专利名称：调光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电照明用的光度调校电路、设备和装置，亦即调光器。更具体地说，本发明尤其涉及用于紧凑型荧光灯管或省电灯泡的调光电路、设备和装置。
如众所知，荧光灯在不同的运行情况的负载模式亦有所不同。故此，荧光灯对于电源来说是可变的或非线性的负荷。为使荧光灯能在不同的运行情况下都能得到适当的供应电流而不受当时的运行模式所影响，主电源和荧光灯之间通常都设置了一个镇流器。一般来说，镇流器必须在起动时提供高的电压和电流以及在稳定工作状态时能够将供至荧光灯的电流限制于适当水平。
在许多情况下，电照明的光度调节有一定的需求。长久以来，由于荧光灯复杂的电路排列和拓扑结构，荧光灯的光度调节一直以来都是比较困难处理的。典型的荧光灯调光器通常通过将荧光灯的电源电压作周期性的断流或削波来达至。常用的断流方法通常是借参考交流电源输入相角通过截去交流电正弦曲线的一部分来实现的。这类调光器通常称为“相位控制调光器”并可以是正相调光器或反相调光器。正相调光器通常使用晶闸管作为电子断流装置或开关，例如硅可控整流器(SCR)，或者更普遍使用的三端双向可控硅开关组件。反相调光器则在交流(AC)线路过零之后立即允许AC线路输入的半周期部分通过并将下一个过零之前的半周期部分断流或削波。这两种类型的调光器都是借调节AC电源半周期的断流部分或相角以控制调光。然而，这类相位控制调光器的主要缺点是过零检测为运行的先决条件。故此，在过零检测比较困难的情况下，例如是在带有电容镇流器的荧光灯情况下，这种相位控制调光器的效果就不大理想了。
由于对荧光灯进行调光具有一定的技术困难，大多数商业上提供的可调光荧光灯的调光器都与镇流器结合，这意味着难以对带有结合了镇流器的普通荧光灯作远距离的光度调校。故此，一般相信，利用远距离调光，例如是利用安装在墙上具有调光器的开关调光，是不可能的。因此，能够提供一种可与荧光灯使用而又可分开装置的简单的调光器或调光器电路将为大众所渴求。这些调光器或调光器电路可以安装在距紧凑荧光灯较远的地方，使人们可以在距灯较远的位置对荧光灯的光度进行调光控制。同时，为了使调光器能够安装与普通标准墙置式插座的预留位置，或者取替已经安装的普通标准墙置式插座的开关，此类调光器或电路系统最好足够地简单，以使调光器能够被接纳于一般标准墙置式插座的有限空间。进一步地说，此类荧光灯用的调光器最好是一种双线调光器，使该调光器能取代旧有装置而无需额外线路。
本发明的第一方面提供一种调光设备，这种调光设备包括一个连接到交流电源的输入端子、一个连接到负荷的输出端子和一个开关模式电源，所述开关模式电源包括一个带有第一和第二开关端子的电子开关装置、开关控制装置、电感应装置和电容装置，所述电感应装置与所述开关装置的开关端子串联，所述电容装置与所述电感应装置及开关装置的串联组合并联，所述串联连接包括所述开关设备和所述感应装置，其中所述电子开关装置的开关频率可通过所述开关控制装置是可以进行控制及变化。
本发明的第二方面提供一种可与紧凑型荧光灯使用的双端调光装置，调光装置带有一个开关模式电源，该开关模式电源包括整流装置、电子开关装置、一个感应组件、一个电容组件和一个开关控制装置，所述整流装置通过所述感应组件连接到所述开关装置，所述电容组件通常与所述感应组件和所述开关装置的串联连接并联，所述开关控制装置向所述开关装置提供开关信号，所述开关信号的频率大体上高于输入交流电源的频率。
本发明的第三方面，提供一种调光装置，该调光装置包括一个用来连接到交流电源的输入端子、一个用来连接到负荷的输出端子和一个开关模式电源的排列，所述开关模式电源包括一个带有第一和第二开关端子的电子开关装置、开关控制装置、一个感应器和一个电容器，所述电子开关装置的所述第一和第二开关端子、所述感应器和电容器排列在一个电路环路中，其中所述电子开关装置的开关频率可以通过所述开关控制装置进行控制及变化。
优选在所述开关模式电源的输出端和所述调光装置的输出端子之间连接一个感应器。
优选所述电子开关装置的开关频率大体上高于所述交流电源的频率。
