Извлечение мощности для вспомогательного устройства из сигнала, подаваемого на светильник от фазового светорегулятора - RU2292677C2
Код документа: RU2292677C2
Чертежи
Описание
Изобретение относится к обеспечению электропитания вспомогательных устройств светильника и, в частности, касается извлечения мощности постоянного тока из сигнала питания лампы, подаваемого фазовым светорегулятором.
Описание известного уровня техники
Светильники для театральных и архитектурных применений обеспечиваются питанием с использованием фазовых светорегуляторов (диммеров), чтобы лампы светильников могли выключаться постепенно или могли работать с регулируемым по выбору уровнем яркости. Фазовые светорегуляторы, используемые для этой цели, хорошо известны, обычно они содержат твердотельные ключи, такие как тиристоры, включаемые между источником питания переменного тока и ламповой нагрузкой. Переменное напряжение источника является синусоидальным. Схема фазового управления отпирает твердотельный ключ, делая его проводящим, в некоторой точке, находящейся в пределах полупериода синусоиды. Эта точка выбирается так, чтобы подавать на лампу импульс питания желаемой мощности, необходимой для получения желаемого уровня яркости.
Хотя светильник может иметь отдельный внутренний светорегулятор, типичный подходом в системах с многочисленными светильниками является установка централизованных светорегуляторов, подающих мощность питания через систему кабелей, проложенных к рассредоточенным светильникам. Как правило, централизованные светорегуляторы более предпочтительны, так как в этом случае многочисленные светильники могут получать питание от единого светорегулятора, ими можно совместно управлять и осуществлять эффективное распределение мощности.
Системы, содержащие светильники и фазовые светорегуляторы, широко распространены и успешно используются для управления уровнями освещенности во многих областях. Эффекты регулирования освещенности, обеспечиваемые такими светильниками, все чаще требуется дополнять другими регулируемыми параметрами, которые обеспечиваются вспомогательными устройствами и автоматикой. Например, к светильнику, питаемому от светорегулятора, может быть желательно добавить механизированные устройства, такие как кассеты для дистанционной смены светофильтров (скроллеры) или вращающиеся диски со светофильтрами либо трафаретами (гобо) или аналогичные им устройства. Может быть желательным перемещать светильник двигателями, встроенными в его монтажные опоры, чтобы луч света от светильника мог быть нацелен путем его горизонтального и вертикального перемещения. Светильник может быть снабжен другими вспомогательными механизмами, такими как линза с переменным фокусным расстоянием, ирисовая диафрагма или обтюратор.
Такие вспомогательные устройства требуют мощности питания для своей работы. Двигатели, используемые для автоматики и вспомогательных устройств, обычно приводятся в действие постоянным током при низком напряжении. Мощность, подаваемая светорегуляторами для питания ламп, подается в виде последовательности импульсов питания ламп с частотой, зависящей от частоты сети переменного тока. Импульсы могут следовать с частотой сети, или с кратной ей частотой, в зависимости от конструкции светорегулятора. Двигатели, обычно используемые для вспомогательных устройств, не могут питаться непосредственно импульсами, подаваемыми светорегулятором на лампы светильника. Поэтому в известных централизованных системах управления светом для подачи мощности постоянного тока с целью приведения в действие вспомогательных устройств используются вспомогательные силовые кабели. В системе такого типа светильник подключается к одной кабельной системе, обеспечивающей питание лампы от светорегулятора, и к другой независимой кабельной системе, обеспечивающей подачу вспомогательной мощности. Такая система является дорогой и сложной, особенно ввиду того факта, что в отдельной установке может использоваться большое число светильников.
С другим недостатком использования независимой проводки для питания вспомогательных устройств сталкиваются при переоборудовании существующих систем управления светом, в которых светильники и система силовых кабелей для них были смонтированы ранее. Если к ранее установленной системе желательно добавить снабжаемые питанием вспомогательные устройства, то добавление новой дополнительной кабельной системы для питания вспомогательных устройств может быть дорогостоящим и трудным процессом.
Чтобы преодолеть проблемы, возникающие из-за потребности в отдельных кабельных системах для питания ламп и вспомогательных устройств, было бы желательно извлекать мощность для питания вспомогательных устройств из мощности питания ламп, подаваемой на светильник фазовым светорегулятором.
Одна потенциальная трудность при таком извлечении мощности для питания вспомогательных устройств состоит в том, что вспомогательные устройства, используемые вместе со светильниками, имеют переменную потребляемую мощность. Например, двигатель, перемещающий светильник для наведения светового луча, может потреблять мало мощности или не потреблять ее вообще, когда светильник неподвижен, но будет потреблять повышенную мощность, когда светильник перемещается. Точно так же, при эксплуатации других типов вспомогательных устройств светильника, требующих питания, потребляемая мощность может изменяться со временем. Если вспомогательная мощность, извлекаемая из мощности, подаваемой светорегулятором для питания лампы, изменяется, то яркость света, испускаемого лампой светильника, также может изменяться. Изменения света из-за питания вспомогательных устройств являются отвлекающими, раздражающими и нежелательными.
Другая потенциальная трудность состоит в том, что мощность для питания вспомогательных устройств, извлекаемая из мощности питания лампы, поступающей от светорегулятора, должна быть достаточной, чтобы приводить в действие вспомогательное устройство, даже когда лампа выключена. Но если вспомогательное устройство и лампа снабжаются питанием одновременно, то уровень мощности, необходимый для работы вспомогательного устройства, может быть настолько большим, что лампа будет получать питание, достаточное для ее свечения. Это нежелательно, потому что лампа должна иметь возможность выключаться или переходить в состояние предварительного подогрева нити, и даже в этом режиме мощность для питания вспомогательных устройств должна оставаться доступной.
Другим требованием является обеспечение возможности питания лампы для ее работы на полную яркость. Если мощность для питания вспомогательных устройств извлекается из мощности питания лампы, то это должно быть достигнуто так, чтобы не уменьшить мощность питания лампы в состоянии ее полного включения.
