專利名稱：用于燈操作的電路布置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于燈操作的電路布置和方法。更具體地說，這些是借助于本發(fā)明使其振蕩頻率可被控制和調(diào)節(jié)的自激振蕩半橋變換器。
本發(fā)明主要涉及低壓氣體放電燈的操作，因為用于這些燈的設(shè)備受主要成本壓力的支配。除了涉及預(yù)熱方面外，本發(fā)明還可用于高壓氣體放電燈的設(shè)備。本發(fā)明還能夠用于象LED的其它光源。
背景技術(shù)：
在美國電氣和電子工程師協(xié)會2001年的電源電子專家(PowerElectronics Specialists)會議上，F(xiàn)engfeng Tao等人的文獻(xiàn)“帶有調(diào)光控制的自激振蕩電子鎮(zhèn)流器”描述了自激振蕩半橋變換器。在這篇文獻(xiàn)中的圖2中顯示了已知的帶有反饋變壓器的半橋變換器。在這篇文獻(xiàn)中的電子開關(guān)是MOSFET形式的。
所引用的半橋變換器被廣泛用作燈操作的電路布置，因為它只需要少量的低成本元件并且運(yùn)行可靠。這種電路布置的一個缺點(diǎn)是由于半橋變換器的振蕩頻率是由所用的反饋裝置控制的，并且最初它沒有能力影響振蕩頻率這個事實所造成的。更具體地說，使用雙極晶體管的半橋變換器的情況是這樣的，因為雙極晶體管在強(qiáng)電流下被驅(qū)動，其影響是復(fù)雜的。
調(diào)節(jié)振蕩頻率的能力提供了下列優(yōu)勢·半橋變換器的振蕩頻率可用來控制燈電流和燈功率。
·借助于振蕩頻率，燈絲的預(yù)熱可被調(diào)節(jié)。
·借助于振蕩頻率，燈的點(diǎn)燃過程可被諧振點(diǎn)燃所控制。
·半橋變換器的振蕩頻率可被設(shè)置成溫度的函數(shù)，從而使燈功率以及因此使功耗在環(huán)境溫度高或安裝條件較差時被減少。
所引用的文獻(xiàn)包括了上述列表的第一項。建議將激勵變壓器放在反饋變壓器的后面?，F(xiàn)在，通過將恒定電流輸進(jìn)激勵變壓器來影響振蕩頻率。輸進(jìn)的電流被疊加到激勵變壓器的磁化電流上，從而使振蕩頻率被調(diào)節(jié)。這種解決方案的不利之處在于振蕩頻率依賴于激勵變壓器的磁特征。因為這些只能被不準(zhǔn)確地減少，這種解決方案不適于大規(guī)模生產(chǎn)。此外，所建議的解決方案沒有燈參數(shù)(例如燈電流和燈功率)的閉合控制環(huán)。
文獻(xiàn)US4,525,648(De Bijl)和US 6,346,779(Aiello)也推薦了具有影響振蕩頻率能力的自激振蕩半橋變換器。然而，再一次，這些文獻(xiàn)未公開任何有關(guān)燈參數(shù)(如燈電流和燈功率)的控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個目的是提供一種電路布置，該電路布置提供了用于燈操作的自激振蕩半橋變換器，其中的振蕩頻率可被可靠地調(diào)節(jié)。
本發(fā)明的另一個目的是提供用于燈操作的自激振蕩半橋變換器，其中的一個燈參數(shù)可通過調(diào)節(jié)振蕩頻率而被控制。
本發(fā)明的另一個目的是詳細(xì)說明一種方法，該方法包括借助于包含有自激振蕩半橋變換器的電路布置所進(jìn)行的燈起動和操作，起動過程包括至少對燈點(diǎn)燃的控制。
按照本發(fā)明用于上述目的的解決方案基本上包含了電路布置，所述的電路布置包括可阻止半橋變換器中的電子開關(guān)被接通并使電子開關(guān)只在接通時間內(nèi)被接通的停止裝置。接通時間可方便地視燈參數(shù)而定，從而使得控制環(huán)閉合。
在細(xì)節(jié)上，按照本發(fā)明的電路布置包括下列特征·具有串聯(lián)連接的上部和下部電子開關(guān)的半橋布置，每個開關(guān)帶有控制接線并在它們的連接點(diǎn)處形成中心點(diǎn)，·其中有負(fù)載電流流動的負(fù)載電路被連至該中心點(diǎn)，·負(fù)載電路包含具有諧振頻率的電抗網(wǎng)絡(luò)，燈可被連至電抗網(wǎng)絡(luò)，·負(fù)載電路被設(shè)計成以使在所連接燈的正常操作期間以及一個電子開關(guān)打開之后，相應(yīng)的另一個電子開關(guān)兩端的電壓在振鈴時間后變?yōu)榱?，·電路布置具有反饋裝置，該反饋裝置將來自負(fù)載電路的反饋變量與電子開關(guān)的控制接線耦合，以這樣的一種方式，即電子開關(guān)被輪流接通，·電路布置具有停止裝置，該停止裝置與電子開關(guān)的控制接線耦合并且有一個施加停止信號的輸入端，只要停止信號處于斷開狀態(tài)，該停止裝置可阻止電子開關(guān)被接通，·電路布置具有計時器，該計時器與停止裝置的輸入端耦合并產(chǎn)生停止信號，該停止信號可表現(xiàn)為接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)，·電路布置具有觸發(fā)裝置，在振鈴時間已經(jīng)消逝后但最遲在負(fù)載電流變?yōu)榱銜r，該觸發(fā)裝置在每一情形下向計時器發(fā)出觸發(fā)信號。
