照明控制电路，照明设备和方法与流程

本发明涉及照明，并且特别地涉及诸如街道照明或体育场照明的室外照明。本发明还涉及室内照明(例如高棚灯)。迄今为止，这种照明是通过高强度放电(hid)灯来提供的。

背景技术：

hid灯实质上是交流设备，并且具有负电阻特性。因此，由交流市电供电并且镇流器或扼流圈与灯串联连接，以防止过电流对灯的损坏。典型的hid灯如1000w金属卤素灯，具有750v的点火电压峰值、260v的工作电压和4a的工作电流，提供大约1000w的灯功率和100,000流明的光输出。

近年来，具有一个或更多个发光二极管(led)的灯已经取代了白炽灯和低强度放电灯例如荧光灯。随着这种led的功率容量的增加，因此led开始用于需要相当大的功率(例如超过1kw)的室外照明，例如街道照明和体育场照明。

显然，如词语“二极管”所暗示的，led是直流(或单向电流)设备。此外，led具有正电阻特性(其中电阻随着流过led的电流而变化)。作为直流设备，其中led由交流市电供电，通常存在由市电供电的某种类型的整流器，并且led(连同其驱动器或控制电路)由整流器的输出供电。因此，用于led灯的直流控制电路完全不同于用于hid灯的交流控制电路。

高功率led的一个示例具有6v的标称电压并且汲取2.1a的标称电流。然而，led可以具有高达4.8a的电流。led灯具通常可以包括24个串联连接的这种led。这种led灯具具有150v的工作电压和2.1a的标称工作电流，提供大约315w的灯功率和30,000流明的光输出。在一些情况下，匹配的led并联连接，在这种情况下，总电流被共享的。

高功率led的另一个示例在一个串中具有36个led，具有225v的标称电压、2.1a的标称电流、475w的标称瓦数和45,000流明的光输出。

通常，需要某种电子驱动器形式的控制电路(恒流电路和/或恒压电路)来将led电流维持在其额定限度内。该控制电路连接在整流器和led之间，并且其最简单的形式包括单个电阻器。此外，整流器的输出可能具有不可接受的波纹，因此包括一个或更多个电容器的滤波器可以连接在整流器和led之间。

在需要一些其他控制功能(例如调光)的情况下，则这通过连接在整流器和led之间的控制电路来实现。例如，脉冲宽度调制(pwm)经常用于控制led的亮度。因此，pwm调制器形式的控制电路连接在整流器和led之间。

上述现有技术的一个具体问题是驱动器或控制电路通常包括一个或更多个具有高电容水平的电解电容器。这结果具有在启动时非常高的初始瞬态电流，因为(一个或更多个)电容器需要大量电荷以达到其操作电压。在构思本发明之后进行的现有技术新颖性检索已经公开了美国专利第9,497,811号(schiffelen)，其说明了该现有技术。所有控制在整流器和led串之间执行。

此外，高压半导体非常昂贵。因此，出于经济原因，设计者径常被迫使用结合较低电压和较不昂贵的半导体的多驱动器系统。多驱动器系统意味着更多的控制线和更大的复杂性，并且增加了在服务中发生电路故障的可能性。

本发明的成因

本发明的成因是期望通过采用用于led灯的替代控制布置来避免这些问题。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，公开了一种用于led灯单元的控制电路，所述电路包括交流输入、一对灯输出以及整流电路，所述交流输入用于连接至交流市电，所述一对灯输出用于连接至所述led灯单元，所述整流电路从所述交流输入供电并向所述灯输出供电，其中控制电路插入在所述交流输入和所述整流电路之间。

根据本发明的第二方面，公开了一种照明设备，包括由整流器供电的led灯具，以及插入在所述整流器和所述交流市电之间的控制电路，所述整流器由交流市电供电。

根据本发明的另一方面，提供了一种将高强度放电hid灯设备转换成led灯设备的方法，hid灯设备由交流市电供电并包括hid灯具、镇流器和相关控制装置，led灯设备包括led灯具并由所述电源供电，所述方法包括以下步骤：

