专利名称：高度节约能源的电子调控设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及高度节约能源的电子调控设备。由电源线电压供电的电子设备，特别是电子镇流器或电抗器，必须从电源线吸收如本领域中现行国内和国际标准所要求的具有有限的谐波含量的电流。
该要求的目的是强制要求制造商生产具有高功率因数的设备，从而优化电能的使用，同时防止无功电流的过载。
任何可能的高频谐波电流也会利用电源线作为发射天线产生不希望的电磁场。
迄今为止，为了克服这些问题，已经制造出的电子电路或一般电子供电式设备通过整流器处理从电源线上吸收的交变电流。但是，简单的整流器不能满足关于节省能源的新规定所提出的非常严格的标准。由按上述工作的由整流器组成的常规电路的典型功能和配置清楚地显示在
图1和2中。
实际上，图1示出了包括整流器桥P的电路在图中标示为2和3的节点分别连接到电源线R；电源线R分配电流I1，同时在节点2和3测量电压V1。整流器桥P的节点1和4也以并联的方式连接到电解电容器CE和负载L；在电容器CE和负载L的两端测量电压V2，而进入负载L的电流用I2表示。
附图2示出了电压V1和由电源线R吸收的电流I1品质变化的笛卡尔曲线；在图中可以清楚地看出，吸收的电流I1仅集中在对应于电压V1的波形的完整周期内的小时间段中，因此这不可避免地产生了强谐波分量，为了遵守以上提到的标准应该减少这些分量。
为了解决这些问题，还使用了专用功率因数校正电路，称做“PFC”(“功率因数控制”)；这些装置使用升压转换器加载电解电容器CE，从图3中的简化电路图中可以清楚看出，包括连接到变压器L的CC控制电路，分流电阻器RS以及开关I，用于闭合元件CE和L并联形成的输出电路，并联的元件CE和L与二极管块D串联连接。
以此方式，由电源线R吸收的电流I1得到完美的正弦曲线并与电源线电压V1同相位，如图4中的曲线清楚示出。
然而，与该方案有关的一个重要问题是电路的复杂性；实际上，首先，为了产生转换器，需要两级，导致成本显著增加，此外，复杂性增加也不可避免地对设备的整体可靠性产生一定程度的影响。
因此本发明的一个目的是提供一种高度节约能源的电子调控设备，能吸收来自电源线的谐波含量减少的电流。
本发明的另一目的是提供一种特别可靠和有效的高度节约能源的电子调控设备，也保证符合与线电压电流吸收有关的现行标准。
本发明的再一目的是提供一种高度节约能源的电子调控设备，特别用于镇流器或“ECO”型电子电抗器，但也适用于普通电子设备领域中的其它应用。
本发明的最后一个但不是最不重要的另一目的是提供一种高度节约能源的电子调控设备，使用了相对简单的电路方案，因此将成本保持在合理水平，同时提供完全可靠性。
为简单起见，参考权利要求1，其中所述的高度节约能源的电子调控设备可以达到这些和其它目的。进一步具体的特征在下面的权利要求中描述。
有利地，本发明提供一种用于镇流器或电抗器或普通的电子供电式设备的控制电路，由此通过控制由提供必需的方波信号的半桥电路提供的频率，可以确定负载调控C-L线(由半桥电路提供)的特性，从而确定由负载提供的电流特性。
因此，所述方案基于振荡频率容易控制的半桥电路；通过使用新式集成电路可以特别容易制成“驱动器”，这些“驱动器”能够接收逻辑电平的输入或者甚至配有内部VCO振荡器，能够通过改变施加在相对输入处的电位来改变频率。
