TWI362232B - Interface circuit for operating capacitive loads - Google Patents

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136223.2.

月挪條(更)正替換頁 修正本 玖、發明說明： (一） 發明所屬之技術領域 本發明係有關一種操作於電源電壓之操作電容性負載 所用之介面電路，且特別是有關於一種低壓放電燈用之電子 鎭流器。 (二） 先前技術 不同實施例中存在有各種已知之操作低壓放電燈用之 電路配置。一般而言，它們含有整流電路以便對交流電壓供 應器進行整流並對電容器進行充電且經常稱之爲平流電容 器。跨越此電容器所出現的直流電壓係扮.演著用以操作低壓 放電燈之換流器的電源供應器角色。已知存在有可用在其他 型式之燈上的類似架構，例如用於鹵素燈的電子變壓器。此 外該發明相當一般化地有關各種操作電容性負載用的電路 配置，「電容性」一詞意指在換流器輸入端上的所謂平流電 容器。以下意圖將電容器負載特別理解爲那種配備有具電容 性性質之電子鎭流器的燈。’ (三） 發明內容 本發明係以詳述操作電源上電容性負載之電容配置的 技術問題爲基礎來提供使用延伸使用負載的可能性’明確地 上 燈 電 在 用 是 別 特 說 了 供 提 明 發 本 的 巨 個 1戴 、、又 了 負 爲性 容 S ιρτ 供 源 電 作 操 tlmtl 種 通 選 位 相 種 1 指 是 別 特 路 電 面 介 之 用 上’ 路器 電光 應調 關 開 1 第 一三口 輸 設.載 的負 關使 開時 一« 第供 該源 ,電 之 上 端 _ 入 有輸 具載 上負 路動 電啓 面未 介在 該以 爲用 徵是 特式 其方 一 5 - 13622 修正本 入端發生短路。 舉例而言，本發明係指向一種具有上述型式以便在相位 選通調光器上操作一燈之積體介面電路的燈用電子鎭流 器。較佳的是該燈係一低壓放電燈，但是本發明也可以應用 在諸如高壓放電燈或鹵素燈之類其他型式的放電燈。 本發明的發明人係從値得改良電容性負載之調光作用 及功率調節的方面開始著手的。特別是，諸如低壓放電燈 (CFL)之類操作在電源供應電路的電容性負載會在諸如之類 非定常的電源供應時傾向於不穩定。假如在CFL的例子裡， 這是由一般而言被理解爲干擾作用的閃變現象表露出來。 雖然截至目前CFL也利用複雜的泵抽電路（習知用以降 低電源之電流諧波的電路）以啓動更長的電流傳導角度，也 就是說提供暫時穩定的電流消耗，且因此也同時提高了改良 調光作用的可能性，然而此例中特別擾人的影響是該泵抽電 路需要較高的費用支出在零組件上，而且同時需要明顯地更 爲複雜的無線電干涉的抑制作用。同時此中不利的是所用泵 抽電路的設計必須是在沒有調光器下操作這些燈時所發生 之電源電流諧波不會超出適用的極限値。進一步的缺點是在 大多數泵抽電路的例子裡，其泵抽功率係取決於直流電壓中 間電路的瞬間電壓，且必然地可在考量所用泵抽電路之正反 饋性質下放大了調光器在兩個接續之電源半週期之間的不 對稱性，這可能引致顯著的閃變現象。 本發明的基本槪念是藉由介面電路使上述電容性負載 與調光電路相容，且這麼做以免除上述不穩定現象。此例 -6- 1362m-——*--η /碑〇/朽ίκϋ替換頁 ' -_..- J 修正本 中’特別是將本發明指向一種相位選通調光器，這會在考量 暫時之非連續性電流消耗的電容性負載例子裡一明確地說 假如所出現之交流電壓的瞬間數値大於跨越電容器所出現 的電壓時一遇到困難。此例中，意圖以根據本發明的介面電 路使電流也能夠在剩餘的時間流經該相位選通調光器，以致 該電流會流過調光器內所含的時序元件。 爲了這個目的’該介面電路的較佳開關是指第一電晶體 總是在電源之交流電壓抵達其跨壓値爲零値時立即被打 開。替代地，也可在跨零時刻之後的很短時間點上打開該電 晶體。較佳的是，再度於一旦有電源電壓之瞬間數値加到負 載上時立刻關掸該第一開關。結果在用於調光器上的例子 裡，可以只藉由調光器之時序元件的電阻定義出用以對調光 器內部時序電容器進行充電所需要的電流並使之實質上未 衰減地流經該負載。特別的是，實際上未產生任何額外的電 流衰減現象。較佳的是可藉由第二開關（較佳的是一第二電 晶體）控制該開關。較佳的是，該第二電晶體係經由兩個電 阻器連接到電源供應自身（也就是說在進行整流之前）的負 載輸入端上。這麼做的結果是，該第二電晶體可實際上「讀 出」負載上的輸入電壓並確定何時啓動電源供應來打開或關 閉該開關，而不致於在此例中受到整流器電路或是例如濾波 器電容的干擾。 根據本發明的介面電路可另外具有一控制電路，該控制 電路以評估由電源供應器較佳的是供應電壓本身提供的信 號。爲了這個目的，舉例而言可評估該第一電晶體的負載比 -7-