被連至中心點(diǎn)的負(fù)載電路通常帶有燈電感器和諧振電容器。這些元件和電抗網(wǎng)絡(luò)的其它元件彼此相配，以使它們減少了在每一情形下在切換過程期間已經(jīng)被接通的電子開關(guān)上的接通負(fù)載。這一點(diǎn)被實現(xiàn)是因為在電子開關(guān)已經(jīng)被切斷之后，為了在打算接通的相應(yīng)的電子開關(guān)兩端產(chǎn)生理想地為零的電壓，包括在電感器(如燈電感器)、電容(如寄生開關(guān)電容或所謂的緩沖電容)能量中的電荷被改變。借助于所謂的續(xù)流二極管，這個電壓通常被鉗位。只有當(dāng)電路布置是在正常模式下被操作時，針對電路布置的這個過程才會可靠地發(fā)生。這意味著通過比如燈的斷開或燈中的閃絡(luò)，電路布置在被啟動時不是處于過渡狀態(tài)。從電子開關(guān)被切斷到其它電子開關(guān)兩端的電壓變?yōu)榱愕臅r間定義為振鈴時間。在振鈴時間后，電子開關(guān)在不帶任何電壓因而也無任何負(fù)載的情形下可被接通。
反饋裝置通常包含來自負(fù)載電路的反饋變量與電子開關(guān)的控制接線的磁耦合。電流互感器可廣泛用于這種用途，該電流互感器的初級繞組檢測負(fù)載電流并且在每一情形下帶有控制電子開關(guān)的次級繞組。初級繞組被連至燈電感器也是已知的。此外，還已知的實施例中的負(fù)載電壓而不是負(fù)載電流被檢測，以用于反饋。
所有這些電路具有共同的特征，即反饋變量在理想地切換電子開關(guān)通斷負(fù)載，并且在正反饋環(huán)中維持這種接通狀態(tài)直至反饋變量不再被傳遞給電子開關(guān)的控制輸入端為止?，F(xiàn)有技術(shù)基本上考慮了用于這種用途的兩種機(jī)制負(fù)載電路中的諧振過程使反饋變量的極性反向；或者比如根據(jù)反饋變壓器的飽和度，反饋裝置中斷反饋變量的傳輸。
按照本發(fā)明，電子開關(guān)被接通和斷開的時間基本上不再由反饋裝置控制。無可否認(rèn)，反饋裝置仍然提供能量以驅(qū)動電子開關(guān)，但是停止裝置限定了接通時間，該接通時間是電子開關(guān)可被驅(qū)動的唯一時間。按照本發(fā)明，接通時間可用來確定半橋變換器的振蕩頻率。
通過計時器輸進(jìn)停止信號的輸入端，計時器控制停止裝置。當(dāng)計時器傳輸斷開狀態(tài)的停止信號時，這阻止電子開關(guān)被反饋裝置驅(qū)動。按照本發(fā)明的電路布置有利地只帶有一個停止裝置，該停止裝置以相同的方式作用于半橋布置中的兩個電子開關(guān)。在接通時間期間，計時器傳輸接通狀態(tài)的停止信號，于是使電子開關(guān)被反饋裝置所驅(qū)動。
接通時間的開始由觸發(fā)裝置借助于被發(fā)送給計時器的觸發(fā)信號來確定。計時器一接收到觸發(fā)信號，它就在接通時間內(nèi)將停止信號切換至接通狀態(tài)。觸發(fā)裝置從負(fù)載電路的特征變量中獲得觸發(fā)信號。正如上面所描述的，最早的傳輸觸發(fā)信號的時間是振鈴時間的結(jié)尾。在這個時間之后，打算在半橋布置中輸送負(fù)載電流的下一個電子開關(guān)可在無任何負(fù)載的情況下被接通。這個時間之后是續(xù)流階段，其間負(fù)載電流由上述續(xù)流二極管傳送。當(dāng)負(fù)載電流的極性被改變時(也就是說當(dāng)負(fù)載電流過零點(diǎn)發(fā)生時)，續(xù)流階段結(jié)束。在過零點(diǎn)之后，電子開關(guān)不得不傳送負(fù)載電流。如果間斷操作不是預(yù)期的，則觸發(fā)裝置最遲不遲于這個時間必須向計時器發(fā)送觸發(fā)信號?？傊|發(fā)信號應(yīng)當(dāng)在續(xù)流階段被發(fā)送。在這種情形下，應(yīng)當(dāng)注意的是由于雙極晶體管的所謂動態(tài)飽和電壓，使接通后的傳導(dǎo)損耗不是即刻最佳的。為了減少晶體管損耗，觸發(fā)信號因此應(yīng)當(dāng)在續(xù)流階段結(jié)束前的某個時間被發(fā)送。
正如所述的，半橋變換器的振蕩頻率借助于接通時間可被調(diào)節(jié)。如果目標(biāo)是控制電路布置的電輸出變量(如燈功率或燈電流)，則接通時間有利地依賴于受控制的變量。這個變量通常由測量裝置檢測，并且作為受控變量被傳遞給計時器。計時器將接通時間設(shè)置成受控變量的函數(shù)，從而閉合了控制環(huán)。例如，如果燈電流上升，則計時器縮短接通時間，以使半橋變換器的振蕩頻率上升，并再次減少燈電流。
