一種新型智能電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)

張健

（常熟中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校，江蘇 常熟 215500）

1 概述

隨著節(jié)能問(wèn)題越來(lái)越得到關(guān)注，高性能高質(zhì)量的熒光燈電子鎮(zhèn)流器的普及成為必然趨勢(shì)。本文對(duì)熒光燈電子鎮(zhèn)流器進(jìn)行了研究，并提出了一種新型智能電子鎮(zhèn)流器。該鎮(zhèn)流器以PIC12F675 單片機(jī)為主控電路，與橋式全波整流電路、EMI 濾波電路、無(wú)源PFC電路、高頻開(kāi)關(guān)電路、電壓電流取樣電路、穩(wěn)壓直流電源組成智能電子鎮(zhèn)流器系統(tǒng)。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（圖1）

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 橋式全波整流電路的選擇

橋式全波整流電路的作用是將50 Hz 交流電變成100 Hz 正弦半波脈動(dòng)直流電。如圖2 所示，D1～D4 組成橋式整流器，本設(shè)計(jì)采用1A/1000V 的1N4007 型二極管作為整流二極管，其最大正向壓降為1.1V，較小的正向?qū)▔航悼梢詼p小損耗、提高效率。

圖2 EMI 濾波電路和整流電路

2.2 EMI 濾波電路的選擇

本設(shè)計(jì)中EMI 濾波器選用電感輸入式T 型濾波器及線(xiàn)濾波器，前者可去除差模噪聲，后者對(duì)共模噪聲具有高阻抗，兩種濾波器的組合使用，不僅可以有效減少鎮(zhèn)流器對(duì)電網(wǎng)的干擾，而且可以防止外部設(shè)備對(duì)鎮(zhèn)流器的干擾。

如圖2 所示，EMI 濾波器由C1、C2、CY1、CY2 和共模電感L1、L2、L3 組成，其中C1、C2 跨接在電源線(xiàn)上，用以抑制差模干擾，CY1、CY2 接在電源進(jìn)線(xiàn)與大地之間，用以抑制共模電壓干擾。各元件的參數(shù)規(guī)格為：C1=C2=0.1uF，CY1=CY2=1nF，L1=L2=1.2mH，L3=35 mH。

2.3 功率因數(shù)電路的選擇

本設(shè)計(jì)采用了一種高性能的高頻反饋泵式無(wú)源功率因數(shù)校正電路，其作用是將輸出端的高頻能量反饋回輸入端，以再生利用。如圖3 所示，電路工作后，交流電源經(jīng)過(guò)橋式整流后，通過(guò)D5、D8 向C8、C9 充電，當(dāng)輸入交流電壓瞬時(shí)值高于輸入電壓峰值的一半時(shí)，充電一直進(jìn)行，且充電時(shí)間較長(zhǎng)，當(dāng)交流電源電壓低于C8、C9 上的電壓時(shí)，停止充電。由于采用高頻反饋泵式技術(shù)，故在燈管點(diǎn)亮后輸出端的高頻電流經(jīng)整流、濾波后形成輔助直流電壓，其值約為60 V，并通過(guò)諧振與橋式全波整流后的100 Hz 正弦半波脈動(dòng)直流電壓疊加，從而形成波峰系數(shù)較小的直流電壓。該無(wú)源功率因數(shù)校正電路由于增加了輸入電流的導(dǎo)通時(shí)間，所以電源電流的波形更接近于電壓的正弦波形，從而使電流的波形失真大大減小，同時(shí)還大大減小了輸入電流與輸入電壓之間的相位差。各元件的選用規(guī)格為：C8、C9 選用10uF /400V的大容量電解電容，D5、D8選用FR107 型二極管，D6、D7 選用1N4007 型二極管。經(jīng)測(cè)試，通過(guò)無(wú)源PFC 電路校正后的輸入電流波形為近似正弦的波形。

圖3 無(wú)源PFC 電路

2.4 高頻開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)

高頻開(kāi)關(guān)電路的設(shè)計(jì)如圖4 所示，其作用是將VDC用單片機(jī)輸出的可控高頻開(kāi)關(guān)脈沖進(jìn)行高頻切割轉(zhuǎn)換成高頻開(kāi)關(guān)電壓，再作為燈管的供電電壓。其中，功率場(chǎng)效應(yīng)管G1，G2 選用IRF830， 濾 波 電 容 取C11=560pF ，C12= 1.5nF。

圖4 中，當(dāng)高頻開(kāi)關(guān)脈沖為低電平0 時(shí)，其中的VT1 截止、VT2 導(dǎo)通，此時(shí)VDC對(duì)C10 充電使得G1 導(dǎo)通、G2 截止，Vout=VDC，V燈管=-VDC/2；當(dāng)高頻開(kāi)關(guān)脈沖為高電平1 時(shí)，Vout=0，V燈管=+VDC/2；如此反復(fù)即產(chǎn)生了高頻開(kāi)關(guān)電壓，從而給燈管供電。當(dāng)高頻開(kāi)關(guān)脈沖恒為低電平時(shí)，C10 會(huì)較快充滿(mǎn)電，滿(mǎn)電后無(wú)電流通過(guò)，G1、G2 隨之截止，從而使燈管停止工作。此外，電路中的濾波電容C11、C12 可以消除電壓尖峰，C14 和L 可將流過(guò)燈管的高頻電流整形為正弦波電流。

