CN87107576A - 荧光灯电子控制设备 - Google Patents

Abstract

一种为荧光灯之类的用电设备产生高频交流电流的装置，包括一具有与一输出端子串联联接的线圈的变压器和控制着输出电流的若干在功电子元件，所述有功元件受感应反馈所产生的电压的控制。利用磁饱和来改变感应关系，使得有功元件周期性地改变着输出电流的方向。由此设计出了在荧光灯中联合控制频率和有功电能的方法，从而可以在较广的范围内控制发光功率，同时维持适当的高电压供妥善引燃荧光灯之用。

Description

本发明涉及产生和控制电气设备特别是诸如普通荧光灯之类的放电灯的高频交流电流的装置和方法。

目前，荧光灯虽然在市场上还没有完全取代也是极其流行的白炽灯的位置，但却是广泛作为光源使用。荧光灯具有相对于耗电量较高的发光效率、使用寿命长和发光性能令人满意等优点，尽管在电气方面基于以下原因需要采取较白炽灯更复杂的措施：荧光灯处于低温状态时需要特高的引弧电压（例如高达1000伏的峰值电压）来触发电气放电，而且荧光放电具有负得很大的阻抗，此阻抗在电气放电触发过程中还进一步发生变化。因此荧光灯的电源电路必须配备以专用的引燃设备和专用的限流设备。荧光灯的诸电极按惯例总配备有电加热装置，使引弧电压可降低到800伏峰值。阻抗由于是负的且变化着，因而需用限流设备，因此用普通电压源供电的荧光灯实际上是通过串联的感应线圈接到电源上的。未点燃处于低温状态下的荧光灯通常是用电气开关进行引燃的，一般是借助于自动开关（也叫起动器）进行，这种起动器具有在放电一经触发之后切断荧光灯诸电极的供电加热的重要功能。为防止该开关过早点燃这种开关通常还并联有电容器。现有技术荧光灯传统的灯具中都装有全部这些元件。

采用一般电源频率（50赫或60赫）时，串联电感应相当大，此电感给电源线反馈一个强劲的无功电流，这些无功电流在供电电缆中会引起电损失，因而是不希望有的。要减少这些无功电流可用电容器进行所谓相位补偿，这个电容器也需要具有相当大的电容值。电感本身消耗相当大的电能，这些电能全部转变为热。因此普通装设的，例如，两个额定功率各为58瓦的荧光灯（即116瓦的标称发光强度）的灯具，实际上消耗的功率约为170瓦。具有所述装备的荧光灯的其它缺点是其频闪效应，这是因为发光电弧是在两倍电源频率的频率（即举例说100或120赫）下触发和切断的。这种频闪效应通常是看不到的，但在某些不利的情况下可能会引起麻烦。此外往往还会引起噪音，特别是感应线圈引起的噪音，且一般简单的触发器具有引起慢慢引燃的倾向，还会伴随有不好受的闪烁。此外，自动开关会在荧光灯已烧毁不能引燃时仍然试图触发它，从而引起持续闪烁，直到开关不能再使用为止。

可以预料，通过自动照明控制（例如根据日光的变化进行控制）节约电能可利用的潜力还是相当大的，因为今天的照明系统往往是长时间在满功率情况下运行的，尽管有关场所可能也接受自然的日光照明因而只部分或部分时间需用人工照明。今天已有可能装设带光测量器的自动系统，并控制供到照明系统的电力，即例如，保持预定的照明水平。

电气光源的控制在本技术领域中是公知技术，有关荧光灯的控制也是如此。但为了要降低发光功率而控制荧光灯时需要考虑的问题是，荧光灯没能引燃之前不能将电压降得太多。因此荧光灯的控制系统通常采用时间控制系统。这种系统目前一般是采用所谓斩波器控制加以实现的。斩波器控制大体上能用例如电源频率的快速触发和切断，通过减少占空因数（即燃点时间对闭锁时间的比值）控制亮度级。得目前所采用的这些控制系统具有一些缺点，其中一个缺点是产生了电射频噪音的发射和发送源，且使荧光灯已产生的通常所不希望有的频闪效应严重恶化。此外全部灯功率得通过这些控制系统的元件，因而控制系统的大小也应选择得与类似大小的电能相适应。

此外在本技术领域中大家都知道可以采用所谓饱和电抗器来控制电能。简言之，饱和电抗器是一种变压器，其中变换后的电流受变压器铁心磁饱和的限制。该磁饱和可藉额外的磁化绕组加以控制，该磁化绕组影响和控制着被变换的电能。饱和电抗器较贵，而且当馈电给感性或容性负荷时不能妥善进行控制，因此在今天的技术中很少使用饱和电抗器控制系统。

荧光灯控制中的上述问题往往促使人们实际选用带控制设施照明系统用的白炽灯。由此可以制造一种合意的控制系统，尽管这种控制系统有两个主要不足之处。首先，减少照明时，光照变成红色。其次，白炽灯原来已很低的发光效率甚至进一步大幅度下降。不言而喻，今天带照明控制的系统，如上所述，不是照明效果不好，就是不实惠，因而使用面不广。

最近有人提出用高频发生器馈电给荧光灯，请参看，例如，西门子公司出版物《开关实例》（Schaltbeispiele）82/82年版，第78页。在该篇文章中介绍了一个将例如50赫频率的电源电压转变成约120千赫交流电的电路。用这种电路给荧光灯供电具有一系列显著的优点，例如：

-在如此高频下，荧光灯的效率提高了，因而发光效率提高了;

-延长了荧光灯的寿命;

-灯具附件中没有可动的机械部分;

-没有频闪效应，因为电流在交替方向上变化的极其短暂的时间里电气放电弧不熄灭;

