CN100515155C

CN100515155C - 一种随机噪声与锯齿波复合调频的金卤灯镇流器

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Publication number: CN100515155C
Application number: CNB2005100611557A
Authority: CN
Inventors: 阮树成
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-15
Filing date: 2005-10-15
Publication date: 2009-07-15
Anticipated expiration: 2025-10-15
Also published as: CN1787714A

Abstract

本发明涉及高强度气体放电HID金卤灯节能型电光源技术领域，具体是一种随机噪声与锯齿波复合调频的金卤灯镇流器。设有抑制电源电磁干扰滤波器EMI、主电源整流电路、有源功率因数预调整电路APFC及控制电路的直流电源、自振荡脉冲发生器、半桥或全桥驱动器、半桥或全桥开关逆变器、启动电路，其特征还设有随机噪声发生器、锯齿波发生器、异常检测保护电路。该金卤灯镇流器具有锯齿波周期变化粗调与随机噪声扰动细调双重特性围绕中心频率而变化，增强抑制灯放电弧使其无法形成驻波，避免声共振和飘弧效果显著提高，并具有恒功率特性。在灯头接触不良、灯老化失效等情况，可得到相应的异常保护。

Description

一种随机噪声与锯齿波复合调频的金卤灯镇流器

技术领域

本发明涉及到高强度气体放电HID金属卤化物灯节能型电光源技术领域，具体是一种随机噪声与锯齿波复合调频的金卤灯镇流器。

背景技术

金属卤化物灯是属于高强度气体放电HID灯的一种，由于金卤灯中的卤盐(如碘化钠、铊、钪)在汽化中可使金属原子充分集中，与汞灯相比在红色区和黄色区内光谱色线将增加，光色较好，接近于白炽灯的光线，而光效达80-125lm/w，高于白炽灯、汞灯、荧光灯，成为“绿色照明”，可广泛用于商场、超市、宾馆、酒楼、展厅等处的照明。高强度气体放电金卤灯正常工作对其镇流器的技术要求是高的，尤其是功率较大的金卤灯对其镇流器技术要求更高，其难度远为高于荧光灯电子镇流器，在荧光灯中没有出现的问题，而在金卤灯高频固定频率电源工作时，“声共振”问题是最为烦恼的，困扰着投放市场的时机，在使用过程中灯管电压会突然上升，电弧扭曲闪烁，出现放电电弧不稳定，轻则使灯光抖动，重则电弧不稳定引起熄弧，随电压升高电流急剧上升烧毁灯管。研究其原因是灯管内压力波脉冲从管壁内反射回来，当与灯高频电流谐波成分的同频同相位时会形成驻波，产生声波共呜振荡，其共振频率与电弧灯管何尺寸密切相关，而且频率不是单一的，它包括基波和高次谐波在内的所有频率。现有技术中取单频周期信号调频高频脉冲振荡器，使脉冲振荡按调频信号变化抑制灯电弧管同频驻波的形成，由于调频信号周期性变化大而快，瞬间灯光抖动甚至熄弧还有发生，因此调频信号速率受其限止，提高脉冲振荡频率则增大电路功耗，采用低频方波电源工作时，金卤灯水平点燃时电弧会上飘荡靠近灯管，引起管壁温升，其石英管发白折晶烧坏灯管，故抑制金卤灯声共振技术有待于深入和提高。此外，金卤灯触发启动过程对灯管和镇流器易造成损坏，这是由于放电电流高密度，冲击力大，气体放电电弧不稳定，电源欠缺恒功率特性所致。由于金卤灯工作在高强度放电的技术条件下，可靠运行要求高，对其异常状态检测保护是重要的，需提高和完善。

