CN2930191Y - 用于灯的具有功率因数调整功能的交流到直流变流器电源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是一种用于灯的交流到直流的变流器电源，它将大范围交流电压转换成预定的恒定直流电压，使灯发出恒定灯光，既没有低频光，又没有高频光。可以具有或不具有功率因数调整功能。灯的亮度随电压变化。低频电压造成低频光，眼睛晶状体前后径和瞳孔的大小随亮度变化不断调节，长期将导致控制晶状体和瞳孔的肌肉松弛，不能有效调节造成近视。高频电压造成电磁辐射，危害人体健康。眼睛瞳孔跟不上高频灯光，交流峰值电压产生的强光照在视网膜上，长久造成损伤。恒定灯光使眼睛疲劳程度降至最低极限。不造成电磁辐射。本实用新型有反馈功能的调光器，可以方便地调节灯光亮度到个人眼睛最舒适程度，有益人的视力，有益人体健康。
Description
技术领域
本实用新型是一种交流到直流变流器电源，无频闪，无电磁辐射，输出恒定直流电压使灯发出恒定亮度灯光，具有防止眼睛疲劳近视和防止电磁辐射的保健功能。
背景技术
目前使用的照明电源分为三大类：
1)输出低频电压，例如50赫兹或60赫兹；
2)输出高频电压，大于10千赫兹；
3)输出高频电压包含于低频包络中。
第一类电源低频频闪现象严重，人眼晶状体和瞳孔随着亮度调节，眼肌十分疲劳，长时间眼肌就会松弛而不能准确调节收缩晶状体看远处，造成近视眼。
第二类电源高频频闪超过一定频率，人眼晶状体和瞳孔不能跟随高频亮度调节，交流峰值电压产生的强光不断刺激视网膜，长期会对视力造成损害，角膜变干，晶状体浑浊，而且输出高频电压造成电磁辐射会危害人体健康。
第三类电源既会影响视力，又会造成电磁辐射。
实用新型内容
本实用新型是一种无频闪的恒定直流灯电源，既没有低频输出电压，又没有高频输出电压，灯亮度恒定，既不造成眼睛疲劳近视，又不造成电磁辐射影响健康。
为实现上述目的，本实用新型提供一种交流到直流的变流器电源，包括输入电源210，输入保护电路201，电磁干扰滤波电路202，整流电路203，滤波电路204，电压转换电路206，采样电路207，反馈调光电路205，控制电路209，启动电路208，偏置电路212，输入监测电路213，输出滤波电路214，灯211，输出保护电路200；
输入电源210连接于输入保护电路201，电磁干扰滤波路202，整流电路203，滤波电路204，再与电压转换电路206输入端相连，电压转换电路206输出端经过输出滤波电路214连在灯211上，采样电路207输入端连于电压转换电路206输出端或灯211，采样电路207输出端连于反馈调光电路205输入端，反馈调光电路205输出端连于控制电路209输入端，启动电路208输入端连于整流电路203或滤波电路204的输出端，启动电路208输出端连于控制电路209输入端和偏置电路212输出端，偏置电路212输入端连于电压转换电路206输出端；输出保护电路200输入端连于电压转换电路206输出端，输出保护电路200输出端连于控制电路209输入端，输入监测电路213输入端连于整流电路203或滤波电路204的输出端；输入监测电路213的输出端连于控制电路209输入端；
电路模块200，201，202，203，204，205，206，207，208，209，210，211，212，213，214位置或连接方式可以改变，有些模块可以除去，有些模块可以集成在一个电路里，某个模块的一部分电路元件可与另一模块或其一部分电路元件集成于一个集成电路中。每个模块可用完成所需功能的任何一种电路。