优选开关控制装置包括发出脉冲宽度调制(PWM)开关信号的微控制器或微处理器。
优选所述开关装置的所述开关频率在1～50kHz之间。
优选所述电子开关装置可以是双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
优选所述感应装置包括一个感应器，所述电容装置包括一个电容器。
优选还包括整流装置来为所述开关装置提供整流电源。
优选在上述装置的输出端连接一个额外的感应组件。
优选所述开关装置和所述感应装置的串联连接还和一个整流装置串联，所述电容装置并联到由所述开关装置、感应装置和整流装置所组成的串联连接。
优选所述开关信号包括一个信号脉冲列，该信号脉冲列带有相当于“打开”或“关闭”开关状态的电平，且能够逐渐地改变“打开”和“关闭”脉冲的相对持续时间。
优选所述开关装置和所述感应装置的串联连接还和一个整流装置串联，所述电容装置并联到由所述开关装置、感应装置和整流装置所组成的串联连接。
优选调光装置的一个端子用于连接到AC电源，另一个端子用于连接到紧凑荧光灯的电子镇流器。
根据本发明的另一方面，提供一种包括上述调光装置和紧凑荧光灯的照明系统。
优选所述调光装置的位置与所述紧凑荧光灯的位置无关。
根据本发明的再另一方面，提供一种照明排列，该照明排列包括一个紧凑荧光灯，该紧凑荧光灯带有一个电子镇流器和一个具有上述特征的调光装置。
符号说明10 调光器块11 电子开关30 开关电源的输出节点40 调光器的输出节点C1 电容器C2 滤波电容器D1 二极管D2 二极管
L1 感应器L2 附加感应器L3 附加感应器Q1 双极型晶体管Q2 双极型晶体管S1 电源开关Z1 开关装置如图2所示，显示了本发明简要调光块第一实施例，所述调光电路排列101包括
图1中所述的开关式电源或开关模式电源构成块加再上一个附加的感应器L2，该感应器L2连接到图1中基本构造块的输出节点30。这个附加的感应器L2是用来连接在紧凑型荧光灯的开关电源输出端与电子镇流器之间的。此附加感应器L2(14)的电感值很大程度上依赖于在运行截断频率时电容电子镇流器的阻抗，且通常大于L1的电感值。所述调光块的输出节点以数字40显示。
如图3所示，显示本发明的第二实施例。图3的实施例102以图1和图2的基础上修改并在图1和图2中的开关装置的位置换入了一个双极型晶体管Q1(111)以及一个二极管D1以分别作为开关装置和单向电流限制装置的例子。在本例中，该单向电流限制装置为一个二极管D1。二极管D1串连在所述双极型晶体管(111)和所述输入节点20之间。这个二极管D1的增加是为了保护晶体管(111)不会由于反向偏置而受到损坏。当然，二极管亦可以装置在所述晶体管Q1(111)和感应器L1(12)之间。
如图4所示，显示本发明调光电路系统的第三实施例103。本电路的连接总体上与图3相同，所不同之处是加上与第一对第一晶体管Q1(111)和第一二极管D1的串联组合交叉并联的第二对包括第二双极型晶体管Q2(112)和第二二极管D2的串联组合连接。其中，第一和第二晶体管及二极管对的允许电流流动方向大体相反。
如图5所示，显示了本发明调光电路系统第四实施例104。在此实施例中，图1所示的感应器L1(12)和开关装置Q1(111)的串联组合被插入到一个整流电路系统中。此一电路使当调光电路系统的输入节点连接到AC电源时，在AC正弦输入全周期期间的，经过整流的全波电源能够供应给在本实施例中的双极型晶体管Q1(111)开关装置(111)。实施例四大体上相同于实施例三，所不同之处在于只需使用单个开关装置(111)，而并非像实施例4中那样要求两个开关装置(Q1及Q2)。
如图6所示，显示了本发明的第五个实施例105。实施例五大体上与第四实施例相同，主要不同之处在于加上附加过滤级。此附加过滤级包括串联到输出感应器L2(14)的附加感应器L3(16)以及从位于输出感应器L2和L3之间的节点40分路，然后连接到调光电路系统的输入节点的附加过滤电容器C2(15)。本例子新的输出节点以数字50显示。
