CN1537404A - 具有电压和电流传感器的镇流器 - Google Patents

Abstract

提供了一种对高亮度放电灯50进行功率控制的系统和方法。电压传感器54确定灯两端的电压。电流传感器40确定流过灯的电流。控制电路基于来自传感器的输入估计灯的功率，将灯功率与期望水平进行比较，并且基于比较结果调节灯的功率。

Description

具有电压和电流传感器的镇流器

技术领域

本发明涉及操作高亮度放电灯的镇流器电路，特别是涉及在一个宽的电源和灯电压范围内调节灯功率的新的镇流器电路。

背景技术

高亮度放电灯包含电弧管，在电弧管中以多种材料产生电弧。外部玻璃壳提供了热隔离，目的是保持电弧管的温度。电弧管的温度影响所产生的光线颜色以及灯的预期寿命。镇流器电路用于提供高电压以在电弧管中引起电弧，并提供功率以保持电弧。通过调节施加于灯的功率，能够控制电弧管温度。高亮度放电灯的实例包括金属卤化物灯以及高压钠蒸气灯。目前在高亮度放电灯方面的进步改善了色彩、启动时间，以及预期寿命，从而打开了通向从前由白炽灯所占据的新的市场的大门。新的高亮度放电灯的一个缺点是这种新的灯需要更严格的电源调节。

图1示出了一种典型的高亮度放电灯镇流器电路。该电路包含与灯256串联的电感250以及与电压源252并联用于功率因数校正的电容254。电感器被典型地设定为在给定的电源电压向额定的灯提供最理想的功率。提供给灯的功率(P_lamp)是将灯两端的电压(V_lamp)与流过灯的电流(I_lamp)相乘。应用欧姆定律，I_lamp等于V_lamp除以灯电阻(R_lamp)。将环绕电路的电压求和，电源电压(V_supply)将等于通过电感的电压(V_inductor)加上V_lamp。重写功率方程式，得到P_lamp＝(V_suply-_Vinductor)²/R_lamp。随着灯的老化，其电阻会减小。许多公用事业公司认为电源电压相对于额定电压发生达到10％的变化是典型的也是可以接受的。在一些应用中改变电源负载可引起电压变化高于典型的10％。如在上述的灯功率方程式中所示，灯阻抗以及电源电压的变化能够引起提供给灯的功率发生变化。在许多的照明应用中，希望得到发生出稳定光线亮度的灯，这就需要给灯提供恒定功率。除了提供恒定的光线亮度之外，恒定的电源可提高灯的寿命。在其它的应用中希望得到的是在可变的恒定功率水平操作灯以减低亮度，减少功率损耗，或者改变灯的颜色。

目前可利用电子镇流器，其提供恒定功率并有调光能力。然而，这些镇流器更加昂贵。增加了的费用可能是由于检测、计算以及调节提供给灯的功率所需要的附加的电路。在这三个电路中，用于计算灯的功率的一个往往是最贵的。如上面指出的，供给灯的功率可通过将灯两端的电压与流过灯的电流相乘来计算。乘法电路通常是复杂的并且要求具有高的精度，这就导致了高的费用。

因此所需要的是这样一种镇流器电路，其利用不昂贵的功率调节电路提供恒定的功率，并可提供对灯的任意调光。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种控制提供给高亮度放电灯的功率的方法。测定通过灯的电压和电流。利用该电压和电流可估计灯的功率。提供给灯的功率可基于所估计的功率与预定的值的比较被调节。

流过灯的电流是通过将电流转变为表示电压(representativevoltage)来确定的。灯两端的电压是通过定标(scale)灯电压来确定的。通过表示电压与定标的电压的和来估计灯功率。对估计的功率与预定值进行比较，从而确定它们之间的大小关系。

本发明的另一方面提供了一种对高亮度放电灯进行功率控制的系统。利用电压传感器确定灯两端的电压。用电流传感器确定流过灯的电流。一个控制电路被可操作地连接到该电流传感器和电压传感器。控制电路基于来自传感器的输入估计灯功率。控制电路比较灯功率与期望水平并且基于该比较结果调节灯功率。电流传感器包括与灯串联的电阻。信号调节电路定标并且滤波电流传感器的输出。电压传感器包括与灯并联的分压器网络。分压器包括电压限制网络。控制电路包括累加电路。累加电路包括一个滤波器和多个整流器。控制电路包括电压基准信号发生器。信号发生器产生与所感应的电流同步并且两倍于所感应的电流的频率的锯齿状波形。控制电路包括限流器件。控制电路包括一个比较电路。

结合附图，通过下面对目前优选实施例的具体描述，本发明的前述以及其它特征和优点将更加明显。

附图说明

图1是现有技术，示出典型磁镇流器的示意图；

图2是具有功率调节的高亮度放电灯镇流器的一个实施例的局部示意图和局部方框图；

图3示出了图2中的镇流器电路中波形的时序图；

图4示出实际恒定功率和近似实际功率的线性函数的图。

具体实施例方式

在图2中图示了可调节灯功率的镇流器电路的一个实施例，并且该电路的整体被表示为数字10。镇流器电路可包括允许确定灯两端电压以及流过灯的电流的传感器以及一个控制电路，该控制电路利用从传感器获得的信息计算灯功率，比较灯功率与期望水平，并基于比较结果调节灯功率。