其中，输入电源210来自线电压，110伏60赫兹或220伏50赫兹；过电流保护电路当输入电流超过设定值，成为断路切断电源210与后面电路的连接，过电压保护电路钳制输入电压在预定值以下，防止高电压损坏后续电路，它们构成输入保护电路201；电磁干扰滤波电路202滤掉高频分量，阻止高频电压电流进入前端输入低频电源；整流电路203将交流正弦电压转换为直流正弦电压；滤波电路204滤去高频分量，阻止高频电压电流通过启动电路进入控制电路209；电压转换电路206将输入直流正弦电压转换为恒定直流电压；采样电路207采集电压信号反映输出电压值；反馈调光电路205一面实现反馈控制输出电压为一恒定值，一面用变阻器调节改变输出电压与控制电路209内参考电压的比例从而改变输出电压与灯的亮度；控制电路209控制电压转换206中的主开关导通时间或切换频率，实现输出电压为一个直流恒定电压；输出滤波电路214防止高频信号进入输出用电器灯；启动电路208，在电源稳定工作之前，由输入端整流后的直流电压供电给控制电路209启动电路，在电源稳定工作之后，启动电路208反向偏置不再工作，由偏置电路212继续供电给控制电路209；灯211利用灯丝或二级管发热产生光，灯的亮度与所加电压成比例，电压越高，亮度越大；输出保护电路200可以有输出过电压保护电路，输出过电流保护电路，过温度保护电路，当输出电压或输出电流或电路板温度等高于预定制，控制电路关掉电压转换器206中的主开关；R3，R4构成的电阻分压器，R1，R2构成的电阻分压器是输入电压监测电路213，电压监测电路将输入电压信号输送给控制电路209使得输出脉冲导通时间与频率根据输入电压变化保证输出电压为一预定值的恒定直流电压。
电灯分两大类：
1.有镇流器要求的各种电灯：需要镇流器产生闪击电压启动灯.这类灯绝大多数用气体(例如汞蒸气)产生光.例如荧光灯，高强度放电灯HID(high intensity discharge)，小型的荧光灯(Compact)，卤化金属物灯(metal halide lamp)等.灯泡需要镇流器因为它需用气体发光。当气体被电激发，它发射出紫外光打在灯泡内白色涂层上，涂层把紫外光变成可见光。它需用很高的电压来激发灯开始工作。我的实用新型不能直接用于这类灯。我的实用新型可与第二级镇流器一起使用于这类灯。
2.没有镇流器要求的各种电灯利用灯丝或二级管发热产生光。绝大多数灯用灯丝或二极管发热产生光。例如卤钨灯Halogen，白炽灯(Incandescent)，发光二级管灯(LED)，PAR灯(parabolic aluminized reflector)抛物面铝化反射镜灯，小型密封射线灯(miniaturesealed beam lamp)，投影灯(Projection lamp)，汽车灯(Automotive lamp)，舞台照相用灯(stage and studio lamp)，直流荧光灯(DC fluorescent，DC compact)等。我的实用新型可以直接用于这类灯。
附图说明
图1是本实用新型具有功率因数调整功能的交流到直流变流器电源框图。
图2是本实用新型具有功率因数调整功能的交流到直流变流器电源一种实现方式电路图；Flyback拓扑结构电路用于变流器206；集成电路IW2202用于控制电路209。
图3是本实用新型不具有功率因数调整功能的交流到直流变流器电源一种实现方式电路图；Flyback拓扑结构电路用于变流器206；集成电路IW2210用于控制电路209。
图4是本实用新型不具有功率因数调整功能的交流到直流变流器电源一种实现方式电路图；Flyback拓扑结构电路用于变流器206；集成电路IW1688用于控制电路209。
具体实施方式
该电源的一个实施例如图2，电源210来自110伏60赫兹交流电或220伏50赫兹交流电；熔断器F1作为过输入过电流保护电路，暂态电压吸收器VR1作为输入过电压保护电路，F1，VR1和电阻R27构成输入保护电路201；L2共模过滤电路和电容C3构成电磁干扰滤波电路202，电阻R27可对C3放电；二极管D7，D8，D9，D10构成桥式整流电路BR1或二极管D15，D16，D17，D18构成桥式整流电路BR2作为203，电阻R25为限流电阻；C1，L1，C2π型滤波电路构成204；变压器T1，三极管Q1，二极管D20构成Flyback拓扑电路结构的转换器作为电压转换电路206，齐纳二极管D2，二极管D1，电阻R24，R26，电容C15除掉三极管Q1栅极尖峰电压，电阻R30防止三极管Q1静电导通；L3共模过滤电路和电容C20，C30构成输出滤波电路214，电阻R20对电容C20，C30放电；变压器T1的辅助绕组和二极管D6构成采样电路207；电阻R6，R12和变阻器R15构成反馈调光电路205，电容C21去掉噪音信