专利名称：具有电源监视电路的调光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及两线负载控制设备，特别地涉及用于电子低压(ELV)照明 负载的两线调光器。
背景技术：
低压照明，如电子低压(ELV)和磁低压(MLV)照明，变得非常流行。 低压灯允许卓越的、精确的照明源，延长的灯寿命，比白炽灯更高的效率， 以及独特的照明装置，如追踪灯。给电子低压灯供电，需要ELV变压器来 把线电压(典型120Vac或240Vac)减小到低压电平(如12伏或24伏)以 给ELV灯供电。
一些现有技术的控制ELV照明负载的两线调光器是存在的。惯常的两 线调光器有两条连线到交流(AC)电源的"火线"连线和到照明负载的 "调光后的火线"连线。标准调光器使用一个或多个半导体开关，如三端双 向可控硅开关或场效应管(FET)，以控制递送到照明负载的电流从而控制光 的强度。所述半导体开关典型地被耦合到调光器的火线和调光后的火线连线 之间。
既然ELV变压器通常的特点是在初级线圈具有大电容，ELV照明负载 典型地使用反相控制调光(经常被称为"后沿"调光)而被调光，其中调光 器包括反向串联连线的两个FET。 一个FET在AC波形的第一、正半周期内 导通并且另一个FET在AC波形的第二、负半周期内导通。所述FET在AC 电源的每半个周期开始时被交替地打开并且根据灯需要的光强在该半个周 期内的某时刻被关闭。为执行反相控制调光，许多ELV调光器包括微处理 器以控制FET的转换。
为了提供直流(DC)电压以向微处理器和其它低压电路供电，调光器
包括电源，如猫耳电源。猫耳电源因仅在接近AC波形的过零点拉出电流并 且从其从AC电源拉出的电流的波形的形状而得名。电源必须通过连接的 ELV照明负载拉出电流。当电源在充电时，两个FET都必须被关闭(不导 通)。因此，FET不能在半个周期的全部时长内被打开，即使需要负载两端 的最大电压时也是这样。
为保证电源能够拉出足够的电流以保持其在所有时间的输出电压，FET 在每半个周期的末尾都要被关闭至少最小关断时间。ELV调光器的适当操作 受限于一些最差操作条件，如低压电路拉出的高电流，最差线电压输入(即 当AC电源电压低于正常值)，和最差负载条件(如灯的数量和瓦数、ELV 变压器的类型、ELV变压器的操作特性的变化)。通过考虑这些最差的条件， 通过计算能够保证电源在最差条件充满的关断时间来确定最小关断时间。结 果的关断时间通常作为每半个周期的一大部分而结束并且限制了连接的负 载的最大亮度级。
然而，最差条件在实际中是很少遇到的，在典型的条件下，FET可以在 每半个周期的末尾被关断一个很短时间，因此负载的导通电流的更长时间导 致该负载的更高的亮度，该更高的亮度接近仅当标准墙开关被与负载串行连 接时的亮度。现有技术中的调光器具有所有条件下的最小关断时间常数，并 且因此，导致小调光范围。
因此，存在对于包括电源和增加的调光范围的ELV调光器的需求。更 特别地，存在对于包括电源并且能够驱动高于现有技术的ELV调光器的最 大调光水平而不受限于电源操作的的ELV调光器的需求。
发明内容
按照本发明，用于AC电压源的照明负载控制的两线调光器包括半导体 开关、电源和控制电路。所述半导体开关可以被耦合在AC电压源和照明负 载之间并且具有导通状态和不导通状态。所述电源具有接收输入电压的输入
并且可以在所述半导体开关处于不导通状态时从AC电压源拉出电流。所述 控制电路可以控制所述半导体开关在AC电压的每半周期进入导通状态一导 通时间，并且耦合到电源的输入以监视电源的输入电压。当电源的输入电压 下降低于第一于预定电平时，所述控制开关能够减少所述导通时间。更进一 步，当输入电压增高至大于第一电平的第二预定电平时，所述控制开关能够 增加所述导通时间。
图1是本发明两线调光器的简化方框图2a是图1的调光器的调光后的火线的电压的波形；
图2b是图1的调光器两端的电压的波形；
图3是由图1的调光器的控制电路执行的处理的流程图4显示了在图3的处理的第一部分中图1的调光器的电压波形；以及
图5显示了在图3的处理的第二部分中图1的调光器的电压波形。
