专利名称：高效的荧光管电子镇流器的制作方法
本专利申请的主题涉及一个有意义的领域(荧光灯装置电子镇流器中的电压馈电谐振)。这是个与各种其他已发表专利相同的有意义领域。了解这些专利中的两个会对在该领域基础有限的读者有所帮助。为此理由，作为参考在此特编入美国专利5,008,596(R.Kastl等，1991年4月16日)和5,349,270(U.Roll等，1994年9月20日)。
荧光照明的许多优点(例如，低功耗，长寿命)近年来刺激了利用倒相器的电池工作灯(臂如说，用于野营)和定为拧入式的标准白炽灯的取代品的小型荧光灯装置的发展，甚至在过去常用古老的磁镇流器的线路工作应用(例如，在建筑物中架空固定安装的照明装置)中，磁镇流器也已开始注意其用电子镇流器替代(当然在小型的荧光替代白炽灯的装置中也发现电子镇流器)。因此，在电子镇流器方面已有很大的商用意义。为一般地介绍镇流器必须做什么以及各种解决这样镇流器的途径，可参见明显易读又提供信息的Motorola应用记条AN10 49D(1990，1994)。从编入的专利中可得到另外的背景。本发明的主题涉及该应用记录称之为“电压馈电谐振电路”型的电子镇流器。
尽管已进行了所有的研制，但仍有改进的余地。首先，电路应该是效率高的。效率有许多含义。减少热量允许较长的元件寿命和增加电路配置的灵活性，以便产生其他方法所不能的情况。当所加的功率是正弦的和相当高的频率时，臂如说，50KHz时，荧光泡其本身对于到此给定的功率输入似乎产生更强的光。不幸，对于，臂如说，F40T12所需要的正弦波是基本的；大概750 VRMS启动它，一旦启动大约其一半保持它运转。在这样条件下保持正弦波的畸变很小不是无关重要的，尤其因为荧光管不是个简单的电阻性负载。最后，如果不包含专门机构来予热电极以协助调节管中的水银蒸汽，管子会是很难启动的，或者会阻止从启动状态向工作状态过渡。如果通常的电压馈电电子镇流器能被改进得更有效，有畸变更小的正弦输出，不藉助任何单独用于予热电极的“启动器”而可靠地启动，这会是合乎需要的。
空气间隙电感和电容组成其本身与荧光管串联的串联谐振。合成的串联谐振网络固定地连接到DC电源的一侧(+)，而另一端在DC电源的那个(+)侧和DC电源的另一侧(-)之间切换。切换与谐振电路中流通电流的半周不同的极性同步地发生。分相器激励变压器的初级线圈与谐振电路中的电流串联，该变压器有单独的为控制FET开关进行上述切换的调相次级线圈，并且为确定用其切换谐振电路的占空度选择该变压器的匝数比。对于其整个相关半周期，切换端连接到DC电源的一端(+)。考虑到比该其余半周期小得多，切换端连接到DC电源的另一个(-)侧以给串联谐振电路储存能量和补充在荧光灯中消耗的能量。在该其余半周期的余下部分两个FET都不闭合，而电流流经旁路连接到DC电源+侧的FET的二极管。空气间隙电感通过减小激励灯的正弦波电压的畸变帮助启动和改进效率。
图1是用于荧光灯的电子镇流器的局部原理图。该镇流器利用了电压馈电谐振电路，并体现了本发明。
现在参照图1。在图1上示出应用电压馈电谐振电路的用于荧光灯电子镇流器的电路1的局部原理图。企图使电路1经适当的全波整流和滤波(还可包括电压倍增)以及用EMI(电磁干扰)滤波直接由AC电源的线电压工作。电源整流和滤波以及EMI滤波完全是常规的，为简洁起见已被省略。还会认识到，如果需要，电路1也可由电池供电DC到DC转换器来运转。
我们将简短地讨论电路1的一般工作，然后集中于其中发现的改进之处。DC电源的正侧加到线2(V+)，而负侧加到线3(V-)。电容C1(4)只是附加的滤波，而且可以认为是省略的电源和EMI滤波器的扩展。
