СХЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ Российский патент 2004 года по МПК H05B41/392 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к устройству и способу возбуждения газоразрядной лампы, в частности к возбуждению флуоресцентных ламп или трубок с возможностью или без возможности регулирования яркости.

Уровень техники

Флуоресцентные лампы или трубки широко используются для освещения в домах, учреждениях и на предприятиях промышленности. Такие лампы в общем случае состоят из трубчатой стеклянной оболочки длиной до 2,44 м (8 футов), заполненной инертным газом, таким как криптон или аргон, который, будучи подвержен электрическому возбуждению в газовом разряде, облучает флуоресцентное покрытие, такое как порошок, содержащий борат (Tb, Ce, Gd, Mg), алюминат (Еu, Ва, Мg) и оксид (Y, Еu), расположенный на внутренней поверхности стекла. Примером такой трубки является трубка длиной 1,22 м (4 фута) модели 'TL'D мощностью 36 Вт, которая продается под торговой маркой "Super 80 (/840) New Generation" and "Standard(/33)" производства компаний Philips Electronic and Associated industries Limited.

Для работы всех газоразрядных ламп, включая флуоресцентные лампы, требуется применять балластное сопротивление. Балластное сопротивление обеспечивает высокое исходное напряжение, необходимое для инициализации разряда, а затем быстро ограничивает ток лампы до безопасного уровня, поддерживающего разряд. Балластные сопротивления изготавливаются для трех основных классов флуоресцентных ламп: с предварительным нагревом, с быстрым стартом и мгновенным стартом.

Электроды лампы с предварительным нагревом разогреваются перед инициализацией разряда. В стартерном ключе замыкаются контакты, что позволяет току протекать через каждый из электродов. Стартерный ключ быстро остывает, при этом ключ размыкается, и напряжение питания переключается на дуговую трубку, инициализируя разряд. Во время работы дополнительное напряжение на электроды не прикладывается.

Электроды лампы с быстрым стартом подогреваются перед включением и во время работы. Трансформатор имеет две специальные вторичные обмотки, с которых подается соответствующее низкое напряжение, необходимое для подогрева электродов.

Электроды лампы с мгновенным стартом не разогреваются до включения. Балластные сопротивления для ламп с мгновенным стартом сконструированы таким образом, что они позволяют подавать относительно высокое стартовое напряжение по сравнению с лампами с предварительным разогревом и быстрым стартом для инициализации разряда через неразогретые электроды.

В документе известного уровня техники - американском патенте 4464606 описана схема, предназначенная для управления парой флуоресцентных ламп с возможностью регулирования яркости, в которой двухтактная пара транзисторов подвергается импульсной модуляции для изменения рабочего режима импульсного источника тока, подключенного к первичной обмотке трансформатора, питающего лампы.

Желательно иметь возможность регулировать яркость свечения флуоресцентных трубок, чтобы достичь более высокой эффективности потребления энергии, когда нет необходимости в полной яркости лампы. Известно, что в трубках длиной до 1,83 м (6 футов) яркость может регулироваться с помощью соответствующей схемы управления. Например, яркость вышеуказанных флуоресцентных трубок длиной 1,22 м может регулироваться с помощью высокочастотной регулирующей схемы балластного сопротивления, которая продается компанией Philips Lighting Limited, модель номер BPL136R.

В соответствии с информационным изданием компании Philips Lighting PL 3322 такие известные схемы балластного сопротивления имеют целый ряд ограничений. Во-первых, адекватное управление яркостью флуоресцентных трубок возможно обеспечить только с трубками длиной до 1,83 м (6 футов). Во-вторых, регулировка яркости возможна только приблизительно до 10% полной яркости, после чего трубка начинает мерцать. В-третьих, эффективность свечения таких регулирующих яркость схем балластного сопротивления устойчиво падает по мере уменьшения светового выхода, причем к.п.д. свечения составляет 56% при 25% светового выхода и 27% при 10% выхода в результате повышения тепловых потерь в трубке и в схеме балластного сопротивления. Таким образом, преимущество снижения потребления электроэнергии не может быть полностью реализовано на низких уровнях мощности.

Причина этих ограничений в коэффициенте полезного действия, по-видимому, является следствием способа, с помощью которого обычные высокочастотные (ВЧ)-схемы балластного сопротивления, не предназначенные для регулировки яркости, приспосабливаются для использования как балластное сопротивление с регулировкой яркости. Обычная ВЧ-схема балластного сопротивления вырабатывает импульсное напряжение, обычно с частотой 28 либо 35 кГц, которое модулируется путем включения и выключения низкой частотой (50 или 100 Гц), с отношением времени включения/выключения 50%, то есть в течение каждой половины цикла ВЧ-сигнал отсутствует. Обычные ВЧ-схемы балластного сопротивления с регулировкой яркости понижают отношение включения/выключения так, что импульсное ВЧ-напряжение последовательно включается на время меньше 50% рабочего периода. Поэтому ВЧ-импульсы прикладываются на флуоресцентную трубку в течение меньшего времени среднего рабочего цикла, и, поскольку к трубке прикладывается меньшее количество ВЧ-импульсов, трубка начинает мерцать.