用所述led灯具替换所述hid灯具，

用具有输入和输出的整流器替换所述镇流器和相关控制装置，

将所述整流器的输出连接至所述led灯具，以及

在所述交流市电和所述整流器输入之间插入控制电路。

上述方法的特别优点在于，它能够使用先前用于hid设备的现有布线和控制装置壳体，从而导致简单且成本有效的转换过程。

作为上述的变型，公开了各种形式的控制电路，其中交流市电是三相电源。

附图说明

现在将参考附图仅通过示例的方式描述本发明的优选实施方式，在附图中：

图1是示出用于led灯的电子驱动器的现有技术电路，

图2是利用第一实施方式的单电感器控制电路和可选的滤波电容器以及可选的功率因数校正电容器的led灯的操作的电路图，

图3是对图2的电路图的修改以改进其电流控制，

图4是结合了高漏抗变压器的第三实施方式的电路图，

图5是结合了隔离恒流变压器的第四实施方式的电路图，

图6是作为图2和图3的电路的组合的第五实施方式的电路图，

图7是第六实施方式的三相电路图，

图8是图7的电路图的修改，

图9是结合了调光功能的第七实施方式的电路图，

图10是图7和图9的电路的组合，

图11是作为图3的电路的三相版本的第九实施方式的电路图，

图12是作为图4的电路的三相版本的第十实施方式的电路图，

图13是另一三相实施方式的电路图，

图14是在控制电路中结合了铁磁调节器的第十一实施方式的电路图，

图15是作为图14的电路的三相修改的第十二实施方式的电路图，

图16是作为单相双整流电路的又一实施方式的电路图，

图17是具有分流可饱和电感器的再一单相电路，

图18是作为图17的电路的三相修改的另一实施方式的电路图，

图19和图20是结合了自耦变压器的单相实施方式，

图19a和图20a示出了能够对图19和图20的电路进行的变型，并且更一般地进行的变型，

图21至图24是结合了具有双输出绕组的隔离高泄漏变压器的单相电路，

图25是结合了倍压器的单相电路，

图26是具有单个次级绕组的单相恒流变压器电路，以及

图27是具有两个次级绕组的另一单相恒流变压器电路。

具体实施方式

如图1所示，现有技术的led灯电路采取由交流市电供电的变压器11和提供必要直流电压的全波桥式整流器20的形式。整流器20包括四个常规二极管21。led灯19采取一串发光二极管18的形式。

为了控制具有市电电压波动的灯电流，提供了电阻器r1和r2、晶体管q1和受控电压形式的控制电路。不需要调光的受控电压可以采取反向偏置齐纳二极管的形式。受控电压等于晶体管q1的基极发射极电压和电阻器r1两端的电压。由于基极发射极电压不随流过晶体管的集电极发射极电流以任何显著的方式变化，这意味着电阻器r1两端的电压基本上恒定。这又使得通过灯19的电流基本上恒定。

在灯19要被调光的情况下，受控电压本身可由其他调光器设置电路来调节，该调光器设置电路使得能够调节受控电压。结果，位于杆或塔顶部的灯19及其相关电路通过四根导线连接至电路的其余部分。

现在转到图2，灯19如前所述由一系列串联连接的发光二极管18组成。灯19直接连接至由四个常规二极管21组成的全波桥(fwb)整流器20，这些二极管以传统方式连接以进行全波整流。整流器20由具有有源端子a和中性端子n的交流市电供电。铁芯电感器23介于市电和整流器20之间，优选地在如图所示的有源引线中。电感器23作为控制电路工作。由桥式整流器20提供给led灯19的电流通过电感器23的阻抗保持在led电流传导的上限和下限内。

此外，电感器23提供市电电流的相移，使得市电电流是连续的并且基本上是正弦形状。两个电容器ci和c27在图2中以虚线绘制，以指示其为任选的且可视需要提供。电容器c27的功能是平滑由全波桥式整流器20提供的波纹电压。电容器ci的功能是改善市电电流的功率因数。

可以看出，只需要两条线来为led灯19供电。因此，灯19可以位于塔或杆(未示出)的顶部，并且电感器23和整流器20形式的操作电路可以位于塔或杆的底部。这使得能够容易地进行改装以替换现有的hid照明设备。

现在转到图3，在该实施方式中，全波桥式整流器20和led灯19以及电感器23与前面一样，然而，增加了电容器c1，电容器c1与电感器23串联，以将图2的滞后低功率因数电路(没有电容器ci)转换成超前低功率因数电路。包括电容器c1还减小了由于市电电压变化而导致的提供给led19的电流的变化。通过将一定程度的非线性引入电感器23中，可以实现由于市电电压变化而引起的电流变化的进一步减小。

替选地或附加地，如果需要，可以跨市电端子连接可选的分流电感器25(在图3中由虚线示出)以改善功率因数。另一可选的附加是跨整流器20的输出连接滤波器27。滤波器27的提供减弱了通过led19的电流中的波纹。

