電子鎮流器優化設計要點
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上傳人：admin 上傳時間： 2007-02-08 瀏覽次數： 100 |
編者按：作者基于電子鎮流器的工作原理，結合對高功率因數、低諧波電路的研究，異常工作狀態保護電路的研究，燈絲預熱啟動電路的研究及EMI濾波器電路等一系列的研究分析，提出電子鎮流器優化設計要點，有利于電子鎮流器生產廠家的規范化設計。
新型鎮流器件—電子鎮流器
管形熒光燈是目前工廠、大廈、商場、機關、學校和家庭照明的一種主要電光源，而電子鎮流器是取代傳統的鐵芯式電感鎮流器與熒光燈配用的新型鎮流器件。電子鎮流器具有自重輕、自身發熱低、轉換效率高、啟動特性好、無頻閃等特點，得到了越來越廣泛的應用。目前已在很多場合取代了電感鎮流器，其使用份額已占到總使用份額的40%以上，電子鎮流器出口量連續幾年以年遞增25%以上的速度增長。同時，消費者對電子鎮流器的要求越來越高，用戶希望電子鎮流器安全可靠、價格低廉、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，不能對電網造成污染，影響其它電器設備的安全經濟運行。為此，國家技術監督局在1994年7月發布了GB15143-94《管形熒光燈用交流電子鎮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流器性能要求》兩項國家標準。這兩個國家標準分別等同采用IEC928（1990）和等效采用IEC929（1990）。我國境內市場上流行的電子鎮流器很多不符合產品的標準要求。國家質量技術監督檢驗檢疫總局于2001年第三季度對電子鎮流器行業進行了生產領域的國家監督檢查，合格率為58%。表現為安全項目不過關，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，電子鎮流器必須通過中國強制性產品認證（3C認證）才可以出廠和銷售。而通過3C認證，除了需通過安全標準測試外，還必須通過GB17743-1999《電氣照明和類似設備的無線電騷擾特性的限值和測量方法》和GB17625.1-1998《低壓電氣及電子設備發出的諧波電流限值（設備每相輸入電流≤16A）》這兩個電磁兼容標準的測試。這更加需要我們認真對待電子鎮流器的設計。本文試就電子鎮流器的工作原理，高功率因數、低諧波電路的研究，異常工作狀態保護電路的研究，燈絲預熱啟動電路的研究及EMI濾波器電路的研究等方面做些分析，以利于電子鎮流器的規范化設計。
電子鎮流器是一個將工頻（50/60Hz）交流電轉換成高頻交流電源的變換器。工頻電源首先經過EMI濾波器濾波，然后經過全波整流和功率因數校正器（PFC）后，變為直流電源。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串聯諧振電路加熱燈絲，同時在電容器上產生諧振高壓，將燈啟動。燈啟動之后，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，還要設計各種保護電路，如燈異常保護、浪涌保護、電流保護及溫度保護等。
電磁干擾會嚴重影響電子電氣設備的正常運行，甚至會使電子元器件發生永久性的損壞。因此，必須采取措施對其給予充分地抑制。EMI以輻射和傳導兩種方式傳播，傳導干擾有差模（DM）和共模（CM）兩種類型。目前抑制EMI的技術有很多，而濾波技術是抑制傳導干擾最有效和最經濟的手段。EMI濾波器既抑制了來自電網的電磁干擾，同時對電子鎮流器自身產生的電磁干擾也起衰減作用，以保證電網不受污染。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，會達到很好的效果。當然，在正確設計濾波器的情況下，電子鎮流器內部布局、布線必須合理設計，以提高抗EMI的效果。
異常工作狀態保護和自動恢復電路