从下面专用于非限定性解释而提供的说明和附图中，本发明的其它目的和优点将变得很显然，其中图1表示根据公知的方法形成的用于普通设备的电子调控设备的第一种电路方案；图2表示图1所示控制电路的两个重要参数随时间的变化曲线；图3示出了也根据常规方法形成的用于普通设备的电子调控设备的第二种电路方案；图4表示图3所示控制电路的两个重要参数随时间的变化曲线；图5表示根据本发明的高度节约能源的电子调控设备的电路图6和7表示图5所示电路的三个重要参数随时间的变化曲线；图8表示针对图5所示电路的操作的特定谐振电路的响应随时间变化的示意性笛卡儿曲线；图9示出了可以在图5所示电路中测量的三种典型的笛卡儿信号随时间的变化曲线；图10示出了根据本发明的电子调控设备连接到电抗器时灯电压随时间的变化曲线；图11示出了由图10所示电抗器吸收的电流以及输入电压随时间的变化曲线；图12示出了与高度节约能源的电子调控设备有关的电路图，特别用于“调光器”系统或荧光灯或管。
具体参考图5，用于本申请发明目的的电路方案设置为级联，二极管P桥的下游用做从电源线R获取的线电压V1的转换器，功率因数控制电路用字母表示为FC，用Q表示由半桥电路形成的“驱动器”，用N表示线C-L，它再与负载串联连接，在所示的实施例中，该负载由荧光灯管TF组成。
二极管桥P首先整流交流线电压V1’由此得到脉动波形V11，通过半桥电路Q转换为方波，其中方波频率由VCO振荡器产生。
由反相放大器结构中的简单运算电路得到振荡器VCO的电压控制VC，同时通过在整流的线电压V11上进行的电阻分压器R1-R2-R3得到反相输入。
实际上，两个电阻R1，R2提供了信号V11和V21的代数和；由于电流的流通方向，信号V21为负，可以计算差值，然后通过放大倍数为R5/R4的反相级AO放大并施加到振荡器VCO。
以此方式，在电流电压相移和频率之间建立联系，通过电路FC产生功率因数的控制函数；实际上，通过使用振荡器VCO调节信号的频率，可以调节电流吸收，这提供了得到功率因数接近1的方式，以便同时完全符合节约能源的现行规定。
图6中的曲线显示出典型信号V11和V21的变化，而图7显示出错误信号V3的变化。
在以上提到的曲线中，为清楚起见，信号幅值被归一化，而由于电流流通方向，电压V21为负，阶跃(step)V21反相。
如上所述，电阻R1和R2计算两个信号的代数和，所得信号V＝(V11)+(-V21)施加到运算反相放大器输入AO，从图5中可以清楚看出；在提出的理论电路中可以看出，由于使用了单个电源的电路，由此仅放大了负信号，由于反相提供了正输出。
因此实际上，由于存在存储电容器C1，与电压V1相比，电流I1超前，但系统于预增加了半桥电路Q的振荡频率，由此减少了吸收。
以此方式，系统呈现正弦参考信号V11，而误差信号V3趋向于返回到V21和V11之间的平衡状态(V21＝V11)，由此I1与V1同相。特别是图5中所示，系统作用于特定的谐振电路，它的频率响应显示在图8中的笛卡儿曲线中；通过作用于频率F，如何改变电流吸收I1是显而易见的，考虑图5中的控制电路FC通过半桥“驱动器”Q启动了谐振电路的调控，构成“功率MOS”。此外，为确保系统的可靠性，谐振电路的工作频率必须总是高于谐振频率F0。
显示在图5中的控制系统只有与输出电路N(C-L线)结合时才有效。
无论是功率部分还是信号处理，在方框FC内进行功率因数校正CR需要的电子电路显然比常规方法中使用的简单，这使得该方法更经济并且通常更可靠。
更具体地，省略了容量为几十礔的常规电解存储电容器，并用容量为小于1礔的薄膜电容器C1代替，这省略了由于特定的构造技术所造成的其寿命期代表电路寿命的实际极限的部件。
图9示出了用于本发明目的的在图5所示的实验电路上得到的最重要信号的变化。
电压信号V11表示经过整流的线电压V1(230Vrms)，而电压V21为电流分流电阻R3两端的电压，如图5所示。
图9中的曲线清楚地显示出电压幅值V21急剧减小以限制功耗，而系统的平衡取决于R1/R2的比(大约等于1000/1)和运算放大器的增益AO。
最后，在放大器输出AO出现的电压信号V3为误差信号；在图9中可以清楚地看到，因为电流吸收没有形成方波，误差信号V3只在初始阶段起作用。
