照明布置中控制熒光燈的設備與方法

專利名稱：照明布置中控制熒光燈的設備與方法
技術領域：
本發明涉及一種在照明布置中控制熒光燈的設備，該照明布置包含至少一個此類熒光燈。具體地，該熒光燈為用來照亮顯示器的冷陰極熒光管。
背景技術：
在例如用于計算機屏幕的液晶顯示器(LCD)中，熒光燈被用做背光(backlight)。在較廣范圍應用的其他類型的顯示器中，也會發現類似的背光，例如在機動車、照明廣告面板等等中。
冷陰極熒光管一般用于LCD屏幕的背光。其具有以下優點生成少量熱，并且可用壽命相對較長，效率高。另外，電極結構簡單，使之可能生產也可用于小液晶顯示器的非常小的冷陰極熒光管。
冷陰極熒光管包含管子，在該管子的第一端具有高壓端子，在該管子的第二端具有低壓端子。向高壓終端供應高頻AC電壓，典型的供給電壓具有近似50到100kHz的頻率以及近似500到1000V的電壓幅度。低壓端子一般接地。然而，也可能將這兩個冷陰極熒光管端子連接到相互偏移180°的AC電壓(非反相與反相)，其中虛地位于約管子中心處。這對特別長的管子尤其有利。
LCD的關鍵標準是其盡可能均勻地照亮整個顯示器表面。根據屏幕的尺寸，兩到16個或者更多個冷陰極熒光管用于背光。這些燈相互平行、垂直上下地排列，并且其光通過反射器以及漫射板在液晶板上分布。為了達到可能的最均勻的亮度分布，不僅需要各個燈以相同亮度發光，而且需要每個燈在自身中也必須沿其長度發射均勻亮度的光。由于制造公差造成的各個燈之間亮度的不一致分布可能會發生，并且可以通過在制造過程中選擇而被控制保持到特定程度。
經由被稱為背光反相器的反相器，向液晶顯示器中的冷陰極熒光管提供高頻AC電壓。反射器將燈發射的光引向散射板，散射板將該光導向液晶板，并且在其上分布該光。液晶板一般插在兩個極化板之間。整個結構保持在一框架內。冷陰極熒光管具有負增量電阻。在達到啟動電壓之前，具有僅非常低電流強度的電流流經燈。然后，電流強度迅速上升，并且同時電壓下降。為了補償冷陰極熒光管的負增量電阻，現有技術的管子經常與電容器串聯，目的是生成總體正增量電阻、以及穩定電路。該串聯電容器也被稱為“鎮流器”，并且被選擇來匹配每個熒光燈的電阻。由于制造公差，在照明布置中并聯連接的各種熒光燈具有不同的電阻，結果是熒光燈的有效燈電流有變化，由此造成了亮度的非均勻分布。在模擬(analogue)減光降低熒光燈亮度的情況下，強化了這個問題。
美國專利6670781涉及用于LCD的冷陰極熒光管的控制電路，并且處理以下問題尤其在是模擬減光的情況下，這些燈發出非均勻的亮度，并且閃爍。為了解決這個問題，美國專利6670781提出了一種使用預定數目的電流脈沖的新的熒光燈控制方法。
例如在美國專利6538373與6108215中，描述了其他熒光燈、尤其是用于液晶顯示器的冷陰極熒光管，以及相關控制設備。
日本專利申請JP2002352974A與相關專利摘要描述了在具有多個冷陰極熒光管的照明布置中控制這樣的冷陰極熒光管的設備，其中流經每個冷陰極熒光管的電流得到控制。通過整流器電路，測量流經管子的電流，并且輸入到微機中。微機生成PWM(Pulse-Width Modulation，脈寬調制)控制信號，作為測定管子電流的函數，以驅動晶體管，控制管子電流。冷陰極熒光管與由晶體管橋接的電阻器串聯。串聯電阻器生成了電路結構中另外的損失。

發明內容
本發明的目的在于提供一種具有多個熒光燈、尤其是冷陰極熒光管的照明布置，其在正常操作以及寬減光范圍兩者下都發出均勻亮度。
