TWI516033B - 脈衝寬度調變控制裝置 - Google Patents
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Description
本發明係一種脈衝寬度調變(Pulse-Width Modulation,PWM)控制裝置,特別係指一種應用於三極交流開關(TRIode Alternating Current,TRIAC)調光器的PWM控制裝置。
一般來說,一燈具的亮度通常可透過控制流經燈管的電壓大小來決定,利用可變電阻或變壓器皆為常見的調光方式,然而,這類的亮度控制卻具有成本高、調光效率不佳及無法透過外部進行控制的缺點。
因此,目前的調光器大多是利用調整用來供應照明裝置的交流電壓的工作週期(duty cycle)來進行亮度的控制,其中,更以在1960至1970年間所發展出的三極交流開關(Triode Alternating Current,TRIAC)技術的調光器,因其具有設計簡單、體積小及成本低的優點,所以最為市場所接受並廣泛作為室內照明或舞台燈光等各種不同場合中使用。
雖然TRIAC調光器在白熾燈的應用具有良好的調光效率,但將其應用於如氣體放電燈管(gas discharge lamp)、冷陰極螢光燈管(cold cathode fluorescent lamp,CCFL)、奈米碳管燈管(carbon nanotube lamp,CNL)或白光發光二極體燈管(white light emitting diode lamp,WLED)等需要電子器安定的照明裝置上,若沒有搭配特別設計的安定器時,則很有可能造成照明裝置本身的損害。
另一種常用於調整供應照明裝置之電壓的工作週期(duty cycle)來進行亮度控制的調光器則為一脈衝寬度調變(Pulse-Width Modulation,PWM)調光器,該PWM調光器係透過給定一特定工作週期並以適當頻率之方式控制燈管的啟動或關閉,只要其開關的頻率高於人類眼球所能感受之頻率,該PWM調光器便可輕易的調整工作週期來滿足各種不同需求的亮度。
但是,若想要一具有PWM安定器的燈具整合至一既有的TRIAC調光器卻是需要相當繁複的設計與難度,尤其是一般習知的TRIAC調光器於交流電環境下所輸出之電壓太低,有可能無法驅動該PWM安定器。
更進一步地,一被動式螢光燈管安定器若直接接收一由TRIAC調光器所輸出的截切正弦波電壓(truncated sinusoidal voltage),該截切正弦波電壓所具有之瞬變電壓(transient voltage)亦可能會導致螢光燈管的損毀。
另外,大多數的PWM安定器會將輸入的交流電源進行第一次整流以產生一類直流電源來驅動該燈管,並透過設置一電容器來儲存該類直流電源的電能,以確保燈管在被PWM關閉期間仍可讓燈管持續被供電,但如此一來,該電容器也會儲存TRIAC調光器所輸出之截切正弦波電壓,換言之,該電容器會過濾掉所有TRIAC調光器的調光資訊。
綜上所述,相關的照明裝置製造商皆致力於開發一整合有TRAIC調光功能的PWM安定器,以使得該PWM安定器得以直接適用於習知TRIAC調光器中,可免除重新設計或重新設置特殊調光器的困擾,進而達到能快速置換燈具與成本降低的功效。
本發明的主要目的在於提供一種可應用於三極交流開關(Triode Alternating Current,TRIAC)調光器的脈衝寬度調變(Pulse-Width modulation,PWM)控制裝置,以使得該PWM控制裝置得以直接應用於TRIAC調光器中,可免除重新設計或重新設置特殊調光器的困擾,進而達到能快速置換燈具與成本降低的功效。