圖4 高頻開(kāi)關(guān)電路

2.5 其他電路的選擇

本設(shè)計(jì)中為了獲取電網(wǎng)電壓值和燈管電流值，設(shè)計(jì)了電壓取樣電路和電流取樣電路，單片機(jī)電路根據(jù)采集到的取樣信號(hào)可以進(jìn)行異常保護(hù)、變頻控制等實(shí)時(shí)控制。為了給5 V 單片機(jī)和9 V 高頻開(kāi)關(guān)電路提供穩(wěn)定的工作電壓，本設(shè)計(jì)采用了可控穩(wěn)壓直流電源，其供電由單片機(jī)中的GP0 和GP2 引腳控制。燈管點(diǎn)亮前，此時(shí)GP0=GP2=0，單片機(jī)和高頻開(kāi)關(guān)電路的工作電壓由輸入端電源經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后來(lái)提供；燈管點(diǎn)亮后，此時(shí)GP0=GP2=1，單片機(jī)和高頻開(kāi)關(guān)電路的工作電壓由輸出端燈管高頻電流經(jīng)過(guò)電感耦合、半波整流、濾波、穩(wěn)壓后來(lái)提供；異常保護(hù)期間，此時(shí)GP0=0, GP2=1，單片機(jī)工作電壓由輸入端提供，高頻開(kāi)關(guān)電路工作電壓由輸出端提供。本設(shè)計(jì)中，通過(guò)在燈管點(diǎn)亮后再生利用輸出端的高頻能量來(lái)進(jìn)行供電，既減小了電路的功耗，又提高了效率。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案為：

3.1 初始化工作：?jiǎn)纹瑱C(jī)上電復(fù)位后，先初始化PIC 芯片，即設(shè)置GP0、GP2、GP4 為輸出，并使GP0=0，GP2=0，設(shè)置GP1 為A/D 輸入通道。

3.2 燈管工作頻率控制：燈管工作頻率值由GP4 引腳輸出的開(kāi)關(guān)脈沖頻率值決定，系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓來(lái)設(shè)置GP4 輸出值，如果電壓在正常工作范圍內(nèi)，則根據(jù)電壓值設(shè)置相應(yīng)的GP4 輸出頻率值，即燈管工作頻率值，并輸出預(yù)熱啟輝頻率串。

3.3 可控穩(wěn)壓直流電源供電控制：燈管點(diǎn)亮前，設(shè)置GP0=GP2=0，控制穩(wěn)壓直流電源使得單片機(jī)和高頻開(kāi)關(guān)電路的工作電壓都由輸入端提供；燈管點(diǎn)亮后，設(shè)置GP0=GP2=1，控制穩(wěn)壓直流電源使得單片機(jī)和高頻開(kāi)關(guān)電路的工作電壓都由輸出端提供，節(jié)省功耗。

3.4 異常保護(hù)功能：系統(tǒng)輪回檢測(cè)電網(wǎng)電壓和燈管電流，若電壓和電流都在正常工作范圍，則根據(jù)電壓的波動(dòng)調(diào)整燈管的工作頻率，若電壓或電流超出正常工作范圍，則異常保護(hù)，此時(shí)設(shè)置GP0=0, GP2=1，控制穩(wěn)壓直流電源使得單片機(jī)工作電壓由輸入端提供，高頻開(kāi)關(guān)電路工作電壓由輸出端提供，如果異常保護(hù)超過(guò)了5 次則程序終止。本程序中設(shè)定連續(xù)5 次檢測(cè)到的電網(wǎng)電壓值都在相同范圍內(nèi)才能調(diào)整燈管的工作頻率，這樣可避免電網(wǎng)的瞬時(shí)干擾。

4 測(cè)試分析

在電網(wǎng)電壓175～270 V、燈管40 W 的工作條件下，測(cè)試得到表1 所示的主要電性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果。

表1 主要電性能參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)表

結(jié)果表明：在175V～270V 輸入電壓范圍內(nèi)，鎮(zhèn)流器的功率因數(shù)均能保持0.987 的高水平，完全達(dá)到電子鎮(zhèn)流器的高性能標(biāo)準(zhǔn)；燈管電流波峰系數(shù)小于1.7，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；輸入電流諧波含量小于10%，遠(yuǎn)低于國(guó)標(biāo)GB/T15144 的規(guī)定值；效率（燈管功率與電源功率的比）為0.89 左右，節(jié)能效果顯著；燈管功率相對(duì)穩(wěn)定，隨電網(wǎng)電壓的波動(dòng)不大，不會(huì)引起燈管較大的明暗變化。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的高性能電子鎮(zhèn)流器工作電壓范圍寬、功率因數(shù)高、節(jié)能效率顯著，具備異常保護(hù)功能，使用過(guò)程中燈絲預(yù)熱效果好、燈管功率穩(wěn)定、燈管使用壽命長(zhǎng)，具有很大的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。