本發明提供了一種控制包含至少一個、優選為幾個熒光燈的照明布置中的此類熒光燈的設備。對于每個熒光燈，該控制設備包含電容分壓器，包含串聯到熒光燈的第一電容器以及第二電容器；開關，并聯到所述電容器之一；用來測量流經熒光燈的瞬時燈電流的部件；以及控制電路，用來根據瞬時燈電流，生成用于開關的輸入信號。所述開關橋接所述電容器之一，從而通過截止與導通該開關，可以改變跨越熒光燈的電壓，以調整熒光燈中的燈電流。優選地，在具有多個熒光燈的照明布置中，操作與各個熒光燈相關的開關，使得各個燈電流相同，并且熒光燈由此生成相同的亮度。因為使用了電容分壓器，所以當開關導通(open)時，通過電容器幾乎不產生損失或者產生可忽略的損失。與節能一起，低功率損失具有以下優點電容器自身可以由單個小部件以SMD技術實現。在另一方面，如果使用歐姆分壓器，則在電阻器上會產生可觀的損失，這使之必須在幾個電阻器上分割電壓負載。提供與熒光燈串聯的電容分壓器還具有以下優點第二電容器作為熒光管的另外的“鎮流器”，并且對熒光管特性曲線的穩定也有貢獻。如本領域公知的，如果電容分壓器的第一電容器對應于與熒光管串聯的電容器，則對于穩定熒光管特性曲線是有利的。
優選地，所述開關為半導體開關，具有為MOSFET或雙極晶體管。
優選地，根據本發明的設備的控制電路包含控制放大器，用來接收作為輸入信號的燈電流實際值、以及燈電流目標值，并且發出燈電流誤差信號。該誤差信號用來生成控制開關以調節燈電流的輸入信號。
在本發明特別優選的實施例中，所述控制電路還包含比較器電路，連接在所述控制放大器與開關之間，并且根據控制放大器的燈電流誤差信號與周期性斜坡信號，生成用于所述開關的輸入信號。優選地，所述周期性斜坡信號為脈沖生成器的輸出信號，如在現有技術中公知的。脈沖生成器用于控制熒光燈以對燈進行減光。其生成具有用來切換開關熒光燈供給電壓的脈沖頻率的斜坡信號。開關時間之間的比例確定了熒光燈的減光水平。
由此，本發明有利地利用了一般在現有技術熒光燈控制電路中可得的脈沖生成器的斜坡信號，以細致地調節燈電流。此處，比較器接收作為輸入信號的脈沖生成器的斜坡信號以及燈電流誤差信號，生成PWM信號作為用于開關的輸入信號。
雖然在現有技術熒光燈控制電路中，脈沖生成器用來對燈進行減光，從而在其最大值的0％與100％之間切換開關熒光燈的供給電壓，但是根據本發明，斜坡信號用來在例如供給電壓的10％或+/-5％的范圍上控制或調節燈電流，以確保并聯的幾個熒光燈承載相同的燈電流，并且由此生成相同的亮度。
在本發明的替換實施例中，控制電流不包含控制放大器，而只包含比較器電路，其接收作為輸入信號的燈電流實際值、以及脈沖生成器的斜坡信號，并且作為這些信號的函數，生成用于所述開關的輸入信號。雖然本實施例能夠利用比具有控制放大器的實施例少的組件來實現，但是其不能那么精確地點調整燈電流。
雖然在首先描述的實施例中，調節并聯的幾個熒光燈的燈電流至其只相差進行1％的程度，肉眼不可能檢測這種差別，但是在第二實施例中一般不能達到這樣的精度。然而與現有技術相比，第二實施例仍然設法改進了熒光燈的均勻亮度。
在本發明的優選實施例中，提供燈電流評估電路，其與所述熒光燈串聯，并且導出所述燈電流實際值。燈電流評估電路可以現有技術公知的方式構造。
根據本發明，優選地，還提供總體電流評估電路，用來測量流經所有熒光燈的電流，并且形成電流平均值，該電流平均值可以用作燈電流目標值。這就意味著可以特別簡單的方式生成燈電流目標值，但是也達到了本發明的目的，即所有燈以相同亮度發光。
