日光灯节电型电子镇流器设计.doc

日光灯节电型电子镇流器设计目录目录 摘要1关键词1一、概述1（一）荧光灯的使用1（二）电子镇流器的优点1（三）荧光灯对电子镇流器的基本要求2（四）电子镇流器有关术语3二、电子镇流器基础电路分析4（一）电子镇流器基本组成4 (二) EMI滤波器4（三） 整流器电路（AC-DC变换器）5（四）DC-AC逆变器电路5（五） 输出级LC串联谐振电路6三、电子镇流器电路设计7（一）电路工作原理8（二）各元件作用8（三）各元件参数9（四）影响镇流器工作频率的因素11（五）安装与试调12四、结束语12参考文献 13I日光灯节电型电子镇流器设计摘要：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，列举元件参数供参考。关键词：荧光灯 电子镇流器 原理 设计一、 概述（一） 荧光灯的使用 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。 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。但是由于荧光灯的负阻工作特性( V/I)，荧光灯在使用时需配用镇流器件。在现在使用的镇流器中，据估计利用高频交流电子镇流器后可较普通电感镇流器节电20%25%，并且高频交流电子镇流器在使用过程中没有频闪效应。因此电子镇流器得到了广泛的应用。（二）电子镇流器的优点 目前气体放电灯使用的镇流器主要有两种：电感式镇流器和高频交流电子镇流器。由于电感式镇流器工作在工频市电频率，体积大、笨重，还需要消耗大量的铜和硅钢等金属材料，散热困难、镇流效率低、发光有频闪等缺点。而电子镇流器则有以下优点： 1、节能：电子镇流器自身的功率损耗仅为电感镇流器的40%左右，而且荧光灯在30KHZ左右的高频下，光效将提高20%。，工作电流仅为电感的40%左右，并且能够在低温、低压下启动和工作。 2、无频闪、无噪声：灯管在30KHZ左右工作时，发光稳定，人眼感觉不出“频闪”，有利于保护视力，有利于在安静的环境中工作和学习。 4、灯管寿命延长：无需启辉器，易启动。有异常状态保护功能，不被反复冲击和闪烁，不会使灯管过早发黑，减少维修和更换启辉器和灯管的工作量。 5、功率因数高：减少了无功损耗，提高了供电设备容量的有效利用率，减少线路的损耗。（三）荧光灯对电子镇流器的基本要求 根据荧光灯的特性，为保证灯能可靠启动和正常工作，对灯的性能不造成损害，电子镇流器必须满足以下几个方面的基本要求： 1、能为荧光灯在启动之前提供灯阴极预热。对于绝大多数阴极预热型荧光灯来说，在灯管启动之前对灯丝先进行预热是绝对必要的。灯阴极预热不仅可延长灯管的使用寿命，而且还能降低灯管的启动电压。 2、能为荧光灯提供可靠启动的高电压。对于不同类型和不同功率的荧光灯，其启动电压一般在600 - 1500V之间。目前绝大多数电子镇流器是利用LC串联谐振电路来产生高压脉冲对灯管进行点火的。高性能的电子镇流器在灯触发失败之后应能自动重新启动。若接连数次启动均失败，镇流器应能自动关闭。 3、灯管成功启动之后，能为灯管提供大小合适且稳定的工作电流。若灯管电流偏小，则会影响灯管亮度；若灯管电流偏大，高于灯管的额定值，则会影响灯管寿命。电子镇流器的输出电流和输出功率，必须与所驱动的灯管参数相匹配。4、 应采取功率因数校正( PFC)技术，有效抑制输入电流谐波失真，提高线的路功率因数。如果交流电子镇流器的AC-DC变换器只是采用桥式整流和电容滤波电路，则会使交流输入电流波形发生严重畸变，污染电网，成为一种“电力公害”，同时导致线路功率因数只有0. 550.60的水平，严重影响节电效果。为此，当电子镇流器的功率较大时（如25W以上），必须采用PFC电路。 5、具有较高的安全性和可靠性。灯没有接入或灯不能启动等异常条件下，电子镇流器应不受损害。电子镇流器用绝缘材料应具有足够的耐热和耐火性能，及其所用零部件应具有良好的防潮和防腐蚀性能。电子镇流器具备防止意外接触带电体的保护功能。电子镇流器在故障状态下工作时不得产生易燃气体，不得喷出火焰或熔化金属，也不得使防止意外接触带电体的保护装置受到损伤。（四）电子镇流器有关术语 镇流器：指安装在电源与一只或几只荧光灯之间的装置，其主要功能是利用电感、电容或其电子元件器件，将灯（单只或多只）电流限制到需要值。它可以由一个或多个独立元件组成。镇流器也可以包括电源电压的变压装置，以及有助于提供启动电压和预热、防止冷启动、减少频闪效应、校正功率因数和抑制无线电干扰的装置。 交流电子镇流器：指将电源的交流电变换为较高频率的交流电，并使一只或几只管形荧光灯正常启动和稳定工作的变换器。 整流效应：指在灯寿命终止时，由于一个阴极损坏或电子发射不足，引起电弧电流在连续半周期中经常不一致的效应。 镇流器的流明系数：指灯与在额定电源电压下的被测镇流器配套工作时的光通量同该灯与在额定电源电压和额定电源频率下的基准镇流器配套工作时的光通量的比值。 基准镇流器：指专为试验镇流器和筛选基准灯管而设计的镇流器，其主要特点足在额定频率下具有稳定的电压电流比，相对地不受电流、温度和周围环境变化的影响。 基准灯：指特选用于测试镇流器的灯。该灯与基准镇流器配套在规定条件下工作时，其电特性应接近有关灯标准中规定的标称值。 基准镇流器的校准电流：作为调整和校准镇流器电流所依据的电流值。 线路功率：指在镇流器的额定电源电压和额定电源频率下，镇流器和灯的组合体所消耗的总功率。 线路功率因数：指镇流器和灯（一只或几只）组合体的功率因数。高功率因数镇流器：指线路功率因数达0.85或0.85以上的镇流器。高音频阻抗镇流器：指在2502000Hz范围内，声频阻抗值符合带有声频符号标志Z的镇流器规定的镇流器。 预热启动：指灯电极被加热至电子发射温度后灯才触发启动。 非预热启动：指灯电极不需加热，利用高开路电压引起电极场致发射而使灯触发启动。 