单级高功率因数调光式荧光灯电子镇流器设计
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高功率因数荧光灯电子镇流器设计——PWM型AC/DC和DC/AC变换电路综合应用专题照明技术与我们日常生活息息相关,在工厂、办公室、图书馆、餐厅、学校、商店等场所,照明技术为我们提供了宜人的工作、生活环境。
在现代照明技术中,电子镇流器由于其效率高、无频闪、无噪声、体积小等优点得到了广泛应用,此外,电子镇流器还能够实现调光,功率因数校正、同时驱动多支灯管等功能。
照明系统依赖于镇流器与灯源的协同工作,了解灯源的工作特性是设计电子镇流器的前提。
一、荧光灯的结构和工作特性1、荧光灯的结构组成家庭及工业照明用荧光灯(俗称日光灯)是一种低压汞蒸汽放电灯,其大部分光是由放电产生的紫外线激发管壁上的荧光粉涂层而发射出来的。
附图5-1是直管形荧光灯结构示意图。
荧光灯的核心部分是管形玻璃管和灯丝,其中,玻璃附图5-1 直型荧光灯管的结构示意图管的内壁上涂有荧光粉。
管内填充有惰性气体(如氩)和低气压汞蒸汽。
在灯两端各有一个电极,电极通常由钨螺旋做成,上面涂有热电子发射材料,人们将这种涂有电子发射材料的灯丝称为阴极。
灯丝两端与被称为导丝的支架相连接,导丝又与两个引出电极相连。
导丝和喇叭管等组成芯柱,其作用是保证电导线与玻璃壳进行气密性封接。
荧光灯工作时,放电发生在低气压的汞蒸汽和惰性气体的混合气中,产生很强的253.7nm的紫外辐射,经荧光粉转换成可见光。
2、荧光灯的主要特性与其它一些气体放电灯一样,荧光灯具有负阻抗特性,典型的荧光灯电压—电流(V-I)特性曲线如附图5-2所示。
当施加于荧光灯两端的电压低于触发启动电压(U strike )时,灯呈高阻关断状态,灯中没有电流通过,一旦外加电压达到了灯的点火电压值,灯则导通,并且其两端电压立即降低,灯电流增大,呈现负阻特性。
由于外接镇流器的限流作用,使灯电流稳定在额定值,并且灯两端的导通电压降(U on )也基本保持不变。
荧光灯的触发启动电压和正常工作时灯两端的电压降与灯管长度、灯管直径、灯管内填充气体的种类、气压、温度以及电极种类(是冷阴极还是热阴极)等因素有关。
荧光灯镇流器工作原理
荧光灯镇流器是一种用于稳定荧光灯电流的电子装置。
其主要工作原理如下:
1. 荧光灯工作原理:荧光灯是利用气体放电产生的紫外线辐射来激发荧光粉发光。
荧光灯需要较高的电压来启动放电过程,但一旦放电开始,电流会迅速增大。
2. 镇流器作用:荧光灯需要稳定的电流供应才能正常工作,而电源提供的电流波动较大。
因此,荧光灯镇流器主要作用就是通过控制电流,使其能够始终保持在稳定的水平,以确保荧光灯正常工作。
3. 电感器原理:荧光灯镇流器通常包含一个电感器。
电感器是一种能够抵抗电流变化的元件,它能在电流改变时产生一个电磁感应电动势,从而阻碍电流的变化。
通过适当选择电感器的参数,可以实现对电流的稳定控制。
4. 电容器原理:荧光灯镇流器还通常包含一个电容器。
电容器是一种能够存储电荷的元件,它能够在电源电压波动时释放或吸收电荷,从而缓冲电源电压的变化。
通过适当选择电容器的参数,可以实现对电压的稳定控制。
5. 反馈控制原理:荧光灯镇流器还使用反馈控制技术来实现对电流的精确控制。
通过将输出电流与参考电流进行比较,并进行调节,可以实现对输出电流的稳定控制。
综上所述,荧光灯镇流器通过电感器、电容器和反馈控制技术等多种元件和技术手段,实现对荧光灯电流的稳定控制,从而确保荧光灯能够正常工作。
IR21531的实例应用: 高功率因数荧光灯电子镇流器设计——PWM型AC/DC和DC/AC变换电路综合应用专题照明技术与我们日常生活息息相关,在工厂、办公室、图书馆、餐厅、学校、商店等场所,照明技术为我们提供了宜人的工作、生活环境。