用于熒光燈的控制設備一般具有開關級(switching stage)、以及包含初級繞組與次級繞組的變壓器。在本發明的優選實施例中，所述總體電流評估電路與該變壓器的次級繞組串聯，并且測量流經該次級繞組的變壓器反轉電流。這與流經所有熒光燈的總電流足夠精確地對應。
優選地，安排根據本發明的設備電容分壓器，使得所述第一電容器連接在熒光燈的上游，所述第二電容器連接在熒光燈的下游。所述第一電容器對應于現有技術中公知的整流電容器，并且用來將熒光燈的負特性轉換為正特性。優選地，所述開關與所述第二電容器并聯，第一電容器與第二電容器之間的電容比例如近似1∶5。這樣選定的尺寸確保了在第二電容器與開關上不會發生過量電壓降，從而可以由例如400V電容器實現第二電容器。同樣的電壓承受能力也適用于所述開關，其優選地采用MOSFET的形式。
分壓器的電容比還決定了可以利用本發明輸出的熒光燈的電壓范圍，例如最大電壓的10％。


以下根據優選實施例參照附圖更詳細地解釋本發明，其中圖1為用來解釋本發明所根據的概念的電路；圖2為根據本發明的、在照明布置中控制熒光燈的設備的方框圖；圖3為根據本發明的設備的詳細電路圖；以及圖4為在根據本發明的設備中發生的信號的時延(time-lapse)圖。
附圖標記10 熒光燈12 變壓器14 開關16 脈沖寬度調制電路18 橋式電路20 脈沖生成器22 總體電流評估電路24 平均電路26 燈電流評估電路28 開關30 比較器32 誤差放大器C1、C2 電容器L1、L2 熒光燈C11、C21、C12、C22 電容器R1、R2 電阻器D1、D2、D3、D4 二極管IL、IL1、IL2燈電流I∑電流合成信號IAV電流平均信號IE1、IE2電流誤差信號PWM1、PWM2脈沖寬度調制信號UBurst脈沖生成器的斜坡電壓
具體實施例方式
圖1顯示用來解釋本發明基本原理的電路圖。該電路包含熒光燈10，尤其是冷陰極熒光管，其通過電容串聯電路從變壓器12被供電。該電容串聯電路包含形成分壓器的、兩個分離的電容器C1、C2。屬于分壓器的這些電容器中的一個由開關14橋接，開關14由例如脈沖寬度調制控制，以調整燈電壓、以及由此的燈電流。對開光14的線性控制也落入本發明的范圍內。
在具有多個熒光燈10的照明布置的情況下，需要僅一個具有相關切換級的變壓器12，并且只需要為每個熒光燈單獨提供次級側的元件，即電容器C1、C2、以及開關14。在實踐中，該電路還包含電流評估與控制元件，用來控制開關14。
本發明實現了一種特別簡單、成本效益高的控制照明布置中幾個熒光燈的手段，從而各個熒光燈的燈電流被調節到同一目標值。此處，本發明使用一般見于用于現有技術熒光燈的控制電路的組件。本發明可以使用幾個附加的、低成本元件來實現，并且與不包含對各個熒光燈電流控制的控制電路相比，其實際上沒有附加損失。
雖然熒光管由于制造公差具有近似10％的絕對燈電流公差，但是通過根據本發明的控制系統，可以將該偏離減少到小于1％，即可以將偏離減少到肉眼無法察覺的水平。
圖2顯示了根據本發明的設備的優選實施例的簡化方框圖。
在圖2中，顯示兩個示范性熒光燈10，L1與L2，其由變壓器12供電。本發明可以應用于所希望的任意數目的熒光燈，常見有具有多達16或32個燈的結構，但是本發明不限于奇數或偶數燈。本發明還可以用于具有不同長度的熒光燈，例如在10cm到1m或更多的范圍內。
