专利名称：环境调节设备的控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及环境调节设备领域，如灯、加热器、空调器或类似设备。尤其是，但不完 全是，本发明涉及用于控制向照明负载(如白炽灯泡或荧光灯管)提供的电能的调光器开 关领域。尤其是，但不完全是，本发明涉及一种保护照明设备的方法，该照明设备包括调光 器，该调光器包括可在工作时用于在每个交流电源循环期间至少一次打开和关闭一个或多 个灯的半导体开关。
背景技术：
老式的调光器开关使用可变电阻器来控制传递到照明负载两端的电压。这种做法 的一个缺点是没有传递到该照明负载的能量反而在该可变电阻器中转变为热量，导致这种 开关效率低并且具有潜在的危险。现代调光器是通过每秒钟多次打开和关闭照明负载来减少该照明负载两端的均 方根电压来工作的。这种占空比的控制方式被称为相控调光。交流电源电路提供从波峰正 压经过零电压再到波谷负电压的按正弦曲线变化的电压。现代调光器是通过将交流信号的 正弦波的每一周期分成照明负载被打开的部分和照明负载被关闭的部分来工作的。一种方 法是每当交流电流通过零电流时(即每当该电路中的电流逆转方向时)关闭照明负载，然 后在通过控制旋钮或类似装置的设置而确定的电压时打开该照明负载。另一种方法是每当 交流信号通过0V时打开该照明负载，然后在通过控制旋钮或类似装置的设置而确定的电 压时关闭该照明负载。在任一种情况下，随着灯在该交流周期的更长或更短时间内被打开， 提供给该灯的能量数量增加或减少；换而言之，该灯的亮度与让灯被打开的交流电源的正 弦波(占空比)成比例地变化。所需的开关性能能够例如通过以下方式实现提供由旋钮控制的可变电阻器和点 火电容器，二者组合地控制半导体开关，当该电容器两端的电压超过阈值时该半导体开关 进行切换，(达到该阈值电压所花费的时间由可变电阻器来控制)。因此，例如在一些现有 的调光器中，半导体开关是三端双向可控硅开关元件，并且该三端双向可控硅开关元件的 栅极连接在所述点火电容器和所述可变电阻器之间。为了通过控制占空比来实现调光，通常需要使用能够以与交流电源频率相似的频 率(如50Hz或60Hz)进行切换的开关。出于这个目的通常使用半导体开关。半导体开关 的最常见的选择是三端双向可控硅开关元件，但使用场效应晶体管(FET)也是公知的，例 如金属氧化物半导体场效应晶体管(M0SFET)。然而由于半导体开关的阻抗，在该半导体开关两端会出现有限的电压降。传递给 照明负载的电流在每个周期的至少一部分期间流经该开关，所产生的功率以热量形式被消 耗，从而导致开关温度的升高。当负载增长超过额定值时，该开关的温度就会超出安全范 围，迟早会导致该开关的损坏。典型的调光器具有过载保护，使得当负载超过设定值时，比 方说150%，该负载被切断。然而，负载超过100%但低于过载切断阈值时，仍将对该开关构 成压力。此外，150%的过载电流将导致功耗是额定电流运行时所导致的功耗的225%，这样具有潜在的危险。在许多设备中，调光器只能获得有限的空间，因此几乎没有空间可用来提供额外的保护电路。额外的电路也将带来更高的成本和更低的可靠性。本发明的目的是缓解上述问题。替换或补充地，本发明的目的是提供一种用于控制照明负载的改进型调光器。
发明内容
根据第一个方面，本发明提供一种保护照明设备的方法，该照明设备包括(a)具有亮度、由交流电源供电的照明负载，该交流电源具有周期为t的循环；及(b)调光器，其包 括在操作中接通和关闭给该照明负载的电流的半导体开关；其中在正常运行中，该开关打 开该照明负载和关闭该照明负载，而该照明负载的亮度通过改变打开或关闭从而使该照明 负载在周期t的更长或更短的部分x期间被打开而改变；该方法进一步包括监测通过该开关而流向所述照明负载的负载电流，并且当被监测的电流超过第一 阈值时，减少周期t中所述照明负载被打开的部分X，使得在该开关中消耗的功率也被减 少。因此，通过利用该占空比的控制(周期t中向负载提供电流的部分x)进行减光和增亮，本发明的照明设备可以保持调光器半导体开关在安全电流(因此也在功率)限制之 内，甚至对否则使该开关明显超载的负载也一样。