专利名称：用于采用串联方案控制集成照明镇流器的设备的制作方法
用于采用串联方案控制集成照明镇流器的设备
背景技术：
镇流器和其他灯驱动器可以与调光开关(dimming switch)结合使用以根据用户 设置选择性地调暗灯的光输出。在许多先前存在的照明系统中，调光器控制白炽灯泡用荧 光灯代替以便实现节能和/或用于遵从法规。镇流器系统向紧凑型荧光灯和其他荧光灯提 供电力。调光镇流器是特别流行的，其提供智能调光特征和其他先进照明功能(用由墙壁 开关或调光器控制的正常白炽灯泡是不可获得的)。然而，遗留的白炽灯泡的调光控制机构 和配电线典型地不允许直接替换电灯器具和墙壁控制机构。电力线通信(PLC)系统提供墙 壁控制单元和照明器具之间的智能通信，但不存在简单的技术方案用于升级大多数具有基 于PLC的照明控制机构的遗留系统。例如，DALI总线要求安装新配线，并且现有PLC方案一 般(例如，X10)常常是昂贵、不可靠的，不容许在附近安装的许多装置，并且不能直接代替 现有开关和调光器连接。此外，现有相位角控制器的使用常常导致不可靠安装(闪烁)并 且要求镇流器中的复杂电子设备。
发明内容
具有通过配电网串联连接的发送器和接收器的电力线通信(PLC)系统，其中该发 送器具有受控开关以基于一个或多个用户输入信号或值(例如灯调光水平)选择性地中断 用于中继数据到该接收器的电流。该接收器通过配电网与该发送器串联耦合，并且包括整 流器和驱动器电路以选择性地向紧凑型荧光灯(CFL)或其他照明装置提供电力，以及可由 接收器控制器操作的负载控制电路以选择性地施加辅助负载至整流器(rectifier)的负 载端。该负载控制电路还作为数据接收器操作，其感测发送器产生的电流中断并且向该控 制器提供数据输出。在一些实现中该接收器包括滤波电路，其具有在接收器端子和整流器 之间耦合的电感和电容。在某些实施例中，发送器通过配电网发送多位数据到发送器，并且 可包括零交叉探测部件以感测在配电网中流动的AC电流的零交叉，并且控制该数据发送 以在AC电力的电压几乎是零时通过选择性地中断电流而发送多位数据。在AC波形的每个 零交叉上若干位信息的使用有利地增加数据吞吐量，并且发送器可使用具有冗余码和/或 误差纠正码的数字调制以甚至在干扰的情况下进一步增加可靠性。在一些实施例中发送器 是自供电的，此外，包括电源电路以从电流传感器电路接收电力并且向发送器供应电力。在 一些实施例中，发送器开关电路是包括TRIAC的常闭TRIAC电路。发送器和接收器的该串 联连接便于代替遗留开关安装发送器以控制与之前由该开关控制的相同的器具，并且该系 统减轻或克服涉及与附近的相似装置的干扰的问题。此外，发送器可以定期发送，由此使数 据通信容错，并且在某些实施例中TRIAC或其他基于半导体的开关电路的使用允许发送器 实现相位角型调光控制(如果需要的话)。在接收器中提供辅助负载电路有利地便于使用 具有不提供功率因数校正(PFC)的镇流器驱动器电路的PLC系统。
在下列详细说明和附图中阐述一个或多个示范性实施例，其中
图1是图示具有通过配电网互相串联连接的发送器和接收器的示范性电力线通 信(PLC)系统的示意图；图2A和2B是图示在图1的发送器中的探测器电路的两个示范性实施例的示意 图；图3是图示在图1的发送器中用于通过选择性电流中断发送数据的常闭TRIAC电 路的示意图；图4是图示在图1的接收器中的辅助负载和电路的示意图；以及图5是图示在图1的接收器中的具有用于瞬态电流抑制的滤波器的辅助负载电路 的另一个实施例的示意图。
