電子鎮(zhèn)流器優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)
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上傳人：admin 上傳時(shí)間： 2007-02-08 瀏覽次數(shù)： 100 |
編者按：作者基于電子鎮(zhèn)流器的工作原理，結(jié)合對高功率因數(shù)、低諧波電路的研究，異常工作狀態(tài)保護(hù)電路的研究，燈絲預(yù)熱啟動(dòng)電路的研究及EMI濾波器電路等一系列的研究分析，提出電子鎮(zhèn)流器優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)，有利于電子鎮(zhèn)流器生產(chǎn)廠家的規(guī)范化設(shè)計(jì)。
新型鎮(zhèn)流器件—電子鎮(zhèn)流器
管形熒光燈是目前工廠、大廈、商場、機(jī)關(guān)、學(xué)校和家庭照明的一種主要電光源，而電子鎮(zhèn)流器是取代傳統(tǒng)的鐵芯式電感鎮(zhèn)流器與熒光燈配用的新型鎮(zhèn)流器件。電子鎮(zhèn)流器具有自重輕、自身發(fā)熱低、轉(zhuǎn)換效率高、啟動(dòng)特性好、無頻閃等特點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前已在很多場合取代了電感鎮(zhèn)流器，其使用份額已占到總使用份額的40%以上，電子鎮(zhèn)流器出口量連續(xù)幾年以年遞增25%以上的速度增長。同時(shí)，消費(fèi)者對電子鎮(zhèn)流器的要求越來越高，用戶希望電子鎮(zhèn)流器安全可靠、價(jià)格低廉、且不影響燈的使用壽命。電力部門還要求其輸入電流諧波必須在允許的限制范圍之內(nèi)，不能對電網(wǎng)造成污染，影響其它電器設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為此，國家技術(shù)監(jiān)督局在1994年7月發(fā)布了GB15143-94《管形熒光燈用交流電子鎮(zhèn)流器一般要求和安全要求》及GB/T15144-94《管形熒光燈用交流電子鎮(zhèn)流器性能要求》兩項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)分別等同采用IEC928（1990）和等效采用IEC929（1990）。我國境內(nèi)市場上流行的電子鎮(zhèn)流器很多不符合產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求。國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局于2001年第三季度對電子鎮(zhèn)流器行業(yè)進(jìn)行了生產(chǎn)領(lǐng)域的國家監(jiān)督檢查，合格率為58%。表現(xiàn)為安全項(xiàng)目不過關(guān)，性能檢測問題多，抗干擾能力差，使用可靠性下降。另外，自2003年8月1日起，電子鎮(zhèn)流器必須通過中國強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證（3C認(rèn)證）才可以出廠和銷售。而通過3C認(rèn)證，除了需通過安全標(biāo)準(zhǔn)測試外，還必須通過GB17743-1999《電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測量方法》和GB17625.1-1998《低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值（設(shè)備每相輸入電流≤16A）》這兩個(gè)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的測試。這更加需要我們認(rèn)真對待電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)。本文試就電子鎮(zhèn)流器的工作原理，高功率因數(shù)、低諧波電路的研究，異常工作狀態(tài)保護(hù)電路的研究，燈絲預(yù)熱啟動(dòng)電路的研究及EMI濾波器電路的研究等方面做些分析，以利于電子鎮(zhèn)流器的規(guī)范化設(shè)計(jì)。