В общем отмечается, что подобные системы с регулировкой яркости имеют целый ряд ограничений. Они связаны прежде всего с тем, что обычные схемы флуоресцентного балластного сопротивления включают дроссельную катушку с существенной индуктивностью, при этом пропорционально большее количество энергии теряется на резистивный нагрев дроссельной катушки во время регулировки яркости трубки. Во-вторых, с тем, что во время регулировки яркости трубки достигается точка, в которой трубка перестает должным образом зажигаться вследствие всевозрастающей пропорции времени, когда ВЧ-напряжение не прикладывается к трубке. Поэтому трубка из-за повышения прерывистого характера последовательности импульсов, приложенных к трубке, имеет тенденцию внезапно мерцать и выключаться до того, как будет достигнута полная регулировка яркости. Эти проблемы ухудшаются при увеличении длины флуоресцентной трубки, и, в следствие этого, считается, что не существуют коммерчески доступные схемы балластного сопротивления с регулируемой и нерегулируемой яркостью для трубок длиной 2,44 м, а схемы, предлагаемые для трубок длиной 1,83 м, не могут работать так же хорошо, как схемы балластного сопротивления для трубок длиной 1,22 м. Смотри, например, полную базу данных с оперативным доступом, которую можно найти по адресу http://light-link.corn/ в Интернет, в которой приведен список всех коммерчески доступных флуоресцентных ламп и схем балластного сопротивления. В этой базе данных отсутствуют коммерчески доступные схемы балластного сопротивления с регулировкой или без регулировки яркости для флуоресцентных трубок длиннее 1,83 м.

Тот факт, что отсутствуют коммерчески доступные ВЧ-схемы балластного сопротивления для флуоресцентных трубок без регулировки яркости длиной 2,44 м, является удивительным, поскольку, по меньшей мере, с 1981 года отмечалась тенденция повсеместного использования ВЧ-схем балластных сопротивлений с нерегулируемой яркостью для улучшения эффективности потребления энергии. Известно, однако, что высокочастотным схемам балластного сопротивления присущи различные проблемы.

Одна проблема возникает в результате того, что для флуоресцентных трубок длиной 2,44 м по сравнению с более короткими трубками требуются относительно высокая мощность и, следовательно, ток и напряжение. Неэффективное использование энергии в схемах балластного сопротивления, включая трансформаторы, приводит к избыточному нагреву в блоке балластного сопротивления, что может привести к повреждению твердотельных элементов схемы. Пространство в обычных осветительных приборах, в которых используются флуоресцентные трубки, достаточно ограничено, и считается, что накопление тепла из-за относительно высоких требований по использованию энергии было основной причиной того, что до сих пор не было возможным или экономически целесообразным производить высокочастотные схемы балластного сопротивления для флуоресцентных трубок длиной 2,44 м с коммерчески приемлемой интенсивностью отказов, например, менее 1% в течение первого года после установки.

Другой проблемой является то, что обычно используемые схемы вырабатывают то, что называется "гармониками", и передают эти гармоники обратно в систему питания. Это является особенно острой проблемой в отдельных ситуациях промышленного применения, когда, например, на заводе может использоваться много сотен трубок длиной 2,44 м, которые питаются от ряда цепей освещения, на которые подается энергия от локального понижающего трансформатора. В такой ситуации гармоники могут привести к перегрузкам трансформаторов, добавляя ток в нейтральную линию трехфазной электрической распределительной системы, вызывают выбросы напряжения и всплески тока/напряжения, которые получаются из-за резонансов в цепях на одной или большем количестве частот гармоник, и наводят помехи на другое электронное оборудование.

В результате были введены стандарты, ограничивающие количество гармонических искажений, производимых высокочастотными схемами балластного сопротивления.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является схема высокочастотного балластного сопротивления, предназначенная для использования с газоразрядной лампой, в которой решены указанные проблемы и которая может иметь регулируемую яркость и может использоваться с определенными типами газоразрядных ламп, такими как флуоресцентные лампы с высокой световой отдачей длиной 2,44 м, для которых до настоящего времени была характерна пониженная эффективность при работе на высоких частотах.

В соответствии с настоящим изобретением разработана электронная схема управления газоразрядной лампой, содержащая средство генерирования, предназначенное для генерирования высокочастотной импульсной последовательности, которая может подаваться на электроды лампы для зажигания этой лампы, средство, с помощью которого средство генерирования может быть соединено с источником электроэнергии, дроссельную катушку для ограничения тока, потребляемого лампой, и отличающаяся тем, что эта схема содержит средство для выработки первой серии импульсов и независимо от нее второй серии импульсов, и средство, включающее дроссельную катушку, для объединения путем сложения первой и второй серий импульсов для получения высокочастотной импульсной последовательности, при этом дроссельная катушка соединяет вместе первую и вторую серии импульсов.

В предпочтительном варианте воплощения настоящего изобретения схема предназначена для флуоресцентной лампы.

Термин высокая частота используется для исключения частот ниже частот, используемых в сетях питания, то есть ниже 50 - 60 Гц. Значение высокой частоты может зависеть от целого ряда факторов, в частности от типа, физических размеров и номинальной мощности лампы.

Схема устроена таким образом, что среднеквадратический уровень энергии высокочастотной импульсной последовательности определяется первой и второй сериями импульсов, и в частности, в соответствии с тем, что в этих сериях импульсов относительные фазы могут быть установлены независимо друг от друга.

Использование двух независимых импульсных последовательностей, которые комбинируются путем сложения, также позволяет применять первую и вторую серию импульсов с напряжением меньшим, чем напряжение, получаемое в комбинированной высокочастотной импульсной последовательности, подаваемой на лампу. Например, если напряжения двух серий импульсов будут одинаковыми, то после их сложения комбинированная импульсная последовательность будет иметь удвоенное напряжение по сравнению с напряжением каждой из исходных последовательностей импульсов. Использование низких напряжений улучшает безопасность и упрощает конструкцию средства генерирования.

Дроссельная катушка служит при работе для ограничения тока, потребляемого лампой в момент возбуждения разряда газа, а также для повышения высокого напряжения, что необходимо для инициирования разряда при первом запуске лампы.

Средство для комбинирования первой и второй серий импульсов включает средство изолирующего трансформатора, предназначенное для электрической изоляции лампы от источника питания. Выход схемы в таком случае будет незаземленным. Было обнаружено, что такое подключение помогает предотвратить емкостную передачу высокочастотного напряжения на стеклянную оболочку лампы, что может вызвать неприятные ощущения при касании к включенной лампе.