具体实施例方式
当结合附图阅读时，前述发明内容以及下面优选实施例的详细描述能够 被更好理解。为阐明本发明的意图，优选的实施例在附图中示出，其中贯穿 各个附图，相同数字代表相同部分，然而，应该理解的是本发明不限于公开 的特定的方法和手段。
图1显示了本发明的两线调光器100，该调光器串联在AC电源102和 ELV照明负载104之间。该调光器100有两个连线连接到AC电源102的 火线连线106和连接到照明负载104的调光后的火线连线108。既然ELV负
载操作在低压级(如12伏或24伏)，步降变压器XFMR对ELV灯104A来 说是必要的。ELV变压器XFMR典型地具有跨接在初级线圈两端的大电容 Celv。
为控制送入ELV负载104的AC电压，两个场效应管(FET) 110、 112 反向串联连接在火线接线端106和调光后的火线接线端108之间。第一FET 110在AC波形的正半周期内导通且第二 FET 112在AC波形的负半周期内 导通。ELV照明负载使用反相控制调光而被调光，其中两个FET交替地在 AC电源的每半个周期开始时被打开并且根据需要的光强在该半个周期内某 时刻被关闭。FET 110、 112的导通状态通过栅极驱动电路116结合到FET 的控制电路114确定。为执行反相控制调光，该控制电路114包括微处理器 以控制FETllO、 12的切换。
ELV调光器还包括用于用户输入的多个按钮118，和用于向用户反馈的 多个发光二极管(LED) 120。所述控制电路114从按钮118的输入确定ELV 灯104A的合适调光级别。
过零电路122向控制电路114提供控制信号以识别AC电源电压的过零 点。过零点被定义为在每半周期开始时AC电源电压等于零的时刻。过零电 路122通过二极管Dl在正半周期接收AC电压并且通过二极管D2在负半 周期接收AC电压。所述控制电路114通过从AC电源电压的每个过零点定 时以确定在每半周期何时关断FET。
为了给控制电路114的微处理器和其他低压电路提供DC电压(Vcc)， 所述调光器100包括电源124。该电源124仅当FET 110、 112都关断(不导 通)且调光器两端有潜在电压时才能充电。既然两线调光器仅有两个连线， 所述电源必须通过连接的ELV照明负载104拉出泄漏电流。例如，在正半 周期内，电流从AC电源102通过二极管D1流向电源124并且然后通过电 路公共端流出第二 FET112的体二极管并且通过负载104流回AC电源。该
电源124可以"猫耳"电源来实现，其仅在AC波形的过零点附近拉出电流， 或以标准开关模式电源来实现。
在典型的两线调光器中，电源124以"猫耳"电源来实现，其仅在AC 波形的过零点附近拉出电流。该电源124具有输入电容C1和输出电容C2。 所述输出电容C2使得电源Vcc的输出固定在恒定DC电压以向控制电路114 提供电源。该电源124的输入通过两个二极管D1、 D2耦合到火线接线端和 调光后的火线接线端，由此输入电容C1在正半周期和负半周期都充电。
调光器100还包括电压分配器，该电压分配器包括两个电阻R1、 R2并 且耦合在所述电源124的输入和电路公共端之间。该电压分配器在两个电阻 的连接处产生感知电压Vs。该感知电压Vs被提供给控制电路114以便该控 制电路能够监视在电源124的输入的电平。控制电路114的微处理器优选地 包括模拟数字转换器(ADC)以采样感知电压Vs的值。电阻R1、 R2优选 地调整阻值以确保所述控制电路114的微处理器的管脚的最大电压不超过电 源输出Vcc。例如，如果波形的输入电压是240VRMs并且电源输出Vcc是 3.3VDC，则Rl和R2的值应该分别被调整到450千欧和3千欧，以确保感知 电压的幅度小于3.3VDc。作为替换，所述电压分配器可以耦合在电源124的 输出电压(或另一个操作电压)和电路公共端之间以向控制电路114提供信 号以表示电源的当前操作条件。