首先通过图1中的简化斩波或削波电源线路来看本发明的总体运作原理。开关装置Z1是一个电子可控开关装置，它的开关操作频率可远远高于AC电源的50-60Hz频率。电子可控开关装置的操作可通过来自于开关控制装置的开关信号进行开关。例如，所述开关控制装置可以向所述开关设备或装置的控制端子发出“开”与“关”的控制信号。控制信号的产生可以由适当的振荡器或微控制器发生。开关控制信号例如可以是使用带有不定开关脉冲持续时间的脉冲宽度调制(PWM)的信号，借改变打开和关闭脉冲变化之间的相对持续时间可以控制电源。
通过高频截断AC电源输入半周期期间功率的一部分，AC电源的一部分会被截断。同时，调光电路系统的功率输出可以通过改变“开”和“关”脉冲的相对持续时间来调整。适用于紧凑型荧光灯的开关频率范围大约在1kHz～50kHz之间。当然，在适当的时候，其它合适的削波频率亦可能适用于其它类型的荧光灯或设备。
虽然，借AC电源的高频可变脉冲宽度截断方式(或更普遍叫作脉冲宽度调制(PWM)制式)，以改变来自AC电源的功率输出为已知。然而，长久以来，AC电源高频截断于带有电容镇流器的紧凑型荧光灯的直接应用的效果都不令人满意。而且，人们亦深知电容性负载的阻抗在电流频率增加时会降低且高频输入电流可能损坏电容性负荷或其它敏感的组件。
本发明的调光器通常应用于紧凑型荧光灯。紧凑型荧光灯通常在电源输入端加置一个电子镇流器。电子镇流器实质上是一个电容性负荷，其设计通常是应用于低频电源，例如50或60Hz的AC电源。当此电容性负荷连接到一个具有在千赫(kHz)范围内的截断频率的高频电源，例如，像脉宽调变(PWM)电源模式这样的模式电源时，此电容性负荷的阻抗实质上会大大地降低，而损坏性的浪涌电流甚有可能会流入电容性电子镇流器。
为了限制损坏性浪涌电流可能涌入电容性的电子镇流器的问题，在高频削波式电源输出端与紧凑型荧光灯的电子镇流器的输入端之间就连接一个电感应器或感应装置。此电感应装置的作用是抑制削波式的电源信号的高频部份，使流入所述电容性负载的不良高频电流部份可控制于可接受水平。
然而，串联式加入所述感应装置将会带来高压浪涌(Ldi/dt)的问题，当开关装置从“开”(即导通)状态到“关”(即断开)状态时，这个高压浪涌可能会击穿开关装置的端子。为了克服此电压浪涌问题，其中一个方法是穿过所述开关装置的两个端子连接一个电容装置来提供一个低阻抗分流或旁路保护以限制最大电压浪涌。然而，当开关装置刚导通的时候，这个电压浪涌保护电容器可能反会在由所述电容器和开关装置组成的环路中产生一个大的放电电流。这放电电流可以损坏所述开关装置或击穿所述电子开关装置。为了解决或减低这个问题带来的坏影响，本设计将一个保护性感应装置串联到所述开关装置来限制最大放电电流，使在由所述开关装置、电容器和开关装置保护感应器所组成的环路中流动的最大放电电流能够受到适当限制。
总体而言，连接在调光器功率输出端(节点30)与镇流器输入端(节点40)之间的感应器(图中的L2或14)的电感值取决于电容式电子镇流器在调光器截断或削波频率工作时的的阻抗。分流或旁路电容器(图中的C1或13)的电容值取决于输出感应器(图中的L2或14)的电感值和截断或削波频率。在包括开关装置(11，111)及电容器C1的环路中的感应器(L1)的电感应值将会取决于C1的值和开关装置(图6及7中的Q1(111)或Z1(11))的电流限度。
在图2至7中，组件L1、L2和C1以“T”型滤波器的形式排列，其中包括一对串联的感应器和一个分支连接的电容器。这种排列减少了电容性负荷因高频削波式功率输入带来的不良效果，同时也保护了开关装置Q1，Z1。
通过以上方案，长期以来妨碍使用高频PWM应用于紧凑型荧光灯光度调节的问题就能借本发明方案提供的开关装置连同三个简单的无耗组件(L1、L2和C1)的使用来解决。其中，这个简单的组合以简单的三组件“T”型形式排列，使之能够在有限的空间安装。当中，图1和图2中使用的符号Z1应当理解作是用来图示电子开关装置的。在实际应用当中，所述开关装置将会是能够进行高频开关的电子开关装置，开关频率可以是例如在1～50kHz之间的高频。满足此要求的适当电子开关装置包括双极型晶体管、场效应晶体管(FET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