号；集成电路iW2202作为控制电路209，电阻R29与二极管D19控制导通关断时间延迟；电阻R10，R11，R7，三极管Q2，电容C8，齐纳二极管D11，D12构成启动电路208；辅助绕组，二极管D4，D5，三极管Q3，电阻R8，齐纳二极管D13，D14，电容C9，C19构成偏置电路212；白炽灯或卤钨灯作为灯211；辅助绕组，电阻R16，R17，R23和二极管D3构成输出过电压保护电路，电容C11，C12，C13，C14和电阻R18，R19，R21，NTC热敏电阻R22和三极管Q4构成过温度保护电路，电阻R9，过滤电路R28，C18构成过电流保护电路，以上三种电路构成输出保护电路200；电容C16，C17，分压电阻R1，R2，R3，R4，滤波电路电阻R12，电容C4构成输入监测电路213；
启动电路208输出和偏置电路212输出共同连于控制器Iw2202的管脚1-Vcc；反馈调光电路205连于控制器Iw2202的管脚2-Vsense；Iw2202的管脚3-SCL是副边侧限流反馈输入。当不用副边侧限流，管脚3-SCL用10千欧姆电阻R14连于管脚11-Vrega；启动电路208中的齐纳二极管D12通过电阻R7与控制器Iw2202的管脚4-ASU连接；线电压经过电阻分压器R3，R4和滤波器(电阻R5，电容C4构成)构成的电压监测电路213送到管脚5-Vindc，监测信号代表线电压平均值用于线电压调整line regulation，过低线电压保护undervoltage和过高线电压保护over voltage protection；线电压经过分压器R1，R2构成的电压监测电路213送到管脚6-Vinac(检测信号代表交流线电压)用于输入电流波形调整与输入正弦电压同相位；电阻R13和电容C5连于管脚7-Vref 2.0v参考电压输出；8-AGND(模拟电路接地探针)接地；管脚9-SD在每个切换脉冲时，采样输入信号，当采样电压高于关断阈值电压，变流器以非锁定模式关断，可用于过电压保护OVP或过温度保护OTP.电阻R9上的电压送入管脚10-Isense(用于主变流器开关中电流限制，它用于单脉冲电流限制，可用于过电流保护和短路电流保护；电容C7连于管脚11-Vrega模拟调节器输出，内部3.3伏调节器用于内部模拟电路；电容C6连于管脚12-Vregd数字调节器输出解耦管脚，内部3.3伏调节器用于内部数字电路；管脚13-PGND是电力接地端而且接地；管脚14-输出脉冲信号驱动外部场效应管Q1开关(或双极型三极管)。C10是Y电容接于变压器原边地和副边地之间。
该电源的另一个实施例如图3，图4。同名元件具有相同功能，连接方式与图2相似。
如此实施例的工作原理是：
下面将围绕所用Flyback拓扑电路结构讨论：
本具有功率因数校正功能的交流到直流变流器电源中，Flyback拓扑电路结构的转换器作为电压转换器电路206，包括原边绕组，副边绕组，辅助饶组，它们耦合在具有空气间隙的变压器磁芯上。主开关打开时，能量储存于变压器原边线圈，主开关关闭时，能量传送到副边绕组和灯。变流器用辅助线圈作为反馈电路。
输出电压是Vo，输入电压是Vg(t)，占空比D，D’＝1-D，n是原边与副边绕组匝数比，所以Vo＝Vg(t)*D/(D’*n) (1)
Vg(t)电压是经整流器203整流后的直流正弦电压，供电系统线电压有效值是Vrms(t)，所以，w＝2*π*f，f是输入电压频率，
Vg(t)＝1.414*Vinrms*|sin(wt)| (2)
代入Vg(t)，我们得到结果D(t)＝1/(1+1.414*Vinrms*|sin(wt)|/(n*Vo)) (3)
从(3)得知，为了得到输出电压为预定恒定电压值的直流电压Vo，我们可以根据输入电压Vg(t)的即时值调节占空比D(t)，这样变流器就可以把120赫兹的直流正弦电压Vg(t)变成恒定直流电压Vo.也可以用跳过模式控制，skip-mode control，例如Iw2210或Iw1688。
调光是由调节变阻器R15的阻值来实现。Naux是辅助线圈匝数，Ns是副边线圈匝数，根据实施例电路图2，Vsense＝Vo*R12*Naux/((R6+R15+R12)*Ns).