该开关可在每个周期内至少一次打开所述照明负载和关闭所述照明负载。该开关可在每半周期内至少一次打开所述照明负载和关闭所述照明负载。该开关可以在每半周期 的开始关闭所述照明负载。该开关可以在每半周期的开始打开所述照明负载。照明负载的亮度可以通过改变占空比来改变，例如通过增加或减少在打开/关闭照明负载和关闭/打开照明负载之间的延迟。响应被监测的电流超过第一阈值，可通过更频繁地打开和关闭照明负载来减少周期t中该照明负载被打开的部分X。响应被监测的电流超过第一阈值，可通过增加关闭照明 负载和打开照明负载之间的延迟来减少周期t中照明负载打开的部分X。响应被监测的电 流超过第一阈值，可通过减少打开照明负载和关闭照明负载之间的延迟来减少周期t中照 明负载打开的部分X。可以通过使用电流检测电阻器将负载电流转换为电压来监测该负载电流。该方法可进一步包括如果该负载电流超过第二阈值就永久地关闭照明负载。第二阈值例如可以是第一阈值的150%。应当理解，“永久地关闭照明负载”是指关闭照明负载 的时间段远大于周期t，例如超过100t。当第二阈值被超过时，照明负载可能一直被关闭， 直到在调光器内产生或提供给该调光器复位信号。所述照明负载包括至少一个灯，例如灯泡或荧光灯管。该照明负载也可包括多个灯。根据第二个方面，本发明提供一种连接到照明负载的调光器，该负载具有亮度并由交流电源供电，该交流电源具有周期为t的循环，该调光器包括可在工作时打开和关闭 照明负载的半导体开关；其中在正常运行中该开关被安排为打开该照明负载和关闭该照明 负载，该开关可在工作时通过改变打开或关闭从而使该照明负载在周期t的更长或更短的部分x期间被打开来改变该照明负载的亮度；该调光器还包括被安排为监测通过该开关而 流向所述照明负载的负载电流的监测器，并且当被监测的电流超过阈值时，减少周期t中 所述照明负载被打开的部分X，使得在该开关中消耗的功率也被减少。该半导体开关例如可以是场效应晶体管(如M0SFET)或三端双向可控硅元件。所述调光器还可以包括控制器，该控制器可以是微处理器，它可以监测负载电流， 并且可控制所述开关的切换。根据第三个方面，本发明提供一种照明设备，该照明设备包括根据本发明第二个 方面所述的调光器。根据第四个方面，本发明提供一种保护环境调节设备的方法，该设备包括(a)具 有输出电平且由交流电源供电的负载，该交流电源具有周期为t的循环；以及(b)控制器， 其包括可在工作时接通和关闭给该负载的电流的半导体开关；其中在正常运行中该开关打 开该负载和关闭该负载，并且通过改变打开或关闭从而使该负载在周期t的更长或更短的 部分x期间被打开来改变该负载的输出电平，该方法还包括监测通过该开关流向所述负载的负载电流，并且当被监测的电流超过第一阈值 时，减少周期t中所述负载被打开的部分X，使得在该开关中消耗的功率也被减少。根据第五个方面，本发明提供一种连接到环境调节设备的负载的控制器，该负载 具有输出电平并可由交流电源供电，该交流电源具有周期为t的循环，该控制器包括可在 工作时打开和关闭该负载的半导体开关；其中在正常运行中该开关被安排为打开所述负载 和关闭所述负载，该开关可在工作时通过改变打开或关闭从而使该负载在周期t的更长或 更短的部分x期间被打开来改变该负载的输出电平；该控制器还包括被安排为监测通过该 开关流向所述负载的负载电流的监测器，并且当被监测的电流超过阈值时，减少周期t中 所述负载被打开的部分X，使得在该开关中消耗的功率也被减少。当然要认识到，根据本发明的一个方面描述的特征可能结合到本发明的其它方面 中。例如，本发明的方法可以结合参照本发明的设备所描述的任何特征，反之亦然。
本发明的实施例将参照附图仅以示例的方式进行描述图1是根据本发明的照明设备的示例实施例中的调光器的框图；图2示出用于说明根据本发明的方法的示例实施例的控制图1的调光器的方法的 流程图；以及图3是在(a)正常运行模式下具有60%占空比的200W负载，和(b)400W过载两种 情况下通过负载的电流和相应的开关电压的关系图表。