预启动时间：对非预热启动镇流器而言，指电源开关接通后灯电流小于或等于lOmA的一段时间。二、 电子镇流器基础电路分析 电子镇流器是一个将工频交流电源转换成高频交流电源的变换器，其基本工作原理是：工频电源经过射频干扰(RFI)滤波器，全波整流和无源（或有源）功率因数校正器(PPFC或APFC)后，变为直流电源。通过DC/AC变换器，输出20K-100KHZ的高频交流电源，加到与灯连接的LC串联谐振电路加热灯丝，同时在电容器上产生谐振高压，加在灯管两端，但使灯管“放电”变成“导通”状态，再进入发光状态，此时高频电感起限制电流增大的作用，保证灯管获得正常工作所需的灯电压和灯电流。（一）电子镇流器基本组成 图2-0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。 （二）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2-1为常用的滤波器电路： 图2-1 （三）整流器电路（AC-DC变换器） 图2-2 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2-2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。 （四） 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2-3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2-3 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。（五）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，如在图2-4中，Lres为谐振电感，Cres为启动电容，Lres和Cres及C1、C2组成LC串联谐振电路。总谐振电容基本由Cres定。因此，谐振时的频率（即固有频率fo）为。 图2-4 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。三、 电子镇流器电路设计 图3-1现在我们就用全波桥式整流电容滤波电路、半桥逆变器电路和LC串联谐振电路来设计一个电子镇流器，设计电路图如上图3-1（一）电路工作原理 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。（二）各元件作用 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。（三）各元件参数的选择 根据相关资料对图3-1所用到的电子元件及其参数，列出表格3-1提供参考。表3-1是以2032W荧光灯电子镇流器为设计对象。 设整流电容滤波后输出的电压为 =300v，半桥振荡器振荡频率 35kHz 。 工作电压 。 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2032W 表3-11、 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3-2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3-23、 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3-5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3-3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3-3表3-4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3-4 4、电阻的选择 表3-5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3-5 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3-2到表3-5。（四）影响镇流器工作频率的因素 1、次级磁环匝数N1、N2 以及R5、R6 控制三极管的饱和程度，饱和程度越深，退出饱和越慢，工作频率越低，反之亦然。 2、磁环的磁导率越大，工作频率越低。 3、发射极反馈电阻R3、R4 越大，负反馈作用越强，三极管越不容易饱和，工作频率越高。 4、灯管等效电阻越大，时间常数=L/R 越小，工作频率越高。 5、工作环境温度上升，基极发射极电压UBE 减小，存储电荷与存储时间变大，工作频率变低。（五） 安装与调试1、 电路安装 使用的工具与材料：电烙铁、万用表、焊锡若干、电子元件（表3-1）等。方法：根据图3-1从左到右依次焊接。安装完后如下图3-2。图3-2 2、 电路调试 当我们按电路图图3-1连接成实物后 ，我们对实物进行检查，利用万用表对电路进行检测，电路各部位正常。 四、 结束语 通过一个月的毕业设计，我们不仅完成了电子镇流器的制作，而且收获了许多知识，提高了我们的动手制作能力。在刚接触这个课题时，我们对电子镇流器的认识并不多，但通过我们的学习和陈老师的悉心指导，我们学会了电子镇流器的工作原理，对电阻，电容，三极管等电子元件有了进一步了解。 在此感谢我们的指导老师陈建荣老师，在撰写论文等方面为我们提供了很多专业性的指导。参考文献：1毛兴武、祝大卫：新型电子整流器电路原理与设计，北京：人民邮电出版社，2007。2陈传虞：电子节能灯与电子镇流器的原理和制造，北京：人民邮电出版社，2004。3路秋生：常用电子镇流器电路及应用，北京：人民邮电出版社，2006。12