专利名称：用于在照明系统中检测短路的装置及方法
技术领域：
本发明总体上是关于一个检测连接于变压器副边绕组的负载短路的装置。
谐振变压器典型地应用于照明系统中。谐振变压器通常具有相对较高的匝数比。由于较高的匝数比，原边绕组和副边绕组之间的漏电感应器的阻抗就相对较高。当用于变压器的转换频率高于谐振频率时(感应模式)，漏电感应器的阻抗基本上与变压器的输出负载阻抗相等。由于漏电感应器的高阻抗，即使输出负载短路，变压器的原边电流也不会增加很多。检测变压器原边电流的振幅的传统技术已不能够确定输出负载是否短路。
因此，本发明的一个目的在于提供一种独特的装置和方法来检测与变压器副边绕组相连接的负载的短路。
根据下面的描述，对于本领域的一个普通技术人员来说，本发明的其它目的以及优点将是很明显的。
一方面，本发明提供的是一种检测由变压器供电的负载短路的装置，其中变压器有原边绕组和副边绕组，并且负载连接于副边绕组上。装置包括一个波形转换电路，它将分别代表着变压器原边电压和电流的电压和电流信号分别转变为方波电压和电流信号。装置还包括一个相位检测电路，当方波电压和电流信号的相位基本同相时它将输出第一种状态控制信号，当方波电压和电流信号的相位差大于一个预定的相位差时，它将输出第二种状态。装置还包括一个滤波器用以过滤相位检测电路输出的信号。在一个实施例中，该装置还包括了一个当控制信号处于第二种状态时断开负载的电路。在一个实施例中，装置包括了当控制信号处于第一种状态时预示负载存在短路的方法。
相关的另一方面，本发明提供的是一种检测变压器供电的照明系统短路的装置，其中变压器有原边绕组和副边绕组，并且照明系统连接于副边绕组上。装置包括一个将分别代表着变压器原边电压和电流的电压和电流信号转变为方波电压和电流信号的方法。装置还包括一种当方波电压和电流信号的相位基本同相时将产生第一种状态控制信号，当方波电压和电流信号的相位差距超过一个预定的相位差时将产生第二种状态控制信号的方法。还有用以过滤相位检测电路输出的信号的方法。
再一方面，本发明提供的是一种检测由变压器供电负载短路的方法，变压器有原边绕组和副边绕组，其中负载连接于副边绕组上。该方法包括了一些步骤，这些步骤包括提供分别代表着变压器原边电压和电流信号，分别转换代表着变压器原边电压和电流信号为方波电压和电流信号，当方波电压和电流信号的相位基本同相时产生第一种状态的控制信号，当方波电压和电流信号的相位差距超过一个预定的相位差时将产生第二种状态控制信号，过滤相位检测电路输出的信号。
据信本发明的技术特征具有新颖性，并且本发明的原理特性在所附的权利要求书中进行了详尽阐述。本发明的结构和工作方法都可以通过参考详细的描述深入理解，描述参考下列附图，其中
图1为变压器的示意图。
图2为变压器正常工作时的电压和电流的相位图。
图3为发生短路时变压器电压和电流的相位图。
图4为本发明装置的方框图。
图5为图4所示装置的一个实施例的电路图。
图6为图4所示波形转换电路和相位检测电路正常工作条件下输出的信号波形。
图7为图4所示波形转换电路和滤波电路正常工作条件下输出的信号波形。
图8为图4所示波形转换电路和相位检测电路短路条件下输出的信号波形。
图9为图4所示波形转换电路和滤波电路短路条件下输出的信号波形。
为了便于理解本发明，接下来说明谐振变压器的基本工作原理。参见图1，图示为谐振变压器的等效电路。当一个相对较高的频率作用于谐振电路时，变压器的原边绕组电流IP和原边绕组电压VP很容易测到。变压器的原边绕组电压VP的上升引起了副边绕组电压Vs的增加，变压器原边电流IP的增加引起了副边电流Is的增加。变压器的原边电压VP和电流IP包含了振幅和相位信息。电压VP的相位与电压Vs的相位大体相同。同样，电流Ip的相位与电流Is的相位大体相同。负载的电压、电流和电阻分别用Vo、Io和Ro代表。变压器的励磁电流用IM代表，它通常较小。
参见图2，图示为变压器正常工作时电压和电流的相位图。根据前面的讨论，电压Vs代表VP，电流Is代表IP。正常工作情况下，电压Vs和电流Is之间的相位角α小于50度。参见图3，图示为短路工作情况下(即变压器输出短路)，电压Vs和电流Is之间的相位角α超过70度。因此，根据本发明通过检测电压Vs和电流Is之间的相位角判定变压器输出是否短路。正如前面的讨论，这可以由检测电压VP和电流IP之间的相位角来完成。电压VP和电流IP分别与电压Vs和电流Is的相位角基本一致。