发明内容

本发明的目的是提供增强抑制高频电源金属卤化物高强度气体放电灯电弧管形成驻波而发生声共振的一种随机噪声与锯齿波复合调频的金卤灯镇流器。

本发明技术解决方案，它设有抑制电源电磁干扰滤波器EMI11、主电源整流电路12、有源功率因数预调整变换器APFC13及其控制电路的直流电源14、自振荡脉冲发生器IC3、半桥或全桥驱动器IC4、半桥或全桥逆变器5、启动电路6，其特征在于：它还设有随机噪声发生器2、锯齿波发生器1、灯负载异常电流检测电路9、逆变器功率管超温保护电路10、逆变器异常电压检测电路7、单稳态触发定时器8，该金卤灯镇流器电路的连接是在电网进线串接抑制电源电磁干扰滤波器EMI11、主电源整流电路12、然后接入有源功率因数预调整变换器APFC13，经有源功率因数预调整变换器APFC13输出的直流馈接半桥或全桥逆变器5，控制电路直流电源14是在有源功率因数预调整变换器APFC13升压电感器耦合高频电压整流、稳压接到自振荡脉冲发生器IC3、半桥或全桥驱动器IC4、锯齿波发生器1、单稳态触发定时器8、灯负载异常电流检测电路9、逆变器功率管超温保护电路10和逆变器异常电压检测电路7的电源端，随机噪声发生器2的输出与锯齿波发生器1的输出叠加后接入自振荡脉冲发生器IC3的频率控制R_T端，半桥或全桥驱动器IC4的输入与自振荡脉冲发生器IC3的输出相连接，其输出与半桥或全桥逆变器5的输入相接，启动电路6接入半桥或全桥逆变器5的输出，并接入灯负载异常电流检测电路9，单稳态触发定时器8的触发端与灯负载异常电流检测电路9、逆变器功率管超温保护电路10和逆变器异常电压检测电路7的输出端相接，单稳态触发定时器8的输出接入半桥或全桥驱动器IC4电路开关控制端，有源功率因数预调整变换器APFC13输出与半桥或全桥逆变器5输出接逆变器异常电压检测电路7，半桥或全桥逆变器5的输出还接于随机噪声发生器2的输入端，逆变器5功率管紧密粘贴热敏电阻为超温传感器并接入逆变器功率管超温保护电路10；

而随机噪声发生器2，它由稳压二极管反向接入经RC阻容串联网络与半桥或全桥逆变器的输出信号耦合，通过电阻分压由检波整流、滤波输出直流电压，稳压二极管的一端接电源，并接低通滤波网络，噪声输出接入运放电压跟随器，该管另一端接地；

锯齿波发生器，它是由方波振荡器输出串接半波整流电路经积分电路得到，或由时基IC电路接成无稳态多谐矩形波振荡器，在其定时电阻支路上接入运放电压跟随器，输出锯齿波信号；

灯负载异常电流检测器9是由灯负载电流互感器经检波器、电压比较器输出接入单稳态触发定时器8触发端；逆变器异常电压检测电路7是由有源功率因数预调整变换器APFC输出经电阻分压与半桥或全桥逆变器输出经峰值检波接入阻容延时网络、双向触发二极管、电子开关后再接入单稳态触发定时器8触发端；逆变器功率管超温保护电路10是由紧密粘贴在半桥或全桥逆变器中的功率开关管上的热敏电阻电桥经运放电压比较器输出接入单稳态触发定时器8触发端，其单稳态触发定时器的输出接入半桥或全桥驱动器IC的电路开关控制端。

本技术方案设计是随机噪声与锯齿波复合调频自振荡脉冲发生器IC的输出频率，锯齿波周期变化粗调与随机噪声扰动细调双重特性围绕中心频率而变化，抑制声波共振点，无法再次形成，使其金卤灯发光稳定，无闪烁现象，消除声共振的发生显著提高；电源采用APFC有源功率因数预调整电路灯电流波峰比显著降低，极大地提高了灯电压与灯电流的稳定性，使其能恒功率稳定地工作，抑制灯飘弧。此外，设置灯负载电流异常检测保护电路，逆变器功率管超温保护电路、逆变器异常电压检测电路大为提高和完善金卤灯正常工作可靠性，对逆变器功率器件超温可切断电路保护使其不受损坏，灯头接触不良、灯管老化失效等情况，能适量间断性供电重启动，在一定的时间内还不能启动，则自动停止工作，保护灯和镇流器不受损失。

