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常用荧光灯电子镇流器电路与应用

作者:缅甸小勐拉 | 日期:2019-01-21 | 评论:0 | 浏览:51

  该电路如图1所示,主振荡级选用双向触发二极管组成的半桥逆变自激振荡电路。为提高电路的功率因数,采用了逐流滤波无源功率因数校正电路,该无源功率因数校正电路由二极管VD5、VD6、VD7及电容C1、C2等元器件组成。这里,利用逐流滤波无源功率因数校正电路可以使电子镇流器的功率因数由0.6提高到0.95。

  电容器C3起滤除电磁谐波干扰的作用,使输入电源的总谐波失线同样具有滤除谐波干扰的功能,对加至荧光灯负载的射频干扰有很好的衰减作用。

  在双向触发二极管DB3回路中串联低值电阻R3,可有效地降低触发电路的浪涌脉冲电流对DB3的冲击,起到了过电流、过电压限幅的作用。所以,锯齿波发生器的启动电容器C4的容量才可以加大,以延长荧光灯灯管的预热启辉时间。

  串联谐振电容器为两个同容量、同耐压值的电容器C8、C9的串联。这样相应地提高了串联谐振电容器的总耐压值,以确保串联谐振电容器可靠工作。该电路的主要电气参数如表1所示,电路元件表如表2所示。

  该电子镇流器电路如图2所示。高频电感L1为射频干扰抑制电感,与高频滤波电容器C9相配合,能有效地滤除半桥功率逆变电路中产生的高次谐波脉冲干扰电流对电网的污染,降低了电子镇流器使用时对其他家用电器的射频干扰。

  整流二极管VD5、VD6、VD7与电解电容器C1、C2构成无源逐流滤波电路,改善了普通桥式整流、单电容滤波电路使交流输入市电电流波形严重畸变的弊端。无源逐流滤波电路与L1、C9相配合,可以使电子镇流器的功率因数提高到0.95。

  图2中的VT3、VT4构成该电子镇流器的过电压、过电流故障保护电路。当电子镇流器电路的主振电路正常工作时,并联在直流回路里的电阻R10、R11 起分压作用,在电阻R11上分出的电压给钳位二极管VD11提供一个反偏电压,使二极管VD11截止。由于在电子镇流器电路正常工作时电阻R9上的电压降较低,不足以使双向触发二极管VD14 触发导通,所以晶体管VT4的基极无正向偏置电压而截止。同时,晶体管VT3的基极也由于得不到足够的正向偏置电压而截止,不影响振荡电路的正常工作。当电子镇流器电路出现过电压或过电流故障时,f点的振荡输出电压升高,j点的电压也相应上升。当j点电压高于i点电压时,二极管VD12由于受正向偏置电压的作用而导通,i点的直流电压迅速升高。当i点的直流电压达到或超过双向触发二极管VD14的阈值电压时,VD14导通,晶体管VT4的基极由于得到较高的正向偏置电压而饱和导通。晶体管VT4饱和导通后,相当于短路了振荡线绕组,功率开关振荡晶体管VT2迅速截止,振荡电路停止振荡,致使半桥功率变换电路无输出。与此同时,i点的一部分直流电压加于晶体管VT3的基极,使晶体管VT3的基极电位迅速升高而饱和导通,双向触发二极管VD13对地短路,从而关闭触发电路。这时电容C3上不再有锯齿波电压输出,整个振荡电路迅速关闭,使电子镇流器电路的元器件不致由于过电压或过电流而损坏。主电路为VT1、VT2和VD13构成的二极管触发式半桥逆变电路。

  为了提高荧光灯的光效并延长灯管的使用寿命,目前的荧光灯绝大多数采用阴极预热启动工作方式。人们在电子镇流器电路方面做了大量深入的研究工作,如电子镇流器电路拓扑、阴极预热方式的选择等,以期充分发挥荧光灯的发光效率,提高工作性能。 荧光灯的阴极是一个很重要的部件,荧光灯使用寿命的长短主要取决于阴极的寿命。阴极上涂有以碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙为主的电子发射材料,这些材料只有当阴极工作温度为900~1000℃时才能充分发射电子。另一方面,阴极通过预热发射出大量电子,使灯管的启动电压降低,通常可以降低到阴极未预热启动电压的1/2~1/3。启动电压的降低减小了相关电子元器件所承受的电应力,从而降低了荧光灯的故障率,延长了灯管的使用寿命。IEC和我国国家标准明确规定荧光灯在点亮前必须经过阴极预热,并对各种型号、规格的荧光灯的预热时间和预热电流提出了具体要求。在电子镇流器发展过程中,阴极预热一直是研究的重点之一。

