专利名称：具有有效电流测量的灯驱动电路和灯驱动方法
技术领域：
本发明涉及用于利用交流电来驱动灯、特别是放电灯的电路和方法。本发明尤其涉及灯电流的测量。
背景技术：
用于利用交流电来驱动灯的电路本身公知。它们在市场上具有极其不同的特征并在现有技术中得到证明，例如作为用于驱动低电压卤化白炽灯的电子变压器或者作为用于低压放电灯、也就是例如日光灯或者节能灯的驱动电路。后者一般包括用于为灯产生高频供电功率的转换器。
此外，本身公知的是测量工作时的灯电流，例如以便对该灯电流进行调节。
发明内容
本发明所基于的技术问题是，给出用于利用交流电来驱动灯的电路和方法，该电路和该方法在测量灯电流的方面有所改进。
本发明涉及一种用于驱动灯的交流驱动电路，以及涉及一种相应的驱动方法和一种由这种驱动电路和通过该驱动电路供电的灯组成的照明系统，其中该交流驱动电路具有用于检测灯电压的电抗、用于确定通过该电抗的电流的过零点的、对符号敏感的零点检测装置、用于测量通过灯的电流的电流测量装置和所触发的保持装置，其中由零点检测装置这样来触发该保持装置，使得其在一个时间点上检测并且随后保持由电流测量装置所测量的灯电流，其中在该时间点上该电流基本上相当于通过灯的有效电流的幅度。
下面的说明隐含地既涉及本发明的装置范畴也涉及本发明的方法范畴，而不在这两方面之间进行详细的区分。
本发明人已注意到，在灯的交流驱动电路中，由于主要由灯线路引起的寄生电容而可能出现相当大的容性无功电流。这些无功电流主要在可调光的灯的情况下可能更高，并且在低的调光位置时甚至比灯内真正的有效电流高数倍。在任何情况下它们都使电流测量值失真。在可调光的灯的情况下，如果对所测量的由灯电流和容性电流组成的总电流进行调节，在低的调光位置时甚至会导致灯熄灭。
由此出发应至少近似地确定灯中的实际有效电流，以排除这种失真或工作失常。
因此在本发明中利用电抗来测量灯电压。通过电抗的电流在此情况下相对于灯电压相移90°。于是，对电流的过零点的符号敏感的确定允许确定以规定的方式相对于灯电压的过零点相移90°的时间点。因为灯中的有效电流与灯电压相位相同，并且在测量时应排除的容性无功电流相移90°，所以可以以这种方式在一个时间点上进行灯电流的测量，其中在该时间点上相对于有效电流超前90°的容性无功电流基本上为零，因此该测量至少近似地检测灯有效电流。具体地，这可以这样来进行，使得利用这样的过零点，在该过零点通过灯的有效电流达到其正的幅值。
在此情况下本发明从以下的假设出发，即灯驱动电路中的寄生电容远远超过寄生电感的影响，由于电容相移和电感相移的部分抵消而造成的有效电流的失真因此可以被忽略。这当然是一种近似法，但由于在实践中实际可忽略的寄生电感而完全足够了。在任何情况下本发明提供相对于现有技术的明显改进。
作为电抗，原则上既考虑电感也考虑电容，其中在本发明的范围内电容是优选的。它们通常与更低的元件成本和更有利的结构尺寸相联系。在与此相应地从正向负的过零对灯电流测量来说是决定性的实施例中，情况也是如此。
本发明优选地针对具有灯电流调节、特别是在可调光的灯的情况下的应用情况。在这里可以通过更精确地确定灯电流来实现更准确的调节，并且在调光的情况下甚至在非常低的调光位置时也能实现正常驱动。
此外，一个优选的应用情况是放电灯，在这些放电灯中驱动电路一般具有转换器、例如半桥逆变器，用于为灯产生基本上为矩形的高频供电电压。此外，设置有与灯串联的灯电抗器和耦合电容器。该耦合电容器在该灯的一个端子上限定基准电位。另一个灯端子位于转换器的高频输出端上。耦合电容器在此情况下可以连接到内部基准电位(接地)上或者也可以连接到转换器的供电电位上，并且在此情况下通常将内部基准电位和转换器的供电电位之间的中间值确定为灯的基准电位。