(更)工替 —......—---* 修正本 並產生與之成正比的信號以調節該負載的功率消耗。 這種控制電路之較佳精煉型式內所含的並聯電路包括 由一第三電阻器及一第三電晶體構成的一串聯電路，該第三 電晶體的基極係連接於該第一電晶體的基極、一第二平流電 容器以及一第四電阻器上，其中該並聯該電路係與一第五電 阻器作串聯連接，而分接出控制信號以便控制設置在該第四 電阻器與該第五電阻器間之負載的功率消耗》此例中，可使 該第五電阻器與和負載並聯的並聯電路作串聯連接。替代 地，可將該第五電阻器合倂到例如用以供應該負載的換流器 內。與第一種情況相反的是，該第五電阻器可具有高電阻， 以致減低了其電壓耗損。其說明可參見根據第5圖的解釋用 實施例。 如上所述的功能性原理可依與負載之真實輸入電路無 關的方式應用於所有常用電源電壓上。這同時適用於在輸入 端內具有一橋式整流器的負載，一單獨的濾.波器或平流電容 器以及具有例如至少兩個二極體及至少兩個平流電容器的 其他輸入電路（參見第4b圖的所謂「3D-2C電路」或是第4c 圖的所謂「倍壓器」）。在「3D-2C電路」的例子裡，係使 用一種包括兩個電容器及三個二極體的配置以取代單獨的 平流電容器。在「倍壓器」的例子裡，兩個電容器係經由電 源一側上的兩個二極體而連接在一起並將之連接到換流器 電路上。這麼做的結果是，整體而言可在負載上取得兩倍的 峰値電源電壓，這使吾人能夠例如以11 〇伏特的電源供應操 作設計成用在220伏特之電源供應的燈。 ^62232 ______— 曰您⑵上替換頁 修正本 ^---------------------------- 根據本發明的介面電路可分開地在其本身的外殼內具 體施行以便使之例如與調光器上的複數個電容性局部負載 作並聯連接。結果，可在未於調光器上整合有介面功能下依 符合成本效益的方式操作複數個負載。 不過，也可有利地整合有電子鎭流器且特別是於一小型 螢光燈內。 (四）實施方式 第1圖顯示的是一種使用根據本發明之介面電路的一實 施例。如此圖所示之電路係藉由交流電壓電源供應操作一小 型螢光燈CFL。此電壓電源係經由一相位選通調光器（落在 點N與P之間）將電力供應到該負載CFL上。各相位選通調 光器會將一週期性電源供應到負載上，其中該週期性電源供 應係藉著經由一可變時序元件亦即由兩端交流開關（diac)、 可變電阻器TR及電容器TC構成的元件觸發一電力開關亦 即雙向整流器（triac)而釋出的。藉由根據本發明之介面電 路，也可在電力開關的非導電狀態（亦即未在負載上施加任 何電源電壓）中操作該時序元件。真實負載在時序元件上沒 有電源供應時是不存在的，以致該真實負載的電路配置對電 力開關的觸發作業沒有任何影響。因此可避免產生相移而平 移了每一個電源半週期內觸發的瞬間時點，且最終可在負載 上引致不必要的閃變現象或相似的效應。 