CN101061756A - 荧光照明设备的驱动方法和实现该方法的镇流稳定器电路 - Google Patents

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CN101061756A CNA2005800392365A CN200580039236A CN101061756A CN 101061756 A CN101061756 A CN 101061756A CN A2005800392365 A CNA2005800392365 A CN A2005800392365A CN 200580039236 A CN200580039236 A CN 200580039236A CN 101061756 A CN101061756 A CN 101061756A
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Abstract

在此公开了一种驱动荧光灯的方法和一种用于实现该方法的镇流稳定器电路，该方法根据电压幅度分割输入AC电源的相位，并将被分割的电压的低压部分用作用于加热灯丝的加热功率，以及将被分割的电压的高压部分用作加热放电型荧光灯中的荧光管的放电电压，由此延长荧光灯的寿命，提高荧光管的亮度，并且由于消除了功率变换的需要而提高功率使用的效率。本发明接收商用AC电源并对商用AC电源进行全波整流，根据电压幅度分割全波整流AC电源的相位，并进行切换控制，使得被分割的电压的具有低相位的低压部分被用作用于加热荧光管的灯丝的加热功率，并且被分割的电压的具有高相位的高压部分被用作荧光管的放电电压。因此，本发明利用由AC电源的相位所引起的电压差来直接供给所需的电源，只需简单的切换操作而无需电压变换。

Description

荧光照明设备的驱动方法和实现该方法的镇流稳定器电路
技术领域
本发明涉及一种驱动荧光灯的方法和用于实现该方法的镇流稳定器电路，并且更具体地涉及如下的驱动荧光灯的方法和用于实现该方法的镇流稳定器电路，该方法根据电压幅度分割输入AC电源的相位，并将被分割的电压的低压部分用作用于加热灯丝的加热功率以及将被分割的电压的高压部分用作加热放电型荧光灯中的荧光管的放电电压，从而延长荧光灯的寿命，提高荧光管的亮度，并且由于功率变换的需要的消除而提高功率使用的效率。
背景技术
通常，荧光灯是在家庭或办公室中最常用的照明设备，因为与一般的白炽灯相比它具有低的功耗和非常高的亮度。荧光灯是一种放电灯。当通过给荧光灯的荧光管的电极(灯丝)施加高压而产生放电时，大量的电子被发射并被涂覆于荧光管的内表面的荧光材料吸收，因而荧光材料发射光，由此展现荧光灯的固有亮度。
如图1中所示，一般的预热型荧光灯包括扼流(choke)变压器10、辉光起动灯(以下称为起动灯)20和荧光管30。灯丝32(即荧光管30的电极)涂覆有电子发射材料，并且必须被加热直到激活该电子发射材料。当电源开关被接通时，起动灯20对灯丝进行预热，直到灯管由于放电而发光，从而接通荧光灯。扼流变压器10是用于产生放电所需的高压的器件。
在接通荧光灯的一般方法中，当用户接通灯开关时，电源线之一通过扼流变压器10连接到起动灯20上，而另一电源线通过形成在荧光管30两侧的灯丝32连接到起动灯20上，因而在施加电压时电压被施加于起动灯20的两侧。当电压被施加于起动灯20时，起动灯20被接通。此时，形成在起动灯20内部的双金属线22由于接通起动灯20所产生的热量而物理变形，因而起动灯20的两侧短路。当起动灯20的两侧短路时，电压经由扼流变压器10被施加于荧光管30两侧的灯丝上。当电压被施加于荧光管30的两侧时，在荧光管30两侧中形成的灯丝被加热。因此，随着被提供给起动灯20的功率减小，起动灯20停止产生放电并被关断。由于起动灯20的关断，停止灯丝的加热，因此形成于起动灯20内部的双金属线22变形，因而从电路的角度看起动灯20的两侧彼此断开。当起动灯20的两侧从电路的角度看彼此断开时，停止将电流通过灯丝32提供给起动灯20，因而在两个灯丝32之间感生高压。荧光管30由于在荧光管30的两个灯丝32之间所感生的电压而开始产生放电，然后大量的电子被发射。当电子被涂覆于荧光管的内表面上的荧光材料吸收时，荧光管30发光。
