《電子技術(shù)應用》
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基于熒光燈簡易模型的電子鎮(zhèn)流器頻率特性分析
摘要: 基于熒光燈的簡易電路模型,分析了主要頻率點與輸出回路參數(shù)的關系,利用IR2520芯片進行電路設計。實驗結(jié)果表明,燈管電氣特性頻率與電子鎮(zhèn)流器相匹配的思路有利于延長燈管壽命。
Abstract:
Key words :

隨著綠色照明工程的推出,電子鎮(zhèn)流器的作用日益突出。但在實際中,電子鎮(zhèn)流器在性能和可靠性上仍存在一些問題,主要是熒光燈須有較大的電流在一定時間內(nèi)給燈絲預熱,600~800 V的高電壓使燈點燃,穩(wěn)定的工作頻率使其工作在額定功率狀態(tài)。
    電子鎮(zhèn)流器是一個通過電子電路,將工頻電源變換成直流電源,再將直流電源變換成數(shù)十kHz甚至更高頻率,集點燃和限流于一體的逆變裝置,它給熒光燈提供一個較高較合適頻率的電源。頻率對其性能和可靠性的影響至關重要,為了提高裝置的性能和可靠性,解決熒光燈預熱啟動與燈管的匹配問題,對電子鎮(zhèn)流器進行相關電路設計時,需要對熒光燈的頻率特性進行詳細的分析。

1 頻率對電子鎮(zhèn)流器的影響
   
頻率對電子鎮(zhèn)流器性能和可靠性的影響可以分為以下幾個方面:
    (1)光效。熒光燈的光效取決于其內(nèi)部參數(shù)和外部條件等多種因素。提高工作頻率,熒光燈的光效會隨之提高。
    (2)損耗。元器件介質(zhì)的損耗與頻率有關。當損耗太高時,不僅造成能量的浪費,而且這些能量會轉(zhuǎn)化為熱量,使鎮(zhèn)流器的溫度升高,導致各種元器件的特性變壞,引起鎮(zhèn)流器的穩(wěn)定性和可靠性下降。
    (3)噪音。在交變電場的作用下,電子鎮(zhèn)流器中的磁性元器件會產(chǎn)生噪音。如果頻率>20 kHz,人耳朵聽不到,有利于保護工作和生活環(huán)境。

2 電子鎮(zhèn)流器頻率的確定
   
熒光燈點亮前處于開路狀態(tài),點亮后具有動態(tài)的負阻特性,是一種典型的非線性對象。當在兩電極間加上電壓,燈管沒點亮前,流過燈管的電流非常小,熒光燈可視為開路,等效電路模型如圖1所示。圖中C0為高頻電子鎮(zhèn)流器的輸出電容,RL為電感L的等效電阻,尺f1和Rf2為熒光燈管的燈絲電阻,受溫度影響其阻值為幾到幾十Ω,Cres為諧振電容。鎮(zhèn)流器輸出V是峰值為200 V,占空比為50%的交流高頻方波。


    設計電路時以Philips 40 W日光燈為例,日光燈的預熱時間為1 s,預熱電流的有效值0.6 A,觸發(fā)電壓的峰值范圍600~800 V,燈管兩端有效值電壓103 V,電流的有效值0.33 A。
    根據(jù)燈管的額定參數(shù)及額定電壓和電流,計算燈管等效電阻R,本次設計中R=312 Ω。
    實際測量燈絲電阻Rf1和Rf2,經(jīng)過測量多個燈管后,可以近似認為Rf1=Rf2=7.7 Ω。
    根據(jù)工程設計經(jīng)驗,選擇諧振電容Cres=6 800 pF。
    選擇期望的運行頻率:為了燈管可靠的點火并正常進入工作狀態(tài),通常選擇fpre>fign>frun(fpre,fign分別為預熱頻率和點火頻率),而點火頻率fign大于串聯(lián)諧振頻率fres,因此確定了fres也基本確定了frun的數(shù)值范圍。
2.1 預熱頻率fpre
   
電子鎮(zhèn)流器接通電源后,逆變電路工作頻率較高,而燈管兩端的電壓較低,在冷態(tài)下無法使燈管激活啟輝,避免燈絲因硬擊穿而受損。從電源接通時刻,在tpre時間內(nèi)振蕩頻率保持fpre不變,電路處于預熱階段。
    確定預熱頻率fpre:此時預熱電流I=0.6 A,應滿足式(1)。
   
    設L=2 mH,C0=0.1μF,代入相關參數(shù),求得fpre≈59.5 kHz。
2.2 觸發(fā)頻率fign
   
電路的固有諧振頻率由式(2)確定。
   
    當振蕩頻率移近電路的固有頻率fres時,燈兩端電壓會急劇上升到其點燃電壓,使燈點燃,設L=2 mH,Cres=6 800 pF,C0=0.1μF,代入式(2),可求得fign=fres≈44.6 kHz,
2.3 運行頻率frun
   
當熒光燈正常發(fā)光時,其運行電壓和電流也確定了,此時熒光燈可等效為電阻R,等效電路模型如圖2所示。此時R不能忽略,由正常工作的管電壓和管電流確定。


    電路中燈絲電阻Rf1和Rf2與諧振電容Cres串聯(lián),然后與燈管電阻R并聯(lián),當頻率降到燈的正常工作頻率時,燈便工作在額定頻率下,此時電流I=0.33 A,滿足式(3)。
   
    設L=2 mH,C0=0.1μF,R=312 Ω,V=180 V,RL=1 Ω,由ω=2πf,求得frun≈39.5 kHz。
    由計算可得頻率和時間的關系曲線如圖3所示。


    在燈未啟動前,輸出回路是一個LCR回路,頻率先從一個很高的起始頻率下降到預熱頻率點,經(jīng)過0.4~1 s的預熱后,使頻率逐漸過點燃點,最后使燈在額定功率下工作。
    為了使熒光燈能夠安全,可靠地工作,在輸出回路中正確合理地選擇L和C的數(shù)值,再由L和C的值確定燈的3個頻率點與燈管的電氣特性是否匹配。

3 應用電路設計
   
采用熒光燈電子鎮(zhèn)流器控制器IR2520驅(qū)動雙極型晶體管功率開關組成的逆變器電路如圖4所示。


    電路工作時,首先由IC內(nèi)的振蕩器產(chǎn)生一個高頻信號,然后在IR2520的6腳輸出電壓驅(qū)動MOSFET管導通,經(jīng)過LC諧振電路,產(chǎn)生一個高壓脈沖,只要燈管完好并且擊穿,日光燈即可被點燃。
    燈管正常啟動后,對其兩端的電壓和電流波形進行測量。如圖5所示,燈電壓與燈電流的實驗波形可見,設計的鎮(zhèn)流器使燈的電壓和電流基本接近標準工作電壓103 V,電流0.33 A。



4 結(jié)束語
   
本文以Philips 40 W日光燈為例,介紹了電子鎮(zhèn)流器從預熱、啟動到正常運行的頻率特性。當電子鎮(zhèn)流器與燈管達到最佳參數(shù)匹配時,日光燈可以從電子鎮(zhèn)流器中獲得最佳電能,從而提高系統(tǒng)的光效和可靠性,延長燈管的使用壽命。

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