專利名稱：高度節(jié)約能源的電子調(diào)控設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高度節(jié)約能源的電子調(diào)控設備。由電源線電壓供電的電子設備，特別是電子鎮(zhèn)流器或電抗器，必須從電源線吸收如本領域中現(xiàn)行國內(nèi)和國際標準所要求的具有有限的諧波含量的電流。
該要求的目的是強制要求制造商生產(chǎn)具有高功率因數(shù)的設備，從而優(yōu)化電能的使用，同時防止無功電流的過載。
任何可能的高頻諧波電流也會利用電源線作為發(fā)射天線產(chǎn)生不希望的電磁場。
迄今為止，為了克服這些問題，已經(jīng)制造出的電子電路或一般電子供電式設備通過整流器處理從電源線上吸收的交變電流。但是，簡單的整流器不能滿足關于節(jié)省能源的新規(guī)定所提出的非常嚴格的標準。由按上述工作的由整流器組成的常規(guī)電路的典型功能和配置清楚地顯示在

圖1和2中。
實際上，圖1示出了包括整流器橋P的電路在圖中標示為2和3的節(jié)點分別連接到電源線R；電源線R分配電流I1，同時在節(jié)點2和3測量電壓V1。整流器橋P的節(jié)點1和4也以并聯(lián)的方式連接到電解電容器CE和負載L；在電容器CE和負載L的兩端測量電壓V2，而進入負載L的電流用I2表示。
附圖2示出了電壓V1和由電源線R吸收的電流I1品質(zhì)變化的笛卡爾曲線；在圖中可以清楚地看出，吸收的電流I1僅集中在對應于電壓V1的波形的完整周期內(nèi)的小時間段中，因此這不可避免地產(chǎn)生了強諧波分量，為了遵守以上提到的標準應該減少這些分量。
為了解決這些問題，還使用了專用功率因數(shù)校正電路，稱做“PFC”(“功率因數(shù)控制”)；這些裝置使用升壓轉換器加載電解電容器CE，從圖3中的簡化電路圖中可以清楚看出，包括連接到變壓器L的CC控制電路，分流電阻器RS以及開關I，用于閉合元件CE和L并聯(lián)形成的輸出電路，并聯(lián)的元件CE和L與二極管塊D串聯(lián)連接。
以此方式，由電源線R吸收的電流I1得到完美的正弦曲線并與電源線電壓V1同相位，如圖4中的曲線清楚示出。
然而，與該方案有關的一個重要問題是電路的復雜性；實際上，首先，為了產(chǎn)生轉換器，需要兩級，導致成本顯著增加，此外，復雜性增加也不可避免地對設備的整體可靠性產(chǎn)生一定程度的影響。
因此本發(fā)明的一個目的是提供一種高度節(jié)約能源的電子調(diào)控設備，能吸收來自電源線的諧波含量減少的電流。
本發(fā)明的另一目的是提供一種特別可靠和有效的高度節(jié)約能源的電子調(diào)控設備，也保證符合與線電壓電流吸收有關的現(xiàn)行標準。
本發(fā)明的再一目的是提供一種高度節(jié)約能源的電子調(diào)控設備，特別用于鎮(zhèn)流器或“ECO”型電子電抗器，但也適用于普通電子設備領域中的其它應用。
本發(fā)明的最后一個但不是最不重要的另一目的是提供一種高度節(jié)約能源的電子調(diào)控設備，使用了相對簡單的電路方案，因此將成本保持在合理水平，同時提供完全可靠性。
為簡單起見，參考權利要求1，其中所述的高度節(jié)約能源的電子調(diào)控設備可以達到這些和其它目的。進一步具體的特征在下面的權利要求中描述。
有利地，本發(fā)明提供一種用于鎮(zhèn)流器或電抗器或普通的電子供電式設備的控制電路，由此通過控制由提供必需的方波信號的半橋電路提供的頻率，可以確定負載調(diào)控C-L線(由半橋電路提供)的特性，從而確定由負載提供的電流特性。