  PTC(Positive Temperature Coefficient)为正温度系数的意思,习惯上泛指正温度系数热敏半导体材料或元器件等。随着电子镇流器在我国的推广、使用,PTC元件在电子镇流器中的应用也逐步得到了重视。

  电阻-温度特性是PTC元件最基本的特性,常简称为阻温特性。阻温特性是指在规定电压下热敏电阻的零功率电阻与温度之间的关系。阻温特性曲线通常绘制在对数坐标中,线性横坐标表示温度,对数纵坐标表示电阻值。一般PTC元件的阻温特性如图3所示。

  T=Tmax.Tmin是与PTC元件材料相关的参数。T越小表示温度变化范围越窄,电阻随温度变化越快,PTC特性也就越好。阻温特性是PTC元件最基本的特性,一般情况下PTC元件的特性参数可以从阻温特性曲线上求得,而PTC元件特性的好坏也可以十分直观地从阻温特性曲线上看出。阻温特性好即指温度系数大和升阻比高,而升阻比高时耐压特性好。=h在图3中,Rmin为最小零功率电阻,对应温度为Tmin。Rmax为最大零功率电阻,对应温度为Tmax。最大零功率电阻与最小零功率电阻的比值(maxminRR)称为升阻比,它是PTC元件的重要参数。

  在图3中,V1>V2,表明在电压V1作用下PTC元件的升阻比、温度系数等均优于V2。因此,在实际应用中必须注意加到PTC元件上的电压大小,尽可能使其电压低些。

  图4所示为PTC元件的伏安特性曲线,表示加在PTC元件两端的电压与电流之间的关系。从图4中可以看出,环境温度T1>T2,在T1环境温度下,流经PTC元件的电流大于环境温度为T2时的电流。所以,在使用中应尽量降低PTC元件的环境温度。图5所示为PTC元件的电流-时间特性曲线,表示在对PTC元件施加电压的过程中流过PTC元件的电流随时间变化的特性。

  电子镇流器电路主要利用PTC元件的阻温特性来实现荧光灯灯丝的预热。利用TPC元件,电子镇流器可以十分方便地实现以下两个功能:

  荧光灯灯丝预热后再启动是为了确保预热式荧光灯灯管的工作寿命要求。国家标准GB/T 15144-94和国际电工委员会标准IEC-929中对此均有明确规定,即热阴极类荧光灯在采用预热阴极启动方式时,其阴极预热时间不得小于0.4s,采用PTC元件后可以比较容易地达到以上要求。

  目前国内市场上的电子镇流器普遍采用图6所示的自激式串联谐振电路。启动电压是由镇流电感L和启动电容C4组成的串联谐振电路在启动电容C4两端产生谐振电压来得到的。串联谐振电路的品质因数41LQCRR,式中R为L、C4回路的串联等效损耗电阻,为谐振电路的谐振频率。当L、C4谐振回路发生谐振时,镇流电感L或启动电容C4上的电压VC4=QVl。合理选择镇流电感L和启动电容C4的参数,可以使启动电容C4上的谐振电压VC达到灯管的点火电压。对阴极不进行预热的电子镇流器电路,电源一接通荧光灯负载即被点亮。这属于冷阴极启动,对灯管的阴极损伤很厉害,会使灯管根部很快变黑,缩短灯管的工作寿命。

  采用高频串联谐振电路可以使荧光灯一次启辉。即使在输入电压较低时,由于串联谐振电压可以高出电源电压数倍,也能满足荧光灯对启辉电压的要求,使灯管启辉。

  图7为采用PTC元件的荧光灯灯丝预热启动电路的连接图。如果按图7(a)、(b)所示方法在谐振电容上并联一只PTC热敏元件,就可以起到荧光灯灯丝预热和延时启动的作用。

