HPS舞臺燈的設(shè)計(jì)與控制

田 豐 郭穎娜 程為彬 張德春

(西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710065)

1 引言

舞臺燈光作為舞臺藝術(shù)的重要表現(xiàn)形式，能夠伴隨節(jié)奏、聲音、情感和環(huán)境的變化而變化，給觀眾帶來一種神奇的視覺感受［1］。隨著科技的發(fā)展，人們對舞臺燈光提出了更高的要求，絢麗多姿的舞臺燈光能使人心潮澎湃，豐富多彩的舞臺效果能夠令人陶醉其中。因此，舞臺對光源的特性要求比普通照明更高，舞臺光源不僅要提供豐富的色彩，而且要有充足的亮度及照度。

舞臺用燈具種類繁多，如鹵鎢燈、熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈、氙燈，新興的LED燈也逐漸走進(jìn)市場，但是都存在自身的缺點(diǎn)。鹵鎢光源的燈具，光效低、壽命短、抗震能力差，它的局限性已經(jīng)不能適應(yīng)當(dāng)代演藝照明的要求，特別是在提倡綠色照明的新時代，更顯落后。高強(qiáng)度氣體放電 (HID)燈在高頻電子鎮(zhèn)流時易產(chǎn)生聲諧振現(xiàn)象，給電子鎮(zhèn)流器的性能提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。LED燈具在成本、價(jià)格方面相對偏高，它的應(yīng)用還局限在散光 (泛光)和固定光束角等燈具方面，還沒有研發(fā)出像鹵鎢光源那樣品種齊全的產(chǎn)品，而且LED舞臺燈具的研發(fā)與應(yīng)用方面有著極其復(fù)雜的技術(shù)特性［2］。

高壓鈉燈 (HPS)有發(fā)光效率高、耗電少、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，能夠應(yīng)用于寬闊的舞臺照明系統(tǒng)，尤其是在黃光區(qū)域能夠發(fā)揮其鈉黃光的獨(dú)特優(yōu)勢。因此，本文將HPS燈應(yīng)用于舞臺燈的設(shè)計(jì)，并提出了一種新的控制電路，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)電路的可行性。

2 設(shè)計(jì)原理

高壓鈉燈有負(fù)阻特性，所以必須匹配相應(yīng)的電子鎮(zhèn)流器才能正常工作。HPS舞臺燈的電子鎮(zhèn)流器必須起到兩個方面的功能，第一，它具有常規(guī)電子鎮(zhèn)流器的基本功能，并且能夠在所有的工作頻率中避免聲諧振現(xiàn)象［3］;第二，能夠使HPS燈的功率按照程序設(shè)定的要求變化，以達(dá)到舞臺燈光閃爍變化的效果。本文采用PWM半橋驅(qū)動逆變電路，基本形式如圖1所示。

圖1 PWM驅(qū)動電路

許多研究表明，HPS燈在正常工作時，可以看做一個定值電阻。當(dāng)用高壓方波驅(qū)動LCR電路時，其等效電路如圖2所示。

圖中Ue為高電壓PWM電源輸出，根據(jù)傅里葉變換理論，電源信號能夠表示為:

其中U為直流母線電壓幅值，ω =2πf，f為PWM開關(guān)頻率，式 (1)表明燈電源可以等效為許多正弦信號的疊加，則整個回路的電流能夠表示成:

圖2 LCR等效電路

因?yàn)殡娐分腥菘狗浅Ｐ。梢越坪雎?，所以?n+1次電流諧波均方根值可表示為:

于是2n+1次電流諧波產(chǎn)生的燈功率為:

所以燈的總功率能夠表示為:

由式 (5)可得到燈功率和PWM驅(qū)動頻率之間的關(guān)系，當(dāng)電壓和電路結(jié)構(gòu)基本確定的時候，能夠通過改變開關(guān)頻率f的大小改變燈的功率，進(jìn)而對燈的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。假設(shè)fmin是燈的額定功率開關(guān)頻率，fmax為燈的最小功率開關(guān)頻率，當(dāng)開關(guān)頻率在fmin和fmax兩點(diǎn)交替變化時，可得到HPS燈閃爍變化的效果;當(dāng)開關(guān)頻率在兩頻率之間逐漸變化時，可以根據(jù)頻率變化的速度得到不同的閃爍變化，達(dá)到舞臺燈需要的燈光效果。