Сущность изобретения
Главной целью настоящего изобретения является извлечение мощности для питания вспомогательных устройств светильника из мощности питания лампы, подаваемой фазовым светорегулятором, без использования вспомогательных силовых кабелей постоянного тока и без ухудшения работы лампы. Другими целями является создание способа и системы для извлечения мощности для питания вспомогательных устройств в широком диапазоне нагрузок, создаваемых вспомогательными устройствами, при сохранении способности использовать лампу с выбранными уровнями яркости, от выключенного состояния до уровня полной мощности; создание способа и системы для извлечения мощности для питания вспомогательных устройств, позволяющей лампе работать в выключенном состоянии или режиме предварительного подогрева; и создание способа и системы для извлечения мощности для питания вспомогательных устройств, позволяющей лампе работать с полной яркостью.
Коротко, в соответствии с изобретением предлагается система электропитания для светильника, имеющего лампу и вспомогательное устройство, требующее электропитания и имеющее переменную потребляемую мощность. Система электропитания содержит фазовый светорегулятор с твердотельным ключом, снабжающий лампу импульсами питания и имеющий выход. Блок питания вспомогательного устройства включен между выходом светорегулятора и питаемым вспомогательным устройством. Ответвление схемы питания лампы включено между выходом светорегулятора и лампой, чтобы передавать мощность импульсов питания на лампу.
Также в соответствии с изобретением предлагается способ извлечения мощности для работы вспомогательного устройства светильника из импульсов питания лампы, подаваемых на светильник фазовым светорегулятором. Способ включает подачу выходного импульса от фазового светорегулятора на вход схемы питания вспомогательного устройства. Выходная мощность от схемы питания вспомогательного устройства подается на вспомогательное устройство светильника, имеющее переменную потребляемую мощность. Выходные импульсы от фазового светорегулятора подаются на вход контроллера лампы. Выходная мощность от контроллера лампы подается на лампу светильника. Передача выходных импульсов от фазового светорегулятора на лампу регулируется контроллером лампы.
Перечень чертежей
Настоящее изобретение вместе с вышеупомянутыми и другими целями и преимуществами может быть лучше понято из нижеследующего подробного описания предпочтительных форм его осуществления, поясняемых чертежами, на которых:
На фиг.1 показана блок-схема системы электропитания светильника, сконструированного в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 представляет собой принципиальную схему блока электропитания вспомогательного устройства в системе электропитания, показанной на фиг.1.
На фиг.3 показана принципиальная схема контроллера лампы в системе электропитания, показанной на фиг.1.
Фиг.4А и 4В представляют формы напряжения на выходе фазового светорегулятора и на входе контроллера лампы в режиме предварительного подогрева лампы при низкой и высокой вспомогательной нагрузке, соответственно.
Фиг.5А и 5В представляют формы напряжения на выходе фазового светорегулятора и на входе контроллера лампы в режиме умеренной яркости лампы при низкой и высокой вспомогательной нагрузке, соответственно.
Фиг.6А и 6В представляют формы напряжения на выходе фазового светорегулятора и на входе контроллера лампы в режиме высокой яркости лампы при низкой и высокой вспомогательной нагрузке, соответственно.
Фиг.7А и 7В представляют формы напряжения на выходе фазового светорегулятора и на входе контроллера лампы в режиме полной яркости лампы при низкой и высокой вспомогательной нагрузке, соответственно.
На фиг.8 показана блок-схема другой формы выполнения системы электропитания светильника в соответствии с настоящим изобретением, с использованием широтно-импульсной модуляции.
Фиг.9 представляет график, иллюстрирующий рабочую характеристику преобразователя "напряжение - коэффициент заполнения" в системе электропитания, показанной на фиг.8.
На фиг.10 показана упрощенная принципиальная схема вольтодобавочного преобразователя, который может использоваться в системах электропитания, показанных на фиг.8 или 11.
На фиг.11 показана блок-схема другой формы осуществления системы электропитания светильника, построенной на основе микропроцессора в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.12 показана блок-схема алгоритма программы управления мощностью лампы, выполняемой системой электропитания светильника, показанной на фиг.11.
Подробное описание предпочтительных форм осуществления изобретения
Обратимся теперь к чертежам, сначала к фиг.1, где схематично показана блок-схема системы электропитания, в целом обозначенной позицией 20 и построенной в соответствии с принципами настоящего изобретения. Система 20 электропитания подает мощность для питания ламп и вспомогательных устройств на светильник 22. Светильник 22 имеет одну или несколько ламп, образующих в целом ламповую нагрузку 24. В типичном случае светильник имеет лампу накаливания с одной или несколькими резистивными нитями накала. Светильник 22 имеет также одно или несколько питаемых электроэнергией вспомогательных устройств, образующих в целом вспомогательную нагрузку 26. Вспомогательная нагрузка может создаваться любыми вспомогательными устройствами, такими как электродвигатели горизонтального или вертикального перемещения луча, диски светофильтров или кассеты с дистанционно управляемым светофильтрами либо колеса с трафаретами с приводом от электродвигателей, или требующие электропитания линзы с изменяемым фокусным расстоянием, ирисовые диафрагмы и/или устройства с обтюраторами или другие устройства. Вспомогательная нагрузка изменяется в зависимости от потребляемой вспомогательными устройствами мощности.
Система 20 электропитания включает фазовый светорегулятор, в целом обозначенный позицией 28. В общем случае светорегулятор 28 может быть светорегулятором обычного типа, содержащим пару твердотельных ключей 30 и 32. Как видно на фиг.1, ключами 30 и 32 могут быть триодные тиристоры. Схема 34 фазового управления отпирает тиристоры 30 и 32, делая их проводящими, в выбранной точке каждого полупериода входного сигнала переменного тока, подаваемого от стандартного источника 36 электроэнергии. Тиристоры становятся непроводящими в конце каждого полупериода. Точка отпирания выбирается так, чтобы подать в ламповую нагрузку 24 мощность, соответствующую желаемой яркости лампы.