然而，曾被提到的控制環(huán)只在燈操作期間可被閉合。所連接的燈被正確操作的燈操作在起動模式之后進(jìn)行。為了在燈中起動氣體放電，起動模式是必需的；起動模式包括至少一個點(diǎn)燃模式，在點(diǎn)燃模式中點(diǎn)燃電壓在燈兩端生成。
控制環(huán)不能在起動模式下操作，因為沒有有價值的受控變量可用。因此，選擇開關(guān)被方便地添加到按照本發(fā)明的電路布置中并由序列控制器來控制。序列控制器最初將選擇開關(guān)置于起動模式，以使負(fù)責(zé)設(shè)置接通時間的計時器的輸入端與用于時間預(yù)置的第一裝置耦合。用于時間預(yù)置的第一裝置使用計時器來限定固定接通時間，固定接通時間被如此選擇以使點(diǎn)燃電壓在還未被點(diǎn)燃的所連接的燈兩端生成，這個點(diǎn)燃電壓適于點(diǎn)燃燈。為了產(chǎn)生點(diǎn)燃電壓，優(yōu)選的是激勵電抗網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率。最簡單的情形下，這是包含燈電感器和諧振電容器的串聯(lián)電路的諧振頻率。當(dāng)半橋變換器的振蕩頻率與電抗網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率相配時，則在諧振頻率的一個四分之一周期持續(xù)時間內(nèi)、在每一情形下一個電子開關(guān)傳送負(fù)載電流。如果從負(fù)載電流的過零點(diǎn)開始計算接通時間的話，則半橋變換器在諧振頻率處振蕩，即使接通時間是諧振頻率的一個四分之一周期持續(xù)時間。如果觸發(fā)信號甚至是在負(fù)載電流的過零點(diǎn)之前被發(fā)送，則接通時間以相應(yīng)的方式被延長。這個分析忽略了在半橋布置中使用的雙極晶體管的存儲時間。接通時間也許需要通過存儲時間而被縮短。為了減少電子開關(guān)上的切換負(fù)載，半橋變換器必須以所謂的感應(yīng)模式來操作。這意味著半橋變換器的振蕩頻率必須高于諧振頻率。因此，所選擇的接通時間還必須比精確達(dá)到諧振頻率所必需的時間短。
半橋變換器的振蕩頻率越接近于諧振頻率，由此而產(chǎn)生的點(diǎn)燃電壓就越高。然而，電路布置負(fù)載容量代表了關(guān)于振蕩頻率距諧振頻率有多近的限度。為了在電路布置未過載的情形下取得盡可能高的點(diǎn)燃電壓，通過半橋布置的電流或負(fù)載電流由閾值裝置檢測。如果檢測的電流超過電流極限值，則閾值裝置產(chǎn)生中斷信號，該信號被提供給計時器的中斷輸入端。如此設(shè)計計時器的中斷輸入端，以使計時器一接收到中斷信號，接通時間就即刻被終止。這意味著計時器立刻將停止信號變至斷開狀態(tài)。這意味著振蕩頻率可如電路布置的負(fù)載容量允許的那樣僅僅接近諧振頻率，并且在另一方面，這意味著為了取得盡可能高的點(diǎn)燃電壓還增加了這種負(fù)載容量的限度。
除了點(diǎn)燃模式外，起動模式還包括預(yù)熱模式。預(yù)熱模式的目標(biāo)是在點(diǎn)燃模式之前，將所連接的燈的電極燈絲提高到這樣一種溫度，在該溫度下點(diǎn)燃可以以保護(hù)燈絲的方式發(fā)生。為了這個目的，在點(diǎn)燃模式之前，序列控制器設(shè)置選擇開關(guān)以便將用于時間預(yù)置的第二裝置與計時器耦合。因此使計時器設(shè)置固定的接通時間，該固定的接通時間適于電極燈絲的預(yù)熱。這個接通時間必然產(chǎn)生振蕩頻率，該振蕩頻率與諧振頻率相差很遠(yuǎn)以致將導(dǎo)致點(diǎn)燃電壓施加于燈是不可能的。實驗已經(jīng)表明當(dāng)振蕩頻率比諧振頻率大1.5倍時，情形就是這樣的。
在半橋布置中使用雙極晶體管時，本發(fā)明尤其有利。針對這一點(diǎn)存在兩個原因首先，雙極晶體管比等效的電子開關(guān)(如MOSFET或IGBT)的成本更低。其次，必須得到強(qiáng)電流以用來驅(qū)動雙極晶體管。在本發(fā)明的情形中，通過從負(fù)載電路取得用于驅(qū)動雙極晶體管的電流來解決這個問題。然而，按照本發(fā)明的電路布置允許借助于振蕩頻率而使燈操作變量受控。
最近出現(xiàn)的大功率LED(發(fā)光二極管)具有超出0.1A很多的工作電流。因此，對于LED電源來說，本發(fā)明也很重要。所以，在本發(fā)明中，詞句“燈”還包括LED。


在下文中，將利用示范性的實施例并且參考附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地解釋，其中圖1顯示的是按照本發(fā)明的電路布置的框圖，圖2顯示的是按照本發(fā)明的、帶有功率因數(shù)校正的電路布置的電路圖，圖3a顯示的是針對按照本發(fā)明的電路布置的特征電壓波形的波形，以及圖3b顯示的是針對按照本發(fā)明的電路布置的特征電流波形的波形。