變壓器12通過開關級控制與供電，如圖2中示意性地由脈沖寬度調制電路16與橋式電路18所示。該電路還包含脈沖生成器20，其具體用來對熒光燈10進行減光，并且在現有技術中基本是公知的。脈沖生成器20的輸出端連接到脈沖寬度調制電路16的輸入端，脈沖寬度調制電路16的另一入端接收從變壓器12的次級側導出的電流合成信號I∑。電流合成信號I∑基本對應于流經所有熒光燈10的總電流，并且被引導回變壓器12的初級側，以如在現有技術中基本是公知地控制變壓器。
脈沖生成器20生成具有近似100到300Hz范圍內的脈沖頻率的斜坡信號，其可以用來切換開與關變壓器12、以及由此的熒光燈10的電壓供給。開光時間之間的比例確定了熒光燈的減光電平。在導通時間，以50到100KHz范圍內的工作頻率驅動變壓器12，而在截止時間，到變壓器12的控制信號被完全阻止。作為結果，熒光燈可以在0％到100％的范圍內減光。
在變壓器12次級側，由電阻器示意性地顯示總體電流評估電路22，通過該電阻器，測量總電流或電流合成信號I∑。該信號被施加到平均電路24，以產生電流平均值IAV，電流平均值IAV被用作各個熒光燈10的燈電流目標值，如下詳述。平均電路24將電流合成信號除以照明布置中熒光燈10的數目，以確定將流經所有熒光燈10的電流平均值IAV。這是生成用于調節通過各個熒光燈10的電流的目標值的特別簡單的方法。
在圖2中顯示兩個熒光燈10與其相關控制電路。第一熒光燈L1串聯在第一電容器C11與第二電容器C21之間，第二熒光燈L2串聯在第一電容器C12與第二電容器C22之間。第一熒光燈L1的燈電流評估電路26由電阻器R1示意性顯示，并且第二熒光燈L2的燈電流評估電路26由電阻器R2示意性顯示。因為熒光燈L1與L2的控制電路設計相同，所以以下只描述熒光燈L1的控制電路，同樣的描述適用于熒光燈L2的控制電路。
熒光燈10串聯在形成電容分壓器的電容器C11與C21之間，其中第二電容器C21被開關28橋接。在所示實施例中，開關28為MOS FET，但是其可以使用任何其他半導體開關來實現，例如雙極晶體管，或者通過使用其他類型的開關來實現。如參照圖1所解釋的，控制開關28以調整跨越熒光燈10的電壓，由此調節燈電流IL1，從而允許調節熒光燈的亮度。通過電阻器R1來測量燈電流實際值IL1。
可以線性或離散地控制開關28，優選地利用下面描述的、作為生成控制信號的本發明優選實施例的脈沖寬度調制。
在實踐中，熒光燈10的啟動電壓近似有效1000V，并且電容器C11與C21之間的電容比在幅度1∶5內。例如，如果電容器C11的值為22pF、并且電容器C21的值為100pF，則電容器C21的尺寸必須使得其可以耐受有效電壓平均值200V與電壓峰值311V。在實踐中，為此目的可以使用具有近似400V的電壓承受能力的電容器。
所述1∶5的分壓器電容比使之可能補償10％或+/-5％的絕對燈電流公差。此處必須注意保證根據本發明的控制電路實際以盡可能簡單的方式構造；在優選實施例中，以如下方式設計控制電路，使得電容器C21與開關28只對燈電壓的半波有影響。
配備比較器30與誤差放大器32，以控制開關28。誤差放大器32可以采用PID控制元件的形式，其比例(P)、積分(I)、以及差分(D)部件可以根據需要調整。誤差放大器32接收形成燈電流目標值的電流平均值IAV，以及實際燈電流IL1或IL2作為輸入信號，并且生成用來控制開關28的電流誤差信號IE1、IE2。在優選實施例中，電流誤差信號IE1或IE2被送入比較器30的輸入端，比較器30的另一輸入端接收脈沖生成器20的輸出信號。如上所述，脈沖生成器20的輸出信號為周期性斜坡信號，具有100到幾百Hz范圍內的預定脈沖頻率，并且由現有技術系統用來對熒光燈進行減光。在本發明的優選實施例中，比較器30比較脈沖生成器20的斜坡信號與電流誤差信號IE1或IE2，并且導出脈沖寬度調制信號PWM1或PWM2，以控制開關28。