В результате переключения тиристоров 30 и 32, светорегулятор 28 подает на пару своих выходных клемм 38 и 40 последовательность импульсов питания лампы. Частота импульсов питания лампы определяется частотой источника 36 переменного тока. В обычном светорегуляторе, показанном на фиг.1, импульсы чередующейся полярности подаются с двойной частотой сети. В других известных устройствах импульсы могут подаваться поочередно на множество ламп с частотой сети или с другой частотой, связанной с частотой сети. Длительность импульса, заданная точкой отпирания, устанавливаемой схемой 34 фазового управления, задает величину уменьшения яркости и, таким образом, определяет яркость свечения ламповой нагрузки 24. Катушка индуктивности 42 обычно включается в тракт передачи импульсов питания лампы, чтобы уменьшить резкие изменения тока и ограничить возникающие в результате этого вибрации и шум нитей ламп.
В соответствии с одной из особенностей изобретения мощность для вспомогательной нагрузки 26 извлекается из импульсов питания лампы, подаваемых светорегулятором 28. Система 20 электропитания содержит вспомогательный блок 44 питания (блок питания вспомогательной нагрузки), включенный между светорегулятором 28 и вспомогательной нагрузкой 26. Вспомогательный блок 44 питания извлекает вспомогательную мощность из выходного сигнала светорегулятора и подает ее на вспомогательную нагрузку 26. Система 20 электропитания содержит также ответвление 46 схемы питания лампы, включенное между светорегулятором 28 и ламповой нагрузкой 24 для подачи мощности от светорегулятора 28 на ламповую нагрузку 24. В результате как ламповая нагрузка 24, так и вспомогательная нагрузка 26 питаются от светорегулятора 28. Поскольку вспомогательная нагрузка питается от светорегулятора 28, для подачи мощности на ламповую и на вспомогательную нагрузки 24 и 26 необходим только один кабель 50.
В соответствии с другой особенностью изобретения ответвление схемы питания лампы содержит контроллер 48 лампы, который избирательно преобразует импульсы питания лампы, приходящие от светорегулятора 28, и передает мощность в ламповую нагрузку 24. Контроллер 48 лампы имеет регулируемую характеристику передачи импульсов. Регулируемая характеристика передачи импульсов позволяет контроллеру 48 лампы поддерживать постоянную кажущуюся яркость лампы, независимо от изменений мощности, потребляемой вспомогательной нагрузкой, позволяет ламповой нагрузке работать с полной яркостью и делает возможным питание вспомогательных устройств в режиме выключения лампы или в режиме ее предварительного подогрева.
Чтобы реализовать все преимущества настоящего изобретения, вспомогательный блок 44 питания и контроллер 48 лампы в предпочтительном случае располагаются в светильнике 22 или около него и соединяются с выходными клеммами 38 и 40 светорегулятора кабелем 50. Как показано на фиг.1, вспомогательный блок 44 питания и контроллер 48 лампы включены в состав светильника 22.
Вспомогательный блок 44 питания изображен на фиг.2. Показанный на схеме блок 44 питания представляет собой импульсный блок питания постоянного тока с широким диапазоном входного сигнала, формирующий положительное и отрицательное постоянное напряжение питания на выходных клеммах 52 и 54, соответственно, "плавающее" относительно клеммы 56 заземления шасси/земли. Этот блок питания является одним из примеров вольтодобавочного преобразователя, может использоваться и другая форма его выполнения. Блок 44 питания используется для питания вспомогательных устройств светильника, приводимых в действие двигателем постоянного тока. В рамках настоящего изобретения возможны и другие виды вспомогательных нагрузок и источников питания.
Импульсы питания лампы с выходных клемм 38 и 40 светорегулятора подаются через кабель 50 и поступают на входные клеммы 58 и 60 блока питания. Конденсаторы 62 и 64 обеспечивают фильтрацию пульсаций для подавления кондуктивных помех, поступающих с входа переменного тока. Диоды 66 и 68 вместе с конденсаторами 70 и 72 образуют удвоитель напряжения, обеспечивающий высокое постоянное напряжение для блока 44 питания.
Трансформатор 74 работает на высокой частоте, например, сто килогерц, под управлением твердотельного переключающего модуля 76, такого как модуль ТОР204, продаваемый под маркой "TOPSwitch" фирмой Power Integrations, Inc. Пара ограничительных диодов 78 и 80, включенных параллельно первичной высокочастотной обмотке трансформатора 74, подключена к стоку транзистора переключающего модуля 76 для защиты этого переключающего модуля 76 от выбросов напряжения из-за индуктивности трансформатора. Диод 82 является выпрямителем для обмотки подмагничивания трансформатора 74. Конденсаторы 84 и 86 являются шунтирующими конденсаторами.
Обратная связь обеспечивается оптроном 88, выход которого подключен к управляющему выводу переключающего модуля 76.
Конденсатор 90 обеспечивает шунтирование по высокой частоте. Конденсатор 92 и резистор 94 обеспечивают частотную компенсацию для стабилизации обратной связи. Конденсатор 90 и ответвление, включающее конденсатор 92 и резистор 94, подключены по схеме моста Томсона к точке 106, которая является выводом истока транзистора переключающего модуля 76. Цепь, содержащая резисторы 96 и 98, конденсатор 100 и диод 102, формирует опорное напряжение для питания оптрона 88. Резисторы 104 и 98 образуют делитель входного напряжения для цепи опорного напряжения.
Выходной сигнал с трансформатора 74 подается через диод 110 на П-образный фильтр нижних частот, содержащий конденсаторы 112 и 114 и катушку 116 индуктивности. Конденсаторы 118 и 120 сглаживают высокие частоты. Постоянное напряжение заряжает конденсаторы 112 и 114 для непрерывной подачи постоянного тока во время подачи импульсов питания лампы от светорегулятора 28 и в промежутках между этими импульсами. Мощность, отдаваемая вспомогательным блоком питания 44, изменяется в зависимости от изменяющейся потребляемой мощности вспомогательной нагрузки 26. Эта изменяющаяся мощность извлекается непосредственно и непрерывно из повторяющихся импульсов питания лампы.