具体实施例方式现在参照附图，其中相似的标号始终用于指相似的元件，并且其中各种特征不必 按比例绘制，图1图示包括通过配电网300(例如在一个示例中的遗留AC电力配线网等) 互相串联连接的发送器110和接收器200的电力线通信PLC系统100。在一个示例中该接 收器200通过灯驱动器250向紧凑型荧光灯(CFL) 260提供电力，但照明装置的其他形式可 由接收器200驱动，该照明装置非限制性地包括荧光灯管。该发送器110包括可耦合于AC 电源的输入110a，例如典型的住宅、商业、工业AC电力配线实现的线路(L)导线等，和可耦 合于配电网300的输出110b，例如在遗留开关/调光器和电灯器具之间的设备的墙壁等内 的配线等。该发送器110进一步包括耦合以感测输入IlOa和输出IlOb之间的电流的传感 器电路112。开关电路120在发送器110中提供成与输入IlOa和输出IlOb之间的传感器 电路112串联。该开关电路120可根据开关控制信号117操作，其在第一状态中允许电流 在输入IlOa和输出IlOb之间流动而第二状态阻止(例如中断)电流在输入IlOa和输出 IlOb之间流动。该开关控制信号由接收采用信号和/或值(例如调光信号或值115等)的形式的 一个或多个用户输入的发送器控制器116提供。在一个实施例中该控制器116是基于处理 器的电路，例如微控制器等，并且其他实施例是可能的，其中该发送器控制器116实现为硬 件、软件、逻辑或其的组合。操作中，图示的控制器116至少部分根据用户输入信号或值115 生成多位数据并且选择性地向开关电路120提供开关控制信号117以通过选择性地中断输 入IlOa和输出IlOb之间的电流而发送数据到配电网300。如此，代表期望的调光水平的数 据通过网络300发送到接收器200以供由CFL260产生的光的选择性水平控制中使用。该示范性发送器110还包括操作成感测流入输入IlOa的AC电流的零交叉的探测 器电路114，其的实施例在下文中参照图2A和2B更详细地图示和描述。该探测器电路114 向发送器控制器116提供零交叉信号114a，发送器控制器116向开关电路120提供开关控 制信号117以在对应于AC电力的电压几乎是零的时间的时间(在接收零交叉信号IHa之 后)通过选择性地中断输入IlOa和输出IlOb之间的电流而发送多位数据。该图示的发送 器110进一步包括操作成从传感器电路112接收电力和向发送器110供应电力的电源电路 (P/S) 118，发送器110通过电源电路(P/S)118自供电。电流传感器112、探测器114和控制 器116在该点上操作成基于感测的电流确定AC电压的零交叉的时间。在一个示范性实施 例中，控制器116使用来自探测器114的信号11 以使空转振荡器与电流零交叉同步，并且一旦达到该同步状态，数据采用中断的形式发送到AC电流使得当AC电力的电压几乎是 零时数据位(电流中断)出现。此外，在某些实施例中，基于半导体的开关电路120提供用 于电流中断数据发送，其包括具有TRIAC Sl的常闭TRIAC电路，如在下文在图3中示例的。如在图1中示出的，接收器200通过配电网300与发送器110串联耦合。示范性 接收器包括通过配电网300耦合于发送器输出IlOb的第一端子200a和通过网络300耦合 于AC电源的第二端子200b。接收器200进一步包括操作成整流从配电网300接收的AC电 力的整流器220和可根据驱动器控制信号252操作成选择性地提供来自整流器220的电力 以驱动照明装置沈0的驱动器电路250。该驱动器250可以是任何适合于采用可控方式向 连接到其的一个或多个照明装置提供电力的电路，并且可包括在某些实施例中可提供用于 功率因数校正的镇流器电路。接收器200的某些实施例还可包括滤波电路(例如，EMC滤 波器)210，其包括耦合在接收器端子200a、200b和整流器220之间的电感Ll和电容Cl。负载控制电路230在接收器200中提供，在一个实施例中其包括与开关装置 Ql (例如，双极晶体管、MOSFET或其他基于半导体的开关)串联的电阻R1，其操作成根据负 载控制信号234选择性地施加辅助负载于整流器220的负载侧，以及感测由发送器110引 起的电流中断并且提供指示感测的电流中断的数据输出236。