-该电路是相位补偿的;

-荧光灯即时点燃;

-在燃烧起来的荧光灯中没有闪烁现象;以及

-传统上装设的较贵且耗电量大的感应线圈其使用量减少了许多倍，它们的功率消耗也同样减少。

这类电路目前还不很普遍，但可以预料它们不久会广泛使用，因为它们造价较便宜，且它们具有前面谈过的实质性的优点。

应该指出的是，每个单独的灯具需要独立的这类电路，因为如此极高频的电流即使用特殊的高频电缆也不能经济地供到任何较运的距离。

但这种电路和类似电路具有这样的缺点，即它们不能轻易地配备以控制设施。

本发明的目的是提供这样一种装置，用这种装置可以给荧光灯之类的用电设备供应高频电流，从而可以控制电流，且即使电流降低时输出电压仍然能达到这样的电平，使得，举例说，荧光灯可轻易加以引燃。

这个目的是用这样一种装置付诸实施的，该装置用以控制用电设备特别是荧光灯之类的放电灯的交流电流，且包括一与一输出端子串联的电感和若干控制输出电流的有功电子元件，所述有功电子元件由输出电流借助磁性材料中产生的磁场在所谓反馈线圈中感应的电压进行控制，其中磁性材料中的磁饱和用以改变感应关系，使诸有功元件周期性地改变着输出电流的方向，所述交流电流控制装置的特征在于，所述磁性材料系划分成至少两个部分，各部分设有至少另一个叫做控制线圈的电激线圈，因而使馈入控制线圈的电流会促使磁性材料磁化，从而在输出电流的电平不同于没有控制电流出现而可能产生饱和时的电流电平时出现饱和，第一控制线圈主要在一个方向上影响输出电流的波形，第二控制线圈则主要在相反方向上影响输出电流的波形。

这种装置具有许多优点，其中的一些优点如下：

由于控制信号可以是直流信号，因此用较简单的控制电路即可进行控制。控制系统不会引起上述公知的现有技术控制系统出现的频闪效应，也不会引起射频噪音。用于控制的电气线路可以在低压运行，且无直流耦合到电源上。控制策略可以是多种多样的，而且有可能独立控制电流的正半周和负半周，从而可以影响电流对时间的关系曲线的形状，虽然值得注意的是所示的电路不会在各输出端子上产生净直流电流，该线路还可制成极小型，以便可以将其装入普通灯具中。

鉴于所需用的控制电流值不难稳定产生和维持，因此本发明所使用的控制线路可以制成只需用小功率的那种大小。

根据一个最佳实施例，反馈线圈都绕在两个磁心上，因而来自这些磁心的任一磁心的磁信号会在两磁心周围从而在两反馈线圈上感应出电压。但这些线圈系制成这样的大小，使得仅仅来自这些磁心由主要输出电流产生的信号不足以产生反馈;反馈只能从两磁心上另加的信号产生。由于控制线圈都绕在两个磁心上，但与反馈线圈反向绕制，因而得出一个出乎预料而且性能有点令人惊奇的线路，即当控制电流为零时，用电设备耗电量最大，且无论控制电流流向如何，一输入控制电流就会减少输出功率。

这一来具有这样的好处，即系统的组装变得更方便了，因为电气人员无需费心个个核对控制端子。此外，确实保证了电路的输出电流永远不会大于容许值。再有，甚至有可能以交流电控制该控制电路，只要该交流控制电流的频率比输出功率的频率低到适当的范围内。而这个范围是相当宽的，因为输出功率的频率可以在100千赫的数量级。

这使本装置具有多种用途，这里只举两个实例来说明可能的精致程度。本发明的装置作为第一实例可用以提供一个与作为光源的荧光灯配用的频闪仪，从而可以提供超过频闪仪通常所能提供的光能的光输出。作为第二个实例，可以采用来自音乐系统的声频信号调节照明，就象一般我们可以想象的歌舞娱乐场或舞厅餐馆所用的用以产生奇妙效果照明的那一种。

本发明的另一个目的是提供一种节约电能的照明系统，节约的方法是根据日光照明情况自动适应照明水平，确保照明始终达到足够的水平，而且由于照明不经常开关切换，因而确保照明的舒适性，此外系统的造价较低。

这个目的是通过这样一个照明系统付诸实施的。该照明系统包括至少一个灯具、一个测定来自该灯具的光的照度的测定器和接在其上的一个控制装置，该照明系统的特征在于，所述灯具配备有上述交流电流控制装置，借助控制装置控制，使得控制装置测出的照度始终保持大于或等于某一希望的最小参考水平，同时使用电量保持最低值，方法是将控制装置配备以一种装置，该装置在照度水平低于预定的接通水平时给灯具供电，且将控制装置配备以一灯具电源切断装置和一延迟器，使得照度水平在延迟器所限定的非中断期间的时间内超过叫做切断水平的第二预定水平时切断电源。

下面参照附图更详细说明本发明的内容。附图中：

图1是公知技术中产生高频交流电流的电子电路图;

图2是本发明第一个实施例的电路图;

图3是本发明第二个实施例的电路图;

图4是与图3类似的电路，但适宜供电给蒸汽灯而不是荧光灯。

图5是本发明电气线圈在磁心上配置的示意图;

图6是本发明一个电路中各种电气信号对时间的关系曲线图;

图7是按本发明自动控制的带若干灯具固定件的照明系统图;