  电路工作原理如下:在接通电源后电路刚进入谐振状态的瞬间,由于PTC元件的室温阻值很低(仅几百欧),串联谐振回路的负载很重,Q值很小,灯管两端达不到所需的启动电压,灯管不能点燃。此时,谐振电流将对荧光灯灯丝进行预热。谐振电流的一部分流经PTC元件,使得PTC元件自身发热,从而引起PTC元件的阻值变大。经过0.4~2s时间的预热,荧光灯灯丝达到良好的电子发射状态,灯管所需启动电压下降,同时PTC元件的阻值变大,引起该串联谐振回路的Q值增大,荧光灯灯管两端所得到的电压也随之升高。一旦高于荧光灯灯管所需的启动电压,灯管就被启动。由于此时PTC元件的阻值与初始状态相比已发生了急剧变化,近似开路,所以电子镇流器电路在正常工作时,PTC元件的损耗较小。在实际应用中,选择PTC元件时应注意以下问题:

  为了使荧光灯灯管在经过充分预热后再启动,对每种灯管的灯丝预热电流和预热时间均有明确规定。在设计预热启动电路时,为了达到荧光灯灯丝所需的预热电流和预热时间,PTC元件的常温阻值不能太大,否则预热电流和预热时间不够。而当PTC元件的阻值偏低时,在正常工作时所通过的电流太大,致使损耗增加。为了达到所需的预热时间,PTC元件的居里点温度又不能太低。但一旦PTC元件的居里点温度太高后,则在正常工作时PTC元件本身的温度也随之升高,极大地影响了PTC元件及周围元件的工作寿命。这在大功率电子镇流器(40W以上)中表现得尤为突出。因此在选用PTC元件时,为了达到所需的预热效果而损耗又不致太高,应尽量选用阻温特性曲线较陡的PTC元件,并且应对预热效果和损耗等问题进行综合分析和考虑。

  在荧光灯灯管的启动过程中,灯管参数(包括灯丝电阻、灯电流、灯电压等)会发生变化,电路参数(如振荡频率、Q值等)也会随之变化,所以在PTC元件的选用方面,难以进行定量分析和计算。

  荧光灯灯管正常工作后,PTC元件RT始终处于热动平衡状态。这是因为PTC元件RT不能完全阻断对荧光灯阴极电流的分流,PTC元件RT温度的高低会影响通过它的电流大小,通过电流的大小又会影响到PTC元件RT温度的变化。当PTC元件RT呈高阻状态时,通过它的电流减小,其温度随之降低。PTC元件RT的温度降低后,其阻值便减小,通过PTC元件RT的电流又增大。如此循环,PTC元件RT的阻值始终处于动态变化状态。PTC元件RT的这种工作状态有如下危害:

  ① PTC元件RT在预热启动过程中始终有功耗,一般为总功率的4%左右,这使得电子镇流器或紧凑型荧光灯的流明系数降低。实验证明,40W荧光灯电子镇流器中PTC元件的功耗大于1.5W,18W紧凑型荧光灯电子镇流器中PTC元件的功耗在0.8W左右。按每瓦发出50lm光通量计算,40W和18W的电子镇流器分别损失75lm和40lm的光通量。

  ② 由于PTC元件的功耗而产生的热量使紧凑型荧光灯电子镇流器的温度升高,造成其他电子元器件,特别是晶体管和电解电容器损坏,使电子镇流器的故障率上升。

  ③ 荧光灯点亮后,灯丝回路由于PTC元件的存在,始终有电流通过灯丝,由此形成的发射电流会降低阴极灯丝的使用寿命。

  ④ 预热电路中的PTC元件在灯管点亮后,始终处于80℃以上的高温环境中,易造成PTC元件性能的蜕化,使其温阻系数改变,预热时间变长。当蜕化严重时,启动瞬间产生的冲击电流会烧坏电子镇流器中的功率开关管。如果阴极长时间处于预热启动状态,最终将会损坏荧光灯灯管和电子镇流器。