3 控制策略

電子鎮(zhèn)流器作為燈光控制系統(tǒng)的終端，它的可靠與否直接影響到舞臺燈的變化效果，要確保燈光控制的穩(wěn)定性和靈活性，科學(xué)合理地設(shè)計(jì)控制電路尤為重要。

3.1 PWM控制電路

HPS 舞臺燈的閃爍變化能夠通過改變功率來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)式 (5)中功率和頻率的關(guān)系，可以通過改變頻率來改變功率，因此選用頻率轉(zhuǎn)換芯片作為控制芯片。

美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的精密壓頻轉(zhuǎn)換集成芯片LM331，能夠?qū)⑤斎胫绷麟妷壕€性的轉(zhuǎn)換成脈沖頻率信號，線性度好，變換精度高，穩(wěn)定性高，但實(shí)驗(yàn)證明:當(dāng)電壓變化時，輸出脈沖方波的占空比也發(fā)生改變，即占空比與控制電壓成反比關(guān)系，而50%的占空比的方波只能限定在很小的頻率范圍內(nèi)，HPS燈在其它頻率范圍內(nèi)就不能正常工作。因此，LM331提供的頻率難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

采用鎖相環(huán)CD4046芯片來實(shí)現(xiàn)頻率的變化。CD4046內(nèi)部的鎖相環(huán)采用RC型壓控振蕩器(VCO)，其振蕩頻率取決于外接定時電容、定時電阻以及輸入控制電壓的大小。定時電容的充電電流與輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率也正比于該控制電壓，由于定時電容的充放電都是由一個電容完成，所以輸出波形是對稱的方波，并且輸出頻率范圍寬，外圍電路簡單，能夠很好地實(shí)現(xiàn)PWM脈沖的控制要求。CD4046的控制電路如圖3所示。

圖3 CD4046控制電路

其中，VCC1為0～10V的控制電壓輸入端，可以通過調(diào)節(jié)電壓控制頻率的變化;VCC2為15V供電電源;C1為定時電容，取值為1000pF;R1和電位器PR1為定時電阻，總電阻取值為20K;Fout輸出一定頻率的方波，且占空比接近50%，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 PWM驅(qū)動電路

驅(qū)動電路采用IRS21091芯片，它是一種新型的CMOS和IGBT驅(qū)動芯片，內(nèi)部采用專有的HVIC和閂鎖抗干擾CMOS技術(shù)，強(qiáng)化了整體結(jié)構(gòu);懸浮電源采用由二極管和電容組成的自舉電路，減少了驅(qū)動電源的數(shù)目;高端工作電壓可達(dá)600V。它的突出優(yōu)點(diǎn)是改進(jìn)了IR2110芯片，使功能更加完善;內(nèi)設(shè)500ns的死區(qū)時間，與外部電阻連接時，死區(qū)時間可達(dá)到5μs，有效避免了CMOS之間的直通現(xiàn)象，并且IRS21091還降低了柵極驅(qū)動電流的變化，提高了防噪聲能力。圖4為驅(qū)動電路原理圖。

圖4 IRS21091驅(qū)動電路原理圖

其中高壓側(cè)采用懸浮驅(qū)動的自舉原理，C1為自舉電容，利用電容特性，在充放電過程中實(shí)現(xiàn)電壓自舉電位自舉;VD1為自舉二極管，是利用二極管的單向?qū)щ娦?，完成電位疊加自舉。二極管導(dǎo)通時電容被充電，二極管截止時，電容放點(diǎn)，并與電源電壓疊加起到自舉的作用，能夠使CMOS快速的導(dǎo)通，達(dá)到快速驅(qū)動外圍電路的目的。這里二極管選擇UF4007型號，C1選擇0.1μF630V的電容，C2為VCC的濾波電容，取值為0.1μF，電阻R調(diào)節(jié)死區(qū)時間，取值39K。

此外，舞臺燈的控制傳輸線路一般比較長，為了更好的達(dá)到遠(yuǎn)程控制的效果，在控制芯片和驅(qū)動芯片之間用光電耦合器連接。采用光電耦合芯片6N137，將控制頻率送至IRS21091的IN輸入端。

