具有多个荧光灯10的照明布置的情况下，需要仅一个具有相关切换级的变压器12，并且只需要为每个荧光灯单独提供次级侧的元件，即电容器C1、C2、以及开关14。在实践中，该电路还包含电流评估与控制元件，用来控制开关14。
本发明实现了一种特别简单、成本效益高的控制照明布置中几个荧光灯的手段，从而各个荧光灯的灯电流被调节到同一目标值。此处，本发明使用一般见于用于现有技术荧光灯的控制电路的组件。本发明可以使用几个附加的、低成本元件来实现，并且与不包含对各个荧光灯电流控制的控制电路相比，其实际上没有附加损失。
虽然荧光管由于制造公差具有近似10％的绝对灯电流公差，但是通过根据本发明的控制系统，可以将该偏离减少到小于1％，即可以将偏离减少到肉眼无法察觉的水平。
图2显示了根据本发明的设备的优选实施例的简化方框图。
在图2中，显示两个示范性荧光灯10，L1与L2，其由变压器12供电。本发明可以应用于所希望的任意数目的荧光灯，常见有具有多达16或32个灯的结构，但是本发明不限于奇数或偶数灯。本发明还可以用于具有不同长度的荧光灯，例如在10cm到1m或更多的范围内。
变压器12通过开关级控制与供电，如图2中示意性地由脉冲宽度调制电路16与桥式电路18所示。该电路还包含脉冲生成器20，其具体用来对荧光灯10进行减光，并且在现有技术中基本是公知的。脉冲生成器20的输出端连接到脉冲宽度调制电路16的输入端，脉冲宽度调制电路16的另一入端接收从变压器12的次级侧导出的电流合成信号I∑。电流合成信号I∑基本对应于流经所有荧光灯10的总电流，并且被引导回变压器12的初级侧，以如在现有技术中基本是公知地控制变压器。
脉冲生成器20生成具有近似100到300Hz范围内的脉冲频率的斜坡信号，其可以用来切换开与关变压器12、以及由此的荧光灯10的电压供给。开光时间之间的比例确定了荧光灯的减光电平。在导通时间，以50到100KHz范围内的工作频率驱动变压器12，而在截止时间，到变压器12的控制信号被完全阻止。作为结果，荧光灯可以在0％到100％的范围内减光。
在变压器12次级侧，由电阻器示意性地显示总体电流评估电路22，通过该电阻器，测量总电流或电流合成信号I∑。该信号被施加到平均电路24，以产生电流平均值IAV，电流平均值IAV被用作各个荧光灯10的灯电流目标值，如下详述。平均电路24将电流合成信号除以照明布置中荧光灯10的数目，以确定将流经所有荧光灯10的电流平均值IAV。这是生成用于调节通过各个荧光灯10的电流的目标值的特别简单的方法。
在图2中显示两个荧光灯10与其相关控制电路。第一荧光灯L1串联在第一电容器C11与第二电容器C21之间，第二荧光灯L2串联在第一电容器C12与第二电容器C22之间。第一荧光灯L1的灯电流评估电路26由电阻器R1示意性显示，并且第二荧光灯L2的灯电流评估电路26由电阻器R2示意性显示。因为荧光灯L1与L2的控制电路设计相同，所以以下只描述荧光灯L1的控制电路，同样的描述适用于荧光灯L2的控制电路。
荧光灯10串联在形成电容分压器的电容器C11与C21之间，其中第二电容器C21被开关28桥接。在所示实施例中，开关28为MOS FET，但是其可以使用任何其他半导体开关来实现，例如双极晶体管，或者通过使用其他类型的开关来实现。如参照图1所解释的，控制开关28以调整跨越荧光灯10的电压，由此调节灯电流IL1，从而允许调节荧光灯的亮度。通过电阻器R1来测量灯电流实际值IL1。
可以线性或离散地控制开关28，优选地利用下面描述的、作为生成控制信号的本发明优选实施例的脉冲宽度调制。
在实践中，荧光灯10的启动电压近似有效1000V，并且电容器C11与C21之间的电容比在幅度1∶5内。例如，如果电容器C11的值为22pF、并且电容器C21的值为100pF，则电容器C21的尺寸必须使得其可以耐受有效电压平均值200V与电压峰值311V。在实践中，为此目的可以使用具有近似400V的电压承受能力的电容器。