Контроллер 48 лампы показан на фиг.3. Импульсы питания лампы поступают на входные клеммы 122 и 124 с выходных клемм 38 и 40 светорегулятора через кабель 50. Выпрямительный мост 126 выпрямляет импульсы питания лампы, так что импульсы одинаковой полярности интегрируются одинаковым образом схемой интегратора 128, содержащей резисторы 130 и 132 и конденсатор 134. Интегрируемый сигнал накапливается в конденсаторе 134. Когда накапливаемый интегрируемый сигнал достигает порогового значения, переключающая схема 135 начинает передачу импульсов в ламповую нагрузку 24. Когда пороговое значение достигнуто, стабилитрон 136 становится проводящим, чтобы через делитель напряжения, содержащий резисторы 140 и 142, включить нормально разомкнутый двунаправленный тиристорный оптрон (оптотриак) 138.
Когда тиристорный оптрон 138 проводит ток, пусковые схемы, содержащие резисторы 144, 146 и 148, отпирают включенную противонаправленно пару тиристоров 150 и 152, делая их проводящими, чтобы подавать выбираемые и регулируемые части импульсов питания лампы с выходных клемм светорегулятора 38 и 40 на ламповую нагрузку 24. Тиристоры 150 и 152 имеют противоположную полярность и функционируют как двунаправленное твердотельное переключающее устройство. Шунтирующий балластный резистор 154, включенный параллельно входным клеммам 122 и 124 контроллера 48 лампы, обеспечивает минимальную резистивную нагрузку для светорегулятора 28, когда тиристоры 150 и 152 заперты. Шунтирующий резистор 154 шунтируется тиристорами 150 и 152, когда они проводят ток.
Интегратор 128 и переключающая схема 135 функционируют так, чтобы обеспечивать регулируемую характеристику передачи импульсов. Контроллер 48 лампы не просто передает импульсы питания лампы от светорегулятора 28 на ламповую нагрузку 24, а изменяет части импульсов, которые передаются, и таким образом делает возможным извлечение вспомогательной мощности без ухудшения работы лампы. Эффект такой работы может быть рассмотрен на примере сигналов, показанных на фиг.4А и В, 5А и В, 6А и В и 7А и В. Эти изображения несколько идеализированы, высокие частоты в них в большей степени удалены, чтобы показать основные формы сигналов на общем входе контроллера 48 лампы и вспомогательного блока 44 питания. На этих графиках горизонтальная ось Х представляет время, а вертикальная ось Y - напряжение.
Система 20 электропитания может работать в режиме выключения лампы или предварительного подогрева нити, продолжая при этом подавать достаточную мощность для вспомогательных устройств светильника. Этот режим поясняется на фиг.4А и 4В. На фиг.4А изображена временная диаграмма напряжения импульса питания лампы на выходе светорегулятора 28 и на входе контроллера 48 лампы. Этот импульс является одним из последовательности импульсов, подаваемых от светорегулятора 28. В показанной схеме импульсы питания лампы подаются с двойной частотой сети переменного тока с чередующейся противоположной полярностью, однако могут использоваться и другие формы последовательности импульсов.
На фиг.4А показана работа системы, когда ламповая нагрузка находится в режиме предварительного подогрева, а потребление мощности вспомогательной нагрузкой 26 находится на низком уровне. Во время первой части импульса питания лампы, с момента Т1 до момента Т2, вспомогательный блок питания извлекает относительно малую вспомогательную мощность, достаточную для выработки и поддержания накопленного постоянного напряжения при подготовке к увеличенной потребности во вспомогательной мощности. В течение этого периода, переключающая схема 135 контроллера 48 лампы не проводит ток, или разомкнута, в то время как величина интегрируемого сигнала, накопленного в конденсаторах 112 и 114 в контроллере 48 лампы, сохраняется или возрастает.
В момент Т2 в интеграторе 128 достигается пороговое значение включения, и переключающая схема 135 отпирается и становится проводящей, или замкнутой. Уменьшение импеданса вызывает спад напряжения сигнала в момент Т2. В течение остальной части импульса, до момента Т3, вспомогательный блок 44 питания продолжает работать, при этом переключающая схема 135 остается замкнутой и мощность подается на ламповую нагрузку 24. Этой мощности достаточно для поддержания нити лампы в подогретом состоянии, но недостаточно, чтобы лампа излучала видимый свет. В конце импульса питания лампы, в момент Т3, контроллер 48 лампы возвращается в свое начальное состояние. Характеристика передачи импульсов контроллера 48 лампы в этом режиме работы является такой, что только малая часть полного импульса передается на ламповую нагрузку.
Фиг.4В иллюстрирует работу с лампой в состоянии предварительного подогрева и с увеличенным потреблением вспомогательной мощности. Между началом импульса в момент Т4 и моментом Т5 значение запуска в интеграторе 128 не достигается, переключающая схема 135 разомкнута, и схема вспомогательного блока 44 питания извлекает мощность для питания вспомогательных устройств. В момент Т5 в интеграторе 128 достигается значение запуска и переключающая схема 135 замыкается. Значение напряжения сигнала понижается в момент Т5 из-за уменьшения импеданса. В течение остающейся части импульса, с момента Т5 до момента Т6 на фиг.4В, вспомогательный блок 44 питания продолжает извлекать вспомогательную мощность, в то время как мощность питания ламп также подается через контроллер 48 лампы на ламповую нагрузку 24.
Катушка 42 индуктивности в светорегуляторе 28 препятствует изменениям величины электрического тока и оказывает большее влияние при более высоких величинах электрического тока. Из-за этого влияния время, требуемое интегратору 128, чтобы запустить переключающую схему 135, больше при большей мощности, потребляемой вспомогательной нагрузкой (фиг.4В), чем при меньшей мощности, потребляемой вспомогательной нагрузкой (фиг.4А). Однако, как и при работе с низким потреблением вспомогательной мощности, показанной на фиг.4А, характеристика передачи импульсов является такой, что мощность, отдаваемая в ламповую нагрузку, достаточна только для того, чтобы поддерживать нить лампы в подогретом состоянии, и недостаточна, чтобы лампа излучала видимый свет.