传感器可感测流过灯的电流。在一个实施例中，电流传感器可包括一个与灯50串联的电阻40。电阻40的一端可被连接到可连接AC电压源52的中性点的端子48。电阻的另一端可被连接到信号调节器电路130、电压感测网络54的电阻38和稳压二极管44，以及端子46，其可连接灯50的一侧。本领域的技术人员知道可以用电阻网络替代电阻40从而获得期望的电阻以及功率损耗。

传感器可感测灯两端的电压。在一个实施例中，电压传感器54可包括三个串联在一起形成分压器的电阻34、36和38。电阻36和38与阳极与阳极串联连接的两个稳压二极管42和44并联。可以选择稳压二极管42和44从而限定电阻36和38两端的电压。限制电压能减少电压传感器输出波形的初始电压成分。通过减少初始电压成分，可获得对灯电压的更准确的表示。电阻34可连接到可连接灯50的另一侧以及电感30的端子32。电阻38和36可连接到累加电路120的一个输入。

镇流器电路可包括控制电路，该控制电路利用从传感器来的信息计算灯功率，比较灯功率与期望水平，并基于该比较结果调节灯功率。在一个实施例中，控制电路可包括信号调节器130、累加电路120、比较器110、基准信号发生器100，以及由比较器控制的限流电路56。

信号调节器电路可连接到电流传感器的输出以调节信号用于处理。在一个实施例中，信号调节器130可放大电流感测电阻40两端的电压。本领域的技术人员可知道因为上述描述的类型的电流传感器的输出电压出于功率的考虑通常保持为低，因此这种放大是需要的。

累加电路可通过将表示电压和电流的电压相加来用于计算近似功率。累加电路120可将从信号调节器130和电压传感器54得到的电压的绝对值相加。累加电路120可包括滤波器从而对两个电压的和取时间上的平均。利用将灯电流和灯电压相乘可计算实际的灯功率。图4示出多个灯电压和电流的真实的恒定灯功率的图。在图4中还图示了电流和电压的一个线性函数，可以发现在灯电压和灯电流的一定范围之内接近真实恒定功率。线性函数的方程式可表示为等式，K＝A(V_lamp)+B(I_lamp)。其中I_lamp是灯电流，V_lamp是灯电压，以及K、A和B是常数。线性方程和图4示出，可通过对定标的电压和电流求和从而计算得到近似的灯功率。

基准信号发生器可用于生成与表示近似功率的电压比较的基准电压。在一个实施例中，基准信号发生器100可产生同步于电源电压波形的锯齿状波形。锯齿状波形频率可两倍于电源电压频率。锯齿状波形的振幅可随时间增长到期望水平然后复位。

比较器电路可比较灯的功率水平与期望水平并基于该比较结果输出一个信号。在一个实施例中，比较器110可将表示近似实际功率的电压水平与参考波形进行比较。比较器110可具有电绝缘的输出端。比较器110可具有限定有效脉冲宽度为期望持续时间的复位功能。本领域的技术人员将认识到：将从累加电路120得到的指示提供给灯的功率为低的低电压与增长的锯齿状波形进行比较得到的输出信号要比将从累加电路120得到的较高电压与增长的锯齿状波形进行比较得到的输出信号更快地变得有效。他们也将认识到这种类型的信号可用于控制三端双向可控硅开关元件、绝缘栅双极性晶体管(IGBT)、可控硅整流器(SCR)，或者其它的电子开关的导通角。

电子开关可并联一个限载装置来控制灯功率。在一个实施例中，控制电路的限流部分56可包括电感20，其通过端子18和28并联到串联于三端双向可控硅开关元件26的电感16。三端双向可控硅开关元件26的栅极可连接到比较器电路110的输出。三端双向可控硅开关元件26可与由串联连接的电阻22和电容24组成的缓冲电路并联。电感16和20可连接到保险14。保险14的另一端可连接到端子12，电源52的线路侧连接到端子12上。本领域的技术人员可知道当三端双向可控硅开关元件26不导通的时候，电感20和30可限定灯40的功率。当三端双向可控硅开关元件26导通的时候，电感30和并联的电感16及20的有效电感可限定灯40中的功率。如果三端双向可控硅开关元件的导通角变化，那么在两个所述水平之间的平均功率水平可被取得。他们也将知道电感20可被电阻、串联于电容的电阻或者其它的限流装置取代。

在操作中，镇流器电路可感测灯两端的电压和流过灯的电流，利用从传感器得到的信息计算灯功率，比较灯功率与期望水平，并基于该比较结果调节灯功率。

图3表示在镇流器电路10的一个实施例中的波形的时序图。曲线1示出电源52的电压波形。曲线2表示灯50的电压波形。曲线3表示灯50的电流波形。曲线4表示在电压传感器54的输出端的电压波形。曲线5表示信号调节器130输出端的电压波形。曲线6表示基准信号发生器100以及累加电路130的输出端的电压波形。曲线7表示比较器110的输出端信号。