图8是为灯具固定件中的控制装置提供控制信号的电子控制电路，和

图9是可用图7和图8的照明系统产生的照明水平的一些实例，还举例说明了各种外来因素的影响，及其对时间的关系曲线图。

为更好理解本发明，先参照图1说明一下公知技术的高频电路。该电路是通过电阻器R1由电源电路供电，电能经D1、D2、D3和D4桥式整流器整流，电容器C1整平，产生直流电流。通过采用推挽式耦合的两个电子放大器，图1中的端子e的电压可在直流电压所限定的范围内加以控制。电流从端子e引出，通过变压器线圈馈到两并联的电感，各电感串联到相应的荧光灯上。电容器C5使电流形成完整的一个回路。借助这个电路有可能将荧光灯以诸元件值所确定的频率馈以交流电。

有功电子器件T1和T2都是金属氧化物功率晶体管，例如那些市面上出售的商标为Mosfet、Sipmos和Hexfet的晶体管。这类元件有三个端子，分别标以S表示“源极”，D表示“漏极”和G表示“控制极”。市面上出售的这类元件具有各色各样的极性，下述的那种类型是所谓N渠道型，其D端子在实用中系接到正电压，S接到负电压，使以后从D到S流动的电流可由加到端子G上的电压加以控制。这类晶体管有一个特点，即G端子的阻抗特别高，且从D流到S的电流可以极高的电流放大系数加以控制。当G的电压相对于S为负时，晶体管完全截止。G上的电压为正而不超过特性阀值时（一般为4伏），该晶体管仍然对电流截止。只有当G上的电压超过此阈值时，电流才从D流到S。鉴于这类晶体管G端子的阻抗特别高，所以必须配备保护晶体管过电压的外部元件。因此图中晶体管T1的控制极电路上设有电阻器R4和齐纳二极管D7，晶体管T2同样配以类似的电阻器R5和齐纳二极管D8，这些元件确保馈到G端子上的电压始终不会上升到会损坏晶体管的程度。

下面先谈谈电路在正常振荡期间的作用，再说明电路的起动过程。晶体管T1和T2始终是不会同时打开的，因此在正常振荡过程中，它们轮流导通和截止。举例说，在晶体管T2导通时，此晶体管端子D上从而端子e上的电压取一定值，不考虑T2上端子D至端子S可以忽略不计的压降，则该值等于负极上的供电电压值。于是该电路试图从荧光灯周围的元件通过小变压器线圈n₃引来电流。从图1可以看到，各荧光灯分别并联有电容器C6和C7，分别串联有电感L1和L2，由于电感L1和L2系与荧光灯串联且电感值相当大，因此它们限制流经的电流，从而使电流只能逐步增加。只要荧光灯不被引燃，电流可分别流经电容器C6和C7，并通过电容器C5引出，形成电流回路。发光电弧一经引燃，电流就流经荧光灯，同时也流经并联电容器。

在图6中，实线曲线a表示端子e上的电压，曲线b表示流经线圈n₃的电流对时间的关系曲线，从图6的曲线可以看出，该电压在某一时间间隔内通常为恒定的负值。图6的曲线b表示电流的变化情况，图上的符号是这样选择，使得电流在时间的开端（这时e为负电压）系处于高电平，且往低电平方向移动。但电流在线圈n₃中的这种变化在变压器TR磁心中感应出一个磁场。此变化着的磁场在两反馈线圈（接到T1上G端子的n₁和接到T2上G端子的n₂）上感应出电压。这些线圈的方向系这样选择，使得经T2引出的电流在n₁中感应出这样的电压使T1端子G上相对于T1端子S的电压保持负值，从而使T1仍然完全截止。反馈线圈n₂连接得使同一个磁场同时在T2端子G（此端子相对于T2端子S为正）上感应出电压，此正电压则保持D通过T2至S的通路畅通。

但通过线圈n₃的电流，在电路中的诸元件具有适当大小的情况下，经过一段时间之后是会上升到这样一个电平，使TR中的磁心处于磁饱和状态，随后不能通过该磁心在n₁和n₂中感应出电压。于是n₁中的电压降到零，但由于这时T1已截止，因而T1中的状态不变。同时n₂中的电压降到零，而这促使T2截止并阻止电流从T2的D流到S。即使两晶体管T1和T2都截止，流经n₃的电流也不会即刻下降，这是因为电感L1和L2可维持一些电流通过n₃，这完全是可能的，因为n₃既与电阻器R3连接也与电容器C4连接，因此电流不会瞬时消逝，但会瞬时开始减小。流经n₃电流开始的这种减小会即刻在反馈线圈n₁和n₂中感应出电流，此电流的方向与前些时谈到的方向相反。于是，n₂中感应出电压，使T2端子G相对于T2端子S为负，从而使T2截止。但同时n₁中感应有电压，使T1端子G相对于T1端子S为正，于是T1让电流从端子D流到端子S。因此端子e上的电压，在不考虑T1上可忽略不计的压降的情况下大体上等于正极的供电电压，这可从图6中曲线的后一阶段看出。由于电感L1和L2是串联的，电流逐步变化，因而n₁和n₂中感应出来的电压是连续的（这个过程即由n₁和n₂维持的），这是因为变压器中的感应过程，正如熟悉本专业的人士所周知的，是正比于电流的变化率，而不是正比于电流的大小的。

不难理解，电容器C5的容量大小足以确保C5接荧光灯的端子的电压基本上保持恒定在正负供电电压之间的中间值，因而有可能在T1导通T2截止时给荧光灯供应电流。流过n₃的电流图形如图6中曲线b的后一阶段所示，可以看出该图形与第一时间间隔的类似，只是符号变了。流经n₃的电流继续在新的方向上增加，直至TR磁心再次饱和为止，这次是在与上一次相反的方向上，于是n₁和n₂中的电压降到零，而T1就象T2早先那样截止，从而使T2由于在n₂中新感应有电压而导通，重复着整个过程。不难理解，由于电路是设计得使这些振荡基本上由电感L1和L2、电容C6和C7以及荧光灯来控制，因此电路可以维持周期性振荡。电容器C4确保，在切换期间，当晶体管T1和T2都截止时，T1端子S上的电压和接到T1端子S上的T2端子D上的电压不会上升到危害晶体管的程度。