参见图4，图示为本发明装置的方框图。虽然下面的描述中，装置10是在照明系统中的应用，但应当看到装置10可应用于任何一种类型的由谐振变压器供电的负载。装置10大体包括了波形转换电路，相位检测电路14和输出滤波器16。变压器原边电压VP和电流IP分别输入到波形转换电路12，波形转换电路12将这些波形整形为方波信号。这些经过整形的波形再输入至相位检测电路14，相位检测电路检测由电路12输出的电压和电流方波信号之间的相位差，如果电压和电流的方波信号大体同相则输出第一种状态信号(如TTL逻辑电位“低”)。如果电压和电流的方波信号之间的相位差超过预定值，则输出第二种逻辑状态(如TTL逻辑电位“高”)。当电压和电流的方波信号之间的相位差超过预定相位差时就存在负载短路。在一个实施例中，预定的相位差是50度，而在另一个是实施例中，预定的相位差是70度。如果电压和电流的方波信号之间的相位差没有超过预定相位差就不存在负载短路。
参见图4，相位检测电路14的输出再输入至可以消除交流脉动、电压峰值或其它瞬时信号的滤波电路16中。然后，滤波电路16的输出再输入至控制电路(未示出)。如果滤波电路16的输出值高于预定电平则控制电路(未示出)断开变压器二次绕组连接的负载，例如，如果滤波电路16的输出信号是一个逻辑电位(“1”)，则控制电路(未示出)断开负载。
参见图5，图示为本发明装置10的一个实施例，在该特定的实施例中，装置10用来检测两个串联变压器的短路，该实施例中每个变压器的与一个对应的灯相关。但是，应当看到，图5中的电路可用于一只灯或两只以上，波形转换电路总体上包括输入电路系统，用以检测与两只灯相关的变压器的原边电压波形和接收变压器原边电流波形。电路12包括电阻R1和R2以及电容C1，它们组成“T”网络。电阻R1的一端连接到变压器原边的辅助绕组部分TPA1，以接收电压VPA1。电压VPA1与Vp的相位相同。电阻R1的另一端连接到电阻R2和电容C2。原边的辅助绕组部分TPA1对应于变压器的副边绕组电压，该电压应用于第一个照明系统或灯。电容C2的另一端接于地电位。在一个实施例中，电阻R1的阻值是10KΩ，在一个实施例中，电容C1的电容值为100pf(皮法)。电路12还包括电阻R3、电容C2以及稳压二极管D1。电阻R3的一端连接至电容C2的一端和稳压二极管D1的一极。电容C2的另一端连接至地电位。在一个实施例中，电阻R3的阻值是100KΩ，电容C2功能是旁路电容，阻止交流信号作用于稳压二极管D1。在一个实施例中，电容C2的电容值为0.01μf(微法)。在一个实施例中，稳压二极管D1的稳压电压为3.3V，电阻R3和稳压二极管D1为电压信号VPA1提供了一个直流偏移电压。
参见图5，波形转换电路12还包括电阻R4和R5以及电容C3，并构成一个“T”形网络。电阻R4的一端连接到变压器原边的辅助绕组部分TPA2，以接收电压VPA2，电压VPA2与VP的相位相同。电阻R4的另一端连接到电阻R5和电容C3。电压VPA2应用于第二个照明系统或灯。电容C3的另一端接于地电位。在一个实施例中，电阻R4的阻值是10KΩ，电阻R5的阻值是100KΩ。在另一个实施例中，电容C3的电容值为100pf(皮法)。电路12还包括电阻R6，电阻R6连接于电阻R5和稳压二极管D1之间。在一个实施例中，电阻R6的阻值是100KΩ。电阻R6和稳压二极管D1一起为电压信号VPA2提供了一个直流偏移电压。
参见图5，电路12还包括电阻R7和R8以及电容C4，它们被设计为一个“T”形网络。在一个实施例中，R7和R8的阻值分别是10KΩ和100KΩ。在一个实施例中，电容C4的电容值大约为100pf。电流流过变压器的副边绕组，输入至电阻R7的一端。电阻R10和稳压二极管D1一起为电流IPA提供了一个直流偏移。IPA流过变压器辅助绕组部分TPA1和TPA2电流IPA输入至比较器22。