在图4的实施方式中，结合了磁分流器的隔离漏抗变压器t1跨接在市电两端，从而替换电感器23。桥式整流器20和led灯19与前面一样。可选的滤波器27也与前面一样。可选的电容器c2可以连接在市电端子之间以改善功率因数。变压器t1的高漏电抗提供了与图2的电感器23所提供的输出电流基本相同的相移。结果，在隔离漏抗变压器t1的初级绕组和次级绕组中都有连续且基本上是正弦的电流流动。

图5中示出了图4的电路的变型。图5的隔离漏抗变压器t2具有与其次级绕组串联连接的电容器c1。优选地，与次级绕组相关联的磁电路被修改成允许部分饱和。次级绕组电感与电容器c1结合的这种非线性特性导致通过led19的电流相对恒定，而与市电电压的变化无关。

包括与电容器c1和变压器t2的次级绕组串联的可选的电容器c3(图5中以虚线示出)，增加了变压器t2的输出电路中的容抗。因此，这减少了通过led19的电流并使光输出变暗。闭合可选的开关s1则恢复了全光输出。

实现调光的一种替代技术是用并联电容器替换电容器c1。当两个电容器都在电路中时，实现全光输出，但是当两个并联电容器中的一个被切换出电路时，实现调光输出。通过使用串联和/或并联开关电容器的各种组合，可以实现多于一个调光水平的光输出。

在图6中，图2和图3的电路被组合以产生高功率因数电路，其可以以超前滞后配置操作两个灯19。这对于市电网络是非常有益的。

为了在不需要如图2和图3所示的滤波器27或滤波电容器c27的情况下实现通过led19的低纹波电流，可以使用三相市电输入。图7示出了图2的电路的简单三相实施方式。使用六个常规二极管21的传统三相全波桥式整流器200替换了图2的整流器20。为3个相p1至p3中的每一个提供电感器23。

图8示出了图7的电路图的修改，其中为每个相添加了输入分流电容器c2。这改善了图7的电路的功率因数。分流电容器c2可以如图所示以y形配置连接至可选的的中性端子n，这导致4线供电。替选地，在3线供电布置中，分流电容器可以以y形配置连接至浮动星点。替选地，相之间的三角形连接可以用于这些功率因数校正电容器c2，从而再次产生3线供电。

图9示出了又一实施方式，其中通过提供能够切断单相的开关s1来修改图7的三相电路。其结果是降低了经由三相整流器200提供给led灯19的电流。然而，通过灯19的减小的电流仍在灯19的规定电流范围内，但是导致灯被调暗。这种调光对傍晚开始期间在运动器材处引入照明特别有用。除了省电之外，还允许观众和选手的眼睛适应于人工照明环境。替选地，与比赛相比，这样的调光对于训练活动是可接受的较低照明水平。通过切断图7和图8的电路的相位之一的电源，也可以获得相同的调光功能。在图9的特定实施方式中，为每个相提供串联电容器c1。

以类似于图6的方式，图10是图7和图9的电路的组合，其允许两个led灯19以高功率因数超前滞后布置操作。开关s1使相位之一下降以使两个灯19变暗。

类似地，图11表示使用分流电感器25的图3的电路的三相版本，每相一个电感器25。开关s1可以关断以提供led19的第一调光水平。如果需要，可以在另一相中提供可选的第二开关s2(在图11中以虚线示出)。如果开关s1和s2都关断，则可以实现第二较低调光水平(前提是可用电压足以提供led正向电压降并且驱动足够的电流通过led)。

类似地，图12表示图4的电路的三相版本，其使用三个隔离漏抗变压器t1，同样每相一个隔离漏抗变压器t1。开关s1再次使得能够实现调光功能。三个初级绕组以星形或y形配置连接，并且优选地，星点是浮动的以形成3线供电。替选地，星点可以连接至市电中性端子n以形成4线供电。如图8那样，功率因数校正电容器c2可以以三角形或星形配置连接至电源端子。

此外，图13表示图5的电路的三相版本，其使用三个隔离恒流变压器t2，同样每相一个隔离恒流变压器t2。为每个相提供串联电容器c1。

现在转到图14，在单相电路中，铁磁调节变压器t3具有跨接在其次级绕组上的电容器c3，以形成储能电路。次级绕组被分接以向全波桥式整流器20提供适当的输入电压。灯19与前面一样。如果需要，可以在整流器20的输出两端连接可选的滤波电容器c27。

图15示出了图14的电路的三相版本，其使用三个铁磁调节变压器t3。三个初级绕组以星形或y形配置连接，并且优选地，星点是悬浮的以形成3线供电。替选地，星点可以连接至市电中性端子n以形成4线供电。