在现代照明技术中,电子镇流器由于其效率高、无频闪、无噪声、体积小等优点得到了广泛应用,此外,电子镇流器还能够实现调光,功率因数校正、同时驱动多支灯管等功能。
照明系统依赖于镇流器与灯源的协同工作,了解灯源的工作特性是设计电子镇流器的前提。
一、荧光灯的结构和工作特性1、荧光灯的结构组成家庭及工业照明用荧光灯(俗称日光灯)是一种低压汞蒸汽放电灯,其大部分光是由放电产生的紫外线激发管壁上的荧光粉涂层而发射出来的。
附图5-1是直管形荧光灯结构示意图。
荧光灯的核心部分是管形玻璃管和灯丝,其中,玻璃附图5-1 直型荧光灯管的结构示意图管的内壁上涂有荧光粉。
管内填充有惰性气体(如氩)和低气压汞蒸汽。
在灯两端各有一个电极,电极通常由钨螺旋做成,上面涂有热电子发射材料,人们将这种涂有电子发射材料的灯丝称为阴极。
灯丝两端与被称为导丝的支架相连接,导丝又与两个引出电极相连。
导丝和喇叭管等组成芯柱,其作用是保证电导线与玻璃壳进行气密性封接。
荧光灯工作时,放电发生在低气压的汞蒸汽和惰性气体的混合气中,产生很强的253.7nm的紫外辐射,经荧光粉转换成可见光。
2、荧光灯的主要特性与其它一些气体放电灯一样,荧光灯具有负阻抗特性,典型的荧光灯电压—电流(V-I)特性曲线如附图5-2所示。
当施加于荧光灯两端的电压低于触发启动电压(U strike )时,灯呈高阻关断状态,灯中没有电流通过,一旦外加电压达到了灯的点火电压值,灯则导通,并且其两端电压立即降低,灯电流增大,呈现负阻特性。
由于外接镇流器的限流作用,使灯电流稳定在额定值,并且灯两端的导通电压降(U on )也基本保持不变。
荧光灯的触发启动电压和正常工作时灯两端的电压降与灯管长度、灯管直径、灯管内填充气体的种类、气压、温度以及电极种类(是冷阴极还是热阴极)等因素有关。
电子镇流器目录摘要电子镇流器(Electricalballast),是镇流器的一种,是指使用电子技术驱动电光源,使之产生所需照明的电子设备。
与之对应的是电感式镇流器(或者镇流器)。
现代日光灯越来越多的使用电子镇流器,轻便小巧,甚至能够将电子镇流器与灯管等集成在一起,同时,电子镇流器通常能够兼具起辉器功能,故此又可省去单独的起辉器。
电子镇流器还能够具有更多功能,比如能够通过提高电流频率或者者电流波形(如变成方波)改善或者消除日光灯的闪烁现象;也可通过电源逆变过程使得日光灯能够使用直流电源。
电子镇流器-基本概述电子镇流器电子镇流器-基本分类DC 24V电子镇流器按安装模式可分为:(1)独立式(2)内装式(3)整体式按性能特点可分为:(1)普通型,0.6≥120%90%1.4~1.6高频化使之小型、轻、有节电功能;(2)高功率因数型H级,≥0.9≤30%≤18%1.7~2.1使用无源滤波与特殊保护;(3)高性能电子镇流器L级,≥0.95≤20%≤10%1.4~1.7有完善的特殊保护功能,电磁兼容;(4)高性价比电子镇流器L级,≥0.97≤10%≤5%1.4~1.7集成技术与恒功率电路设计,电压波动影响照度小;(5)可调光电子镇流器,≥0.96≤10%≤5%≤1.7使用集成技术与有源可变频率谐振技术。
电子镇流器-应用领域石英灯电子镇流器1、一拖一、一拖二灯箱专用电子镇流器是专门为户外灯箱,广告牌而设计的。
优势有下列几个方面:(1)使用安全绝缘性能高,防水防潮性能好,镇流器温升低,不可能影响灯箱布或者灯箱片因受热而变黄。
(2)方便:2、一拖一、一拖二普通型电子镇流器适用于各类普通照明场合灯具的安装与更换;电子镇流器-要紧优点电子镇流器电子镇流器-选用建议35W声光电子镇流器电子镇流器对提高照明系统能效与质量有明显优势,是新国际推荐应用的产品,也是未来进展的趋势。
(3)应选用高品质、低谐波的产品,不应单纯追求价廉,应满足使用的技术要求,考虑运行保护效果,并作综合比较。
电子镇流器的几种类型对比-基础电子导读:电子镇流器是指采用电子技术驱动电光源,使之产生所需照明的电子设备。