荧光灯Lyl上的电压和电流在图6中分别以实线曲线c和曲线d表示。应该指出，荧光灯在100千赫数量级频率下的阻抗（如这里的情况）比通常观察到的用50赫或60赫给荧光灯供电时阻抗值更稳定。

下面说明振荡的起动过程。开始时电路的电压全为零，没有电流流过。当电源接到图1左侧的端子上时，到此为止所述电路各元件实际上不能开始振荡。这可能令人惊奇，因为电子振荡器通常是自行起动的：由于偶然的小噪音信号总是存在的，这些信号经过放大和反馈通常是会给反馈发生器提供起动信号的。但象这里所采用的场效应晶体管则只有当G端子上的电压超过S端子上的电压很多（例如4伏）时才会作出反应。因此电路中设有若干专用的元件R2、C3、D5和D6，插入电路中，其唯一用途是供起动振荡之用。电源接到电路上时，电容器C3会慢慢通过电阻器R2充电。但电子元件D6是一个所谓DIAC（二极管交流开关）的元件，这种元件具有奇异的性能，即在电压超过预定电压值（所谓击穿电压，例如32伏）之前它是完全截止的，随后它会突然让电流通过，只要它上面有电流通过，即使降低电压也仍然保持畅通。当C3上的电压因此而超过DIAC的击穿电压时，D6会导通，且T2端子G会馈有正电压，该正电压高得足以使电流从T2端子D流到T2端子S，从而使振荡发生器开始振荡。在周期性振荡过程中，通过R2使C3充电的时间（即T1导通期间）非常短，这之后，T2一导通，C3就马上通过二极管D5完全放电。因此令R2和C3取适当的值可以确保C3上的电压在周期性振荡过程中永运不会达到使D6导通的水平。

荧光灯可采用普通串联联接的熔断器（图中未示出）。

实例1

用下列元件组成与图1类似的电路：R1＝3.3欧，R2＝270千欧，R3＝330千欧，R4＝100欧，R5＝100欧，C1＝47微法，C3＝0.1微法，C4＝1毫微法，C5＝100毫微法，C6＝3.3毫微法，C7＝3.3毫微法，L1＝L2＝420微亨，灯则是50瓦的荧光灯。晶体管均为Sipmos BUZ41A，齐纳二极管D7和D8为BZY97C8V2，变压器TR为绕制在铁氧体环形铁心的Simens R12.5，n₁为3匝，n₂为3匝，n₃则为1匝。在这些元件值的情况下，上述西门子的出版物说明，空载频率（当荧光灯不点燃时）约为150千赫，负载频率（当荧光灯亮着时）约为120千赫。空载频率基本上等于振荡对L1、C6的谐振频率，此谐振频率则等于另一对L2、C7的谐振频率，从而使整个灯的电压升到极高值，例如1000伏，这促使荧光灯立刻引燃。

现在参照图2说明本发明第一个实施例的电路。从图2中可以看到，此电路与图1中所示的普通电路的区别在于那个反馈变压器：根据本发明，这个反馈变压器分成两个部分。此外本发明的电路配备有馈进控制电流用的端子。电路的其余部分与图1的电路很相似，其中类似的组件采用同样编号，至于电路的一般工作方式可参照图1有关部分的说明。本发明电路区别性的特点在于，反馈变压器分成两个部分：Tr1和Tr2。Tr1具有一个接到T1端子G的反馈线圈n₁₁和一个传导灯输出电流的线圈n₁₃，本发明的Tr1还具有另外一个接到控制电流电路（图中未示出）的线圈n₅。Tr2具有一个接到T2端子G的反馈线圈n₁₂、一个传导灯输出电流的线圈n₁₄和一应接到另一控制电流电路（图中未示出）的线圈n₆。从图中不难理解，从端子e流到灯的输出电流通过变压器两部分的线圈。这些线圈的取向在图中以传统上使用的标准以点标示。

先考虑控制电路中没有电流流过的情况，不难理解，当灯输出电流先后流经Tr1上的线圈和Tr2上的线圈时会在反馈线圈n₁₁和n₁₂中感应出电压。因此电路的功能完全与图1的电路的类似。

现在假设n₅借助于外部电流发生器（图中未示出）被馈以这里称之为控制电流的直流电流。此电流使Tr1磁化。可以认为这个电路基本上与先前一样发生振荡，且不难理解，馈入n₅的电流不会影响接到T2的线圈n₁₂，因此T2会与先前一样导通。T2一旦导通，电流就会从灯引出，即取端子f至端子e的方向。这促使Tr1铁心的磁化取与n₅中电流所引起的磁化相反的方向，假设n₅所产生的磁化量是有限的，更具体地说，小于n₁₃所产生的磁化，则Tr1会在n₁₁中感应出电压，从而在T1端子G上产生相对于T1端子S为负的电压。这样，这部分的工作情况与参照图1所介绍的功能很相似。在T2截止T1导通期间，灯电路中有电流流过，其方向与先前的电流方向相反，即从端子e至端子f。这产生在n₁₁中感应出电压的磁化，从而在T1端子G上产生正电压，以便与先前一样维持电流通过T1端子D和S。但线圈5所引起的磁化这时会促使Tr1铁心在n₁₃中电流值小于n₅不引起磁化时的电流值的情况下产生磁饱和。Tr1铁心一旦发生饱和，如前所述的那样，T1截止，而此截止，如前面谈过的那样，促使T2导通。不难理解，本控制系统是利用了饱和电抗器的原理，但饱和电抗器系统所控制的是去各晶体管的控制电流，而不是象普通的饱和电抗器控制系统那样，控制的是灯的整个电流。