除了電力開關亦即雙向整流器以及由一兩端交流開 關、一電容器TC以及一可變電阻器TR形成的時序元件之 外，該調光電路通常也設置有一保險絲F，且對平流及無線 -9 - 1362232^__ 月㈣修(更.)正替換頁 電干涉抑制作用而言額外地設置有一電容器C及一電感L。 可將該介面電路合倂到燈CFL的鎭流器上；本實施例的細節 可參見第4a和4b圖。也可以分開的介面電路操作負載 CFL。第3圖顯示的是即爲這種能以分開的介面電路IF在單 —調光器上操作複數個燈CFL(CFL1，CFL2, CFL3)的結構示 意圖。 可參照第4a圖說明此介面電路的功能，其中顯示了一 種用以施行上述功能性原理的解釋用電路結構。 可於整流器GL內將該電源交流電壓轉換成一脈波式直 流電壓。 可經由一二極體D1及整流器GL爲電容器C1充電使之 達到施加在負載上之輸入電壓的峰値並使之可用在例如一 換流器INV(此中不作更詳細說明）上，而於該換流器inV中 將直流電壓轉換成一高頻交流電壓而以預定的燈電流供應 —低壓放電燈LP。 於如第4圖所示之實施例中，根據本發明之介面電路IF 係由該些電阻器Rl，R2，R3, R4、二極體D1、電阻器R5和 R6以及電晶體T1和T2形成的。第一電晶體T1的切換路徑 係依與二極體D1串聯而與平流電容器C1並聯的方式伸展， 其中該平流電容器C1會供應換流器電路IN V所需要的電壓 以便產生供燈LP使用的高頻交流電壓。電晶體會使負載的 供應輸入端產生短路。一第二電晶體T2係扮演著使該電晶 體T 1作開或關之切換的角色且係藉由其控制器（經由電阻器 R5)連接到該電晶體T1的基極上。此例中，第二電晶體T2 -10- 曰就纖頁 ___________一 J 修正本 的切換路徑係依與包括電阻器R5之串聯電路以及該第一電 晶體T1的控制路徑呈並聯的方式伸展（因此T2會使T1作關 或開之切換）。因此，可藉由打開的第二電晶體T2關閉該第 一·電晶體T 1。 該電路的操作方法如下：處於打開的電晶體T1會經由 一橋式整流器GL在兩個電源輸入端之間形成短路。該二極 體D1的極性可防止也使處於打開的電容器C1出現短路。將 電晶體T1安排在該橋式整流器GL之輸出端上具有可同時 在電源交流電壓（參見第1圖之VS)正及負的半週期情況中 使負載（CFL)之輸入阻抗減低爲最小（「短路狀態」）的效應。 有了電阻器Rl，R2和R3，可形成該電路之瞬間輸入電 壓的影像並經由電阻器R4加到電晶體T2的基極上。 根據本發明連接於電源一側之電阻器R1和R2的配置可 確保能依可靠而與可能存在之濾波電容或者寄生電容無關 的方式偵測出該電源輸入電壓（極性與VS相反）的跨零値。 可在關閉該電晶體T2下經由該電阻器R5和該R6打開 該電晶體T1。不過，取代以電容器C 1經由電阻器R5和R6 打開電晶體T1的情形，也可藉由取自負載或換流器INV內 (例如由出現於換流器INV內之控制1C供應）的時間連續信