電子鎮流器的異常狀態指由于燈與鎮流器連線脫落、燈管漏氣、燈絲熔斷不能啟動或陰極去活化等引起的。為防止電子鎮流器在異常條件下損壞，應采用異常狀態保護電路。保護電路工作過程為：當燈管出現老化、漏氣等異常狀態而使燈兩端電壓升高時，在逆變電路輸出回路中對異常信號取樣，經過延時、基準比較，控制振蕩器停止工作，從而起到保護作用。當異常狀態消除后（換燈管），電路會自動把燈點亮。
此外，還有浪涌電流限制、過電流保護、過電壓保護、過熱保護等。
預熱啟動電路
目前廣為流行的直管形熒光燈和稀土節能燈都屬于陰極預熱啟動型的電光源。如果快速啟動的話，在燈陰極和燈管兩端同時施加開路電壓和陰極電流，陰極發射材料還遠未達到高于700℃的熱電子發射狀態，而高電壓又不可能在極短時間內將燈管擊穿，燈必然要承受一段輝光放電時間再過渡到弧光放電，導致陰極發射物質的嚴重濺射，使燈管兩端燈絲周圍的管壁出現早期發黑，造成燈使用壽命的縮短。對于預熱啟動方式的熒光燈交流電子鎮流器，啟動時必須滿足下列要求：
a、在陰極達到電子發射狀態之前，燈兩端的開路電壓低于導致陰極受損害的燈輝光電流的水平。
b、當陰極在達到發射狀態之后，開路電壓應足夠高，可使燈迅速啟動，而無須重復多次才啟動。
c、當陰極已達到發射狀態時，若開路電壓需升高后才能使燈啟動，則開路電壓從低到高的轉變過程，必須在陰極仍處于發射溫度期間完成。
d、在陰極預熱階段，預熱電流或預熱電壓不得過大或過高，而使陰極上發射物質因過熱而受損害，并且陰極預熱的最短時間至少0.4秒。
預熱啟動電路。Rt為PTC熱敏電阻，D1、D2為二極管。工作過程為：電路啟動時，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，隨著時間的延長，PTC阻值開始升高，經過0.4-1.5秒后，預熱結束，電容C兩端電壓迅速升高，將燈管擊穿點燃。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限制650mA在左右，如果沒有D1、D2，則預熱電流會高達850mA甚至更大。不但有可能損害陰極，而且正常工作時還會使流過燈絲、電容C和PTC的電流增大，影響燈的發光效率。
新型鎮流器件—電子鎮流器
管形熒光燈是目前工廠、大廈、商場、機關、學校和家庭照明的一種主要電光源，而電子鎮流器是取代傳統的鐵芯式電感鎮流器與熒光燈配用的新型鎮流器件。電子鎮流器具有自重輕、自身發熱低、轉換效率高、啟動特性好、無頻閃等特點，得到了越來越廣泛的應用。目前已在很多場合取代了電感鎮流器，其使用份額已占到總使用份額的40%以上，電子鎮流器出口量連續幾年以年遞增25%以上的速度增長。同時，消費者對電子鎮流器的要求越來越高，用戶希望電子鎮流器安全可靠、價格低廉、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，不能對電網造成污染，影響其它電器設備的安全經濟運行。為此，國家技術監督局在1994年7月發布了GB15143-94《管形熒光燈用交流電子鎮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流器性能要求》兩項國家標準。這兩個國家標準分別等同采用IEC928（1990）和等效采用IEC929（1990）。我國境內市場上流行的電子鎮流器很多不符合產品的標準要求。國家質量技術監督檢驗檢疫總局于2001年第三季度對電子鎮流器行業進行了生產領域的國家監督檢查，合格率為58%。表現為安全項目不過關，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，電子鎮流器必須通過中國強制性產品認證（3C認證）才可以出廠和銷售。而通過3C認證，除了需通過安全標準測試外，還必須通過GB17743-1999《電氣照明和類似設備的無線電騷擾特性的限值和測量方法》和GB17625.1-1998《低壓電氣及電子設備發出的諧波電流限值（設備每相輸入電流≤16A）》這兩個電磁兼容標準的測試。這更加需要我們認真對待電子鎮流器的設計。本文試就電子鎮流器的工作原理，高功率因數、低諧波電路的研究，異常工作狀態保護電路的研究，燈絲預熱啟動電路的研究及EMI濾波器電路的研究等方面做些分析，以利于電子鎮流器的規范化設計。