因此，所述方案基于振蕩頻率容易控制的半橋電路；通過使用新式集成電路可以特別容易制成“驅動器”，這些“驅動器”能夠接收邏輯電平的輸入或者甚至配有內(nèi)部VCO振蕩器，能夠通過改變施加在相對輸入處的電位來改變頻率。
從下面專用于非限定性解釋而提供的說明和附圖中，本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點將變得很顯然，其中圖1表示根據(jù)公知的方法形成的用于普通設備的電子調(diào)控設備的第一種電路方案；圖2表示圖1所示控制電路的兩個重要參數(shù)隨時間的變化曲線；圖3示出了也根據(jù)常規(guī)方法形成的用于普通設備的電子調(diào)控設備的第二種電路方案；圖4表示圖3所示控制電路的兩個重要參數(shù)隨時間的變化曲線；圖5表示根據(jù)本發(fā)明的高度節(jié)約能源的電子調(diào)控設備的電路圖6和7表示圖5所示電路的三個重要參數(shù)隨時間的變化曲線；圖8表示針對圖5所示電路的操作的特定諧振電路的響應隨時間變化的示意性笛卡兒曲線；圖9示出了可以在圖5所示電路中測量的三種典型的笛卡兒信號隨時間的變化曲線；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的電子調(diào)控設備連接到電抗器時燈電壓隨時間的變化曲線；圖11示出了由圖10所示電抗器吸收的電流以及輸入電壓隨時間的變化曲線；圖12示出了與高度節(jié)約能源的電子調(diào)控設備有關的電路圖，特別用于“調(diào)光器”系統(tǒng)或熒光燈或管。
具體參考圖5，用于本申請發(fā)明目的的電路方案設置為級聯(lián)，二極管P橋的下游用做從電源線R獲取的線電壓V1的轉換器，功率因數(shù)控制電路用字母表示為FC，用Q表示由半橋電路形成的“驅動器”，用N表示線C-L，它再與負載串聯(lián)連接，在所示的實施例中，該負載由熒光燈管TF組成。
二極管橋P首先整流交流線電壓V1’由此得到脈動波形V11，通過半橋電路Q轉換為方波，其中方波頻率由VCO振蕩器產(chǎn)生。
由反相放大器結構中的簡單運算電路得到振蕩器VCO的電壓控制VC，同時通過在整流的線電壓V11上進行的電阻分壓器R1-R2-R3得到反相輸入。
實際上，兩個電阻R1，R2提供了信號V11和V21的代數(shù)和；由于電流的流通方向，信號V21為負，可以計算差值，然后通過放大倍數(shù)為R5/R4的反相級AO放大并施加到振蕩器VCO。
以此方式，在電流電壓相移和頻率之間建立聯(lián)系，通過電路FC產(chǎn)生功率因數(shù)的控制函數(shù)；實際上，通過使用振蕩器VCO調(diào)節(jié)信號的頻率，可以調(diào)節(jié)電流吸收，這提供了得到功率因數(shù)接近1的方式，以便同時完全符合節(jié)約能源的現(xiàn)行規(guī)定。
圖6中的曲線顯示出典型信號V11和V21的變化，而圖7顯示出錯誤信號V3的變化。
在以上提到的曲線中，為清楚起見，信號幅值被歸一化，而由于電流流通方向，電壓V21為負，階躍(step)V21反相。
如上所述，電阻R1和R2計算兩個信號的代數(shù)和，所得信號V＝(V11)+(-V21)施加到運算反相放大器輸入AO，從圖5中可以清楚看出；在提出的理論電路中可以看出，由于使用了單個電源的電路，由此僅放大了負信號，由于反相提供了正輸出。
因此實際上，由于存在存儲電容器C1，與電壓V1相比，電流I1超前，但系統(tǒng)于預增加了半橋電路Q的振蕩頻率，由此減少了吸收。