具体实施例方式根据本发明的示例实施例的照明设备包括(图1)调光器5，调光器5包括板15， 在该板15上安装形成许多功能模块的部件。调光器5的核心是两个M0SFET10，20，它们串联在交流电输入50与一个由调光器 5控制的灯(负载60)之间；由此M0SFET10，20控制向负载60提供的电流。由来自驱动器 30的控制信号打开和关闭M0SFET10，20。提供两个M0SFET10，20是为了在正半周期和负半周期都能切换。从M0SFET驱动器30提供MCU驱动信号(Ml和M2)来使控制器130打开调光器 M0SFET10, 20。要检测交流电源的交流循环跨过零值的点，就在预计有零交叉(zero cross) (根据被测得的交流频率)之前将M0SFET短暂“关闭”。还具有链接(link)电源单元(PSU)70且在“窃电”模式工作它包括电容器，该电 容器在M0SFET10，20关闭时被充电，然后在M0SFET10，20被打开时储存在该电容器中的电 能被用于向调光器5的部件供电。它生成两个独立输出，一个是用于M0SFET驱动器30的 +15V输出，一个是用于与调光器关联的显示器发光二极管、控制器130和射频系统(用于从 照明设备的远程元件发送和接收信号)的+5V输出。最初在调光器5的正常工作期间，两个M0SFET均“关闭”。零交叉检测器(Z⑶)电 路90检测M0SFET10，20两端的电压，并且如果M0SFET10，20是关闭的，ZCD90产生方波脉 冲。借助得到的ZCD信息，运行在控制器130中的软件将判定交流电源的零交叉和频率。在每个循环中，仅当链接rcU70的输入电容器被足够充电后调光器M0SFET10，20 才被“打开”；代表那个电压的信号从130伏检测单元100传向控制器130微控制器(MCU)， 作为电源70的状态的指示器。每当通过M0SFET (并因此通过所述负载)的电流超过大约13A时，短路保护模块 40产生切断信号(有效的高(acitive high))。该切断信号使M0SFET驱动信号Ml，M2失 效，以便M0SFET10，20失效。这个电路快速起作用；它用于保护设备免遭短路而不是用于过 载。电平移动电流检测放大器110放大电流检测电阻器80两端的电压。被检测的电流是 交流电并且被使用的模拟数字转换器(ADC)是单极的。提供适当的偏移和增益，以便最大 正电压约为1. IV且最小电压约为0V。因此，调光器5包含了监测流向负载60的电流和将被监测的电流信息转换成数字 数据所需的所有硬件。该硬件用于实现根据本发明方法的示例实施例。现在将说明该示例 电流过载保护机制。电流检测电阻器80将通过M0SFET10，20的电流转换为成比例电压。低成本运算 放大器110用适当的偏移放大该电压。在没有电流时放大器110的输出被设置成约0. 55V, 并在0V和1. IV之间变化(在该单元所设计的最大电流时)。这个信号由控制器130处理 以获得均方根电流值。当电流超过额定值时，M0SFET10,20的占空比通过控制器130来减少，改变信号 Ml, M2的计时(timing)，以便将通过所述负载吸收的均方根电流保持在最大允许负荷的 5%以内。在所述系统中的潜在误差包括-模拟数字转换误差(因为这个单元是在由M0SFET10，20的切换、其它开关、链接 电源70等产生的高噪声环境条件下工作的。在10-位ADC中误差数可高达4位。)-偏移误差(运算放大器(op)的安培(amp)偏移以及用于移动负电流检测信号的 意图偏压(intentional bias))_在不同占空比中平均值和均方根之间的差异。这些将在如下示例中陈述前两个问题通过采用过采样来解决。电流信号以每毫秒一次的频率被采样(对于50赫兹交流电而言)；也就是说，该电流以等于1/20周期的间隔被采样。将20个样本中每 一个样本上的数据累计并针对64个循环进行平均，从而获得20个平均样本。这些平均样 本代表在一个典型循环中20个等距间隔的瞬时的数据。这些平均样本被累计并除以20以 获得电流直流偏移。通过如下方法从这些平均样本获得修正平均数据。