控制器保持Vsense等于一个参考电压Vref。
Vo＝Vref*(R6+R15+R12)*Ns/(R12*Naux)＝Vref*(1+(R6+R15)/R12)*Ns/Naux
功率因数校正功能PFC是通过调整平均输入电流ipr(t)av与输入电压Vin(t)同相位来实现。功率因数几乎为1。
该电源的另一个实施例如图3，同名元件与图2有同样的功能。
该电源的另一个实施例如图4，同名元件与图2有同样的功能。
该电源还可以如下方式实施，滤波电路202，204，214可用共模，差模，LC，CLC滤波电路构成；整流电路203可用全桥整流，半桥整流；电压转换器电路206可以用以下任何一种拓扑电路结构，例如：Buck，Boost，Buck-boost，Noninverting buck-boost，H-Bridge，Watkins-Johnson，Current-fed bridge，Inverse of Watkins-Johnson，Cuk，SEPIC，Inverseof SEPIC，Buck square，full bridge，half bridge，Forward，Two-transistor Forward，Push-pull，Flyback，Push-pull converter based on Watkins-Johnson，Isolated SEPIC，Isolated Inverse SEPIC，Isolated Cuk，Two-transistor Flyback；采样电路207可用辅助绕组或光耦合器或直接来自灯电压；调光电路205可用电阻与变阻器构成的分压器或变阻器与参考电压构成的分压器；该电源中控制电路209控制适用的拓扑电路结构，将整流后的直流正弦电压转换成预定值的恒定直流电压，Flyback拓扑电路结构可用iW2202，iW2210，iW1688，UCC28600，LNK362，LNK363，LNK364等集成电路控制器；Buck或Buck-Boost拓扑电路结构可用LNK302，LNK304，LNK305，LNK306等集成电路控制器；使用其他控制器或其他拓扑电路结构时，电路会与实施例图2的电路有所不同，209可用任何一种控制器，集成电路控制器或分离元件控制器。
启动电路208可用线性调节器-linear regulator或填谷电路-valley-filled circuit等任何一种电路；偏置电路212可用辅助绕组或齐纳二极管；灯211可用白炽灯或卤钨灯；电源210来自110伏60赫兹交流电或220伏50赫兹交流电。输出保护电路200可以有过电压保护，过电流保护，过温度保护和其他保护，可以用不同电路实现，也可以只有其中一种或几种保护电路。
很多种实现方法已经描述。然而，所有的变化没有脱离本实用新型的中心思想。把低频线电压变成恒定直流电压，不含低频分量，不含高频分量，不会造成眼睛疲劳近视，不危害人体健康。不会造成电磁辐射，最大限度的保护人视力与健康。具有功率因数调整功能的交流到直流变流器只用一级电路，大大降低成本。可直接用于不需镇流器各种电压各种功率的各种类型灯。可与镇流器结合用于需镇流器各种电压各种功率的各种类型灯。具有功率因数调整功能的交流到直流变流器也可用于其它要求直流电压的用电器-例如笔记本电脑电源转换器adapter，LCD电视电源，交流/直流转换器(AC/DC adapter)，电池充电电源，电力工具充电电源，电子镇流器等。
Claims (10)
