專利名稱：用于在照明系統(tǒng)中檢測短路的裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明總體上是關于一個檢測連接于變壓器副邊繞組的負載短路的裝置。
諧振變壓器典型地應用于照明系統(tǒng)中。諧振變壓器通常具有相對較高的匝數(shù)比。由于較高的匝數(shù)比，原邊繞組和副邊繞組之間的漏電感應器的阻抗就相對較高。當用于變壓器的轉換頻率高于諧振頻率時(感應模式)，漏電感應器的阻抗基本上與變壓器的輸出負載阻抗相等。由于漏電感應器的高阻抗，即使輸出負載短路，變壓器的原邊電流也不會增加很多。檢測變壓器原邊電流的振幅的傳統(tǒng)技術已不能夠確定輸出負載是否短路。
因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種獨特的裝置和方法來檢測與變壓器副邊繞組相連接的負載的短路。
根據(jù)下面的描述，對于本領域的一個普通技術人員來說，本發(fā)明的其它目的以及優(yōu)點將是很明顯的。
一方面，本發(fā)明提供的是一種檢測由變壓器供電的負載短路的裝置，其中變壓器有原邊繞組和副邊繞組，并且負載連接于副邊繞組上。裝置包括一個波形轉換電路，它將分別代表著變壓器原邊電壓和電流的電壓和電流信號分別轉變?yōu)榉讲妷汉碗娏餍盘?。裝置還包括一個相位檢測電路，當方波電壓和電流信號的相位基本同相時它將輸出第一種狀態(tài)控制信號，當方波電壓和電流信號的相位差大于一個預定的相位差時，它將輸出第二種狀態(tài)。裝置還包括一個濾波器用以過濾相位檢測電路輸出的信號。在一個實施例中，該裝置還包括了一個當控制信號處于第二種狀態(tài)時斷開負載的電路。在一個實施例中，裝置包括了當控制信號處于第一種狀態(tài)時預示負載存在短路的方法。
相關的另一方面，本發(fā)明提供的是一種檢測變壓器供電的照明系統(tǒng)短路的裝置，其中變壓器有原邊繞組和副邊繞組，并且照明系統(tǒng)連接于副邊繞組上。裝置包括一個將分別代表著變壓器原邊電壓和電流的電壓和電流信號轉變?yōu)榉讲妷汉碗娏餍盘柕姆椒?。裝置還包括一種當方波電壓和電流信號的相位基本同相時將產(chǎn)生第一種狀態(tài)控制信號，當方波電壓和電流信號的相位差距超過一個預定的相位差時將產(chǎn)生第二種狀態(tài)控制信號的方法。還有用以過濾相位檢測電路輸出的信號的方法。
再一方面，本發(fā)明提供的是一種檢測由變壓器供電負載短路的方法，變壓器有原邊繞組和副邊繞組，其中負載連接于副邊繞組上。該方法包括了一些步驟，這些步驟包括提供分別代表著變壓器原邊電壓和電流信號，分別轉換代表著變壓器原邊電壓和電流信號為方波電壓和電流信號，當方波電壓和電流信號的相位基本同相時產(chǎn)生第一種狀態(tài)的控制信號，當方波電壓和電流信號的相位差距超過一個預定的相位差時將產(chǎn)生第二種狀態(tài)控制信號，過濾相位檢測電路輸出的信號。
據(jù)信本發(fā)明的技術特征具有新穎性，并且本發(fā)明的原理特性在所附的權利要求書中進行了詳盡闡述。本發(fā)明的結構和工作方法都可以通過參考詳細的描述深入理解，描述參考下列附圖，其中

圖1為變壓器的示意圖。
圖2為變壓器正常工作時的電壓和電流的相位圖。
圖3為發(fā)生短路時變壓器電壓和電流的相位圖。
圖4為本發(fā)明裝置的方框圖。
圖5為圖4所示裝置的一個實施例的電路圖。
圖6為圖4所示波形轉換電路和相位檢測電路正常工作條件下輸出的信號波形。
圖7為圖4所示波形轉換電路和濾波電路正常工作條件下輸出的信號波形。
圖8為圖4所示波形轉換電路和相位檢測電路短路條件下輸出的信號波形。
圖9為圖4所示波形轉換電路和濾波電路短路條件下輸出的信號波形。