图16示出了与图6类似的又一单相实施方式。六个二极管21构成双全波桥式整流器20，其一方面经由电感器23馈电，另一方面通过串联连接的电感器23和电容器c1馈电。结果，超前和滞后电流同时提供给led19。在没有任何滤波电容器的情况下，所得到的led电流具有非常小的波纹(大约5％)。此外，该电路具有非常高的功率因数(几乎是一)和市电电流的低的总谐波失真。

现在转到图17，在该单相电路中，电感器l1是相对线性的电感器，而电感器l2的芯至少部分饱和，使得电感器l2两端的电压保持相对恒定。结果，尽管市电电压波动，但是有基本恒定的电流流过电容器c1，并且因此恒定的电流流过led19。

图18示出了图17的三相版本。电感器l2的公共连接点可以是具有3线市电的浮动星点，或者可以连接至4线市电的中性端子n。

图19和图20各自示出了具有从抽头绕组向整流器20供电的自耦变压器t5的布置。电感器23与自耦变压器t5串联连接。可以选择抽头以使得市电电压和反射负载电压x-y(被反射到市电电路中的led19两端的电压)之间能够匹配。在图19中，反射led电压增加。而在图20中，反射led电压降低。在两种情况下，可以通过在电源端子上跨接电容器来添加功率因数校正。

图19a和图20a示出了能够对自耦变压器t5进行变型以使led19变暗的情况。在图19a中，开关s5连接在自耦变压器t5的一些初级绕组匝之间。当开关s5处于位置2时，较低的电压被施加至电感器23，因此led19被调暗。当开关s5处于位置1时，市电电压施加在初级绕组的少量匝两端，并且因此施加至电感器23和整流器20的电压增加，因此led19不被调暗。

图20a示出了类似的布置，但是开关s5连接至自耦变压器t5的次级侧。当开关s5处于位置1时，最大电压被施加至电感器23和整流器20，并且因此led19不被调暗。然而，当开关s5处于位置2时，较小的电压被施加至电感器23和整流器20，并且因此led被调暗。

对于本领域技术人员明显的是，上述在初级侧或次级侧中的任何一侧进行切换以实现调光可应用于自耦变压器之外的变压器，并且因此可应用于例如图5、图12至图15和图21至图25中所示的变压器布置。

此外，图19a和图20a还示出了开关调光技术，其可将位于市电中的阻抗应用于整流器20、200。在图19a中，电感器23在绕组中具有抽头。当开关s8处于位置1时，存在较低的阻抗，并且led19不被调暗。当开关s8处于位置2时，电感器23具有较高的阻抗，并且led19被调暗。

图20a中示出了类似的布置。在第一种布置中，电感器l8与整流器20串联连接。可以操作与又一电感器l9串联连接的开关s7以将电感器l9与电感器l8并联连接，从而增加到整流器20的电流。因此，在开关s7关断的情况下，led19变暗，并且在开关s7接通的情况下，led19不会变暗。

替选地或附加地，开关s8可以如图19a中那样被提供以改变电感器23的有效匝数。当开关s8处于位置1时，电感器23的阻抗减小，到整流器20的电流处于最大，并且led19不变暗。然而，在开关s8处于位置2的情况下，电感器23的阻抗处于最大，并且因此到整流器20的电流减小并且led变暗。对于本领域技术人员来说明显的是，在一些电路布置中，电容器的切换可以用作阻抗变化的替代形式。用于改变电流水平的可切换串联和/或并联互连的其他形式对于本领域技术人员来说同样是明显的。

图21至图24各自示出了具有隔离高泄漏变压器t10的单相电路，隔离高泄漏变压器t10具有双输出绕组。这些用于以适当的和可接受的电压向一对led灯19供电，尤其是在2线led电压电路将需要使用不可接受的高电压的情况下更是如此。调光可以通过在双输出绕组中包括附加的串联或并联电容器来实现，该电容器被切入电路或从电路切出。功率因数校正可以利用连接在有源端子和中性端子之间的可选的电容器来实现。

在图21和图23中，两个全波桥式整流器20彼此完全隔离，从而产生了到led灯模块19的4线馈电。替选地，如图22和图24所示，两个全波桥式整流器20可以具有共同的连接，由此产生到led灯模块19的3线馈电。

在图23和图24的电路中，隔离高泄漏变压器t10的双输出绕组各具有串联连接的电容器c10。这种布置基本上提供了与图5相关联的相同的优点，因为通过led灯模块19的电流将是相对恒定的，而与市电电压的变化无关。然而，对于图21和图22的电路，附加益处是施加至各个led灯模块19的减小的电压。