1.一种交流到直流的变流器电源，包括输入电源210，输入保护电路201，电磁干扰滤波电路202，整流电路203，滤波电路204，电压转换电路206，采样电路207，反馈调光电路205，控制电路209，启动电路208，偏置电路212，输入监测电路213，输出滤波电路214，灯211，输出保护电路200；其特征是：该电源把交流电压转换为预定值恒定直流电压加在灯上，使得灯发出恒定亮度灯光，减少眼睛疲劳，不含电磁辐射，最大限度地保护视力和人体健康；输入电源210连接于输入保护电路201，电磁干扰滤波路202，整流电路203，滤波电路204，再与电压转换电路206输入端相连，电压转换电路206输出端经过输出滤波电路214连在灯211上，采样电路207输入端连于电压转换电路206输出端或灯211，采样电路207输出端连于反馈调光电路205输入端，反馈调光电路205输出端连于控制电路209输入端，启动电路208输入端连于整流电路203或滤波电路204的输出端，启动电路208输出端连于控制电路209输入端和偏置电路212输出端，偏置电路212输入端连于电压转换电路206输出端；输出保护电路200输入端连于电压转换电路206输出端，输出保护电路200输出端连于控制电路209输入端，输入监测电路213输入端连于整流电路203或滤波电路204的输出端；输入监测电路213的输出端连于控制电路209输入端；电路模块200，201，202，203，204，205，206，207，208，209，210，211，212，213，214位置或连接方式可以改变，有些模块可以除去，或者添加附加模块，有些模块可以集成在一个电路里，某个模块的一部分电路元件可与另一模块或其一部分电路元件集成于一个集成电路中，每个模块可用完成所需功能的任何一种电路。
2.根据权利要求1中所述交流到直流的变流器电源，其特征是：图2，3，4是该电源的一个实施例，电源210来自110伏60赫兹交流电或220伏50赫兹交流电；熔断器F1作为过输入过电流保护电路，暂态电压吸收器VR1作为输入过电压保护电路，F1，VR1和电阻R27构成输入保护电路201；L2共模过滤电路和电容C3构成电磁干扰滤波电路202；二极D7，D8，D9，D10构成桥式整流电路BR1或二极管D15，D16，D17，D18构成桥式整流电路BR2作为203；C1，L1，C2π型滤波电路构成204；变压器T1，三极管Q1，二极管D20构成Flyback拓扑电路结构的转换器作为电压转换电路206；L3共模过滤电路和电容C20，C30构成输出滤波电路214；变压器T1的辅助绕组和二极管D6构成采样电路207；电阻R6，R12和变阻器R15构成反馈调光电路205；集成电路iW2202作为控制电路209；电阻R10，R11，R7，三极管Q2，电容C8，齐纳二极管D11，D12构成启动电路208；辅助绕组，二极管D4，D5，三极管Q3，电阻R8，齐纳二极管D13，电容C9构成偏置电路212；白炽灯或卤钨灯作为灯211；辅助绕组，电阻R16，R17，R23和二极管D3构成输出过电压保护电路，电容C11，C12，C13，C14和电阻R18，R19，R21，NTC热敏电阻R22和三极管Q4构成过温度保护电路，电阻R9构成过电流保护电路，以上三种电路构成输出保护电路200；电容C16，C17，分压电阻R1，R2，R3，R4，滤波电路电阻R12，电容C4构成输入监测电路213；实际应用中，可用不同的电路或不同的元件实现以上各个模块的功能，元件可多于，同于或少于以上功能模块，只要实现相应的功能，元件命名可与上述元件不同。
3.根据权利要求1所述交流到直流的变流器电源，其特征是：该电灯211利用灯丝或二极管发热产生光，电压越高，灯的亮度越大，可用卤钨灯Halogen，白织灯Incandescent，发光二级管灯LED，抛物面铝化反射镜灯PAR，小型密封射线灯miniature sealed beam lamp，投影灯Projection lamp，汽车灯Automotive lamp，舞台照相用灯stage and studio lamp，直流荧光灯DC fluorescent，DC compact等。