本文主要对电子镇流器的原理、特性及电子镇流器的几种类型进行对比、分析。
1.电子镇流器知识简介电子镇流器是使用半导体电子元件,将直流或低频交流电压转换成高频交流电压,驱动低压气体放电灯(杀菌灯)、卤钨灯等光源工作的电子控制装置。
与之对应的是电感式镇流器(或镇流器),目前应用广的是荧光灯电子镇流器。
现代日光灯越来越多的使用电子镇流器,轻便小巧,甚至可以将电子镇流器与灯管等集成在一起,同时,电子镇流器通常可以兼具起辉器功能,故此又可省去单独的起辉器。
电子镇流器还可以具有更多功能,比如可以通过提高电流频率或者电流波形(如变成方波)改善或消除日光灯的闪烁现象;也可通过电源逆变过程使得日光灯可以使用直流电源。
电子镇流器分:荧光灯电子镇流器、高压钠灯电子镇流器、金属卤化物灯电子镇流器。
由于采用现代软开关逆变技术和先进的有源功率因数矫正技术及电子滤波措施,具有很好的电磁兼容性,降低了镇流器的自身损耗。
2.电子镇流器的主要特性(1)节能它的自身功耗为电感镇流器1/4,工作电流为1/3,功率因数高,无功损耗低。
发光效率较电感镇流器提高15%,所以输入功率比标称功率下降5%左右,其照度不变。
综合计算比电感镇流器节电不小于25%,能够低电压或低温启动。
(2)无频闪灯管内荧光粉在高频20KHZ以上工作时发光稳定,光线柔和,消除了“频闪”,启动无需启辉器、无闪烁、有利于保护眼睛视力。
(3)无噪音而电感镇流器工作发出的令人烦躁的轰鸣声,不利于人们在安静的环境中工作学习。
(4)灯管寿命长灯管启动无需启辉器,不被反复冲击、闪烁、不会使灯管两端过早发黑。
启辉,延长灯管寿命3倍,大大减少维修更换灯管的工作量。
总之,高性能电子镇流器对电网的阴抗表视为容性,功率因数高减少无功率损耗,减少供电设备的增容和线路中的铜铁损。
3.电子镇流器的三种启动类型(1)热启动:欧洲地区又叫做柔性启动、暖性启动、或者北美地区又叫可程式启动,此种设计方式系于灯管启动时,先给予灯丝预热或者加温,其特色为不受灯管开关点灭次数的影响,减轻灯管黑化现象,可以延长灯管的寿命,适合开关频率高的使用场所,或者维修困难的场所,如果配合使用调光电子镇流器,更必须使用含有预热式启动功能的电子镇流器,换而言之,预热启动式的电子镇流器对灯管的保护提供的保证。
实验一荧光灯的安装及功率因数的提高一、实验目的1、了解荧光灯的工作原理,学习荧光灯的安装方法。
2、掌握提高功率因数的方法,理解提高功率因数的意义。
3、熟悉交流仪表的使用方法。
二、实验设备和器材荧光灯灯管1支镇流器1个起辉器1个灯管支座2个直流稳压电源0~30 V 万用表MF-500型电流表0~5 A 功率表1只三、实验原理与说明1、荧光灯电路的组成电路由荧光灯管、镇流器、起辉器组成,原理电路图如实训图1-1所示。
(1)荧光灯管荧光灯管是一支细长的玻璃管,其内壁涂有一层荧光粉薄膜,在荧光灯管的两端装有钨丝,钨丝上涂有受热后易发射电子的氧化物。
荧光灯管内抽成真空后,充有一定量的惰性气体和少量的汞气(水银蒸气)。
惰性气体有利于日光灯的启动,并延长灯管的使用寿命;水银蒸气作为主要的导电材料,在放电时产生紫外线激发日光灯管内壁的荧光粉转换为可见光。
(2)起辉器起辉器主要由辉光放电管和电容器组成,其内部结构如实训图1-2所示。
其中辉光放电管内部的倒U形双金属片(动触片)是由两种热膨胀系数不同的金属片组成;通常情况下,动触片和静触片是分开的;小容量的电容器可以防止起辉器动、静触片断开时产生火花烧坏触片。
(3)镇流器镇流器是一个带有铁心的电感线圈。
它与起辉器配合产生瞬间高电压使荧光灯管导通,激发荧光粉发光,还可以限制和稳定电路的工作电流。
2、荧光灯的工作原理如实训图1-1所示,在荧光灯电路接通电源后,电源电压全部加在起辉器两端,从而使辉光放电管内部的动触片与静触片之间产生辉光放电,辉光放电产生的热量使动触片受热膨胀趋向伸直,与静触片接通。