為了便于理解本發(fā)明，接下來說明諧振變壓器的基本工作原理。參見圖1，圖示為諧振變壓器的等效電路。當一個相對較高的頻率作用于諧振電路時，變壓器的原邊繞組電流IP和原邊繞組電壓VP很容易測到。變壓器的原邊繞組電壓VP的上升引起了副邊繞組電壓Vs的增加，變壓器原邊電流IP的增加引起了副邊電流Is的增加。變壓器的原邊電壓VP和電流IP包含了振幅和相位信息。電壓VP的相位與電壓Vs的相位大體相同。同樣，電流Ip的相位與電流Is的相位大體相同。負載的電壓、電流和電阻分別用Vo、Io和Ro代表。變壓器的勵磁電流用IM代表，它通常較小。
參見圖2，圖示為變壓器正常工作時電壓和電流的相位圖。根據(jù)前面的討論，電壓Vs代表VP，電流Is代表IP。正常工作情況下，電壓Vs和電流Is之間的相位角α小于50度。參見圖3，圖示為短路工作情況下(即變壓器輸出短路)，電壓Vs和電流Is之間的相位角α超過70度。因此，根據(jù)本發(fā)明通過檢測電壓Vs和電流Is之間的相位角判定變壓器輸出是否短路。正如前面的討論，這可以由檢測電壓VP和電流IP之間的相位角來完成。電壓VP和電流IP分別與電壓Vs和電流Is的相位角基本一致。
參見圖4，圖示為本發(fā)明裝置的方框圖。雖然下面的描述中，裝置10是在照明系統(tǒng)中的應用，但應當看到裝置10可應用于任何一種類型的由諧振變壓器供電的負載。裝置10大體包括了波形轉換電路，相位檢測電路14和輸出濾波器16。變壓器原邊電壓VP和電流IP分別輸入到波形轉換電路12，波形轉換電路12將這些波形整形為方波信號。這些經(jīng)過整形的波形再輸入至相位檢測電路14，相位檢測電路檢測由電路12輸出的電壓和電流方波信號之間的相位差，如果電壓和電流的方波信號大體同相則輸出第一種狀態(tài)信號(如TTL邏輯電位“低”)。如果電壓和電流的方波信號之間的相位差超過預定值，則輸出第二種邏輯狀態(tài)(如TTL邏輯電位“高”)。當電壓和電流的方波信號之間的相位差超過預定相位差時就存在負載短路。在一個實施例中，預定的相位差是50度，而在另一個是實施例中，預定的相位差是70度。如果電壓和電流的方波信號之間的相位差沒有超過預定相位差就不存在負載短路。
參見圖4，相位檢測電路14的輸出再輸入至可以消除交流脈動、電壓峰值或其它瞬時信號的濾波電路16中。然后，濾波電路16的輸出再輸入至控制電路(未示出)。如果濾波電路16的輸出值高于預定電平則控制電路(未示出)斷開變壓器二次繞組連接的負載，例如，如果濾波電路16的輸出信號是一個邏輯電位(“1”)，則控制電路(未示出)斷開負載。
參見圖5，圖示為本發(fā)明裝置10的一個實施例，在該特定的實施例中，裝置10用來檢測兩個串聯(lián)變壓器的短路，該實施例中每個變壓器的與一個對應的燈相關。但是，應當看到，圖5中的電路可用于一只燈或兩只以上，波形轉換電路總體上包括輸入電路系統(tǒng)，用以檢測與兩只燈相關的變壓器的原邊電壓波形和接收變壓器原邊電流波形。電路12包括電阻R1和R2以及電容C1，它們組成“T”網(wǎng)絡。電阻R1的一端連接到變壓器原邊的輔助繞組部分TPA1，以接收電壓VPA1。電壓VPA1與Vp的相位相同。電阻R1的另一端連接到電阻R2和電容C2。原邊的輔助繞組部分TPA1對應于變壓器的副邊繞組電壓，該電壓應用于第一個照明系統(tǒng)或燈。電容C2的另一端接于地電位。在一個實施例中，電阻R1的阻值是10KΩ，在一個實施例中，電容C1的電容值為100pf(皮法)。電路12還包括電阻R3、電容C2以及穩(wěn)壓二極管D1。電阻R3的一端連接至電容C2的一端和穩(wěn)壓二極管D1的一極。電容C2的另一端連接至地電位。在一個實施例中，電阻R3的阻值是100KΩ，電容C2功能是旁路電容，阻止交流信號作用于穩(wěn)壓二極管D1。在一個實施例中，電容C2的電容值為0.01μf(微法)。在一個實施例中，穩(wěn)壓二極管D1的穩(wěn)壓電壓為3.3V，電阻R3和穩(wěn)壓二極管D1為電壓信號VPA1提供了一個直流偏移電壓。