電子鎮流器是一個將工頻（50/60Hz）交流電轉換成高頻交流電源的變換器。工頻電源首先經過EMI濾波器濾波，然后經過全波整流和功率因數校正器（PFC）后，變為直流電源。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串聯諧振電路加熱燈絲，同時在電容器上產生諧振高壓，將燈啟動。燈啟動之后，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，還要設計各種保護電路，如燈異常保護、浪涌保護、電流保護及溫度保護等。
電磁干擾會嚴重影響電子電氣設備的正常運行，甚至會使電子元器件發生永久性的損壞。因此，必須采取措施對其給予充分地抑制。EMI以輻射和傳導兩種方式傳播，傳導干擾有差模（DM）和共模（CM）兩種類型。目前抑制EMI的技術有很多，而濾波技術是抑制傳導干擾最有效和最經濟的手段。EMI濾波器既抑制了來自電網的電磁干擾，同時對電子鎮流器自身產生的電磁干擾也起衰減作用，以保證電網不受污染。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，會達到很好的效果。當然，在正確設計濾波器的情況下，電子鎮流器內部布局、布線必須合理設計，以提高抗EMI的效果。
異常工作狀態保護和自動恢復電路
電子鎮流器的異常狀態指由于燈與鎮流器連線脫落、燈管漏氣、燈絲熔斷不能啟動或陰極去活化等引起的。為防止電子鎮流器在異常條件下損壞，應采用異常狀態保護電路。保護電路工作過程為：當燈管出現老化、漏氣等異常狀態而使燈兩端電壓升高時，在逆變電路輸出回路中對異常信號取樣，經過延時、基準比較，控制振蕩器停止工作，從而起到保護作用。當異常狀態消除后（換燈管），電路會自動把燈點亮。
此外，還有浪涌電流限制、過電流保護、過電壓保護、過熱保護等。
預熱啟動電路
目前廣為流行的直管形熒光燈和稀土節能燈都屬于陰極預熱啟動型的電光源。如果快速啟動的話，在燈陰極和燈管兩端同時施加開路電壓和陰極電流，陰極發射材料還遠未達到高于700℃的熱電子發射狀態，而高電壓又不可能在極短時間內將燈管擊穿，燈必然要承受一段輝光放電時間再過渡到弧光放電，導致陰極發射物質的嚴重濺射，使燈管兩端燈絲周圍的管壁出現早期發黑，造成燈使用壽命的縮短。對于預熱啟動方式的熒光燈交流電子鎮流器，啟動時必須滿足下列要求：
a、在陰極達到電子發射狀態之前，燈兩端的開路電壓低于導致陰極受損害的燈輝光電流的水平。
b、當陰極在達到發射狀態之后，開路電壓應足夠高，可使燈迅速啟動，而無須重復多次才啟動。
c、當陰極已達到發射狀態時，若開路電壓需升高后才能使燈啟動，則開路電壓從低到高的轉變過程，必須在陰極仍處于發射溫度期間完成。
d、在陰極預熱階段，預熱電流或預熱電壓不得過大或過高，而使陰極上發射物質因過熱而受損害，并且陰極預熱的最短時間至少0.4秒。
預熱啟動電路。Rt為PTC熱敏電阻，D1、D2為二極管。工作過程為：電路啟動時，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，隨著時間的延長，PTC阻值開始升高，經過0.4-1.5秒后，預熱結束，電容C兩端電壓迅速升高，將燈管擊穿點燃。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限制650mA在左右，如果沒有D1、D2，則預熱電流會高達850mA甚至更大。不但有可能損害陰極，而且正常工作時還會使流過燈絲、電容C和PTC的電流增大，影響燈的發光效率。
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