在下文中，電阻器用字母R表示、電子開關(guān)用字母S表示、二極管用字母D表示、電容器用字母C表示、節(jié)點(diǎn)用字母N表示、變壓器用字母T表示、電感器和繞組用字母L表示，在所有情形中數(shù)字跟在字母后面。另外，在下文中，不同的示例性實施例中同樣的元件以及具有相同作用的元件總是使用相同的附圖標(biāo)記。
具體實施例方式
圖1顯示的是按照本發(fā)明的電路布置的框圖。上部和下部電子開關(guān)S1、S2是串聯(lián)連接的并且構(gòu)成了半橋布置。在它們的連接點(diǎn)處，S1和S2構(gòu)成中心點(diǎn)N1，負(fù)載電路LK被連至中心點(diǎn)N1，負(fù)載電流IL在其中流動。為了清楚起見，與S1和S2并聯(lián)的續(xù)流二極管未被示出。負(fù)載電路Lk包含了帶有一個諧振頻率的電抗網(wǎng)絡(luò)，燈Lp可被連至電抗網(wǎng)絡(luò)。電抗網(wǎng)絡(luò)示意性地用電感器和電容器表示。為了使半橋布置的源阻抗與由燈Lp形成的負(fù)載阻抗相匹配，電抗網(wǎng)絡(luò)是必需的。正如由帶圈的加號和減號所表示的，氣體放燈需要具有電流源特征的電源，而半橋布置由電壓源饋電。
反饋裝置Rk確保了振蕩，也就是說，S1和S2輪流被接通和斷開。這個反饋裝置Rk從負(fù)載電路Lk中取得能量并將該能量提供給電子開關(guān)S1、S2的控制輸入端。反饋裝置Rk通常是變壓器，盡管電容反饋也是可能的。
按照本發(fā)明，電路布置帶有停止裝置St，在圖1中停止裝置St與反饋裝置Rk并聯(lián)連接至電子開關(guān)S1、S2的控制輸入端。通過控制信號的短路，停止裝置St可因此阻止S1和S2被驅(qū)動。停止裝置St的這種作用還可以不同的方式(如通過反饋裝置Rk輸入端的短路或者通過斷開反饋裝置Rk的輸入或輸出)獲得。特別是在雙極晶體管的情形下，使控制信號短路是有利的，因為這與更快的斷開和更好的阻塞響應(yīng)有關(guān)。停止裝置St沒必要對控制輸入S1和S2起作用。例如，借助于MOSFET，停止裝置St可以對雙極晶體管的發(fā)射極起作用，并且這被稱為共射-共基放大電路。
停止裝置St有一個輸入端，通過這個輸入端，停止裝置St被計時器Ti控制。計時器Ti提供可表現(xiàn)為接通狀態(tài)和斷開狀態(tài)的停止信號。當(dāng)斷開狀態(tài)的停止信號被提供給停止裝置St時，則停止裝置St的輸出阻止S1和S2被驅(qū)動。
計時器Ti有三個輸入端。一個輸入端被連至觸發(fā)裝置Tr。觸發(fā)裝置一向計時器Ti發(fā)送觸發(fā)信號，計時器Ti就在接通時間的持續(xù)時間內(nèi)向停止裝置St發(fā)出接通狀態(tài)的停止信號，并且接著變回斷開狀態(tài)。借助于單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器，計時器Ti的功能可因此被實現(xiàn)。然而，由微控制器中的軟件提供這種功能也是可能的。
正如上面解釋的，觸發(fā)器Tr不得不在續(xù)流階段內(nèi)產(chǎn)生觸發(fā)信號。為此目的，觸發(fā)器Tr與負(fù)載電路耦合?，F(xiàn)在，觸發(fā)信號可從負(fù)載電流IL、N1處的電壓中獲得或者從通過以已知的方式與比較變量進(jìn)行比較而得到的變量中獲得。
計時器Ti的第二輸入端與閾值裝置Sc耦合。閾值裝置Sc向計時器Ti發(fā)送中斷信號，使計時器Ti立刻將停止信號切換到斷開狀態(tài)。在接通時間已經(jīng)消逝之前，S1和S2因此被切斷。這可防止振蕩頻率落入主諧振電流和電壓的峰值發(fā)生的范圍內(nèi)。通過使上述的單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器復(fù)位可提供這個功能。另外，還可由微控制器中的軟件來實現(xiàn)這個功能。在圖1中，閾值裝置Sc將開關(guān)S2內(nèi)的電流與預(yù)定基準(zhǔn)值進(jìn)行比較。如果這個電流值超過預(yù)定基準(zhǔn)值，則閾值裝置Sc發(fā)送中斷信號。然而，閾值裝置Sc的輸入還可使用負(fù)載電路中用于檢測劇烈諧振的其它電變量。例如，燈接線端兩端的電壓可用于這種用途。
通過計時器Ti的第三輸入端可調(diào)節(jié)接通時間。選擇開關(guān)Wa由序列控制器As控制。選擇開關(guān)Wa的位置確定了電路布置中哪個裝置將限定接通時間。