按照本发明，所述控制电路114监视感知电压Vs并且当感知电压Vs下 降低于第一预定电压阈值V,时，减少FETllO、 112的导通时间。更进一步， 所述控制电路114监视感知电压Vs并且当感知电压Vs上升高于第二预定电 压阈值V2时，增加FETllO、 112的导通时间，其中V2大于V,。在本发明 的优选实施例中(当使用240VRMs输入电压时)，第一和第二电压阈值V^口 V2分别设置为0.67Vdc和0.8VDc，这两个值对应于电源124的输入的100VDC 和120VDC。作为替换，如果微处理器不包括ADC，调光器100可以包括硬
件比较电路，该比较电路包括一个或多个比较器集成电路，以比较感知电压 和第一第二电压阈值并且然后向微处理器提供逻辑信号。
图2a显示了测得的从调光器100的调光后的火线接线端108到中性端 的调光后的火线电压210 (即照明负载104两端的电压)的例子。虚线代表 测得的AC电源102两端的AC电压220。该AC电压220的周期被分为具 有周期为TH的相等的两个半周期。当一个FET导通时，在时间t，内调光 后的火线电压210具有与AC电压220相同的值。相反，当FET都不导通时， 在时间t0FF内调光后的火线电压210具有零值。控制电路114能够通过控制 导通时间t，来控制负载的强度。在每半周期内FET导通的时间越长，照明 负载104的强度越大。
图2b显示了测得的从火线接线端106到调光器的调光后的火线接线端 108的调光电压230 (即调光器两端电压)的例子。所述电源124仅当关断 时间toM时才能充电，因为关断时间是每半周期内FET两端并且由此在电源 124两端潜在地具有电压的仅有时段。相反的，当FET在导通时间t，导通 时，FET通过调光器100形成低阻抗通路并且电源124的输入电容Cl无法 充电。
在现有技术的ELV调光器中，在最坏条件下充电所述电源需要的最大 关断时间t0FF -MAX-WC 被用来确定调光器的最大导通时间t0N-MAX,c。最坏条件 包括低线AC输入电压或由微处理器和其它低电压组件的电源拉出的高电 流。但是，调光器不总是操作在最坏条件并且有可能使导通时间增加高于最 大导通时间toN.MAX.wc以便在高端提供照明负载104的更高的亮度输出。
本发明的调光器100有大于最坏情况导通时间t，.MAx.wc的最大导通时
间限制t， 调光器ioo的最大导通时间限制t，
-MAX-L腿T 是通过在
正常操作条件下给电源124的输入电容C1充电所需要的适当的关断时间确 定的。调光器100还有动态最大导通时间tON—MAX，使得控制电路114可以控制从一个半周期到下一个半周期。动态最大导通时间toN.MAX不能超过最大
导通时间限制toN.MAX.UMIT，但是可以减少到低于该限制以便增加FET的关 断时间从而允许电源124的输入电容CI有更多时间充电。通过驱使FET的 导通时间高于最坏情况导通时间t0N.MAX_wc，本发明的调光器100能够得到 比现有技术的ELV调光器更高的连接的照明负载104的亮度输出。但是， 当FET的导通时间高于最坏情况导通时间toN.MAX.wc，在半周期的关断时间 内，存在输入电容C1没有足够时间充电的危险。
通过监视电源124的输入，本发明的调光器100的控制电路114能够确 定何时输入电压降低到使得输入电容Cl不适于继续充电的电平。例如，如 果感知电压Vs降低到第一电压阈值V,以下，则电容C1需要更多时间以适 当充电并且导通时间被减少。另一方面，如果感知电压Vs保持在第一电压 阈值V,以上，输入电容CI能够在每个半周期适当充电。
图3显示了监视感知电压Vs和确定是否改变导通时间tON以响应感知电 压Vs的值的处理的流程图。图3的处理在AC电压的每半周期运行。如果 最大导通时间低于调光器的需要的导通时间t0N.DESIRED，导通时间toN被改变 以响应被减少或增加的最大导通时间t0N.MAX。所述需要的导通时间 t0N-DESIRED由控制电路114通过按钮118提供的输入确定。最大导通时间
t0N-MAX仅在感知电压Vs低于第一电压阈值V!或感知电压Vs高于第二电压 阈值V2并且最大导通时间t，.MAx没有返回到调光器100的最大导通时间限 制toM-MAX-LIMIT 时被改变。
