[发明专利]具有限流均方根电压调节输出的功率控制器

说明书

技术领域

本发明涉及一种向负载供应指定功率的功率控制器，并且更为具体地涉及一种用于灯的电压转换器，该电压转换器将线路电压转换成适合于灯运行的电压。

背景技术

一些负载如灯以比例如120V或者220V的线路(或者电网)电压更低的电压运行，并且必须为这样的负载提供将线路电压转换成较低工作电压的电压转换器(或者功率控制器)。

可以用相位控制限幅电路(如图1中所示)控制向负载供应的功率，该相位控制限幅电路包括电容器22、双向触发二级管24、电阻器28以及由双向触发二极管24触发的三端双向可控硅开关元件(triac)26。电阻器28可以是如下的电位计，该电位计设置电路中的电阻以控制三端双向可控硅开关元件26激发的相位。在运行中，如图1中所示的限幅电路具有两个状态。在第一状态中，双向触发二极管24和三端双向可控硅开关元件26在实际上无电流流动的截止区域中工作。由于双向触发二极管和三端双向可控硅开关元件在此状态下起开路电路的作用，所以结果是如图2中所示的RC串联网络。由于这样的RC串联网络的性质，在电容器22上的电压比线路电压超前由RC串联网络中的电阻和电容确定的相位角。在双向触发二极管24上的电压类似于在电容器22上的电压降，因此一旦在电容器上实现转折(breakover)电压V_BO，则双向触发二极管将激发。三端双向可控硅开关元件26在双向触发二极管24激发时激发。一旦双向触发二极管已经触发三端双向可控硅开关元件，则三端双向可控硅开关元件将继续饱和工作直至双向触发二极管电压逼近零。也就是说，三端双向可控硅开关元件将继续导通直至线路电压接近过零。由三端双向可控硅开关元件提供的虚拟短路电路变成如图3中所示的限幅电路的第二状态。限幅电路中的三端双向可控硅开关元件26的触发由RC串联网络前向相位控制并且线路电压波形的超前部分(leading portion)被限幅直至如图4中所示地出现触发。均方根负载电压取决于限幅电路中的电阻和电容，因为出现限幅的相位取决于RC串联网络，并且因为均方根电压依赖于多少能量通过限幅而被去除。

参照图5，限幅通过导通角α和延迟角θ来表征。导通角是在负载电压/电流波形上的、三端双向可控硅开关元件开始导通的点与负载电压/电流波形上的、三端双向可控硅开关元件停止导通的点之间的相位。反言之，延迟角是在超前线路电压过零与三端双向可控硅开关元件开始导通的点之间的相位延迟。图5示出了用于前向相位限幅的导通角规则，图6示出了用于反向相位限幅(导通角α紧随负载电压的极性变化)的导通角规则，而图7示出了用于前向/反向混合相位限幅(导通角α₁和α₂紧随极性变化和紧接在极性变化之前)的导通角规则。

取代相位限幅，可以用电压转换电路建立合适的均方根负载电压，该电压转换电路使用脉宽调制以减少向负载供应的能量。可以用生成如下信号(例如脉冲)的微控制器实现脉宽调制(PWM)，这些信号的频率和持续时间为晶体管开关建立对于所需的均方根负载电压恰当的占空比。信号被施加到晶体管开关的栅极，使得向发光元件施加的电压按照比线路电压频率(通常50-60Hz)大得多的速度接通和关断。希望信号的频率高于听觉范围(即大约20kHz以上)。图8示出了输入电压波形和脉宽调制电压波形的例子(减少PWM的频率以图示该调制)。在下文提到的并且通过援引而结合于此的美国申请中也说明了相位限幅和PWM。

线路电压可以根据位置变化或者在特定位置变化多达约10-15％并且在异常情形中变化多于此。这样的变化可能造成负载(例如灯)中的均方根负载电压的有害变化。例如，如果线路电压在设计电压转换电路所针对的标准以上，则三端双向可控硅开关元件26(图1)可能及早地触发，由此增加了均方根负载电压。在卤素白炽灯中希望具有接近恒定的均方根负载电压。

另外，如果线路电压明显地减少，则电压转换电路将改变相位导通角或者开关占空比以试图维持所需的均方根负载电压，并且这样的变化将增加由负载汲取的电流。增加负载电路可能使系统过载并且造成系统故障。