計時器Ti還可帶有根據(jù)溫度來調(diào)節(jié)接通時間的另外部分。如果測量的溫度超過預(yù)定值，則接通時間可因此被縮短，從而導(dǎo)致燈功率減少以及因此導(dǎo)致電路布置中的功耗減少。因此防止由過熱引起的電路布置的故障成為可能。就給定溫度條件下的燈效率而言，燈功率的溫度相關(guān)性還可用來優(yōu)化燈功率。
當(dāng)電路布置被起動時，序列控制器As將選擇開關(guān)Wa設(shè)置于使用于時間預(yù)置Z2的第二裝置與計時器Ti的第三輸入端耦合的位置。固定接通時間因此被設(shè)置，其中電極燈絲可被預(yù)熱。這個預(yù)熱模式在大約1秒鐘的固定預(yù)熱時間內(nèi)被序列控制器As維持。序列控制器還可被供給與電極燈絲的狀態(tài)相關(guān)的數(shù)據(jù)，從而使預(yù)熱時間被控制。
在預(yù)熱時間之后，序列控制器As在點(diǎn)燃時間的持續(xù)時間內(nèi)變至點(diǎn)燃模式。在點(diǎn)燃模式下，選擇開關(guān)Wa將用于時間預(yù)置Z1的第一裝置與計時器Ti的第三輸入端耦合。這導(dǎo)致了可產(chǎn)生與諧振頻率接近的振蕩頻率的接通時間。接著，在燈接線端處設(shè)置點(diǎn)燃電壓，如果需要的話由閾值裝置Sc控制燈接線端處點(diǎn)燃電壓的電平。借助用于燈點(diǎn)燃的檢測裝置，序列控制器As可預(yù)先確定固定的點(diǎn)燃時間或者可終止固定的點(diǎn)燃時間。
在點(diǎn)燃模式之后，序列控制器As變至燈操作。為此目的，選擇開關(guān)Wa被移至使計時器Ti的第三輸入端與測量裝置Me耦合的位置。這閉合了用于由測量裝置Me檢測的受控變量的控制環(huán)。這個受控變量可以是比如燈電流或燈功率。當(dāng)然，依賴于這些變量的變量還適合用作受控變量。測量裝置Me可將已知的控制特征(如PID)應(yīng)用于受控變量。
最后，序列控制器As還可將選擇開關(guān)Wa移至為計時器Ti預(yù)置帶零值的接通時間的位置。接著，半橋變換器不工作。這種功能可在故障狀態(tài)下使用。
圖2顯示的是按照本發(fā)明的、帶有功率因數(shù)校正的電路布置的電路圖。通過電荷泵可提供功率因數(shù)校正。從技術(shù)的觀點(diǎn)看，電荷泵對本發(fā)明來說是次重要的。因為本發(fā)明以及電荷泵在成本方面優(yōu)于其它電路，所以從經(jīng)濟(jì)的角度來看它們的組合是有優(yōu)勢的。電荷泵的技術(shù)說明可在文獻(xiàn)EP1443807(Rudolph)找到。
在圖2所示的示例中，電路布置被連至為燈提供能量的電源電壓VN。包含了二極管D1、D2、D3和D4的全波整流器提供了節(jié)點(diǎn)N2和基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)M之間的整流的電源電壓。泵二極管D5將N2連至節(jié)點(diǎn)N3，在此處可得到相對于基準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)M的電源電壓以供用于半橋變換器。能量存儲電容器C3被連接到N3和M之間并且被用來穩(wěn)定電源電壓。
包含兩個串聯(lián)連接的電子開關(guān)S1和S2的半橋布置被連接到N3和M之間。S1被連至N3并代表上部電子開關(guān)；S2被連至M并代表下部電子開關(guān)。一個續(xù)流二極管D6或D7分別與S1和S2并聯(lián)。構(gòu)成半橋布置中心點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)N1位于S1和S2之間的連接點(diǎn)處。緩沖電容器C1被連接到N1和N2之間并且影響上述的電荷泵。
兩個耦合電容器C4、C5也在N3和M之間串聯(lián)連接，它們的連接點(diǎn)構(gòu)成了節(jié)點(diǎn)N4。如果電路布置不需要被平衡的話，電容器C4和C5中的一個可被省略。
半橋布置以比電源頻率更高的頻率在N1和N4之間產(chǎn)生用于燈Lp操作的方波AC電壓。燈Lp遠(yuǎn)離N4的那個接線通過諧振電容器C2被連接至節(jié)點(diǎn)N2。諧振電容器C2還影響電荷泵。
三個電感元件被串聯(lián)連接并且與燈串聯(lián)，這三個電感元件是燈電感器L3、反饋變壓器T1的初級繞組L1c和電流互感器T2的初級繞組L2a。電抗網(wǎng)絡(luò)由L3連同C2構(gòu)成。在本示例中，除了電抗網(wǎng)絡(luò)，負(fù)載電路只包含耦合電容器C4和C5。另外，負(fù)載電路還可包括用于電極燈絲預(yù)熱和點(diǎn)燃燈的機(jī)構(gòu)。
反饋變壓器T1具有兩個次級繞組L1a和L1b，它們分別與電子開關(guān)S1和S2的控制輸入端耦合。在本示例中，L1a和L1b分別與S1和S2的基極-發(fā)射極結(jié)并聯(lián)。T1的繞組的繞線方向如此選擇以使由T1形成的反饋導(dǎo)致半橋布置的穩(wěn)態(tài)振蕩。起動振蕩的機(jī)構(gòu)是眾所周知的，這里將不再描述。
