直流供電低壓鈉燈數(shù)字化電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)

1 引 言

綠色照明工程要求采用效率高,壽命長(zhǎng),安全和性能穩(wěn)定的照明電器產(chǎn)品。直流供電照明廣泛用于車船照明、風(fēng)力發(fā)電照明、太陽(yáng)能照明、流動(dòng)攤販照明、停電應(yīng)急照明、安全照明等方面。低壓鈉燈光效可達(dá)210lm/W,是目前光效最高的氣體放電燈,具有很強(qiáng)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(hào)燈。在此針對(duì)110V直流電壓采用升壓變換器和半橋LCC逆變器設(shè)計(jì)了55W低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器(Electronic Ballast,簡(jiǎn)稱EB),并應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了保護(hù)和恒定輸出功率等功能。

2 電路結(jié)構(gòu)及工作分析

圖1示出110V直流供電的EB結(jié)構(gòu)框圖。在主電路中,直流電壓經(jīng)過(guò)Boost電路升壓到350V,再經(jīng)過(guò)半橋逆變,最后在LCC結(jié)構(gòu)的負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)兩端產(chǎn)生高頻方波,從而驅(qū)動(dòng)燈?？刂齐娐分邪刂齐娫措娐贰oost控制電路、半橋控制電路、檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路。

圖2示出主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(guò)程的等效電路與各點(diǎn)波形。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管VQ1導(dǎo)通時(shí),電感電流iL流過(guò)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(chǔ)存在電感線圈中。此時(shí),電容C1放電,RLoad上流過(guò)電流Io,RLoad兩端為輸出電壓Uo,極性上正下負(fù)。由于開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通,二極管陽(yáng)極接電源US的負(fù)極,二極管承受反向電壓,所以電容不能通過(guò)開(kāi)關(guān)管放電,其工作狀態(tài)見(jiàn)圖3a。

當(dāng)VQ1關(guān)斷時(shí),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(gè)輸出電壓為UL的電壓源與US串聯(lián)向負(fù)載供電,其工作狀態(tài)見(jiàn)圖3b。圖3c為iL連續(xù)時(shí)各點(diǎn)的電壓電流波形。在iL連續(xù)的工作狀態(tài),開(kāi)關(guān)周期Ts最后時(shí)刻的電流值Ia,就是下一個(gè)Ts周期中iL的開(kāi)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(shí),尚未達(dá)到晶體管重新導(dǎo)通的時(shí)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(guān)鍵點(diǎn)波形。

當(dāng)電路呈現(xiàn)感性時(shí),電流滯后于電壓。設(shè)在工作過(guò)程I時(shí),VQ3截止,VQ2導(dǎo)通,電源向負(fù)載供電,負(fù)載電壓電流正向增加。由于電流滯后電壓,當(dāng)VQ2關(guān)斷后進(jìn)入工作過(guò)程Ⅱ,電流仍將保持正向流動(dòng),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(guò)程中,VQ3已經(jīng)導(dǎo)通,因?yàn)槎O管的電壓箝位作用,VQ3是零電壓開(kāi)通。在VQ2截止,VQ3導(dǎo)通的工作過(guò)程Ⅲ中,電流反向增大,直到當(dāng)VQ3關(guān)斷后進(jìn)入工作過(guò)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(guò)程中,VQ2已經(jīng)導(dǎo)通,因?yàn)槎O管的電壓箝位作用,VQ2也是零電壓開(kāi)通。

在氣體放電燈的啟動(dòng)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(dòng)電壓,擊穿弧隙,電離弧管內(nèi)的氣體產(chǎn)生輝光放電。在過(guò)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(guò)渡到弧光放電并達(dá)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(qū)動(dòng)源可寫(xiě)成：

式中ω=2πf

對(duì)于交流等效電源來(lái)說(shuō),整個(gè)負(fù)載電路的復(fù)阻抗為：

相角為：

3 控制電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的EB用Boost變換器采用由555定時(shí)器芯片與運(yùn)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(shí)器時(shí)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(shí)器PWM電路。它能根據(jù)腳2的時(shí)鐘輸入電壓和腳5的調(diào)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(yùn)算放大器構(gòu)成的PI調(diào)節(jié)器。以進(jìn)行閉環(huán)控制。

半橋逆變器則采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制。單片機(jī)通過(guò)檢測(cè)Boost輸出直流電流來(lái)穩(wěn)定輸入功率和判斷輸出端是否短路,通過(guò)檢測(cè)燈電壓,控制啟動(dòng)點(diǎn)燈頻率變化和判斷輸出端是否開(kāi)路。通過(guò)檢測(cè)半橋逆變器的輸入電流,對(duì)燈功率進(jìn)行閉環(huán)控制。單片機(jī)輸出的5V方波信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路后,驅(qū)動(dòng)半橋功率開(kāi)關(guān)管。

4 負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)仿真分析

55W歐司朗低壓鈉燈LCC諧振變換器的設(shè)計(jì)要求是啟動(dòng)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(yīng)用PSPICE對(duì)負(fù)載匹配無(wú)源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shè)為220Ω,燈啟動(dòng)前的等效電阻設(shè)為40kΩ。圖7示出仿真得到的燈電壓uL與工作頻率?z的關(guān)系。它包括燈啟動(dòng)電壓和穩(wěn)態(tài)工作電壓。燈啟動(dòng)電壓為800V時(shí)對(duì)應(yīng)的fz=125kHz;燈穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)電壓為110V時(shí)對(duì)應(yīng)的?z=40kHz。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由上述設(shè)計(jì)成功地制成了實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)。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(diǎn)燈電壓為800V,L=820μH,Cs=220nF,Cp=2.2nF。圖8示出單片機(jī)的程序流程圖。

圖9a示出燈啟動(dòng)過(guò)程中燈兩端電壓uL和燈電流iL的實(shí)驗(yàn)波形?？梢?jiàn),滑頻階段燈電壓的上升過(guò)程和燈點(diǎn)亮后的電壓迅速下降。圖9b示出燈穩(wěn)態(tài)工作時(shí)uL和iL的實(shí)驗(yàn)波形?？梢?jiàn),在高頻時(shí),兩者的波形接近正弦波,但因工作點(diǎn)頻率在串聯(lián)負(fù)載諧振頻率的右側(cè),所以與標(biāo)準(zhǔn)正弦波有些差異。圖9c示出實(shí)測(cè)的低壓鈉燈動(dòng)態(tài)伏-安特性。可見(jiàn),高頻時(shí),低壓鈉燈在高頻工作時(shí)接近阻性。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)了110V直流供電55W數(shù)字化低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器,應(yīng)用Boost變換器和半橋LCC逆變電路作為鎮(zhèn)流器的主電路拓?fù)?設(shè)計(jì)了采用NE555和運(yùn)算放大器的Boost變換器控制電路和采用單片機(jī)的半橋逆變控制電路。對(duì)負(fù)載匹配無(wú)源網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行了仿真分析,對(duì)電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行了試驗(yàn)研究。仿真和試驗(yàn)結(jié)果均證明該電子鎮(zhèn)流器能夠?qū)崿F(xiàn)燈的可靠啟動(dòng),以及保護(hù)功能和輸出恒功率功能。