荧光灯电子镇流器设计【毕业论文】

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毕业论文（20__届）荧光灯电子镇流器设计 摘要荧光灯是一种典型的低压气体放电灯，需要与镇流器配套以确保灯管稳定工作。与传统的电感式镇流器相比，电子镇流器因具有节能、高功率因数、自身耗能少等诸多优点而得到广泛的研究。可调光荧光灯作为一种节能照明电器，解决了限制荧光灯普及的问题，并进一步向集成化、模块化、多功能、高可靠和大功率方向发展。文章结合荧光灯的工作原理，设计了可调光荧光灯电子镇流器，并确定其电路参数。整个设计电路由5个模块组成。首先选用全波桥式整流滤波电路来实现干扰抑制滤波和输入整流滤波的功能。高频逆变电路采用电压馈电半桥式逆变器电路。电子镇流器的驱动芯片则采用IR2153，较其他驱动芯片相比，其频率稳定性更好，改善了集成电路的抗干扰性。该电路最重要的是可调光的控制。文章详细介绍了基于NE555定时器组成的多谐振荡器控制电路的基本工作原理。通过调节可变电阻的阻值来改变其振荡频率和输出方波占空比，从而改变了其输出的平均电压，实现荧光灯的亮度可调。关键词：荧光灯；电子镇流器；节能；可调光 AbstractThefluorescentlampisatypicallow-pressuregasdischargelampwhichrequiresworkingwithballaststoensurethestableoperationofthelamp.Comparingwithtraditionalelectromagneticones,electronicballastsarewidelyresearchedforitsenergy-saving,highpowerfactor,lessenergyconsumptionetc.Dimmablefluorescentlampsasanenergy-savinglightingelectricalappliancesresolvetheissuesoflimitingthewidespreadoffluorescentlampsandfurtherdeveloptotheorientationofintegration,modularization,multifunction,highreliableandhighpower.Combinedwiththeworkingprincipleoffluorescentlamps,thispaperdesignsdimmableelectronicballastsanddeterminesitscircuitparameters.Thewholedesignedcircuitconsistsoffivemodules.First,choosingFull-wavebridgerectifierfiltercircuittoachievethefunctionofinterferencesuppressionfilteringandinputrectifierfiltering.Highfrequencyinvertercircuitadoptsvoltagefeedsemi-bridgesystemconverterelectriccircuit.ThedriverICofelectronicballastsusesIR2153.ComparedwithotherdriverIC,thefrequencystabilityisbetterandtheanti-jammingofintegratedcircuitsisimproved.Thekeyofthecircuitisthedimmingcontrol.ThispaperdetailedlyintroducesthebasicworkingprincipleofmultivibratorcontrolcircuitthatbasedonNE555timer.Byadjustingtheresistivityofvariableresistance,itcanchangetheoscillationfrequencyandoutputsquarewavedutycycle,thereby,shiftingtheoutputaveragevoltagetomakethebrightnessoffluorescentlampadjustable.KeyWords:fluorescentlamp;electronicballasts;energy-saving;dimming 目录1　引言12　总体设计22.1总体设计要求22.2系统总体框图23　硬件设计33.1干扰抑制滤波电路33.1.1EMI滤波器的基本类型33.1.2EMI滤波电路43.2输入整流滤波电路43.3高频逆变电路53.3.1半桥逆变器的种类53.3.2电压馈电半桥式逆变器53.4镇流器控制电路63.5调光输入控制电路93.5.1常用的电子镇流器调光方法93.5.2NE555组成的多谐振荡器103.6灯控制电路113.6.136W/T8荧光灯113.6.2LC串联谐振电路124　制作和调试145　结论16参考文献18附录1系统实物图19附录2实验原理图20附录3毕业设计作品说明书21 1　引言电子镇流器代替电感式镇流器来使荧光灯工作已经很多年了，它不仅解决了电感式镇流器重量重、体积大、自身耗能多、噪声大等诸多缺点，还具有容易实现调光与智能化等优点[1]。随着电子镇流器技术的不断创新和发展，高光效荧光灯照明使用可调光电子镇流器智能化控制已成为现实。自“绿色照明”提出以来，节约能源，提高能源利用率已成为首要任务[2]。现阶段，我国的发电能力和人均用电量与发达国家仍有着很大的差距，因此，研制开发环保节能技术、推广环保节能产品是一项重要工作。一些新的能源法规和协定要求提高能源效率，人们对高能效的追求势必影响到照明领域。提高照明系统的能效除了发展和采用高效电光源之外，还要求人们改进电子镇流器设计，提高电子镇流器的性能。本课题研究的荧光灯可调光电子镇流器一个最大的优点就在于节能，在不需要电子镇流器满功率输出的场合，降低输出功率，不仅节能，而且能延长灯的使用寿命，还能起到变换视觉效果的目的[3]。其设计就是在传统的荧光灯电子镇流器的基础上加上调光电路的设计，实现电子镇流器可调光的控制，从而达到控制荧光灯亮度的可调节。 2　总体设计2.1总体设计要求运用所学的电力电子技术等方面的知识，完成一种荧光灯电子镇流器的设计和制作，并实现调光功能。可调光荧光灯电子镇流器设计的基本要求如下：（1）学习照明相关知识，包括光源的基本知识，照明灯具的基本知识以及镇流器的发展等基础知识。（2）学习各种荧光灯电子镇流器的模型以及几种相关仿真软件的使用。（3）学习荧光灯电子镇流器常用的典型硬件电路的工作原理，参数设计等知识。（4）设计并制作一款荧光灯电子镇流器硬件电路，并能够点亮一盏荧光灯。（5）进一步实现荧光灯电子镇流器的可调光功能。2.2系统总体框图可调光荧光灯电子镇流器的系统模块组成框图如图2-1所示。干扰抑制滤波电路交流输入市电供电输入整流滤波电路高频DC/AC逆变和灯控制电路灯负载调光输入镇流器控制电路图2-1系统模块组成框图可调光荧光灯电子镇流器是将工频交流电转换为较高频率的交流电，并能使一个或几个荧光灯正常启动和稳定工作的变换器。还能在需要的情况下，实现其调光的功能。绿色照明产业在世界范围内的蓬勃兴起，为电子镇流器的推广提供了良好的机会。 3　硬件设计可调光荧光灯电子镇流器电路是由硬件部分组成，主要分为干扰抑制滤波电路、输入整流滤波电路、高频逆变电路、镇流器控制电路和调光输入控制电路五大模块。