图25示出了与图2类似的单相电路，不同之处在于：整流器20被变压器t4和由一对常规二极管21和一对电容器c4形成的倍压器单元替换。图25的电路的优点在于，led灯19两端的电压大大增加，并且因此可以容纳更多数量的串联连接的led二极管18。因此，图25的灯19相对于其它电路的灯19可以具有增加的功率。

前面仅描述了本发明的一些实施方式，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行对于led照明电路的技术人员明显的修改。特别地，将理解，在向led供电的整流器上游的电路的交流部分中实现电流控制。这代表了与现有技术的显著偏离。

此外，一些变化可以如下分类。滤波器27可以位于整流器20、200和(一个或更多个)led模块19之间。该滤波器可以采取分流电容器c27、或串联电感器、或(一个或更多个)串联电感器和分流电容器的组合的形式。

在其最简单的形式中，控制电路由电感器23构成。然而，优选地，控制电路采取电感器23和串联电容器两者的形式。

此外，控制电路可以采取各种变压器的形式，包括漏抗变压器、铁磁谐振变压器和恒流变压器。这些可以通过自耦变压器或通过常规隔离变压器来实现。控制电路还可以采取如图26和图27所示的恒流变压器的形式。

在图26中，恒流变压器tr被绘制，其中，其初级磁电路通过平行于纸面的叠层示出，并且其漏磁电路通过垂直于纸面叠层绘制。因此，初级绕组wp由交流市电供电，并且次级绕组ws向(一个或更多个)负载电路提供输出电压。漏磁电路的分流提供了相当大的漏电感，从而将次级绕组的输出与市电电压的变化进行磁去耦。优选地，与次级绕组ws相关联的磁路被修改，使得其至少相当大的部分在正常操作期间进入磁饱和。

次级绕组ws的电感与谐振电容器cr的电抗相结合的非线性特性，导致次级绕组磁路的至少一部分由于谐振而保持在磁饱和状态。

由于与次级绕组ws相关联的磁芯饱和，因此市电电压的变化实际上对次级绕组ws的输出没有影响，结果是其电压保持恒定。这具有的结果是，通过负载的电流也保持恒定，并且其幅度主要由谐振电容器cr的大小控制。

优选地，如图26所示，负载包括形成全波桥式整流器的4个常规二极管以及形成负载的led模块19。如果需要，可以将可选的滤波电容器c27与led19并联连接。

除了控制负载电流以使其基本恒定之外，该电路还具有其它好处。一个这样的好处是非常高的操作功率因数，其非常接近于一。另一个好处是市电电路中的总谐波失真非常低，通常小于10％的失真。另一个好处是次级电路对市电中的瞬态电压具有非常高的抗扰性，并且该抗扰性可应用于横向模式瞬态电压和共模瞬态电压两者。

如果需要进一步改善线路调节，则可以在初级绕组wp上缠绕小的补偿绕组(未示出，但为常规的)，并与次级绕组ws串联连接，但是在电感上相反。

如图26中的虚线所示，各自具有其自己的led串19的多个负载电路可以与一个恒流变压器tr并联操作。3相的扩展如图12至图15所示。

现在转到图27，可以构建具有单个初级绕组wp和两个完全独立的次级绕组ws1和ws2的恒流变压器tr。单个初级绕组wp位于一对磁分流器之间，并导致次级绕组ws1和ws2中的每一个的磁路的基本饱和。次级绕组中的每一个能够以图26的方式提供多个并联负载电路。

通常，交流市电可以是单相或多相(通常是三相)。在变压器用于三相布置的情况下，变压器的初级绕组可以以y形配置或以三角形配置连接。功率因数校正电路可用于改善整个电路的功率因数。典型的功率因数校正电路是连接在电源的各相之间或连接在每一相与星点或中性点之间的分流电容器。

功率因数校正也可以通过复制整个电路并以超前滞后配置操作两组led模块19来实现。

可以通过关断超前滞后配置下的复制电路之一或者关断多相电路的各个相中的一个或更多个相来进行调光。也可以通过将(一个或更多个)阻抗切入到整流器20、200的供电电路中以及从整流器20、200的供电电路切出阻抗来进行调光。类似地，也可以通过将匝切入到整流器20、200的变压器布置中以及从变压器布置切出匝来进行调光。

对于多相电路(例如三相电路)，3线供电或4线供电是可能的。3线供电可以是三角形连接的，或者具有浮星点。4线电源可以具有连接至中性端子的星点。

以上仅描述了本发明的一些实施方式，并且对于电子领域的技术人员明显的是，可以在不脱离本发明的范围的情况下对其进行修改。

如本文所用的术语“包括”(及其语法变体)以“包括”或“具有”的包含性意义使用，而不是以“仅由……组成”的排他性意义使用。