基于荧光灯简易模型的电子镇流器频率特性分析

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随着绿色照明工程的推出,电子镇流器的作用日益突出。但在实际中,电子镇流器在性能和可靠性上仍存在一些问题,主要是荧光灯须有较大的电流在一定时间内给灯丝预热,600~800 V的高电压使灯点燃,稳定的工作频率使其工作在额定功率状态。
    电子镇流器是一个通过电子电路,将工频电源变换成直流电源,再将直流电源变换成数十kHz甚至更高频率,集点燃和限流于一体的逆变装置,它给荧光灯提供一个较高较合适频率的电源。频率对其性能和可靠性的影响至关重要,为了提高装置的性能和可靠性,解决荧光灯预热启动与灯管的匹配问题,对电子镇流器进行相关电路设计时,需要对荧光灯的频率特性进行详细的分析。

1 频率对电子镇流器的影响
   
频率对电子镇流器性能和可靠性的影响可以分为以下几个方面:
    (1)光效。荧光灯的光效取决于其内部参数和外部条件等多种因素。提高工作频率,荧光灯的光效会随之提高。
    (2)损耗。元器件介质的损耗与频率有关。当损耗太高时,不仅造成能量的浪费,而且这些能量会转化为热量,使镇流器的温度升高,导致各种元器件的特性变坏,引起镇流器的稳定性和可靠性下降。
    (3)噪音。在交变电场的作用下,电子镇流器中的磁性元器件会产生噪音。如果频率>20 kHz,人耳朵听不到,有利于保护工作和生活环境。

2 电子镇流器频率的确定
   
荧光灯点亮前处于开路状态,点亮后具有动态的负阻特性,是一种典型的非线性对象。当在两电极间加上电压,灯管没点亮前,流过灯管的电流非常小,荧光灯可视为开路,等效电路模型如图1所示。图中C0为高频电子镇流器的输出电容,RL为电感L的等效电阻,尺f1和Rf2为荧光灯管的灯丝电阻,受温度影响其阻值为几到几十Ω,Cres为谐振电容。镇流器输出V是峰值为200 V,占空比为50%的交流高频方波。


    设计电路时以Philips 40 W日光灯为例,日光灯的预热时间为1 s,预热电流的有效值0.6 A,触发电压的峰值范围600~800 V,灯管两端有效值电压103 V,电流的有效值0.33 A。
    根据灯管的额定参数及额定电压和电流,计算灯管等效电阻R,本次设计中R=312 Ω。
    实际测量灯丝电阻Rf1和Rf2,经过测量多个灯管后,可以近似认为Rf1=Rf2=7.7 Ω。
    根据工程设计经验,选择谐振电容Cres=6 800 pF。
    选择期望的运行频率:为了灯管可靠的点火并正常进入工作状态,通常选择fpre>fign>frun(fpre,fign分别为预热频率和点火频率),而点火频率fign大于串联谐振频率fres,因此确定了fres也基本确定了frun的数值范围。
2.1 预热频率fpre
   
电子镇流器接通电源后,逆变电路工作频率较高,而灯管两端的电压较低,在冷态下无法使灯管激活启辉,避免灯丝因硬击穿而受损。从电源接通时刻,在tpre时间内振荡频率保持fpre不变,电路处于预热阶段。
    确定预热频率fpre:此时预热电流I=0.6 A,应满足式(1)。
   
    设L=2 mH,C0=0.1μF,代入相关参数,求得fpre≈59.5 kHz。
2.2 触发频率fign
   
电路的固有谐振频率由式(2)确定。
   
    当振荡频率移近电路的固有频率fres时,灯两端电压会急剧上升到其点燃电压,使灯点燃,设L=2 mH,Cres=6 800 pF,C0=0.1μF,代入式(2),可求得fign=fres≈44.6 kHz,