日光灯电子镇流启辉器的设计

正 文1 选题背景 自从我国实施绿色照明工程和节能政策以来，由于荧光灯发光均匀、亮度适中、光色柔和等优点，使其在照明领域中得到了广泛的应用。荧光灯是一种充有氩气的低气压汞气体放电灯，光电转换效率为23%，即所输入电能的23%被转换成了光能，而另外77%的输入电能被转换成了热能。而白炽灯的光电转换效率为荧光灯光电转换效率的1/41/3，即输入电能仅有8%被转换成了光能，而其余92%的输入电能被转换成了热能。如果仅将世界上现用的200亿只灯泡中的50亿只换成节能的气体放电电子镇流灯，就可以节省200GW的电能。 1.1 指导思想 荧光灯是通过引燃灯管内稀薄的汞蒸气进行弧光放电的，汞离子受激产生紫外线，紫外线通过激发荧光灯管内壁涂层上的荧光粉发出可见光。 1.2 方案论证 它是把传统的电感镇流器的低频50Hz交流电经过全波桥式整流滤波电路，变为平稳的脉动直流电，用来驱动两只功率管及脉冲变压器等组成的高频振荡电路，使其产生约30KHz左右的高频交流电，使输出的RLC串联电路产生串联谐振，用来提供启动荧光灯所需高压，从而点燃荧光灯管的。1.3 基本设计任务本设计是以荧光灯电子镇流器为研究对象，通过对荧光灯交流电子镇流器电路进行剖析，讲述了电子镇流器的组成、工作原理和优点，荧光灯对电子镇流器的技术要求等相关知识。并通过自己对电子镇流器的认识与理解，设计了一个荧光灯电子镇流器电路，并对其工作原理和每个电子元件的作用进行了讲解，分析及论证。1.4 发挥设计任务做一个日光灯镇流启辉器电路，电路可靠，能保证提供稳定的电压以及能使灯管正常发光。2 电路设计2.1 总体方框图50Hz交流电脉动直流电30KHz左右交流电荧光灯管整流滤波高频振荡串联谐振 图1 电子镇流器原理框图2.2电子镇流器的接线图图2 电子镇流器的接线图2.3 工作原理 接通220V，50Hz 交流电，经过整流滤波后，在C1 的两端产生约311V的直流电压VC。此时该电压通过R1、C2 组成的积分电路对C2进行充电，当C2上的电压达到VD6的导通电压时，VD6雪崩击穿而导通，通过VD6的电流注入到VT2的基极，使VT2导通。此时的电流流向为：+VBUSC4上灯丝C6下灯丝L1T1aVT2R4地。在VT2导通时，C2通过VD5和VT2放电，其电压下降，不能再使VD6导通，启动电路对VT2不会再产生作用。振荡建立后的维持依靠T1绕组间耦合产生正反馈实现。 在VT2导通后其集电极电流从零开始增大并对T1磁环变压器产生感应电动势，致使VT2的基极电位升高，其集电极电流进一步增大，直至VT2进入饱和导通状态，变压器T1饱和。当T1达到饱和后，各个绕组的感应电动势急剧下降，VT2的基极电位降低，集电极电流减小，最终使其截止。而VT1的基极电位则升高。VT1进入到饱和导通状态。在VT1饱和导通时，电流路径为：+VBUSVTlR3T1aL1下灯丝C6上灯丝C5地。当T1的磁芯达到饱和，VT1退出饱和并进入到截止状态，而VT2从截止状态进入到饱和导通状态。如此周而复始，VT1和VT2轮流饱和导通，半桥在VT1和VT2的中间点输出近似方波的脉冲，通过灯启动电容C4的电流方向交替变化,使LC串联电路发生谐振，在C6两端产生一个高谐振电压脉冲并施加到灯管两端，将灯管击穿、点亮。一旦灯被成功启动，L1起稳流作用，使灯管正常工作。3 各主要电路及部件工作原理3.1 电子镇流器基本组成 图3 电子镇流器基本组成电子镇流器主要由EMI滤波器、整流器电路（AC-DC变换器）、DC-AC逆变器电路、输出网络（LC串联谐振电路）组成，其中还可增加一些附加电路，比如异常保护电路、调光电路、浪涌电压和电流保护，温度保护等等。 3.2 EMI滤波器 滤波器主要由电感和电容元件组成。它是抑制因辐射和传导所引起的电磁干扰，要求由外界来的电磁干扰不影响电子镇流器的工作，同时来自镇流器内部的高频干扰信号也不要通过传导方式和辐射方式对同一环境中其它无线电设备造成干扰，以便达到电磁兼容(EMC)。图4为常用的滤波器电路： 图4 EMI滤波器3.3 整流器电路（AC-DC变换器） 图5 桥式整流电路 桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的整流电路。桥式整流电路的工作原理如下（以图5为例）：E2为正半周时，对D1、D3加正向电压，Dl，D3导通；对D2、D4加反向电压，D2、D4截止。电路中构成E2、Dl、Rfz、D3通电回路，在Rfz，上形成上正下负的半波整流电压，E2为负半周时，对D2、D4加正向电压，D2、D4导通；对D1、D3加反向电压，D1、D3截止。