Когда схема предназначена для управления световым выходом газоразрядной лампы, она дополнительно содержит средство для сдвига фазы первой серии импульсов по отношению ко второй серии импульсов, средство для комбинирования первой и второй серий импульсов, благодаря которому изменяется ширина импульсов в импульсной последовательности.

Изменяя ширину импульсов в импульсной последовательности, становится возможным управлять среднеквадратическим уровнем энергии, подаваемой на лампу.

Например, схема может содержать средство для определения изменений напряжения питания, подаваемого от источника питания. Средство для сдвига фазы первой серии импульсов по отношению ко второй серии импульсов может при этом изменять режим работы в зависимости от изменения напряжения источника питания так, что выход лампы может поддерживаться на постоянном уровне при изменении напряжения источника питания.

Кроме того, если схема содержит средство управления уровнем света, можно также управлять яркостью лампы для установки требуемой интенсивности свечения лампы. Средство для сдвига фазы первой серии импульсов по отношению ко второй серии импульсов может при этом изменять режим работы в соответствии с установкой средства управления уровнем света так, что при изменении ширины импульсов выход лампы может быть установлен на требуемом уровне.

Кроме того, схема может управлять лампой для ее включения. Например, схема может содержать средство обнаружения движения, предназначенное для обнаружения движения объекта, такого как человек, который находится поблизости к схеме. Средство управления уровнем света в ответ на сигнал средства обнаружения движения может устанавливать выход лампы на требуемый уровень с помощью изменения ширины импульсов.

Независимо от того, применяется ли эта схема для регулирования яркости или для постоянного возбуждения лампы, средство для комбинирования первой и второй серий импульсов предпочтительно содержит первый трансформатор и второй трансформатор, причем на первичные обмотки каждого из трансформаторов подаются соответственно первая и вторая серии импульсов, причем каждая из вторичных обмоток трансформаторов имеет отвод, который может быть электрически соединен с контактами лампы, причем каждая из них имеет другой отвод, электрически соединенный с дроссельной катушкой так, что дроссельная катушка комбинирует сигналы вторичных обмоток, причем эта дроссельная катушка подсоединена к контактам последовательно. Дроссельная катушка, таким образом, подсоединена последовательно по отношению к последовательности импульсов.

Дроссельная катушка служит для повышения высокого напряжения при работе лампы в случаях, когда лампа начинает мерцать, выключаясь при очень низком уровне питающей энергии, обеспечивая, таким образом, управление схемой мощности лампы в режимах, близких к нулю, без необходимости применения сложных цепей обратной связи и схемы управления возбуждением лампы.

Дроссельная катушка также служит для скругления всех прямоугольных фронтов высокочастотной импульсной последовательности при зажигании лампы, и считается, что этот эффект является важным для обеспечении стабильной работы лампы на низких уровнях мощности, а также при включении ее на низких уровнях мощности без какой-либо задержки для предварительного нагрева нагревательного элемента.

В одном из предпочтительных вариантов воплощения настоящего изобретения схема имеет парные выходы, причем каждая пара из них обеспечивает постоянную подачу низковольтного выходного напряжения на нагреваемые электроды лампы.

Кроме того, по меньшей мере, один из трансформаторов может иметь вторичную обмотку с парой отводов, которые могут быть электрически соединены с нагревательными элементами лампы. Один из вторичных отводов, предназначенный для нагревательного элемента, может быть, кроме того, электрически соединен с одним из вторичных отводов для контактов лампы так, что на нагревательные элементы могут подаваться высокочастотные импульсы с уровнем мощности, достаточным для нагрева нагревательных элементов.

Предпочтительно этот уровень мощности должен быть по существу постоянным и, в случае применения схемы для управления яркостью лампы, не должен зависеть от сдвига фазы в первой и второй сериях импульсов по отношению друг к другу.

Аналогично средство модуляции может также изменять ширину каждого импульса в импульсной последовательности, то есть так, что отношение времени включения/выключения для каждого комбинированного высокочастотного импульса будет по существу одинаковым.

Однако в качестве альтернативы, возможно изменять ширину каждого комбинированного высокочастотного импульса в импульсной последовательности по-разному, то есть таким образом, что отношение времени включения/выключения, по меньшей мере, для некоторых из расположенных рядом импульсов в импульсной последовательности, по существу, не будет одинаковым до тех пор, пока промежутки между импульсами не станут настолько длинными, что импульсная последовательность станет по существу прерывистой, вызывая мерцание лампы с ее потуханием на рабочих циклах с низким средним уровнем напряжения.

Импульсная последовательность может содержать импульсы только одной полярности, но предпочтительно содержит импульсы как положительной, так и отрицательной полярности.

Описанные выше схемы занимают мало места и могут быть легко встроены в осветительный прибор так, что контакты газоразрядной лампы будут располагаться прямо в схеме. В качестве альтернативы схема может быть выполнена отдельно от осветительного прибора, хотя в этом случае будет необходимо обеспечить соответствующие линии электропередачи, например коаксиальные кабели, и экранирование для предотвращения побочного электромагнитного излучения.