以此方式，系統(tǒng)呈現(xiàn)正弦參考信號V11，而誤差信號V3趨向于返回到V21和V11之間的平衡狀態(tài)(V21＝V11)，由此I1與V1同相。特別是圖5中所示，系統(tǒng)作用于特定的諧振電路，它的頻率響應顯示在圖8中的笛卡兒曲線中；通過作用于頻率F，如何改變電流吸收I1是顯而易見的，考慮圖5中的控制電路FC通過半橋“驅動器”Q啟動了諧振電路的調(diào)控，構成“功率MOS”。此外，為確保系統(tǒng)的可靠性，諧振電路的工作頻率必須總是高于諧振頻率F0。
顯示在圖5中的控制系統(tǒng)只有與輸出電路N(C-L線)結合時才有效。
無論是功率部分還是信號處理，在方框FC內(nèi)進行功率因數(shù)校正CR需要的電子電路顯然比常規(guī)方法中使用的簡單，這使得該方法更經(jīng)濟并且通常更可靠。
更具體地，省略了容量為幾十礔的常規(guī)電解存儲電容器，并用容量為小于1礔的薄膜電容器C1代替，這省略了由于特定的構造技術所造成的其壽命期代表電路壽命的實際極限的部件。
圖9示出了用于本發(fā)明目的的在圖5所示的實驗電路上得到的最重要信號的變化。
電壓信號V11表示經(jīng)過整流的線電壓V1(230Vrms)，而電壓V21為電流分流電阻R3兩端的電壓，如圖5所示。
圖9中的曲線清楚地顯示出電壓幅值V21急劇減小以限制功耗，而系統(tǒng)的平衡取決于R1/R2的比(大約等于1000/1)和運算放大器的增益AO。
最后，在放大器輸出AO出現(xiàn)的電壓信號V3為誤差信號；在圖9中可以清楚地看到，因為電流吸收沒有形成方波，誤差信號V3只在初始階段起作用。
圖10示出了如圖5所示的熒光燈管TF的兩端的電壓V5的電壓變化；從該變化可以看出，燈管TF是如何插入到線電壓V1的每個半周期中的，以及吸收電流I1是如何略微超前輸入電壓V1(參考比較圖10和圖11的曲線)，并且這不能防止在任何情況下完全符合現(xiàn)行能量節(jié)省規(guī)定。
采用HP6812B型“功率分析儀”裝置完成實驗測試，通過細致的電流諧波分析確認了上述附圖中所示的結果。
如上所述，通過采用與這種類型的傳統(tǒng)電路不同的諧振電路’可以取消傳統(tǒng)的電子PFC、(電解的升壓-二極管-電容卷(electrolyticboost-diode-condenser reel)和控制電路)，用簡單地反相加法器代替它，簡單的比較電壓和吸收的電流信號，并產(chǎn)生施加到半橋電路Q中VCO振蕩器的誤差信號，將確保吸收水平符合標準和規(guī)定。
最終的電路操作是傳統(tǒng)類型的鐵磁鎮(zhèn)流器裝置(因為它在每半周進行燈或管TF的重新引入(re-insertion))和高頻電子鎮(zhèn)流器裝置的操作的混合，所以，與已知的方案相比，能源節(jié)省為20-30％。此外，即使存在某些性能限制，上述電路設想使用有限成本的電子電抗器，并且可靠性水平可以與采用傳統(tǒng)鐵磁電抗器的產(chǎn)品相比。
最后，通過采用所提出的電路系統(tǒng)，可以很容易地得到能夠在能源節(jié)省方面最大化性能水平的“調(diào)光器”系統(tǒng)。
該系統(tǒng)設想在光源上安裝光敏元件(光電二極管、光電晶體管等)，確保恒定的底板發(fā)光度水平，補償外部發(fā)光度(陽光或其它光源)的任何可能的增加，由此降低燈本身的調(diào)控功率，以及吸收功率。
在圖12中詳細示出了用于例如上述的“調(diào)光器”系統(tǒng)的電路圖的一個例子；該電路圖與圖5中所示的電路圖非常類似，除了增加用作發(fā)光度控制的第二運算放大器AO2。