電子鎮(zhèn)流器是一個(gè)將工頻（50/60Hz）交流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電源的變換器。工頻電源首先經(jīng)過EMI濾波器濾波，然后經(jīng)過全波整流和功率因數(shù)校正器（PFC）后，變?yōu)橹绷麟娫?。再通過DC/AC變換器,輸出20KHz-50K Hz的高頻交流電源，加到與燈連接的LC串聯(lián)諧振電路加熱燈絲，同時(shí)在電容器上產(chǎn)生諧振高壓，將燈啟動(dòng)。燈啟動(dòng)之后，高頻電感起限制電流增大的作用，保證燈管獲得正常工作所需的燈電壓和燈電流。為了提高可靠性，還要設(shè)計(jì)各種保護(hù)電路，如燈異常保護(hù)、浪涌保護(hù)、電流保護(hù)及溫度保護(hù)等。
電磁干擾會嚴(yán)重影響電子電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至?xí)闺娮釉骷l(fā)生永久性的損壞。因此，必須采取措施對其給予充分地抑制。EMI以輻射和傳導(dǎo)兩種方式傳播，傳導(dǎo)干擾有差模（DM）和共模（CM）兩種類型。目前抑制EMI的技術(shù)有很多，而濾波技術(shù)是抑制傳導(dǎo)干擾最有效和最經(jīng)濟(jì)的手段。EMI濾波器既抑制了來自電網(wǎng)的電磁干擾，同時(shí)對電子鎮(zhèn)流器自身產(chǎn)生的電磁干擾也起衰減作用，以保證電網(wǎng)不受污染。目前被廣為采用的EMI濾波器電路如圖2所示。共模電感LC、差模電容CD與共模電容CC一起組成EMI濾波器，用于差模/共模方式的EMI/RFI的抑制。為進(jìn)一步抑制干擾信號，可在交流輸入電路中再插入差模電感LD。只要選擇好濾波器元件，會達(dá)到很好的效果。當(dāng)然，在正確設(shè)計(jì)濾波器的情況下，電子鎮(zhèn)流器內(nèi)部布局、布線必須合理設(shè)計(jì)，以提高抗EMI的效果。
異常工作狀態(tài)保護(hù)和自動(dòng)恢復(fù)電路
電子鎮(zhèn)流器的異常狀態(tài)指由于燈與鎮(zhèn)流器連線脫落、燈管漏氣、燈絲熔斷不能啟動(dòng)或陰極去活化等引起的。為防止電子鎮(zhèn)流器在異常條件下?lián)p壞，應(yīng)采用異常狀態(tài)保護(hù)電路。保護(hù)電路工作過程為：當(dāng)燈管出現(xiàn)老化、漏氣等異常狀態(tài)而使燈兩端電壓升高時(shí)，在逆變電路輸出回路中對異常信號取樣，經(jīng)過延時(shí)、基準(zhǔn)比較，控制振蕩器停止工作，從而起到保護(hù)作用。當(dāng)異常狀態(tài)消除后（換燈管），電路會自動(dòng)把燈點(diǎn)亮。
此外，還有浪涌電流限制、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、過熱保護(hù)等。
預(yù)熱啟動(dòng)電路
目前廣為流行的直管形熒光燈和稀土節(jié)能燈都屬于陰極預(yù)熱啟動(dòng)型的電光源。如果快速啟動(dòng)的話，在燈陰極和燈管兩端同時(shí)施加開路電壓和陰極電流，陰極發(fā)射材料還遠(yuǎn)未達(dá)到高于700℃的熱電子發(fā)射狀態(tài)，而高電壓又不可能在極短時(shí)間內(nèi)將燈管擊穿，燈必然要承受一段輝光放電時(shí)間再過渡到弧光放電，導(dǎo)致陰極發(fā)射物質(zhì)的嚴(yán)重濺射，使燈管兩端燈絲周圍的管壁出現(xiàn)早期發(fā)黑，造成燈使用壽命的縮短。對于預(yù)熱啟動(dòng)方式的熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器，啟動(dòng)時(shí)必須滿足下列要求：
a、在陰極達(dá)到電子發(fā)射狀態(tài)之前，燈兩端的開路電壓低于導(dǎo)致陰極受損害的燈輝光電流的水平。
b、當(dāng)陰極在達(dá)到發(fā)射狀態(tài)之后，開路電壓應(yīng)足夠高，可使燈迅速啟動(dòng)，而無須重復(fù)多次才啟動(dòng)。
c、當(dāng)陰極已達(dá)到發(fā)射狀態(tài)時(shí)，若開路電壓需升高后才能使燈啟動(dòng)，則開路電壓從低到高的轉(zhuǎn)變過程，必須在陰極仍處于發(fā)射溫度期間完成。
d、在陰極預(yù)熱階段，預(yù)熱電流或預(yù)熱電壓不得過大或過高，而使陰極上發(fā)射物質(zhì)因過熱而受損害，并且陰極預(yù)熱的最短時(shí)間至少0.4秒。