3.1干扰抑制滤波电路荧光灯电子镇流器的干扰抑制滤波电路主要采用的是EMI滤波器，它置于交流电源进线与整流电路之间，在电网与电子镇流器之间起到一种“隔离墙”的作用，既阻挡了电网对电子镇流器的电磁干扰，同时对电子镇流器自身产生的电磁干扰起衰减作用，不致污染电网中的其它电子设备。3.1.1EMI滤波器的基本类型EMI滤波器主要是由电感和电容元件组成，它在电子镇流器中的应用主要有五种类型，分别是C型，L型，型，双型和复式混合型。C型，也就是纯电容型，主要是用于在高阻抗线路上滤除高频信号。荧光灯电子镇流器使用纯电容组成的滤波器，电容值通常为0.1-0.47uF。L型，就是由一个电感和一个电容组成的，主要适用于线路和负载阻抗有较大差异的场合。这种滤波器用于电子镇流器时，其电感值一般不低于1mH，电容值一般在0.1uF左右。型，为一个电感和两个电容组成的滤波器，其比较适用于输入阻抗和输出阻抗基本相同并要求带外衰减很大的场合。双型滤波器中两个电感的线圈绕组被对称地绕在同一个磁芯上，这种滤波器在电子镇流器中运用的比较多。对于较大功率的电子镇流器，其输入电路中的EMI滤波器大多采用以双型滤波器为基础的复式混合型结构。EMI滤波器实际上是一种低通滤波器[4]。由于电感对射频起阻流作用，而电容对射频近乎短路。在滤波器阻抗与干扰源阻抗失配的情况下，能迫使干扰源产生的干扰信号沿干扰源进入的方向反射回去，从而有效地抑制了干扰信号对电路或者电网的影响。 3.1.2EMI滤波电路在这里，可调光荧光灯电子镇流器采用的是纯电容滤波器，其电容值为0.47uF，用以滤去电网对电子镇流器电路的电磁干扰，同时也防止镇流器电路内部产生的高频干扰信号市电电网中的其它无线电设备造成干扰。3.2输入整流滤波电路输入整流电路的基本功能是将工频市电电源转换为直流电。这里的输入整流电路采用的是全波桥式整流电路，由四个整流二极管VD1-VD4接成电桥的形式组成[5]，如下图3-1所示。在单相交流电压的正半周，整流二极管VD1、VD2导通，电流流过VD1、负载和VD2，回到交流电源的负极。当VD1、VD2正向导通时，VD3、VD4因加了反向电压而截止。在交流电压的负半周，VD1、VD2截止，VD3、VD4导通，电流流过VD3、负载和VD4，再回到交流电源的负极。由此可见，负载在交流电压的一个周期内都有电流流过，而且始终是同一个方向。电子镇流器的输入滤波则是采用电解电容作为滤波器，其作用是将全波桥式整流电路输出的脉动直流电压变成纹波较小的平滑直流电压，如图3-1所示，通过滤波电容C1周期性地充电和放电，使整流电路输出的电压趋于平滑。电容的值越大，其输出电压越平滑，越接近直流电压，半桥逆变电路的供电电压也越稳定。图3-1桥式整流滤波电路220V，50Hz的工频市电输入经过上图的桥式整流滤波之后，滤波电容C1两端的电压就变成了大约300V的直流电，为后面高频逆变器的工作提供了电源。 3.3高频逆变电路荧光灯电子镇流器的逆变器电路，是电子镇流器电路中最基本同时也是最重要的组成部分。逆变器电路是一个DC/AC电源变换器，将整流后的直流电压转换为高频电压，用来驱动荧光灯灯管使之发光。在这里，我们选用半桥逆变器来实现逆变电路的功能，因为半桥逆变器开关晶体管的数量只有全桥逆变器的一半，且每个开关晶体管上承受的最高电压不超过它的输入电压。半桥逆变器的另一个优点是它的自平衡能力强，不易受其它因素的影响。3.3.1半桥逆变器的种类根据直流侧电源性质的不同，半桥逆变器有电压馈电和电流馈电两种类型。电压馈电式其直流侧为大电容滤波，用以抑制直流电压的脉动；而电流馈电式其直流侧串联大电感，使直流电源近似为恒流源。其中，电压馈电半桥式逆变器在交流电子镇流器中的应用更加广泛。因为在220V，50Hz的工频市电电源输入条件下，电流馈电半桥式逆变器电路中的开关晶体管截止时所承受的电压应力较电压馈电式的要大很多[6]，而且电流馈电半桥逆变器的电路结构比较复杂，所以目前在我国很少采用。3.3.2电压馈电半桥式逆变器在电压馈电半桥式逆变器电路中，两只功率开关依靠变压器来驱动。