此外，优选地设置数字控制装置，它控制转换器的工作并在此情况下只要存在就包括灯电流调节。在此情况下，转换器的脉冲重复频率可以被用于调节灯电流。驱动电路在这种情况下具有AD转换器，以便将优选地以模拟方式获得的灯电流值输送到该数字控制装置。
电流测量装置可以通过至少一个二极管来连接并且因此只检测一个极性的电流值。这主要在使用AD转换器时可能是有利的，因为该AD转换器也许仅被设计用于处理一个极性的输入值。
用于检测并保持灯电流的所触发的保持装置优选是跟踪与保持(track-and-hold)电路，并可以具有受控开关和电容器。在此情况下，开关位置决定电容器是否利用与灯电流值相应的电压信号、特别是测量电阻上的电压降来充电或者断开，以保持在断开时间点上“所存储的”值。
用于确定过零点的零点检测装置可以具有与电抗、特别是电容器串联的测量电阻和检测该测量电阻上的电压的比较电路或者施密特触发器或者一般地阈值元件。
下面借助一个实施例对本发明进行更详细的说明，其中单个特征不仅对于装置范畴来说而且对于方法范畴来说分别具有重要意义，并且此外也可以以其他组合的形式是本发明的本质。
图1示出传统照明系统的示意框图。
图2示出参考图1的依据本发明的照明系统的一部分。
图3示出关于图2中的照明系统的测量曲线。
具体实施例方式
为了说明下面更详细解释的实施例，图1首先示意性地示出一个传统照明系统的结构。在右上区域内示出一个放电灯。开头所提到的线路寄生电容象征性地通过与该灯并联的电容C_kap来示出。该灯由具有两个半桥晶体管T1和T2的桥式电路供电，其中这两个半桥晶体管在其中间抽头上产生高频矩形电压。该高频矩形电压通过灯电抗器L_lamp被提供到一个电极上，其中另一个灯电极通过耦合电容器C8连接到由两个晶体管T1和T2组成的半桥的下面的供电分支、这里为内部接地上。谐振电容器C7位于灯电抗器L_lamp的灯侧端子和该内部接地之间，该谐振电容器C7与灯电抗器L_lamp共同被设置用于通过灯电路内的谐振激励而产生过压。这些关系对于专业人员来说是众所周知的并长期以来为现有技术，故这里无需进一步进行解释。
图1此外示出在由两个晶体管T1和T2组成的半桥的中间抽头和内部接地之间的未用附图标记标出的线圈，它与两个同样未用附图标记标出的与电极并联的线圈耦合。在这种情况下涉及灯丝变压器，该灯丝变压器用于在启动前和在低调光位置的情况下在连续工作时加热灯电极，并且该该灯丝变压器同样是公知的，因此在此无需进一步进行解释。
灯电路由开关电源供给供电电位，该开关电源在上面连接到由两个晶体管T1和T2组成的半桥上。在这种情况下涉及本身同样早已公知的升压转换器，该升压转换器在其未用附图标记标出的输出端侧的存储电容器上产生近似恒定的直流电压。为此它通过最左边所示出的同样为现有技术并无需进一步解释的高频滤波器、和整流器由一般的交流电网供电。升压转换器在这里用作功率因数校正电路。
在图1的下面的区域内在右侧示出一个微控制器μC，它一方面如两个箭头象征性地所表示的那样控制开关电源、也就是升压转化器并且与此同时具体地预先规定那里的开关晶体管的脉冲，而另一方面由该开关电源供给施加在输出侧电容器上的中间电路电压。另一方面，微控制器μC控制半桥的两个开关晶体管T1和T2，并在灯电路内除了灯电压和放电电阻之外特别是还测量灯电流。微控制器μC此外也负责预热控制、点火控制和灯监控。但在本发明的范围内主要感兴趣的是灯电流调节范畴内的半桥控制。微控制器μC从左侧所示的控制输入端接收调光信号，该调光信号决定功率放大级，也就是具体地决定所调节的灯电流。该控制输入端本身同样为现有技术并且在这里不详细进行解释。原则上涉及单极交流耦合输入。
图2示出本发明的一个实施例，更确切地说是图1中标有“灯电路”的部分包括灯本身在内的一段。但与图1的区别在于，图2中涉及依据本发明的电路。