附图说明

图1是本发明原理框图。

图2是本发明随机噪声与锯齿波复合调频调制信号发生器电路。

参照图1，设有抑制电源电磁干扰滤波器EMI11、主电源整流电路12、有源功率因数预调整变换器APFC13及其控制电路的直流电源14、自振荡脉冲发生器IC3、半桥或全桥驱动器IC4、半桥或全桥逆变器5、启动电路6，其特征在于：它还设有随机噪声发生器2、锯齿波发生器1、灯负载异常电流检测电路9、逆变器功率管超温保护电路10、逆变器异常电压检测电路7、单稳态触发定时器8，该金卤灯镇流器电路的连接是在电网进线串接抑制电源电磁干扰滤波器EMI11、主电源整流电路12、然后接入有源功率因数预调整变换器APFC13，经有源功率因数预调整变换器APFC13输出的直流馈接半桥或全桥逆变器5，控制电路直流电源14是在有源功率因数预调整变换器APFC13升压电感器耦合高频电压整流、稳压接到自振荡脉冲发生器IC3、半桥或全桥驱动器IC4、锯齿波发生器1、单稳态触发定时器8、灯负载异常电流检测电路9、逆变器功率管超温保护电路10和逆变器异常电压检测电路7的电源端，随机噪声发生器2的输出与锯齿波发生器1的输出叠加后接入自振荡脉冲发生器IC3的频率控制R_T端，半桥或全桥驱动器IC4的输入与自振荡脉冲发生器IC3的输出相连接，其输出与半桥或全桥逆变器5的输入相接，启动电路6接入半桥或全桥逆变器5的输出，并接入灯负载异常电流检测电路9，单稳态触发定时器8的触发端与灯负载异常电流检测电路9、逆变器功率管超温保护电路10和逆变器异常电压检测电路7的输出端相接，单稳态触发定时器8的输出接入半桥或全桥驱动器IC4电路开关控制端，有源功率因数预调整变换器APFC13输出与半桥或全桥逆变器5输出接逆变器异常电压检测电路7，半桥或全桥逆变器5的输出还接于随机噪声发生器2的输入端，逆变器5功率管紧密粘贴热敏电阻为超温传感器并接入逆变器功率管超温保护电路10。

自振荡脉冲发生器IC芯片引脚R_T端和C_T端为定时控制端，外接适合的RC阻容元件可控制其振荡脉冲频率，基于这个原理利用改变R_T等效阻抗可以改变振荡频率，输入随机噪声与锯齿波周期变化的复合信号为调制电压，改变其等效电阻达到调频的目的，使其IC输出瞬时角频率与调制电压成正比变化，调制电压越大，调频波的最大频偏就越大，调频系数与调制频率成反比，故取调制频率较低的噪声与锯齿波得到较大的调频系数抑制金卤灯电弧驻波声共振。采用通用的自振荡脉冲发生器IC芯片兼容调频功能价格低廉，有利于降低镇流器成本。

图2是随机噪声与锯齿波复合调频调制信号发生器，它是由稳压二极管VD2反向接入经阻容元件R9、C6串联网络与半桥或全桥开关逆变器5的输出信号耦合，通过电阻R9、R8分压由VD1检波整流，C5滤波输出直流电压，稳压二极管VD2的一端接电源，另一端接地，噪声发生器2的输出接入运放电压跟随器IC2。锯齿波发生器1采用555时基IC1电路和R1、R2、R3、C2、C3接成无稳态多谐矩形波振荡器，其输出通过C1、R4接入运放电压跟随器IC2提取锯齿波信号，锯齿波振荡器频率f₀取决于R1、R2、R3、C3，R1＝R2，R3可使波形的负向放电速度变慢，改善线性度，C3是锯齿的形成电容，C1是电压反馈的耦合电容，本锯齿波振荡器克服通常的恒流源对电容充电受温度对频率的影响，波形失真<％1，电压跟随器起到阻抗变换，输出为低阻抗。