4.根据权利要求1所述的交流到直流的变流器电源，其特征是：该电源中的电压转换器电路206将整流后的直流正弦电压转换成预定值的恒定直流电压，可以用以下任何一种拓扑电路结构，Buck，Boost，Buck-boost，Noninverting buck-boost，H-Bridge，Watkins-Johnson，Current-fed bridge，Inverse of Watkins-Johnson，Cuk，SEPIC，Inverse of SEPIC，Bucksquare，full bridge，half bridge，Forward，Two-transistor Forward，Push-pull，Flyback，Push-pull converter based on Watkins-Johnson，Isolated SEPIC，IsolatedInverse SEPIC，Isolated Cuk，Two-transistor Flyback等或任何一种可将整流后的直流正弦电压转换成预定值的恒定直流电压的拓扑电路结构。
5.根据权利要求1所述的交流到直流的变流器电源，其特征是：该电源中控制电路209控制适用的拓扑电路结构，将整流后的直流正弦电压转换成预定值的恒定直流电压，Flyback拓扑电路结构可用iW2202，iW2210，iW1688，UCC28600，LNK362，LNK363，LNK364等集成电路控制器；Buck或Buck-Boost拓扑电路结构可用LNK302，LNK304，LNK305，LNK306等集成电路控制器；使用其他控制器或其他拓扑电路结构时，电路会与实施例图2的电路有所不同，209可用任何一种控制器，集成电路控制器或分离元件控制器，可以具有功率因数调整功能PFC也可以不具有功率因数调整功能NO PFC；功率因数调整功能，使得输入正弦电压与输入正弦电流同相位，使得功率因数接近于1，提高功率传递效率。
6.根据权利要求1所述的交流到直流的变流器电源，其特征是：电源反馈调光电路205通过调节变阻器的电阻来改变控制器反馈探针参考电压与输出电压比例，内部电路使得控制器反馈探针电压等于内部恒定参考电压，改变变阻器的阻值将会改变加在灯上的恒定直流电压，从而调节灯的亮度；可以用不同的电路实现，R6，R12或R15其中的任何一个可为变阻器，另外两个为电阻；R6，R12或R15可以去掉其中一个电阻；可以用光耦合器Opto-coupler反馈；也可以用辅助绕组反馈；可以直接从灯电压反馈到控制器等。
7.根据权利要求1所述的交流到直流的变流器电源，其特征是：电源滤波电路202，204，214过滤掉高频信号，使得高频信号不能进入输入电源或电力系统，也不能进入输出电路的灯211，输入系统，输出电压没有电磁辐射，可用任何一种滤波电路：LC滤波，CLCπ型滤波，共模滤波，差模滤波等电路。
8.根据权利要求1所述的交流到直流的变流器电源，其特征是：电路放在金属灯座内，电磁干扰完全屏蔽，也可放在其他材料的灯座内。
9.根据权利要求1所述的交流到直流的变流器电源，其特征是：启动电路208在电源稳定工作之前，由输入端整流后的直流电压供电给控制电路209启动电路，在电源稳定工作之后，启动电路反向偏置不再工作，由偏置电路212继续供电给控制电路209，可用任何一种电路启动。
10.根据权利要求1所述的交流到直流的变流器电源，其特征是：通过调节反馈调光电路205中的变阻器来改变输出恒定直流电压的预定值，不仅用于电灯，还可以用在可以调节电压的充电器或电源，笔记本电脑电源转换器adapter，LCD电视电源，交流/直流转换器AC/DCadapter，电池充电电源，电力工具充电电源，电子镇流器等。
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