用于减小由荧光灯调光引起的总谐波失真的电子电路及方法.pdf

提供了一种电子电路和方法，用于减小由使用标准调光器(诸如基于双向晶闸管的切相调光器)对紧凑型荧光灯进行调光引起的总谐波失真，或至少将其限制在允许的限制内。达到该目的的同时防止了处于高调光等级的灯的功率不足(闪烁)。该电路包括在整流电路的输出端子之间彼此串联连接、再与和该整流器相关联的平滑电容器并联的电容器和至少一个电阻器。

1.  一种电子电路(30)，用于减少由使用标准调光器(46)对紧凑型荧光灯(48)进行调光所引起的总谐波失真，同时防止处于高调光等级的所述灯(48)的功率不足，所述电子电路包括：具有一对输入端子(32、34)和一对输出端子(38、40)的整流器(36)，以及连接在所述输出端子(38、40)之间的平滑电容器(C1)，其特征在于，所述电子电路进一步包括：第二电容器(C2)和至少一个电阻器(R2)，所述第二电容器和至少一个电阻器在所述整流器(36)的所述输出端子(38、40)之间彼此串连连接，再与所述平滑电容器(C1)并联连接。

2.  根据权利要求1所述的电子电路(30)，其中，与所述第二电容器(C2)的值和所述至少一个电阻器(R2)的值的乘积相对应的时间常数比与在所述整流器(36)的所述输出端子(38、40)处得到的供电信号相关联的一个周期长。

3.  根据权利要求1或2所述的电子电路(30)，其中，所述第二电容器(C2)与所述平滑电容器(C1)具有基本相似的电容。

4.  根据前述任一权利要求所述的电子电路(30)，其中，三个电阻器与所述第二电容器(C2)串联连接。

5.  根据前述任一权利要求所述的电子电路(30)，其中，所述平滑电容器(C1)和所述第二电容器(C2)设置在具有至少三个连接端子的单一容性元件中。

6.  根据前述任一权利要求所述的电子电路(30)，其中，所述标准调光器电路(46)是基于双向晶闸管的切相调光器。

7.  根据前述任一权利要求所述的电子电路(30)，进一步包括：连接在所述整流器(36)的所述输入端子(32、34)之间的第二电阻器(R1)。

8.  根据权利要求7所述的电子电路(30)，其中，所述第二电阻器(R1)包括并联连接的三个基本相似的电阻器。

9.  一种方法，用于将由使用标准调光器电路(46)对紧凑型荧光灯(48)进行调光所引起的总谐波失真保持在可允许的限制内，同时防止处于高调光等级的所述灯(48)的功率不足，所述方法包括以下步骤：在整流电路(36)的输出端子(38、40)之间，将至少一个附加电容器(C2)和至少一个电阻器(R2)彼此串连连接，再与和所述整流电路(36)相关联的平滑电容器(C1)并联连接。

10.  根据权利要求9所述的方法，包括以下步骤：选择所述至少一个附加电容器(C2)的值和所述至少一个电阻器(R2)的值，使得与其各自值的乘积相对应的时间常数比与在所述整流器(36)的所述输出端子(38、40)处得到的供电信号相关联的一个周期长。

11.  根据权利要求9或10所述的方法，其中，包括以下步骤：将所述至少一个附加电容器(C2)选择为与所述平滑电容器(C1)具有基本相似的电容。

12.  根据权利要求9至11中任一项所述的方法，包括以下步骤：将三个电阻器与所述至少一个附加电容器(C2)串联连接。

13.  根据权利要求9至12中任一项所述的方法，包括以下步骤：在所述整流电路(36)的输入端子(32、34)之间连接至少一个附加电阻器(R1)。

14.  根据权利要求13所述的方法，包括以下步骤：在所述整流电路(36)的所述输入端子(32、34)之间并联连接三个基本相似的电阻器，来代替所述至少一个附加电阻器(R1)。

