TW557472B - Ballast for at least one electric incandescent lamp - Google Patents

Description

557472 五、發明說明（1 ) 技術領域 本發明揭示一種用於至少一只電氣白熾燈之鎭流器， 具有：至少兩切換元件，其相互耦接形成第一接合點 (tie point);驅動電路，具有至少一個輸出，以脈衝責 務因素及操作頻率爲特徵之驅動信號輔助及調光信號之 輸入來驅動至少兩個切換元件；及電力變壓器，其一次 側親接到弟一接合點，在二次側其可連接至少一只電氣 白熾燈。其也揭示鎭流器用於至少一只白熾燈之操作方 法’其中鎭流器包括：至少兩切換元件，它們相互耦接 形成第一接合點；驅動電路，具有至少一個輸出，在以 脈衝責務因素及作業頻率爲特徵之驅動信號輔助下，及 調光信號之輸入，來驅動至少兩切換元件；及電力變壓 器，其一次側耦接第一接合點，其二次側可連接至少一 只電氣白熾燈，本方法之第一步驟是外加調光信號至驅 動電路之輸入，然後驅動電路產生做爲調光信號之函數 的驅動信號。 背景技術 本發明揭示一種經由所謂電子變壓器來驅動電氣白熾 燈之調光。爲經由數位類比介面來控制此電子變壓器， 於輸出端點，必須能在很寬的電壓範圍作設定。在本案 中，尤其必需能非常精確地設定電壓，使得調光的光通 量性按照所謂的DALI標準，如此即使在調光狀態中， 一組電子變壓器的所有燈呈現出相同亮度。即，驅動不 同白熾燈之不同電子變壓器，必需響應調光信號而提供 557472 五、發明說明（2) 儘可能精確之相同輸出電壓。在調光狀態中可見亮度差 異，必須具有特別精確地有效性。其中電源開關在半波 電橋（half bridge)中交替地交變之脈寬（pulse-width)方法 (不對稱責務周期），在調光所需要之輸出電壓設定尤其 具有優點。在本情形中，其一開關之接通時間加長是犧 牲另一開關之接通時間。在方法中操作頻率保持不變， 而僅開關之接通條件改變。 發明之說明 雖然第1圖表示根據本發明鎭流器之具體化範例，其 也可使用來說明習用技術：第1圖以T1及T2來表示兩 個電源切換元件，以耦接到調光器1 2輸出之驅動電路 1 〇來驅動，調光器1 2施加調光信號Ud到驅動電路1 0 。兩個切換元件T 1及T2之供給電壓是所謂中間電路電 壓Uz，其提供跨接在電容器Cz。兩個切換元件T1及T2 之接合點VP 1連接到變壓器ϋ之一次側L1。變壓器ϋ 一次側L1之另一端連接到兩個耦合電容器ckl、CK2之 接合點，其以另一電極來接到電容器Cz。至少其一白熾 燈LAI、LA2連接到變壓器ϋ之二次側L2。 第2圖表示變壓器ϋ 一次側上之電壓U1的簡圖（profile) ，在上切換元件T2之接通時間t2及下切換元件T 1之 接通時間11間的脈衝責務因素變動，使得11 < t2。 二次側輸出電壓U2eff之均方根値計算如下所示： -4 - 557472 五、發明說明（3) 在此，d表示脈衝責務因素，即d = tl/T，其中T = tl + t2 表示跨在電源變壓器ϋ之一次側電壓U1的週期，其倒 數對應操作頻率fs。如上所述，Uz對應中間電路電壓 ’ N表示變壓器ϋ每單位長度之匝數。d之可容許範圍 在〇至0.5。在這種情況下，通常可調降到最大光通量 約1 %之最小値。在本情形中，可獲得在d = 0.0 3至0.0 5 範圍之很小脈衝責務因素。在本情形中，接通時間11 很小。因此輸出電壓U2之頻譜（spectrum)，向較高頻率 方向劇烈地移位。因而，在輸出端處之電壓受到很小程 度的向僅，若較小地則跨接在變壓器洩漏電感之多加電 壓降可以習知技術的適當切換方法來補償。 然而，，使用鎭流器來操作多數白熾燈之情形中發生 明顯缺點。明確地，頻譜移位產生跨接在白熾燈之電源 供給引線的明顯電感電壓降。