出于简化原因，具有开关晶体管T1和T2的半桥在左侧作为0和470V之间的梯形供电电位V1示出。该梯形供电电位处于灯电抗器L_lamp的左侧端子和图2的下面的区域内的内部接地之间。灯在图2中被示出大约位于中间并位于上部，并作为具有例如250pF的并联寄生电容C_kap的例如25kΩ的欧姆有效负载R_lamp被象征性地示出。
已经借助图1进行了说明的谐振电容器C7被示出并在这里具有例如3.3nF的电容。也存在例如20nF的耦合电容器C8。除了半桥晶体管T1和T2外，也删去了图1中的预热变压器。
在图2中，在一定程度上谐振电容器C7的一部分作为单独的这里为470pF的电容器C2被去耦。该电容器C2与这里为100Ω的测量电阻R10串联，与谐振电容器并联并与由灯R_lamp和耦合电容器C8组成的串联电路并联。
(在典型频率为几十kHz的情况下)电阻R10的阻抗比电容器C2的阻抗小得多，因此灯电压和C8上的电压的总和基本上位于电容器C2上。因为C8上的电压实际上在时间上恒定地相当于半桥的一半供电电压，所以电容器C2上的电压的变化可以与灯电压的变化相关联。这里在本发明的意义上作为电抗使用的电容器C2上的这种电压变化以通过测量电阻R10的超前90°的电流的形式表现出来。由于这些电流而在R10上下降的电压通过OP比较电路(运算放大器电路)来检测。因此，比较电路输出端上的过零和因此符号变化相当于具有90°的超前相移的灯电压的过零。电容器C2(或者相应的电感)因此必须这样来连接，使得灯电压被映射到其中。
比较电路的输出端控制一个晶体管开关U3，该晶体管开关U3在其闭合状态下将例如47nF的电容器C10与例如2.5Ω的测量电阻R22并联并在其打开状态下将该电容器C10与该测量电阻R22断开。测量电阻R22与耦合电容器C8串联并因此处于灯电流的路径中。然而，由于以彼此相反的极性与该测量电阻R22并联的二极管D10和与其串联的二极管D11，只有具有确定极性的灯电流才流过测量电阻R22。
R22上的表示灯电流的电压在开关U3的闭合状态下被施加到电容器C10上并因此将该电容器C10充电到相应的值。如果开关U3打开，那么C10上的该电压值得到保持。该电压值通过AD转换器被数字化并被提供到与图1中的微控制器μC相应的数字控制装置上。开关U3和电容器C10因此构成一个跟踪与保持电路，该跟踪与保持电路在开关U3的闭合状态下跟随R22上的电压、即灯电流并在打开时保持该灯电流。
在该实施例中，对通过电容器C2的电流的测量产生90°的超前相移。如果现在将比较电路和开关U3如图2中所示这样连接，使得开关U3在从负向正过零点时由于比较电路输出端上的“1”而闭合并且在从正向负过零点时由于比较电路输出端上的“0”而重新打开，那么在最后提到的过零点时C10上的电容器电压因此保持被存储，在相对于通过C2的电流的上升过零点相移180°的情况下并因此在通过C2的电流的最大值之后的90°时该电容器电压与灯电流相应。由于通过C2的电流相对于通过R_lamp的灯有效电流(与通过C_kap的容性无功电流相反)的超前相移，这些恰恰是没有无功电流分量的正的电流最大值。即通过C_kap的无功电流在这些时间上同样具有零点，因为它超前有效电流90°。
不依赖于频率和寄生电容，在寄生电容明显超过寄生电感时，这种陈述就适用。
图3示出关于图2中的实施例的所有测量曲线。其中通道1(CH1)基本上示出一个矩形信号、即下面的半桥晶体管T2的控制信号以及因此半桥的工作脉冲。通道2(CH2)示出C10上的电压以及因此AD转换器的输入。通道3(CH3)示出比较电路的输出、也就是开关U3的控制信号。最后，通道4(CH4)示出近似正弦形分布的灯电流。