用于减小由荧光灯调光引起的总谐波失真的电子电路及方法
技术领域
本发明涉及可调光荧光灯，更具体地，涉及用于减小由利用现有双向晶闸管切相调光器对紧凑型荧光灯进行调光所引起的总谐波失真的电子电路。本发明延伸至用于减小由对紧凑型荧光灯进行调光所引起的总谐波失真的方法。
背景技术
对于大多数家用照明市场来说，低功率紧凑型荧光灯(CFL)已经成为了优于老式白炽灯的光源。由于它们已经引起了商业和工业部门的兴趣，因此还可以得到更有效的衍生产品。
用于对白炽灯进行调光的传统电路是通过改变提供至白炽灯的平均功率来操作的。通过这样改变平均输入功率，相应地改变了白炽灯的亮度。已经将通过使用可变绕组比变压器来改变电源幅值的可变自耦变压器用于对白炽灯进行调光，但是其体积大而且昂贵。引入闸流晶体管调光器来克服该困难。对于较低功率的应用，诸如家庭照明，经常使用已知为双向晶闸管的闸流晶体管的形式。双向晶闸管可以在两个方向中进行导通，并且由阻容(RC)时间常数电路触发。通过改变RC电路中的电阻器的值，改变该双向晶闸管的触发点，并因此改变将功率传送至照明电路的点，从而改变双向晶闸管的输出并实现调光功能。图1A和图1B示出了两种不同调光等级的双向晶闸管调光器的输出电压。已知的使用双向晶闸管闸流晶体管的调光方法是切相调光。
为了达到其节能的特性，CFL相比于其低效、低优势的白炽灯对应物变得更加复杂。CFL可以包括组合在小的紧凑外壳中的若干个完全不同的电子组件，来驱动CFL的气体放电管。在当前采用的多种构造中，这些添加的电子器件像小的开关型电源(SMPS)一样进行工作。
SMPS是结合了开关调节器的高频电子电源单元(PSU)，并且用在现代电子器件中来代替老式的变压器型功率转换器(由于其相对的高成本、大尺寸、大重量以及低效率而正逐步被取代)，尤其是用于低功率应用中。其紧凑性和通用性的折衷是这样的事实，就是由于其在内部以远高于50Hz电源的频率进行工作，他们易于产生高频干扰，其中高频干扰会作为噪声被馈送至公用电力供电线路。
实际上，该干扰部分地是由SMPS中的快速开关调节器产生的，并且表现为基波(fundamental)的50Hz供电频率的多个项(也称为多个谐波)，它们添加至通用的正弦输入供电并使其失真。原始、纯净的供电波形的改变量在电子术语中被称作总谐波失真(THD)，并且是设计者试图保持一个最小值的“副产品”，这主要是由于需要与严格的国际规则一致以将THD保持在允许的限制内。
编辑和出版这种允许的THD限制的欧洲权威部门是欧洲电子技术标准化委员会。
标准的、不可调光的CFL设计者和制造商已经试图与EMC标准大体保持一致，以在市场上合法销售他们的产品，并已经成功这么做了好多年。随着自然能源的日益短缺以及由政府机构和关心环保的消费者推动的相应的全球范围的节能，CFL正变得越来越受欢迎，尤其在低功率和家庭环保方面，并且已经制定的THD限制因此变得更加严格也更加苛刻地强制实行。
随着家庭将他们的照明器从白炽灯升级为CFL技术，许多消费者都遇到了这种情况，就是CFL灯被连接至在适当位置具有标准调光器电路的电路中，而该调光器电路最初是为对白炽灯进行调光而设计的。不久就会发现CFL开始剧烈的闪烁，这是因为调光器电路预先将平均输入功率减少至原始全部功率的约50％以下。在一些情况中，CFL甚至可以崩溃或完全坏掉。处于低输入功率的CFL的闪烁主要是由于他们在电源信号周期期间没有接收到足够的功率来保持一定时间的发光。实际上发生的是，在双向晶闸管没被触发的时间期间，CFL没有获得使其保持发光的足够功率，这使其在这些周期期间逐渐变暗甚至关闭。因此，CFL以与电源频率成比例的速率(通常为100Hz)关闭和接通，这可以作为闪烁被看到，并且这会对CFL的驱动电子器件带来额外的损害。
此外，相比于老式白炽灯负载，CFL表现出来的不同负载也易于给调光器电路施加额外的损害，这使得它们更易于过早地损坏。