預(yù)熱啟動(dòng)電路。Rt為PTC熱敏電阻，D1、D2為二極管。工作過程為：電路啟動(dòng)時(shí)，Rt開始阻值較低，限制了諧振電容C即燈兩端電壓在150V（有效值）以內(nèi)，隨著時(shí)間的延長，PTC阻值開始升高，經(jīng)過0.4-1.5秒后，預(yù)熱結(jié)束，電容C兩端電壓迅速升高，將燈管擊穿點(diǎn)燃。圖中，二極管D1、D2是限制燈絲電壓和有效加熱電流的。對40W燈而言，燈絲有效加熱電流應(yīng)限制650mA在左右，如果沒有D1、D2，則預(yù)熱電流會高達(dá)850mA甚至更大。不但有可能損害陰極，而且正常工作時(shí)還會使流過燈絲、電容C和PTC的電流增大，影響燈的發(fā)光效率。
新型鎮(zhèn)流器件—電子鎮(zhèn)流器
管形熒光燈是目前工廠、大廈、商場、機(jī)關(guān)、學(xué)校和家庭照明的一種主要電光源，而電子鎮(zhèn)流器是取代傳統(tǒng)的鐵芯式電感鎮(zhèn)流器與熒光燈配用的新型鎮(zhèn)流器件。電子鎮(zhèn)流器具有自重輕、自身發(fā)熱低、轉(zhuǎn)換效率高、啟動(dòng)特性好、無頻閃等特點(diǎn)，得到了越來越廣泛的應(yīng)用。目前已在很多場合取代了電感鎮(zhèn)流器，其使用份額已占到總使用份額的40%以上，電子鎮(zhèn)流器出口量連續(xù)幾年以年遞增25%以上的速度增長。同時(shí)，消費(fèi)者對電子鎮(zhèn)流器的要求越來越高，用戶希望電子鎮(zhèn)流器安全可靠、價(jià)格低廉、且不影響燈的使用壽命。電力部門還要求其輸入電流諧波必須在允許的限制范圍之內(nèi)，不能對電網(wǎng)造成污染，影響其它電器設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為此，國家技術(shù)監(jiān)督局在1994年7月發(fā)布了GB15143-94《管形熒光燈用交流電子鎮(zhèn)流器一般要求和安全要求》及GB/T15144-94《管形熒光燈用交流電子鎮(zhèn)流器性能要求》兩項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)。這兩個(gè)國家標(biāo)準(zhǔn)分別等同采用IEC928（1990）和等效采用IEC929（1990）。我國境內(nèi)市場上流行的電子鎮(zhèn)流器很多不符合產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)要求。國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局于2001年第三季度對電子鎮(zhèn)流器行業(yè)進(jìn)行了生產(chǎn)領(lǐng)域的國家監(jiān)督檢查，合格率為58%。表現(xiàn)為安全項(xiàng)目不過關(guān)，性能檢測問題多，抗干擾能力差，使用可靠性下降。另外，自2003年8月1日起，電子鎮(zhèn)流器必須通過中國強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證（3C認(rèn)證）才可以出廠和銷售。而通過3C認(rèn)證，除了需通過安全標(biāo)準(zhǔn)測試外，還必須通過GB17743-1999《電氣照明和類似設(shè)備的無線電騷擾特性的限值和測量方法》和GB17625.1-1998《低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限值（設(shè)備每相輸入電流≤16A）》這兩個(gè)電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)的測試。這更加需要我們認(rèn)真對待電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)。本文試就電子鎮(zhèn)流器的工作原理，高功率因數(shù)、低諧波電路的研究，異常工作狀態(tài)保護(hù)電路的研究，燈絲預(yù)熱啟動(dòng)電路的研究及EMI濾波器電路的研究等方面做些分析，以利于電子鎮(zhèn)流器的規(guī)范化設(shè)計(jì)。
電子鎮(zhèn)流器是一個(gè)將工頻（50/60Hz）交流電轉(zhuǎn)換成高頻交流電源的變換器。工頻電源首先經(jīng)過EMI濾波器濾波，然后經(jīng)過全波整流和功率因數(shù)校正器（PFC）后，變?yōu)橹绷麟娫?。再通過DC/AC變換器,輸出20KHz-50K Hz的高頻交流電源，加到與燈連接的LC串聯(lián)諧振電路加熱燈絲，同時(shí)在電容器上產(chǎn)生諧振高壓，將燈啟動(dòng)。燈啟動(dòng)之后，高頻電感起限制電流增大的作用，保證燈管獲得正常工作所需的燈電壓和燈電流。為了提高可靠性，還要設(shè)計(jì)各種保護(hù)電路，如燈異常保護(hù)、浪涌保護(hù)、電流保護(hù)及溫度保護(hù)等。