根据比较电路输出的突然中断、也就是信号CH3的下降沿来识别从正向负的过零。在该时间点上打开开关U3，因此曲线CH2此后呈现恒定的平顶线，直至信号CH3重新具有上升沿并且开关U3重新闭合。曲线CH2直接在平顶线的前面和后面示出几个较小的干扰，这些干扰由半桥造成并且对于本发明来说不具有重要意义。如果不考虑这些干扰，那么在开关U3闭合的区域内、也就是在信号CH3的高平顶线的区域内分别显示出灯电流、也就是信号CH4的图像。该信号CH4基本上正弦形地分布，但以其最大值相对于信号CH3的下降沿并因此以灯电压的最大值稍微相位超前。这种超前的相移说明容性无功电流的影响。这种影响在图3的曲线图中相当小，因为在这里出于清楚显示的原因选择了相当大的调光级。在较小的调光级的情况下该相移增大。但因为信号CH2的平顶线分别在无功电流分量恰好为零的时间点上“冻结”，所以这些影响不包括在灯电流调节中。
权利要求
1.一种用于驱动灯(R_lamp)的交流驱动电路，具有用于检测灯电压的电抗(C2)，用于确定通过所述电抗(C2)的电流的过零点的、对符号敏感的零点检测装置(R10、OP-Komp.)，用于测量通过所述灯(R_lamp)的电流的电流测量装置(R22、D10、D11)，和所触发的保持装置(U3、C10)，由所述零点检测装置(R10、OP-Komp.)这样来触发该保持装置，使得其在一个时间点上检测并且随后保持由所述电流测量装置(R22、D10、D11)所测量的灯电流，其中在所述时间点上该电流基本上相当于通过所述灯(R_lamp)的有效电流的幅度。
2.按权利要求1所述的驱动电路，具有灯电流调节电路，该灯电流调节电路被供给由所触发的保持装置(U3、C10)所测量并保持的灯电流。
3.按权利要求1或2所述的驱动电路，用于放电灯，该驱动电路具有用于为所述灯(R_lamp)产生高频供电功率的转换器、与所述灯(R_lamp)串联的电抗器(L_lamp)、与所述灯(R_lamp)并联的谐振电容器(C2、C7)和与所述灯(R_lamp)串联的耦合电容器(C8)。
4.按前述权利要求之一所述的驱动电路，具有数字控制装置和连接到所触发的保持装置(U3、C10)上的AD转换器(A/D)，该AD转换器用于为所述控制装置提供表示所述灯电流的数字信号。
5.按前述权利要求之一所述的驱动电路，其中，所述电流测量装置(R22、D10、D11)通过二极管(D10、D11)来连接并因此只检测一个极性的电流值。
6.按前述权利要求之一所述的驱动电路，其中，所触发的保持装置为跟踪与保持电路(U3、C10)并具有受控开关(U3)和电容器(C10)。
7.按前述权利要求之一所述的驱动电路，其中，所述电抗为电容器(C2)。
8.按前述权利要求之一所述的驱动电路，其中，所述零点检测装置(R10、OP-Komp.)具有与所述电抗(C2)串联的测量电阻(R10)和阈值元件(OP-Komp.)。
9.一种用于驱动灯(R_lamp)的方法，其中，利用电抗(C2)来检测灯电压，以对符号敏感的方式确定通过所述电抗(C2)的电流的过零点，测量通过所述灯(R_lamp)的电流，并且在一个时间点上检测并且随后保持所测量的灯电流，该时间点通过所确定的过零点来确定并且在该时间点上所述灯电流基本上相当于通过所述灯(R_lamp)的有效电流的幅度。
10.一种照明系统，具有按权利要求1-8之一所述的驱动电路和由该驱动电路供电的灯(R_lamp)、特别是放电灯。
全文摘要
本发明涉及用于驱动灯(R_lamp)的电路和方法。在此情况下，借助用于检测灯电压的电抗(C2)、用于确定通过电抗(C2)的电流的过零点的零点检测装置(R10、OP－Komp.)、电流测量装置(R22、D10、D11)以及最后借助由零点检测装置(R10、OP－Komp.)所触发的跟踪与保持电路(U3、C10)以这种方式来测量灯电流，使得寄生电容(C_kap)的影响保持被排除。
文档编号H05B41/28GK1770948SQ20051012834
公开日2006年5月10日 申请日期2005年10月21日 优先权日2004年10月21日
发明者A·米策 申请人:电灯专利信托有限公司