电路中构成E2、D2、Rfz、D4通电回路，同样在Rfz上形成上正下负的另外半波的整流电压。如此重复下去，结果在Rfz 上便得到全波整流电压。 3.4 DC-AC逆变器电路 由分立元器件组成的典型半桥逆变器电路如图6所示。其中，电阻R1、电容C2、双向二极管VD6及二极管VD5组成自振荡启动电路；VT1与VT2为作为开关使用的率晶体管；T1为磁环变压器。 图6 逆变器电路 在加电后，直流总线电压VBUS通过电阻R1对电容C2充电。当C2上的电压被充电到VD6的击穿电压值，VD6雪崩击穿而导通，通过VD6的电流注入到VT2的基极，使VT2导通。此时的电流流向为：+VBUSC5右灯丝FL2C4左灯丝FLL1T1aVT2R4地。在VT2导通时，C2放电，VD6不导通，T1维持建立的振荡 。 在VT2导通后其集电极电流从零开始增大的过程中，对T1磁环变压器产生感应电动势。当VT2进入饱和导通状态，T1达到饱和后，VT2的基极电位降低，VT1的基极电位则升高。使VT2截止,VT1进入到饱和导通状态。在VT1饱和导通时，电流路径为：+VBUSVTlR3T1aL1FLlC4FL2C6地。 当T1的磁芯再次达到饱和，使VT1退出饱和并进入到截止状态，而VT2从截止状态进入到饱和导通状态。如此周而复始，VT1和VT2轮流饱和导通，半桥在VT1和VT2的中间点输出近似方波的脉冲，通过灯启动电容C4的电流方向交替变化,使L1和C4等组成的LC串联电路发生谐振，在C4两端产生一个高谐振电压脉冲并施加到灯管两端，将灯管击穿、点亮。一旦灯被成功启动，则进入稳态工作，L1起稳流作用。在VT1与VT2导通转换期间存在一个电流为零的死区时间，以避免两个晶体管发生“直通”而损坏。在死区时间内，与VT1并联的电容C3起续流作用，从而可保证流过灯管的电流连续。3.5 输出级LC串联谐振电路在电阻、电感、电容串联电路中，当电路端电压和电流同相时,电路呈电阻性，电路的这种状态叫做串联谐振。采用半桥拓扑结构的荧光灯电子镇流器，其输出网络大多采用LC串联谐振电路， 当半桥输出频率接近LC串联电路的固有频率时，则发生谐振，在C res上产生一个高压脉并施加到灯管两端，使灯管击穿导通而点亮。如果半桥逆变电路由分立元件组成，则灯管的启动方式为快速型启动。4 原理总图 图 7 原理总图5 元器件清单及参数的选择5.1 各元件参数的选择 1）二极管的选择整流二极管的选择主要考虑正向电流与最高反向工作电压两个参数。其能承受的反向峰值电压为交流线路电压（最高VAC=270v）有效值的倍，即VAC（在这基础上再留10%的余量）。而正向电流的选择，因根据电子镇流器的输出功率和交流线路电压而定。（=效率，V=220v）。100w以下荧光灯电子镇流器常用1N4007作为整流二极管，其最高反向工作电压1000V，额定正向平均电流1.0A。VD5用1N4004。双向二极管VD6可以用DB3，其击穿电压2638，通导电压降为1015v。2）开关晶体管的选择 双极型功率晶体管主要在电子镇流器的半桥电路中作为开关使用。对其的参数选择，必须考虑交流线路电压、灯管功率和是否采用了PFC电路等因素。晶体管集电极和发射极之间的击穿电压参数为：。若没有采用PFC电路，整流滤波后的电压不会超过380V，所以即可满足要求。表5-1为目前普遍流行的电子镇流器双极型功率晶体管选择经验法则。 灯管功率7w715w1525w 2545w4575w75100w功率三极管MJE13001MJE13002MJE13003MJE13005MJE13007MJE13009 表5-13） 电容的选择 LC串联电路的阻抗可由下式确定：。 如果忽略半桥无源支路中电容的阻抗，电感L1的值则为：，为电子镇流器的工作频率。灯启动时的频率远高于镇流器正常工作时的频率。是LC串联谐振电路的谐振频率，C6值可由下式确定 根据表5-3选取8200pF。对于交流信号来说，C4和C5为并联连接。C4和C5值通常为C6值的20100倍，可选取C4=C5=lOOnF表5-2为滤波电容器电容量的选择参考表。 灯功率（W）77111115 152020303040406060100电容量（F）2.2/3.33.3/4.74.7/101010/2222/3333/4747/68 表5-2表5-3为灯启动电容器电容量的选择参考表。灯功率（W）771515202026 263232404055电容量（pF）15002200330047006800820010000 表5-3 4）电阻的选择 表5-4为半桥中两个双极型功率晶体管的基极电阻和发射极电阻选择的参考表。