当荧光管30发光时，被提供给起动灯20的功率减小，然后起动灯20不产生放电，由此保持其初始状态。
使用放电型起动灯20来接通荧光灯的方法具有以下缺点：起动灯的操作根据温度变化和输入电压而变化，荧光管30的寿命由于功率的不稳定供给而缩短，其中功率的不稳定供给是由可归因于起动灯的产品质量和起动灯的使用周期之间的差异的不稳定操作引起的，并且功率使用的效率由于利用扼流变压器10变换电压的方法的使用而降低。
为了解决上述问题，发明了一种由电路构成的电子镇流稳定器。如图2中所示，电子镇流稳定器将从整流单元50接收的AC电源转换成DC电源，通过振荡单元60使转换后的DC电源在30KHz～100KHz处振荡，并使用切换单元70将振荡的DC电源切换到用于变换电压的变压器80的初级线圈。通过对荧光管90的两侧施加限流高压，同时利用从初级线圈感生的电压加热荧光管90的灯丝，变压器80的次级线圈产生放电，由此接通荧光管90。
上述电子镇流稳定器使用功率变换和切换。与使用放电型起动灯的方法相比，电子镇流稳定器具有优良的功率效率。然而，存在的缺点是：由于功率变换，功率效率仍然降低，切换单元的元件昂贵，这些元件发射大量的热量，并且这些元件的小型化是困难的，因此镇流稳定器的小型化也不容易，由此增加了制造成本并且因此导致低的经济效率。
发明内容
技术问题
因此，鉴于现有技术中存在的上述问题而做出了本发明，并且本发明的第一目的是提供一种驱动荧光灯的方法，所述方法根据电压幅度分割输入AC电源的相位，并将被分割的电压的低压部分用作用于加热灯丝的加热功率以及将被分割的电压的高压部分用作荧光管的放电电压，从而延长荧光灯的寿命，提高荧光管的亮度，并由于消除了功率变换的需要而提高功率使用的效率。
本发明的第二目的是提供一种用于实现该方法的镇流稳定器电路。
技术方案
为了实现第一目的，本发明包括以下步骤：接收商用AC电源并对商用AC电源进行全波整流；根据电压幅度分割全波整流AC电源的相位，并进行切换控制，使得被分割的电压的具有低相位的低压部分直接被用作用于加热荧光管的灯丝的加热功率而不无需电压变换，并且被分割的电压的具有高相位的高压部分直接被用作荧光管的放电电压而不无需电压变换；接通具有低相位的低压部分作为用于加热荧光管的灯丝的加热功率；以及接通具有高相位的高压部分作为荧光管的照明功率。
此外，为了实现第一目的，本发明包括：整流单元，该整流单元被配置为包括二极管D1-D4和全波整流输入商用AC电源；电压切换控制单元，其被配置为接收通过整流单元被全波整流的AC电源，根据电压的相位分割AC电源的幅度，并进行切换控制，使得被分割的电压的具有低相位的低压部分被用作用于加热荧光管的灯丝的加热功率，并且被分割的电压的具有高相位的高压部分被用作荧光管的放电电压；低压切换单元，该低压切换单元连接到电压切换控制单元的输出端上，并且被配置为响应于电压切换控制单元的输出信号而接通和关断用于加热荧光管的灯丝的加热功率；和高压切换单元，该高压切换单元连接到电压切换控制单元的输出端上，并且被配置为形成用于对高压部分进行脉宽调制并且然后施加荧光管的照明功率的脉宽调制(PWM)电路，由此响应于电压切换控制单元的输出信号而接通用于荧光管的放电的功率。
本发明只由低功率的晶体管和电阻器构成，因此电路集成是可行的。
附图说明
图1是示出接通一般荧光灯的方法的结构图；
图2是示出一般镇流稳定器的操作的图；
图3是示出根据本发明的驱动荧光灯的方法的方框图；
图4是示出根据本发明实施例的荧光灯的镇流稳定器电路的结构和操作的电路图；以及
图5是示出根据本发明的荧光灯的镇流稳定器电路的操作波形的波形图。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的优选实施例。
图3是示出根据本发明的驱动荧光灯的方法的图，图4是示出根据本发明实施例的荧光灯的镇流稳定器电路的结构和操作的电路图，以及图5是示出该荧光灯的镇流稳定器电路的操作波形的波形图。