图10示出了如图5所示的荧光灯管TF的两端的电压V5的电压变化；从该变化可以看出，灯管TF是如何插入到线电压V1的每个半周期中的，以及吸收电流I1是如何略微超前输入电压V1(参考比较图10和图11的曲线)，并且这不能防止在任何情况下完全符合现行能量节省规定。
采用HP6812B型“功率分析仪”装置完成实验测试，通过细致的电流谐波分析确认了上述附图中所示的结果。
如上所述，通过采用与这种类型的传统电路不同的谐振电路’可以取消传统的电子PFC、(电解的升压-二极管-电容卷(electrolyticboost-diode-condenser reel)和控制电路)，用简单地反相加法器代替它，简单的比较电压和吸收的电流信号，并产生施加到半桥电路Q中VCO振荡器的误差信号，将确保吸收水平符合标准和规定。
最终的电路操作是传统类型的铁磁镇流器装置(因为它在每半周进行灯或管TF的重新引入(re-insertion))和高频电子镇流器装置的操作的混合，所以，与已知的方案相比，能源节省为20-30％。此外，即使存在某些性能限制，上述电路设想使用有限成本的电子电抗器，并且可靠性水平可以与采用传统铁磁电抗器的产品相比。
最后，通过采用所提出的电路系统，可以很容易地得到能够在能源节省方面最大化性能水平的“调光器”系统。
该系统设想在光源上安装光敏元件(光电二极管、光电晶体管等)，确保恒定的底板发光度水平，补偿外部发光度(阳光或其它光源)的任何可能的增加，由此降低灯本身的调控功率，以及吸收功率。
在图12中详细示出了用于例如上述的“调光器”系统的电路图的一个例子；该电路图与图5中所示的电路图非常类似，除了增加用作发光度控制的第二运算放大器AO2。
从功能和结构的观点来看，该系统极其简单，工作过程如下电阻分压器R8-R7产生代表系统“设置点”的参考电压，并且该电压与光电晶体管或光电二极管PD产生的、与从地板反射的光成比例的电压进行比较。
该结果为V8＝Av*(V6-V7)，其中Av是运算放大器AO2的放大倍数。
图5中提供参考电压的电阻R1现在分为两部分，R1A和R1B，并且因为输出U连接到二极管D2的阴极，所以放大器可以仅降低输出电流。
在这种方式中，系统拾取参考信号V11的一部分，由此建立起要达到的新的参考，谐波校正电路FC将因此产生限制电流吸收并使系统返回其平衡状态的误差信号V3。
基本上，谐波校正电路FC使电流吸收水平达到参考信号V11的幅度，并且，如果该参考信号通过光敏电路PD变化，系统将通过使吸收重新达到正确的水平而作出反应。
因此，容易理解用简单的运算电路，在每次外面的发光度增加例如在白天有日光时，通过独立地和自动地降低吸收功率使进一步节省能源成为可能。
所以，这种系统可确保进一步节省能量30-40％，超过前面采用图5中的电子供电电路所获得的20-30％，而不会有损系统的性能效率和可靠性；除此之外，可获得的优点还在于总制造及运行成本最低。
通过上述说明，高度节省能源的电子调控设备的特性变得明显了，特别是对于所关注的灯或管型荧光灯电子电抗器，作为本发明的目的，所获得的优点是明显的，当与现有技术相比时，特别是降低了制造和运行成本，并且与传统的调控设备相比，这与显著节省能源相结合。
最后，显然，作为本发明目的，对于调控装置可以采用多种其它的变型而不脱离本发明的创新原理，尤其是对于荧光灯或管电抗器。而且还应当理解，在本发明的实际应用中，所示出的具体的材料、形状和尺寸根据需要可以是任何类型，并且这些可以用其它等价物代替。
权利要求
1.一种电子调控设备，特别是用于荧光灯或荧光灯管(TF)能够调节和控制发光亮度的镇流器或电子电抗器，特征在于包括级联和下游的电源信号输入(R)的整流装置(P)、功率因数控制电路(FC)、半桥调控电路或“驱动器”(Q)以及与负载(L)串联连接的C-L线(N)，所述负载调控(L)通过由用于提供确定的方波信号的所述半桥电路(Q)供电的所述C-L线(N)进行。