Если желательно, рабочая характеристика интегратора 128 и длительность импульсов, подаваемых светорегулятором 28, могут быть выбраны так, чтобы обеспечивать состояние полного выключения ламповой нагрузки. В этом случае вместо того, чтобы во время импульса с задержкой включать переключающую схему 135 в момент Т2, переключающая схема может удерживаться разомкнутой в течение всего импульса. Режим предварительного подогрева предпочтительнее режима полного выключения, поскольку при его использовании поддерживается более постоянное сопротивление нити и предотвращается возникновение в ней напряжений.
Фиг.5А и 5В иллюстрируют соответственно низкое и высокое потребление мощности вспомогательной нагрузкой в режиме низкого или умеренного уровня яркости ламповой нагрузки 24. Начало импульса питания лампы проходится на момент Т11 на фиг.5А, и с момента Т11 до момента Т12 вспомогательный блок 44 питания вырабатывает и сохраняет энергию постоянного тока, в то время как контроллер 48 лампы первоначально блокирует передачу импульса питания на ламповую нагрузку 24. В момент Т12 интегратором 128 достигается пороговое значение, и переключающая схема 135 замыкается. Тогда мощность подается на ламповую нагрузку 24 с момента Т12 до окончания импульса питания лампы в момент Т13. Имеется кратковременный спад напряжения в момент Т12 из-за уменьшения импеданса. Характеристика передачи импульсов является такой, что к ламповой нагрузке 24 прикладывается выбранная часть полного импульса питания лампы, чтобы поддерживать желаемый умеренный уровень яркости света.
Фиг.5В иллюстрирует работу системы электропитания при умеренном уровне света и при высокой, а не низкой, мощности, потребляемой вспомогательной нагрузкой. С начала импульса питания лампы в момент Т14 до момента Т15, когда интегратор 128 заряжается и переключающая схема 135 разомкнута, вспомогательный блок 44 питания работает, и энергия постоянного тока вырабатывается и накапливается. В момент Т15 интегратор 128 запускает переключающую схему 135, и мощность подается на ламповую нагрузку 24 с момента Т15 до окончания импульса питания лампы в момент Т16. Имеется кратковременный спад напряжения в момент Т15 из-за уменьшения импеданса. Из-за влияния катушки индуктивности 42 время, требуемое интегратору 128, чтобы достигнуть порогового уровня, является немного меньшим при низком уровне вспомогательной мощности (фиг.5А), чем при более высоком уровне вспомогательной мощности (фиг.5В). Характеристика передачи импульсов является такой, что выбранная часть полного импульса питания лампы прикладывается к ламповой нагрузке 24, чтобы поддерживать одинаковый желаемый умеренный уровень яркости света. Вспомогательный блок 44 питания продолжает работать с момента Т11 до момента Т12.
Контроллер 48 лампы поддерживает постоянную кажущуюся яркость лампы независимо от изменений мощности, потребляемой вспомогательной нагрузкой. В результате прерывистая работа питаемых вспомогательных устройств не ухудшает работу лампы. Если сравнить передаваемые части импульсов на фиг.5А и 5В, то форма импульса на фиг.5А между моментами Т12 и Т13 имеет пик, скруглена и несколько синусоидальна. Напротив, на фиг.5В форма импульса между моментами Т15 и Т16 имеет меньший пик, и по форме более квадратная в своей начальной части. Формы двух частей импульса отличаются друг от друга, прежде всего, из-за влияния катушки индуктивности 42, реагирующей на различные токовые режимы. Однако, несмотря на различия в форме, мощность, подаваемая на ламповую нагрузку 24, относительно постоянна в случаях низкой и высокой вспомогательной мощности, потому что площади под кривыми, или эффективные значения частей импульса, в общем одинаковы. Передаваемая мощность в режимах низкой и высокой вспомогательной мощности достаточно постоянна, чтобы никакого различия в яркости не обнаруживалось или не было видно наблюдателю.
Фиг.6А и 6В иллюстрируют работу при более высоком, но не максимальном, уровне яркости лампы и при низком и высоком уровне вспомогательной мощности, соответственно. От начала импульса питания лампы в момент Т21 на фиг.6А до момента Т22 интегратор 128 заряжается, переключающая схема 135 выключена, а вспомогательный блок 44 питания вырабатывает и накапливает энергию постоянного тока. В момент Т22 интегратор 128 включает переключающую схему 135 и с момента Т22 до окончания импульса в момент Т23 на ламповую нагрузку 24 подается питание.
Аналогично, как показано на фиг.6В, при увеличенной вспомогательной нагрузке от начала импульса питания лампы в момент Т24 до момента Т25 интегратор 128 заряжается, переключающая схема 135 выключена, а вспомогательный блок 44 питания вырабатывает и накапливает энергию постоянного тока. В момент Т25 интегратор 128 включает переключающую схему 135 и с этого момента Т25 до окончания импульса в момент Т26 мощность подается на ламповую нагрузку 24.
Формы сигналов на фиг.6А и 6В весьма похожи друг на друга. Влияние катушки 42 индуктивности светорегулятора 28 является меньшим, чем при более низких уровнях яркости (фиг.4А и 4В и фиг.5А и 5В). Кроме того, уровень усредненной непрерывной мощности импульсов питания лампы, поступающих от светорегулятора 28, здесь выше, и интегратор 128 полностью не разряжается между импульсами. Это уменьшает время в начале каждого импульса, необходимое для зарядки интегратора и запуска переключающей схемы 135. В результате и при низком, и при высоком уровне вспомогательной мощности характеристика передачи импульсов является такой, что передача импульса лишь немного задерживается после начала импульса и передается почти весь импульс. Между низким и высоким уровнями потребления вспомогательной мощности нет никакого видимого различия в яркости лампы.