除了在T1上的三個已描述的繞組，T1還帶有第四個繞組L1d，該繞組L1d與由二極管D12、D13、D14、D15構(gòu)成的全橋整流器的AC電壓接線相耦合。這個整流器的DC電壓接線與電子開關(guān)S4并聯(lián)。L1d、整流器和S4構(gòu)成停止裝置。S4是MOSFET，其源極接線被連至基準(zhǔn)地電位M。與斷開狀態(tài)對應(yīng)的停止信號一被施加于S4的柵極，S4就通過整流器L1d短路。通過T1，電子開關(guān)S1和S2的控制輸入端因此也被短路并因此被斷開。
S4由計時器IC2控制。被廣泛使用的計時器電路555可用作IC2。在引腳3處，IC2生成停止信號。為了取得用于驅(qū)動S4的正確極性，引腳3處的信號必須被反相。按通常的方式，這個用大圓點(diǎn)注釋。
為了向IC2提供能量，在節(jié)點(diǎn)N5和基準(zhǔn)地電位M之間設(shè)有電壓源VH。這個電壓源可以是獨(dú)立的電源單元的形式，該電源單元從電源電壓VN中取得能量。擴(kuò)充電路布置中的半橋變換器以使電源電壓可被提供給IC2，這也是正常的。為了向IC2提供能量，IC2的引腳8被連至N5并且引腳1被連至基準(zhǔn)地電位M。
由電阻器R1和電容器C8構(gòu)成的串聯(lián)電路形成了時間常數(shù)，其連接在N5和M之間。為了為計時器預(yù)置時間常數(shù)，R1和C8之間的連接點(diǎn)被連至IC2的引腳6和引腳7。引腳4形成了復(fù)位輸入端，并且為了達(dá)到所期望的IC2的功能性，引腳4必須被連至用于IC2的正工作電壓。
IC2的引腳2形成觸發(fā)輸入端，并且IC2的引腳2首先通過電阻器R3被連至N5。為了啟動計時器，在引腳2處需要負(fù)脈沖。這個負(fù)脈沖由IC1提供。IC1是用作比較器的運(yùn)算放大器，并且例如LM293模塊可用于這種用途。在IC1的引腳1處，提供IC2的引腳2處的觸發(fā)脈沖。IC1的引腳8和引腳4被用來供電并被連至N5和M。IC1的引腳2形成反相輸入端，并且通過電阻器R8被連至N5，以及通過電阻器R4被連至M。R4和R8的值被選擇成以使基準(zhǔn)地電位M基本上被施加于引腳2。
將二極管D8、D9、D10、D11構(gòu)成的全橋整流器的DC電壓輸出供給IC1的非反相輸入端。電流互感器T2的次級繞組L2b被連至這個全橋整流器的AC電壓輸入端。利用電阻器R5，全橋整流器的DC電壓輸出末端是低阻抗。與整流后的負(fù)載電流成比例的電壓因此被施加于IC1的非反相輸入端。在負(fù)載電流的過零點(diǎn)處，IC1的反相輸入端處的電壓暫時高于非反相輸入端處的電壓。這導(dǎo)致了IC1的引腳1處的負(fù)觸發(fā)脈沖。IC1、R4、R5、R8、D8、D9、D10、D11、L2a和L2b因此構(gòu)成了觸發(fā)裝置。在負(fù)載電流中一出現(xiàn)過零點(diǎn)，計時器就被觸發(fā)并在接通時間內(nèi)斷開晶體管S4，從而使S1和S2被驅(qū)動。
接通時間的持續(xù)時間通過計時器的引腳5來設(shè)置，雙極晶體管S3的集電極被連至計時器的引腳5。S3的發(fā)射極通過電阻器R2被連至M。S3的基極被與燈電流成比例的電容器C7的電位所驅(qū)動。有關(guān)燈電流電平的信息在節(jié)點(diǎn)N4處被抽出，在該處電容器C4、C5和C6構(gòu)成了電容分流器。經(jīng)過C6的燈電流分量的正的半周期經(jīng)由二極管D16被傳遞給測量電阻器R7，并經(jīng)由電阻器R6在C7上被積分。經(jīng)過C6的燈電流的負(fù)的半周期流過與D16和R7并聯(lián)的二極管D17。
燈電流現(xiàn)在一上升，C7處的電壓就上升。S3因此被更強(qiáng)烈地驅(qū)動，其結(jié)果是IC2的引腳5以更低的電阻值被連至基準(zhǔn)地電位M。這導(dǎo)致了接通時間的減少并因此導(dǎo)致半橋布置的振蕩頻率增加。由于燈電感器L3，更高的振蕩頻率導(dǎo)致燈電流下降從而閉合了控制環(huán)。
圖1的框圖公開了用于提供燈預(yù)熱和點(diǎn)燃的序列控制器。在圖2所示的示范實施例中未對其進(jìn)行說明。本領(lǐng)域的技術(shù)人員無須經(jīng)過任何創(chuàng)造性的步驟僅通過使用微控制器就可實現(xiàn)該序列控制器。計時器也可以由微控制器構(gòu)成。
另外，圖2未顯示可限制點(diǎn)燃電壓的閾值開關(guān)。
圖3a和3b顯示的是按照如圖2所示的本發(fā)明的電路布置的特征工作變量的波形。圖3a顯示的是觸發(fā)信號Wav1和停止信號Wav2的波形。