可以理解，馈入线圈n₅的电流具有缩短T1让电流通过的持续时间。由于灯与电容器C6串联，因而显然灯上不会有净直流通过，对通过T1的电流波的控制改变了流经灯的电流的曲线形状。同样，不难理解，按与前述相反的方向馈入n₅的电流具有这样的作用，即要使Tr1中的磁心饱和，通过n₁₃的电流要求相应增加，从而延长了T1导通的时间。

不难理解，控制线圈n₆与n₅很相似，且通过在一个方向或另一个方向往线圈n₆中馈入电流可以分别缩短或延长T2让电流通过的时间。

通过往n₅和n₆中馈入对称电流（即大小和方向相同的电流）使得T1和T2导通的时间都缩短或都延长，不难理解，会使振荡电路的频率控制具有这样的可能性，使频率相对于空载频率的变化可按所馈入的控制电流加以调节，尽管这种关系不一定是线性的。图6中的虚线即表示对称缩短T1和T2的导通时间所产生的电压和电流曲线的一个实例。

鉴于振荡电路的一般频率（即控制电流为零，灯在点燃时的频率）分别约略低于C6和L1对及C7和L2对的谐振频率，频率增加时馈入电容器C6和C7的电流增加，此电流系无功电流，因而当电流在，例如，电容器与电感之间来回振荡时不会产生任何功率损失。但这一来虽然减少了给灯所提的电能，却使峰值电压值几乎不变，从而降低了灯的发光本领，同时灯的电压虽然实质上有所下降但仍平稳得足以确保灯的正常引燃。

现在参照图3的电路图和图5的变压器线圈配置图说明本发明的另一个最佳实施例。从图5a或图5b中可以看到，两个铁心采用了圈形或环形铁心，图5中各图实施例中的灯电流线圈则采用了从端子e到f走简单直线通路的导体。T1的反馈线圈（即n₁₁）在图5a或图5b中从端子a连接到端子b，同方向卷绕在两个环形磁心上。在图5a的实施例中，电路中从a至b的各线圈，先是绕第一环形铁心变压器接着再绕第二环形铁心变压器排成序列的。在图5b的实施例中，线圈的导体先绕在第一环形铁心上，再以同方向绕在第二铁心上。熟悉本专业的人士不难理解，尽管这两个实施例实际上不同，但在电气上却是等效的，而且具有完全类似的功能。T2的反馈线圈，即从端子c至端子d的导体同样也绕在两环形铁心上排成序列，从图中可以看出，绕制的方向与从a至b的反馈线圈相反。各环形铁心都设有控制线圈，两控制线圈串联起来，因而控制电流，举例说，从端子g围绕第一环形铁心在第一方向流动，再围绕第二环形铁心在相反方向流动，然后从端子h上引出。不言而喻，图5举例说明的只是各线圈的配置和绕制方向的概念，图中所示的各线圈匝数可能与说明书中所述的数字不一致。尽管如此，绕圈的配置最好是对称的，即使得一铁心上各种线圈之间的圈数比完全与相应铁心上的圈数比完全相同。

不难理解，两控制线圈如图中所示的那种相互连接方式可以达到极其有利的效果，即输出功率线圈e-f在一控制线圈中感应出来的任何电压总是为在第二控制线圈中感应出来的同大小的反向电压所平衡。因此在控制线圈输出端子g-h上没有净电压感应出。实际上，由于制造上的偏差，两个控制线圈可能会有微小的差异，因而可能会感应出不完全平衡的适度电压。此外，当铁心磁饱和时，控制线圈端子上会感应出净电压。但并联于端子g-h两端的电容器C8会削弱这个电压。因此产生控制电流的电路由于不会受到任何较大的反向感应电压，因而其规模可以无需太大。

除电容器C1外，还配置有较小的电容器C2与电容器C1并联，目的是为了缓冲掉可能出现的高频噪音信号，防止高频噪音信号波及电源电路。

先说明电路没有控制电流存在时的工作情况。可以看出，这时的工作情况完全相当于图1电路的工作情况。

现在假设从端子g至端子h馈到控制线圈的是直流电流。此电流会在两变压器铁心上产生一些磁化，因为这里假设磁化的幅度有限，尤其是小于线圈e-f输出电流所能产生的最大磁化。振荡电路基本上会按前述那样振荡，T1和T2轮流传导电流。在T2导通期间，电流从f至e流经输出线圈，促使两变压器铁心都磁化。可以看出，这两个磁化效应在变压器Tr1中是彼此对抗的，在变压器Tr2中则是彼此相加的。因此Tr2中铁心的饱和会在低于没有控制电流存在时的输出电流下产生。于是由于Tr2的铁心在这里再也不起作用，因而反馈线圈中感应出来的电压会下降。另一方面，若没有控制电流存在，则只有当输出电流电平相对于会产生饱和的电流电平增加时，Tr2中才会出现饱和。趁着输出电路f-e中的电流电平处于使Tr2饱和的大小之机，因而再也不对反馈线圈中的感应产生影响，Tr1的铁心因此仍会影响此反馈感应。于是任一反馈线圈n₁₁、n₁₂中感应出的净电压不会在一变压器铁心饱和时完全消失，而通常是会降到紧接的前一个值的一半左右。

