CN101437346A - 全数字高频无极灯 - Google Patents

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曲延浩
李天利
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Abstract

一种使用寿命长、节能、智能调控的全数字高频无极灯。技术方案是：其特征是由电源滤波整流电路、功率因数校正电路、点灯逆变电路和保护电路组成，电源滤波整流电路的输出直流电压到功率因数校正电路，功率因数校正电路输出高压直流电到点灯逆变器电路，点灯逆变器电路将功率因数校正电路输出的高压直流电变换为供无极灯使用的高频交流电，在点灯逆变器的谐振电容上设置有保护电路。

Description

全数字高频无极灯
技术领域
本发明属于无极灯装置领域，尤其是一种使用寿命长、节能、智能调控的全数字高频无极灯。
背景技术
目前，国内外高频无极灯存在着一下几个方面的问题：(1)、由于采用模拟技术，自激震荡，震荡频率受温度的影响大，谐振点随温度的变化而变化，谐振点漂移导致启动困难甚至无法启动，同时造成热损加重，节能效果下降，再者由于功率器件发热严重导致产品的寿命缩短甚至损坏。(2)、由于模拟器件参数的一致性差，很难大批量生产，电子镇流器的寿命取决于电路的谐振状态，想保证电路很好的谐振，只能对每台镇流器进行细致的调试，极大地增加工作量。另外，即使电路的谐振点调的再好，由于产品的使用环境不同，主要是环境温度不同，同样造成谐振点的漂移。(3)目前可调光高频无极灯还属于市场空白，现有的高频无极灯调光方案有两种：偏谐振调光与调压调光。偏谐振调光缺点：线路损耗大，节能效果差，功率器件发热严重，产品寿命短；调光后无法启动，必须人工调节谐振点后才能重新启动。调压调光的缺点：由于电源出入端采用模拟PFC功率因数补偿电路导致导致无法大范围内调光，并且在低温使用环境中也需要人工手动调节才能正常启动。
发明内容
本发明的目的是提供一种使用寿命长、节能、智能调控的全数字高频无极灯。
本发明的技术方案是：全数字高频无极灯，其特征是由电源滤波整流电路、功率因数校正电路、点灯逆变电路和保护电路组成，电源滤波整流电路的输出直流电压到功率因数校正电路，功率因数校正电路输出高压直流电到点灯逆变器电路，点灯逆变器电路将功率因数校正电路输出的高压直流电变换为供无极灯使用的高频交流电，在点灯逆变器的谐振电容上设置有保护电路。
所述的电源滤波整流电路中，X电容C30和X电容C31分别与共模扼流圈T2连接，共模扼流圈T3将X电容C31和X电容C34连接在一起，X电容C34与桥式整流电路连接，X电容的作用是把差模干扰噪声旁路掉，X电容C30还与压敏电阻器VR1并联；在共模扼流圈T2和T3之间串接一个功率型NTC热敏电阻器RT1；在共模扼流圈T2和T3与接地电容C42之间设置有Y电容C32、Y电容C33、Y电容C35、Y电容C36，所述的Y电容用于抑制输电线继发的射频噪声。
所述的功率因数校正电路由DSP数字信号处理器电路、功率开关及其驱动电路组成，整流后的直流脉动电压在经过电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R43的分压作为取样信号进入DSP数字信号处理器的输入乘法器，直流输出电压在电阻R30、电阻R31、电阻R32和电阻R42、可调电阻器W1上的分压输至DSP数字信号处理器的误差放大器，与数字信号处理器内部参考电压比较放大后输出一个直流误差电压，同时也输入到DSP数字信号处理器的乘法器，通过功率开关MOSFET Q7的电流在源极电阻R44上转换为电压信号输入到DSP数字信号处理器，并与DSP数字信号处理器的乘法器的输出电压进行比较。
所述的点灯逆变器电路逆变电路由逆变电路、驱动电路和功率开关电路、谐振电路组成，逆变电路U1-B的两路PWM信号输出经U3驱动变压器T1，变压器T1驱动功率开关Q3、功率开关Q6，功率开关Q3、功率开关Q6由逆变电路U1控制交替开通、关断，谐振电杆L1、与谐振电容C19、谐振电容C20组成谐振电路，谐振电路通过U4B与逆变电路连接。
所述的保护电路由电压信号分压整理滤波电路和电压信号放大滤波电路组成，其中电压信号分压整流滤波电路由两部分组成：(1)二极管D14与电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25并联电路；(2)电阻R28和电容C26、电容C27、电容C28组成的并联；电路(1)和电路(2)通过二极管D15和电阻R24的串联电路连接，电容C29的一端与电容C28一端连接，电容C29的另一端通过电阻R29与电容C28的另一端连接。
本发明的效果是：全数字高频无极灯是利用电力电子领域、照明领域的最新研究成果，以完全知识产权的数字式高频开关电源技术为核心技术，设计的高效节能、长寿命、绿色环保的新一代照明产品。它采用高速、高精度数字处理技术与电磁理论相结合的方式，与传统的模拟高频无极灯相比，在诸多方面有显著的优势。