在小脈衝責務因素d及在 3〇 KHZ至50 KHz習用操作頻率之情形中，本電壓降可 達到數伏特。如果多數並聯連接之白熾燈以鎭流器來作 業，因此，視燈電源供給引線設計而定，亦即根據大致 以燈電源供給引線之長度來決定燈電源供給引線之電感 ，其等點亮而具有很明顯可目視之亮度差異。參照以上 首先述及之作業模式，其中個別白熾燈以專用變壓器來 驅動，當這些燈共同地經由共同數位匯流排來調光時， 這特性也同樣地保持。 因此，本發明之目的在提供一種鎭流器及其方法，使 得在多數白熾燈以此鎭流器來操作之期間，及具有各種電 557472 五、發明說明（4) 子變壓器之各種白熾燈的作業期間，避免經由匯流排在很 大的亮度範圍作調光。 在第一方面，驅動電路設計來變動驅動信號之脈衝責務因 素，及操作頻率，做爲調光信號的函數，其事實上的優點， 來達成上述目的。 根據進一步觀點，其中在第二步驟以變動操作頻率及 脈衝責務因素做爲調光信號之函數，而產生驅動信號之 同屬性方法來達成上述目的。 本方式允許操作頻率之明顯降低，其結果可在調光期 間大幅地降低或甚至完全地避免輸出電壓之頻譜移位。 更進一步，在此類電路之情形中的損失是和操作頻率成 比例關係。因此，在本發明情形中，操作頻率降低可導 致較少損失。關於電磁相容性之進一步優點，產生在於 電源供給引線至電氣白熾燈發生更少高頻分量的事實。 此外，產生脈衝可選擇更有成本效益計時器（timer)，因 爲狹窄脈衝之產生在技術上較困難實現，而在本發明之 情形中，可選擇較寬之脈衝。結果，由於降低計時器之 需求，本發明中之鎭流器可以很有效益的成本來實現。 在較佳實施例中，即使在選通信號（strobe signal)變動 時，所設計驅動電路也繼續提供電源電壓用於兩切換元 件、及/或電流經過至少其一白熾燈、及/或電壓在電力 變壓器之二次側。 本方式允許驅動交換元件之信號，於電力變壓器之效 557472 五、發明說明（5) 率來做更好地最佳化。 這個驅動電路，較佳的設計是改變操作頻率做爲脈衝 責務因素之函數。因爲脈衝責務因素及操作頻率相互調 諧，所以在脈衝責務因素之定義中，考慮其一或更多適 當之變數，其適當地固定操作頻率是尤其簡單之可能性 。尤其，因而操作頻率不再需要分別地計算，但是可以 適用於脈衝責務因素之方式來讀取，例如，使用檢查表 (look-up table) 〇 根據本發明，即使在電力變壓器所傳送很低電力之相 關的調光信號時，相較於電力變壓器所傳送很高電力之 相關調光信號時的作業頻率，則所計設驅動電路降低作 業頻率。 較佳地所設計之驅動電路，即使在相關電力變壓器所 傳送最大功率之調光信號時，在其作業頻率最大之情形 中產生驅動信號；而且即使在相關電力變壓器傳送最小 功率之調光信號時，在其作業頻率最小之情形中產生驅 動信號。 驅動信號之最小操作頻率，是以電力變壓器仍未發生 飽合點來決定。驅動電路設計可來簡化控制，所設計驅 動電路以連續式、步進式、及/或根據局部線性化曲線 比値來變動驅動信號之操作頻率做爲調光信號的函數。 所設計驅動電路也能降低驅動信號之操作頻率’使得 電力變壓器之電壓-時間面積保持大致一定。如果在本 情形中所選擇電壓-時間面積使得在最大輸出功率之情 557472 五、 發明說明 ( 6) 形 中 則 變 壓 器以最佳效率來操作，這允許一只或多只 向 熾 燈 在 此 鎭 流器中，有很低的操作損失。 然 而 電 壓 -時間面積也可選擇使得電力變壓器在飽 合 極 限 處 作 業 。因而，在輸出頻譜·之頻率變成最小，因 此 結 果 對 電 磁 相容性所選計時器及電力損失變成爲最小 値 〇 鎭 流 器 可在半波電橋裝置中包含二個切換元件，或在 .全 波 電 橋 裝 中 四個切換元件。 