一種小功率金鹵燈用電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計方案

1 引言

高強度氣體放電燈，如汞燈、高壓鈉燈和金屬鹵化物燈，在室外照明中已獲得了廣泛的應(yīng)用。這類燈功率大，發(fā)熱量大，所用的鎮(zhèn)流器和觸發(fā)器，通常都和燈管分開安裝。但對于功率小，發(fā)熱量低，亮度足夠強，且需要鎮(zhèn)流器、觸發(fā)器同燈管盡量靠近安裝的應(yīng)用場合，現(xiàn)行的大功率高強度氣體放電燈及其所用的鎮(zhèn)流器就難以滿足此項要求。

本文介紹一種小功率(35W左右)金鹵燈用電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計方案，其采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)使功率因數(shù)接近于1.這大大減小了鎮(zhèn)流器中同線路功率因數(shù)有關(guān)的損耗。該電子鎮(zhèn)流器工作頻率為44kHz左右，用小型低耗的變壓器構(gòu)成一種獨特的起動電路,可產(chǎn)生6000V的脈沖電壓，足以點亮金鹵燈。由于整個鎮(zhèn)流器線路簡單，工作效率高，可安裝得緊湊些同金鹵燈構(gòu)成一體。

2 系統(tǒng)設(shè)計原理框圖

圖1為該電子鎮(zhèn)流器的原理框圖。來自電網(wǎng)的220V/50Hz交流電經(jīng)過整流和功率因數(shù)校正后，變成300V左右的直流電壓，經(jīng)過DC/AC高頻變換器產(chǎn)生44kHz左右的高頻電壓輸出，同時該直流電壓還供給起動電路，它為金鹵燈及鎮(zhèn)流阻抗提供約6000V的起動脈沖電壓。從DC/AC變換電路輸出的44kHz高頻電壓接到金鹵燈的管腳1,而從起動電路輸出的高壓脈沖接到燈的管腳2.在燈管腳兩端還接著濾波電容C30.控制電路為上述電路提供開關(guān)控制信號，溫度監(jiān)控信號和異常狀態(tài)保護(hù)信號。

圖1:電子鎮(zhèn)流器的原理框圖

2.1 功率因數(shù)校正電路設(shè)計

圖2為圖1中功率因數(shù)校正電路(PFC)的簡化電路。它對圖1的輸入交流電壓進(jìn)行整流和調(diào)節(jié)。該PFC電路包括浪涌電流抑制電路，全波整流橋，濾波電路，扼流電感L1,PFC集成塊(N1)，場效應(yīng)晶體管MOSFET(Q1)，輸出濾波和反饋網(wǎng)絡(luò)以及由若干個電阻、電容及二極管組成的網(wǎng)絡(luò)。該PFC電路把220V/50Hz交流電壓變成DC電壓，其線路輸入功率因數(shù)接近于1.橋式整流電路的輸出從X6處接到控制電路，經(jīng)變換后為其提供12VDC電壓。

圖2:功率因數(shù)校正電路PFC

經(jīng)濾波后的直流電壓接到扼流電感L1,該電感和Q1(由芯片N1驅(qū)動)以及濾波電容C1一起把線路輸入功率因數(shù)提高到接近于1.

2.2 DC/AC高頻變換電路設(shè)計

圖3為DC/AC高頻變換電路。該變換電路中采功率因數(shù)校正芯片N1,接收來自電阻R3和R4連接點處的反饋信號，電阻R3和R4同電容C2一起組成輸出濾波電路，完成諧波校正。經(jīng)濾波后的輸出電壓VCC通過端子X2,供給DC/AC變換電路(圖3)。

圖3:DC/AC高頻變換電路

如果出現(xiàn)過溫或過流，就被相應(yīng)的部件檢測出，送到控制電路(圖5)，使電路中的Q5導(dǎo)通，從而使供到集成塊N1及N2上的15VDC電壓切斷，集成塊N1及N2停止工作，最終使整個系統(tǒng)關(guān)閉。

2.3 起動電路設(shè)計

如下圖4所示的是金鹵燈起動電路(也叫觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路)。

圖4:觸發(fā)脈沖產(chǎn)生電路

金鹵燈需要用約6000V的窄脈沖來觸發(fā)起動。這個脈沖電壓是由升壓變壓器T4來產(chǎn)生的。由電阻R25、電容C28及MOSFETQ4構(gòu)成充放電電路，電容C28通過T4的引腳3及4到地，直流電壓從端子X4接入，經(jīng)過R25加到Q4的漏極上。在Q4的柵極未加驅(qū)動脈沖時，VCC通過R25對C28充電，充電電路是R25-C28-T4-地。當(dāng)來自控制電路的驅(qū)動脈沖(5個脈沖/秒)經(jīng)過接口X7加到Q4的柵極時，Q4導(dǎo)通，此時C28經(jīng)過Q4-T4放電，放電電流在T4中產(chǎn)生的電壓經(jīng)T4的次級升壓后，加到金鹵燈引線端2使金鹵燈點亮。

2.4 控制電路設(shè)計

電阻R28同變壓器T4的次級繞組相串聯(lián)，為檢測燈的過流電流。所檢測出的過電流經(jīng)接口X8加到控制電路(圖5)，在控制電路中形成關(guān)斷起動脈沖和關(guān)閉鎮(zhèn)流器供電的指令信號。這種過電流有可能是由于電路局部短路或由于金鹵燈的不良狀態(tài)所致。

圖5:控制電路

用集成塊N2,N2中含有一個振蕩器，其頻率由電阻R21,電位器RP1及電容C22來設(shè)置。通過調(diào)整電位器RP1可把頻率調(diào)到44kHz.N2中還產(chǎn)生驅(qū)動脈沖，以驅(qū)動MOSFET(Q2及Q3)。對Q3的浮點供電是通過二極管V20,電容C23和一個在N2內(nèi)部的電流泵電路進(jìn)行的。Q2和Q3以及扼流圈L3組成為一個普通的半橋電路。在扼流線圈L3的兩端，由Q2及Q3交替導(dǎo)通，形成方波電壓，隔直電容C26只允許交流電流通過L3.電容C24和電阻R24串聯(lián)組成吸收網(wǎng)絡(luò)，以減少開關(guān)損耗。而接在直流電壓VCC輸出端上的電容C25,是為濾除由輸入端子X4處接入的起動電路(圖4)所產(chǎn)生的高頻分量。類似地，電容C20及C21并起來，接到電阻R20上為了濾除由降壓電阻R20和集成塊N2內(nèi)部穩(wěn)壓二極管所形成的約12VDC電壓中的高頻雜波。Q2及Q3驅(qū)動電路中的電阻R22和R23是用來消除芯片N2中可能出現(xiàn)的高頻振蕩。

金鹵燈的工作電流是經(jīng)過扼流電感L3和電容C27提供的。L3和C27一起構(gòu)成鎮(zhèn)流阻抗。燈工作電流頻率為44kHz.

3 控制電路中典型測試點波形

控制電路中幾個典型測試點：TP1、TP2、TP3、TP4的波形示于圖6.

圖6:為控制電路中典型測試點波形圖

控制電路所用的12V直流電壓是從接口X6連到PFC電路的DC電壓輸入端?？刂戚斎胄盘柋患拥接伤南笙薇容^器N6和N5中的邏輯門A、B、C、D組成的比較器/門電路中。來自起動電路的燈過流信號經(jīng)過接口X8加進(jìn)，并通過降壓電阻R50加到四象限比較器N6中。一旦燈電流超過預(yù)定值，立即就被檢測出。由N5中的比較器/門輸出信號，使Q5導(dǎo)通，從而把接口X1處的15VDC電壓切斷，使PFC電路中的集成塊N1停止工作。同時觸發(fā)器N4也被封閉。由電阻R52和電容C44形成約680ms的關(guān)斷延遲。熱敏電阻TM用來檢測鎮(zhèn)流器的溫度，如果過熱就給芯片N6提供信號使之關(guān)閉。由電容C42和觸發(fā)器N4中的某個電阻構(gòu)成延時網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生約1秒的延遲時間，這樣在12VDC電壓未升到或者未穩(wěn)定前，N3不產(chǎn)生起動脈沖。

芯片N3是14級二進(jìn)制計數(shù)器/分頻及振蕩器，它為起動電路產(chǎn)生時鐘脈沖，通過接口X7加到起動電路，N3的振蕩頻率調(diào)整電路是由電容C45,電阻R54及R55并聯(lián)再由C50串起來構(gòu)成。N3的輸出信號是從計數(shù)器的第一個二進(jìn)制碼中取出的。該二進(jìn)制碼是頻率為5Hz的方波。如果燈出現(xiàn)過流，或者線路中出現(xiàn)過熱。就從N6和N3的閾門輸出復(fù)位信號，使計數(shù)電路停止工作。

3 結(jié)語

上述所介紹的小功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計方案，效率高，功耗不到18%,發(fā)熱低，電路元器件小，重量輕，大多可裝在印制板上，適合作成模塊。主要的發(fā)熱元件如扼流圈，變壓器上都有散熱片。所以整個鎮(zhèn)流器的工作溫升較低，可在50℃的高溫環(huán)境下工作，所以，本方案可靠性也比較高。