Перечень фигур чертежей

Настоящее изобретение будет далее описано на примере со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 представляет собой блок-схему схемы управления флуоресцентной лампой с возможностью регулирования яркости в соответствии с настоящим изобретением, которая содержит микроконтроллер, который управляет схемой инвертора, соединенной с лампой;

фиг.2 представляет собой график пары импульсных последовательностей, вырабатываемых схемой инвертора по фиг.1;

фиг.3 представляет собой схему микроконтроллера по фиг.1;

фиг.4 представляет собой схему инвертора по фиг.1, соединенного с лампой;

фиг.5 представляет собой график выходного сигнала инвертора, подаваемого на флуоресцентную лампу;

фиг.6А - 6L представляют собой фотографии осциллограмм, показывающих напряжения, представляющие ток, подаваемый инвертором на флуоресцентную лампу, измеренные с использованием обмотки обратной связи дроссельной катушки;

фиг.7А - 71 представляют собой фотографии осциллограмм, показывающих напряжение, подаваемое инвертором на флуоресцентную лампу, при измерении на лампе.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Рассмотрим вначале фиг.1 и 2, на которых микроконтроллер 1 соединен с источником электроэнергии и переключателем 2 яркости. Микроконтроллер содержит стандартные цепи для выпрямления напряжения питания и его стабилизации (не показаны) и подает на схему 3 инвертора, кроме низкого напряжения питания V_cc 5 В и трех независимых напряжений питания V_DD1, V_DD2 и V_DD3 с напряжением 15 B, постоянное напряжение питания 320 B. Схема 3 инвертора представляет собой схему типа схемы с быстрым стартом.

Кроме того, имеется линия обратной связи от инвертора 3 на микроконтроллер 1, по которой передается напряжение, представляющее ток, потребляемый флуоресцентной лампой или трубкой 4, используемое для компенсации изменения напряжения питания и изменений температуры трубки.

Микроконтроллер вырабатывает цифровым способом пару сигналов Р0 и Р1, которые подаются на схему 3 инвертора как входные сигналы инвертора. Каждый из этих входных сигналов, по существу, представляет собой непрерывные последовательности или серии импульсов с напряжением 0-5 В в виде прямоугольных импульсов с частотой 80 кГц с заполнением 50%, при этом, как более подробно будет показано ниже, сигналы Р0 и Р1 находятся в фазе, когда переключатель 2 регулятора яркости установлен на максимум, и последовательно устанавливаются не в фазу по мере того, как регулятор яркости поворачивается в положение "выключить", при этом сигналы устанавливаются полностью не в фазе.

Выходные сигналы Н0, H1 инвертора 3 подключены к флуоресцентной лампе 4, которая в данном примере представляет собой стандартную трубку длиной 2,44 м (8 футов) с номинальной мощностью 125 Вт. На каждом из концов этой трубки имеется по два контакта, соединенных с выходными сигналами Н0, H1, которые предназначены для нагрева нити накала в лампе (не показана) и для подачи напряжения и тока, необходимых для зажигания лампы.

На фиг.3 изображена схема части микроконтроллера 1, содержащая микросхему U1 программируемого логического устройства (ПЛУ) производства компании Advanced Micro Devices Inc., деталь номер МАСН215. Микросхема U1 содержит счетчик, на который по линии 13 подается сигнал синхронизации от кварцевого резонатора X1, работающего с частотой 40 МГц. Переключатель 2 регулятора яркости вырабатывает стандартный выходной сигнал с уровнем 0-10 В постоянного напряжения, который преобразуется в управляющий входной сигнал 0-5 В постоянного напряжения перед тем, как будет преобразован микросхемой U2 микроконтроллера производства компании Arizona Microchip Inc., деталь номер PIC16C73A, в цифровую форму в восемь битов D0-D7. Цифровой входной сигнал управления подается на линии 3-10 микросхемы U1. Каждая из этих линий соединена с одним из резисторов нагрузки величиной 4,7 кОм, расположенным в сборке RP1 резисторов, которая подключена к положительному источнику постоянного напряжения V_cc с уровнем 5 В, что необходимо для обеспечения того, чтобы сигнал высокого логического уровня имел требуемое напряжение.

Микросхема U2 включается обычным способом после некоторой задержки от блока "Сброс".

Сигнал частотой 40 МГц кварцевого резонатора X1 делится на 255 внутри микросхемы U1, в результате чего получается сигнал с частотой 156,86 кГц, который используется встроенным программным обеспечением в микросхеме U1 для периодического переключения выходной линии 41, обозначенной как "ФАЗА 1А", микросхемы U1 с частотой 78,4 кГц.

В линию 39, обозначенную "ФАЗА 1В", поступает сигнал, логически инверсный по отношению к сигналу в линии "ФАЗА 1А", так, что разность напряжений между линиями "ФАЗА 1А" и "ФАЗА 1В" представляет собой сигнал с прямоугольными импульсами, показанный на фиг.1 и 2 как входной сигнал Р1 инвертора. Поэтому абсолютная фаза этого сигнала не изменяется.

Внутри микросхемы U1 имеется возможность доступа к результату подсчета импульсов с частотой 40 МГц от 0 до 255 в течение половины цикла сигнала P1. 8 битов D0-D7 оцифрованного управляющего входного сигнала 0-5 В, представляющего выходной сигнал переключателя 2 регулятора яркости, сравниваются встроенным программным обеспечением в микросхеме U1 с результатом подсчета от 0 до 255 на частоте 40 МГц. Выходная линия 43 микросхемы U1, обозначенная как "ФАЗА 0А", периодически переключается с низкого на высокое значение и с высокого на низкое всякий раз, когда значение оцифрованного сигнала управления яркости совпадает с результатом подсчета с частотой 40 МГц. Сигнал "ФАЗА 0А" вместе с логически инверсным к нему сигналом в линии 40, которая обозначена как "ФАЗА 0В", производят сигнал прямоугольной формы, изображенный на фиг.1 и 2 как входной сигнал Р0 инвертора. Абсолютная фаза входного сигнала Р0 инвертора может таким образом изменяться по отношению к входному сигналу Р1 инвертора от положения, когда сигналы находятся в фазе (когда напряжение переключателя регулятора яркости равно 10 В и результат подсчета равен 255), до положения, когда сигналы находятся не в фазе (когда напряжение переключателя регулятора яркости равно 0 и результат подсчета равен 0). Сигналы Р0 и Р1 поэтому являются исходными для выработки первой и второй импульсных последовательностей, причем каждая из этих импульсных последовательностей является независимой одна от другой.