進 一 步 所 具 有優點之具體例，在申請專利範圍之附屬 項 中 說 明 0 附 圖 之 簡 單 說 明 在下文 中 參 照附圖來更詳細地說明範例實施例，其中： 第 1 圖 是 根 據本發明鎭流器之槪略電路圖示； 第 2 圖 是 在 電力變壓器一次側上之電壓圖示；及 第 3 圖 是 所 設定作業頻率fs對最大交換頻率fs__niax 之 比 値 圖 示 即脈衝責務因素d = 0.5對脈衝責務因素d 之 操 作 頻 率 〇 發 明 實 施 之 最 佳模式 在本 發 明 具 體化範例中，所設定操作頻率fs，使得操 作 頻 率 最 大 即在最大輸出能量及因而最大責務因素 dm ax ’ = 0.5 之 情 況中fs = fs-max。在最大輸出功率之情形 中 ， 因 此 變 壓 器ϋ在最佳效率處工作。如果輸出電壓及 因 而 輸 出 功 率 以降低脈衝責務因素d來降低，則根據本 發 明 操 作 its 頻 率fs同樣地降低。操作頻率fs僅在本情 -8 - 557472 五、發明說明（7) 形中降低，然而，至此在變壓器ϋ中仍未發生飽合。 最小允許群操作頻率（fs)，由最大操作頻率（fs_max)標 準化或電力變壓器（ϋ)仍未飽和時之脈波責務因素（d)的 函數產生如下： 本函數相依性說明在第3圖。如上所述，在本情形中， f^max是達到最大脈衝責務因素dmax = 0.5最大操作頻 率，而且是在最大中間電路電壓Uz-max期間飽合尙未發 生之情形中。上述公式是如下所述導出： 跨接在耦合電容器CK1、CK2之電壓和產生中間電路 電壓 Uz，因此 UCKi+UCK2=Uz。 參照第2圖，在電力變壓器ϋ之一次側繞組處的電壓 時間面積A 1及Α2大小相同，因爲僅交變電流流經耦合 電容器CK/、CK2。因此，其獲得： A1 = U1 -tl = A2 = U2*t2 如在本文開頭所述，其進一步獲得T 1 採用切換頻率fs之其一可能性在於連續地降低操作頻 率，使得在電力變壓器ϋ處之電壓-時間面積保持一定 在値ades。在本情形中，可選擇Ades使得變壓器ϋ以 557472 五、發明說明（8) 最佳效率連同最大輸出功率來作業。然而，也可選擇 ades使得電力變壓器ϋ在相關於飽合之極限處來作業。 根據上述公式，兩種情形之結果是比値圖示fs/fs_max， 標準化頻率fs_max決定電力變壓器是否在最佳效率或在 相關飽合之極限來作業。 採用操作頻率fs比脈衝責務因素d之另一可能性，在 於步階地降低操作頻率fs。如果當輸出功率降低時，脈 衝責務因素之特定値過低，操作頻率fs降低到相關値。 操作頻率fs之採用，也可例如實施局部線性化，使得根 據上述方程式之方式接近直線區段。 本發明可應用在，當以半波電橋較換器（half-bridge converter)之輔助及同樣地以全波電橋轉換器之輔助來 實現鎭流器時。 由於根據本發明之方法所以明顯降低操作頻率，可以 表示如下例： 假若對應約最大光通量1%之調光的脈衝責務因素d = 0.03 ，則上述方程式產生操作頻率fs降低到最大作業頻率 fs一max 之 4 χ0·03 x(l — 0·03)χ100%=11·6°/。，而電力 變壓器沒有超過到飽合模式內。另一方面，在此電力變 壓器在已知脈衝責務因素d = 0.5時以最佳效率來作業， 即產生最大輸出功率（指固定之中間電路電壓Uz)。 本發明可以微控制器之輔助來實施，而沒有多加電路 之費用，或以適當類比或數位電路之輔助。在替代性實 施例中，也可實施操作頻率fs之標準化變成其他規範， -10- 557472 五、發明說明（9) 例如，變成電壓器之最小損失、或最佳熱條件。在本情 形中m要考慮在最佳變壓器利用，發生在接近其熱極限 處。 由於聲音影響，其可感測的fs對fs_max之比値限制 在最小値〇 . 4。 符號之說明 10 驅 動 電 路 12 調 光 器 ΤΙ、T2 切 換 元 件 Uz 中 間 電 路 電 壓 C z 電 容 器 VP 1 接 合 點 ϋ 變 壓 器 d 脈 衝 責 務 因 素 f s 操 作 頻 率 -11-