參見圖5，波形轉換電路12還包括電阻R4和R5以及電容C3，并構成一個“T”形網(wǎng)絡。電阻R4的一端連接到變壓器原邊的輔助繞組部分TPA2，以接收電壓VPA2，電壓VPA2與VP的相位相同。電阻R4的另一端連接到電阻R5和電容C3。電壓VPA2應用于第二個照明系統(tǒng)或燈。電容C3的另一端接于地電位。在一個實施例中，電阻R4的阻值是10KΩ，電阻R5的阻值是100KΩ。在另一個實施例中，電容C3的電容值為100pf(皮法)。電路12還包括電阻R6，電阻R6連接于電阻R5和穩(wěn)壓二極管D1之間。在一個實施例中，電阻R6的阻值是100KΩ。電阻R6和穩(wěn)壓二極管D1一起為電壓信號VPA2提供了一個直流偏移電壓。
參見圖5，電路12還包括電阻R7和R8以及電容C4，它們被設計為一個“T”形網(wǎng)絡。在一個實施例中，R7和R8的阻值分別是10KΩ和100KΩ。在一個實施例中，電容C4的電容值大約為100pf。電流流過變壓器的副邊繞組，輸入至電阻R7的一端。電阻R10和穩(wěn)壓二極管D1一起為電流IPA提供了一個直流偏移。IPA流過變壓器輔助繞組部分TPA1和TPA2電流IPA輸入至比較器22。
參見圖5，波形轉換電路12還包括電阻R9，R10，R11，R12，R14和R15以及比較器18，20和22，電阻R9在電源電壓+Vcc和穩(wěn)壓二極管D1之間，在一個實施例中，電源電壓大約為直流5V，電阻R10連接于電阻R8和穩(wěn)壓二極管的正極，電阻R10還連接到比較器22的非反向端。電阻R11和R22被設置為電壓分配電路。電阻R11連接于穩(wěn)壓二極管正極和電阻R12的一端之間。電阻R12的另一端連接于地電位。電阻R11和R12的節(jié)點連接到比較器18，20和22的反向輸入端，并提供一個偏移電壓。電阻R2和R3的節(jié)點連接到比較器18的非反向輸入端。電阻R5和R6的節(jié)點連接到比較器20的非反向輸入端，電阻R13，R14和R15用于提升電壓，分別連接于+Vcc和比較器18，20和22的輸入端。在一個實施例中，電阻R10的阻值是100KΩ，在一個實施例中，電阻R9，R11，R12，R13，R14和R15的阻值是10KΩ。
參見圖5，相位檢測電路14總體上包括異或門24和26，門24的一個輸入端連接到比較器18的輸出端。門24的另一個輸入端連接到比較器22的輸出端。門26的一個輸入端連接到比較器20的輸出端。門26的另一個輸入端連接到比較器22的輸出端。門24和26的輸出端輸入到濾波電路16。
參見圖5，濾波電路16總體上包括兩個R-C型濾波電路。每一個R-C型濾波電路接收相應異或門的輸出。一個濾波電路包括電阻R16和電容C5。異或門24的輸出連接到電阻R16。另一個濾波電路包括電阻R18和電容C6。異或門26的輸出連接到電阻R18。在一個實施例中，電阻R16和R18的阻值均為100KΩ。電容C5和C6的電容值均為0.1μf。R-C濾波電路使異或門24和26的輸出變得平滑，并濾去了交流波，瞬時波動或瞬時峰值。
工作參見圖5，電壓VPA1輸入到波形轉換電路12。特別地，電壓VPA1輸入到包括電阻R1和R2以及電容C1的輸入電路。如前面的描述，電阻R1和R3以及穩(wěn)壓二極管給VPA1提供了一個直流偏移電壓。然后，電壓VPA1和偏移電壓輸入到比較器18的非反向輸入端。同樣，電壓VPA2輸入到波形轉換電路12。特別地，電壓VPA2輸入到包括電阻R4和R5以及電容C3的輸入電路。