Микроконтроллер U2 имеет выходы "Запуск/Стоп", "Включить" и "Строб записи", которые подключены соответственно для управления микросхемой U1 к ее выводам 11, 24, 25. Сигнал "Строб записи" необходим для того, чтобы микросхема U1 фиксировала 8 битовую величину D0-D7, которая представляет собой установку переключателя регулятора яркости, в определенный момент цикла программного обеспечения, при котором эта величина сравнивается с результатом подсчета на частоте 40 МГц, так, что изменение 8 битовой величины D0-D7 не будет отражаться на работе встроенного программного обеспечения. Сигнал "Запуск/Стоп" используется для выключения схемы 3 инвертора с использованием программного обеспечения, встроенного в микросхему U1.

Линия "Включить" в данном варианте воплощения настоящего изобретения не используется, но может использоваться для осуществления модуляции по ширине импульсов в импульсной последовательности, подаваемой на флуоресцентную трубку 4. Когда сигнал "Включить" имеет высокое логическое значение, импульсные последовательности Р0 и Р1 будут вырабатываться в фазе независимо от того, установлен ли результат подсчета на значении 255. Поэтому становится возможным использовать линию "Включить" для переключения между высоким и низким уровнями свечения лампы с частотой ниже частоты высокочастотной импульсной последовательности, равной 78,43 кГц, но с частотой выше чем частота сети питания, например так, что 10% времени лампа будет светить с высоким уровнем отдачи и 90% времени с низким, так, что ширина каждого импульса в комбинированной высокочастотной импульсной последовательности будет изменяться не одинаково, то есть так, что отношение времени включения/выключения, по меньшей мере, некоторых из расположенных рядом друг с другом импульсов в импульсной последовательности, по существу, не будет одинаковым.

Схема 3 инвертора изображена более подробно на фиг.4 и содержит пару аналогичных инверторов, на которые поступают входные сигналы Р0 и Р1 инвертора соответственно. Каждый сигнал проходит через пару n-р-n транзисторов Q5, Q6 и Q7, Q8 типа ВС337 на микросхему U3 оптического переключателя, причем микросхема U3 представляет собой микросхему производства компании Hewlett Packard под номером HPCL3150. На микросхему U3 подаются три независимых напряжения V_DD1, V_DD2 и V_DD3 величиной 15 В, причем каждое из них имеет собственное заземление GND1, GND2 и GND3 с целью преобразования входных сигналов Р0 и Р1 в выходные сигналы ОР1, ОР2 и ОР3, ОР4 величиной 15 В, которые затем поступают на схему возбуждения, которая генерирует в одном или в другом из аналогичной пары повышающих выходных соединительных трансформаторов Т0, Т1 прямоугольный выходной импульсный сигнал, соответствующий входному сигналу Р0, Р1 с напряжением 0-5 В.

Выходной сигнал генерируется следующим образом. Выходные сигналы ОР1, ОР2 и ОР3, ОР4 используются для переключения пары мощных МОП-транзисторов Q1, Q2 и Q3, Q4 типа IRF840, причем в каждой паре эти МОП-транзисторы включены последовательно и соединены с выпрямительными шинами НТ-, НТ+ мощности, на которых присутствует постоянное напряжение 0 и 320 В соответственно. Когда сигнал ОР1 (или ОР3) устанавливается в высокое значение, ОР2 (или ОР4) устанавливается в низкое значение, и, таким образом, когда один из полевых транзисторов включен, другой выключен и наоборот. Напряжение в точке между полевыми транзисторами составляет половину напряжения на шинах и разделено парой конденсаторов емкостью 100 нФ. Такая схема позволяет получить выходное напряжение ±160 В по отношению к средней точке шин на первичной обмотке каждого из выходных трансформаторов Т0, Т1 инвертора, что соответствует входному напряжению 0-15 В, подаваемому на МОП-транзисторы. Отношение витков первичной и вторичной обмоток составляет 34:51.

Вторичные обмотки каждого из выходных трансформаторов Т0 и Т1 имеют отводы ТР10, ТР20, ТР30, ТР40 и ТР11, ТР21, ТР31, ТР41 с одинаковым количеством витков, но в противоположном порядке так, что выходные напряжения и токи имеют противоположную полярность. В каждом трансформаторе одна пара отводов ТР10, ТР20 или ТР11, ТР21, с которых снимается 4 В, соединена с нагревательными элементами флуоресцентной трубки 4 для обеспечения подачи по существу небольшого тока нагрева на частоте 78,43 кГц, который поддерживается постоянным при изменении фаз входных и выходных сигналов по отношению друг к другу.

На другую пару отводов ТРЗ0, ТР40 и ТР31, ТР41 каждого из выходных трансформаторов Т0, Т1 приходится большая часть витков вторичных обмоток. Один отвод ТРЗ0 или ТР31 каждой из пары отводов соединен соответственно с отводом ТР20 или ТР21 и поэтому также с одним из контактов нагревателя лампы, при этом два других отвода ТР40, ТР41 соединены вместе через индуктивность или дроссельную катушку L3 так, что большая часть вторичных витков каждого из выходных трансформаторов Т0, Т1 вместе с индуктивностью L3 соединены последовательно. Большая часть выходного сигнала трансформаторов Т0, Т1 поэтому комбинируется путем сложения, благодаря соединению через дроссельную катушку L3, и это позволяет получить повышение напряжения, прикладываемого в трубке 4.

Когда схема включается, ток течет в переменных направлениях через петлю, проходящую через трубку 4, основные вторичные обмотки трансформаторов Т0, Т1 и дроссельную катушку L3. Поскольку дроссельная катушка включена симметрично между вторичными обмотками, требуется применение только одной дроссельной катушки, что позволяет уменьшить резистивные потери.