在从t1到t2的时间中，灯中的电弧可被熄灭。当灯中没有电弧的时候，任何流经灯50和电阻40的电流可以忽略不计。如果没有电流经过电阻40，在电阻40上或者信号调节器的输入端的两端就不产生电压。没有电压施加到信号调节器130的输入端的时候，信号调节器130的输出可为零。如果没有电流流经灯50，灯电压能够等于电源电压。灯50两端的电压可被电阻34、36和38分压以产生被施加于累加电路120的定标的灯电压。如果累加电路120的输入的绝对值的和小于累加电路120的输出，那么累加电路120的输出电压可能会稍微减少。

在时刻t2，灯50两端的电压可以增长到触发启动电路140的水平以在灯50的两端施加一个高电压。从启动电路140得到的高电压可以启动灯50中的电弧。当启动电压被电阻34、36和38分压的时候，电阻36和38两端的电压可能会增加。当电阻36和38两端的电压增加到稳压二极管42和44的稳压值的时候，这些二极管可以开始导通以限定到累加电路130的输入端的电压。

在t2到t3之间的时间，在灯50中可能出现电弧，从而允许电流流经灯50、电阻40以及电感20和30。通过电阻40的电流产生电阻40两端的电压。信号调节器130可放大电阻40两端的电压并将表示灯电流的电压输出到累加电路120。灯50的电压等于电源电压减去电感20和30上的压降。可用分压器来定标灯的电压，最后生成输入到累加电路120的定标的电压。

在时刻t3，从基准信号发生器100得到的电压可超过从累加电路120得到的输出电压。当从基准信号发生器100得到的电压第一次超过累加电路120输出电压的时候，比较器110可输出脉冲到三端双向可控硅开关元件26的栅极从而使三端双向可控硅开关元件26导通。一旦三端双向可控硅开关元件26导通，即使在栅极电压被移除的时候，其也将保持在导通状态直到流经三端双向可控硅开关元件26的电流变为零。当三端双向可控硅开关元件26导通的时候，灯电压和电流可能会增加，这是由于和电感器20并联的电感器16的电感减小。

在时刻t4，过零的灯电压和电流使基准信号发生器100复位。当没有电流经过三端双向可控硅开关元件的时候，三端双向可控硅开关元件将进入非导通状态。当没有灯电压的时候，电弧将熄灭。本领域的技术人员将知道控制电路为双极性的，上述操作在电源电压的负极上可重复。

虽然这里公开的发明实施例目前被认为是优选的，但是不脱离发明的精神和范围能够得出多种改变和变形。本发明的范围表示在附加的权利要求书之中，并且所有落入等效的含义和范围的改变被认为是包含在其中。

Claims (13)

1、一种控制高亮度放电灯的功率的系统，包括：

一个电压传感器54，用于确定灯两端的电压；

一个电流传感器40，用于确定流过灯的电流；

一个控制电路，可操作地连接到所述电流传感器和电压传感器，该控制电路基于从传感器得到的输入估计灯的功率，将灯的功率与期望水平比较，并基于该比较结果调节灯功率。

2、如权利要求1所述的系统，其中电流传感器40包括一个与灯串联的电阻40。

3、如权利要求1所述的系统，进一步包括一个信号调节电路130，以定标并滤波电流传感器40的输出。

4、如权利要求1所述的系统，其中该电压传感器54包括一个与灯并联的分压器网络。

5、如权利要求4所述的系统，其中该分压器包括一个电压限定网络，从而降低启动电压对功率估计所产生的影响。

6、如权利要求1所述的系统，其中该控制电路包括一个累加电路120，通过将电压传感器54的输出与由电流传感器40的输出确定的表示电压相加来估计施加到灯50的功率。

7、如权利要求6所述的系统，其中该累加电路120包括一个滤波器，从而对求和的电压取时间上的平均。

8、如权利要求1所述的系统，其中控制电路包括一个累加电路120，以估计施加到灯50上的功率，其包括多个被连接的整流器以允许通过将由电流传感器40的输出确定的表示电压的绝对值与电压传感器54输出的绝对值相加来估计施加到灯的功率。

9、如权利要求1所述的系统，其中控制电路包括一个电压基准信号发生器100，用于与灯功率进行比较。

10、如权利要求9所述的系统，其中电压基准信号发生器100产生与所感测到的电流同步并且两倍于感测电流频率的锯齿波形。

11、如权利要求1所述的系统，其中该控制电路包括一个与电子开关26并联的限流元件20，该电子开关26与灯串联。

12、如权利要求6或8所述的系统，其中该控制电路包括一个比较器电路110，用于将表示灯功率的电压与基准值比较。

13、如权利要求12所述的系统，其中该控制电路包括一个与电子开关26并联的限流元件20，该电子开关26与灯串联，并且比较器电路110通过电绝缘的耦合器控制电子开关26。

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