这种逆变器电路不能自启动，必须依靠由电阻R1、电容C2和双向二极管VD2等组成的启动电路提供触发脉冲才能引起振荡，如下图3-2所示。图3-2电压馈电半桥式逆变器电路 两只功率晶体管既用作开关，同时也是振荡电路中的重要元件。如果负载开路，由于正反馈环路被切断，因而也就不能建立振荡。为了克服上述缺陷，于是采用集成电路驱动芯片来实现逆变的功能，它能提供两条非常干净的可以驱动半桥逆变电路上下两个功率管的信号[7]，如下图3-3所示。图3-3半桥逆变电路当引脚上接收到多谐振荡器输出的信号后，芯片IR2153被启动，在低侧开关VT2导通期间，通过自举二极管VD5对电容C3开始充电，使引脚上的电压比引脚上高出。一旦引脚上的电压达到该值，高侧驱动侧使能，使VT1导通，而VT2截止。如此，VT1和VT2交替导通，在VT1和VT2的中间点输出一定占空比的矩形波信号。目前荧光灯电子镇流器技术朝着高性能、高可靠性、多功能方向发展。应用电子镇流器IC作为电子镇流器的驱动可以简化设计、降低产品失效、提高产品的质量。3.4镇流器控制电路IR2153自激振荡半桥驱动器，是在得到广泛应用的电子镇流器驱动、控制集成电路IR2155和IR2151基础上推出的改进型的VMOS和IGBT栅极驱动器，它将高压半桥驱动器和一个类似于555时基电路的前端振荡器集成在一个8脚芯片上，使其成为一款功能更多，更易于使用的功率驱动IC芯片。相比于其他驱动芯片，IR2153的功能更强，集成电路的抗干扰性更好，并更易于使用。并且所有引脚均加了静电放电保护（ESD）功能[8]。 如图3-4就是荧光灯驱动芯片IR2153的引脚图，表3-1为其对应各引脚的功能。图3-4IR2153的引脚图表3-1IR2153各引脚的功能引脚符号引脚功能1逻辑和低端的电源2振荡器的定时电阻输入3振荡器的定时电容输入4逻辑和低端电源接地5低端（下管）栅极驱动输出6高端（上管）浮置电源接地7高端栅极驱动输出8高端浮置电源电压整个IR2153芯片有两路输出，一路包括脉冲发生器、电平位移、脉冲滤波器及半桥逆变器上开关管的栅极驱动器。两外一路有延时电路、半桥逆变器下开关管的栅极驱动器，两路中均设有死区控制电路。死区时间一般为1.2us，以免高低侧在交替导通时刻产生直通现象。其内部电路如下图3-5所示。 图3-5IR2153的功能方块图由上图可知，在Vcc和COM之间内部接有一个15.6V的稳压二极管，将Vcc值钳定在15.6V。在这里，我们没有用到IR2153的自激振荡功能，所以我们把端悬空，端作为驱动芯片的输入。由于IR2153芯片的输入端兼有保护关断功能，可以用一个低电压信号使驱动器停止输出，其关断特性是,即当端的输入电压小于时，端就会关断，整个芯片停止工作。所以，NE555定时器组成的多谐振荡器的输出需要再加一个电阻分压电路，如下图3-6所示。图3-6电阻分压电路图 经过三个电阻组成的分压电路之后，NE555定时器组成的多谐振荡器的输出波形的负脉冲值从0V被抬高到了3.5V，3.5V>2V,满足了IR2153芯片端关断电压的特性，其输出波形仿真图如下图3-7所示，V1为NE555定时器组成的多谐振荡器输出的矩形波，V2为多谐振荡器输出的矩形波经过电阻分压电路后再输出的波形。图3-7电阻分压电路输出波形仿真图3.5调光输入控制电路3.5.1常用的电子镇流器调光方法本课题主要研究荧光灯电子镇流器的可调光功能。与传统的非调光电子镇流器相比，可调光电子镇流器需要提供一个供用户可控的调光控制输入端[9]。常用的调光方法主要有三种：一、可变电阻调光法；二、调频调光法；三、脉冲占空比调光法。可变电阻调光法就是把一个可变电阻和灯负载串联，通过调节与灯管相串联的可变电阻的阻值来改变灯电流的大小，从而控制荧光灯的亮度。但是，可变电阻调光法在操作过程中会产生很大的热量，而且调光效率低，所以这种方法目前已经很少有人使用。