当将传统的基于双向晶闸管的调光电路用于更加复杂的CFL时，产生谐波的主要贡献之一会在所谓的SMPS拓扑的经典构造的输入侧找到，换言之，后面有电容器连接在其输出端之间的整流桥的输入侧。经常被称作平滑或“缓冲”电容器的电容器是电解电容器，它通常具有较高值以使负载的DC功率尽可能稳定。随着整流后的输出电压的增加，该电容器被充电，并且在输出电压降回至零时，电容器将其电荷(存储的能量)释放至负载。该电源供电线的较低阻抗和较高值的平滑电容器使该电容器以电流脉冲的形式周期性的充电(并且随后向负载/灯驱动器电子器件放电)，该电流脉冲与任何线性(理想)的波形不同。
该构造具有的结果之一是流向电容器的电流以及从该电容器流出的电流是失真的，这是因为一部分电流循环地被吸收并从该电容器被反射回，这导致AC供电线上较高的电流谐波含量。从电容器反射回的电流量，以及因此在AC供电线上引起的谐波失真量与平滑电容器的尺寸直接成比例。因此，在启动条件下(在灯的最大照明亮度下)所表现出的电容器的值越小，则灯的启动总谐波失真越小。
因此对CFL的THD问题看起来显而易见的解决方案是减小平滑电容器的尺寸。然而，如上所述，处于高等级调光的CFL灯易于闪烁，这主要是由于他们在电源周期的一定时间中没有得到足够的功率造成的。除了平滑整流后的输入电压外，由于平滑电容器在高调光时期内被用作CFL的附加电流源，其还有助于在高调光时期期间防止功率不足(闪烁)效应。
因此，在防止高调光时期期间的功率不足效应和降低在可调光CFL电路启动时的总谐波失真之间存在有问题的折衷。
发明内容
本发明的一个目的在于提供用于减少由使用双向晶闸管切相调光器对紧凑型荧光灯进行调光所引起的总谐波失真的电子电路和方法，其将至少部分地缓解上述问题。
根据本发明，提供了一种用于减少由使用标准调光器对紧凑型荧光灯进行调光所引起的总谐波失真，同时防止在高调光等级的灯功率不足的电子电路，其包括：具有一对输入端子和一对输出端子的整流器，以及连接在该一对输出端子之间的平滑电容器，其特征在于，其进一步包括：彼此串连连接在整流器的输出端子之间、再与平滑电容器并联连接的第二电容器和至少一个电阻器。
本发明的其他特征提供了一个时间常数，该时间常数对应于第二电容器的值和至少一个电阻器的值的乘积，该时间常数长于与可在整流器输出端子处得到的供电信号相关联的时间；提供了与平滑电容器具有基本相似的电容的第二电容器；以及提供了与第二电容器串联连接的三个电阻器。
本发明的另一个特征提供了设置在具有至少三个连接端子的单一容性元件中的平滑电容器和第二电容器。
本发明的再一个特征提供了标准调光器电路，其为基于双向晶闸管的切相调光器；提供的该电路进一步包括连接在整流器输入端子之间的第二电阻器；以及提供了包括并联连接的基本相似的三个电阻器的第二电阻器。
根据本发明的另一个方面，提供了一种方法，该方法用于将由使用标准调光器电路对紧凑型荧光灯进行调光所引起的总谐波失真保持在可允许的限制内，同时防止高调光等级的灯的功率不足，该方法包括以下步骤：在整流电路的输出端子之间连接至少一个附加电容器和至少一个电阻器，该至少一个附加电容器和至少一个电阻器彼此串连连接，再与和整流器相关联的平滑电容器并联连接。
本发明的其他特征使该方法包括以下步骤：选择该至少一个附加电容器和电容器的值，以使对应于他们各自值的乘积的时间常数比与在整流器输出端子处可得到的供电信号相关联的时间长；将该至少一个附加电容器选择为与平滑电容器具有基本相似的电容；以及将该至少一个附加电容器与三个电阻器串连连接。
本发明的其他特征使该方法包括以下步骤：在整流器电路的输入端子之间连接至少一个附加电阻器；或在整流器电路的输入端子之间并联连接三个基本相似的电阻器。
附图说明
附图中：
图1A是示出处于中等调光等级的标准双向晶闸管切相调光器的电压输出波形的曲线图；
图1B是示出处于高调光等级的标准双向晶闸管切相调光器的电压输出波形的曲线图；
图2是用于可调光的紧凑型荧光灯的电子电路的电路图；
图3A是示出没有应用调光时图2中的节点(40)处的电压波形的曲线图；
图3B是示出处于中等调光等级的图2中的节点(40)处的电压波形的曲线图；