3.3 聲諧振抑制

HPS燈在高頻驅(qū)動下容易產(chǎn)生聲諧振現(xiàn)象，造成燈光閃爍、電弧抖動、熄弧、甚至損壞燈管和電子鎮(zhèn)流器，有許多抑制聲諧振的方法，如低頻方波法、高頻方波法、幅值調(diào)制法、頻率調(diào)制法、電壓諧波注入法等，但所有方法最基本的目的都是為了分散功率諧波成分，使其低于聲諧振的功率閾值［4］。圖5為一種150W高壓鈉燈測得的聲諧振功率閾值圖。

圖5 聲諧振功率閾值圖

為了使功率諧波不超過聲諧振的功率閾值，本文中采用頻率調(diào)制的頻譜分散技術(shù)［5］，在CD4046的電壓控制端輸入一個幅值很小的正弦電壓，可以在很小范圍內(nèi)改變輸出頻率，使激勵源的驅(qū)動頻率在一定范圍內(nèi)圍繞中心頻率變化，使輸出的頻譜分散開來，難以在固定的頻率上形成駐波。此時功率諧波成分降低到聲諧振功率閾值以下，從而有效避免了聲諧振現(xiàn)象的發(fā)生。

4 實(shí)驗(yàn)測試和結(jié)果

選擇一種飛利浦高壓鈉燈，額定功率為150W，最小功率為60W，作為實(shí)驗(yàn)用的HPS燈。通過 (5)式可以計(jì)算出相關(guān)數(shù)據(jù)，當(dāng)HPS燈工作在額定功率150W時，PWM驅(qū)動頻率為最小值，fmin=27.2kHz;當(dāng)工作在60%的額定功率 (90W)時，PWM驅(qū)動頻率為46.6kHz;當(dāng)燈工作在最小功率60W時，PWM驅(qū)動頻率為最大值，fmax=62.5kHz;高于額定功率或低于最小功率HPS燈將不能正常工作。因此，CD4046的輸出頻率范圍為27.2kHz～62.5kHz。再根據(jù)頻率和電壓的正比關(guān)系，可以得到控制電壓的輸入范圍，通過電路測試得到 Umax=8.25V，Umin=4.04V，因此控制電壓VCC1的輸入范圍在4.04V～8.25V之間。圖6為HPS舞臺燈的控制系統(tǒng)圖。

通過實(shí)驗(yàn)測得輸入電壓、驅(qū)動頻率和燈功率之間的關(guān)系如圖7所示，由圖7a可知控制電壓和驅(qū)動頻率呈現(xiàn)誤差較小的線性關(guān)系;圖7b表明HPS燈功率隨驅(qū)動頻率的增大而減小，驗(yàn)證了理論的正確性。

在運(yùn)行過程中，當(dāng)加入擾動電壓時，聲諧振現(xiàn)象得到成功抑制;當(dāng)不加入擾動電壓時，在某些頻段電弧抖動，即產(chǎn)生了聲諧振現(xiàn)象。因此，頻率調(diào)制的頻譜分散技術(shù)能夠很好的抑制聲諧振現(xiàn)象。

圖6 舞臺燈控制系統(tǒng)

圖7 電壓、頻率、功率關(guān)系圖

為了更快更好的實(shí)現(xiàn)舞臺燈光閃爍變化的要求，可以用程序設(shè)定輸入電壓的變化方式，得到相應(yīng)的驅(qū)動頻率。HPS燈可以是逐漸變化，反復(fù)變化，閃爍變化，或者是結(jié)合在一起的混合變化，實(shí)現(xiàn)燈光變化的多種舞臺效果。圖8為驅(qū)動頻率變化的一種形式，用頻率為1Hz的控制電壓實(shí)現(xiàn)HPS燈從最高功率到最低功率變化，時長為3s，然后用頻率為4Hz的控制電壓實(shí)現(xiàn)60%最大功率到最小功率的變化，時長為2s。

5 結(jié)論

圖8 驅(qū)動頻率變化形式

本文分析了HPS舞臺燈的工作原理，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良的PWM控制電路和驅(qū)動電路，并采用頻譜分散技術(shù)成功抑制了聲諧振現(xiàn)象的發(fā)生。通過實(shí)驗(yàn)可以得到舞臺燈的多種閃爍變化形式，證明了理論和方法的正確性和可行性。由此得到的HPS舞臺燈，控制電路簡單，操作靈活，達(dá)到了理想的設(shè)計(jì)效果。

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