具有后沿調光器和電變壓器的用于低功率燈兼容性的系統(tǒng)和方法
【專利說明】具有后沿調光器和電變壓器的用于低功率燈兼容性的系統(tǒng)和方法
[0001]相關申請
[0002]本發(fā)明要求2013年3月13日提交的美國專利申請序列號N0.13/798，926的優(yōu)先權，其繼而要求2012年7月18日提交的美國臨時專利申請序列號N0.61/673，111和2012年7月3日提交的美國臨時專利申請序列號N0.61/667，685的優(yōu)先權，其每個通過參考以它們的整體結合到本文。
技術領域
[0003]本發(fā)明總體上涉及電子領域，并且更具體地涉及用于確保在一個或多個低功率燈與它們耦合到的電力基礎設施之間的兼容性的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0004]許多電子系統(tǒng)都包括電路，例如與調光器相接的切換功率轉換器或變壓器。該相接電路(interfacing circuit)根據(jù)由調光器設定的調光等級(dimming level)將功率輸送至負載。例如，在照明系統(tǒng)中，調光器對照明系統(tǒng)提供輸入信號。該輸入信號表示使照明系統(tǒng)調節(jié)輸送至燈的功率的調光等級，并且因此根據(jù)調光等級來提高或降低燈的亮度。存在許多不同種類的調光器。通常，調光器產生輸出信號，在該輸出信號中交流(“AC”)輸入信號的一部分被去除或歸零。例如，一些基于模擬的調光器利用用于交流電設備的三極管(“三端雙向可控硅開關”)來調制交流電源電壓的各個周期的相位角。電源電壓的相位角的該調制通常還被稱為“切相(phase cutting)”電源電壓，切相電源電壓降低了提供至諸如照明系統(tǒng)的負載的平均功率，并且從而控制提供至負載的能量。
[0005]特定類型的基于三端雙向可控硅開關的切相調光器稱為前沿調光器。前沿調光器從AC周期的開始切相，以便在切相角期間，調光器“關閉”并且不供應輸出電壓到它的負載，并且然后在切相角之后轉為“開啟”并且傳輸切相輸入信號到它的負載。為了確保正確操作，負載必須給前沿調光器提供足以維持在開啟三端雙向可控硅開關需要的電流之上的涌入電流的負載電流。由于調光器提供的電壓的瞬間增加和在調光器中存在電容器，必須提供的電流通常基本上大于三端雙向可控硅開關導通需要的穩(wěn)態(tài)電流。附加地，在穩(wěn)定狀態(tài)操作中，負載必須給調光器提供負載電流以保持在為防止三端雙向可控硅開關過早關斷所需要的、被稱為“保持電流”的另一個閾值之上。
[0006]圖1描述照明系統(tǒng)100，其包括基于三端雙向可控硅開關的前沿調光器102和燈142。圖2描述與照明系統(tǒng)100相關的示例電壓和電流圖表。參考圖1和圖2，照明系統(tǒng)100從電源104接收AC供電電壓VsumY。供電電壓Vsuppw例如是在美國的標稱60Hz/l 1V線路電壓或在歐洲的標稱50Hz/220V線路電壓。三端雙向可控硅開關106用作電壓驅動開關，并且三端雙向可控硅開關106的柵極端子108控制在第一端子110與第二端子112之間的電流。在柵極端子108上的在啟動閾值電壓值VF2上的柵極電壓Ve將導致三端雙向可控硅開關106開啟，繼而導致電容器121短路并且允許電流流過三端雙向可控硅開關106和調光器102以產生輸出電流iDIM。
[0007]假設燈142為電阻性負載，調光器輸出電壓νφ DIM在相應時刻t ο?Ρ 12從每個半周期202和204的開始起為零伏特，直到柵極電壓Ve到達啟動閾值電壓值V F。調光器輸出電壓νΦ—DIM代表調光器102的輸出電壓。在定時器時段t QFF期間，調光器102削切或切割電源電壓Vsupra以便調光器輸出電壓V C5 dim在時間時段t _期間保持為零伏特。在時刻t i，柵極電壓Ve到達啟動閾值電壓值V F，并且三端雙向可控硅開關106開始導通。一旦三端雙向可控娃開關106開啟，調光器電壓V<s—DIM在時間時段t (^期間追蹤電源電壓V sumY。
[0008]—旦三端雙向可控娃開關106開啟，從三端雙向可控娃開關106汲取的電流iDIM必須超過連接電流iATT以便將通過三端雙向可控硅開關106的涌入電流維持在開啟三端雙向可控硅開關106必需的閾值電流之上。此外，一旦三端雙向可控硅開關106開啟，三端雙向可控硅開關106繼續(xù)導通電流iDIM，與柵極電壓Ve的值無關，只要電流i DIM保持在保持電流值之上。連接電流值i ATT和保持電流值i 1是三端雙向可控硅開關106的物理特征的函數(shù)。一旦電流iDIM下降到保持電流值i HC以下，即i DIM〈iHC，三端雙向可控硅開關106關斷(即，停止導通)，直到柵極電壓Ve再次到達啟動閾值電壓值V F。在許多傳統(tǒng)應用中，保持電流值通常是足夠低的，以便理想地，當電源電壓V sumY在時刻12在半周期202的結束附近接近零伏特時，電流iDIM下降到保持電流值i 之下。