觸發(fā)信號Wav1在IC1的輸出端處生成。觸發(fā)信號Wav1在12V的電壓源VH的值處處于靜態(tài)。負(fù)載電流一變成近似為零，由觸發(fā)信號Wav1表示的觸發(fā)事件在短時間內(nèi)變?yōu)榱恪．?dāng)觸發(fā)信號Wav1變?yōu)榱銜r，它因此可被確定是活躍的。IC2的觸發(fā)輸入端2被反相的事實可證明其正確性。
觸發(fā)事件促使停止信號Wav2變至接通狀態(tài)。在圖2所示的示范實施例中，接通狀態(tài)只在停止信號Wav2為零值時才會發(fā)生。在近似7.3微秒的接通時間后，停止信號變至與示例中12伏的電壓電平相對應(yīng)的斷開狀態(tài)?？偟恼f來，約為46KHz的半橋變換器振蕩頻率可被讀取。
圖3b顯示的是集電極電流S2的波形WavS2和負(fù)載電流IL的波形WavIL。在停止信號WavS2的每個相間周期的接通時間期間，負(fù)載電流WavIL和開關(guān)電流WavS2是重合的。在中間周期內(nèi)的接通時間期間，負(fù)載電流WavIL和圖中未顯示的S1的開關(guān)電流是重合的。
正如可以清楚地看到的，在接通時間的結(jié)尾，開關(guān)電流突然終止，因為對S2的驅(qū)動被變至斷開狀態(tài)的停止信號中斷了。然而，在隨后的振鈴時間和續(xù)流階段，負(fù)載電流WavIL繼續(xù)流動。續(xù)流階段的特征是負(fù)的開關(guān)電流WavS2。盡管有續(xù)流二極管，負(fù)的集電極電流流過S2的正向偏壓的集電極-基極二極管。
這一點(diǎn)清楚地表明觸發(fā)信號Wav1的觸發(fā)脈沖在接近續(xù)流階段的結(jié)尾處被啟動。
權(quán)利要求
1.用于燈(Lp)操作的電路布置，具有下列特性·具有串聯(lián)連接的上部和下部電子開關(guān)(S1、S2)的半橋布置，每個電子開關(guān)具有控制接線并在它們的連接點(diǎn)處構(gòu)成中心點(diǎn)(N1)，·其中有負(fù)載電流(IL、WavIL)流動的負(fù)載電路(Lk)被連至所述中心點(diǎn)(N1)，·所述負(fù)載電路(Lk)包含具有諧振頻率的電抗網(wǎng)絡(luò)，燈(Lp)可被連至所述電抗網(wǎng)絡(luò)，·所述負(fù)載電路(Lk)被設(shè)計成以使在所連接的燈(Lp)的正常操作期間并且在一個電子開關(guān)(S1、S2)打開之后，相應(yīng)的另一個電子開關(guān)(S1、S2)兩端的電壓在振鈴時間后變?yōu)榱悖に鲭娐凡贾镁哂蟹答佈b置(Rk)，所述反饋裝置(Rk)以所述電子開關(guān)(S1、S2)被輪流接通的方式將來自所述負(fù)載電路(Lk)的反饋變量耦合到所述電子開關(guān)(S1、S2)的所述控制接線，·所述電路布置具有停止裝置(St)，所述停止裝置(St)耦合到所述電子開關(guān)(S1、S2)的所述控制接線并且具有一個被施加停止信號的輸入端，只要所述停止信號(Wav2)處于所述斷開狀態(tài)，所述停止裝置(St)就阻止所述電子開關(guān)被接通，·所述電路布置具有計時器(Ti)，所述計時器(Ti)耦合到所述停止裝置(St)的輸入端并產(chǎn)生所述停止信號(Wav2)，所述停止信號可表現(xiàn)為接通狀態(tài)和所述斷開狀態(tài)，·所述電路布置具有觸發(fā)裝置(Tr)，在所述振鈴時間已經(jīng)消逝后但最遲在所述負(fù)載電流(IL、WavIL)變?yōu)榱銜r，所述觸發(fā)裝置(Tr)在每一情形下向所述計時器(Ti)發(fā)出觸發(fā)信號(Wav1)，·如果所述計時器(T i)接收到觸發(fā)信號(Wav1)并在接通時間的持續(xù)時間內(nèi)保持所述接通狀態(tài)，則所述計時器(T i)將所述停止信號(Wav2)切換至所述接通狀態(tài)。
2.如權(quán)利要求1所述的電路布置，其特征在于下列特性·所述電路布置具有測量裝置(Me)，所述測量裝置(Me)在燈操作期間將受控變量引入所述計時器(Ti)，所述受控變量與連接的燈(Lp)的功率或電流成比例，·所述計時器(Ti)將所述接通時間設(shè)置為所述受控變量的函數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的電路布置，其特征在于下列特性·選擇開關(guān)(Wa)，其具有一個以可確定所述接通時間的方式被連至所述計時器(Ti)的輸出端，·所述選擇開關(guān)(Wa)至少有兩個輸入端，所述受控變量被引入第一輸入端，以及第二輸入端被耦合到用于時間預(yù)置(Z1)的第一裝置，在這種情形下，這個裝置可為所述計時器預(yù)置起動模式的接通時間，·所述選擇開關(guān)(Wa)由序列控制器控制以使所述選擇開關(guān)(Wa)的輸出端在燈操作期間耦合到所述第一輸入端，并且所述選擇開關(guān)(Wa)的輸出端在所述起動模式期間耦合到所述第二輸入端。