图3C是示出处于高调光等级的图2中的节点(40)处的电压波形的曲线图；
图4是示出处于低调光等级的电容器的负载电流贡献的图2的电路图；以及
图5是示出处于高调光等级的来自电容器的负载电流贡献的图2的电路图。
具体实施方式
如上所述，标准调光器电路采用双向晶闸管来控制可用于负载灯的功率量。图1A示出了连接至240V AC，50Hz输入供电电压(12)、并被设置为中等调光等级的双向晶闸管切相调光器电路的输出电压(10)。应该注意，在双向晶闸管处于非导通状态(14)时，输出电压保持为零。一旦双向晶闸管在点(16)处被触发，输出电压(10)就跟随输入电压(12)直到在点(18)处输入再次穿过零电压。在过零点(18)处，双向晶闸管再次进入非导通状态，并且输出电压(10)保持为零直到双向晶闸管在点(20)处被再次触发，此后，输出电压(10)再次跟随输入电压(12)直到下一个过零点。
通过改变与双向晶闸管相关联的RC电路中的电阻器的值，可以调整触发双向晶闸管的点。图1B示出了设置于高调光等级的双向晶闸管切相调光器电路的输出电压。应该注意，双向晶闸管在输入电压(12)的大多数周期都处于非导通状态，而输出电压(10)因此在这些大多数周期内都保持零电平。
图2示出了用于根据本发明的紧凑型荧光灯(未示出)的电子电路(30)的一个实施例。标准双向晶闸管切相调光器电路(未示出)的输出端子(未示出)连接在全桥整流器(36)的输入端子(32、34)之间。电阻器R1连接在全桥整流器(36)的输入端子(32、34)之间。全桥整流器(36)的负输出端子(38)接地，而其正输出端子(40)可用作紧凑型荧光灯(CFL)电路(未示出)的供电端子。平滑电容器C1的正端子连接至输出端子(40)，而其负端子接地。第二电容器C2和电阻器R2彼此串连连接，而电容器C2的正端子连接至输出端子(40)。电阻器R2的另一端接地。因此，应该理解，电容器C2和电阻器R2的串联组合与平滑电容器C1并联连接。
图3A示出了当将调光电路设置为其最低调光设置时，分别在桥式整流器(36)的输出端子(40)和地之间的波形，其中桥式整流器的输出端子构成上部供电电压干线(42)。当调光器电路开始进行调光时，供电干线(42)和地之间的波形开始呈现图3B中所示的波形形状，并且当将调光器设置为高调光等级时其最终呈现图3C所示的形状。应该理解，随着调光等级的提高，在供电干线(42)处可得到的电压处于输出信号为零值(44)的部分相应地长于其具有正电压的部分(46)。只有在可在供电电压干线(42)上得到供电电压的部分期间，该电路能够将功率传送给CFL电路。效果是随着调光量的增加，驱动CFL电路的平均可得功率减少了。CFL的光亮度也相应的减小。
还显而易见的是，在桥式整流器(36)的输出端子(40)处存在正电压的部分(46)期间，不仅电路(30)能够将功率传送至CFL电路，而且在电容器C1和C2中将累积电荷。在供电干线(42)上没有或有很小的电压的部分(44)期间，在电容器C1和C2中累积的电荷将可用于被释放至CFL负载，从而向CFL传送足够的电流以防止发生闪烁。
已经发现，在没有电容器C2和电阻器R2的情况中，在整流器(36)以高调光等级输出信号的导通部分(46)期间在平滑电容器C1中累积的电荷不足以为CFL负载提供足够的电荷来避免发生表现为闪烁的功率不足。增加平滑电容器C1的值，从而增加电荷量，其能够存储电荷并将其传送回至负载，解决了该问题，但是还在启动时将增加了的谐波失真引入到电路中，这会使电路引入不能允许的总谐波失真量。
然而，根据本发明引入了与平滑电容器C1并联连接的串联的电容器C2和电阻器R2，有效的解决了这些问题。在整流器(36)以高调光等级输出信号的部分(46)期间，电容器C2足以存储足够的附加电荷来在零电压部分(44)期间支持CFL负载。另一方面，电阻器R2的引入具有使元件C1、C2和R2的结合作为整体具有更大的阻性以及因此更小的容性的效果。这具有改善启动功率因数的效果，使得电路向CFL负载传送更多的功率，并减少由电路产生的启动THD，使其保持在允许的限制内成为可能。
