CN100546426C

CN100546426C - 正弦波加噪声复合调频的高压钠灯镇流器

Info

Publication number: CN100546426C
Application number: CNB2005100611561A
Authority: CN
Inventors: 阮树成
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-15
Filing date: 2005-10-15
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2025-10-15
Also published as: CN1787715A

Abstract

本发明涉及高强度气体放电HID灯节能型电光源技术领域，具体是一种正弦波加噪声复合调频的高压钠灯镇流器。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，其特征还设有正弦波发生器、噪声发生器、异常检测保护电路。该高压钠灯镇流器具有正弦波周期变化粗调与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

正弦波加噪声复合调频的高压钠灯镇流器

技术领域

本发明涉及到高强度气体放电HID灯节能型电光源技术领域，具体是一种正弦波加噪声复合调频的高压钠灯镇流器。

背景技术

高压钠HPS灯是属于高强度气体放电HID灯的一种，高压钠灯电子镇流器比传统电感式镇流器工作电流可减少50％，综合节能达30％以上，光通量增加12％，光效达80～140lm/w，是继白炽灯、高压汞灯之后的第三代节能新电光源，成为“绿色照明”，可广泛用于道路、码头、铁路、机场、矿山、大厂房、广场、体育馆等处照明。高强度气体放电高压钠灯正常工作对其镇流器的技术要求是高的，尤其是功率较大的高压钠灯对其镇流器技术要求更高，其中，在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，解决不彻底，而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，故抑制声共振技术有待于深入和提高。此外，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在高频电源高强度气体放电灯电弧形成驻波而发生声共振的一种正弦波加噪声复合调频的高压钠灯镇流器。

本发明技术解决方案，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：还设有正弦波发生器1、噪声发生器2、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，该高压钠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、正弦波发生器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，正弦波发生器1的输出与噪声发生器2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的电路开关控制端，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的输出还接于噪声发生器2的输入端，热敏电阻紧密粘贴半桥或全桥逆变器5功率管为超温传感器，并接入逆变器功率管超温保护电路10；

而正弦波发生器1，由RC文氏或RC双T或RC移相电路为选频和反馈网络，采用运放IC或场效应管、晶体管为振荡放大器件，正弦信号输出设有稳幅电路和阻抗变换电压跟随器；

噪声发生器2，由稳压二极管反向接入经电流互感器与半桥或全桥逆变器输出信号耦合，通过检波整流、滤波的直流电压，稳压二极管一端接电源，另一端接入晶体管放大器的基极，该放大器设有电压负反馈电容，噪声信号由集电极输出接入运放电压跟随器，噪声与正弦信号同时加入运放电压跟随器，其输出接入自振荡脉冲发生器的R_T端；

灯负载异常电流检测器9，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由有源功率因数预调整变换器APFC13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10由紧密粘贴在半桥或全桥逆变器功率开关管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8的输出接入半桥或全桥驱动器IC的电路开关控制端。

本技术方案设计是正弦波加噪声复合调频自振荡脉冲发生器IC的输出频率，正弦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，使其灯发光稳定，无闪烁现象，显著消除声共振的发生；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，获取恒功率稳定地工作，抑制灯光飘弧。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，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，在一定的时间内不启动，自动停止工作，从而保护灯管和镇流器不受损失。

附图说明

图1是本发明原理框图

图2是本发明正弦波加噪声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，其特征还设有正弦波发生器1、噪声发生器2、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，该高压钠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，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IC3、半桥或全桥驱动器IC4、正弦波发生器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，噪声发生器2的输出与正弦波发生器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的电路开关控制端，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，半桥或全桥逆变器5的输出还接于噪声发生器2的输入端，热敏电阻紧密粘贴半桥或全桥逆变器5功率管为超温传感器，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，输入正弦波周期变化与噪声复合信号的调制电压，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，取调制频率较低的正弦波与噪声得到较大的调频系数抑制灯电弧驻波声共振。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，正弦波加噪声复合调频调制信号发生器，由正弦波发生器R1、C1、R2、C2文氏电路为选频和反馈网络，采用运放IC1为振荡放大器件，正弦信号输出设有稳幅电路VD1、VD2和阻抗变换电压跟随器IC2，其振荡幅度取决于稳压管电压值，RP1可调到适当的负反馈使输出波形失真小并便于起振，图中RC＝R1C1＝R2C2、振荡频率f₀取决于RC值。噪声发生器2，由稳压二极管VD3反向接入经电流互感器T1与半桥或全桥逆变器5输出信号耦合，通过二极管VD4～VD7桥式检波整流，R8、C4、C5低通滤波的直流电压，稳压二极管VD3一端接电源，另一端接入晶体管VT1放大器的基极，该放大器设有电压负反馈电容C3，噪声信号由集电极输出接入运放电压跟随器IC2，噪声与正弦信号同时加入运放电压跟随器IC2，其输出接入自振荡脉冲发生器3的R_T端。