4.如權(quán)利要求3所述的電路布置，其特征在于下列特性·所述起動模式包含預(yù)熱模式和點(diǎn)燃模式，·用于時間預(yù)置(Z1)的所述第一裝置為所述計時器(Ti)預(yù)置所述點(diǎn)燃模式的接通時間，·所述選擇開關(guān)具有耦合到用于時間預(yù)置(Z2)的第二裝置的第三輸入端，這個裝置為所述計時器(Ti)預(yù)置所述預(yù)熱模式的接通時間，·所述選擇開關(guān)(Wa)由序列控制器控制，以使所述選擇開關(guān)的輸出端在所述點(diǎn)燃模式期間耦合到所述第二輸入端，并且所述選擇開關(guān)的輸出端在所述預(yù)熱模式期間耦合到所述第三輸入端。
5.如權(quán)利要求3或4所述的電路布置，其特征在于，所述起動模式或點(diǎn)燃模式的接通時間被選擇成以使從所述負(fù)載電流(IL)的過零點(diǎn)算起的所述接通時間比所述電抗網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率的一個四分之一周期的持續(xù)時間短。
6.如權(quán)利要求4所述的電路布置，其特征在于，所述預(yù)熱模式的接通時間被選擇成以使所述半橋布置的振蕩頻率的值比所述電抗網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率大1.5倍。
7.如前面任何一項權(quán)利要求所述的電路布置，其特征在于下列特性·閾值裝置(Sc)，其將通過所述半橋布置的電流或所述負(fù)載電流(IL)與電流極限值進(jìn)行比較，并且如果檢測的電流大于所述電流極限值，所述閾值裝置(Sc)發(fā)出中斷信號，·所述計時器(Ti)具有中斷輸入端，所述中斷信號被供給所述中斷輸入端，·中斷信號一被施加于所述中斷輸入端，所述停止信號(Wav2)立刻變至所述斷開狀態(tài)。
8.如前面任何一項權(quán)利要求所述的電路布置，其特征在于，至少所述計時器(Ti)的功能由微控制器提供。
9.如前面任何一項權(quán)利要求所述的電路布置，其特征在于，所述電抗網(wǎng)絡(luò)包括由燈電感器(L3)和諧振電容器(C2)構(gòu)成的串聯(lián)電路，并且燈(Lp)與所述諧振電容器(C2)以并聯(lián)的方式耦合。
10.如前面任何一項權(quán)利要求所述的電路布置，其特征在于，所述電子開關(guān)(S1、S2)是雙極晶體管。
11.如前面任何一項權(quán)利要求所述的電路布置，其特征在于，所述反饋裝置(Rk)包括反饋變壓器，所述反饋變壓器的初級繞組(L1c)與所述燈電感器(L3)串聯(lián)連接，以及所述反饋變壓器的次級繞組(L1a、L1b)為所述電子開關(guān)(S1、S2)提供控制電流。
12.如權(quán)利要求2至11所述的電路布置，其特征在于，所述受控變量由控制放大器放大。
13.如前面任何一項權(quán)利要求所述的電路布置，其特征在于下列特性·所述電路布置具有溫度測量裝置，所述溫度測量裝置將溫度測量變量引入所述計時器(Ti)，所述溫度測量變量與所述電路裝置的操作或所述燈的操作有關(guān)的溫度成比例，·如果所述計時器(Ti)接收到觸發(fā)信號(Wav1)并在接通時間的持續(xù)時間內(nèi)保持所述接通狀態(tài)，則所述計時器(Ti)將所述停止信號(Wav2)切換至所述接通狀態(tài)，所述計時器(Ti)將所述接通時間設(shè)置成所述溫度測量變量的函數(shù)。
14.一種用于起動和操作具有如權(quán)利要求4所述的電路布置的燈的方法，其特征在于下列步驟·在預(yù)熱時間的持續(xù)時間內(nèi)，所述接通時間被設(shè)置成以使所述半橋布置的振蕩頻率具有比所述電抗網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率的值大1.5倍的值，·在點(diǎn)燃時間的持續(xù)時間內(nèi)，所述接通時間被設(shè)置成使所述半橋布置的振蕩頻率具有充分接近所述電抗網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率的值的值，以使連接的燈能夠點(diǎn)燃，·所述燈點(diǎn)燃后，所述接通時間由受控變量控制。
全文摘要
電路布置具有用于氣體放電燈的操作的自激半橋變換器。停止裝置被用于只在接通時間期間驅(qū)動半橋開關(guān)。半橋變換器的振蕩頻率可通過接通時間的持續(xù)時間來調(diào)節(jié)，這使得燈的工作變量可控。
文檔編號H05B37/00GK1822741SQ200610009070
公開日2006年8月23日 申請日期2006年2月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月17日
發(fā)明者B·魯多爾夫 申請人:電燈專利信托有限公司