從功能和結構的觀點來看，該系統(tǒng)極其簡單，工作過程如下電阻分壓器R8-R7產(chǎn)生代表系統(tǒng)“設置點”的參考電壓，并且該電壓與光電晶體管或光電二極管PD產(chǎn)生的、與從地板反射的光成比例的電壓進行比較。
該結果為V8＝Av*(V6-V7)，其中Av是運算放大器AO2的放大倍數(shù)。
圖5中提供參考電壓的電阻R1現(xiàn)在分為兩部分，R1A和R1B，并且因為輸出U連接到二極管D2的陰極，所以放大器可以僅降低輸出電流。
在這種方式中，系統(tǒng)拾取參考信號V11的一部分，由此建立起要達到的新的參考，諧波校正電路FC將因此產(chǎn)生限制電流吸收并使系統(tǒng)返回其平衡狀態(tài)的誤差信號V3。
基本上，諧波校正電路FC使電流吸收水平達到參考信號V11的幅度，并且，如果該參考信號通過光敏電路PD變化，系統(tǒng)將通過使吸收重新達到正確的水平而作出反應。
因此，容易理解用簡單的運算電路，在每次外面的發(fā)光度增加例如在白天有日光時，通過獨立地和自動地降低吸收功率使進一步節(jié)省能源成為可能。
所以，這種系統(tǒng)可確保進一步節(jié)省能量30-40％，超過前面采用圖5中的電子供電電路所獲得的20-30％，而不會有損系統(tǒng)的性能效率和可靠性；除此之外，可獲得的優(yōu)點還在于總制造及運行成本最低。
通過上述說明，高度節(jié)省能源的電子調(diào)控設備的特性變得明顯了，特別是對于所關注的燈或管型熒光燈電子電抗器，作為本發(fā)明的目的，所獲得的優(yōu)點是明顯的，當與現(xiàn)有技術相比時，特別是降低了制造和運行成本，并且與傳統(tǒng)的調(diào)控設備相比，這與顯著節(jié)省能源相結合。
最后，顯然，作為本發(fā)明目的，對于調(diào)控裝置可以采用多種其它的變型而不脫離本發(fā)明的創(chuàng)新原理，尤其是對于熒光燈或管電抗器。而且還應當理解，在本發(fā)明的實際應用中，所示出的具體的材料、形狀和尺寸根據(jù)需要可以是任何類型，并且這些可以用其它等價物代替。
權利要求
1.一種電子調(diào)控設備，特別是用于熒光燈或熒光燈管(TF)能夠調(diào)節(jié)和控制發(fā)光亮度的鎮(zhèn)流器或電子電抗器，特征在于包括級聯(lián)和下游的電源信號輸入(R)的整流裝置(P)、功率因數(shù)控制電路(FC)、半橋調(diào)控電路或“驅動器”(Q)以及與負載(L)串聯(lián)連接的C-L線(N)，所述負載調(diào)控(L)通過由用于提供確定的方波信號的所述半橋電路(Q)供電的所述C-L線(N)進行。
2.根據(jù)權利要求1的電子調(diào)控設備，特征在于通過對由所述半橋電路(Q)提供的頻率值(F)的控制確定所述C-L線的工作情況，并由此設置供應所述負載(L)的電流值。
3.根據(jù)權利要求1的電子調(diào)控設備，特征在于控制電路(FC)通過能夠接收邏輯電平的輸入或配備有內(nèi)部振蕩裝置(VCO)的集成電路控制裝置，用所述控制電路可以調(diào)節(jié)所述半橋電路(Q)的振蕩頻率，能夠通過改變加在所確定的輸入的參考電壓得到頻率改變。
4.根據(jù)權利要求1的電子調(diào)控設備，特征在于所述整流裝置(P)包括用于變換可由電源線(R)采集的電壓信號(V1)的二極管橋，所述電壓信號(V1)由交變的線電壓構成，當由所述二極管橋(P)整流時，整流成脈動的波形(V11)，隨后由所述半橋電路(Q)變換為方波，其中方波頻率由振蕩器(VCO)產(chǎn)生，該振蕩器具有可由反相放大器結構中的運算電路(AO)得到的控制電壓(VC)。