假如係經由電阻器R4以R3上足夠大的正電壓降打開電 晶體T2，則關閉了電晶體T1。此例中，電阻器R4和R5係 扮演著改良電晶體T1和T1之切換行爲的角色。 由電晶體T2之反相功能所達成的情況爲總是於時段ta -1 1 一 1362 1362

辦日以更)正替換頁 修正本 期間（參見第2圖）打開電晶體T1，其中會跨越該調光器出現 該電源交流電壓VS的瞬間値且該調光器內設置爲切換元件 的雙向整流器係呈非導電性的。一旦觸發了調光器內的雙向 整流器（於如第2圖所示之瞬間t2)，且因此將電源交流電壓 VS的瞬間値加到負載（CFL)上，關閉電晶體T1，並經由二極 體D1爲電容器C1充電使之達到負載（CFL)的輸入電壓峰値 (於如第2圖所示之瞬間tb)。 所用的電晶體T1可以是一種必須容許其崩潰電壓大於 最大電源電壓VS的低功率電晶體，但是完全未針對其電流 承載容量及電流增益作出任何關鍵性的要求。 通常係以大約0.6伏特的很小基極/射極電壓將該電晶 體T2操作成一種切換電晶體。不過，此電壓是與溫度有關 的，以致其切換電壓可因考量電路操作及其相關的溫度變化 而改變（例如在〇·4伏特與0.6伏特之間）。因此假如適當的 話可施行各種策略以補償控制電壓和溫度有關的起伏。爲了 這個目的，例如可令一齊納二極體與該電阻器R4作串聯連 接，如第4a圖所示。因此可增加跨越電阻器R3的壓降（例 如達20伏特），結果減低了電晶體T2上用於切換所需要電 .壓的相對起伏。 根據本發明之介面電路係獨立地扮濱著燈用輸入電路 的角色。第4b圖顯示的是一種輸入電路的變型，其中係將 如第4a圖所示之該單獨電容器C1取代爲包括三個二極體 D2-D4以及兩個電容器Cla和Clb的電路（「2C-3D電路」）。 於操作期間，係依序於此（緩衝）電路中對兩個電容器進行充 -12- 1362232- 修正本 p年日巧(更)正替換頁 電 如第3圖所示，假如有意在沒有負載下將介面功能建造 爲—分開裝置IF，必要的是從一額外的電容器經由一電阻器 饋入電晶體T1上用於切換所需要的電流》此例中，由於不 需要提供用於饋入負載的能量，故該電容器可具有非常低電 容量，而只需要經由電阻器R6來控制電晶體T1的能量。第 4c圖顯示的是具有這種型式的電路實例。此例中，該負載係 .經由一包括兩個二極體D2，D3以及兩個電容器Cla和Clb 的電路且說扮演著「倍壓器」電路的角色》該介面電路係依 並聯方式連接其上且含有一電容器C3(如上述）。此「倍壓器」 電路中，可交替地（一次於正的半週期而另一次於負的半週 期內）爲電容器Cla及Clb充電使之達到峰値電源電壓。因 此，整體而言可在負載IN V, LP上取得兩倍的峰値電源電 壓。例如可使用這個電路以110伏特的電源（例如美國的電 源）操作設計成用在220伏特之電源供應的燈LP。 本發明也可用控制一負載的功率消耗。對負載.(CFL)的 功率消耗控制或是低壓放電燈（LP)的亮度控制而言，必要的 是產生與調光器上所設定之相位選通角成正比的信號，並要 求此信號具有必要數値以便調節換流器內的燈電流。 較佳的是，此例中意圖使該必要數値的量値與該相位選 通角成反比（其相位選通角愈小則該必要數値愈大）；依這種 方式如第5圖所示之配置中，當「調光値很小」（亦即燈具 有高亮度）時可獲致高必要數値，反之亦然。不過，也能在 相位選通角與必要數値之間產生一直接呈正比的比例。 -13- 136223¾ 修正本

