可調(diào)光熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)

引言

目前節(jié)能燈是應(yīng)用最廣泛的一種電光源。雖然因半導(dǎo)體照明的異軍突起，電子節(jié)能燈已不再處于照明領(lǐng)域的技術(shù)前沿，但其發(fā)展?jié)摿κ遣蝗葜靡傻?。在普通照明領(lǐng)域，LED光源在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不可能完全取代節(jié)能燈。

面對(duì)全球能源短缺的嚴(yán)峻形勢(shì)，調(diào)光技術(shù)在照明領(lǐng)域日益引起人們的關(guān)注。用戶根據(jù)實(shí)際需要對(duì)節(jié)能燈進(jìn)行調(diào)光，是一種節(jié)能的舉措。對(duì)節(jié)能燈調(diào)光，有數(shù)種方案可供選擇。其中，三端雙向晶閘管(Triac)傳統(tǒng)調(diào)光器，是一種低成本簡(jiǎn)單模擬調(diào)光方案。采用Triac調(diào)光器對(duì)基于控制IC的電子鎮(zhèn)流的節(jié)能燈調(diào)光，其基本前提是鎮(zhèn)流器控制IC必須具備可調(diào)光功能?？烧{(diào)光節(jié)能燈控制芯片有很多，ST公司生產(chǎn)的L6574就是其中的一種代表性器件。

1 可調(diào)光鎮(zhèn)流器控制器L6574簡(jiǎn)介

L6574采用16引腳SO和DIP封裝，引腳排列如圖1所示。

圖1 L6574的引腳排列

表1列示了L6574的各個(gè)引腳功能。

表1 L6574的引腳功能

L6574的工作原理可以用圖2來(lái)說(shuō)明。

圖2 L6574工作原理圖

L6574上、下兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器指定驅(qū)動(dòng)外接半橋開(kāi)關(guān)(MOSFET)。L6574含有壓控振蕩器和燈絲預(yù)熱定時(shí)比較器。當(dāng)IC振蕩器啟動(dòng)后，首先輸出預(yù)熱頻率fPRE，其值由IC引腳2上的外接電阻RPRE、引腳4上的外接電阻RING和引腳3上的外接電容CF設(shè)定，計(jì)算公式是：

燈絲加熱時(shí)間tPRE由IC引腳1外部接地電容CPRE設(shè)定，并可按照(2)式計(jì)算：

預(yù)熱結(jié)束后，頻率從fPRE向低處的正常運(yùn)行頻率fING掃描。當(dāng)頻率通過(guò)負(fù)載LC網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率時(shí)，在燈電容上產(chǎn)生一個(gè)高壓脈沖將燈點(diǎn)亮。點(diǎn)燈時(shí)間tIGN為預(yù)熱時(shí)間的10%，即：

燈引燃后，在運(yùn)行頻率fING上工作。fING可以按照(4)式計(jì)算：

L6574含有一個(gè)高輸入阻抗、寬帶、大共模范圍和低輸出阻抗的運(yùn)算放大器，用來(lái)閉環(huán)控制燈光電流，并實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。

L6574引腳EN1、EN2內(nèi)部是門(mén)限電壓為0.6V的比較器，可以識(shí)別來(lái)自輸入端上的小于200ns的短脈沖，對(duì)過(guò)電壓或燈絲熔斷、燈未接入起保護(hù)作用。當(dāng)IC引腳EN1出現(xiàn)高電平時(shí)，則強(qiáng)制IC進(jìn)入關(guān)閉模式，振蕩電路停止振蕩。當(dāng)引腳EN2輸入高電平電壓時(shí)，IC重新進(jìn)入啟動(dòng)時(shí)序。

L6574引腳VS上的導(dǎo)通電壓為10.2V，欠電壓關(guān)閉門(mén)限時(shí)8V，VS電壓被內(nèi)部穩(wěn)壓二極管箝位在15.6V的電平上。

2 基于L6574的典型可調(diào)光鎮(zhèn)流器電路

基于L6574的典型58W可調(diào)光鎮(zhèn)流器半橋逆變器和諧振輸出級(jí)電路如圖3所示。

圖3 基于L6574的58W鎮(zhèn)流器電路

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-2要求，由于燈功率>25W，所以必須采用功率因數(shù)校正(PFC)。圖3電路的前端，是基于L6561的有源PFC升壓轉(zhuǎn)換器，為圖3所示的鎮(zhèn)流器部分提供400V的DC總線電壓，并保證系統(tǒng)輸入功率因數(shù)達(dá)0.99,AC輸入電流總諧波失真(THD)<10%。