图3的流程图在每半周期的开始从步骤310开始。首先，在步骤312， 一旦FET被关断感知电压Vs被采样。在步骤314如果采样的感知电压Vs
低于第一电压阈值Vi，并且在步骤316最大导通时间t，.MAx大于的当前导
通时间t，，调光器检测到感知电压低于第一电压阈值V,。然后在步骤318
最大导通时间t0N—MAX被设置为当前导通时间t，并且在步骤320最大导通时
间t(^.MAx被减少第一预定时间增量t,。第一预定时间增量t,优选地相当于调 光范围的1%。如果在步骤318最大导通时间tcW.MAx低于当前导通时间导通 时间t，，在步骤320最大导通时间W.MAx被减少第一预定时间增量t,。
在步骤322，执行判断以确定最大导通时间t，.MAx是否小于需要的导通 时间t0N-DESIRED。如果是，在步骤324导通时间toN被设置为最大导通时间 t0N-MAX。既然感知电压只在FET关断后(在步骤312)被采样，在步骤320 的导通时间t，的变化将在下半周期内影响调光后的火线电压的导通时间。 这个处理在步骤326在当前半周期退出并在下一半周期的开始时重新开始。
在步骤322如果最大导通时间toN-MAX大于需要的导通时间t0N-DESIRED，则调
光器返回到正常操作条件。在步骤328所述需要的导通时间t0N—DESIRED被用 作导通时间并且这个处理在步骤326退出。
在步骤314如果感知电压Vs大于第一阈值电压Vi并且在步骤330感知
电压Vs小于第二阈值电压V2，则最大导通时间toN.MAX和导通时间toN都不变。在步骤330如果感知电压Vs大于第二阈值电压V2，这个处理进入步骤 332来执行判断以确定当前最大导通时间t，.MAx是否小于最大导通时间限制
toN-MAX-LIMIT 。 如果不小于，最大导通时间t，-MAX返回到所述限制并且最大导 通时间t，.MAX和导通时间t，都不变。但是，在步骤332如果当前最大导通
时间t0N -MAX 大于最大导通时间限制t， -MAX-LIMI" 则在步骤334该最大导通
时间t，.MM在下半周期增加第二预定时间增量t2。所述第二预定时间增量t2
优选的相当于调光范围的0.5%。
图4显示了当电源124的输入处的电压下降时按照本发明操作的调光器 IOO的电压波形。上面的波形显示了调光后的火线电压，即ELV负载104两 端的电压。在最初几个周期(a)、 (b)、 (c)和(d)，调光后的火线电压仅 在每个半周期的末尾的小的关断时间内是零。下面的波形显示了感知电压 Vs，即是电源124的输入处的电压的縮放版本。在每个半周期的关断时间，
电源124的输入电容Cl充电并且感知电压上升。在最初的几个周期(a)、 (b)、 (c)，感知电压Vs保持在第一阈值电压V,之上。
在第四个半周期(d)，所述感知电压降至低于第一阈值电压Vp控制 电路114在下一个半周期(e)以第一时间增量ti减少调光后的火线电压的 导通时间。因此，输入电容C1在下一个半周期(e)的关断时间内有更多时 间充电。
但是，在该半周期(e)内，所述感知电压再次降至低于第一阈值电压 V,。因此，控制电路114在下一个半周期(f)以第一时间增量h减少调光 后的火线电压的导通时间。该周期一直重复直到在半周期(g)所述感知电 压不低于第一阈值电压V,。现在，调光后的火线波形的导通时间在下一个半 周期(h)、 (i)内保持不变。
图5显示了在低电压条件己经被检测且感知电压Vs已经升高后的调光 器100的电压波形。调光后的火线波形(图5的上面的波形)的最初几个半 周期(j)、 (k)、 (1)、 (m)、 (n)的导通时间是减少了的导通时间(由图4 的描述确定的)。现在，电源124的输入处的电压以及因此的感知电压Vs都 上升了 (图5中下面的波形所显示的)。
在半周期(n)内，感知电压保持高于第二阈值电压V2。因此，控制电
路114在下半周期(o)内以第二时间增量t2增加调光后的火线的波形的最
大导通时间。当感知电压继续保持高于第二阈值电压V2，控制电路114继续 以第二时间增量t2增加调光后的火线的波形的最大导通时间直到该最大导 通时间等于原始的最大导通时间。