荧光灯FL133，它可以是个F40T12，与C732并联，这个并联组合与C531、C630和L124串联。在开灯时，灯33有几兆欧的阻抗，并当遇到跨在较小值的C732上出现的高电压时点燃。一旦灯FL133启动或者接通时，这个串并联组合实际只成为一个串联组合，因为对于所有实际场合C732此时被灯33的低阻抗(200-300欧)短路。这个串联组合与L124谐振，在下文称作“串联谐振电路”。
注意；FL133、C5和C6(30-31)以及L124在C5端固定地连接到DC电源的正侧2。另一端(在L124)借FET的Q18和Q210的振荡作用分别在DC电源的正侧2和负侧3之间切换。这里有用于该串联谐振电路的电流的通路。为启动振荡作用和为补充被FL1消耗的功率，Q210接通。于是，假若我们跟随电子，它们从电源的负侧3向上，经FET Q2到切换结点34，由此经一圈的初级线圈22以箭头37的方向到串联谐振电路，一直到到达DC电源的正侧2为止。让我们将与接通Q210有关的半周期称作“充电”半周期。我们将其余半周期(有相反方向的串联谐振电路电流的半周期)称作空载半周期。很清楚，在空载半周期必须有以箭头36方向经串联谐振电路的(电子)电流的完整通路，否则谐振不能维持。该通路是从切换站点34经接通的FET Q18到DC电源的正侧，并在整个空载半周期期间有效，与没有2个晶体管同时接通相一致。(非常清楚，FET的Q1和Q2最好两者不总同时接通)。
将认识到，一旦稳态工作条件已达到，不希望在任何比需要补充FL133所消耗的功率大的充电半周期的部分Q210接通。的确，典型情况是它在大约充电半周期的一半，或更小一点时接通。这意味着，必须还有另一个用于串联谐振电路的电流的通路(亦即，对为充电半周期一部分的那些时段，意指Q1关，但在此期间Q2也关)。好像其是附加的空载时间来处理充电周期的该部分，并在该附加空载时间电流流经二极管D17，二极管D29决不使用，但无论如何它在那里，因为D1是Q1的一部分(D1在与Q1相同的封壳中)又D2是Q2的一部分。这些晶体管制造商这样制造它们，因为打算将它们用于这种类型使用。
认为R15和C26的作用是，若灯FL133从来不启动、烧掉或不存在，通过限制可能遭受到的谐振升压来保护Q1。认为电阻R314和R413同二极管D311和D412一起在其他元件的各种可能的故障期间保护它们有关的晶体管。(我们“相信”这些情况，因为该电路的某些部分起源在以前的技术，而过了一些时候它们不再明显由写这些用途的人所表述。)电路1的某些部分在此只用于启动，并在下面描述。DIAC16以已知的方式与R518和C419一起工作，以便在通过短暂地使Q210接通初始施加的DC电源来启动振荡。一旦该任务完成，二极管D517取消这个作用，允许独立的振荡进行。电容C315通过保证Q18保持关而Q210在迫使开，也协助成功的开动。
现在接着描述如何利用串联谐振电路的振荡电流切换FET的Q18和Q110以维持振荡。经过串联谐振电路的电流通过一圈T120的初级线圈。该电路工作使人想起老的阿姆斯特朗(回授线圈)振荡器，除了这是一种推-拉型式。亦即，当(电子)电流方向是箭头36的方向时，应说在空载半周期间，次级绕组A21产生为开启Q18所需极性的电压。在那同时次级绕组B23产生一个相反极性的电压，该电压进一步偏置已不导通的Q2使之截止。在充电半周期极性颠倒，所以Q18偏置截止而Q210在这个充电周期的某部分将导通。转换在次级线圈A21和B23产生的电压成真实代表串联谐振电路电流波形的信号。A次级线圈21有比B次级线圈23大的圈数。这允许A次级线圈在几乎整个空载半周期激励Q1导通。在B次级线圈上的较小圈数减小充电半周期百分比，该充电半周期百分比产生足够大的激励Q2导通的信号，从而建立串联谐振电路的激励电平。最好将变压器T1绕在环形铁凎氧芯上。