接收器还包括接收器控制器 M0，例如另一个微控制器等，其选择性地提供对整流器输出加载的负载控制信号234并且 控制器240接收数据输出236并且至少部分根据从发送器110接收的数据提供驱动器控制 信号252。系统100可采用给出的形式结合到灯中，或备选地它可与负载并联连接，由此实 现可以接收DSI或0-10V调光信号的现有电子镇流器的使用。还参照图2A和2B，示出探测器电路114的两个示范性实施例。电流传感器112便 于通过控制器116探测线路上的零交叉，并且因为接收器200和发送器110的串联配置，传 感器112必须使全开关的线路电流(full switched line current)(例如，在某些实现中 可能高达10A)通过并且还足够灵敏以探测当仅毫安培流动时的零交叉。因此，在某些实施 例中电流传感器电路112包括一串反并联二极管，因为在该情况下二极管的电流电压特性 是有利的。在该方面，在个体二极管上的电压降限制到大约0. 7V，从而可给出功率耗散的最 大数字，并且同时当偏置有小电流时，大dV/dl提供用于感测零交叉点。发送器110存在两 个不同类型的零交叉。当电阻负载或配备有功率因数校正(PFC)电路的负载在接收器200 的驱动器电路250中使用时，电流和电压基本同相从而仅AC电流的零交叉需要观察。然而， 当整流器-电容器负载由接收器200 (例如，可能具有增加的EMC滤波器210)提供时，寄生 电流可在零交叉附近流动，从而由辅助负载产生的电流尖峰需要探测。电流传感器电路112的电压输出由探测器电路114解释。图2A图示包括基于比较 器的水平感测配置的电路112的第一示范性实施例。该实施例包括耦合在传感器电路112 的输出侧端子和比较器Ul的非倒相输入之间的电阻R2，其中Ul的倒相输入与基准114b耦 合。在该实施例中该基准114b是为电流传感器电路112中的二极管的温度依赖补偿的温 度，例如，其中在一个实施例中的补偿基准114b可以从在传感器电路112中物理上靠近载 流二极管放置的二极管得到施加于倒相比较器输入的基准电压以由此跟踪它们的温度变 化。图2B示出不需要温度补偿基准的探测器电路114的另一个可能的实施例。该电 路114使用运算放大器U2、电容C2和电阻R3的微分器配置探测零交叉以探测出现的边缘，其然后通过比较器Ul与基准114b比较。使用该原理的变型实施例可以通过代替使用RC 模拟电路(如在图2B中)在发送控制116或其他数字信号处理部件中执行微分器功能实 现。图2B的图示零交叉探测电路可以探测零交叉到大约100 μ s，但使用数字信号处理打开 使用更先进技术的可能性。图3图示示范性常闭TRIAC电路120，其可用于产生由图1的发送器110发送的 数据的电流中断。在该实施例中，TRIAC Sl在发送器110的传导路径中连接，并且由二极 管D5-D8形成的整流器电路连接在TRIAC Sl的ΜΤ2端子和控制端子(栅极)之间。整流 器与包括晶体管Q3和Q4和电阻器R4-R6的晶体管电路耦合，该晶体管电路通过光耦合器 122由发送器控制器116提供给开关电路120的光耦合开关控制信号117激励。该在图3 中的示范性电路有利地提供常闭TRIAC开关Sl，其在发送器110加电时将处于闭合(导通) 状态。操作中，发送器控制器116提供开关控制信号117以在电压低以致保存电力的特定 时刻中断电流。示范性发送器110自供电以避免与提供外部电源关联的问题。因为发送器 110与它的负载串联，示范性电源电路118 (图1)从在电路112的电流感测二极管上建立的 整流电压获得发送器电力。现在参照图4和5，接收器200的辅助负载电路230包括与基于半导体的开关 Q5(在图4的实施例中的M0SFET)串联的负载电阻R7。电路230还包括通过二极管D9控 制晶体管Q5的栅极从而通过来自接收器控制器MO的LOAD CONTROL信号234允许负载 R7的选择性被切换至整流器输出电路中的电路。