Работа схемы инвертора по фиг.4 с флуоресцентной лампой 4 может быть также рассмотрена со ссылкой на фиг.5, на которой схематично изображена разность напряжений между двумя отводами ТР30, ТР31 (или, что эквивалентно, разность напряжений между двумя отводами ТР40, ТР41). Пунктирная линия при напряжении 0 В указывает точку, в которой нет суммарной разности напряжений между отводами. Когда сигналы Р0 и Р1 находятся не в фазе, суммарное напряжение, прикладываемое на трубку 4 и индуктивность L3, по существу отсутствует. Когда сигналы Р0 и Р1 находятся в фазе, напряжение, проходящее через выходные трансформаторы Т0 и Т1, складываются, производя сигнал, который обозначен на чертеже как "100% выход мощности". Также схематично показаны результирующие напряжения для выходной мощности 25% и 75%. Схема 3 инвертора поэтому комбинирует сигналы Р0 и P1 импульсных последовательностей таким образом, что получается результирующее напряжение, которое имеет переменную ширину импульсов как для положительного, так и для отрицательного импульсов, причем эта ширина изменяется от эффективной 100% за половину периода результирующей импульсной последовательности до 0% за половину периода.

На фиг.6А-6L изображены фотографии осциллограмм напряжения, представляющего ток, протекающий через индуктивность L3. Двенадцать осциллограмм изображают изменения тока приблизительно от полной мощности до приблизительно отсутствия мощности на выходе. На фиг.7A-7I изображены фотографии осциллограмм напряжения, подаваемого на флуоресцентную трубку. Эти девять осциллограмм изображают изменения напряжения приблизительно от полной мощности до приблизительно отсутствия мощности. Оба набора осциллограмм обозначены "номерами шагов", которые соответствуют данным, приведенным в табл. 1.

Значение "Шаг №" представляет собой значение оцифрованного сигнала регулятора яркости, который переключает фазу сигналов Р0 и P1 так, что они находятся в фазе и не в фазе, причем значения номера шага 255 и 0 представляют соответственно сигналы в фазе и не в фазе.

Значения "Р Измеритель" были измерены с помощью измерителя электрической мощности, который был включен в линию питания устройства; эта измеренная величина учитывает коэффициент мощности, т.е. любой сдвиг по фазе между током I и напряжением V, при котором имеется тенденция к снижению потребляемой мощности. Значения "Р I·V" вычислялись на основании измеренных величин напряжения V и тока I источника питания без какого-либо учета разности фаз между V и I. Следует отметить, что близкое соответствие между уровнями мощности, измеренными с помощью измерителя и вычисленными по величине тока I и напряжения V, показывает, что в отличие от обычных устройств возбуждения флуоресцентных ламп коэффициент мощности по действию равен единице, т.е. отсутствует какой-либо сдвиг по фазе между током и напряжением. Схема в соответствии с настоящим изобретением может поэтому быть использована даже в случаях, когда она включается только для возбуждения газоразрядных ламп с постоянной мощностью (то есть без сдвига по фазе между первой и второй последовательностями импульсов), поскольку отсутствует кумулятивно накапливаемый сдвиг коэффициента мощности при большом количестве ламп, когда схемы соединяют с линией питания, располагая их в непосредственной близости друг к другу.

Для всех данных напряжение питания поддерживалось постоянным на уровне 220 В. Величины температуры измерялись с помощью датчика, расположенного на стеклянной оболочке трубки, которая представляла собой стандартную флуоресцентную трубку длиной 2,44 м (8 футов) фирмы Osram с номинальной мощностью 125 Вт.

Уровень света измерялся люксметром, при этом результат был нормализован по отношению к 100% для значения, ближайшего к номинальной полной мощности трубки, то есть 120 Вт, при этом "номер шага" составлял 219.

В колонке, помеченной "эффективность", представлены величины относительной эффективности лампы 4 и электронной схемы 1,2,3, то есть величины, представляющие отношение величин "Уровень света" / "Р Измеритель", нормализованные по отношению к 100% при номере шага 219. Следует отметить, что когда яркость света была уменьшена приблизительно до 45% от номинального полного выхода, относительная эффективность все еще составляла приблизительно 90%. Только когда выход света был уменьшен приблизительно до 21% на шаге номер 50, эффективность резко упала с уровня приблизительно 65% при уменьшении номера шага до 47.

Приведенные далее данные были получены с использованием того же оборудования и трубки, но при более высокой окружающей температуре, чем температура, при которой были получены данные, приведенные в табл. 1, приведены в табл. 2 для всего диапазона номеров шагов от 1 до 255.

Данные шага номер 219, которые ближе всего к 125 Вт номинальной мощности лампы, в обеих таблицах выделены жирным шрифтом для простоты сравнения. Повышенная температура окружающей среды приводит к повышению фактического выхода света, и поэтому номер шага, ниже которого относительный выход света и относительная эффективность начинают резко падать, представлена здесь шагом номер 62. Выход света продолжает, однако, регулироваться в этой точке приблизительно до 29% от номинального полного выхода.

Хотя в описанном здесь примере не применяется линия обратной связи от инвертора 3 к микроконтроллеру 1, по которой подается напряжение, представляющее ток, потребляемый флуоресцентной лампой или трубкой 4, она может использоваться для компенсации изменений температуры трубки.

Рассмотрим снова фиг.6А-6L, на которых изображены фотографии осциллограмм импульсов, представляющих ток, проходящий через флуоресцентную трубку. Во всех случаях горизонтальная временная база была установлена в масштабе 2,5 мкс/деление, что составляло 25 мкс по ширине фотографии, а вертикальная шкала составляла 2 В/деление. Напряжение осциллограмм было получено с помощью датчика тока, представляющего собой одиночный виток провода вокруг катушки индуктивности L3, причем ток, протекающий через катушку индуктивности L3, по существу был таким же, как и ток, протекающий через флуоресцентную трубку 4.