与使用电子电路的传统电子镇流稳定器不同，根据本发明的驱动荧光灯的方法采用直接供给交流(AC)电源的方法，以便通过消除AC电源的电压变换而防止由于电压变换所引起的功率损失。也就是说，如图3中所示，包括二极管D1-D4的整流单元110对从电源单元施加的商用AC电源进行全波整流。电压切换控制单元120形成在整流单元110的输出侧，该电压切换控制单无120根据电压幅度分割通过整流单元110被全波整流过的AC电源的相位，然后进行切换控制，以便被分割的电压的具有低相位的低压部分被用作用于加热荧光管100的灯丝102的加热功率，并且被分割的电压的具有高相位的高压部分被用作荧光管100的放电电压。
低压切换单元130和高压切换单元140形成在电压切换控制单元120的输出侧，所述低压切换单元130响应于电压切换控制单元120的输出信号而接通和关断用于加热荧光管100的灯丝102的加热功率，所述高压切换单元140响应于电压切换控制单元120的输出信号而接通和关断用于荧光管100中的放电的功率。
在这种情况下，高压切换单元140包括脉宽调制(PWM)电路142，该脉宽调制电路142对高压部分进行脉宽调制，然后在接通了荧光管100之后供给适当功率，以便施加荧光管100的照明功率。
在根据本发明的驱动荧光灯的方法中，在高压切换单元140中此外还形成有负反馈电路(未示出)，该负反馈电路检测荧光管100的放电量，以便通过检测荧光管100的放电量并且根据所检测到的放电量控制输出功率来将亮度调节到恒定输出，并且通过控制低压切换单元130来控制被施加于灯丝102的加热功率的幅度。
在根据本发明的驱动荧光灯的上述方法中，输入110V或220V的商用AC电源，通过整流单元110对该AC电源进行全波整流，并且控制切换，以便通过电压切换控制单元120将全波整流过的波形(波纹波形)分割成电压波形的具有高相位的高压部分和该电压波形的具有低相位的低压部分。
即，如图5的波形图中所示，在施加所施加的AC电源的电压相位的低压部分、即部分C的时间期间，电压切换控制单元120操作低压切换单元130，从而接通开关A和B，然后接通用于加热位于荧光管100两侧的灯丝102的加热功率。
在施加图5的波形图中所施加的AC电源的电压相位的高压部分、即部分D的时间期间，电压切换控制单元120操作高压切换单元140，以便将切换脉冲施加于PWM电路142，从而接通荧光管100。
即，根据本发明的驱动荧光灯的方法将输入商用AC电源的相位分割为高相位电压(高压)部分和低相位电压(低压)部分，将低压部分、即部分C用于加热荧光管100的灯丝102，并且将高压部分、即部分D用作用于接通荧光管100的照明功率，因此通过直接切换操作直接供给AC电源而不用进行AC电源的变换，由此消除了功率损失的原因并提高了功率使用的效率。
根据本发明的驱动荧光灯的方法可以利用图4的镇流稳定器电路来实施。现在描述图4的结构和操作。当施加商用AC电源时，包括二极管D1-D4的整流单元110对所施加的商用AC电源进行全波整流，并将全波整流过的波形(波纹波形)提供给电路。电压切换控制单元120形成在包括四个二极管D1-D4的整流单元110内部。在包括四个二极管D1-D4的整流单元110内部的电压切换控制单元120中，基于电阻比来分割全波整流功率的电阻器R1和R2彼此串联，并且一线路在电阻器R1和R2之间分叉并连接到第一晶体管Q1的基极端上。第一晶体管Q1的集电极端经由电阻器R3连接到整流单元110上，并且第一晶体管Q1的发射极端也连接到整流单元110上。第一晶体管Q1的集电极端经由电阻器R4连接到第二晶体管Q2的基极端上。第二晶体管Q2的集电极端连接到第三晶体管Q3的基极端上，并且第二晶体管Q2的发射极端连接到整流单元110上。
低压切换单元130和高压切换单元140连接到电压切换控制单元120的第三晶体管Q3的集电极端上。低压切换单元130是利用第五晶体管Q5和第六晶体管Q6形成的，其中第五晶体管Q5和第六晶体管Q6以其基极端经由二极管D6和D7以及电阻器R7和R8连接到第三晶体管Q3的集电极端上，并接通和关断用于加热荧光管100的灯丝102的加热功率。