Claims (1)

1. 557472 六、申請專利範圍 1. 一種用於至少一只白熾燈之鎭流器，具有： -至少兩個切換元件（ΤΙ、T2)，其相互耦接來形成第 一接合點（VP1); -驅動電路（10)，具有其一輸出，以脈衝責務因素（d) 及操作頻率（fs)爲特徵之驅動信號的輔助、及調光信號 (Ud)之輸入，來驅動該至少兩個切換元件（ΤΙ、T2);及 -電力變壓器（ϋ)，其一次側（L1)耦接到該第一接合點 (VP1)，其可連接該至少其一電氣白熾燈（LAI ; LA2)到 其二次側， 特徵在所設計該驅動電路（1 〇)使得脈衝責務因素（d)及 驅動信號之操作頻率（fs)變動做爲調光信號（Ud)的函數。 2. 如申請專利範圍第1項之鎭流器，其所設計該驅動電路（1〇) 即使在選通信號（d)變動時，也繼續供給電源電壓（Uz)用於 該二個切換元件（ΤΙ、T2)及/或電流經過該至少其一白熾燈 (LA1)、及/或電壓（U2)在電力變壓器（ϋ)之二次側上。 3. 如申請專利範圍第1或2項之鎭流器，其所設計該驅動 電路改變操作頻率（fs)做爲該脈衝責務（d)之函數。 4. 如申請專利範圍第1項之鎭流器，其中所設計該驅動電 路（1〇)，即使在相關該電力變壓器（ϋ)所傳送很低功率之 調光信號時，比較即使在相關該電力變颳器所傳送很高 功率之調光信號時的操作頻率（fs)，則降低操作頻率 (fs)。 5. 如申請專利範圍第1項之鎭流器，其中驅動電路（10)設計 成：調光信號（Ud)相關連的電力變壓器（ϋ)傳送最大的能量 -12- 557472 六、申請專利範圍 時，則在此情況下所產生的驅動信號，其操作頻率（fs) 爲最大；調光信號（ud)相關連的電力變壓器（ϋ)傳送最小 的能量時，則在此情況下所產生的驅動信號，其操作頻 率（fs)爲最小。 6·如申請專利範圍第i項之鎭流器，其中該驅動信號之最小 操作頻率（fs)，是以電力變壓器（ϋ)尙未發生飽合點來決定。 7. 如申請專利範圍第1項之鎭流器，其中所設計該驅動電 路（10)，使得該驅動信號之操作頻率（fs)以連續形式、步 進形式及/或根據局部線性化曲線方式來變動做爲該調 光信號（Ud)的函數。 8. 如申請專利範圍第1項之鎭流器，其中所設計該驅動電 路（10)降低該驅動信號之操作頻率（fs)，使得該電力變 壓器（ϋ)之電壓-時間面積（Al ; A2 ; ADES)保持大致不變。 9. 如申請專利範圍第8項之鎭流器，其中所設計該電壓-時 間面積（Al ; A2 ; ADES)，使得該電力變壓器在傳送最大 功率時是最佳效率來操作。 1 〇·如申請專利範圍第8項之鎭流器，其中所選擇該電壓-時間面積（Al ; A2 ; ADES)，使得該電力變壓器（ϋ)在飽合 界限處操作。 11. 如申請專利範圍第1項之鎭流器，其中該鎭流器包含在 半波電橋裝置內之二個切換元件（ΤΙ、Τ2)。 12. 如申請專利範圍第1項之鎭流器，其中該鎭流器包含在 全波電橋裝置內之四個切換元件。 13·—種用於至少一只白熾燈之鎭流器操作方法，其中該鎭 -13- 557472 六、申請專利範圍 流器包含：至少兩個切換元件（Τ 1、T2)，其相互耦接形 成第一接合點（VP1);驅動電路（10)，具有至少其一輸出 ，以脈衝責務因素（d)及操作頻率（fs)爲特徵之驅動信號 的輔助、及以調光信號（Ud)之輸入，來驅動該至少二個 切換元件（ΤΙ、T2);及電力變壓器（ϋ)，其一次側（L1)耦 接到該第一接合點（VP 1 )，其可使得該至少一只電氣白熾 燈（LAI ; LA2)連接到該其二次側（L2)，包含下列步驟： a) 施加調光信號（Ud)到該驅動電路（10)之輸入； b) 以該驅動電路（10)之輔助，產生驅動信號做爲該調 光信號（Ud)之函數， 特徵爲在步驟b)中，該驅動信號由該操作頻率及該脈衝 責務因素（d)變動來產生做爲該調光信號（Ud)之函數。 -14-