  ⑤ PTC元件有相当的电容值,在频率较高的线路中,PTC元件与启动电容C并联,会直接破坏镇流器的输出特性。特别是对T5荧光灯,一般要求电子镇流器的工作频率在50kHz以上,PTC元件的电容对电子镇流器输出特性的影响更严重。

  尽管采用PTC元件存在上述缺点,但目前凡是具备预热功能的电子镇流器绝大多数仍采用PTC元件预热方式,紧凑型荧光灯电子镇流器几乎全部采用PTC元件作为预热启动元件。在PTC元件预热启动的基础上改进预热元件的性能,使其既能实现预热启动的要求,又能在灯管点亮后自动关断预热电路,是一个努力的目标。

  在选择PTC元件时,也应注意PTC元件的居里点温度。实验证明,一般PTC元件的居里点温度在60~75℃之间比较合适。当灯管功率在40W以上时,PTC元件的阻值可在100~300之间选取;当灯管功率为20~30W时,PTC元件的阻值可在250~600之间选取;而当灯管功率小20W时,PTC元件的阻值可取500以上。具体参数可按照所要求达到的预热效果、PTC元件的本身损耗、电子镇流器的温升和电路结构等各方面的要求,通过实验来选定。

  为了保证电子镇流器工作的安全性和可靠性,应尽量选用外形为壳装式的PTC元件。另外从图3中可以看出,当PTC元件两端所加电压相对较小时,其阻温特性较好,所以应尽量使PTC元件两端所加电压相对比较低。图7(b)中PTC元件两端的电压低于图7(a)中PTC元件两端的电压,所以应优先采用图7(b)所示的接法,其预热效果较好。

  根据上面的分析,当PTC元件应用于电子镇流器来实现荧光灯灯丝预热启动功能时,须注意以下几点:

  下面介绍采用自激振荡电路的1×18W(T8)HF-TL荧光灯电子镇流器电路,这个电子镇流器电路可以用于交流市电供电电压为230V/220V(50Hz/60Hz)的应用场合。在图8中,功率开关晶体管的型号为BUW85,振荡变压器磁芯的型号为MHB2。振荡变压器初级绕组的电感量、镇流电感线圈的电感量、功率开关管的存储时间和点火电容的参数决定了电子镇流器自激振荡工作频率,这里工作频率为45kHz左右。由于这个电子镇流器电路的输出功率小于25W,所以可以不用功率因数校正。

  电子镇流器电路的工作频率与自激振荡变压器磁芯的磁饱和特性、半桥功率开关晶体管的基区电荷存储时间、镇流电感的电感量和点火电容等元件的参数有关。为了确保荧光灯负载和电子镇流器电路可靠工作,应使荧光灯的灯丝有预热控制功能,这里采用正温度系数的热敏电阻来完成荧光灯灯丝的预热控制。PCB采用双面电路板,宽度为27mm,长度为190mm,高度不大于20mm。该电路的性能指标如表3所示,电路板图如图9所示,电路元件表如表4所示。

  图8所示电路主要由EMC滤波器、交流输入市电电压整流电路和电子镇流电路三大部分组成。交流输入市电的共模和差模干扰信号被EMC滤波器(由X电容C1、Y电容C3和电感L1组成)加以滤除。

  要使荧光灯负载正常工作,应使它的工作点(V灯和I灯)正常,这里1×18W(T8)/HF-TL荧光灯的正常工作电压为55V,工作电流为0.29A,电子镇流器电路的工作频率为45kHz。利用以上的有关参数就可以计算出所需的镇流电感量、点火电容的电容量等有关参数,这里镇流电感的电感量取0.5mH,点火电容的参数取5.6nF。

  为延长荧光灯的使用寿命,荧光灯应以合理的预热电流在预热时间内加以预热,这里采用正温度系数热敏电阻来实现荧光灯灯丝的预热控制功能。在荧光灯灯丝预热工作期间,加到荧光灯负载上的电压不应过高,以免在这段时间内使荧光灯负载点火。热敏电阻PTC在环境温度(25℃)下的电阻和流经它的电流决定了荧光灯灯丝预热期间正温度系数热敏电阻上的功耗。正温度系数热敏电阻的外形尺寸和开关时间(T开关)等参数决定了所需的荧光灯灯丝预热时间。