為達上述目的,本發明之PWM控制裝置,係包括有:一負載;一整流器,係連接於一外部電源模組來接收一截切正弦波電壓,並將該截切正弦波電壓進行整流,以輸出一脈衝直流電壓;一PWM控制模組,係連接於該整流器及該電源模組,根據該截切正弦波電壓對應產生一PWM控制訊號,並包括有:一昇壓電路,係連接於該整流器,接收並將該脈衝式直流電壓轉換為一高直流電壓;一比較器,係連接於該電源模組,偵測該截切正弦波電壓於零點的時間,以取得該截切正弦波電壓的工作週期和頻率來對應發送一訊號;一鎖相迴路電路,係連接於該比較器,並透過接收該比較器之訊號作為該截切正弦波電壓頻率和相位的依據,以發送一與該截切正弦波電壓同步的控制訊號;及
一工作週期偵測器,係連接於該外部電源模組和該鎖相迴路電路,並根據該截切正弦波電壓的佔空因子(duty factor)來將該鎖相迴路電路的控制訊號對應轉換成一PWM控制訊號,其中,該PWM控制訊號與該截切正弦波電壓具有相同的佔空因子;及一PWM控制式安定器,係連結於該PWM控制模組,並由該高直流電壓所驅動及該PWM控制訊號所控制,用來限制流經該負載之電流。
為使熟悉該項技藝人士瞭解本發明之目的,兹配合圖式將本發明之較佳實施例詳細說明如下。
請參考第一至三圖所示,本發明之脈衝寬度調變(Pulse-Width modulation,PWM)控制裝置,係應用於三極交流開關式(Triode Alternating Current,TRIAC)調光器,其包括有一負載(4)、一整流器(5)、一PWM控制模組(2)及一PWM控制式安定器(3)。
該負載(4)係一種氣體放電燈具、一種馬達、一種加熱裝置、一有機發光二極體燈具、一種發光二極體燈具或一種白光發光二極體燈具。該氣體放電燈具可為一具有冷陰極螢光燈管、熱陰極螢光燈管、省電燈管(compact fluorescent lamp,CFL)、外部電極螢光燈管(external electrode fluorescent lamp,EEFL)、奈米碳管燈管或高強度放電燈管(high intensity discharge lamp,HID)的燈具。
請參考第二及三圖所示,該整流器(5),係連接於一外部電源模組(1)來接收一截切正弦波電壓(truncated
sinusoidal voltage),並將該截切正弦波電壓進行整流,以輸出一脈衝式直流電壓(pulsating Direct current voltage)。
該電源模組(1)係連接於一交流電源(10),用來接收該交流電源(10)之正弦波交流電,並根據該交流電對應產生該截切正弦波電壓,其至少包括有三極交流開關組件(11)。
該三極交流開關組件(11),係以相位控制的方法,於該交流電的各週期中提供一控制點來改變導電角度的大小,以使得流經負載(4)的電流改變,來達到調光的目的。
該電源模組(1)更包括有一旋鈕(13),連接於該三極電流開關組件(11),可供一使用者藉由旋轉該旋鈕(13)來調整該電源正弦波中之該控制點,進而進行調光的動作。
該PWM控制模組(2),係連結於該整流器(5)和該電源模組(1),並根據該截切正弦波電壓對應產生一PWM控制訊號。
該PWM控制式安定器(3),係連結於該PWM控制模組(2),並由該PWM控制訊號所控制,來限制流經該負載(4)之電流。
該PWM控制模組(2)係包括有一昇壓電路(20)、一比較器(21)、一鎖相迴路電路(phase-locked loop circuit,PLL circuit)(22)及一工作週期偵測器(23)。
該昇壓電路(20),係連結於該整流器(5),並接收和提高該脈衝式直流電壓,以產生一高直流電壓來驅動該PWM控制式安定器(3),其中,該高直流電壓值約為400伏特,然而,值得注意的是,本發明之昇壓電路(20)可