2.根据权利要求1的电子调控设备，特征在于通过对由所述半桥电路(Q)提供的频率值(F)的控制确定所述C-L线的工作情况，并由此设置供应所述负载(L)的电流值。
3.根据权利要求1的电子调控设备，特征在于控制电路(FC)通过能够接收逻辑电平的输入或配备有内部振荡装置(VCO)的集成电路控制装置，用所述控制电路可以调节所述半桥电路(Q)的振荡频率，能够通过改变加在所确定的输入的参考电压得到频率改变。
4.根据权利要求1的电子调控设备，特征在于所述整流装置(P)包括用于变换可由电源线(R)采集的电压信号(V1)的二极管桥，所述电压信号(V1)由交变的线电压构成，当由所述二极管桥(P)整流时，整流成脉动的波形(V11)，随后由所述半桥电路(Q)变换为方波，其中方波频率由振荡器(VCO)产生，该振荡器具有可由反相放大器结构中的运算电路(AO)得到的控制电压(VC)。
5.根据权利要求4的电子调控设备，特征在于所述反相放大器通过电阻分压器(R1、R2、R3)在所述整流线电压(V11)上获得输入，其中所述分压器的至少两个电阻(R1、R2)计算确定的信号(V11、V21)的代数和，然后由所述反相运算级(AO)用预先建立的系数放大并加到所述半桥电路(Q)的振荡器(VCO)，从而获得电压-电流相移和频率之间的联系，并通过所述控制电路(FC)产生功率因数控制函数。
6.根据权利要求5的电子调控设备，特征在于所述振荡器(VCO)用于以一种使电流吸收调节和功率因数接近于1的方式调节输入信号振荡频率值。
7.根据权利要求6的电子调控设备，特征在于所述半桥电路(Q)类似于特殊的谐振电路工作，该特殊谐振电路的频率响应与可从电源线(R)吸收的电流的变化(I1)相关，所述控制电路(FC)对所述谐振电路进行调控，所述谐振电路的工作频率(F)始终高于谐振频率值(F0)。
8.根据权利要求7的电子调控设备，特征在于形成控制电路负载(L)的所述荧光灯或荧光灯管(TF)两端具有这样的电压(V5)，在所述线电压输入(V1)的每半周期触发荧光灯管(TF)，从而由电源线吸收的电流(I1)超前所述输入电压(V1)。
9.根据权利要求1的电子调控设备，特征在于功率因数控制电路(FC)能够与含有至少一个光敏元件(PD)的另一个电路组合，以获得能够在节省能源方面性能最大化的发光亮度调节系统或“调光器”，在所述灯或发光元件上提供所述光敏元件(PD)，从而确保底板上的恒定的照明水平，补偿外部光线的任何可能的增加。
10.根据权利要求9的电子调控设备，特征在于所述发光度调节系统使用用于发光度控制的至少一个额外的运算放大器(AO2)，此外，所述系统具有电阻分压器(R8、R9)，产生与所述光敏元件(PD)所产生的电压相比较的参考电压，所述发光度调节系统拾取所述电压参考信号(V11)的一部分，从而建立起要达到的另外的参考信号，所述控制电路(FC)具有谐波校正电路的功能，用于产生误差信号(V3)，以便限制电流吸收，并使系统返回到正确平衡状态。
全文摘要
一种电子调控设备，特别是用于镇流器或电子电抗器或类似设备的，其中荧光灯或荧光灯管(TF)的调控由通过提供必要的方波信号的半桥电路(Q)馈电的C－L线(N)进行；通过控制由半桥电路(Q)提供的频率(F)，能够确定C－L线(N)的工作情况以及送到负载(L)的电流。建立所提出的方案，具体在镇流器或电子电抗器中，适用于调节荧光灯或荧光灯管(TF)的发光亮度，但是在任何情况下，该电路方案对于由DC－AC转换器供电的所有其它普通电子装置也适用。
文档编号H05B41/282GK1429058SQ0215581
公开日2003年7月9日 申请日期2002年11月1日 优先权日2001年11月2日
发明者吉安·P·贝赫利 申请人:贝格利股份公司