此外，高压切换单元140包括第四晶体管Q4和PWM电路142，其中第四晶体管Q4以其基极端经由电阻器R6连接到电压切换控制单元120的第三晶体管Q3的集电极端上，并且上述PWM电路142连接到第四晶体管Q4的集电极端上，并被配置用于响应于第四晶体管Q4的操作而对输入功率进行脉宽调制，并且施加荧光管100的照明功率。PWM电路142具有典型的结构，因而省略了其图解和描述。
在操作用于实现根据本发明的驱动荧光灯的方法的上述镇流稳定器电路时，通过构成整流单元110的四个二极管D1-D4对输入商用AC电源进行全波整流。基于电压切换控制单元120的彼此串联的电阻器R1和R2的电阻比以及电源电压的相位来分割全波整流过的电源电压。
如图5中所示，通过整流单元110被全波整流的电源电压的相位沿着时间轴连续变化。电压切换控制单元120的电阻器R1和R2基于其电阻比将商用AC电源的相位分成高相位电压(高压)部分和低相位电压(低压)部分。即，电压切换控制单元120的电阻器R1和R2只在电源的相位的幅度超过预定电压值的时间期间接通第一晶体管Q1，其中所述电源基于电阻比被全波整流。
因此，如图5中所示，在部分C、即全波整流电源的相位小于预定电压值的低压部分中，电压切换控制单元120的第一晶体管Q1被关断，因此电源经由电阻器R3和R4施加于第二晶体管Q2的基极端，由此接通第二晶体管Q2。此外，电源经由电阻器R5施加于第三晶体管Q3的基极端，由此接通第三晶体管Q3。因此，电源经由二极管D6和D7施加于第五和第六晶体管Q5和Q6的基极端，由此接通第五和第六晶体管Q5和Q6，因而全波整流电源的低相位电压被施加于荧光管100两侧的灯丝102上，从而加热荧光管100的灯丝102。
此时，电源还被施加于构成高压切换单元140的第四晶体管Q4的基极端，由此接通第四晶体管Q4。因此，切换脉冲并不被施加于PWM电路142上(所述PMW电路142施加荧光管100的照明功率)，以便只有具有低相位的低压部分作为灯丝102的加热功率被施加于荧光管100上。
在预定时间之后，如图5中所示，在部分D、即全波整流电源的相位大于预定电压值的高压部分期间，电压切换控制单元120的第一晶体管被接通，因而第二晶体管Q2和第三晶体管Q3被关断。因此，构成低压切换单元130的第五和第六晶体管Q5和Q6被关断，因而低压切换单元130不工作。此外，构成高压切换单元140的第四晶体管Q4被关断，因而切换脉冲被施加于PWM电路142上，其中该PWM电路142施加荧光管100的照明功率。此后，通过PWM电路142被脉宽调制的信号经由电阻器R6施加于第六晶体管Q6的基极端，因而脉宽调制高压被施加于荧光管100的两侧并被用作荧光管100的照明功率。
在根据本发明的镇流稳定器电路中，优选的是通过以下方式来构成负反馈电路：将第六晶体管Q6分割成两个晶体管(未示出)，其中一个晶体管接通和关断用于加热荧光管100的灯丝的功率，另一个晶体管接通和关断用于接通荧光管100的高压；并且在接通和关断用于接通荧光管100的高压的另一个晶体管的发射极端处包括电阻器(未示出)，由此当接通和关断用于接通荧光管100的高压的所述另一个晶体管工作时，检测流过该电阻器的电流，然后减小被施加于接通和关断用于加热灯丝102的功率的所述一个晶体管的功率，并且然后通过高压来实现接通。
根据本发明的驱动荧光灯的方法执行控制，以便通过在其初始放电时施加低压部分来根据需要加热荧光管100的灯丝102，并在放电开始之后最低限度地加热以助于热电子的发射。
工业实用性
如上所述，本发明根据电压幅度分割输入AC电源的相位并将被分割的电压的低压部分用作用于加热灯丝的加热功率以及将被分割的电压的高压部分用作荧光管的放电电压，由此延长荧光灯的寿命，提高荧光管的亮度，并且由于功率变换的需要的消除而提高功率使用的效率。
尽管已经参考附图详细描述了本发明的优选实施例，但是本发明并不限于这些实施例，并且本领域技术人员可以对这些实施例进行修改和改进。

Claims (8)

1、一种驱动荧光灯的方法，包括：
步骤(S1)，接收商用AC电源并对该商用AC电源进行全波整流；
步骤(S2)，根据电压幅度分割在步骤(S1)中被全波整流的AC电源的相位，并进行切换控制，使得被分割的电压的具有低相位的低压部分被用作用于加热荧光管的灯丝的加热功率并且被分割的电压的具有高相位的高压部分被用作荧光管的放电电压；
