基于單片機(jī)的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器研制

0 引 言
    隨著科技的迅猛發(fā)展，世界自然資源也以同樣的迅猛速度消耗著，節(jié)能已經(jīng)成為各國(guó)科研計(jì)劃中的重要項(xiàng)目。照明節(jié)能越來(lái)越引起人們的關(guān)注，并逐漸上升到保護(hù)資源和環(huán)境的高度。近年來(lái)，得益于電力電子學(xué)的發(fā)展，節(jié)能型電光源配套設(shè)備也得到了迅速發(fā)展。與傳統(tǒng)的電感鎮(zhèn)流器相比，電子鎮(zhèn)流器自身能耗大為降低，性能參數(shù)大大提高，體積和重量大大減小，使用壽命延長(zhǎng)，并且改善了照明質(zhì)量。
    金鹵燈作為一種新型節(jié)能高強(qiáng)度放電燈，其顯色性好，光色接近于太陽(yáng)光，而且發(fā)光效率高，廣泛應(yīng)用于廣場(chǎng)、碼頭、車間等室內(nèi)外照明中。因此，與其配套的電子鎮(zhèn)流器也成為近幾年研究的熱點(diǎn)。降低金鹵燈及電子鎮(zhèn)流器的成本，縮小其體積則成為研究的關(guān)鍵。

1 硬件電路設(shè)計(jì)
1．1 金鹵燈電子鎮(zhèn)流器技術(shù)指標(biāo)
    功率因數(shù)大于等95％；電流畸變系數(shù)小于等于10％；電流波峰系數(shù)小于等于1．7；使用壽命大于等于10 000 h；啟動(dòng)時(shí)間小于等于1 min；有過(guò)壓、過(guò)流及異常狀態(tài)保護(hù)功能。
1．2 電子鎮(zhèn)流器的工作原理
    該電子鎮(zhèn)流器的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它主要由整流及功率因數(shù)校正電路、恒功率控制電路、高頻逆變電路、點(diǎn)火電路及控制電路幾部分構(gòu)成。該電路的輸入為50／60 Hz，220 V的工頻交流電，在電源接通而燈未點(diǎn)燃時(shí)，經(jīng)LC諧振電路諧振后能產(chǎn)生3 kV以上的高壓把燈點(diǎn)亮；而燈穩(wěn)定工作以后，燈兩端電壓約為85 V，維持金鹵燈的正常點(diǎn)燃。

1．2．1 整流與功率因數(shù)校正電路
    本電路的整流濾波是采用橋式整流電容濾波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)EMI濾波器得到310 V的直流電壓送到APFC電路。而APFC是用功率因數(shù)控制芯片L6561完成的。其電路圖如圖2所示。

    APFC的基本工作原理如下：主回路的輸出電壓Vo。和基準(zhǔn)電壓VREF比較后，輸入給電壓誤差放大器EA，整流電壓檢測(cè)值VM1和誤差放大器的輸出電壓信號(hào)Verr共同加到乘法器M的輸入端，乘法器M的輸出作為電流反饋控制的基準(zhǔn)信號(hào)。電流誤差放大器CA的輸出與電感零電流檢測(cè)器(ZCD)的輸出作為開關(guān)管VG驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)，控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷，保證電感電流的峰值跟蹤整流電壓，從而使輸入電流(電感電流的平均值)與輸入電壓的波形基本一致，提高輸入端功率因數(shù)，降低電流畸變程度。
1．2．2 恒功率控制電路
    金鹵燈在使用壽命期間，燈電壓會(huì)隨著燈管的不斷老化而升高，而傳統(tǒng)的電感鎮(zhèn)流器具有恒流特性，導(dǎo)致燈功率不斷增大，從而加速燈管老化。本文采用了具有限流限壓功能的近似恒功率控制方案，具有成本低，性能穩(wěn)定的特點(diǎn)，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)以及燈管老化等因素造成燈電壓變化時(shí)，均能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)恒功率輸出。其電路原理圖如圖3所示。

    該電路可以將系統(tǒng)的功率因數(shù)λ提高到0．99以上，有效地抑制輸入電源電流iin的波形失真，達(dá)到GB15144所要求的低于L級(jí)畸變指數(shù)，確保HID燈管的電流波峰系數(shù)小于1．7。
    在Buck電路輸入端串聯(lián)接入檢測(cè)電阻Rs，然后通過(guò)電阻R1進(jìn)行濾波，得到平均電壓信號(hào)，從L2端檢測(cè)到燈的電壓信號(hào)，二者經(jīng)過(guò)EA放大電壓信號(hào)，得到的輸出電壓作為反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)比較強(qiáng)輸入到PWM控制器，PWM控制器根據(jù)輸入的反饋電壓信號(hào)輸出一個(gè)控制信號(hào)Vf來(lái)控制Buck電路的開關(guān)S2的占空比。適當(dāng)?shù)剡x擇R1，R2，R3，就可以很好地控制輸出功率Po。
1．2．3 全橋逆變電路
    鎮(zhèn)流器中的低頻方波輸出是通過(guò)全橋逆變電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如圖4所示。全橋由4個(gè)MOSFET構(gòu)成，在全橋控制器的控制下，兩對(duì)MOS管交替導(dǎo)通，在穩(wěn)定工作情況下輸出400 Hz的方波。

1．2．4 啟動(dòng)電路
    由LC構(gòu)成諧振啟動(dòng)電路。在啟動(dòng)前，燈相當(dāng)于開路，L，C組成串聯(lián)諧振電路。點(diǎn)燈時(shí)，利用全橋輸出方波電壓正負(fù)跳變時(shí)的少量高頻分量，使L，C發(fā)生諧振，在C兩端產(chǎn)生高電壓將燈點(diǎn)燃。此啟動(dòng)電路點(diǎn)火電壓的位置有利于燈啟動(dòng)后電弧的穩(wěn)定，而當(dāng)燈工作于穩(wěn)態(tài)時(shí)，點(diǎn)火電路對(duì)燈并無(wú)影響。

2 軟件設(shè)計(jì)
    單片機(jī)主要完成燈啟動(dòng)過(guò)程控制、穩(wěn)態(tài)時(shí)的恒功率控制以及過(guò)壓欠壓和開路、短路等異常狀態(tài)保護(hù)。其主程序流程如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    電路有關(guān)工作波形如圖6所示。

4 結(jié) 語(yǔ)
    基于單片機(jī)控制的金鹵燈電子鎮(zhèn)流器，能自動(dòng)完成故障檢測(cè)、高壓點(diǎn)火、異常狀態(tài)保護(hù)及穩(wěn)態(tài)時(shí)的恒功率控制。所設(shè)計(jì)的電子鎮(zhèn)流器通過(guò)了高溫80℃、低溫-40℃、異常狀態(tài)保護(hù)及工作時(shí)間試驗(yàn)。從研究結(jié)果可以看到，樣機(jī)開發(fā)是成功的，這無(wú)疑為數(shù)字控制電子鎮(zhèn)流器早日推向市場(chǎng)打下了良好的基礎(chǔ)。