调频调光法就是通过改变灯负载的供电频率来调节灯的亮暗[10] 。当电子镇流器的工作频率变大时，镇流电感的感抗加大，加到灯负载的工作电流就会下降，从影响灯的亮度。调频调光法电路简单，且易于控制，但是也有它自身的局限性。就是灯功率的调节范围由其调频范围决定，如果调频范围不大则灯的调光范围也就不大，调光不能超过荧光灯的额定功率。脉冲占空比调光法就是通过改变高频逆变器中的功率开关管的脉冲占空比来调节灯的输出功率，起到调节灯的亮度的效果。但是，如果功率开关管的脉冲占空比太小，以致电感电流不能连续，这种不连续的电流导通状态将直接导致电子镇流器电路的工作可靠性降低并且加大电子镇流器的EMI辐射，电网中的其它无线电设备也会受到一定程度的干扰。本来调频调光是比较常用且简单的方法。但是由于开关频率的变化会使电路产生严重的电磁干扰，而且其最小调节频率是荧光灯额定功率的20%左右，在更小的功率输出下，这种方法不能奏效。所以，这里采用NE555定时器组成的多谐振荡器来实现其占空比和频率同时可调的功能。3.5.2NE555组成的多谐振荡器NE555定时器组成的多谐振荡器电路如下图3-8所示。图3-8NE555定时器组成的多谐振荡器电路图图中，多谐振荡器的振荡频率是由振荡电阻R4、R5和振荡电容C8决定的，振荡频率又决定着输出矩形波正负脉冲的宽度；定时器的触发输入端（2脚）和阈值输入端（6脚）与电容相连，集电极开路输出端（7脚）与R4、R5相连处相接，用以控制电容C8的充放电，外界控制输入端（5脚）通过0.01uF的电容接地，提高了比较电压的稳定性，防止高频的干扰。 当多谐振荡器电路接通电源的瞬间，电容C8被充电，当Vc上升到时，使Vo为低电平，同时放电三极管T导通，此时电容C8通过R5放电，Vc下降。当Vc下降到时，Vo翻转为高电平。电容C8放电所需时间为。当放电时间结束后，T截止，Vcc将通过R4、R5向电容C8充电，Vc从上升到所需的时间为。当Vc上升到时，电路又翻转为低电平。电路如此周而复始地在输出端产生一个周期性的矩形波，多谐振荡器的两个暂稳态维持时间取决于RC充放电回路的参数设置。因此多谐振荡器的振荡周期，振荡频率，输出波形的占空比。若R5>>R4，则，即多谐振荡器的输出波形为方波。由上可知，调节多谐振荡器可变电阻R5的阻值，即可改变振荡器输出矩形波的频率和占空比的值。高频电子镇流器中，通过同时调节占空比和频率，可以在整个功率范围内实现调光，而且在整个调光范围内，开关的工作频率和占空比都在一个相对较小的区域里变动，不但满足了软开关条件，而且产生的EMI也比较小。3.6灯控制电路3.6.136W/T8荧光灯荧光灯通常为长管形状，两端各有一个电极，灯管内包含有低气压的汞蒸气和少量惰性气体，灯管的内表面涂有荧光粉[11]。工作时灯管内的汞蒸气放电，将60%左右的输入电能转变成了波长为253.7nm的紫外辐射，通过灯管内荧光粉的作用，能有效地将这一紫外辐射转变成可见光。在这里，我们选用36W/T8型号的荧光灯来作为电子镇流器的灯负载。36W/T8荧光灯的要求参数如下表3-2所示。 表3-236W/T8荧光灯的要求参数表参数数值单位符号定义灯丝预热电流（有效值）0.6A灯丝预热时间1.0s最大灯预热电压600V灯触发电压1500V在100%亮度下的灯最大功率32W在100%亮度下的灯电压282V在1%亮度下的灯最小功率1W在1%亮度下的灯电压330V最小阴极预热电流（有效值）0.35A3.6.2LC串联谐振电路灯控制电路的主要作用是为灯管提供一个足够高的启动电压，在灯启动成功之后为灯提供一个大小合适而且稳定的工作电流。采用半桥式结构的电子镇流器，其灯控制电路大多采用LC串联谐振电路[12]，其电路结构如下图3-9所示。图3-9LC串联谐振电路 由上图可知，L1为谐振电感，C4为启动电容，L1和C4及C5、C6共同组成LC串联谐振电路。C5=C6=0.1uF，C4=3.3nF，C4<