整流器输出电压提供给比较器U3的倒相 输入，比较器U3将此与基准电压232比较并且提供数字数据输出信号236给接收器控制器 MO (通过电阻器R8耦合于MOSFET栅极)。操作中，当电路230探测到电流中的中断(在 整流器输出中视为下降)时，它将通过导通MOSFET Q5打开辅助负载使得R7向整流器输出 增加负载。在图示的实施例中，在正常操作中负载电阻器R7将典型地仅看见大约10V，并且 甚至这仅用非常低的占空比施加。在一些实施例中负载电阻器R7是大约10-100 Ω以使该 负载电阻器R7的电流能够克服寄生和二次效应使得附加负载电流是大约0. 1-1. OA。此外， 在该实施例中，当线路电压小于如基准232设置的特定值时接收器控制器240驱动开关Q5 以便启动辅助负载。为了提供辅助负载施加的快速控制，在图4中使用硬件技术方案，其中 控制器240可利用具有大约2-5V的基准电压232的比较器电路U3，或备选地可使用逻辑门 (例如在一个可能的备选实施例中的74HC04)，因为它基本上是具有在1. 5-2. 5V附近的基 准的非常快的比较器。其他可能的实施例包括单晶体管分立电路。还参照图5，辅助负载电路230还可包括瞬态抑制滤波电路238，其包括与负载电 阻器R7串联的电感L2和二极管D10。在瞬态状态中，例如当接收器200突然断开然后重新 连接时，可发生当控制负载电阻器R7的开关Q5处于导通(闭合)状态时并且大电压(例 如，可能地350V)横跨负载电阻器R7施加长达接收器控制器240中断该电流所花费的时间 的状态。使用74HC04和双极晶体管作为具有硬基极驱动的开关Q5，该时间可以是大约IOns 左右。该瞬态电流脉冲使电阻器和开关晶体管两者受到非常大的电流突发。选择其安全操 作区域(SOA)包括这样的状态的晶体管可能是不经济的。这些瞬态电流可由滤波电路238 减小，其中一个实施例可提供用于实现扼流电感L2作为在印刷电路板上的卷绕迹线。此 外，辅助负载电路230提供单独负载控制输入234，控制器240可以通过该单独负载控制输 入234将负载电阻器R7通过Q5强加到电路中。通过选择性使用该负载控制，即使在大EMC滤波电容器(例如，在滤波电路210中)出现时可以使用接收器200。在一个实施例中，接 收器控制器240操作成使它自己与零交叉同步然后在每个零交叉中通过信号234选择性地 短时间激活负载电阻器R7以耗散EMC滤波器网络210的能量。注意在此之后发生分流，线 路电压将降低并且辅助负载将保持打开长达发送的持续时间。 上文的示例仅说明本公开的各个方面的若干可能的实施例，其中当本领域内其他 技术人员阅读并且理解该说明书和附图时将想到等同的改动和/或修改。特别关于由上文 描述的部件(组件、装置、系统、电路等)执行的各种功能，用于描述这样的部件的术语(包 括对“手段”的引用)意在对应于(除非另外指出)执行描述的部件的指定功能的任何部 件(即，在功能上等同的)，例如硬件、软件或其的组合等(即使在结构上不等同于执行本公 开的图示实现中的功能的公开结构)。尽管本公开的特定特征可能已经关于若干实现中的 唯一一个来图示和/或描述，这样的特征可与其他实现中的一个或多个其他特征结合，这 些其他实现如对于任何给定或特定应用可能是期望和有利的。此外，对单数部件或项的引 用(除非另外指定)意在包含两个或多个这样的部件或项。同样，就术语“包含”、“具有”、 “有”或其的变化形式在详细说明和/或在权利要求中使用来说，这样的术语意为在某种意 义上与术语“包括”类似地是包括性的。本发明已经参照优选实施例描述。然而，当其他人 阅读并且理解前面的详细说明时其将想到修改和改动。意图是本发明解释为包括所有这样
的修改和改动。
部件列表
100电力线通信PLC系统110发送器
IlOa输入IlOb输出
112电路112电流传感器电路