Поскольку катушка индуктивности L3 вместе со вторичными обмотками трансформаторов Т0, Т1, включенными между отводами ТР30, ТР40 и ТР31, ТР41, соединена последовательно с флуоресцентной трубкой 4, полное внутреннее сопротивление катушки индуктивности L3 работает как ограничитель тока для ограничения тока, подаваемого от инверторов, и также для формирования времени роста и падения тока через флуоресцентную трубку. Было обнаружено, что отдельные величины полного сопротивления катушки индуктивности является важным фактором с точки зрения формирования времени роста и падения тока через флуоресцентную трубку 4. Два трансформатора Т0, Т1 и катушка индуктивности L3 выполнены в виде прямоугольного модуля, и в них используется ферритовый сердечник типа 3С85 производства компании Philips Components.

Правильная конструкция катушки индуктивности L3 позволяет регулировать яркость флуоресцентной трубки до более низкого уровня, чем может быть достигнут в противном случае. Это также важно в случаях, когда лампа не зажигается или мерцает при низкой мощности питания, при этом напряжение, подаваемое через инверторы, будет повышаться и будет происходить автоматическое повторное зажигание. Поскольку при работе на высокой частоте это будет происходить очень быстро, глаз человека не сможет заметить это повторное зажигание.

Из табл. 1 можно видеть, что устройство в соответствии с настоящим изобретением может использоваться для регулировки яркости стандартной флуоресцентной трубки длиной 2,44 м (8 футов) до величины менее 1% от полной выходной мощности. Однако из-за неизбежных потерь энергии в электронных схемах и по существу постоянного подогрева нагревательных элементов флуоресцентной трубки диапазон эффективности в случаях, когда основное внимание уделяется экономии энергии, составляет приблизительно до 22% от полного выхода света.

Хотя это явление трудно выразить в числах, наблюдалось также, что постоянство свечения и качество цвета выходного света флуоресцентных трубок, возбуждаемых электронными цепями в соответствии с настоящим изобретением, было гораздо лучше, чем достигалось с помощью обычных схем вышеуказанного типа. В частности, качество цвета, по-видимому, было более постоянным и свет был более белым, чем с применением обычных устройств, по мере уменьшения мощности до уровня, близкого к выключенному.

Другим преимуществом является то, что коэффициент мощности схемы при подсоединении к линии питания был близок к единице, как видно из табл. 1 при сравнении колонок, обозначенных "Мощность" и "Мощность I·V". Схема, описанная выше, также не создает существенных гармонических колебаний обратно в источник питания. Обычные схемы балластных сопротивлений, которые работают с использованием относительно больших значений индуктивности дроссельных катушек, могут индуцировать значительную задержку между напряжением и током.

Данная схема также позволяет работать на частоте приблизительно 80 кГц. По сравнению с обычной высокочастотной схемой балластного сопротивления, работающей на частоте приблизительно 35 кГц, это позволяет существенно уменьшить размер обмоток трансформатора, и, таким образом, общий размер блока балластного сопротивления. Например, вышеприведенная схема может быть размещена вместе со всеми другими необходимыми компонентами в корпусе с размерами всего лишь 40 х 45 х 320 мм (высота х ширина х длина).

Хотя настоящее изобретение было описано специально со ссылкой на стандартную цилиндрическую флуоресцентную трубку длиной 2,44 м (8 футов), для специалистов в данной области будет понятно, что описанная выше схема может быть приспособлена для других типов флуоресцентной трубки, например более длинных или более коротких цилиндрических трубок, а также для компактных флуоресцентных ламп, таких как лампы, которые имеют сформованные или изогнутые трубки, а также для ламп, предназначенных для использования в осветительных приборах вместо ламп накаливания.

Электронная схема в соответствии с настоящим изобретением может также использоваться для возбуждения и управления с регулированием яркости или без регулирования яркости других типов ламп, таких, как металлогалогенные и лампы с низким и высоким давлением паров натрия. Такие лампы часто используются для наружного освещения, например для освещения улиц. Электронная схема в соответствии с настоящим изобретением может также использоваться с такими лампами для регулирования их яркости в случаях, когда не требуется полная мощность свечения, например в ранние утренние часы, позволяя, таким образом, экономить значительное количество электроэнергии и снижая проблему светового загрязнения в районах застройки.

Например, схема, описанная выше, также была использована для возбуждения и управления с возможностью регулирования яркости натриевых ламп с высоким давлением мощностью 70 и 250 Вт типа SON-T, а также натриевых ламп с высоким давлением мощностью 250 Вт с фосфоресцентным покрытием типа SON-E. Эти лампы известны своей высокой эффективностью и используются в основном для освещения дорог, а также общественных зданий и площадок. Другие лампы, которые успешно возбуждались и яркость которых регулировалась, представляли собой натриевые лампы с низким давлением мощностью до 250 Вт типа SOX производства фирмы Osram и лампы высокого давления на парах ртути мощностью до 70 Вт.

В случае применения так называемых ламп с холодными электродами, то есть ламп, у которых отсутствуют элементы нагревателя электрода и которые имеют на каждом из электродов только один электрический контакт, может использоваться схема, подобная описанной выше, с той модификацией, что исключен отвод провода с одного из концов вторичной обмотки для подключения к цепи нагревательного элемента.

Также в такие лампы с регулируемой яркостью возможно устанавливать детекторы движения, использующие пассивные инфракрасные датчики, для автоматического управления степени яркости лампы в зависимости, например, от того, находится ли поблизости от лампы движущийся человек или какой-либо автомобиль.

