基于熒光燈簡(jiǎn)易模型的電子鎮(zhèn)流器頻率特性分析

隨著綠色照明工程的推出，電子鎮(zhèn)流器的作用日益突出。但在實(shí)際中，電子鎮(zhèn)流器在性能和可靠性上仍存在一些問(wèn)題，主要是熒光燈須有較大的電流在一定時(shí)間內(nèi)給燈絲預(yù)熱，600～800 V的高電壓使燈點(diǎn)燃，穩(wěn)定的工作頻率使其工作在額定功率狀態(tài)。
    電子鎮(zhèn)流器是一個(gè)通過(guò)電子電路，將工頻電源變換成直流電源，再將直流電源變換成數(shù)十kHz甚至更高頻率，集點(diǎn)燃和限流于一體的逆變裝置，它給熒光燈提供一個(gè)較高較合適頻率的電源。頻率對(duì)其性能和可靠性的影響至關(guān)重要，為了提高裝置的性能和可靠性，解決熒光燈預(yù)熱啟動(dòng)與燈管的匹配問(wèn)題，對(duì)電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行相關(guān)電路設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)熒光燈的頻率特性進(jìn)行詳細(xì)的分析。

1 頻率對(duì)電子鎮(zhèn)流器的影響
    頻率對(duì)電子鎮(zhèn)流器性能和可靠性的影響可以分為以下幾個(gè)方面：
    (1)光效。熒光燈的光效取決于其內(nèi)部參數(shù)和外部條件等多種因素。提高工作頻率，熒光燈的光效會(huì)隨之提高。
    (2)損耗。元器件介質(zhì)的損耗與頻率有關(guān)。當(dāng)損耗太高時(shí)，不僅造成能量的浪費(fèi)，而且這些能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量，使鎮(zhèn)流器的溫度升高，導(dǎo)致各種元器件的特性變壞，引起鎮(zhèn)流器的穩(wěn)定性和可靠性下降。
    (3)噪音。在交變電場(chǎng)的作用下，電子鎮(zhèn)流器中的磁性元器件會(huì)產(chǎn)生噪音。如果頻率>20 kHz，人耳朵聽(tīng)不到，有利于保護(hù)工作和生活環(huán)境。

2 電子鎮(zhèn)流器頻率的確定
    熒光燈點(diǎn)亮前處于開(kāi)路狀態(tài)，點(diǎn)亮后具有動(dòng)態(tài)的負(fù)阻特性，是一種典型的非線性對(duì)象。當(dāng)在兩電極間加上電壓，燈管沒(méi)點(diǎn)亮前，流過(guò)燈管的電流非常小，熒光燈可視為開(kāi)路，等效電路模型如圖1所示。圖中C0為高頻電子鎮(zhèn)流器的輸出電容，RL為電感L的等效電阻，尺f1和Rf2為熒光燈管的燈絲電阻，受溫度影響其阻值為幾到幾十Ω，Cres為諧振電容。鎮(zhèn)流器輸出V是峰值為200 V，占空比為50％的交流高頻方波。

    設(shè)計(jì)電路時(shí)以Philips 40 W日光燈為例，日光燈的預(yù)熱時(shí)間為1 s，預(yù)熱電流的有效值0．6 A，觸發(fā)電壓的峰值范圍600～800 V，燈管兩端有效值電壓103 V，電流的有效值0．33 A。
    根據(jù)燈管的額定參數(shù)及額定電壓和電流，計(jì)算燈管等效電阻R，本次設(shè)計(jì)中R=312 Ω。
    實(shí)際測(cè)量燈絲電阻Rf1和Rf2，經(jīng)過(guò)測(cè)量多個(gè)燈管后，可以近似認(rèn)為Rf1=Rf2=7．7 Ω。
    根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇諧振電容Cres=6 800 pF。
    選擇期望的運(yùn)行頻率：為了燈管可靠的點(diǎn)火并正常進(jìn)入工作狀態(tài)，通常選擇fpre>fign>frun(fpre，fign分別為預(yù)熱頻率和點(diǎn)火頻率)，而點(diǎn)火頻率fign大于串聯(lián)諧振頻率fres，因此確定了fres也基本確定了frun的數(shù)值范圍。
2．1 預(yù)熱頻率fpre
    電子鎮(zhèn)流器接通電源后，逆變電路工作頻率較高，而燈管兩端的電壓較低，在冷態(tài)下無(wú)法使燈管激活啟輝，避免燈絲因硬擊穿而受損。從電源接通時(shí)刻，在tpre時(shí)間內(nèi)振蕩頻率保持fpre不變，電路處于預(yù)熱階段。
    確定預(yù)熱頻率fpre：此時(shí)預(yù)熱電流I=0．6 A，應(yīng)滿足式(1)。
   