当给定的平均样本值大于该直流偏移时，从该平均样本值中减去该直流偏移；当 该给定的平均样本值小于该直流偏移时，从该直流偏移中减去该平均样本值；因此，有效的 是，计算该平均样本值和该直流偏移之间的差值的模数。通过对修正样本取平均，整个循环 的修正平均值被计算出来，它是修正电流的平均值。通过将修正电流的平均值乘以波形因 数来获得均方根电流。该波形因数是占空比的函数。全波修正正弦波的均方根等于它的平 均值的1. 11倍。当导通角小于100%时(全180度)，随着导通角的减小，均方根与平均值 的比值增加。下表给出了以10度的步长进行变化的数据均方根占空比 值/平均值10/1804.90
203.46
302.82
402.43
502.16
601.96
701.81
801.68
901.57
1001.48
1101.40
1201.33
1301.27
1401.22
1501.17
1601.14
1701.12
1801.11导通角信息按下式计算
<formula>formula see original document page 7</formula>以上被计算出的平均修正值乘以相应的因数从而得出均方根值。因此，控制器 (MCU) 130计算出流过M0SFET开关的电流的均方根值。对于1KW负载预期的最大均方根电 流=(1000/240) = 4. 167安培。如果计算出的均方根电流超过了额定值，则控制器130通过改变信号M1，M2的计时来减少占空比。该新的占空比将被计算为原占空比X (4. 167/测量出的均方根)。当每1. 28秒(64X20毫秒)收到一个新数据时，均方根计算的过程会继 续进行。最初的占空比减少将是一个阶跃变化，最好是小幅的阶跃变化，而其后的改变将以 更精细的步长进行，以便使用者不会看到光在强度上的突然变化；逐步微调占空比，直到均 方根电流在额定值的5 %之内。图2概述保护调光器5免受过载电流的操作步骤。在第一步骤，监测与电流传感器80中被检测的负载电流相对应的电压信号150。如果信号150不超过与M0SFET10，20的额定电流相对应的值，则继续进行监测。如果信号150超过与M0SFET10，20的额定电流相对应的值，则改变提供给M0SFET 驱动器30的驱动信号Ml和M2以减少M0SFET10，20的占空比。如果信号150的峰值不超过与M0SFET10，20的额定电流相对应的值的150%，则继 续进行监测。如果信号150的峰值超过与M0SFET10，20的额定电流相对应的值的150%，则 改变提供给M0SFET驱动器30的驱动信号Ml和M2以永久性地关闭M0SFET10，20。然后 M0SFET10，20保持关闭，直到控制器130使用者要求调光器的重新启动。图3中的图表示出在过载运行模式下占空比的减少。在图3(a)中，电流200在 10ms的50Hz交流电半周期中接通6ms，即60%的占空比。电压图表210a，b显示控制所 述M0SFET的MCU信号。在驱动器中存在反转。当体二极管被施加正向偏压以及在另一个 (正)半周期的开始部分期间，在整个负半周期M0SFET被打开。这些信号使电流得到控制。 总均方根电流是730mA，对应于约170W的输出功率。如上所述，通过改变每个循环起点和电 压210a，b的高切换(当210a，b达到高时相应的M0SFET被关闭)之间的延迟从而实现调 光。图3(b)说明了过载情况下的性能。请注意这里，电流200上升速度远远超过在图 3(a)中。过载保护使电压210a，b (对应于M0SFET10，20)在循环中比图3(a)所示的情况 更快达到高(导致M0SFET的关闭)仅4. 12ms(41%的占空比)后电流200被切断。虽然 (超)负荷为400W，但实际提供给负载的功率只有约270W(230V均方根X 1. 175A均方根)。虽然已参照特定实施例对本发明进行了描述和说明，但本领域的普通技术人员应 当意识到本发明可以产生许多不同的未在此详细说明的变化。下面仅通过举例来对某些可 能出现的变化进行描述。在上述的描述中，被提及的整体或部分如果具有公知的、明显的或可预见的等价 物，则这样的等价物如同被单独描述一样被结合于此。应当参照权利要求书来确定本发明 的准确范围，这些权利要求应当被解释为包括任何这样的等价物。读者还应当意识到本发 明描述为优选的、有利的、方便的或类似的整体或特征是可选的，并不限制独立权利要求的 范围。此外，要认识到这些可选的整体或特征，尽管在本发明的一些实施例中可能有益处， 但在其它实施例中可能不是期望的并因此可能不存在。