本发明的调光器100已经被描述了以便控制电路114从一个半周期到下 一个半周期可以改变最大导通时间t，.MAx。但是，优选地是仅从一个线周期 到下一个线周期改变最大导通时间t0N_MAX。许多调光器可以驱动多种类型的 照明负载。 一些照明负载，如磁低压(MLV)照明负载，容易不对称而产生
在负载两端的电压中的DC分量。例如，当负载电压有DC分量时MLV照 明需要的磁低压变压器可能饱和并且过热。当导通时间从一个半周期到下一 个半周期改变时，照明负载两端的不对称并且有DC分量的电压将在电压中 出现。另一方面，当导通时间仅从一个线周期到下一个线周期改变时，负载 电压将保持对称并且MLV变压器的饱和或过热的问题将被避免。
虽然本发明的调光器100主要是参考ELV负载的控制而被描述的，所 述调光器可以用来控制其它负载类型，例如，白炽灯或MLV负载。
尽管参考特定的实施例描述了本发明，多种其他变化和修改以及其他用 途对于本领域技术人员将变得明显。从而本发明不由特定公开所限制，而是 仅由附加的权利要求书来限制。
权利要求
1、一种用于AC电压源的照明负载控制的两线调光器，该调光器包括半导体开关，该半导体开关连接在所述照明负载和所述AC电压源之间，所述半导体开关具有导通状态和不导通状态；电源，该电源用于当所述半导体开关处于所述不导通状态时从所述AC电压源拉出电流；控制电路，该控制电路能够控制所述半导体开关在所述AC电压的每半周期进入导通状态一导通时间；所述控制电路与所述电源的输入耦合以监视所述电源的电压；其中当所述电源的输入电压降低到第一预定电压阈值以下时，所述控制电路能够减少所述导通时间。
2、 根据权利要求1所述的两线调光器，其中所述电源具有接收输入电 压的输入并且所述控制电路与所述电源的所述输入耦合以监视所述电源的 所述输入电压。
3、 根据权利要求2所述的两线调光器，其中所述控制电路能够以第一 预定时间间隔来减少所述导通时间。
4、 根据权利要求3所述的两线调光器，其中当所述电源的所述输入电 压保持在第二预定电压阈值之上时，所述控制电路能够增加所述导通时间。
5、 根据权利要求4所述的两线调光器，其中所述控制电路能够以第二 预定时间间隔来增加所述导通时间。
6、 根据权利要求5所述的两线调光器，该两线调光器进一步包括电阻电压分配器以向所述控制电路提供所述电源的所述输入电压的按比例縮小 的表示。
7、 一种在调光器中用于控制AC电压源的照明负载的强度的方法，所 述调光器包括耦合在所述照明负载和所述电源之间的半导体开关、控制所述 半导体开关的控制电路和为所述控制电路供电的电源，该方法包括下列步骤按比例缩小所述电源的电压以产生感知电压； 测量所述感知电压；将所述感知电压与第一预定电压阈值进行比较；以及 基于比较步骤的结果改变所述半导体开关的导通时间。
8、 根据权利要求7所述的方法，其中所述电源的电压包括所述电源的 输入电压。
9、 根据权利要求8所述的方法，其中改变所述导通时间包括当所述感 知电压降低到所述第一预定电压阈值以下时，以第一预定时间减少所述导通 时间。
10、 根据权利要求9所述的方法，该方法进一步包括下列步骤 将所述感知电压与第二预定电压阈值进行比较；当所述感知电压提高到所述第二预定电压阈值以上时，以第二预定时间 增加所述导通时间。
全文摘要
一种用于交流(AC)电压源(102)的照明负载(104)控制的两线调光器，该调光器包括半导体开关(110、112)、电源(102)和控制电路(114)。所述电源(102)包括仅当半导体开关不导通时能够充电的能量存储输入电容。所述控制电路(114)连续监视所述输入电容的电压并且当电压降低到不能保证电源的适当操作的电平时，自动减少半导体开关的最大允许导通时间。本发明的调光器在能够保证电源和调光器的适当操作的足够充电时间的同时，在高端(即最大光强度)提供半导体开关的最大可能导通时间。
文档编号H05B37/02GK101171885SQ200680016022
公开日2008年4月30日 申请日期2006年5月2日 优先权日2005年5月12日
发明者K·鲁西凯什, S·德容格 申请人:路创电子公司