  由于在电子镇流器电路正常工作时仍有一部分电流流过镇流电感L2、电容C5和荧光灯灯丝,所以应合理选择电容C4与C5的容量比值,并使正温度系数热敏电阻并接在小容量电容C5的两端。这样就可以确保在荧光灯正常工作期间,在正温度系数热敏电阻上有一定的功耗,从而保持正温度系数热敏电阻的高电阻值。在选择正温度系数热敏电阻的有关参数时,应注意正温度系数热敏电阻的冷态电阻(T=25℃)、开关时间(T开关)和外形尺寸等参数,并且确保正温度系数热敏电阻的使用寿命应足够长。

  如果电子镇流电路不用灯丝预热功能,这里就可以不用正温度系数热敏电阻和电容C5,而电容C4的参数可以直接取5.6nF。这时应在功率开关管VT1的集电极与发射极之间并接一只750k的电阻。

  C8、VD14、VD9和VT2组成启动电路。在稳态工作阶段,电阻R9、R7和晶体管VT2完成电容C8的放电工作。一旦电路完成启动,双向触发二极管VD14就不再工作,由于振荡变压器L3的反馈作用,电路维持开关振荡。在完成启动(点火)工作后,电子镇流器电路进入正常工作阶段。

  在设计电子镇流器的驱动电路时,应考虑到功率开关晶体管的放大倍数对其开关工作特性的影响。为了改善功率开关晶体管的开关工作特性,在VT1、VT2的集电极与发射极之间并接了二极管VD5和VD10。如果在选用功率开关晶体管时不选用高放大倍数的功率开关晶体管,就可以不用二极管VD5和VD10。

  这里可以选用型号为BUX85(TO220AB封装)的功率开关晶体管,BUW85与BUX85的唯一区别就是BUW85(SOT82封装)有较大的热阻(Rth)。为了降低电子镇流器电路的功耗,在使用BUW85型功率开关晶体管时要加散热片。

  这里振荡变压器采用双孔的磁芯(型号为MHB2),振荡变压器的3匝初级绕组绕在中心柱上,而两个4匝的次组绕组绕在两个外边的边柱上。

  BUW85型功率开关晶体管的基极电流和电压VCE的波形如图10所示,BUW85的VCE电压波形和通过镇流电感的电流波形如图11所示,BUW85的VCE电压波形和集电极电流波形如图12所示,通过镇流电感的电流波形如图13所示。半桥功率开关逆变级的中点电压变化率dV/dt可以通过电容C7加以限制,从而抑制由于中点电压的快dV/dt变化率而引入的共模射频干扰(RFI),而低等效串联电阻(ESR)和低等效串联电感(ESL)的电容C2对降低电子镇流器电路的差模干扰有帮助。

  下面介绍采用自激振荡电路的25W CFL荧光灯电子镇流器电路,该电路为电压馈电型半桥自激振荡逆变电路,可用于220V交流市电供电的应用场合。半桥功率开关晶体管采用型号为BUJ101AU的双极型功率开关晶体管,外形封装为TO220AB,其驱动信号来自于自激振荡变压器。该电路具有成本低和所用元器件数量少的特点。电路的正常交流输入市电供电电压范围为200~250V,即使交流市电供电电压低至150V时电路也能使CFL荧光灯点火,从而使电子镇流器电路工作。该电路的性能指标如表5所示。

  这个电子镇流器电路中的关键器件是双极型的半桥功率开关晶体管BUJ101AU,BUJ101AU

  于小功率电子镇流器电路的应用场合。这个25W/CFL荧光灯电子镇流器电路中自激振荡驱动变压器的磁芯采用环形磁芯,在额定工作电流下,这个环形自激振荡变压器的磁芯可以处于磁饱和工作状态,从而间接地实现荧光灯灯功率的控制。环形自激振荡变压器的有关参数和绕制方法如图14所示。

  图15为电路工作原理图,图16为电路板图,表6为电路元件参数表。由于半桥功率开关晶体管工作在零电压开关(ZVS)状态下,所以半桥功率逆变电路具有工作效率高的优点

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