Фиг.7А и 7В иллюстрируют работу системы 20 электропитания при полном уровне яркости лампы и при низком и высоком уровне вспомогательной мощности, соответственно. При низком уровне вспомогательной мощности (фиг.7А) импульс начинается в момент Т31 и заканчивается в момент Т32. При высоком уровне вспомогательной мощности (фиг.7В) импульс начинается в момент ТЗЗ и заканчивается в момент Т34. Формы сигнала на фиг.7А и 7В по существу идентичны. На протяжении всего импульса и в том, и в другом случае вспомогательный блок 44 питания вырабатывает и хранит вспомогательную энергию постоянного тока. Уровень усредненной непрерывной мощности импульсов питания лампы, подаваемых от светорегулятора 28, является относительно высоким и достаточным, чтобы поддерживать интегратор 128 полностью или фактически полностью заряженным. В результате весь, или по существу весь, импульс питания лампы проходит через контроллер 48 лампы на ламповую нагрузку 24. Характеристика передачи импульсов при полной ламповой нагрузке является такой, чтобы передавать по существу полный импульс питания лампы и не уменьшать яркость лампы. Извлечение из импульсов питания лампы вспомогательной мощности вспомогательным блоком 44 питания при любом уровне вспомогательной мощности не оказывает никакого различимого влияния на кажущуюся полную яркость лампы.
Изменение характеристики передачи импульсов контроллера 28 лампы видно из сравнения кривых на фиг.4А, 4А, 6А и 7А и на фиг.4В, 5В, 6В и 7В. В общем, контроллер лампы получает импульсы питания лампы от светорегулятора 28 и блокирует (т.е. не пропускает) регулируемые выбранные части импульсов питания лампы, чтобы регулированием их величины уменьшить мощность, подаваемую на ламповую нагрузку 24. Уменьшение является наибольшим при низких уровнях питания лампы (фиг.4А и 4В) и сокращается, когда уровень питания лампы возрастает (фиг.5А, 5В, 6А и 6В). При высоких уровнях питания лампы уменьшение импульсов питания лампы сокращается фактически до нуля и импульсы питания лампы передаются на ламповую нагрузку 24 по существу в неуменьшенном состоянии (фиг.7А и 7В).
Работа и/или управление, осуществляемое светорегулятором 28, предпочтительно подстраивается так, чтобы компенсировать характеристику передачи импульсов контроллера 48 лампы. По сравнению с обычным светильником, не имеющим никакой вспомогательный нагрузки 26 и никакого вспомогательного блока 44 питания, светорегулятор 28 должен подавать импульсы питания лампы большей величины при низких и промежуточных уровнях мощности питания лампы, чтобы получить ту же самую яркость лампы.
Система 160 электропитания в соответствии с другой формой осуществления настоящего изобретения показана на фиг.8-10, где элементы, совпадающие с элементами, показанными на фиг.1-7, обозначены теми же самыми номерами позиций. Светорегулятор 28 соединен со светильником 22А кабелем 50. Вспомогательную нагрузку 26 снабжает мощностью питания вспомогательный блок 44 питания. Система 160 электропитания и вспомогательный блок 44 питания могут быть включены в состав светильника 22А или могут располагаться вблизи него.
Система 160 электропитания использует метод широтно-импульсной модуляции (ШИМ), чтобы преобразовывать импульсы питания лампы, поступающие от светорегулятора 28, и передавать мощность на ламповую нагрузку 24 с регулируемой характеристикой передачи импульсов. ШИМ контроллер 162 лампы получает импульсы питания лампы выбранной длительности от светорегулятора 28, избирательно преобразует эти импульсы и подает мощность на ламповую нагрузку 24. Регулируемая характеристика передачи импульсов контроллера 162 лампы позволяет контроллеру 162 лампы поддерживать постоянной кажущуюся яркость лампы, независимо от изменений мощности, потребляемой вспомогательной нагрузкой 26, а также позволяет ламповой нагрузке работать с полной яркостью и позволяет обеспечивать питание вспомогательных устройств в режиме выключения или предварительного подогрева лампы.
Выпрямитель 164 выпрямляет импульсы питания лампы чередующейся полярности, поступающие от светорегулятора 28, и прикладывает импульсы одной полярности к интегратору 166. Интегратор 166 формирует постоянное напряжение, пропорциональное длительности импульсов питания лампы, подаваемых светорегулятором 28. Это напряжение прикладывается в качестве входного сигнала к преобразователю 168 "напряжение - коэффициент заполнения", на который от генератора 170 поступает управляющий сигнал с постоянной высокой частотой. Вольтодобавочный преобразователь 172 включен между преобразователем 168 "напряжение - коэффициент заполнения" и ламповой нагрузкой 24. Импульсы с широтно-импульсной модуляцией вырабатываются преобразователем 168 "напряжение - коэффициент заполнения", эти импульсы имеют коэффициент заполнения, определяемый постоянным напряжением, поступающим от интегратора 166. Импульсы с широтно-импульсной модуляцией управляют преобразователем 172 для регулируемого и частичного блокирования частей импульсов питания лампы, подаваемых светорегулятором 28, и для обеспечения таким образом регулируемой характеристики передачи импульсов.
Рабочая характеристика преобразователя 168 "напряжение - коэффициент заполнения" графически показана на фиг.9. При низких уровнях мощности питания лампы выпрямитель 164 и интегратор 166 подают относительно низкое напряжение V, как обозначено позицией 174 на фиг.9. Это состояние соответствует режиму предварительного подогрева ламповой нагрузки. Коэффициент заполнения преобразователя 168 "напряжение - коэффициент заполнения" находится на относительно низком уровне, и импульсы с широтно-импульсной модуляцией относительно короткой длительности подаются для управления преобразователем 172.