现在我们转到L1的特点。L1是个气隙铁凎氧电感。实际上，有兴趣的一个或几个气隙不必是实际的空气。只要那里没有任何会引起磁故障的填料，它们可以是其他材料。各种塑料是合适的，但任何金属，即使是无磁的，由于产生损耗(涡流等)是可疑的。因为工作频率和低损耗的需要，铁凎氧是必需品。电感L124同串联组合C531和C630(即，有0.05μf)在50KHz频率谐振。
L1本身构成如下。用厚0.010”的低损耗无磁垫片材料28(塑料板)将2个圆形铁凎氧芯25(例如，磁石p/n 9477015002)隔开。该圆形铁凎氧的横截面像“E”形。为在空气间隙29总计达0.015”，芯25的中心柱下降0.0025”以产生一个附加的0.005”。装有140圈导线27的绕线架26在柱上滑动，适当地胶合或罐封整个机构24。
目前尚不完全清楚，气隙铁凎氧电感24为什么提供它所做的改善。我们知道，电感有时有缝隙以防止芯材的饱合，如同在电源用的振动扼流圈中经受很宽的供负载电流的振动。在振动扼流圈中的缝隙是便利的，没有解决需要(较大的)不太容易饱合的扼流圈的根本问题而导致改善的调节。代替有缝隙的L124放一有同值的有不易饱合芯的电感不产生具有缝隙部分看到的那种改善。亦即，L124的芯25的过早饱合不被认为是“问题”。提醒怀疑者，有兴趣的串联谐振电路包括灯FL133，该灯不只是一个工作良好的集总阻抗。一些注释者把这样的灯和类似的负载称作“活性负载”，因为在工作时它们的瞬时阻抗不规则地变化。我们认为，FL1呈现一种非线性动态的介质情况。认为电感24的缝隙以有利的方式补偿。如同逐渐引进缝隙那样有意义地改进串联谐振电路中的正弦振荡的质量，启动管子更可靠，总电路效率从百分八十五左右到不足百分九十。
权利要求
1.一种用于荧光灯的电子镇流器，包括第一DC电源导线(2)，分配电源电压；第二DC电源导线(3)，是电源电压返回侧；第一和第二串联的切换晶体管(8，9)，其串联组合连接在第一和第二电源导线之间，第一和第二互相切换的晶体管的接点(34)是切换的节点；一个有缝隙芯(25)的电感(24)，与电容(30、31)和荧光灯(33)串联，这三个串联组合形成在该串联组合的末端有第一和第二终端的串联谐振电路；串联谐振电路的第一终端连接到第一DC电源导线；一个有初级绕组(22)和第一(21)及第二(23)次级绕组的变压器(20)，初级绕组连接在串联谐振电路的第二终端和切换节点之间；连接第一次级绕组以控制第一切换晶体管的导通；第二次级绕组相对于第一次级绕组是相反相位的并被连接以控制第二切换晶体管导通；以及选择电感芯的空气间隙(28)的尺寸，使荧光灯两端出现的正弦电压的畸变最小。
全文摘要
一空气间隙的电感(24)和电容(30,31)形成其本身与荧光管(33)成串联的串联谐振。合成的串联谐振网络固定地连接到DC电源的一侧(+)(2),而另一端在DC电源的(+)侧和DC电源的另一侧(－)(3)之间切换。切换与谐振电路流通电流的半周期不同的极性同步发生。与谐振电路中电流相连的是一个分相器激励变压器(20)的初级,该变压器有为控制FET开关以进行上述切换的单独的调相次级线圈(21、23),并且为确定用其切换谐振电路的占空度选择变压器的匝数比。在其整个有关半周期切换端连接到DC电源的一端(+)。考虑到比其余半周期小得多,切换端切换到DC电源的另一侧(－)以给电路储存能量和补充已在荧光灯中消耗的能量。在该其余半周期的余下部分任何一个FET都不闭合,电流流经二极管(7),二极管(7)旁路连接到DC电源(+)侧的FET。
文档编号H05B41/282GK1275045SQ0010090
公开日2000年11月29日 申请日期2000年1月3日 优先权日1999年1月3日
发明者M·安德鲁斯 申请人:惠普公司