如图3所示，此图中的电路排列大体上与图2中显示的电路排列相同，所不同之处是开关装置由一个二极管D1和一个双极型晶体管Q1所替代。所述双极型晶体管的提供是作为适当的高频开关装置的实例，而串联的二极管的包含是为了保护所述双极型晶体管不会由于逆偏压而受到损坏。
图4所示的第三实施例103大体上与图3中显示的实施例相同，所不同之处是提供了一对附加的晶体管Q2和保护性二极管D2，以使在AC线路电源的正周期和负周期期间都能够实现脉冲宽度调制。通过允许AC线路电源的全周期期间的脉冲宽度调制，就能够实现范围更大的功率调节。
为了在保持开关装置以及相关的控制数量达到最小化的同时而实现图4的效果，实施例3中的所述的两对开关装置由一个全波整流器连同一个感应器L1和开关装置Q1的串联连接所取代成为图5的第四实施例。这个感应器L1和开关装置111的串联使得整流装置的前向和逆向通路都形成导电通路。
图6所示第五个实施例105显示了可能运用的附加滤波级，包括进一步串联的一个感应器L3和一个分流连接的电容器C2以便在允许输入AC电源的高频削波式时进一步保护电容性负荷。附加的滤波分级，调光器的控制滤波特征就能够更好且也能够减少电抗组件的阻抗值。
图7中的系统图显示了一个AC电源、一个与本发明图5第四实施例类似的、带有由一微控制器200控制的开关装置11的调光器电路106和一个带有电子镇流器301和荧光管302的紧凑荧光灯300。同时也显示了一个电源开关S1(40)来表明打开和关闭紧凑型荧光灯300的电源。当紧凑型荧光灯300的电源被接通时，紧凑型荧光灯的亮度可由微控制器通过向所述开关装置Z1发出PWM开关控制信号来进行控制。通过改变PWM信号的打开和关闭脉冲的相对持续时间，就能够调节提供给电子镇流器的功率输出。通过逐渐地改变占空比，即在PWM脉冲导通周期到截止周期之间的持续时间的比率，就可以逐渐地完成调光。其中，本例子中使用MOSFET作为开关装置。
同时，装置Z1的两个端子加附由电容器CZ(18)和电阻器RZ(17)组成的串联组合，以保护开关装置不会由于在其控制端子的高频开关而产生的高压浪涌而受到损坏。
图8显示了与图7排列大致相同而经简化了的电路，其中，此图中使用IGBT用作开关装置的例子。在此图中，包括电子镇流器的节能灯300用等同的电路形式显示。在这种形式中，节能灯包括一个由电容器C2和电阻器RL组成的并联连接，并带有一个整流桥(D3-D6)。通过这个紧凑型荧光灯的电容性等效电路就可使困扰设计调光装置而必须解决的不同问题变得更明显。
下列表格列出了一些组件的数值的例子作为参考。例子122W(瓦)节能灯Z1MOSFET 900V/8ARz＝25ΩCz＝1,000pF
例子244W节能灯
另一方面，如果其它条件不变，通过增加滤波级的数量，就能够降低无电抗组件的值。
从上述实施例可明显看出，本发明通过简单地连接数量不多的电子组件，就能够得到适用于紧凑荧光灯的调光电路。这些组件，包括例如是产生所述开关控制信号的单片微处理机，都能够安装在非常有限的空间，如普通墙置式插座大小的空间。利用这种简单和通用的设计，墙置式调光器就可以安装在墙插座中来代替普通的仅有“开”和“关”的开关以对节能灯和其它使用电子镇流器的荧光灯进行调光和开关。例如，包括所述开关装置、整流装置、无源滤波组件和开关信号发生CPU或MCU的调光电路可以全部安装在一个单独的墙置式外壳上，其输入端子和输出端子则适合于在现有的墙置式插座内改型。
作为对上述实施例可能进行的修改或变化的例子，应当理解调光器开关可以包括图1中的基本电源构成块，而输出感应器L2可作为荧光灯的一部分紧靠电子镇流器的输入端而连接。
整体而言，应当理解本发明的调光电路系统包括一个开关模式电源电路，该电源电路包括一个带有第一和第二开关端子的可控制开关装置(Z1)、一个电容器(C1)和一个感应器(L1)，它们都包括在一个电路环路中。所述电容器(C1)和感应器(L1)分别用于保护开关装置不受电压和电流浪涌的损坏。