于是,荧光灯管两端的灯丝、辉光放电管内部的触片、镇流器构成一个回路。
灯丝因通过电流而发热,从而使灯丝上的氧化物发射电子。
与此同时,辉光放电管内部的动触片与静触片接通时,触片间电压为零,辉光放电立即停止,动触片冷却收缩而脱离静触片,导致镇流器中的电流突然减小为零。
于是,镇流器产生的自感电动势与电源电压串联叠加于灯管两端,迫使灯管内惰性气体分子电离而产生弧光放电,荧光灯管内温度逐渐升高,水银蒸气游离,并猛烈地撞击惰性气体分子而放电,同时辐射出不可见的紫外线激发灯管内壁的荧光粉而发出近似荧光的可见光。
单级高功率因数调光式荧光灯电子镇流器设计李艳,郑颖楠(燕山大学,河北 秦皇岛 066004)摘要:提出了一种调光式荧光灯电子镇流器的设计方法。
基于该方法设计了一种能调光的高功率因数的电子镇流器。
采用荧光灯PSPICE模型做仿真验证,结果表明方案和参数设计合理,调光性能优良。
关键词:调光;电子镇流器;功率因数校正Design of a High Power Factor Electronic Dimming BallastLI Yan, ZHENG Ying-nanAbstract:A electronic dimming ballast design method is presented,based on this method,a kind of high power factor single-stage electronic dimming ballast is carried out.A fluorescent lamp PSPICE model is utilized for the electronic ballast simulation to verify the validity of the design,and the effect of dimming is good.Keywords:Dimming; Electronic ballast; PFC中图分类号:TN86 文献标识码:A 文章编号:0219-2713(2003)04-0160-041 引言近年来,高频荧光灯电子镇流器以其高效、体积小、重量轻、无频闪、灯寿命长等优点而逐渐为人们所接受。
我国对电子镇流器的研究和发展是在上世纪80年代末到90年代初。
在初期,很多厂家为了节约成本,选用的拓扑结构较简单,性能指标往往无法达到国家标准,而且极易损坏,这无疑给电子镇流器的普及造成了更多障碍。
目前,一些人直接套用国外先进的电路拓扑,致使设计方法纷繁复杂,甚至有些根本不适于在220V/50Hz电网下工作。
随着节能问题越来越受到关注,高性能的荧光灯电子镇流器需要增加调光功能,在不必要满功率输出的场合,降低输出功率,不仅节能,延长灯的使用寿命,而且还能起到变换视觉效果的目的。
因此,研究出高性能、更贴近灯特性、且功能齐全的电子镇流器迫在眉睫。
2 设计要点2.1 概述调光功能实际上是指具有调节灯上的输出功率的功能。
当照明装置并不需要满功率输出时,研究表明,应用调光系统可节能50%。
在传统的无调光系统镇流器设计中,由于灯在高频下且稳定工作时,输出功率也恒定,可以近似认为灯是定常电阻。
当电网电压波动,或由于其它原因使灯电流、灯电压发生变化,即灯电压、灯电流RMS值及灯功率发生改变时,只要通过闭环控制就可以使灯稳定地工作在额定点附近,灯电阻就不会发生很大的变化。
然而,在调光工作模式下设计变得复杂了,如果仍然把灯等效成纯阻性负载,会产生相当大的偏差,因为在不同的调光等级,荧光灯所表现出的负阻特性是不同的。
因此设计调光式电子镇流器不能用简单的电阻负载来等效灯。
近年来,由于采用计算机辅助设计使电力电子装置设计过程大大简化,并且可以得到更多的电路工作信息。
常用的仿真软件有PSPICE、MATLAB 等等,而在电力电子装置的设计中以使用PSPICE居多。