參見圖5，電流IPA通過電阻R7輸入到波形轉換電路12，電壓VPA1和VPA2以及電流IPA都具有正弦波的形式。正如下面將要解釋的那樣，比較器18，20和22將正弦波轉換為方波信號波形。與第一支燈相關的電壓VPA1被輸入至比較器18的非反向輸入端。比較器18的輸出輸入至相位檢測電路14。特別地，比較器18的輸出輸入至異或門24的一個輸入端。比較器22輸出的電流波形IPA輸入至異或門24的第二個輸入端。
參見圖6，波形30和32分別為在正常條件下(即無短路)IPA和VPA1的波形。它們分別由比較器18和22輸出。波形30和32有一個偏移電壓VOS。波形30和32輸入至異或門24。因為IPA和VPA1的波形相位相同，所以波形34基本上處于TTL邏輯電位“低”，由電壓V1表示。異或門24的輸出輸入至包括電阻R16和電容C5的濾波電路。參見圖7，波形36由RC濾波電路輸出，并處于TTL邏輯電位“低”，由電壓V2表示。在一個實施例中，它處于0.1伏和0.2伏之間。
參見圖8，波形40和44是第一支燈短路時的電流信號IS和電壓VPA1。波形40和44分別由比較器1822輸出，然后輸入至異或門24。因為波形40和44之間的相位有很大不同，因此，異或門24輸出波形46，并且波形46處于TTL“高”電位，由電壓V3表示。然后波形46被輸入至含有電阻R16和電容C5的R-C濾波電路。該R-C濾波電路輸出波形48如圖9所示。波形48基本上是一個直流電壓V4，它處于TTL“高”電位，大約3.3伏。
參見圖5，應當看到，由于采用對稱電路設計，電流IPA和電壓信號VPA2的相位差以相同的方式通過比較器20和22，異或門26以及包括電阻R18和電容C6的R-C濾波器來檢測。因此，當?shù)诙粑炊搪窌r，前面提及的R-C濾波電路輸出一個與波形36相似的波形。當?shù)诙舳搪窌r，輸出一個與波形48相似的波形。
由包含電阻R16和電容C5的R-C濾波器和包含電阻R18和電容C6的濾波器輸出的波形可以輸入至控制電路系統(tǒng)(未示出)，如果其中一支燈或兩支燈發(fā)生短路，該系統(tǒng)可以斷開其中一支或兩支燈。
因為R-C濾波電路電壓輸出的波動相對較大，因此，即使在濾波器輸出波動很大的情況下，每個R-C濾波電路也應該設置一個相對較小的時間常數(shù)。相對較小的時間常數(shù)也使裝置10檢測到極微弱型式的短路，這種型式典型地用于低占空比PWM(脈沖寬度調制)。
本發(fā)明裝置的重要優(yōu)點是，系統(tǒng)10的每一個單元的成本都相對較低，因為它沒有必要用裝置10檢測變壓器電壓和電流的振幅或電路參數(shù)，如漏電感Ls和自耦系數(shù)。
雖然圖5所示的電路是為應用兩支燈所設置，應當看到，本發(fā)明可應用于一支燈或兩支燈以上。而且，上面描述的電阻和電容部件的值(即電阻和電容值)只是合適部件值的例子。應當看到，其它合適的值也可以使用。而且，雖然圖5所示的比較器被設置為在單電源+Vcc下工作，應當看到，比較器也可以設置為在雙電源下工作。
本發(fā)明主要的最優(yōu)實施例和工作模式已經(jīng)在上述細節(jié)中描述過了。但是，其中本發(fā)明打算要被保護的不應被推斷為所展現(xiàn)的幾種有限形式，因為它們是說明性的而不是限制性的。本領域的熟練技術人員可以作出不離開本發(fā)明精神的不同變化。因此，前面的詳細描述應當認為是對性質的示范，并且不應局限于所附權利要求書體現(xiàn)的本發(fā)明之精神和范圍。
權利要求
