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基于单片机的金卤灯电子镇流器研制

作者:power   来源:网络   点击:    日期:2009-12-12    

0 引 言
  随着科技的迅猛发展,世界自然资源也以同样的迅猛速度消耗着,节能已经成为各国科研计划中的重要项目。照明节能越来越引起人们的关注,并逐渐上升到保护资源和环境的高度。近年来,得益于电力电子学的发展,节能型电光源配套设备也得到了迅速发展。与传统的电感镇流器相比,电子镇流器自身能耗大为降低,性能参数大大提高,体积和重量大大减小,使用寿命延长,并且改善了照明质量。
  金卤灯作为一种新型节能高强度放电灯,其显色性好,光色接近于太阳光,而且发光效率高,广泛应用于广场、码头、车间等室内外照明中。因此,与其配套的电子镇流器也成为近几年研究的热点。降低金卤灯及电子镇流器的成本,缩小其体积则成为研究的关键。

1 硬件电路设计
1.1 金卤灯电子镇流器技术指标
  功率因数大于等95%;电流畸变系数小于等于10%;电流波峰系数小于等于1.7;使用寿命大于等于10 000 h;启动时间小于等于1 min;有过压、过流及异常状态保护功能。

1.2 电子镇流器的工作原理
  该电子镇流器的基本结构框图如图1所示,它主要由整流及功率因数校正电路、恒功率控制电路、高频逆变电路、点火电路及控制电路几部分构成。该电路的输入为50/60 Hz,220 V的工频交流电,在电源接通而灯未点燃时,经LC谐振电路谐振后能产生3 kV以上的高压把灯点亮;而灯稳定工作以后,灯两端电压约为85 V,维持金卤灯的正常点燃。

1.2.1 整流与功率因数校正电路
  本电路的整流滤波是采用桥式整流电容滤波电路来实现的,通过EMI滤波器得到310 V的直流电压送到APFC电路。而APFC是用功率因数控制芯片L6561完成的。其电路图如图2所示。
  APFC的基本工作原理如下:主回路的输出电压Vo。和基准电压VREF比较后,输入给电压误差放大器EA,整流电压检测值VM1和误差放大器的输出电压信号Verr共同加到乘法器M的输入端,乘法器M的输出作为电流反馈控制的基准信号。电流误差放大器CA的输出与电感零电流检测器(ZCD)的输出作为开关管VG驱动器的输入信号,控制开关管的开通和关断,保证电感电流的峰值跟踪整流电压,从而使输入电流(电感电流的平均值)与输入电压的波形基本一致,提高输入端功率因数,降低电流畸变程度。

1.2.2 恒功率控制电路
  金卤灯在使用寿命期间,灯电压会随着灯管的不断老化而升高,而传统的电感镇流器具有恒流特性,导致灯功率不断增大,从而加速灯管老化。本文采用了具有限流限压功能的近似恒功率控制方案,具有成本低,性能稳定的特点,在电网电压波动以及灯管老化等因素造成灯电压变化时,均能自动实现恒功率输出。其电路原理图如图3所示。
  该电路可以将系统的功率因数λ提高到0.99以上,有效地抑制输入电源电流iin的波形失真,达到GB15144所要求的低于L级畸变指数,确保HID灯管的电流波峰系数小于1.7。
  在Buck电路输入端串联接入检测电阻Rs,然后通过电阻R1进行滤波,得到平均电压信号,从L2端检测到灯的电压信号,二者经过EA放大电压信号,得到的输出电压作为反馈信号经过比较强输入到PWM控制器,PWM控制器根据输入的反馈电压信号输出一个控制信号Vf来控制Buck电路的开关S2的占空比。适当地选择R1,R2,R3,就可以很好地控制输出功率Po。

1.2.3 全桥逆变电路
  镇流器中的低频方波输出是通过全桥逆变电路来实现的,如图4所示。全桥由4个MOSFET构成,在全桥控制器的控制下,两对MOS管交替导通,在稳定工作情况下输出400 Hz的方波。

1.2.4 启动电路
  由LC构成谐振启动电路。在启动前,灯相当于开路,L,C组成串联谐振电路。点灯时,利用全桥输出方波电压正负跳变时的少量高频分量,使L,C发生谐振,在C两端产生高电压将灯点燃。此启动电路点火电压的位置有利于灯启动后电弧的稳定,而当灯工作于稳态时,点火电路对灯并无影响。

2 软件设计
  单片机主要完成灯启动过程控制、稳态时的恒功率控制以及过压欠压和开路、短路等异常状态保护。其主程序流程如图5所示。

3 实验结果
  电路有关工作波形如图6所示。

4 结 语
  基于单片机控制的金卤灯电子镇流器,能自动完成故障检测、高压点火、异常状态保护及稳态时的恒功率控制。所设计的电子镇流器通过了高温80℃、低温-40℃、异常状态保护及工作时间试验。从研究结果可以看到,样机开发是成功的,这无疑为数字控制电子镇流器早日推向市场打下了良好的基础。



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