所述1∶5的分压器电容比使之可能补偿10％或+/-5％的绝对灯电流公差。此处必须注意保证根据本发明的控制电路实际以尽可能简单的方式构造；在优选实施例中，以如下方式设计控制电路，使得电容器C21与开关28只对灯电压的半波有影响。
配备比较器30与误差放大器32，以控制开关28。误差放大器32可以采用PID控制元件的形式，其比例(P)、积分(I)、以及差分(D)部件可以根据需要调整。误差放大器32接收形成灯电流目标值的电流平均值IAV，以及实际灯电流IL1或IL2作为输入信号，并且生成用来控制开关28的电流误差信号IE1、IE2。在优选实施例中，电流误差信号IE1或IE2被送入比较器30的输入端，比较器30的另一输入端接收脉冲生成器20的输出信号。如上所述，脉冲生成器20的输出信号为周期性斜坡信号，具有100到几百Hz范围内的预定脉冲频率，并且由现有技术系统用来对荧光灯进行减光。在本发明的优选实施例中，比较器30比较脉冲生成器20的斜坡信号与电流误差信号IE1或IE2，并且导出脉冲宽度调制信号PWM1或PWM2，以控制开关28。
图4显示用来解释脉冲宽度调制信号PWM1或PWM2生成的时延图。称为脉冲信号的周期性斜坡信号对应于脉冲生成器20的输出信号。在比较器30将该信号与电流误差信号IE1或IE2比较，以便如图4所示导出脉冲宽度调制信号PWM1或PWM2。在优选实施例中，以如下方式控制开关28，使得灯电流IL1或IL2跟随其目标值，由此可能补偿高达10％的电流偏离。
图3显示根据本发明的、用于控制荧光灯的电路的实用实施例的电路图。与图1或2中对应的组件由相同的附图标记指示。在图3中，只显示了具有荧光灯10的、照明布置的一个通道，本领域技术人员应该知道可以添加几乎无限数目的其他通道。变压器12形成所有荧光灯10控制电路的公共变压器，如果相应应用需要，则采用几个变压器也在本发明的范围内。经由已经参照图2解释的开关级，向变压器12供电。该开关级可以由集成控制组件控制，其基本公知，并且也包含脉冲生成器20(图2)。如上所解释的，借助于脉冲生成器20，可以通过切换开关电源电压，对荧光灯进行减光。根据本发明，脉冲生成器20的周期性斜坡信号还可以用于离散构造的、照明布置每个通道的脉冲调制器。为此，晶体管Q1缓冲脉冲生成器的斜坡电压UBurst，并且将其发送出去给比较器30。
比较器30可以例如由美国加利福尼亚的National Semiconductor，制造的型号为LM339的标准比较器来实现。
误差放大器32由运算放大器实现，例如来自National Semiconductor的型号LM324，并且在所示实施例中，采用了I元件的形式。如上所述，作为输入信号，其接收灯电流IL、以及电流平均值IAV，并且送出电流误差信号。
设计开关28使得其只在脉冲信号正半波期间切换，如图4所示，负半波由MOS FET开关28的内部体二极管抑制。如果例如使用双极晶体管开关而非MOS FET开关，则需要处理负半波的额外的二极管。所示实施例中的灯电流评估电路26也只基于正半波操作，负半波由二极管引掉。这同样适用于连接到变压器12的次级线圈的用于测量电流合成信号I∑的总体电流评估电路22。
在图3中，仅作为例子显示了平均电路24的实施例。
利用电容分压器C1、C2来控制灯电流具有以下优点：当开关28导通时，在第二电容器C2上几乎不发生功率损失。电容器C2还对镇流电容器C1有贡献，并且由此在稳定荧光灯10的特性中起作用，如上所述。
另外，与具有欧姆分压器的布置相比，必须通过灯10生成的所需变压器电压低一些。