Когда длительность импульсов питания лампы, поступающих от светорегулятора 28, увеличивается, выпрямителем 164 и интегратором 166 формируется возрастающее напряжение V. Возрастающее напряжение обозначено позицией 176 на фиг.9. Когда напряжение V увеличивается, коэффициент заполнения преобразователя 168 "напряжение - коэффициент заполнения" увеличивается, и импульсы с широтно-импульсной модуляцией увеличивающейся длительности подаются для управления преобразователем 172. При приближении к полной яркости ламповой нагрузки 24 напряжение V, формируемое выпрямителем 164 и интегратором 166, достигает максимума 178. Коэффициент заполнения преобразователя 168 "напряжение - коэффициент заполнения" также достигает максимума.
На фиг.10 показан пример упрощенного вольтодобавочного преобразователя 172. Преобразователь 172 содержит ключ 180, который предпочтительно является быстродействующим твердотельным переключающим устройством, управляемым импульсами с широтно-импульсной модуляцией, прикладываемыми преобразователем 168 "напряжение - коэффициент заполнения". Когда импульс с широтно-импульсной модуляцией присутствует, ключ 180 замкнут, а когда импульс с широтно-импульсной модуляцией отсутствует, ключ 180 разомкнут. Когда длительность импульсов с широтно-импульсной модуляцией, подаваемых преобразователем 168 "напряжение - коэффициент заполнения", увеличивается, доля времени, когда ключ 180 замкнут, также увеличивается.
Выпрямленные импульсы питания лампы подаются от выпрямителя 164 на входные клеммы 182 и 184 преобразователя 172. Фильтрующая цепь, состоящая из катушки 186 индуктивности и конденсатора 188, подает постоянное напряжение питания лампы на конденсатор 188. Диод 190 обеспечивает непрерывное протекание тока, вызываемого уменьшением магнитного поля катушки 186 индуктивности после размыкания переключающего устройства 180.
Во время работы системы 160 электропитания, показанной на фиг.8-10, преобразователь 168 "напряжение - коэффициент заполнения" управляет вольтодобавочным преобразователем 172, чтобы избирательно и регулируемым образом блокировать части импульсов питания лампы, подаваемых светорегулятором 28. Операция регулируемого блокирования выполняется ключом 180 под управлением преобразователя 168 "напряжение - коэффициент заполнения", которым в свою очередь управляет напряжение, подаваемое интегратором 166 в соответствии с длительностью импульсов питания лампы.
При низких уровнях мощности питания, например в режиме предварительного подогрева ламповой нагрузки, ключ 180 разомкнут в течение относительно малой доли времени, так что блокируются относительно большие части импульсов питания лампы и вырабатывается относительно малое напряжение питания лампы. При возрастающих уровнях мощности питания лампы ключ 180 находится в замкнутом состоянии в течение возрастающих долей времени, так что блокируются меньшие части импульсов питания лампы и на ламповую нагрузку 24 подаются возрастающие напряжения. При высоких уровнях мощности питания лампы ключ 180 замкнут в течение максимальной доли времени, и к ламповой нагрузке 24 прикладывается максимальное напряжение. Если желательно, при максимальной яркости ключ 180 может быть замкнут постоянно.
В режиме предварительного подогрева лампы мощность, потребляемая ламповой нагрузкой, низка, и достаточная мощность доступна для работы вспомогательной нагрузки 26. Яркость лампы регулируется по существу независимо от переменной мощности, потребляемой вспомогательной нагрузкой 26. На максимальных уровнях мощности питания ламповой нагрузки при работе вспомогательной нагрузки 26 яркость лампы не уменьшается.
Система 200 электропитания светильника в соответствии с другой формой осуществления настоящего изобретения показана на фиг.11, где элементы, совпадающие с элементами, показанными на фиг.1-10, обозначены теми же самыми номерами позиций. Светорегулятор 28 подключен к светильнику 22В кабелем 50. Вспомогательная нагрузка 26 питается постоянным током от вспомогательного блока 44 питания. Система 200 электропитания и вспомогательный блок 44 питания могут быть включены в состав светильника 22А или могут быть расположены вблизи него.
Система 200 электропитания содержит микропроцессор 202 с центральным процессором 204 и памятью 206. Выпрямитель 164 получает импульсы питания лампы чередующейся полярности от светорегулятора 28 и подает импульсы одинаковой полярности на микропроцессор 202 и на входные клеммы 182 и 184 вольтодобавочного преобразователя 172.
Датчик 208 времени нахождения во включенном состоянии и датчик 210 действующего значения сформированы на базе микропроцессора 202 обычными средствами программирования. Датчик времени нахождения во включенном состоянии контролирует импульсы, подаваемые от выпрямителя 164, и определяет длительность каждого импульса. Это обеспечивает отсчет рабочего уровня яркости лампы, который определяется светорегулятором 28. Датчик действующего значения получает импульс, подаваемый от выпрямителя 164, и выполняет вычисление его среднеквадратичного значения, чтобы определить энергию, содержащуюся в каждом импульсе питания лампы.
Процессор 204 подает импульсы для управления работой преобразователя 172 описанным выше способом. Эти импульсы могут быть импульсами с широтно-импульсной модуляцией с регулируемой длительностью, или они могут иметь постоянную длительность и регулируемую частоту или число импульсов. Фактическая действующая мощность, определяемая датчиком 210 действующего значения, для заданной длительности импульса будет больше, когда мощность, потребляемая вспомогательной нагрузкой, мала или отсутствует, и меньшей, когда мощность, потребляемая вспомогательной нагрузкой, увеличивается. Эта разность используется для изменения подачи импульсов от процессора 204 на преобразователь 172, чтобы поддерживать яркость лампы постоянной несмотря на изменения мощности, потребляемой вспомогательной нагрузкой.
Фиг.12 представляет блок-схему алгоритма программы управления мощностью лампы, выполняемой микропроцессором 202 системы 200 электропитания и реализующей характеристику передачи импульсов для питания ламповой нагрузки 24. Программа вызывается процессором 204 для каждого импульса, получаемого от выпрямителя 164, и начинается с блока 212 начала. В блоке 214 датчик 208 времени нахождения во включенном состоянии определяет время нахождения во включенном состоянии, или длительность импульса питания лампы.