但如早先谈过的那样，所使用的晶体管具有奇异的性能，即当G上的电压不超过预定的阈值（例如4伏左右）时，晶体管在D至S的正方向上完全截止。因此通过令变压器铁心上线圈的圈数比取适当的大小，可以设计出这样一个电路：当一个变压器铁心饱和时，导通晶体管（在此情况下为T2）反馈线圈中感应出的电压会降到该阈值以下，从而使晶体管基本上完全阻止电流在其端子D至S之间通过，即使另一变压器还感应出一些电压。这里应该指出，从图6中的曲线b可以看出，由于灯串联联接有电感，一个晶体管导通时的输出电流先是急剧变化，接着变化速度减慢。因此，在反馈线圈中，一晶体管导通期间的初始阶段感应有较大的电压，以后此电压逐渐减小。所以不难设计出这些线圈，使得一变压器铁心饱和时（这可能会在此期间的后一阶段发生）反馈电压降到有关晶体管的阈值以下。

这时由于晶体管T2截止，电路就如早先谈过的那样工作，因而输出电流（这时是从f流至e）开始从最大值下降，从而在两变压器铁心中感应出方向与早先的相反的磁场，并促使输出电流和控制电流对磁化的影响在变压器1中是相加的，在变压器2中则是彼此对抗的。于是在反馈线圈中感应有电压，使T2一直截止，T1导通。输出电流，开始时在f至e的方向流动，降至零，并在相反方向（即从e至f）上开始增加。在电路中从e至f的输出电流一旦开始增加，经过一段时间之后就会达到使变压器铁心Tr1饱和的量，从而使反馈线圈中感应出的电压降到这样的程度，使T1端子G上的电压降到阈值以下，且T1截止。但如前面谈过的那样，这会促使T2导通，不难理解，电路会继续振荡，但振荡时间短于没有控制电流存在时的时间。这样就获得了进行频率控制的可能性。

现在谈谈控制电路中在端子h至端子g方向上馈以直流电流的情况。如前面谈过的那样，这会分别在铁心Tr1和Tr2中引起磁化。和上面一样，现在谈谈T2让通过变压器从端子f流向端子e的电流通过的情况。不难理解，灯电流和控制线圈电流对磁化的影响在铁心Tr1中是相加，在Tr2中则彼此对抗。由于灯电流增加，Tr1中铁心会在某一时刻饱和而Tr2铁心在该同一时间尚未饱和。但Tr1铁心的饱和促使c至d反馈线圈中感应的电压下降，旦使晶体管T2截止。和上面一样，T2的截止促使晶体管T1导通，且使灯电流（这时的流向是从f至e）开始下降。经过一些时间之后，灯电流会改向，这时是从e流到f，且由于灯电流和控制电流对磁化的影响在变压器1中互相对抗，在变压器2中相加而增加。因此在灯电流的某些电平下，变压器铁心Tr2会饱和从而使反馈线圈n₁₁中感应的电压会下降，以便使晶体管T1截止。不难理解，振荡会完全如上所述的这样继续进行下去。

由此可以理解，电路显示了略为怪异的性能，即控制电流无论取何方向都具有类似的效应。控制电流为零时，馈到灯上的输出端电压的频率最低，从而使供到灯上的电能最大，而馈入控制电流（不管控制电流的方向如何）时频率提高，从而降低了灯的功率。这样做具有下面一些非常重要的好处：

馈到灯上的电能可以使其不超出预定值，这视乎电路而定，因为可以理解，电路是经过适当设计，使此最大值等于灯的标称额定功率。因此即使控制线路或接线上出差错，灯也是完全安全的，不会损坏。这也给安装工作带来方便，因为电气人员无需按特定的接线次序安装线路。此外，控制信号还可以无需非采用直流信号不可，实际上，只要频率不提高得大到因控制电流与电源电路之间的相互作用而产生干扰，是可以采用交流信号的。鉴于电源电路是在100千赫量级的频率工作的，所以只要控制频率不超过，举例说，20千赫，实际上是不会产生相互干扰问题的。因此控制电路可以连接到，例如，音乐系统的声频输出端子上，从而使声频信号可以对光进行调节，就象一般可以想象的在歌舞娱乐场中用以产生特殊效果的照明那样。控制电流还可以，举例说，采用普通的电流频率，从而使产生控制电流的电路搞得非常简单，实际上只要将变压器接到电源上即可。

图4所示的电路图是另一个最佳实施例。此实施例用于无需电极加热设施的蒸汽灯，例如水银灯、钠灯和氙灯。实际上，该电路用在荧光灯上能完美地工作，尽管在此情况下电极是不经过加热的。该电路与图3是等效的，区别仅在于只显示了一个灯La，且这里电容器C6不接到灯电极中的加热电阻器，而是直接接到灯的各电极上，分别接到L1和C5上。当然，该线路除上面所说明的以外，其工作情况完全与图3的一样，因此有必要参照上述说明。

实例2

变压器采用具有两铁氧体铁心的Siemens    R12.5型的变压器。线圈e至f是一个简单的直形导体。线圈a至b在各环形铁心上绕三圈，线圈c至d也在各环形铁心上绕三圈。控制线圈在各铁心上包括30圈线圈。电容器C2的大小为1毫微法，C8则为1微法。电阻器R1的电阻值为1.5欧。其余各元件与实例1中所列的相同，值得注意的是，虽然线圈L1和L2的电感各约为580微亨，但由于制造上的偏差，它们可能会偏离所述设计值。荧光灯是额定功率各为36瓦的两个管。在没有控制电流的情况下，荧光灯点燃时的振荡频率为80千赫。当往控制电路中馈入20毫安电流时，振荡频率为140千赫，灯的消耗功率约各为20瓦。当控制电路电流增至40毫安时，灯就熄掉。电子电路的功率消耗约为4瓦，且随灯功率的大小而变化，因此整个系统消耗的功率在最大光输出下约为80瓦，在20毫安控制电流下约为38瓦，在40毫安控制电流下约为1瓦。