参见图5，波形转换电路12还包括电阻R9，R10，R11，R12，R14和R15以及比较器18，20和22，电阻R9在电源电压+Vcc和稳压二极管D1之间，在一个实施例中，电源电压大约为直流5V，电阻R10连接于电阻R8和稳压二极管的正极，电阻R10还连接到比较器22的非反向端。电阻R11和R22被设置为电压分配电路。电阻R11连接于稳压二极管正极和电阻R12的一端之间。电阻R12的另一端连接于地电位。电阻R11和R12的节点连接到比较器18，20和22的反向输入端，并提供一个偏移电压。电阻R2和R3的节点连接到比较器18的非反向输入端。电阻R5和R6的节点连接到比较器20的非反向输入端，电阻R13，R14和R15用于提升电压，分别连接于+Vcc和比较器18，20和22的输入端。在一个实施例中，电阻R10的阻值是100KΩ，在一个实施例中，电阻R9，R11，R12，R13，R14和R15的阻值是10KΩ。
参见图5，相位检测电路14总体上包括异或门24和26，门24的一个输入端连接到比较器18的输出端。门24的另一个输入端连接到比较器22的输出端。门26的一个输入端连接到比较器20的输出端。门26的另一个输入端连接到比较器22的输出端。门24和26的输出端输入到滤波电路16。
参见图5，滤波电路16总体上包括两个R-C型滤波电路。每一个R-C型滤波电路接收相应异或门的输出。一个滤波电路包括电阻R16和电容C5。异或门24的输出连接到电阻R16。另一个滤波电路包括电阻R18和电容C6。异或门26的输出连接到电阻R18。在一个实施例中，电阻R16和R18的阻值均为100KΩ。电容C5和C6的电容值均为0.1μf。R-C滤波电路使异或门24和26的输出变得平滑，并滤去了交流波，瞬时波动或瞬时峰值。
工作参见图5，电压VPA1输入到波形转换电路12。特别地，电压VPA1输入到包括电阻R1和R2以及电容C1的输入电路。如前面的描述，电阻R1和R3以及稳压二极管给VPA1提供了一个直流偏移电压。然后，电压VPA1和偏移电压输入到比较器18的非反向输入端。同样，电压VPA2输入到波形转换电路12。特别地，电压VPA2输入到包括电阻R4和R5以及电容C3的输入电路。
参见图5，电流IPA通过电阻R7输入到波形转换电路12，电压VPA1和VPA2以及电流IPA都具有正弦波的形式。正如下面将要解释的那样，比较器18，20和22将正弦波转换为方波信号波形。与第一支灯相关的电压VPA1被输入至比较器18的非反向输入端。比较器18的输出输入至相位检测电路14。特别地，比较器18的输出输入至异或门24的一个输入端。比较器22输出的电流波形IPA输入至异或门24的第二个输入端。
参见图6，波形30和32分别为在正常条件下(即无短路)IPA和VPA1的波形。它们分别由比较器18和22输出。波形30和32有一个偏移电压VOS。波形30和32输入至异或门24。因为IPA和VPA1的波形相位相同，所以波形34基本上处于TTL逻辑电位“低”，由电压V1表示。异或门24的输出输入至包括电阻R16和电容C5的滤波电路。参见图7，波形36由RC滤波电路输出，并处于TTL逻辑电位“低”，由电压V2表示。在一个实施例中，它处于0.1伏和0.2伏之间。
参见图8，波形40和44是第一支灯短路时的电流信号IS和电压VPA1。波形40和44分别由比较器1822输出，然后输入至异或门24。因为波形40和44之间的相位有很大不同，因此，异或门24输出波形46，并且波形46处于TTL“高”电位，由电压V3表示。然后波形46被输入至含有电阻R16和电容C5的R-C滤波电路。该R-C滤波电路输出波形48如图9所示。波形48基本上是一个直流电压V4，它处于TTL“高”电位，大约3.3伏。
参见图5，应当看到，由于采用对称电路设计，电流IPA和电压信号VPA2的相位差以相同的方式通过比较器20和22，异或门26以及包括电阻R18和电容C6的R-C滤波器来检测。因此，当第二支灯未短路时，前面提及的R-C滤波电路输出一个与波形36相似的波形。当第二支灯短路时，输出一个与波形48相似的波形。
由包含电阻R16和电容C5的R-C滤波器和包含电阻R18和电容C6的滤波器输出的波形可以输入至控制电路系统(未示出)，如果其中一支灯或两支灯发生短路，该系统可以断开其中一支或两支灯。
因为R-C滤波电路电压输出的波动相对较大，因此，即使在滤波器输出波动很大的情况下，每个R-C滤波电路也应该设置一个相对较小的时间常数。相对较小的时间常数也使装置10检测到极微弱型式的短路，这种型式典型地用于低占空比PWM(脉冲宽度调制)。