為一般其他傳統典型具有昇壓特性的電路,但更可包括有一小型的電容器來將大量的電能儲存的昇壓電路(20),在透過適當的切換設定狀況下,本發明的昇壓電路(20)可以具有功率因子校正(Power Factor Correctness,PFC)的功能。
該比較器(21),係連接於該電源模組(1),偵測該截切正弦波電壓於零點的時間,以取得該截切正弦波電壓的工作週期(duty cycle)和頻率(frequency)來對應發送一訊號。
請參考第一至四圖所示,該鎖相迴路電路(22)係連接於該比較器(21),並透過接收該比較器(21)之訊號作為該截切正弦波電壓頻率和相位的依據,以發送一與該截切正弦波電壓同步的控制訊號。
該鎖相迴路電路(22)係包括有一相位頻率偵測器(phase-frequency detector)(211)、一電荷幫浦(charge pump)(222)、一迴路濾波器(223)、一壓控震盪器(Voltage Controlled Oscillator)(224)和一除頻器(Frequency Divider)(225)。
該相位頻率偵測器(221),係用於偵測該截切正弦波電壓的與一回授訊號(feedback signal)的相位差。
該電荷幫浦(222)係連接於該相位頻率偵測器(221),並根據由該相位頻率偵測器(221)之相位差,發送一控制訊號。
該迴路濾波器(223)係連接於該電荷幫浦(222),其為一低通濾波器(low pass filter)係用於過濾該控制訊號
該壓控震盪器(224)係由該控制訊號所驅動,以發送一震盪訊號,該震盪訊號之震盪頻率係對應於該控制訊號。
該除頻器(225),係將該壓控震盪器(224)所產生之震盪訊號降頻後回授至該相位頻率偵測器(221),該回授之訊號係一回授訊號。
如本發明相關業界具有通常技藝人士所知悉,當一輸出訊號的頻率越高,其具有頻寬越高、訊號越穩定及頻外雜訊越低的特性,另外,若在一個50赫茲交流電的環境下直接使用TRIAC調光電路對一照明設備進行調光,當調光的控制訊號在100赫茲傳輸速率的環境下會對電流造成干擾,並有可能產生明顯的閃爍現象為人類眼球所感知。
請參考第一至三及五圖所示,該工作週期偵測器(23),係連接於該電源模組(1)和該鎖相迴路電路(22),並根據該截切正弦波電壓的佔空因子來將該鎖相迴路電路(22)的控制訊號對應轉換成一PWM控制訊號,其中,該PWM控制訊號與該截切正弦波電壓具有相同的佔空因子。
另外,該工作週期偵測器(23)更包括有一佔空因子轉換器(duty factor mapping unit)(231),其具有一非線性的轉換函數,來改變該工作週期偵測器(23)之PWM控制訊號的佔空因子。
然而,該佔空因子轉換器(231)之轉換函數並未限定須要使用哪一種特定的函數,其可依據實際應用需求來調整轉換函數的使用;舉例來說,當一截切正弦波電壓小於足以驅動燈管所需的電壓前,用於調光的一旋鈕(13)角度變化與該截切正弦波電壓係呈一非線性關係,而當該截切正弦波電壓到達足以驅動燈管所需的電壓時,持續旋轉該旋鈕(13),該旋鈕(13)角度變化則與該截切正弦波電壓係呈一線性關係,以使得燈管之亮度得以穩定地調整燈管的亮度。
因此,透過設置有一佔空因子轉換器(231)的調光裝置,於調光的過程中,不會因為該截切正弦波電壓過低,導致產生低強度的閃爍現象,另外能增加整體照明的功率因子,來達到更佳的電能使用效率。
1‧‧‧電源模組
10‧‧‧交流電源
11‧‧‧三極交流開關組件
13‧‧‧旋鈕
2‧‧‧脈衝調變控制模組
20‧‧‧昇壓電路
21‧‧‧比較器
22...鎖相迴路電路
221...相位頻率偵測器
222...電荷幫浦
223...迴路濾波器
224...壓控震盪器
225...除頻器
23...工作週期偵測器
231...佔空因子轉換器