实例3

除下述例外之外，所有元件与实例2的同：荧光灯为两灯管式，各灯管的额定功率为58瓦，反馈线圈是这样绕制，使线圈a至b在各变压器铁心上绕六圈，线圈c至d相应地在各变压器铁心上绕六圈。L1和L2的电感各约为500微亨。没有控制电流时（因而处在全发光功率下），振荡频率为70千赫，荧光灯的功率消耗2为2×58瓦，其余各元件的功率消耗约为5瓦，因此总功率消耗2为121瓦。控制电流为20毫安时，振荡频率为125千赫，灯功率为2×30瓦。控制电路线圈的电阻约为0.8欧，因而20毫安时控制电路上的整个压降约为16毫伏。

如上面谈过的那样，控制电流与发光功率之间的关系不一定是线性的，而是大致遵循二次函数。能补偿这种关系的控制电路的设计是现有技术的能力范围。实际上这个问题并不象灯功率和发光输出之间的非线性关系那样需要在任何情况下需要采取预防措施，因而是不会造成特别复杂的局面。

图7是应用本发明装置的一个实施例。在一个具有地板24和天花板25的室内配置了若干灯具21，各灯具都装备有本发明的装置。各灯具都供有电源，可能还会带通/断开关设施，但没有控制设施。控制电流电路的路线也通过各个灯，将所有灯具串联起来，因而电流从单个控制电流源通过所有的灯具。控制器23配置在便于到达的地方，带有开关照明用的一些操作按钮，并带有调谐设施，用以调谐所希望的发光率基准值。室内还配置有照度计22。控制器从照度计接收表示实际照度水平的信号。控制器配备有根据所测出的照度水平产生控制信号的控制电路，该控制信号发送到各灯具以控制灯具的光输出。

图8是可装进控制器23的控制电路的一个例子。熟悉本专业的人士看了这个图是可以理解该电路的功能的，因而这里只作简短说明。该电路具有电源电压直流5伏、直流12伏和交流220伏的输入接头，以及照度计22的输入端子、控制电流电路的输出端子和供电给各灯具的输出端子。

这里照度计22是一个所谓光敏电阻器，这种电阻器具有电阻随照度的增加而下降的性能。运算放大器Op1在此基础上产生一个与所测定的照度水平有关的电压。通过选择，限定Op1周围各元件的各调谐，即所要求的最低照度水平-定名为N2（参看图9）。来自OP1的信号沿分成两路的路径传送。第一个路径经由运算放大器Op2与其有关的元件一起起限制信号的作用，以便产生一根据照度水平在某一极限以上时具有预定最大值（例如2伏）的电压，从而使低于此极限水平的电压随照度水平成比例地变化。Op2周围各元件所规定的极限值限定了定名为N1的最低照度水平（下面将参照图9进一步说明）。此受限定的信号传送到另一个运算放大器Op3，该放大器连同其有关各元件（其中包括一晶体管）将电压信号转换成电流信号，作为灯具的控制电流。

如上所述，信号从Op1还沿另一支路传送，馈送到运算放大器Op4。此运算放大器Op4与其有关线路一起起所谓带滞后作用的施密特触发器的作用，即使得在增加输入信号时，调定输出信号，直到输入信号超过预定的第一水平（叫做断开水平，图9中的N4）为止，在减少输入信号时，输出信号只有在输入信号降到预定的第二和较低水平时才加以调定。此第二水平称之为接通水平（图9中的N3）。

来自Op4的输出信号继续传送到延迟装置Tim，此延迟装置与其有关元件一起起这样的作用，即在叫做断开延迟的延迟之后通过增加照度水平继续传送触发信号，从而在照度水平下降时立即进行传送。此输出信号控制着一个用以分别接通和断开灯具电源的继电器。

运算放大器Op1-4可采用市面出售的LM324型的单个元件，这是一个在公用外壳中只装有四个运算放大器的元件。延迟装置Tim采用叫做CD4060的元件。

现在参照图9说明图8中所示照度系统的工作情况。图9中，图9a的时间间隔较长，即14小时左右，图9b和9c的时间间隔则较短，例如各为20分钟。

室内人工照度系统能提供N2的照度水平，这相当于所希望的和工作所希望的最低基准水平，例如，300勒克斯的照度水平。但天棚2b上装设有透明部分或天窗，可能还装设有其它天窗和其它孔口的房间，也接收日光照明之类的外部照明。图9a举例说明了日光照明对室内整个照明的影响是如何变化：从清早时的不产生影响逐步上升到中午时的最大影响，这之后逐步下降到夜间的不产生影响。从图中还可以看出人工照明系统对照度的影响是如何变化的。起初只有人工照明起作用，全功率运行，因而照度水平维持在N2。日光一开始进来，人工照明立即按同一比例调低，这样使总的照度水平保持恒定。提高照度水平时，在某一时刻照度达到这样一个水平，使Op2周围的线路如上所述那样起限制控制信号的作用，这之后，人工照明不会进一步调低，而保持提供一个固定的照度水平N1，例如100勒克司。这时房间接收人工照明提供的固定照度和日光照明提供的在增加的照度。

通过在某个时候增加日光，可以达到断开水平N4，例如750勒克司，在Tim处所规定的断开时延（例如10分钟）期满之后，人工照明就被切断。这时房间只用日光照明，逐步增加和逐步减少。