因此,建立荧光灯的PSPICE模型成为迫切需要解决的问题。
2.2 荧光灯的建模荧光灯的建模主要有两种方法,一种是物理建模,它是基于灯的物理放电现象,然而这种建模方法都要涉及较复杂的方程式和很多变量,不适合电路仿真;另一种是采用曲线拟和的方法,它是利用灯的V-I特性曲线建模,根据实验结果用含有待定系数的曲线方程去近似,其中,有的用立方曲线方程,还有用指数曲线方程、抛物线曲线方程、甚至用线性方程去拟和。
PSPICE模型可以是静态模型也可以是动态模型。
静态模型需计算出在不同工作点时灯所表现的阻抗值,再进行分布仿真,通常这类模型建立起来比较简单,但应用十分不便。
动态模型需要在工作点变化时,把此时灯所呈现出来的阻抗值直接反映出来,包括它的启动过程,这样的模型通常称之为调光模型,这种模型非常适用于调光式电子镇流器的设计。
图1是一个荧光灯PSPICE动态模型[1]。
它是基于指数曲线拟和而成的,此模型是针对32W-T8灯建立的。
图1 荧光灯PSPICE模型2.3 调光方式调光是指调节传递到灯上的能量,从而改变灯功率。
一个调光控制系统中一般通过控制四个参量达到调光目的,即1)调频2)调节占空比3)调节直流母线电压4)调节谐振阻抗值[2]。
频率控制指的是改变开关频率f s ,使工作频率远离谐振网络的自然谐振频率而减少灯功率,此时保持占空比D 恒定不变。
占空比调制是指在f s 恒定的情况下,改变开关的导通时间,导通时间的减少使传递到灯上的能量减少从而使灯上的功率减少。
占空比调制范围是从0变化到0.5,因此,限制了调光范围。
调节直流母线电压指的是改变直流母线电压的幅值,同时保持f s 和D 不变,这种控制方式只能用于双级拓扑结构中。
阻抗控制是指改变谐振网络的L s 、C r 的参数值,这种控制方式实现起来较复杂。
其中,采用调频方式的电路结构较简单,且容易控制,因此,实际应用最多。
但它却有着在整个调光范围内,不易实现软开关;在轻载时,器件应力很大;且硬开通和硬关断使电磁骚扰问题严重等缺点。
为了扩大调光范围,则需扩大频率变化范围,而频率范围又受电磁元件、门极驱动电路所限制,灯电流近似与逆变器频率成反比,因此设计电感等电磁元件时要考虑这方面的影响。
2.4 模型的验证图2使用一个简单电路验证一下灯模型,拓扑仅由一个CLASS -D 逆变器构成。
参数为L s =1.56mH ,C r =5.6nF ,f s =45kHz ,D =0.45。
图2 CLASS D 型 逆 变 器 电 路 拓 扑从图3中可以明显地看出,在整个调光范围内灯电压几乎不变,灯电流随着频率的增加而逐渐降低。
当f s 接近75kHz 时,灯电流急剧下降,继续增大频率,灯将会熄灭。
由此说明此模型能够很好地反映灯特性。
(a ) f =45kHz,D =0.45(b) f=70kHz,D=0.45(c) f=75kHz,D=0.45图3不同频率下灯电压、灯电流仿真波形3 设计与验证3.1 主电路拓扑主电路拓扑结构如图4所示。
电子镇流器的主电路由PFC电路和谐振电路两部分组成。
考虑到两级结构的成本过高,因此将两级中的功率开关管共用变成单级结构。
图4所示主电路拓扑就是将Buck-Boost型PFC电路与并联负载串联谐振电路合成在一起,灯模型采用前面所提到的模型。
图4 调 光 式 荧 光 灯 电 子 镇 流 器 主 电 路 拓 扑3.2 理论设计对于上述拓扑,功率因数校正级电感Lo 是和频率有关的量,那么调光时,随着频率的升高,电感电流可能要连续,这样会影响功率因数校正的效果,灯上电压、电流也会发生畸变,从而限制了调光范围。
因此,它的参数选择至关重要[3]。
首先,由于电感电流工作于DCM 状态,电感电流的峰值i in(peak)(t )正比于线电压,所以它在半个工频周期(T /2)内为i in(peak)(t )= (1)(0 t )式中:V I 为电网电压的幅值;ω(=2π/T )为电网电压的角频率;f s 为开关频率,它大大高于电网电压频率;D 为开关的占空比。