啟動(dòng)電阻R3和R4連接在橋式整流輸出端，而不是連接在DC400V的母線上，可以使R3和R4承受較低的電壓。IC2啟動(dòng)后，只要半橋開(kāi)始產(chǎn)生輸出，高頻電壓經(jīng)C11耦合，VD2整流和C6、C20濾波，加至IC2引腳12，為IC2供電。引腳12上的電壓VS被VDZ1箝位在14V。

IC2引腳2上的電位器R14調(diào)至最大時(shí)的電阻值是4.7kΩ，因此，RPRE=R13+R14+R15=100kΩ+4.7kΩ+1.5kΩ=106.2kΩ。IC2引腳4上的接地電阻R19=RING=100kΩ，引腳3上的電容C13=CF=470PF，引腳1上的電容C14=CPRE=0.82μF，按照(1)～(4)式計(jì)算：

fPRE=60kHz,tPRE=1.2s，tIGN=0.12s，fING≈30kHz。

如果燈管未接入，IC2引腳12上的電壓VS經(jīng)電阻R26和R27加至引腳8(EN1)，CMOS比較器將強(qiáng)制IC2進(jìn)入關(guān)閉模式，半橋電路截止。在燈絲預(yù)熱之后，如果燈不能被點(diǎn)亮，電阻R30上將產(chǎn)生一個(gè)額外電壓，經(jīng)VD4整流和C15濾波，加至IC2引腳9(EN2)，IC2則重新進(jìn)入預(yù)熱和點(diǎn)燈程序。

半橋下面MOSFET源極上連接的R25是電流檢測(cè)電阻，R25上的電流檢測(cè)信號(hào)經(jīng)R33加至IC2的引腳6(OPIN_)。IC2的引腳5(OPOUT)與引腳4(RING)之間連接VD3和R18，VD3的作用是防止開(kāi)關(guān)頻率低于由R13等設(shè)定的頻率。在燈點(diǎn)火時(shí)，R25上的電壓增加，IC2中的運(yùn)算放大器則開(kāi)始對(duì)燈電流進(jìn)行閉環(huán)控制。調(diào)節(jié)R14的電阻值，則可以改變開(kāi)關(guān)頻率，從而調(diào)節(jié)燈電流和燈功率，實(shí)現(xiàn)調(diào)光功能。

3 Triac調(diào)光器調(diào)光的實(shí)現(xiàn)

1)普通電子鎮(zhèn)流器利用Triac調(diào)光器調(diào)光會(huì)出現(xiàn)燈閃爍

白熾燈是一種純正電阻性負(fù)載，利用傳統(tǒng)Triac調(diào)光器對(duì)白熾燈進(jìn)行調(diào)光，Triac在AC輸入正弦波的任意時(shí)刻都能被觸發(fā)導(dǎo)通，直到正弦電壓接近零時(shí)才被關(guān)斷。因此，白熾燈可以實(shí)現(xiàn)幾乎從0%到100%的平滑調(diào)光。

電子鎮(zhèn)流器的情況與白熾燈比較是完全不同的，Ttiac調(diào)光器連接在橋式整流器(或EMI濾波器)輸入端，如圖4所示。

圖4 Triac調(diào)光器連接在橋式整流器輸入端[!--empirenews.page--]

我們先不考慮調(diào)光器接入的情況。由于整流二極管具有單向?qū)щ娦?，只有正向偏置時(shí)才會(huì)導(dǎo)通。只有在AC輸入電壓峰值附近，AC電壓才會(huì)高于儲(chǔ)能電容C1上的電壓，二極管才會(huì)有電流通過(guò)。因此，AC輸入電流不再呈正弦形狀，而是高幅度的尖峰脈沖，如圖5所示。在10ms的半周期中，二極管導(dǎo)通時(shí)間僅約3ms，對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通角僅約60°。

圖5 不考慮調(diào)光器時(shí)AC輸入電壓、輸入電流和整流濾波輸出電壓

當(dāng)將白熾燈使用的調(diào)光器連接在電子鎮(zhèn)流器輸入端(見(jiàn)圖4)時(shí)，Triac只有在AC輸入電壓大于平滑電容器C1上的電壓時(shí)才會(huì)被觸發(fā)導(dǎo)通。這樣雖然在一定程度上也能對(duì)熒光燈進(jìn)行調(diào)光，但會(huì)使燈光閃爍，不能實(shí)用。