权利要求
一种保护照明设备的方法，该照明设备包括(a)具有亮度、由交流电源供电的照明负载，所述交流电源具有周期为t的循环；及(b)调光器，其包括可在工作时接通和关闭给所述照明负载的电流的半导体开关；其中在正常运行中，该开关打开所述照明负载和关闭所述照明负载，而该照明负载的亮度通过改变该打开或关闭从而使该照明负载在周期t的更长或更短的部分x期间被打开而改变；该方法进一步包括监测通过该开关流向所述照明负载的负载电流，并且当被监测的电流超过第一阈值时，减少周期t中所述照明负载被打开的部分x，使得在该开关中消耗的功率也被减少。
2.如权利要求1所述的方法，其中当被监测的电流超过第一阈值时，所述部分x以足够 小的步长减少，该步长小到足以不会让使用者看到来自所述照明负载的光在强度上的突然 变化。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中响应被监测的电流超过第一阈值，通过增加关闭 所述照明负载和打开所述照明负载之间的延迟来减少周期t中所述照明负载被打开的部 分X。
4.如权利要求1或2所述的方法，其中响应被监测的电流超过第一阈值，通过减少打开 所述照明负载和关闭所述照明负载之间的延迟来减少周期t中所述照明负载被打开的部 分X。
5.如前述任意一项权利要求所述的方法，还包括如果所述负载电流超过第二阈值则永 久性地关闭所述照明负载。
6.如权利要求5所述的方法，其中第二阈值例如为第一阈值的150%。
7.如权利要求5或6所述的方法，其中，当第二阈值被超过时，所述照明负载被关闭直 到所述调光器内产生或提供给该调光器复位信号。
8.如前述任意一项权利要求所述的方法，其中所述照明负载包括多个灯。
9.一种连接到照明负载的调光器，所述负载具有亮度并由交流电源供电，所述交流电 源具有周期为t的循环，所述调光器包括可在工作时打开和关闭所述照明负载的半导体 开关；其中在正常运行中该开关被安排为打开所述照明负载和关闭所述照明负载，该开关 可在工作时通过改变该打开或关闭从而使所述照明负载在周期t的更长或更短的部分x期 间被打开来改变所述照明负载的亮度；该调光器还包括被安排为监测通过该开关流向所述 照明负载的负载电流的监测器，并且当被监测的电流超过阈值时，减少周期t中所述照明 负载被打开的部分X，使得在该开关中消耗的功率也被减少。
10.如权利要求9所述的调光器，其中所述半导体开关是场效应晶体管、三端双向可控 硅开关元件、双极结型晶体管或绝缘栅双极晶体管。
11.如权利要求9或10所述的调光器，还包括监测所述负载电流并控制开关的切换的 控制器。
12.一种包括如权利要求9至11任意一项所述的调光器的照明设备。
13.—种参照附图充分描述的保护照明设备的方法。
14.一种参照附图充分描述的调光器。
全文摘要
本发明涉及环境调节设备的控制。一种照明设备，包括(a)具有亮度、由交流电源供电的灯，所述交流电源具有周期为t的循环；和(b)调光器，其具有可在工作时打开和关闭灯的半导体开关。在正常运行中该开关打开和关闭灯，并且通过改变该打开或关闭从而使灯在周期t的更长或更短部分x期间被打开来改变灯的亮度。一种保护照明设备的方法包括监测通过开关流向灯的负载电流，并且当被监测的电流超过阈值时，减少周期t中该灯被打开的部分x，使得在开关中消耗的功率也被减少。
文档编号F21S2/00GK101801143SQ20101013657
公开日2010年8月11日 申请日期2010年2月9日 优先权日2009年2月9日
发明者D·库马, G·R·瓦巴尔, K·蒂鲁纳纳萨姆班罕 申请人:诺瓦Ed&S有限公司