電磁干擾會嚴(yán)重影響電子電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至?xí)闺娮釉骷l(fā)生永久性的損壞。因此，必須采取措施對其給予充分地抑制。EMI以輻射和傳導(dǎo)兩種方式傳播，傳導(dǎo)干擾有差模（DM）和共模（CM）兩種類型。目前抑制EMI的技術(shù)有很多，而濾波技術(shù)是抑制傳導(dǎo)干擾最有效和最經(jīng)濟(jì)的手段。EMI濾波器既抑制了來自電網(wǎng)的電磁干擾，同時(shí)對電子鎮(zhèn)流器自身產(chǎn)生的電磁干擾也起衰減作用，以保證電網(wǎng)不受污染。目前被廣為采用的EMI濾波器電路如圖2所示。共模電感LC、差模電容CD與共模電容CC一起組成EMI濾波器，用于差模/共模方式的EMI/RFI的抑制。為進(jìn)一步抑制干擾信號，可在交流輸入電路中再插入差模電感LD。只要選擇好濾波器元件，會達(dá)到很好的效果。當(dāng)然，在正確設(shè)計(jì)濾波器的情況下，電子鎮(zhèn)流器內(nèi)部布局、布線必須合理設(shè)計(jì)，以提高抗EMI的效果。
異常工作狀態(tài)保護(hù)和自動(dòng)恢復(fù)電路
電子鎮(zhèn)流器的異常狀態(tài)指由于燈與鎮(zhèn)流器連線脫落、燈管漏氣、燈絲熔斷不能啟動(dòng)或陰極去活化等引起的。為防止電子鎮(zhèn)流器在異常條件下?lián)p壞，應(yīng)采用異常狀態(tài)保護(hù)電路。保護(hù)電路工作過程為：當(dāng)燈管出現(xiàn)老化、漏氣等異常狀態(tài)而使燈兩端電壓升高時(shí)，在逆變電路輸出回路中對異常信號取樣，經(jīng)過延時(shí)、基準(zhǔn)比較，控制振蕩器停止工作，從而起到保護(hù)作用。當(dāng)異常狀態(tài)消除后（換燈管），電路會自動(dòng)把燈點(diǎn)亮。
此外，還有浪涌電流限制、過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)、過熱保護(hù)等。
預(yù)熱啟動(dòng)電路
目前廣為流行的直管形熒光燈和稀土節(jié)能燈都屬于陰極預(yù)熱啟動(dòng)型的電光源。如果快速啟動(dòng)的話，在燈陰極和燈管兩端同時(shí)施加開路電壓和陰極電流，陰極發(fā)射材料還遠(yuǎn)未達(dá)到高于700℃的熱電子發(fā)射狀態(tài)，而高電壓又不可能在極短時(shí)間內(nèi)將燈管擊穿，燈必然要承受一段輝光放電時(shí)間再過渡到弧光放電，導(dǎo)致陰極發(fā)射物質(zhì)的嚴(yán)重濺射，使燈管兩端燈絲周圍的管壁出現(xiàn)早期發(fā)黑，造成燈使用壽命的縮短。對于預(yù)熱啟動(dòng)方式的熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器，啟動(dòng)時(shí)必須滿足下列要求：
a、在陰極達(dá)到電子發(fā)射狀態(tài)之前，燈兩端的開路電壓低于導(dǎo)致陰極受損害的燈輝光電流的水平。
b、當(dāng)陰極在達(dá)到發(fā)射狀態(tài)之后，開路電壓應(yīng)足夠高，可使燈迅速啟動(dòng)，而無須重復(fù)多次才啟動(dòng)。
c、當(dāng)陰極已達(dá)到發(fā)射狀態(tài)時(shí)，若開路電壓需升高后才能使燈啟動(dòng)，則開路電壓從低到高的轉(zhuǎn)變過程，必須在陰極仍處于發(fā)射溫度期間完成。
d、在陰極預(yù)熱階段，預(yù)熱電流或預(yù)熱電壓不得過大或過高，而使陰極上發(fā)射物質(zhì)因過熱而受損害，并且陰極預(yù)熱的最短時(shí)間至少0.4秒。
預(yù)熱啟動(dòng)電路。Rt為PTC熱敏電阻，D1、D2為二極管。工作過程為：電路啟動(dòng)時(shí)，Rt開始阻值較低，限制了諧振電容C即燈兩端電壓在150V（有效值）以內(nèi)，隨著時(shí)間的延長，PTC阻值開始升高，經(jīng)過0.4-1.5秒后，預(yù)熱結(jié)束，電容C兩端電壓迅速升高，將燈管擊穿點(diǎn)燃。圖中，二極管D1、D2是限制燈絲電壓和有效加熱電流的。對40W燈而言，燈絲有效加熱電流應(yīng)限制650mA在左右，如果沒有D1、D2，則預(yù)熱電流會高達(dá)850mA甚至更大。不但有可能損害陰極，而且正常工作時(shí)還會使流過燈絲、電容C和PTC的電流增大，影響燈的發(fā)光效率。
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