灯管功率（W）1515252545457575100基极电阻（W）22,1/410,1/26.8,1/26.8,1/24.7,1/2发射极电阻（W）1,1/41,1/20.5,1/20.5,10.33,1 表5-4 电子镇流器已经有20多年的发展历史人们在日常生产中积累了许多经验，在开发与生产电子镇流器中，总结出的元器件选用经验规律，如表5-1到表5-4。5.2 元器件清单表5-5 元器件清单 元件参数备注元件参数备注VD1-VD41N4007C147F,400V4.7-47FVD51N4004C20.22F,400V0.1-0.22FVD6BD3S(BD3)C33300pF1000-3300pFVD7-VD81N4936（BYV26）C4,C5100nFR1，R2620K,0.5W330-620KC68200pF金属化聚丙烯膜电容器R3，R41,0.5W1-2.2VT1，VT2MJE13005或BUL45、PEH13005R5，R66.80.5W6.8-15L14.0mH扼流圈T1N2=N3=2,N1=8磁环变压器灯管2032W5.3 各元器件作用 VD1，VD2，VD3，VD4：组成桥式整流电路，将输入的交流电变为直流电。 C1 滤波电容：将整流出的电压进行平滑滤波，使其接近直流电压。 R1，C2：RC 积分电路，滤波后的电压经过R1 对C2 进行充电，提供VD6导通电压。 VD6 双向触发二极管：当 C2上的电压高于VD6 的导通电压时，VD6导通，向VT2的基极注入电流，使VT2 导通，电路起振后，VD6 不再导通。 VD5：隔离启动电路和振荡电路，使振荡电流不会经过C2 到地。 R2，C3：C3为续流电容，R2 为C3提供放电网络。当VT1 和VT2 在交替开关的同时截止阶段，使灯丝有电流流过，C3通常为10003300pF；R2，C3 组成的放电网络同时避免两个三极管电流重叠，提供一个死区时间。 VD7，VD8 续流二极管：与三极管并联在磁环线圈的两端，保护三极管，防止三极管反向击穿，反向电动势会通过二极管释放。 VT1，VT2 开关三极管：构成推挽电路，两管交替导通，在VT1 的发射极和VT2的集电极中间产生近似方波脉冲。 R3，R4：稳定电路工作点，负反馈作用，抬高晶体管发射极电位，控制发射机和基极之间的电压。 R5，R6：控制晶体管的基极电流，同时隔离晶体管的基极电压与磁环绕组的感应电动势。 T1a，T1b，T1c 磁环绕组（T1脉冲变压器）：利用互感耦合，以及磁芯的饱和特性，控制TV1 与TV2 的交替开关。 L1，C6：LC 串联谐振电路，在C6 两端为灯提供启动电压，同时对方波脉冲进行滤波，使灯丝电流近似正弦波；L1的Q 值和C6 的决定提供启动电压的大小。 C4，C5：隔直电容，为灯丝电流提供交流通路。6 调试过程及测试数据（或者仿真结果）6.1 通电前检查电路安装完毕后，经检查电路各部分接线正确，电源、元器件之间无短路，器件无接错现象。6.2 调试过程 1首先是焊接的问题。在焊接之前应合理安排元件的布局，使电路看起来整齐、清晰。焊接的顺序很重要，应该是先焊体积比较小的元件，再焊体积比较大的元件；并且按功能划分焊接，一个功能块一个功能块的焊接。焊接好一个功能块便调试该功能块，看是否能正常工作，这样就更容易找到问题的所在。2如果各功能块的电路出现了问题，可以按以下步骤进行调试：1） 对照电路原理图，看电路是否连接正确。2） 仔细观察电路板上的元件是否有接错或接反的情况。3） 用万用表检查电路是否有虚焊、短路、开路现象。4） 接入电源，测试各关键点电压是否正常。3对电子镇流器电路实现功能进行调试。试验数据的采集与分析如下表一、二、三。表6-1 220V正常电压启动测试数据参数电感镇流器电子镇流器U220V220VI(mA)422.3422.4422.478.8878.9178.94P32.4832.5632.6410.7610.8410.88cos（cos=）0.34960.35040.35120.62000.62440.62650.35040.6236 表6-2 低电压启动（电感镇流器工作的最低电压）测试数据参数电感镇流器电子镇流器U170V170VI(mA)295.3295.4295.472.1272.1672.18P22.2422.2822.328.108.138.16cos（cos=）0.44300.44370.44450.66070.66270.66500.44370.6627 表6-3 低电压启动（电子镇流器工作的最低电压）测试数据类型UI(mA)Pcos（cos=）电子镇流器90V58.323.510.66870.677358.353.550.676058.383.610.