1.一種用以檢測由變壓器供電的負載的短路的裝置(10)，其中變壓器有原邊繞組和副邊繞組，并且負載連接于副邊繞組上，該裝置包括波形轉換電路(12)用以將分別代表著原邊繞組電壓和電流的電壓和電流信號分別轉變?yōu)榉讲妷汉碗娏餍盘?；相位檢測電路(14)用以當方波電壓和電流信號的相位基本同相時，輸出第一種狀態(tài)控制信號；當方波電壓和電流信號的相位差大于一個預定的相位差時，輸出第二種狀態(tài)；濾波器(16)用以對相位檢測電路輸出的信號進行濾波。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中相位檢測電路(14)包括一個異或門，它的一個輸入端接收方波電壓波形和方波電流波形。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中濾波器(16)包括一個R-C濾波器。
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，還包括當控制信號處于第一種狀態(tài)時預示負載存在短路的裝置。
5.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其中相位檢測電路(14)當方波電壓和電流信號之間相位差大于70度時輸出第二種狀態(tài)的控制信號。
6.根據(jù)權利要求1所述的裝置，還包括當控制信號處于第二種狀態(tài)時，對控制信號進行斷開負載響應的電路。
7.一種為照明燈具供電的控制機構，包括具有原邊和副邊繞組的變壓器，還包括檢測照明系統(tǒng)短路的裝置(10)，照明系統(tǒng)連接于變壓器副邊并由它供電，該裝置包括用以將分別代表著變壓器原邊繞組的電壓和電流信號分別轉變?yōu)榉讲妷汉碗娏餍盘柕难b置(12)。裝置(14)，用以當方波電壓和電流信號的相位實際上同相時，輸出第一種狀態(tài)控制信號，當方波電壓和電流信號的相位差大于一個預定的相位差時，輸出第二種狀態(tài)；用以對相位檢測電路輸出的信號進行濾波的裝置(16)。
8.一種用以檢測由變壓器供電負載短路的方法，變壓器有原邊繞組和副邊繞組，其中負載連接于副邊繞組上，該方法包括提供分別代表著變壓器原邊電壓和電流信號的電壓和電流信號。將代表著變壓器原邊電壓和電流信號轉換為相應的方波電壓和電流信號。當方波電壓和電流信號的相位實際上同相時，產(chǎn)生第一種狀態(tài)的控制信號；當方波電壓和電流信號的相位差大于一個預定的相位差時，產(chǎn)生第二種狀態(tài)控制信號；以及對相位檢測電路輸出的信號進行濾波。
9.根據(jù)權利要求8所述的方法，還包括當控制信號處于第二種狀態(tài)時預示負載存在短路的步驟。
10.根據(jù)權利要求8所述的方法，還包括當控制信號處于第二種狀態(tài)時斷開負載的步驟。
全文摘要
一種檢測由變壓器供電負載短路的裝置及方法，其中變壓器有原邊繞組和副邊繞組，并且負載連接于副邊繞組上。裝置包括一個波形轉換電路，它將分別代表著變壓器原邊電壓和電流的電壓和電流信號分別轉變?yōu)榉讲妷汉碗娏餍盘?。所述裝置還包括一個相位檢測電路，當方波電壓和電流信號的相位基本同相時它將輸出第一種狀態(tài)控制信號，當方波電壓和電流信號的相位差大于一個預定的相位差時，它將輸出第二種狀態(tài)。所述裝置還包括一個濾波器用以對相位檢測電路輸出的信號進行濾波。在一個實施例中，所述裝置還包括了一個當控制信號處于第二種狀態(tài)時斷開負載的電路。在一個實施例中，本發(fā)明的裝置及方法應用于檢測由變壓器供電的照明系統(tǒng)的短路，其中變壓器有原邊繞組和副邊繞組，并且負載連接于副邊繞組上。
文檔編號H02H3/38GK1394373SQ01802826
公開日2003年1月29日 申請日期2001年9月12日 優(yōu)先權日2000年9月22日
發(fā)明者D·F·翁, C·常 申請人:皇家菲利浦電子有限公司