直流供電低壓鈉燈數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器設計

1 引 言

綠色照明工程要求采用效率高,壽命長,安全和性能穩(wěn)定的照明電器產品。直流供電照明廣泛用于車船照明、風力發(fā)電照明、太陽能照明、流動攤販照明、停電應急照明、安全照明等方面。低壓鈉燈光效可達210lm/W,是目前光效最高的氣體放電燈,具有很強的單色性。功率小于35W的低壓鈉燈主要用在光譜儀器中作為單色光源。35W以上低壓鈉燈主要用于照明或信號燈。在此針對110V直流電壓采用升壓變換器和半橋LCC逆變器設計了55W低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器(Electronic Ballast,簡稱EB),并應用單片機實現(xiàn)了保護和恒定輸出功率等功能。

2 電路結構及工作分析

圖1示出110V直流供電的EB結構框圖。在主電路中,直流電壓經過Boost電路升壓到350V,再經過半橋逆變,最后在LCC結構的負載匹配網(wǎng)絡兩端產生高頻方波,從而驅動燈。控制電路中包括控制電源電路、Boost控制電路、半橋控制電路、檢測電路和驅動電路。

圖2示出主電路拓撲結構圖。其中Boost變換器工作在電感電流連續(xù)工作狀態(tài)。在該狀態(tài)下,輸入電流紋波隨電感L1的增大而減小。

圖3示出Boost變換器工作過程的等效電路與各點波形。

當開關管VQ1導通時,電感電流iL流過電感線圈L1,在L1未飽和之前,電流線性增加,電能以磁能的形式儲存在電感線圈中。此時,電容C1放電,RLoad上流過電流Io,RLoad兩端為輸出電壓Uo,極性上正下負。由于開關管導通,二極管陽極接電源US的負極,二極管承受反向電壓,所以電容不能通過開關管放電,其工作狀態(tài)見圖3a。

當VQ1關斷時,L1兩端的電壓極性改變,以保持iL不變。這樣電感中變成一個輸出電壓為UL的電壓源與US串聯(lián)向負載供電,其工作狀態(tài)見圖3b。圖3c為iL連續(xù)時各點的電壓電流波形。在iL連續(xù)的工作狀態(tài),開關周期Ts最后時刻的電流值Ia,就是下一個Ts周期中iL的開始值。但是,如果電感量太小,電流線性下降快,即在電感中能量釋放完時,尚未達到晶體管重新導通的時刻,這樣就出現(xiàn)了電感電流的斷續(xù)工作狀態(tài)。圖4示出半橋LCC工作狀態(tài)及關鍵點波形。

當電路呈現(xiàn)感性時,電流滯后于電壓。設在工作過程I時,VQ3截止,VQ2導通,電源向負載供電,負載電壓電流正向增加。由于電流滯后電壓,當VQ2關斷后進入工作過程Ⅱ,電流仍將保持正向流動,正向電流在VQ3的反向并聯(lián)二極管中續(xù)流,直到電流減小到零,在反向續(xù)流過程中,VQ3已經導通,因為二極管的電壓箝位作用,VQ3是零電壓開通。在VQ2截止,VQ3導通的工作過程Ⅲ中,電流反向增大,直到當VQ3關斷后進入工作過程Ⅳ,VQ2的反向并聯(lián)二極管續(xù)流。直到電流減小到零。同樣在反向續(xù)流過程中,VQ2已經導通,因為二極管的電壓箝位作用,VQ2也是零電壓開通。

在氣體放電燈的啟動階段,半橋LCC諧振變換器必須能夠在燈的電極間提供足夠高的啟動電壓,擊穿弧隙,電離弧管內的氣體產生輝光放電。在過渡階段,半橋LCC諧振變換器需要提供足夠的電流使輝光放電過渡到弧光放電并達到穩(wěn)定。在燈的穩(wěn)定狀態(tài),半橋LCC諧振變換器需提供額定的功率,使燈正常工作。

圖5示出LCC諧振變換器的交流等效電路。交流驅動源可寫成：

式中ω=2πf

對于交流等效電源來說,整個負載電路的復阻抗為：

相角為：

3 控制電路設計

設計的EB用Boost變換器采用由555定時器芯片與運算放大器組成的控制電路。圖6a示出Boost變換器控制電路中的555定時器時鐘電路。它能在555的腳3輸出固定頻率、固定占空比的方波。圖6b示出Boost變換器控制電路中的555定時器PWM電路。它能根據(jù)腳2的時鐘輸入電壓和腳5的調制輸入電壓在腳3輸出PWM波形。Boost變換器的輸出采用由集成運算放大器構成的PI調節(jié)器。以進行閉環(huán)控制。

半橋逆變器則采用單片機進行數(shù)字控制。單片機通過檢測Boost輸出直流電流來穩(wěn)定輸入功率和判斷輸出端是否短路,通過檢測燈電壓,控制啟動點燈頻率變化和判斷輸出端是否開路。通過檢測半橋逆變器的輸入電流,對燈功率進行閉環(huán)控制。單片機輸出的5V方波信號經過驅動電路后,驅動半橋功率開關管。

4 負載匹配網(wǎng)絡仿真分析

55W歐司朗低壓鈉燈LCC諧振變換器的設計要求是啟動電壓大于800V,方波峰峰值為350V,工作頻率大于20kHz,額定燈功率為55W。應用PSPICE對負載匹配無源網(wǎng)絡進行仿真,仿真電路參數(shù)：L=830μH,Cs=220nF,Cp=2.2nF。燈穩(wěn)態(tài)工作的等效電阻設為220Ω,燈啟動前的等效電阻設為40kΩ。圖7示出仿真得到的燈電壓uL與工作頻率?z的關系。它包括燈啟動電壓和穩(wěn)態(tài)工作電壓。燈啟動電壓為800V時對應的fz=125kHz;燈穩(wěn)態(tài)工作點電壓為110V時對應的?z=40kHz。

5 實驗結果

由上述設計成功地制成了實驗室樣機。所用燈泡為歐司朗55W低壓鈉燈,參考電參數(shù)：燈電壓為110V,燈電流為0.5A,點燈電壓為800V,L=820μH,Cs=220nF,Cp=2.2nF。圖8示出單片機的程序流程圖。

圖9a示出燈啟動過程中燈兩端電壓uL和燈電流iL的實驗波形?？梢?滑頻階段燈電壓的上升過程和燈點亮后的電壓迅速下降。圖9b示出燈穩(wěn)態(tài)工作時uL和iL的實驗波形。可見,在高頻時,兩者的波形接近正弦波,但因工作點頻率在串聯(lián)負載諧振頻率的右側,所以與標準正弦波有些差異。圖9c示出實測的低壓鈉燈動態(tài)伏-安特性?？梢?高頻時,低壓鈉燈在高頻工作時接近阻性。

6 結論

設計了110V直流供電55W數(shù)字化低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器,應用Boost變換器和半橋LCC逆變電路作為鎮(zhèn)流器的主電路拓撲,設計了采用NE555和運算放大器的Boost變換器控制電路和采用單片機的半橋逆變控制電路。對負載匹配無源網(wǎng)絡參數(shù)進行了仿真分析,對電子鎮(zhèn)流器進行了試驗研究。仿真和試驗結果均證明該電子鎮(zhèn)流器能夠實現(xiàn)燈的可靠啟動,以及保護功能和輸出恒功率功能。