    設(shè)L=2 mH，C0=0．1μF，代入相關(guān)參數(shù)，求得fpre≈59．5 kHz。
2．2 觸發(fā)頻率fign
    電路的固有諧振頻率由式(2)確定。
   
    當(dāng)振蕩頻率移近電路的固有頻率fres時(shí)，燈兩端電壓會(huì)急劇上升到其點(diǎn)燃電壓，使燈點(diǎn)燃，設(shè)L=2 mH，Cres=6 800 pF，C0=0．1μF，代入式(2)，可求得fign=fres≈44．6 kHz，
2．3 運(yùn)行頻率frun
    當(dāng)熒光燈正常發(fā)光時(shí)，其運(yùn)行電壓和電流也確定了，此時(shí)熒光燈可等效為電阻R，等效電路模型如圖2所示。此時(shí)R不能忽略，由正常工作的管電壓和管電流確定。

    電路中燈絲電阻Rf1和Rf2與諧振電容Cres串聯(lián)，然后與燈管電阻R并聯(lián)，當(dāng)頻率降到燈的正常工作頻率時(shí)，燈便工作在額定頻率下，此時(shí)電流I=0．33 A，滿足式(3)。
   
    設(shè)L=2 mH，C0=0．1μF，R=312 Ω，V=180 V，RL=1 Ω，由ω=2πf，求得frun≈39．5 kHz。
    由計(jì)算可得頻率和時(shí)間的關(guān)系曲線如圖3所示。

    在燈未啟動(dòng)前，輸出回路是一個(gè)LCR回路，頻率先從一個(gè)很高的起始頻率下降到預(yù)熱頻率點(diǎn)，經(jīng)過(guò)0．4～1 s的預(yù)熱后，使頻率逐漸過(guò)點(diǎn)燃點(diǎn)，最后使燈在額定功率下工作。
    為了使熒光燈能夠安全，可靠地工作，在輸出回路中正確合理地選擇L和C的數(shù)值，再由L和C的值確定燈的3個(gè)頻率點(diǎn)與燈管的電氣特性是否匹配。

3 應(yīng)用電路設(shè)計(jì)
    采用熒光燈電子鎮(zhèn)流器控制器IR2520驅(qū)動(dòng)雙極型晶體管功率開(kāi)關(guān)組成的逆變器電路如圖4所示。

    電路工作時(shí)，首先由IC內(nèi)的振蕩器產(chǎn)生一個(gè)高頻信號(hào)，然后在IR2520的6腳輸出電壓驅(qū)動(dòng)MOSFET管導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)LC諧振電路，產(chǎn)生一個(gè)高壓脈沖，只要燈管完好并且擊穿，日光燈即可被點(diǎn)燃。
    燈管正常啟動(dòng)后，對(duì)其兩端的電壓和電流波形進(jìn)行測(cè)量。如圖5所示，燈電壓與燈電流的實(shí)驗(yàn)波形可見(jiàn)，設(shè)計(jì)的鎮(zhèn)流器使燈的電壓和電流基本接近標(biāo)準(zhǔn)工作電壓103 V，電流0．33 A。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文以Philips 40 W日光燈為例，介紹了電子鎮(zhèn)流器從預(yù)熱、啟動(dòng)到正常運(yùn)行的頻率特性。當(dāng)電子鎮(zhèn)流器與燈管達(dá)到最佳參數(shù)匹配時(shí)，日光燈可以從電子鎮(zhèn)流器中獲得最佳電能，從而提高系統(tǒng)的光效和可靠性，延長(zhǎng)燈管的使用壽命。