圖4顯示用來解釋脈沖寬度調制信號PWM1或PWM2生成的時延圖。稱為脈沖信號的周期性斜坡信號對應于脈沖生成器20的輸出信號。在比較器30將該信號與電流誤差信號IE1或IE2比較，以便如圖4所示導出脈沖寬度調制信號PWM1或PWM2。在優選實施例中，以如下方式控制開關28，使得燈電流IL1或IL2跟隨其目標值，由此可能補償高達10％的電流偏離。
圖3顯示根據本發明的、用于控制熒光燈的電路的實用實施例的電路圖。與圖1或2中對應的組件由相同的附圖標記指示。在圖3中，只顯示了具有熒光燈10的、照明布置的一個通道，本領域技術人員應該知道可以添加幾乎無限數目的其他通道。變壓器12形成所有熒光燈10控制電路的公共變壓器，如果相應應用需要，則采用幾個變壓器也在本發明的范圍內。經由已經參照圖2解釋的開關級，向變壓器12供電。該開關級可以由集成控制組件控制，其基本公知，并且也包含脈沖生成器20(圖2)。如上所解釋的，借助于脈沖生成器20，可以通過切換開關電源電壓，對熒光燈進行減光。根據本發明，脈沖生成器20的周期性斜坡信號還可以用于離散構造的、照明布置每個通道的脈沖調制器。為此，晶體管Q1緩沖脈沖生成器的斜坡電壓UBurst，并且將其發送出去給比較器30。
比較器30可以例如由美國加利福尼亞的National Semiconductor，制造的型號為LM339的標準比較器來實現。
誤差放大器32由運算放大器實現，例如來自National Semiconductor的型號LM324，并且在所示實施例中，采用了I元件的形式。如上所述，作為輸入信號，其接收燈電流IL、以及電流平均值IAV，并且送出電流誤差信號。
設計開關28使得其只在脈沖信號正半波期間切換，如圖4所示，負半波由MOS FET開關28的內部體二極管抑制。如果例如使用雙極晶體管開關而非MOS FET開關，則需要處理負半波的額外的二極管。所示實施例中的燈電流評估電路26也只基于正半波操作，負半波由二極管引掉。這同樣適用于連接到變壓器12的次級線圈的用于測量電流合成信號I∑的總體電流評估電路22。
在圖3中，僅作為例子顯示了平均電路24的實施例。
利用電容分壓器C1、C2來控制燈電流具有以下優點當開關28導通時，在第二電容器C2上幾乎不發生功率損失。電容器C2還對鎮流電容器C1有貢獻，并且由此在穩定熒光燈10的特性中起作用，如上所述。
另外，與具有歐姆分壓器的布置相比，必須通過燈10生成的所需變壓器電壓低一些。
本發明創造了一種用于控制照明布置中熒光燈的設備，其達到了將所有燈電流非常精確地控制到平均值，卻可以低成本實現。對于每個通道，即每個熒光燈，除一般見于根據現有技術的控制電路中的元件之外，只需要運算放大器、誤差放大器、比較器、以及MOS FET或雙極晶體管與電容器。半導體開關28的切換可以與脈沖生成器的脈沖頻率同步，從而不需要其他斜坡生成器來生成脈沖寬度調制，并且在運行中不會發生干擾，這是因為變壓器20也是基于脈沖生成器的斜坡驅動的。
變壓器的次級電流可以用來控制變壓器性能以及導出用于各個通道有效電流調節的電流平均值兩者。
本發明可以用于具有所希望的任意數目的熒光燈的照明布置，例如4、16或32，也可能毫無問題地控制非偶數燈。