图中噪声源是利用反向偏置的稳压二极管VD2工作在雪崩状态产生的，这种噪声可以认为是平稳的正态分布随机过程，均值为零，频谱是宽带噪声，由于抑制声波共呜振荡是在较低频率范围，故在其输出电路接低通波网络衰减高频分量，它与锯齿波周期信号叠加为复合调频调制信号，在锯齿波周期变化信号交叠随机噪声，既保持锯齿波周期信号单频调频单程线性变化使其频率升降的原有特性，粗调抑制灯电弧积累能量，而随机噪声的细微扰动特性周密抑制各共振点，使其金卤灯发光稳定，无闪烁现象，随机与周期双重特性增强抑制声共振的效果明显提高。

引用开关逆变电路5输出的谐振回路的高频调频信号，检波电压反向击穿稳压二极管VD2产生随机噪声，实质为一个负反馈闭环控制系统，不仅可以大大提高调制灵敏度，而且工作稳定性很高。

有源功率因数预调整变换器APFC13，基本电路是由主电源整流电路的输出接于固定频率平均电流型升压变换器IC芯片的乘法器取样电阻，经升压电感器、功率开关管、高频二极管、输出电容接入变换器IC芯片的误差取样电阻，变换器IC芯片的电流取样电阻是串接在主电源整流电路输出的负极与功率开关管的源极之间，功率开关管的栅极接变换器IC芯片驱动器输出端。

有源功率因数预调整变换器工作在固定频率方式下的平均电流型APFC电路能大幅度降低电流尖峰，适宜用于大功率高强度气体放电HID的金卤灯镇流器，有源APFC电路主要的积极作用在于能提高功率因数补偿电网，并具有输出电压预稳压的功能。在电网电压大幅度变化时或镇流器灯启动点火、弧光放电冲击，基于APFC电路的输出电压是稳定的，可使电子镇流器高频变换电路有良好的工作环境，保持灯管功率恒定，确保放电电弧的稳定。同时，还减轻电子镇流器电路元器件的电压应力。

灯负载电流异常反映灯和镇流器出现故障，分析大量的故障案例高于70％是逆变器功率开关管损坏引起的，因此，防止镇流器异常状态的灯负载过电流产生过热，设置灯负载异常电流检测、逆变器高功率开关器件超温检测和逆变器异常电压检测提高镇流器可靠性很重要。

本发明被测异常电流信号触发单稳态定时器，经延时关断半桥或全桥驱动器的输出，即停止镇流器的工作，保护器件不受其损失；同样，利用热敏电阻传感的功率器件超温信号通过运放电压比较，达到设定值触发单稳态定时器，关断半桥或全桥驱动器，实现超温保护；增设逆变器的输入/输出电压检测是提高异常状态的保护功能和完善灯重新启动功能。当镇流器或金卤灯出现故障或遇到各种异常状态时，即触发单稳态触发器适量定时重新开启或关断半桥或全桥驱动器的电路开关，以启动或保护电路器件免受损失。