月铉(更)正替换頁I 根據本發明，係由電晶體T1的負載比導出該信號。此 負載比係對應於電源半週期內時段t a(雙向整流器是關閉的） 與tb(雙向整流器是局部打開的）之間的比例（參見第2a圖）。 第5圖顯示的是一種用以施行這種控制作業的解釋用電 路。如圖所示的實施例中，係將介面電路IF(如第4圖所示） 合倂到負載上並將之連接在整流器GL與平流電容器C1之 間。在該介面電路IF與平流電容器C 1之間，連接有一控制 電路REG當作該介面電路IF的一部分或是與該介面電路IF 分開的部分。該控制單元包括一第三電晶體T3，其中係將 該第三電晶體T3的基極連接到該第二電晶體T2的集極（經 由電阻器R7)上，與電阻器R9串聯的第三電晶體T3是一包 括另一平流電容器C2及一電阻器R10之並聯電路的一部 分。這個並聯電路係與另一電阻器R8作串聯連接，以致此 串電路依與平流電容器C2平行的方式伸展。爲了控制燈LP 的功率消耗，由電容器C2平流的壓降會經由一導線耦出成 爲控制信號DL。 可使用電阻器R7, R8, R9和R10以及平流電容器C2和 電晶體T3以形成其量値與負載比ta/tb成正比的直流電壓信 號。 可由電阻器R8和R 1 0的電阻比例定義出轉送到換流器 INV上之信號DL的最大値。該換流器INV中，該信號DL 係扮演著用以調節或控制負載之功率消耗或是燈LP之亮度 的必要數値變數角色。然後於換流器INV內處理這個變數 DL，例如藉由一可對應地調節該燈LP之功率消耗（亮度）的 -1 4 一 I362m___________________丨 ’碎’月胁:!修i更.)正替换頁 '〜—------——~—I 修正本 積體電路。該信號DL由電阻器R8和R10所定義的最大値 可定義出該負載的最大功率消耗或是該燈LP的最大亮度。 假如該電晶體T3是永久打開，可由電阻器R8以及由 Rl〇及R9構成之並聯電路之總電阻的比例定義出轉送到換 流器INV上之信號DL的最小値。 透過電晶體T3暫時對應於電晶體T1的切換作業，可取 決於電晶體T1和T3之負載比爲信號DL建立一直流電壓並 由電容器C 2加以平流。此例中，電阻器R 7係扮演著用以改 良電晶體T3之切換作業的角色。 取代經由R8從電容器C1所饋入的該信號DL，也可使 用出現於換流器IN V內的不同信號，這裡不再作更詳細的解 釋。 (五）圖式簡單說明 以下將以各解釋用實施例爲基礎詳細解釋本發明。此例 中，各解釋用實施例顯示的是在相位選通調光器上操作CFL 用電路配置的較佳應用。 第1圖顯示的是一種操作電容性負載所用之習知相位選 通調光器的電路圖。 第2a、2b、2c、2d圖係用以顯示如第4a圖所示根據本 發明之介面電路的電壓-電流關係側寫圖，其中第2a圖顯 示的是負載之電源電壓的側寫圖，第2b圖顯示的是該負載 上平流電容器之充電電流的側寫圖，第2c圖顯示的是該第 二電晶體之控制（信號）的側寫圖，第2d圖顯示的是該第二 電晶體集極上表爲時間函數的電壓側寫圖。 -15- 13622^2_____________ 月/杯!修(更)正替換頁 1 修正本 第3圖顯示的是一種根據本發明具有分開介面電路的電 路配置。 第4a圖顯示的是一種根據本發明之介面電路的解釋用 構造。 第4b圖顯示的是一種構造類似於第4a圖的介面電路， 其中係將該平流電容器取代爲一電容器/二極體型式的電路 配置。 第4c圖顯示的是一種於根據第3圖之實施例中結合有 倍壓器電路的解釋用電路配置。 第5圖顯示的是一種根據本發明具有控制電路可形成與 調光器之相位選通角成正比之信號的電路配置。 元件符號說明 C，TC，C 1 , C2 電容器 CFL, CFL1, CFL2, CFL3 小型螢光燈 C 1 a, C 1 b 電容器 DL 控制信號 D1 -D4 二極體 F 保險絲