还应该理解，由于电容器C2和电阻器R2这些元件串联连接，因此它们的值意味着电容器C2将会以比平滑电容器C1低的速率进行充电。因此，它还会以比平滑电容器C1低的速率将电荷释放回到该电路中。这些元件的值被选择为使得它们的阻容时间常数T＝RC(其中，R为电阻器R2的值，其单位为欧姆，以及C为电容器C2的值，其单位为法拉)长于在整流器(36)的输出端子(40)可得到的电压信号的周期。
在图2、图4和图5的实施例的电路中，电阻器R2和电容器C2的值分别为3kΩ和4.7μF。电容器C2被选择为与平滑电容器C1具有相同的电容。这意味着时间常数T(其对应于将电容器C2充电至全部信号电压的63.2％所用的时间)如下给出：
T＝RC
＝(3×10³)×(4.7×10^-6)
＝0.0141s
在整流器(36)的输出端子(40)处可得到的信号的周期是原始电源电压周期的一半，这是因为已经将供电电压的负半周期整流掉了。电源通常以约50Hz(其对应于0.02秒的周期)进行工作。因此，在整流器(36)的输出端子(40)处可得到的信号具有约0.01秒的周期，其小于电容器C2充电至全值的63.2％所用的时间。这意味着电容器C2在高调光等级期间从不会充电至满容量。因此，有目的地低效地将该电容器用作电流储存装置，但是其贡献足以满足负载的最小总电流要求，以及有助于防止处于低调光等级的CFL的电流功率不足效应。
另一方面，平滑电容器C1将会更加快速地进行充电，并将快速充电至整流器(36)的输出端子(40)处可得到的电压的最大值。
如上所述，在处于高调光等级的整流器(36)输出信号的部分(46)期间在平滑电容器C1中累积的电荷不足以为CFL负载提供足够的电流来避免发生表现为闪烁的功率不足。然而，存储在电容器C2中的附加电荷可加上存储在C1中的电荷，并可用来在整流器输出信号的零电压部分(44)期间支持CFL负载(48)。图4示出了当调光器(46)处于低调光等级时本发明的电路(30)。在这种情况中，在整流器输出信号的部分(46)期间存储到平滑电容器C1中的电荷将会远大于存储在电容器C2中的电荷，这是由于电容器C2将不会充电至全电容。因此，其在零电压部分(44)期间对流向CFL负载(48)的电流(50)的贡献将很小。
然而，如图5所示，当将调光器(46)设置为高调光等级时，在零电压部分(44)期间，相比于存储在平滑电容器C1中的电荷，存储在电容器C2中的电荷的贡献将会更加显著，并且在零电压部分(44)期间，来自这两个电容器的电荷的组合将足以向CFL负载(48)提供足够的电流(50)，从而支持CFL。
应该注意，已经做了许多其他尝试来防止使用标准双向晶闸管切相调光器的电路中处于高调光等级的CFL的功率不足和闪烁，并且还防止THD超过允许限制。然而，在这些尝试期间开发出的电路使用大量元件和复杂电路来达到该目标。这些复杂的电路不仅增加了电路的生产成本，还占据了最终产品的额外空间。
因此，应该理解，本发明的电路提供了一种简单、有效以及格外具有成本效益的途径，该途径防止CFL在利用标准双向晶闸管切相调光器以高调光等级工作时的功率不足及相关联的闪烁，同时将电路的启动总谐波失真限制在允许的限制内。尽管提供了更大的电容来克服CFL的功率不足，但是相比于最初引入额外阻抗的意图，目前灯的全部输入阻抗变得具有较少的容性。
在不背离本发明范围的条件下，可以进行大量的改变和改进。特别是，可以改变电容器和电阻器的数量和它们的值而不使其落入本发明范围之外。特别地可以设想以并联连接的三个独立的电阻器来代替连接在全桥整流器(36)的输入端子(32、34)之间的电阻器R1。这将增加电阻器的表面积并有助于有电阻器产生的热量的散发。还可以设想可以将电容器C2和平滑电容器C1包括在具有至少三个连接端子的单个容性元件中。这种双电容器元件将允许更进一步减小整个电路的尺寸。
仅通过示例的方式参照附图在此描述了本发明的实施例，而不应该被看作是对由所附权利要求限定的本发明范围的限制。