通过参考上述优选实施例对本发明作了说明之后，就会理解这些实施例的提供只是用来阐明本发明的，它们并不限制到本发明的范围和精神。本发明的范围和领域应以上述发明的总体原则和精神来确定。特别地，对于本领域技术人员来说是显而易见的和平常的变化或修改，以及以本发明为基础的改进应被认为属于本发明的范围和领域。进一步地，当通过参考紧凑荧光灯对本发明作了说明之后，就应该理解不管有无修改，本发明都能够在荧光灯中应用。
权利要求
1.一种调光装置，所述调光装置包括一个用于连接到交流电源的输入端子、一个用于连接到负荷的输出端子和一个开关模式电源，其特征在于所述开关模式电源包括带有第一和第二开关端子的电子开关装置、开关控制装置、感应装置和电容装置，所述感应装置大致与到所述开关装置的开关端子串联，所述电容装置大致与包括所述开关装置和感应装置的串联连接组合并联，而所述电子开关装置的开关频率可以通过所述开关控制装置控制及变化。
2.根据权利要求1所述的调光装置，其特征在于在所述开关模式电源的输出端和所述调光装置的输出端子之间连接有一个感应器。
3.根据权利要求1所述的调光装置，其特征在于所述电子开关装置的开关频率大体上高于所述交流电源的开关频率。
4.如权利要求1所述的调光装置，其特征在于所述开关控制装置包括一个发出脉冲宽度调制(PWM)的开关信号的微控制器或微处理器。
5.根据权利要求1所述的调光装置，其特征在于所述开关装置的开关频率在1kHz～50kHz之间。
6.根据权利要求1所述的调光装置，其特征在于所述电子开关装置可以是双极型晶体管、MOSFET或IGBT。
7.如权利要求1所述的调光装置，其特征在于所述感应装置包括一个感应器且所述电容装置包括一个电容器。
8.根据权利要求1至7中任何一项所述的调光装置，其特征在于进一步包括为所述开关装置提供经过整流的电源的整流装置。
9.根据权利要求1至7中任何一项所述的调光装置，其特征在于在上述装置的输出端连接一个感应部件。
10.根据权利要求1至7中任何一项所述的调光装置，其特征在于所述开关装置和感应装置的串联连接还与一个整流装置串联，所述电容装置与由所述开关装置、感应装置和整流装置所组成的串联连接并联。
11.一种用于紧凑荧光灯的、包括开关模式电源的双端调光装置，所述调光装置包括整流装置、电子开关装置、感应部件、电容部件和开关控制装置，所述整流装置通过所述感应部件连接到所述开关装置，所述电容部件大体上与由所述感应部件和开关装置所组成的串联连接组合并联，所述开关控制装置向所述开关装置提供开关信号，所述开关信号的频率实质上高于输入电源的频率。
12.根据权利要求11所述的双端调光装置，其特征在于所述开关信号包括信号脉冲列，该信号脉冲列带有相当于“打开”或“关闭”开关状态的电平，“打开”和“关闭”脉冲的相对持续时间能够被逐渐地改变。
13.如权利要求11或12所述的双端调光装置，其特征在于所述的由所述开关装置和感应装置组成的串联连接还与一个整流装置并联，所述电容装置与由所述开关装置、感应装置和整流装置所组成的串联连接并联。
14.根据权利要求11或12所述的双端调光装置，其特征在所述调光装置的一个端子用于连接到所述AC电源，另一个端子用于连接到紧凑荧光灯的电子镇流器。
15.一种包括紧凑荧光灯的照明排列，其特征在于该紧凑荧光灯带有电子镇流器和权利要求1至7，11及12中任何一个的调光装置。
16.一种照明系统，其特征在于所述照明系统包括权利要求1至7，11及12中任何一项的调光装置和带有电子镇流器的紧凑荧光灯，其特征在于所述调光装置的位置不受所述紧凑荧光灯位置的约束。
全文摘要
一种调光装置，包括一个用来产生PWM或其它类似控制信号的高频开关电路和一个带有简单滤波组件的滤波器。所述调光器电路系统既简单又能够安装在墙置式外壳上，以便完全在现有的双线墙置式插座内也可以改型。
文档编号H05B41/392GK1462170SQ0313863
公开日2003年12月17日 申请日期2003年5月21日 优先权日2002年5月24日
发明者姚晓莉 申请人:星亮科技有限公司