本发明创造了一种用于控制照明布置中荧光灯的设备，其达到了将所有灯电流非常精确地控制到平均值，却可以低成本实现。对于每个通道，即每个荧光灯，除一般见于根据现有技术的控制电路中的元件之外，只需要运算放大器、误差放大器、比较器、以及MOS FET或双极晶体管与电容器。半导体开关28的切换可以与脉冲生成器的脉冲频率同步，从而不需要其他斜坡生成器来生成脉冲宽度调制，并且在运行中不会发生干扰，这是因为变压器20也是基于脉冲生成器的斜坡驱动的。
变压器的次级电流可以用来控制变压器性能以及导出用于各个通道有效电流调节的电流平均值两者。
本发明可以用于具有所希望的任意数目的荧光灯的照明布置，例如4、16或32，也可能毫无问题地控制非偶数灯。
可以获得准确度+/-1％的、至目标值的电流调节，该偏离肉眼无法察觉。
以上描述中公开的特征、权利要求、以及附图对于单独地或者以任意组合、以其各种实施例实现本发明是重要的。

Claims (15)

1.一种在包含至少一个荧光灯(10)的照明布置中控制此类荧光灯的设备，其中对于每个荧光灯，该设备具有以下特点：
电容分压器，包含：串联到荧光灯(10)的第一电容器(C1；C11、C12)以及第二电容器(C2；C21、C22)；
开关(14；28)，并联到所述电容器之一(C1、C2；C11、C12；C21、C27)；
用来测量流经荧光灯(10)的瞬时灯电流的部件(26)；以及
控制电路，用来根据该瞬时灯电流，生成用于开关(14；28)的输入信号。
2.如权利要求1所述的设备，其中所述开关(14；28)为半导体开关。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述开关(14；28)包含MOS FET或双极晶体管。
4.如权利要求1所述的设备，其中所述控制电路包含控制放大器(32)，用来接收作为输入信号的灯电流实际值、以及灯电流目标值，并且发出灯电流误差信号。
5.如权利要求4所述的设备，其中所述控制电路包含：比较器电路(30)，连接在所述控制放大器(32)与开关(14；28)之间，并且根据控制放大器(32)的灯电流误差信号与周期性斜坡信号，生成用于所述开关(14；28)的输入信号。
6.如权利要求1所述的设备，其中所述控制电路包含比较器电路，用来接收实际灯电流信号、以及周期性斜坡信号，并且根据这些信号，生成用于所述开关的输入信号。
7.如权利要求5或6所述的设备，还包含脉冲生成器(20)，用来生成所述周期性斜坡信号。
8.如权利要求7所述的设备，还包含用于所述照明布置的控制的开关级，所述脉冲信号具有比该开关级的时钟频率小两到三个数量级的脉冲频率。
9.如权利要求5或6所述的设备，其中所述比较器电路(30)生成PWM信号。
10.如权利要求1所述的设备，还包含灯电流评估电路(26)，其与所述荧光灯(10)串联，并且生成灯电流实际值。
11.如权利要求1所述的设备，还包含总体电流评估电路(22)，用来测量流经所有荧光灯的电流，并且形成电流平均值，其中该电流平均值可以用作灯电流目标值。
12.如权利要求11所述的设备，还包含用于所述照明布置的控制的变压器(12)，具有初级绕组与次级绕组，其中所述总体电流评估电路(22)与该变压器(12)的次级绕组串联。
13.如权利要求1所述的设备，其中所述第一电容器(C1；C11、C12)连接在荧光灯(10)的上游，所述第二电容器(C2；C21、C22)连接在荧光灯(10)的下游。
14.如权利要求13所述的设备，其中所述开关(14；28)与所述第二电容器(C2；C21、C22)并联。
15.如权利要求14所述的设备，其中所述第一电容器(C1；C11、C12)与第二电容器(C2；C21、C22)之间的电容比近似1∶5。
CNA2006100887379A 2005-06-03 2006-06-05 照明布置中控制荧光灯的设备与方法 Pending CN1942041A (zh)

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