В блоке 216 программа использует найденное время нахождения во включенном состоянии для получения номинального среднеквадратического значения. Номинальное среднеквадратическое значение представляет собой среднеквадратическую мощность импульса с длительностью, определенной в блоке 214, в отсутствие какого-либо потребления мощности вспомогательной нагрузкой. В блоке 218 программа также использует найденное время нахождения во включенном состоянии, чтобы получить номинальное значение импульса широтно-импульсной модуляции. Номинальное значение импульса широтно-импульсной модуляции является величиной импульса, который, когда подается процессором 204 на преобразователь 172, обеспечивает желаемую яркость лампы в отсутствие какого-либо потребления мощности вспомогательной нагрузкой. Номинальные значения широтно-импульсной модуляции и номинальные среднеквадратические значения могут быть получены из одной или нескольких таблиц преобразования, находящихся в памяти 206, или могут быть рассчитаны с использование подходящего алгоритма, хранимого в памяти 206.
Значение широтно-импульсной модуляции зависит от регулируемого параметра, такого как длительность импульса или частота или число импульсов, который может изменяться для изменения характеристики передачи импульсов системы. Это достигается изменением доли импульсов питания лампы, поступающих от светорегулятора 28, которая блокируется в преобразователе 172. Номинальные значения широтно-импульсной модуляции для различных определенных значений времени нахождения во включенном состоянии выбираются так, чтобы достигнуть характеристики передачи импульсов, подобной характеристике передачи импульсов, обеспечиваемой системами электропитания 20 и 180. При низких уровнях мощности питания лампы доля импульсов питания лампы и мощность, передаваемая ламповой нагрузке 24, является относительно низкой, так что мощность доступна для вспомогательной нагрузки 26, в то время как на ламповую нагрузку 24 подается малая мощность или мощность не подается. При увеличивающихся уровнях мощности питания лампы доля импульсов питания лампы, блокируемых в преобразователе 172, уменьшается, и уровень мощности, передаваемой ламповой нагрузке, увеличивается. При полном питании лампы происходит минимальная блокировка импульсов питания лампы или блокировка не выполняется, и передается максимальная мощность питания лампы, так что ламповая нагрузка 24 работает с полной яркостью.
Импульсы питания, подаваемые светорегулятором 28, обеспечивают заданную яркость лампы в отсутствие потребления мощности вспомогательной нагрузкой 26. Если же вспомогательная нагрузка отбирает мощность от импульсов питания лампы, действующее значение мощности импульса может уменьшиться. Величина уменьшения может зависеть от величины вспомогательной нагрузки, мощности светорегулятора 28 и других факторов. Если импульсы питания лампы с уменьшенным действующим значением мощности передаются на ламповую нагрузку 24 без коррекции, то получающаяся в результате яркость лампы может быть меньше, чем заданная желаемая яркость лампы.
Блок питания 200 устраняет эту проблему. В блоке 220 алгоритма датчик 210 определяет фактическое действующее (среднеквадратическое) значение мощности импульсов питания лампы. Это значение может быть рассчитано путем определения огибающей напряжения импульса и вычисления среднеквадратического значения.
В блоке 222 алгоритма фактическое действующее значение, определенное в блоке 220, сравнивается с номинальным действующим значением, полученным в блоке 216. Их разность, ΔRMS, вычисляется и передается в блок 224, где она используется, чтобы регулировать номинальное значение широтно-импульсной модуляции. Если определенное действующее значение равно номинальному действующему значению, то тогда разность ΔRMS равна нулю. В этом случае процессор подает на преобразователь 172 импульсы с номинальной широтно-импульсной модуляцией и получается заданная желаемая яркость лампы.
Если определенное действующее значение отличается от номинального значения, разность ΔRMS отлична от нуля. В этом случае процессор 204 выполняет подстройку значения широтно-импульсной модуляции до номинального значения для коррекции этой разности. Если потребление мощности вспомогательной нагрузкой уменьшает действующее значение мощности импульсов питания лампы, то процессор 204 изменяет номинальное значение широтно-импульсной модуляции, чтобы уменьшить долю импульсов питания лампы, которая блокируется в преобразователе 172, и увеличивает мощность, передаваемую на ламповую нагрузку 24. В зависимости от формы осуществления изобретения это изменение может быть выполнено путем изменения длительности импульса или числа импульсов или частоты или аналогичными мерами. Процессор может получить коэффициент коррекции путем вычисления или из справочной таблицы, хранящейся в памяти 206. Программа завершается в блоке 226 окончания.
Хотя настоящее изобретение было описано со ссылкой на детали вариантов его осуществления, показанных на чертежах, эти детали не предназначены для ограничения объема изобретения, который определяется формулой изобретения.
Реферат
Использование: для обеспечения питания вспомогательных устройств светильника. Технический результат заключается в обеспечении питания вспомогательных устройств без использования вспомогательных силовых кабелей и без ухудшения работы лампы. Мощность для одного или нескольких вспомогательных устройств (26) светильника извлекается из последовательности импульсов питания лампы, подаваемых фазовым светорегулятором (28). Блок (44) питания постоянного тока подключен к выходу (38, 40) светорегулятора (28), чтобы вырабатывать и хранить энергию постоянного тока для питания вспомогательных устройств. Контроллер (48) лампы подключен к выходу (38, 40) светорегулятора (28), чтобы передавать мощность импульсов питания на лампу (24). Контроллер (48) лампы имеет регулируемую характеристику передачи импульсов для питания лампы так, чтобы ее работа не ухудшалась из-за изменений мощности, потребляемой вспомогательными устройствами. Регулируемая характеристика передачи импульсов может быть обеспечена переключающим устройством (76), которое прерывает или блокирует выбранные части импульсов питания лампы. Регулируемая характеристика передачи импульсов поддерживает постоянную кажущуюся яркость лампы независимо от изменений потребления мощности вспомогательными устройствами. В выключенном состоянии или в режиме предварительного подогрева передача мощности лампе (24) уменьшается, чтобы предотвратить излучение видимого света. В режиме полной яркости импульсы питания лампы по существу не изменяются контроллером (48) лампы. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 16 ил.