步骤(S3)，响应于步骤(S2)的信号输出，接通具有低相位的低压部分作为用于加热荧光管的灯丝的加热功率；和
步骤(S4)，响应于步骤(S2)的信号输出，接通具有高相位的高压部分作为荧光管的照明功率。
2、根据权利要求1所述的方法，还包括：在步骤(S4)之后的负反馈步骤，即检测荧光管的放电量，根据所检测到的放电量来调节步骤(S4)的照明功率的幅度，并调节步骤(S3)的加热功率的幅度。
3、一种镇流稳定器电路，包括：
整流单元(110)，被配置为包括二极管D1-D4和全波整流输入商用AC电源；
电压切换控制单元(120)，被配置为接收通过整流单元(110)被全波整流的AC电源，根据电压的相位分割该AC电源的幅度，并且进行切换控制，使得被分割的电压的具有低相位的低压部分被用作用于加热荧光管(100)的灯丝(102)的加热功率，并且被分割的电压的具有高相位的高压部分被用作荧光管(100)的放电电压；
低压切换单元(130)，连接到电压切换控制单元(120)的输出端上，并被配置为响应于电压切换控制单元(120)的输出信号而接通和关断用于加热荧光管(100)的灯丝(102)的加热功率；和
高压切换单元(140)，连接到电压切换控制单元(120)的输出端上，并被配置为形成用于对高压部分进行脉宽调制并且然后施加荧光管(100)的照明功率的脉宽调制(PWM)电路(142)，由此响应于电压切换控制单元(120)的输出信号而接通用于荧光管(100)的放电的功率。
4、根据权利要求3所述的镇流稳定器电路，还包括负反馈电路(未示出)，该负反馈电路位于高压切换单元(140)的输出侧，并被配置为通过检测荧光管(100)的放电量并根据所检测到的放电量控制输出功率来将亮度调节到恒定输出，并且通过控制低压切换单元(130)来控制施加于灯丝(102)的加热功率的幅度。
5、根据权利要求3所述的镇流稳定器电路，其中，在整流单元(110)内部，电压切换控制单元(120)包括：电阻器(R1和R2)，所述电阻器串联并被配置为基于电阻比根据全波整流电源的相位分割电压幅度；第一晶体管(Q1)，以其基极端连接在所述电阻器(R1和R2)之间，并以集电极端经由电阻器(R3)连接到整流单元(110)上，以及还以其发射极端连接到整流单元(110)上；第二晶体管(Q2)，以其基极端经由电阻器(R4)连接到第一晶体管(Q1)的集电极端上，并以其发射极端连接到整流单元(110)上；和第三晶体管(Q3)，以其基极端连接到第二晶体管(Q2)的集电极端上，并以其集电极端连接到低压切换单元(30)和高压切换单元(40)上。
6、根据权利要求3所述的镇流稳定器电路，其中，低压切换单元(30)包括第五晶体管(Q5)和第六晶体管(Q6)，其中该第五晶体管和第六晶体管以其基极端经由二极管(D6和D7)和电阻器(R7和R8)连接到第三晶体管(Q3)的集电极端上，并接通和关断用于加热荧光管(100)的灯丝(102)的加热功率。
7、根据权利要求3所述的镇流稳定器电路，其中，高压切换单元(40)包括第四晶体管(Q4)和PWM电路(142)，其中该第四晶体管(Q4)以其基极端经由电阻器(R6)连接到电压切换控制单元(120)的第三晶体管(Q3)的集电极端上，该PWM电路(142)连接到第四晶体管(Q4)的集电极端上并被配置为响应于第四晶体管(Q4)的操作而对输入功率进行脉宽调制并施加荧光管(100)的照明功率。
8、根据权利要求4或7所述的镇流稳定器电路，其中，通过将第六晶体管(Q6)分割成两个分开的晶体管(未示出)来构成负反馈电路，所述晶体管中的一个晶体管接通和关断用于加热荧光管(100)的灯丝的功率，而所述晶体管中的剩余晶体管接通和关断用于接通荧光管(100)的高压，并且该负反馈电路在接通和关断用于接通荧光管(100)的高压的所述剩余晶体管的发射极端处包括电阻器(未示出)，由此当荧光管(100)被接通时，检测流过该电阻器的电流，然后减小施加于接通和关断用于加热灯丝(102)的功率的所述一个晶体管上的功率。
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