若以后日光照明降到接通水平N3以下，例如450勒克司，如图中右边部分所示，人工照明就立即接通，在低水平N1运行。只有当日光照明提供的照度小于N2-N1时，人工照明才会调高，以便正好维持所需要的最低水平N2。当日光的影响完全消失之后，人工照明就会功率运行。

众所周知，日光照明会由于各种气候情况的原因（例如有云通过）而迅速和无规则地波动。图9b和9c中所示的实例用以举例说明控制系统在快速波动期间的特性。

图9b例示了中午时刻常见的日光很强关掉人工照明时的情况。一团乌云突然掠过，于是日光降到极低的水平。这时人工照明立即接通，在充分利用剩下的低水平日光的基础上往上调到正好维持最低照明所要求的水平。稍后，烟消云散，人工照明即刻下调至水平N1，只有在Tim规定的断开时延期满之后才熄掉。

图9c例示了可以想象到的乌云密布的一天的不同情况。这时日光照明只起很小的作用，人工照明接通并上调，以便起适当的作用。突然间拨开乌云见晴天，强劲的日光进来了。于是人工照明立即下调至最低水平N1，但即使照明充足了也只有在断开时延期满之后才熄掉。可是在发生此事之前，假设乌云又再次笼罩着天空，于是人工照明立即上调到一个适当的水平。

从上述说明可以理解，在实际情况下，由于内部始终具有充分的照明，由于避免了照明的经常开关（这是会缩短光源的寿命的，而且在心理上令人讨厌），而且由于照明的能量消耗系维持在最低限度，因而上述系统是能良好运行的。

虽然本发明是着重荧光灯的应用方面加以介绍的，但显然是可应用于对任何用电设备控制性的供电的。如前面已经谈到的那样，本发明能很好适用于其它放电灯，例如水银灯、钠灯、氙灯等等。

本发明的控制设备，其控制信号是小量的直流或交流信号，因而本发明也可用于各种方式的控制或调节，例如可用作频闪器等。

Claims (9)

1、一种用以控制用电设备特别是荧光灯之类的放电灯的交流电流的装置，该装置包括一与一输出端子串联的电感和若干控制输出电流的有功电子元件，所述有功电子元件由输出电流借助磁性材料中产生的磁场在所谓反馈线圈中感应的电压进行控制，其中磁性材料中的磁饱和用以改变感应关系，使诸有功元件周期性地改变着输出电流的方向，所述交流电流控制装置的特征在于，所述磁性材料系划分两个部分，各部分设有至少另一个叫做控制线圈的电激磁线圈，因而使馈入控制线圈的电流会促使磁性材料磁化，从而在输出电流的电平不同于没有控制电流出现而可能产生饱和时的电流电平时出现饱和，第一控制线圈主要在一个方向上影响输出电流的波形，第二控制线圈主要在相反方向上影响输出电流波形。

2、根据权利要求1的控制装置，其特征在于，包括两磁性材料制成的磁心的磁性材料和两个串联且接到彼此类似的串联连接的控制线圈的输出线圈，在诸线圈处于这种在输出电流下变化的方向的情况下，两控制线圈中会感应出大小大致相等但方向相反的电压，因此在控制线圈接线端子上基本上没有感应出净电压。

3、根据权利要求1至2的控制装置，其特征在于，输出线圈按第一方向在两磁心上绕制，第一反馈线圈在两磁心上绕制且在各磁心上按第一方向绕制，第二反馈线圈在两磁心上绕制且在各磁心上按与所述第一方向相反的方向绕制，串联联接的控制线圈系这样绕制，使得第一控制线圈按第一方向在第一磁心上绕制，第二控制线圈与第一线圈串联，按与第一方向相反的方向在第二磁心上绕制。

4、根据权利要求1至3的控制装置，其特征在于，该控制装置系装在气体放电灯灯具中给该气体放电灯供电。

5、根据权利要求1至4的控制装置，其特征在于，该控制装置还包括一控制器，能产生控制线圈用的受控制的电流。

6、一种包括至少两个根据权利要求1的装置的系统，其特征在于，所述控制线圈串联联接，从而使通过一个以上的装置的控制电流控制着各装置。

7、一种照明系统，包括至少一个灯具、一个测定来自该灯具的光的照度的测定器和接在其上的一个控制装置，该照明系统的特征在于，所述灯具配备有权利要求1所述的交流电流控制装置，借助控制装置控制，使得控制装置测出的照度始终保持大于或等于某一希望的最小参考水平，同时使用电量保持最低值，方法是将控制装置配备以一种装置，该装置在照度水平低于预定的接通水平时给灯具供电，且将控制装置配备以一灯具电源切断装置和一延迟器，使得照度水平在延迟器所限定的非中断期间的时间内超过叫做切断水平的第二预定水平时切断电源。

8、根据权利要求1至6的控制装置的用途，其特征在于，配备有测定一个或多个所述那种装置和一控制回路所产生的任何物理参数，从而可借助所测定的参数值与参考参数值的比较自动控制所述装置的装置。

9、一种对用电设备特别是荧光灯之类的放电灯的交流电流进行频率控制的方法，所述交流电流是利用磁性材料感性反馈到有功电子元件的方法产生的，在利用磁性材料中的磁饱和的情况下放大反馈回来的电压以改变感应关系，使得输出电流周期性地改变方向，且输出电流为串联联接的电感所限制，该方法的特征在于，磁性材料划分成两部分，该两部分受一个或多个叫做控制线圈的电气线圈的影响，控制线圈则传导着所谓的控制电流，并促使磁性材料磁化，从而在输出电流值与没有控制电流时的输出电流不同时产生饱和，以便可以控制电流改向之后的时间。

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