具体实施方法

本发明实施例1，设有抑制电源电磁干扰滤波器EMI11、主电源整流电路12、有源功率因数预调整变换器APFC13及其控制电路的直流电源14、自振荡脉冲发生器IC3、半桥或全桥驱动器IC4、半桥或全桥逆变器5、启动电路6，其特征在于：它还设有随机噪声发生器2、锯齿波发生器1、灯负载异常电流检测电路9、逆变器功率管超温保护电路10、逆变器异常电压检测电路7、单稳态触发定时器8，该金卤灯镇流器电路的连接是在电网进线串接抑制电源电磁干扰滤波器EM111、主电源整流电路12、然后接入有源功率因数预调整变换器APFC13，经有源功率因数预调整变换器APFC13输出的直流馈接半桥或全桥逆变器5，控制电路直流电源14是在有源功率因数预调整变换器APFC13升压电感器耦合高频电压整流、稳压接到自振荡脉冲发生器IC3、半桥或全桥驱动器IC4、锯齿波发生器1、单稳态触发定时器8、灯负载异常电流检测电路9、逆变器功率管超温保护电路10和逆变器异常电压检测电路7的电源端，随机噪声发生器2的输出与锯齿波发生器1的输出叠加后接入自振荡脉冲发生器IC3的频率控制R_T端，半桥或全桥驱动器IC4的输入与自振荡脉冲发生器IC3的输出相连接，其输出与半桥或全桥逆变器5的输入相接，启动电路6接入半桥或全桥逆变器5的输出，并接入灯负载异常电流检测电路9，单稳态触发定时器8的触发端与灯负载异常电流检测电路9、逆变器功率管超温保护电路10和逆变器异常电压检测电路7的输出端相接，单稳态触发定时器8的输出接入半桥或全桥驱动器IC4电路开关控制端，有源功率因数预调整变换器APFC13输出与半桥或全桥逆变器5输出接逆变器异常电压检测电路7，半桥或全桥逆变器5的输出还接于随机噪声发生器2的输入端，逆变器5功率管紧密粘贴热敏电阻为超温传感器并接入逆变器功率管超温保护电路10。

本实施例输出功率为400w，采用半桥驱动器和半桥逆变器高频脉冲调频波输出，金卤灯镇流器中心频率f₀为56.2kHz，调制信号fm的调制频率随机噪声频率上限截止范围在250Hz左右，锯齿波频率为180Hz，复合调频的频偏△f为±2.5kHz，调频波调制信号随机和周期双重特性围绕中心频率而变化，既保持锯齿波周期信号单频调频单程斜率使其频率升、降的原有特性，粗调抑制灯放电弧形成驻波；同时，随机噪声扰动特性细调大为增强抑制声波共振点，即使金卤灯放电电弧管轴向、径向尺寸的固有谐振频率包括基波和高次谐波频率形成驻波，随机噪声细微扰动的调频特性能周密抑制使其无法积累能量，而且，随机非周期信号不重复性，与电弧管声谐振频率同频重复相遇概率为零，因此，避免发生声共振作用如虎添翼，效果明显。

由于电源采用有源功率因数预调整升压变换技术APFC，电网电压范围在85～270V时，直流输出电压恒定为385V，适应全球电网电压使用，APFC芯片内的PWM振荡器频率是100kHz，系统功率因数λ≥0.99，输入电源电流总谐波畸变THD<5％，金卤灯镇流器满足启动、点火、过渡过程、异常保护，稳定工作，具有恒功率特点。

本发明实施例2，技术方案与本发明实施例1相同，采用半桥驱动器和半桥逆变器高频脉冲为载频的调频波输出，该金卤灯镇流器输出功率250w，调频中心频率f₀为65kHz，调制信号fm的调制频率随机噪声频率上限截止范围在200Hz左右，锯齿波频率为150Hz，复合调频的频偏△f为±2.8kHz，调频波调制信号随机及周期围绕中心频率而变化，能加强抑制驻波避免与电弧管形成同频同相位，经长期使用消除声共振稳定、可靠，杜绝瞬间灯光闪抖、熄弧的不良现象。基于APFC电路输出的直流电压稳定性，可使电子镇流器高频变换电路有良好的工作环境，保持灯管功率恒定，确保放电电弧的稳定。同时，还减轻电子镇流器电路元器件的电压应力。

本发明实施例3，技术方案与本发明实施例1相同，不同之处只是采用全桥驱动器和全桥逆变器为高频调频波输出，该金卤灯镇流器输出功率1000w，调频中心频率f₀为29kHz，调制信号fm的调制频率随机噪声频率上限截止范围在190Hz左右，锯齿波频率为160Hz，复合调频的频偏△f为±2.7kHz，调频波调制信号随机和周期双重特性围绕中心频率而变化，提高抑制灯放电弧积累能量，避免声共振发挥出色的积极作用。所设置的异常检测保护电路，灯负载异常电流检测、逆变器的输入/输出电压检测可提高异常状态的保护功能和重启动功能，当灯头接触不良、灯管老化失效等情况，能适量间断性供电重启动，在一定的时间内还不能启动，则自动停止工作，从而保护灯和镇流器不受损失，即使在短时间内停电，能重启动再次点燃照明。逆变器高功率开关器件超温自动切断电路停止其工作保护不受损坏。