5.根據(jù)權利要求4的電子調(diào)控設備，特征在于所述反相放大器通過電阻分壓器(R1、R2、R3)在所述整流線電壓(V11)上獲得輸入，其中所述分壓器的至少兩個電阻(R1、R2)計算確定的信號(V11、V21)的代數(shù)和，然后由所述反相運算級(AO)用預先建立的系數(shù)放大并加到所述半橋電路(Q)的振蕩器(VCO)，從而獲得電壓-電流相移和頻率之間的聯(lián)系，并通過所述控制電路(FC)產(chǎn)生功率因數(shù)控制函數(shù)。
6.根據(jù)權利要求5的電子調(diào)控設備，特征在于所述振蕩器(VCO)用于以一種使電流吸收調(diào)節(jié)和功率因數(shù)接近于1的方式調(diào)節(jié)輸入信號振蕩頻率值。
7.根據(jù)權利要求6的電子調(diào)控設備，特征在于所述半橋電路(Q)類似于特殊的諧振電路工作，該特殊諧振電路的頻率響應與可從電源線(R)吸收的電流的變化(I1)相關，所述控制電路(FC)對所述諧振電路進行調(diào)控，所述諧振電路的工作頻率(F)始終高于諧振頻率值(F0)。
8.根據(jù)權利要求7的電子調(diào)控設備，特征在于形成控制電路負載(L)的所述熒光燈或熒光燈管(TF)兩端具有這樣的電壓(V5)，在所述線電壓輸入(V1)的每半周期觸發(fā)熒光燈管(TF)，從而由電源線吸收的電流(I1)超前所述輸入電壓(V1)。
9.根據(jù)權利要求1的電子調(diào)控設備，特征在于功率因數(shù)控制電路(FC)能夠與含有至少一個光敏元件(PD)的另一個電路組合，以獲得能夠在節(jié)省能源方面性能最大化的發(fā)光亮度調(diào)節(jié)系統(tǒng)或“調(diào)光器”，在所述燈或發(fā)光元件上提供所述光敏元件(PD)，從而確保底板上的恒定的照明水平，補償外部光線的任何可能的增加。
10.根據(jù)權利要求9的電子調(diào)控設備，特征在于所述發(fā)光度調(diào)節(jié)系統(tǒng)使用用于發(fā)光度控制的至少一個額外的運算放大器(AO2)，此外，所述系統(tǒng)具有電阻分壓器(R8、R9)，產(chǎn)生與所述光敏元件(PD)所產(chǎn)生的電壓相比較的參考電壓，所述發(fā)光度調(diào)節(jié)系統(tǒng)拾取所述電壓參考信號(V11)的一部分，從而建立起要達到的另外的參考信號，所述控制電路(FC)具有諧波校正電路的功能，用于產(chǎn)生誤差信號(V3)，以便限制電流吸收，并使系統(tǒng)返回到正確平衡狀態(tài)。
全文摘要
一種電子調(diào)控設備，特別是用于鎮(zhèn)流器或電子電抗器或類似設備的，其中熒光燈或熒光燈管(TF)的調(diào)控由通過提供必要的方波信號的半橋電路(Q)饋電的C－L線(N)進行；通過控制由半橋電路(Q)提供的頻率(F)，能夠確定C－L線(N)的工作情況以及送到負載(L)的電流。建立所提出的方案，具體在鎮(zhèn)流器或電子電抗器中，適用于調(diào)節(jié)熒光燈或熒光燈管(TF)的發(fā)光亮度，但是在任何情況下，該電路方案對于由DC－AC轉換器供電的所有其它普通電子裝置也適用。
文檔編號H05B41/282GK1429058SQ0215581
公開日2003年7月9日 申請日期2002年11月1日 優(yōu)先權日2001年11月2日
發(fā)明者吉安·P·貝赫利 申請人:貝格利股份公司