GL IF IN V L LP 橋式整流器 介面電路 換流器 電感 低壓放電燈 R1 -R10 電阻器 -1 6 _ 13621

ί)#日修(更)正替換頁 REG

TR T 1 -T3 VS 控制電路 可變電阻器 電晶體 電源交流電壓 修正本 17-

Claims (1)

1. / 修正本 t\ ;! VLI3修(更)正本 第93 1 09002號「操作電容性負載所用之介面電路」專利案 (2011年11月22日修正） 拾、申請專利範圍： 1 ·一種操作電容性負載（CFL)所用之介面電路（IF)，該電容 性負載之操作係在一電源供應電路上進行，該介面電路 具有一第一電晶體（T 1 )，該第一電晶體係被設計來在一電 源未被供應至該電容性負載（CFL)的輸入端時使該電容 性負載（CFL)的輸入端短路，該介面電路（IF)之特徵爲： 設有一控制電路（REG)，其被設計來評估由該電源供 應電路所產生的一信號，並根據該第一電晶體（T1)之負載 比產生與其成正比之一信號（D L)，以控制該電容性負載 (CFL)的功率消耗，其中 該控制電路（REG)具有一並聯電路、一平流電容器 (C2)及一第四電阻器（Rl〇)，該並聯電路包括由一第三電 阻器（R9)及一第三電晶體（T3)構成的一串聯電路，該第三 電晶體（T3)的基極係連接於該第一電晶體（τι)的基極，且 該並聯電路係與一第五電阻器（R8)串聯，' 在該第四電阻器（R10)與該第五電阻器（R8)間設有一 分接點（tap)，以取出該控制信號（DL)來控制該電容性負 載（CFL)的功率消耗。 2 .如申請專利範圍第1項之介面電路，其另外設有一第二 電晶體（T2)，其被設計來在一電源被供應至該電容性負載 (CFL)的輸入端時將使該電容性負載（CFL)的輸入端短路 13622^3---.— . 卑/ /月日修(更)正替换頁 修正本 取消。 3. 如申請專利範圍第2項之介面電路，其中該第二電晶體 (T2)的基極係經由—第一和一第二電阻器（R1，R2)而連 接一整流器（GL)之各自電源側輸入端。 4. 如申請專利範圍第1項之介面電路，其中該電源供應電 路的信號係供應電壓（VS)。 5-如申請專利範圍第1項之介面電路，其中該介面電路係 與電容性負載（CFL1, CFL2，CFL3)及電源供應分開的方 式具體化實現作爲一分離單元。 6 · —種操作電容性負載所用之電路配置，該電容性負載之 操作係在具有一相位選通調光器的電源上進行，該相位 選通調光器含有一電力開關（雙向整流器：（triac))及一時 序元件（兩端交流開關（diac)、TR、TC)以及電容性負載 (CFL)，其中如申請專利範圍第1至5項中任一項之操作 電容性負載（CFL)所用之介面電路係在該電容性負載 (CFL)及該相位選通調光器之間串聯。 7 .—種燈用電子鎭流器，具有如申請專利範圍第1至5項 中任一項之操作電容性負載（CFL)所用之介面電路，以操 作一相位選通調光器。 -2-