3...脈衝調變控制式安定器
4...負載
5...整流器
第一圖係本發明之脈衝寬度調變(Pulse-Width modulation,PWM)控制裝置連結於三極電流開關的示意圖。
第二圖係本發明之電源模組的示意圖。
第三圖係本發明之PWM控制模組的示意圖。
第四圖係本發明之鎖相迴路電路的示意圖。
第五圖係本發明之PWM控制模組的示意圖,其中係於該PWM控制模組之工作週期偵測器中設置有一佔空因子轉換器。
1...電源模組
10...交流電源
2...脈衝調變控制模組
3...脈衝調變控制式安定器
4...負載
Claims (8)
- 一種脈衝寬度調變控制裝置,其包括有:一負載;一整流器,係連接於一外部電源模組來接收一截切正弦波電壓,並將該截切正弦波電壓進行整流,以輸出一脈衝式直流電壓;一脈衝調變控制模組,係連接於該整流器及該電源模組,根據該截切正弦波電壓對應產生一脈衝調變控制訊號,並包括有:一昇壓電路,係連接於該整流器,接收並將該脈衝式直流電壓轉換為一高直流電壓;一比較器,係連接於該電源模組,偵測該截切正弦波電壓於零點的時間,以取得該截切正弦波電壓的工作週期和頻率來對應發送一訊號;一鎖相迴路電路,係連接於該比較器,並透過接收該比較器之訊號作為該截切正弦波電壓頻率和相位的依據,以發送一與該截切正弦波電壓同步的控制訊號;及一工作週期偵測器,係連接於該外部電源模組和該鎖相迴路電路,並根據該截切正弦波電壓的佔空因子來將該鎖相迴路電路的控制訊號對應轉換成一脈衝調變控制訊號,其中,該脈衝調變控制訊號與該截切正弦波電壓具有相同的佔空因子;及一脈衝調變控制式安定器,係連結於該脈衝調變控制模組,並由該高直流電壓所驅動及該脈衝調變控制訊號所控制,用來限制流經該負載之電流。
- 如申請專利範圍第1項所述的脈衝寬度調變控制裝置,其中,該工作週期偵測器更包括有一佔空因子轉換器,其具有一非線性的轉換函數,來改變該工作週期偵測器之脈衝調變控制訊號的佔空因子。
- 如申請專利範圍第1項所述的脈衝寬度調變控制裝置,其中,該電源模組係連接於一交流電源,用來接收該交流電源之正弦波交流電,並根據該交流電對應產生該截切正弦波電壓,其至少包括有三極交流開關組件,其係以相位控制的方法,於該交流電的各週期中提供一控制點來改變導電角度的大小,以使得流經負載的電流改變。
- 如申請專利範圍第3項所述的脈衝調變控制裝置,其中,該電源模組更包括有一旋鈕,係連接於該三極電流開關組件,並可供一使用者藉由旋轉該旋鈕來調整該電源正弦波中之該控制點,進而進行調光的動作。
- 如申請專利範圍第1項所述的脈衝寬度調變控制裝置,其中,該負載係一氣體放電燈具、一馬達、一加熱裝置、一有機發光二極體燈具、一發光二極體燈具或一白光發光二極體燈具。
- 如申請專利範圍第5項所述的脈衝寬度調變控制裝置,其中,該氣體放電燈管係係一具有冷陰極螢光燈管、熱陰極螢光燈管、省電燈管、外部電極螢光燈管、奈米碳管燈管或高強度放電燈的燈具。
- 如申請專利範圍第1項所述的脈衝寬度調變控制裝置,其中,該鎖相迴路電路係包括有: 一相位頻率偵測器,係用於偵測該截切正弦波電壓的與一回授訊號的相位差;一電荷幫浦,係連接於該相位頻率偵測器,並根據由該相位頻率偵測器之相位差,發送一控制訊號;一迴路濾波器,係連接於該電荷幫浦,係用於過濾該控制訊號中高頻的部分;一壓控震盪器,係由該控制訊號所驅動,以發送一震盪訊號,該震盪訊號之震盪頻率係對應於該控制訊號;及一除頻器,係將該壓控震盪器所產生之震盪訊號降頻後回授至該相位頻率偵測器,該回授之訊號係一回授訊號。
- 如申請專利範圍第7項所述的脈衝寬度調變控制裝置,其中,該迴路濾波器係一低通濾波器。
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