可以獲得準確度+/-1％的、至目標值的電流調節，該偏離肉眼無法察覺。
以上描述中公開的特征、權利要求、以及附圖對于單獨地或者以任意組合、以其各種實施例實現本發明是重要的。
權利要求
1.一種在包含至少一個熒光燈(10)的照明布置中控制此類熒光燈的設備，其中對于每個熒光燈，該設備具有以下特點電容分壓器，包含串聯到熒光燈(10)的第一電容器(C1；C11、C12)以及第二電容器(C2；C21、C22)；開關(14；28)，并聯到所述電容器之一(C1、C2；C11、C12；C21、C27)；用來測量流經熒光燈(10)的瞬時燈電流的部件(26)；以及控制電路，用來根據該瞬時燈電流，生成用于開關(14；28)的輸入信號。
2.如權利要求1所述的設備，其中所述開關(14；28)為半導體開關。
3.如權利要求2所述的設備，其中所述開關(14；28)包含MOS FET或雙極晶體管。
4.如權利要求1所述的設備，其中所述控制電路包含控制放大器(32)，用來接收作為輸入信號的燈電流實際值、以及燈電流目標值，并且發出燈電流誤差信號。
5.如權利要求4所述的設備，其中所述控制電路包含比較器電路(30)，連接在所述控制放大器(32)與開關(14；28)之間，并且根據控制放大器(32)的燈電流誤差信號與周期性斜坡信號，生成用于所述開關(14；28)的輸入信號。
6.如權利要求1所述的設備，其中所述控制電路包含比較器電路，用來接收實際燈電流信號、以及周期性斜坡信號，并且根據這些信號，生成用于所述開關的輸入信號。
7.如權利要求5或6所述的設備，還包含脈沖生成器(20)，用來生成所述周期性斜坡信號。
8.如權利要求7所述的設備，還包含用于所述照明布置的控制的開關級，所述脈沖信號具有比該開關級的時鐘頻率小兩到三個數量級的脈沖頻率。
9.如權利要求5或6所述的設備，其中所述比較器電路(30)生成PWM信號。
10.如權利要求1所述的設備，還包含燈電流評估電路(26)，其與所述熒光燈(10)串聯，并且生成燈電流實際值。
11.如權利要求1所述的設備，還包含總體電流評估電路(22)，用來測量流經所有熒光燈的電流，并且形成電流平均值，其中該電流平均值可以用作燈電流目標值。
12.如權利要求11所述的設備，還包含用于所述照明布置的控制的變壓器(12)，具有初級繞組與次級繞組，其中所述總體電流評估電路(22)與該變壓器(12)的次級繞組串聯。
13.如權利要求1所述的設備，其中所述第一電容器(C1；C11、C12)連接在熒光燈(10)的上游，所述第二電容器(C2；C21、C22)連接在熒光燈(10)的下游。
14.如權利要求13所述的設備，其中所述開關(14；28)與所述第二電容器(C2；C21、C22)并聯。
15.如權利要求14所述的設備，其中所述第一電容器(C1；C11、C12)與第二電容器(C2；C21、C22)之間的電容比近似1∶5。
全文摘要
本發明涉及一種在包含至少一個熒光燈的照明布置中控制此類熒光燈的設備，其中對于每個熒光燈，該設備具有以下特點電容分壓器，包含串聯到熒光燈的第一電容器以及第二電容器；開關，并聯到所述電容器之一；用來測量流經熒光燈的瞬時燈電流的部件；以及控制電路，用來根據瞬時燈電流，生成用于半導體開關的輸入信號。
文檔編號H05B41/392GK1942041SQ20061008873
公開日2007年4月4日 申請日期2006年6月5日 優先權日2005年6月3日
發明者于爾根·亞當 申請人:美蓓亞株式會社