Claims

1.一种随机噪声与锯齿波复合调频的金卤灯镇流器，设有抑制电源电磁干扰滤波器EMI、主电源整流电路、有源功率因数预调整变换器APFC及其控制电路的直流电源、自振荡脉冲发生器IC、半桥或全桥驱动器IC、半桥或全桥逆变器、启动电路，其特征在于：它还设有随机噪声发生器、锯齿波发生器、灯负载异常电流检测电路、逆变器功率管超温保护电路、逆变器异常电压检测电路、单稳态触发定时器，该金卤灯镇流器电路的连接是在电网进线串接抑制电源电磁干扰滤波器EMI、主电源整流电路、然后接入有源功率因数预调整变换器APFC，经有源功率因数预调整变换器APFC输出的直流馈接半桥或全桥逆变器，控制电路直流电源是在有源功率因数预调整变换器APFC升压电感器耦合高频电压整流、稳压接到自振荡脉冲发生器IC、半桥或全桥驱动器IC、锯齿波发生器、单稳态触发定时器、灯负载异常电流检测电路、逆变器功率管超温保护电路和逆变器异常电压检测电路的电源端，随机噪声发生器的输出与锯齿波发生器的输出叠加后接入自振荡脉冲发生器IC的频率控制RT端，半桥或全桥驱动器IC的输入与自振荡脉冲发生器IC的输出相连接，其输出与半桥或全桥逆变器的输入相接，启动电路接入半桥或全桥逆变器的输出，并接入灯负载异常电流检测电路，单稳态触发定时器的触发端与灯负载异常电流检测电路、逆变器功率管超温保护电路和逆变器异常电压检测电路的输出端相接，单稳态触发定时器的输出接入半桥或全桥驱动器IC的电路开关控制端，有源功率因数预调整变换器APFC输出与半桥或全桥逆变器输出接逆变器异常电压检测电路，半桥或全桥逆变器的输出还接于随机噪声发生器的输入端，逆变器功率管紧密粘贴热敏电阻为超温传感器并接入逆变器功率管超温保护电路。

2.根据权利要求1所述的一种随机噪声与锯齿波复合调频的金卤灯镇流器，其特征在于：随机噪声发生器，它是由稳压二极管反向接入经RC阻容串联网络与半桥或全桥逆变器的输出信号耦合，通过电阻分压由检波整流、滤波输出的直流电压，稳压二极管的一端接电源，另一端接地，噪声输出经低通滤波网络接入运放电压跟随器。

3.根据权利要求1所述的一种随机噪声与锯齿波复合调频的金卤灯镇流器，其特征在于：锯齿波发生器，它是由方波振荡器输出串接半波整流电路经积分电路得到，或由时基IC电路接成无稳态多谐矩形波振荡器，在其定时电阻支路上接入运放电压跟随器提取锯齿波信号，输出的锯齿波信号与噪声信号经运放电压跟随器接入自振荡脉冲发生R_T端。

4.根据权利要求1所述的一种随机噪声与锯齿波复合调频的金卤灯镇流器，其特征在于：灯负载异常电流检测器是由灯负载电流互感器经检波器、电压比较器输出接入单稳态触发定时器触发端；逆变器异常电压检测电路是由有源功率因数预调整变换器APFC输出经电阻分压与半桥或全桥逆变器输出经峰值检波接入阻容延时网络、双向触发二极管、开关电路后再接入单稳态触发定时器触发端；逆变器功率管超温保护电路是由紧密粘贴在半桥或全桥逆变器中的功率开关管上的热敏电阻电桥经运放电压比较器输出接入单稳态触发定时器触发端，其单稳态触发定时器的输出接入半桥或全桥驱动器IC的电路开关控制端。