Схема, описанная выше, может, конечно, быть модифицирована для возбуждения флуоресцентных ламп без регулировки яркости, например, задавая постоянное входное напряжение управления на уровне 5 В вместо сигнала регулятора яркости или исключив часть схемы, изображенной на фиг.3, которая регулирует сдвиг фаз между первой и второй сериями импульсов.

Возбуждаемые газоразрядные лампы, яркость которых регулируется или не регулируется, с управлением с помощью электронной схемы в соответствии с настоящим изобретением, могут быть поэтому приспособлены для использования в различных областях дома и в промышленности, как внутри помещения, так и снаружи.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к регулированию яркости флуоресцентных ламп или трубок. Техническим результатом является повышение эффективности флуоресцентных ламп с высокой световой отдачей при работе на высоких частотах. Электронная схема для управления газоразрядной лампой содержит средство импульсной последовательности, которая может подаваться на электроды лампы для зажигания лампы, средство, с помощью которого средство генерирования соединено с источником электроэнергии, дроссельную катушку, предназначенную для ограничения тока, потребляемого лампой, и средство для производства первой (Р0) серии импульсов и независимо от нее второй (Р1) серии импульсов и средство (Т0, T1, L3) для объединения путем сложения первой и второй серий импульсов для получения высокочастотной импульсной последовательности. 2 н. и 10 з.п.ф-лы, 26 ил., 2 табл.

1. Электронная схема (1,3) для управления газоразрядной лампой (4), содержащая средство генерирования, предназначенное для генерирования высокочастотной импульсной последовательности, которая может подаваться на электроды лампы для зажигания лампы (4), средство, с помощью которого средство генерирования может быть соединено с источником электроэнергии, дроссельную катушку (L3) для ограничения тока, потребляемого лампой (4), отличающаяся тем, что эта схема содержит средство (3) для выработки первой серии (Р0) импульсов и независимо от нее второй серии (Р1) импульсов, и средство (Т0, Т1, L3), включающее дроссельную катушку (L3), для объединения путем сложения первой и второй серий импульсов для получения высокочастотной импульсной последовательности, при этом дроссельная катушка (L3) объединяет первую и вторую серии (Р0, Р1) импульсов.2. Электронная схема (1, 3) по п.1, отличающаяся тем, что схема (1, 3) имеет пары выходов (ТР10, ТР20; ТР11, ТР21), причем каждая пара из них обеспечивает устойчивую подачу низкого выходного напряжения, которое может подаваться на нагреваемые электроды лампы (4).3. Электронная схема (1, 3) по п.1 или 2, отличающаяся тем, что средство для комбинирования первой и второй серий у импульсов (Р0, Р1) включает изолирующее трансформаторное средство (Т0, Т1), предназначенное для электрической изоляции лампы (4) от источника питания.4. Электронная схема (1, 3) по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что средство (Т0, T1, L3), предназначенное для комбинирования первой и второй серий импульсов (Р0, Р1), содержит первый трансформатор (Т0) и второй трансформатор (T1), причем на первичные обмотки каждого из трансформаторов подаются соответственно первая и вторая серии импульсов (Р0, Р1), причем каждая из вторичных обмоток имеет отвод (ТР30, ТР31), который может быть электрически соединен с контактами лампы (4), и каждая из них имеет другой отвод (ТР40, ТР41), электрически соединенный с дроссельной катушкой (L3) так, что эта дроссельная катушка соединяет вторичные обмотки и дроссельную катушку (L3) последовательно между контактами.5. Электронная схема (1, 3) по п.4, отличающаяся тем, что по меньшей мере один из трансформаторов (Т0, T1) имеет вторичную обмотку с парой отводов (ТР10, ТР20; ТР11, ТР21), которые могут быть электрически соединены с нагревательными элементами лампы (4).6. Электронная схема (1, 3) по п.5, отличающаяся тем, что один из выводов (ТР20, ТР21) вторичной обмотки, предназначенный для нагревательных элементов, электрически соединен с одним из выводов (ТР30, ТР31) вторичной обмотки для контактов лампы.7. Электронная схема (1, 3) для управления газоразрядной лампой (4) по любому из пп.1-6, отличающаяся тем, что схема содержит средство (1) для смещения фазы первой серии импульсов по отношению ко второй серии импульсов, средство (Т0, T1, L3) для комбинирования первой и второй серий импульсов (P0, P1), вследствие чего изменяется ширина импульсов в импульсной последовательности.8. Электронная схема (1, 3) по п.7, отличающаяся тем, что схема содержит средство для обнаружения изменений напряжения питания, поступающего от источника питания, средство для сдвига фазы первой последовательности импульсов по отношению ко второй последовательности импульсов в ответ на изменение напряжения питания так, что выходная мощность лампы (4) может удерживаться на постоянном уровне при изменении напряжения питания.9. Электронная схема (1, 3) для управления газоразрядной лампой (4) по п.7 или 8, отличающаяся тем, что схема содержит средство управления уровнем света для установки требуемого уровня интенсивности выходного света лампы (4), средство (1) для сдвига фазы первой последовательности импульсов (Р0) по отношению ко второй последовательности импульсов (Р1) в ответ на сигнал средства управления уровнем света так, что выходная мощность лампы (4) может быть установлена на требуемый уровень с помощью изменения ширины импульсов.10. Электронная схема (1, 3) по п.9, отличающаяся тем, что схема содержит средство обнаружения движения, предназначенное для обнаружения движения объекта, находящегося поблизости к схеме, причем средство управления уровнем света реагирует на сигнал средства обнаружения движения так, что выходная мощность лампы (4) может быть установлена на требуемый уровень при изменении ширины импульсов.11. Электронная схема (1, 3) по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что импульсная последовательность содержит импульсы как положительной, так и отрицательной полярности.12. Осветительный прибор, имеющий контакты для газоразрядной лампы (4) и электронную схему (1, 3) по любому из пп.1-11.