114探测器电路114a零交叉信号
114b基准115调光信号或值
116发送控制器117开关控制信号
118电源电路120开关电路
122耦合器200接收器
200a第一端子200a，接收器端子
200b
200b第二端子210滤波电路
220整流器230辅助负载电路
232基准电234负载控制输入
234信号
236数据输出238滤波电路
240接收器控制器250驱动器
250驱动器电路252驱动器控制信号
260紧凑型荧光灯(CFL)260照明装置
300接收器配电网
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权利要求
1.一种用于照明设备的电力线通信(PLC)系统(100)，其包括 发送器(110)，其包括可耦合于AC电力源的输入(IlOa)， 可耦合于配电网(300)的输出(110b)，耦合在所述输入(IlOa)和所述输出(IlOb)之间并且操作成感测所述输入(IlOa)和 所述输出(IlOb)之间流动的电流的传感器电路(112)，开关电路(120)，其在所述输入(IlOa)和所述输出(IlOb)之间与所述传感器电路 (112)串联耦合，并且根据开关控制信号(117)可操作在第一状态以允许电流在所述输入 (IlOa)和所述输出(IlOb)之间流动以及操作在第二状态以阻止电流在所述输入(IlOa)和 所述输出(IlOb)之间流动，以及发送器控制器(116)，其接收至少一个用户输入信号或值(115)，并且操作成至少部分 根据所述至少一个用户输入信号或值(115)向所述开关电路(120)提供所述开关控制信号 (117)以通过选择性地中断所述输入(IlOa)和所述输出(IlOb)之间的电流而发送数据到 所述配电网(300)；以及通过所述配电网(300)与所述发送器(110)串联耦合的接收器000)，所述接收器包括通过所述配电网(300)耦合于所述发送器输出(IlOb)的第一端子QOOa)， 通过所述配电网(300)耦合于所述AC电力源的第二端子QOOb)， 操作成整流从所述配电网(300)接收的AC电力的整流器020)， 根据驱动器控制信号(25 可操作成选择性地提供来自所述整流器(220)的电力以驱 动照明装置O60)的驱动器电路050)，负载控制电路030)，其操作成根据负载控制信号(234)选择性地施加辅助负载于所 述整流器O20)的负载侧，所述负载控制电路(230)操作成感测由所述发送器(110)引起 的电流中断并且提供指示所述感测的电流中断的数据输出(236)，以及接收器控制器040)，其与所述负载控制电路(230)操作上耦合以选择性地提供所述 负载控制信号(234)以对所述整流器输出加载并且操作成接收所述数据输出(236)并且至 少部分根据从所述发送器(110)接收的数据提供所述驱动器控制信号052)。
2.如权利要求1所述的PLC系统(100)，其中所述发送器控制器(116)操作成向所述 开关电路(120)提供所述开关控制信号(117)以通过所述配电网(300)发送多位数据到所 述发送器(220)。
3.如权利要求2所述的PLC系统(100)，其中所述发送器(110)包括操作成感测流入所 述输入(IlOa)的AC电流的零交叉并且向所述发送器控制器(116)提供零交叉信号(114a) 的探测器电路(114)；并且其中所述发送器控制器(116)操作成向所述开关电路(120)提 供所述开关控制信号(117)以通过在接收所述零交叉信号(114a)之后的对应于所述AC电 力的电压几乎是零时时间的时间选择性地中断所述输入(IlOa)和所述输出(IlOb)之间的 电流而发送所述多位数据。