[0009]可變電阻114與并聯(lián)連接的電阻116和電容器118串聯(lián)形成時序電路115以控制柵極電壓ve在那時到達啟動閾值電壓值V Fm時刻t i ,在該時刻柵極電壓ve到達啟動閾值電壓值VF。增加可變電阻114的電阻值會增加時間，而減少可變電阻114的電阻值會減少時間tQFF?？勺冸娮?14的電阻值有效地設置用于燈142的調光值。雙向二極管119提供電流到三端雙向可控硅開關106的柵極端子108中。調光器102還包括電感器扼流圈120以平滑調光器輸出電壓八―DIM。基于三端雙向可控硅開關的調光器102還包括連接跨過三端雙向可控硅開關106和電感器扼流圈120的電容器121以減少電磁干擾。
[0010]理想地，對于電源電壓Vsuppw的每個半周期，調制調光器輸出電壓V Φ,的相位角有效地在時間時段t,期間關斷燈142并且在時間時段七(^期間開啟燈142。因此，理想地，調光器102根據(jù)調光器輸出電壓νφ DIM有效地控制供應到燈142的平均能量。
[0011]基于三端雙向可控硅開關的調光器102在許多情況下充分地起作用，例如當燈142消耗相當大量的功率時，例如白熾燈泡。然而，在調光器102加載有低功率負載(例如，發(fā)光二極管或LED燈)的情況下，該負載會汲取小量的電流iDIM，并且可能電流iDIM不能到達連接電流iATT，并且還可能在電源電壓Vsuppw接近到達零伏特之前，電流i DIM會過早地下降到保持電流值以下。如果電流i DIM不能到達連接電流i ATT，那么調光器102會過早地斷開，并且可能不傳輸輸入電壓Vsuppw的適當部分到它的輸出。如果電流i DIM過早地下降到保持電流值以下，那么調光器102過早地關斷，并且調光器電壓V Φ DIM過早地下降到零。當調光器電壓Vis DIM過早地下降到零時，調光器電壓V ^5 dim不反映如由可變電阻114的電阻值設置的預期調光值。例如，當電流iDIM在顯著早于調光器電壓V φ_μμ206的t2的時刻下降到保持電流值iH。以下時，開啟時間時段t M在早于12的時刻過早結束，取代在時刻12結束，從而減少了輸送到負載的能量的量。因此，輸送到負載的能量將不匹配對應于調光器電壓νφ DIM的調光等級。此外，當V Φ DIM過早地下降到零，電荷會累積在電容器118和柵極108上，導致如果在相同半周期202或204期間Ve超過V F,那么三端雙向可控硅開關106再次開啟，和/或導致三端雙向可控硅開關106在后續(xù)半周期期間由于該累積電荷而不正確地開啟。因此，三端雙向可控硅開關106的過早斷開會導致在調光器102的時序電路中的誤差并且在它的操作中的不穩(wěn)定。
[0012]用調光器給光源調光在操作光源時節(jié)省能量并且還允許用戶將光源的強度調節(jié)到期望的等級。然而，常規(guī)調光器例如基于三端雙向可控硅開關的前沿調光器，其設計用于與電阻性負載例如白熾燈泡一起使用，通常在試圖供應未加工的相位調制信號給電抗性負載例如電功率轉換器或變壓器時表現(xiàn)不好。
[0013]存在于電力基礎設施中的變壓器可以包括磁變壓器或電變壓器。磁變壓器通常包括兩個導電材料(例如銅)線圈，每個繞著具有高磁穿透性的材料(例如鐵)的芯體纏繞，以便磁通量穿過兩個線圈。在操作中，在第一線圈中的電流會在該芯體中產生變化磁場，以便變化磁場經(jīng)由電磁感應感應跨過次級線圈兩端的電壓。因此，當在給耦接到初級線圈的部件與耦接到次級線圈的部件之間的電路中提供電隔離時，磁變壓器會使電壓電平上上下下地成階梯狀。
[0014]另一方面，電變壓器是以與常規(guī)磁變壓器相同的方式運轉工作的設備，因為在提供隔離時它使電壓電平上上下下地成階梯狀并且可以適應任何功率因子的負載電流。電變壓器通常包括功率開關，其將低頻電壓波(例如，直流到400赫茲)轉換成高頻電壓波(例如，10000赫茲的級別)。相當小的磁變壓器可以耦接到該功率開關并且因此提供常規(guī)磁變壓器的電壓電平變換和隔離功能。
[0015]圖3描述照明系統(tǒng)101，其包括基于三端雙向可控硅開關的調光器102 (例如，像在圖1所示的那個)、磁變壓器122、以及燈142。該系統(tǒng)可以被用來，例如使高壓(例如，110V、220V)變換成低壓(例如，12V)，用于同鹵素燈(例如，MR16鹵素燈)一起使用。圖4描述與照明系統(tǒng)101相關的示例電壓和電流圖表。參考圖3和圖4，當調光器102使用為與變壓器122和低功率燈142連接時，燈142的低功率汲取會導致從調光器102汲取不足夠的電流iDIM以便滿足連接電流和/或保持電流要求。
[0016]為了進一步圖示說明該潛在問題，在圖3中描述了用于變壓器122的等效電路模型，其表示磁變壓器的物理行為。存在于變壓器122中的寄生效應由與初級側寄生電阻126(具有電阻值Rp)串聯(lián)的初級側寄生電感124(具有電感值Lp)和與次級側等效電阻134(具有電阻值Rs)串聯(lián)的次級側等效電感132(具有電感值Ls)在用于變壓器122的等效電路模型中表示，該模型損失和泄漏變壓器線圈的電抗。寄生效應也由模型的“磁化分支”表示，該分支包括與分流支路寄生電阻130 (具有電阻值Rm)并聯(lián)的分流支路等效電感128(具有電感值Lm)，該模型損失和泄漏變壓器芯體的電抗。磁化電流^流到分流支路電抗，表示維持在芯體中的相互磁通量所需要的電流。本領域的技術人員將會認識到，iDIM=i