图中噪声源是利用反向偏置的稳压二极管VD3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VT1接有电压负反馈电容器C3衰减高频分量，它与正弦波周期信号叠加为复合调频调制信号，在周期变化信号交叠随机噪声，既保持正弦波周期信号规律调频的原有特性粗调抑制灯电弧积累能量，同时，随机噪声的细微扰动特性周密抑制各共振点，使其灯发光稳定，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。

引用半桥或全桥逆变器5谐振回路输出的高频调频信号，通过检波电压反向击穿稳压二极管VD3产生随机噪声，实质为一个负反馈闭环控制系统，不仅可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APFC，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的高压钠灯镇流器，有源功率因数预调整变换器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，基于有源功率因数预调整变换器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。

本发明检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，其特征还设有正弦波发生器1、噪声发生器2、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，该高压钠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，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，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IC3、半桥或全桥驱动器IC4、正弦波发生器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，噪声发生器2的输出与正弦波发生器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的电路开关控制端，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，半桥或全桥逆变器5的输出还接于噪声发生器2的输入端，热敏电阻紧密粘贴半桥或全桥逆变器5功率管为超温传感器，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51.2kHz，调制信号f_m的调制频率随机噪声频率上限截止范围在260Hz左右，正弦波频率为200Hz，复合调频的频偏Δf为±3.6kHz，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，既保持正弦波周期信号调频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，即使高压钠灯放电电弧管轴向、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％，高压钠灯镇流器满足启动、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88kHz，调制信号f_m的调制频率随机噪声频率上限截止范围在400Hz左右，正弦波频率为250Hz，复合调频的频偏Δf为±2.6kHz，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，该高压钠灯镇流器输出功率1000w，调频中心频率f₀为38kHz，调制信号f_m的调制频率随机噪声频率上限截止范围在260Hz左右，正弦波频率为180Hz，复合调频的频偏Δf为±3.2kHz，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，在一定的时间内不启动，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

1.一种正弦波加噪声复合调频的高压钠灯镇流器，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：还设有正弦波发生器、噪声发生器、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，该高压钠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、正弦波发生器、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，正弦波发生器的输出与噪声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噪声发生器的输入端，热敏电阻紧密粘贴在半桥或全桥逆变器功率管为超温传感器，并接入逆变器功率管超温保护电路。

2.根据权利要求1所述的一种正弦波加噪声复合调频的高压钠灯镇流器，其特征在于：正弦波发生器，由RC文氏或RC双T或RC移相电路为选频和反馈网络，采用运放IC或场效应管、晶体管为振荡放大器件，正弦信号输出设有稳幅电路和阻抗变换电压跟随器。

3.根据权利要求1所述的一种正弦波加噪声复合调频的高压钠灯镇流器，其特征在于：噪声发生器，由稳压二极管反向接入经电流互感器与半桥或全桥逆变器输出信号耦合，通过检波整流、滤波的直流电压，稳压二极管一端接电源，另一端接入晶体管放大器的基极，该放大器设有电压负反馈电容，噪声信号由集电极输出接入运放电压跟随器，噪声与正弦信号同时加入运放电压跟随器，其输出接入自振荡脉冲发生器的RT端。

4.根据权利要求1所述的一种正弦波加噪声复合调频的高压钠灯镇流器，其特征在于：灯负载异常电流检测器，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功率开关管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。