本发明装置的重要优点是，系统10的每一个单元的成本都相对较低，因为它没有必要用装置10检测变压器电压和电流的振幅或电路参数，如漏电感Ls和自耦系数。
虽然图5所示的电路是为应用两支灯所设置，应当看到，本发明可应用于一支灯或两支灯以上。而且，上面描述的电阻和电容部件的值(即电阻和电容值)只是合适部件值的例子。应当看到，其它合适的值也可以使用。而且，虽然图5所示的比较器被设置为在单电源+Vcc下工作，应当看到，比较器也可以设置为在双电源下工作。
本发明主要的最优实施例和工作模式已经在上述细节中描述过了。但是，其中本发明打算要被保护的不应被推断为所展现的几种有限形式，因为它们是说明性的而不是限制性的。本领域的熟练技术人员可以作出不离开本发明精神的不同变化。因此，前面的详细描述应当认为是对性质的示范，并且不应局限于所附权利要求书体现的本发明之精神和范围。
权利要求
1.一种用以检测由变压器供电的负载的短路的装置(10)，其中变压器有原边绕组和副边绕组，并且负载连接于副边绕组上，该装置包括波形转换电路(12)用以将分别代表着原边绕组电压和电流的电压和电流信号分别转变为方波电压和电流信号；相位检测电路(14)用以当方波电压和电流信号的相位基本同相时，输出第一种状态控制信号；当方波电压和电流信号的相位差大于一个预定的相位差时，输出第二种状态；滤波器(16)用以对相位检测电路输出的信号进行滤波。
2.根据权利要求1所述的装置，其中相位检测电路(14)包括一个异或门，它的一个输入端接收方波电压波形和方波电流波形。
3.根据权利要求1所述的装置，其中滤波器(16)包括一个R-C滤波器。
4.根据权利要求1所述的装置，还包括当控制信号处于第一种状态时预示负载存在短路的装置。
5.根据权利要求1所述的装置，其中相位检测电路(14)当方波电压和电流信号之间相位差大于70度时输出第二种状态的控制信号。
6.根据权利要求1所述的装置，还包括当控制信号处于第二种状态时，对控制信号进行断开负载响应的电路。
7.一种为照明灯具供电的控制机构，包括具有原边和副边绕组的变压器，还包括检测照明系统短路的装置(10)，照明系统连接于变压器副边并由它供电，该装置包括用以将分别代表着变压器原边绕组的电压和电流信号分别转变为方波电压和电流信号的装置(12)。装置(14)，用以当方波电压和电流信号的相位实际上同相时，输出第一种状态控制信号，当方波电压和电流信号的相位差大于一个预定的相位差时，输出第二种状态；用以对相位检测电路输出的信号进行滤波的装置(16)。
8.一种用以检测由变压器供电负载短路的方法，变压器有原边绕组和副边绕组，其中负载连接于副边绕组上，该方法包括提供分别代表着变压器原边电压和电流信号的电压和电流信号。将代表着变压器原边电压和电流信号转换为相应的方波电压和电流信号。当方波电压和电流信号的相位实际上同相时，产生第一种状态的控制信号；当方波电压和电流信号的相位差大于一个预定的相位差时，产生第二种状态控制信号；以及对相位检测电路输出的信号进行滤波。
9.根据权利要求8所述的方法，还包括当控制信号处于第二种状态时预示负载存在短路的步骤。
10.根据权利要求8所述的方法，还包括当控制信号处于第二种状态时断开负载的步骤。
全文摘要
一种检测由变压器供电负载短路的装置及方法，其中变压器有原边绕组和副边绕组，并且负载连接于副边绕组上。装置包括一个波形转换电路，它将分别代表着变压器原边电压和电流的电压和电流信号分别转变为方波电压和电流信号。所述装置还包括一个相位检测电路，当方波电压和电流信号的相位基本同相时它将输出第一种状态控制信号，当方波电压和电流信号的相位差大于一个预定的相位差时，它将输出第二种状态。所述装置还包括一个滤波器用以对相位检测电路输出的信号进行滤波。在一个实施例中，所述装置还包括了一个当控制信号处于第二种状态时断开负载的电路。在一个实施例中，本发明的装置及方法应用于检测由变压器供电的照明系统的短路，其中变压器有原边绕组和副边绕组，并且负载连接于副边绕组上。
文档编号H02H3/38GK1394373SQ01802826
公开日2003年1月29日 申请日期2001年9月12日 优先权日2000年9月22日
发明者D·F·翁, C·常 申请人:皇家菲利浦电子有限公司