2)Triac調(diào)光解決方案

為了實(shí)現(xiàn)采用白熾燈可控硅調(diào)光器對(duì)電子鎮(zhèn)流器的平滑調(diào)光，消除燈閃爍，解決方案如圖6所示。

圖6 Triac調(diào)光解決方案框圖

除了對(duì)燈電流感測(cè)反饋之外，還要對(duì)調(diào)光器之后的AC輸入電壓進(jìn)行感測(cè)，并將感測(cè)信號(hào)輸入到L6574的運(yùn)算放大器的同相端，作為參考控制電壓。電壓檢測(cè)電路非常簡(jiǎn)單，可利用一個(gè)電阻分壓器采樣，然后加一個(gè)整流濾波網(wǎng)絡(luò)。

對(duì)調(diào)光器之后的電壓進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)際上是對(duì)調(diào)光電位器的旋鈕位置(亦即Triac的導(dǎo)通角)進(jìn)行控制。

為了實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)光，必須對(duì)鎮(zhèn)流器電路附加一個(gè)單級(jí)PFC電路。在圖6中，C2、C3、VD5、VD6、L2、C3和功率MOSFETVT1、VT2則為單級(jí)PFC電路。

為了說(shuō)明單級(jí)功率因數(shù)校正(PFC)電路的工作原理，我們假定開(kāi)關(guān)的死區(qū)時(shí)間(即VT1關(guān)斷后到VT2導(dǎo)通之間的時(shí)間間隔)可以忽略;VT1與VT2的占空比為50%;在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，電容C2和C3上的電壓是恒定的。圖7給出了一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中通過(guò)電感L2的電流iL2的波形。

圖7 單個(gè)開(kāi)關(guān)周期電感L2電流

iL2可以分為4個(gè)階段。

t0～t1：該時(shí)段L2充電。在t=t0時(shí)，VT1已開(kāi)通，VT2斷開(kāi)，C2通過(guò)VD5、VT1給L2充電，iL2線性增大，在t1時(shí)刻，VT1關(guān)斷，VT2開(kāi)通，iL2達(dá)到正向峰值。

t1

t2

t3

事實(shí)上，單級(jí)PFC電路是由兩個(gè)升壓電路構(gòu)成的，iL2雙向工作，并且在臨界不連續(xù)模式操作。加入單級(jí)PFC電路后，AC輸入電流可連續(xù)通過(guò)整流器中的二極管，Triac幾乎可以在0°～180°的任意時(shí)刻上被觸發(fā)導(dǎo)通，直到AC正弦電壓接近零時(shí)才被關(guān)斷，這樣就擴(kuò)大了調(diào)光范圍。

對(duì)于圖6所示的電路，如果負(fù)載是20W的節(jié)能燈，并且AC輸入電壓范圍為180～260VAC，最低開(kāi)關(guān)頻率是45kHz,L2=L1=2.8mH,C1=10μF,C4=0.1μF,C5=5.6nF,VT1和VT2為STD4NK50型MOSFET，在220V/50Hz下的調(diào)光特性如圖8所示。

圖8 220Vac、50Hz條件下的調(diào)光特性

其中，Ton為T(mén)riac在AC線路半周期(10ms)內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間，Plamp是實(shí)測(cè)燈功率。從圖8可以看到，隨著Triac導(dǎo)通時(shí)間的增加，燈功率相應(yīng)增加，從而使燈亮度增加。反之，Ton越短，燈功率則越小，燈光也就越暗。

圖9為AC輸入電壓和電流波形。由該圖可以看出，雖然AC電流在其峰值附近出現(xiàn)了尖峰，但Triac在任意點(diǎn)上都可以導(dǎo)通，在半周期中的整流二極管導(dǎo)通幾乎從0°到180°，而未采用單級(jí)PFC電路時(shí)的導(dǎo)通角僅為60°(見(jiàn)圖5)，線路功率因數(shù)達(dá)到0.9以上。當(dāng)然，加入單級(jí)PFC電路的目的最主要的還是使Triac在0°～180°之間的任意點(diǎn)都可以被觸發(fā)導(dǎo)通。

圖9 輸入電壓、電流波形

4 結(jié)語(yǔ)

L6574是一種可調(diào)光熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器控制器?；贚6574的鎮(zhèn)流器，附加一個(gè)單級(jí)PFC電路，再通過(guò)L6574中的運(yùn)算放大器對(duì)輸入電壓和燈平均電流進(jìn)行感測(cè)，借助于調(diào)頻和調(diào)壓雙重作用，可以使用傳統(tǒng)白熾燈Traic調(diào)光器，實(shí)現(xiàn)從20%～100%調(diào)光，使其在節(jié)能方面發(fā)揮很大的優(yōu)勢(shì)。