4.如权利要求1所述的PLC系统(100)，其中所述发送器(110)包括操作成感测流入所 述输入(IlOa)的AC电流的零交叉并且向所述发送器控制器(116)提供零交叉信号(114a) 的探测器电路(114)；并且其中所述发送器控制器(116)操作成向所述开关电路(120)提供所述开关控制信号(117)以通过在接收所述零交叉信号(114a)之后的对应于所述AC电 力的电压几乎是零时时间的时间选择性地中断所述输入(IlOa)和所述输出(IlOb)之间的 电流而发送数据。
5.如权利要求1所述的PLC系统(100)，其中所述接收器O00)包括滤波电路010)， 其包括耦合在所述接收器端子(200a、200b)和所述整流器(220)之间的电感(Li)和电容 (Cl)。
6.如权利要求1所述的PLC系统(100)，其中所述发送器(110)包括操作成从所述传 感器电路(112)接收电力和向所述发送器(110)供应电力的电源电路(118)。
7.如权利要求1所述的PLC系统(100)，其中所述开关电路(120)是包括TRIACSl的 常闭TRIAC电路。
8.一种用于使用通过配电网(300)的电力线通信(PLC)至少操作照明设备中光源的发 送器(110)，所述发送器(110)包括可耦合于AC电力源的输入(IlOa)； 可耦合于配电网(300)的输出(IlOb)；耦合在所述输入(IlOa)和所述输出(IlOb)之间并且操作成感测所述输入(IlOa)和 所述输出(IlOb)之间流动的电流的传感器电路(112)；开关电路(120)，其在所述输入(IlOa)和所述输出(IlOb)之间与所述传感器电路 (112)串联耦合，并且根据开关控制信号(117)可操作在第一状态以允许电流在所述输入 (IlOa)和所述输出(IlOb)之间流动以及操作在第二状态以阻止电流在所述输入(IlOa)和 所述输出(IlOb)之间流动；以及发送器控制器(116)，其接收至少一个用户输入信号或值(115)，并且操作成至少部分 根据所述至少一个用户输入信号或值(115)向所述开关电路(120)提供所述开关控制信号 (117)以通过选择性地中断所述输入(IlOa)和所述输出(IlOb)之间的电流而发送多位数 据到所述配电网(300)。
9.如权利要求8所述的发送器(110)，进一步包括操作成从所述传感器电路(112)接 收电力和向所述发送器(110)供应电力的电源电路(118)。
10.一种用于使用通过配电网(300)的电力线通信(PLC)操作照明设备中的至少一个 照明部件的接收器000)，所述接收器(200)包括通过配电网(300)可耦合于PLC发送器(110)的第一端子QOOa)； 通过所述配电网(300)可耦合于AC电力源的第二端子QOOb)； 操作成整流从所述配电网(300)接收的AC电力的整流器Q20)； 根据驱动器控制信号(25 可操作成选择性地提供来自所述整流器(220)的电力以驱 动照明装置O60)的驱动器电路Q50)；负载控制电路030)，其操作成根据负载控制信号(234)选择性地施加辅助负载于所 述整流器O20)的负载侧，所述负载控制电路(230)操作成感测由所述发送器(110)引起 的电流中断并且提供指示所述感测的电流中断的数据输出(236)；以及接收器控制器040)，其与所述负载控制电路(230)操作上耦合以选择性地提供所述 负载控制信号(234)以对所述整流器输出加载并且操作成接收所述数据输出(236)并且至 少部分根据从所述发送器(110)接收的数据提供所述驱动器控制信号052)。
全文摘要
电力线通信(PLC)系统提供用于使用配电网连接调光开关与用于驱动紧凑型荧光灯和其他应用的电子镇流器，其包括在串联电路中连接用于发送多位数据的发送器和接收器，其中该接收器具有用于选择性地调节接收器负载并且感测提供数据输出的电流中断的负载控制电路。
文档编号H05B41/36GK102130509SQ20101025491
公开日2011年7月20日 申请日期2010年8月6日 优先权日2009年8月7日
发明者I·马罗斯, S·V·绍博 申请人:通用电气公司