而电感电流的平均值i in(m)(t )为i in(m)(t )== (2)从上式可以看出电感电流的峰值是呈正弦变化的,因此能实现功率因数校正。
假设Buck -Boost 变换器的效率是100%,功率因数是“1”,一个工频周期内输入功率因数校正级的平均功率为P i 为P i === (3)式(3)表明输入功率P i 在L o 恒定的情况下可以通过改变占空比和频率来控制,如果输入功率等于灯驱动级的功率,电压V co 能够保持恒定。
相反,如果输入功率大于灯吸收的功率,则V co 将无限制地增长,造成器件损坏。
所以,应尽量使两者相等,而输出到灯上的功率P o 为P o = (4)式中:V o 为灯管两端电压;R lamp 为灯管等效电阻。
为了保证电感电流工作在DCM 状态,占空比D 必须满足以下条件 D (5)L o = (6)式中:P of1,D f1,f sf1分别表示满载时输出功率,占空比和开关频率。
保证了整个调光范围内电感电流断续,即功率因数始终为“1”。
选择开关频率f s 为45kHz ,为了给DCM 工作状态留一个裕量,选择D =0.45。
功率因数校正极电感L o =3.37mH 。
并联负载串联谐振网络参数采用基波近似法得到,参数如下:C s =1µF ,L s =1.41mH ,C r =5.6nF ,模型依然采用前面提及的灯模型。
调频调光时直流母线电压、灯电压、灯电流波形如图5所示。
(a) f=45kHz,D=0.45(b) f=75kHz,D=0.45图5 提出的单级电子镇流器不同频率下直流母线电压、灯电压、灯电流仿真波形由图5的仿真波形可以看出,所提出的电路拓扑及参数能够达到设计要求。
当频率从45kHz提高到75kHz时,灯功率可以从140%(46W)下降到1%(0.29W)。
因此,设计的电路调光范围很宽,调光范围是一项非常重要的性能指标。
=75kHz时输入电流依然能够跟随输入电压,达到功率因数为“1”。
其波形如图7所 调光电子镇流器的频率与功率之间的关系如图6所示。
当fs示。
图6 32W荧光灯调频法调光曲线图7 输入电压电流波形4 结语应用荧光灯PSPICE动态模型可以方便地设计出一个可调光的电子镇流器,设计者可以采用更少的假设做更深入的研究。
对所选拓扑其调光范围可达到满功率的1%,调光范围较宽,其功率因数达到“1”,波峰因数在整个调光范围内始终小于1.7。
参考文献[1] Naoki Onish,Tsutomu Shiomi.A fluorescent lamp model for high frequency wide range dimming electronic ballast simulation[C].IEEE PESC Record-IEEE Annual Power Electronics Specialists Conference 1999:1001- 1005.[2] S.Y.Ron Hui,Leung Ming Lee,Henry Shu-Hung Chuing,Y.K.Ho.An electronic ballast with wide dimming range, high PF, and low EMI [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2001,16(4):465- 472.[3] E.Deng,S.Cuk.Single-stage,high power factor,lamp ballast[C].IEEEE APEC Record- IEEE 1994:441- 449.作者简介李艳(1977-),女,燕山大学电气工程学院电力工程系教师,硕士研究生,主要研究方向:中小功率开关电源,高频功率变换。