全数字高频无极灯融合了数字控制技术、高频开关电源技术、电磁理论及等离子体学，与以往模拟高频无极灯相比，具有显著的特点和优点。
全数字高频无极灯具有下列特点：(1)使用寿命长：高频无极灯无灯丝、无电极，因此使用寿命长，适用于对照明质量要求较高和更换难度较大的场所；(2)节能：在相同光通亮输出的情况下，无极灯可以比普通白炽灯省电80％以上，由于在产品核心技术上采用了数控高频开关电源技术、谐振点动态调节技术，节能效果更家突出；(3)环保：99.5％以上产品可以回收使用，而且汞剂是固体汞剂，完全符合环保的要求，发出的光线中，红外线、紫外线的比例少；(4)护眼：无极灯高频无闪烁，不会造成眼睛疲劳，保护眼睛健康；(5)显色性好：接近日照光，光线柔和，呈现出被照物自然色泽；(6)输出范围广：模拟高频无极灯无法进行功率调节，全数字高频无极灯可以根据需要实现手动调光、定时自动调光、自动照度补偿调光、远程联网调光，调光范围10％---100％连续调节；(7)电网适应能力高，适用范围120V---265V；(8)体积小、质量轻，结构形式多样，安装方便；(9)保护功能完善、响应速度快、可靠性高；(10)启动稳定：高低温环境启动正常；(11)所有信号数字化、精度高、信号准确丰富。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
附图说明
图1是本发明电源滤波整流电路原理图；
图2是功率因数校正电路原理图；
图3是点灯逆变电路原理图；
图4是保护电路原理图。
具体实施方式
电磁感应荧光灯又称无极荧光灯或电子灯泡(EB Lamp)。该灯由高频发生器(灯电源)、高频耦合器和涂有三基色荧光粉的灯泡三部分组成。它的工作原理是：首先把市电转换为直流电，再变换成高频电能，高频电能通过灯泡中心部位的感应线圈(耦合器)产生强磁场，磁场能感应进灯泡内，使灯泡内气体雪崩电离形成等离子体，等离子体中的受激汞原子在返回基态过程中辐射出254nm的紫外线，灯泡内壁荧光粉受到紫外线照射而转换成可见光。
无极灯由无极灯灯泡与高频发生器组成，其中高频发生器是无极灯的核心部分，提供无极灯灯泡2.65MHZ的高频交流电，使无极灯灯泡发光。高频发生器主要由电源滤波整流部分、功率因数校正部分(FPC)、点灯逆变电路部分(PWM)及保护电路部分组成。
1、电源滤波整流部分
图1中，无极灯电源的核心部分是一个DC/AC逆变器，它产生2.65MHz的高频功率用以点亮气体放电灯泡，由此会带来电磁干扰(EMI)和抗干扰(EMS)等问题。故无极灯必须满足国标：GB/T18595-2001《一般照明设备电磁兼容抗扰度要求》和GB177430-1999《电气照明和类似设备的无线电骚扰特性的限值和测量方法》。
电源滤波器有两种作用：其一，是防止灯电源噪声窜入电力网，干扰其他用电设备；其二，可阻止电力网中的噪声输入灯电源，影响灯的正常工作。
电源滤波器是由电感和电容组成的两级式电源滤波网络，所要抑制的频率主要是PFC的工作频率约50kHz和DC/AC开关频率2.65MHz，以及这两个频率的高次谐波。C30、C31、C34也叫X电容。把差模干扰噪声旁路掉。T2、T3为共模扼流圈，抑制共模噪声。C32、c33、c35、c36也叫Y电容，用于抑制输电线继发的射频噪声。VR1为压敏电阻器，用来吸收尖峰脉冲过电压。在电源电路中串接一个功率型NTC热敏电阻器RT1，能有效地抑制开机时的浪涌电流，J3为电源插头，规格为AC110～270V。
2、功率因数校正电路(PFC)
图2中，控制电路采用美国TI生产的TMS320F2801 DSP数字信号处理器(U1-A)，功率因数校正由DSP芯片完成。市电经电源滤波器和整流器得到脉动直流电VIN。U2是高速MOSFET驱动芯片，型号为IXDD404。
整流后的直流脉动电压在R33、R34、R35、R43的分压VAC作为取样信号进入U1-A的输入乘法器。直流输出电压在R30、R31、R32和R42、W1上的分压VPFC输至U1的误差放大器，与U1-A内部参考电压比较放大后输出一个直流误差电压，同时也输入到乘法器。通过功率开关MOSFET Q7的电流在源极电阻R44上转换为电压信号Iref，输入到U1-A，并与乘法器的输出电压进行比较。随AC电压从零到峰值正弦地通过，乘法器的输出电压控制Q7的驱动信号，从而使Q7的峰值电流跟踪AC输入电压，致使校正电路的负载呈电阻性。
由于U1-A的控制作用，使输入电流紧紧跟随AC电压而变化，呈平滑的正弦波。同时，PFC电路又是一种升压型开关稳压电源，使无极灯的功率和光通量不会随市电电压的涨落而变化。
3、点灯逆变器
图3中，逆变电路将PFC电路输出的高压直流变换为供无极灯使用的高频交流电。国际电工委员会CISPR15允许对磁场感应标准的频率范围为2.2MHz～3.0MHz，其中心频率为2.6MHz。接通电源后PFC输出直流电压.
U1-B的两路PWM输出经U3驱动T1，U3的型号为IXDD404，T1驱动Q3、Q6，Q3、Q6由U1-B控制交替开通、关断产生2.6MHZ震荡电，灯回路网络的谐振频率必须与输入回路的谐振频率相同，L1、C19、C20为谐振电感和谐振电容，它们是设计中重要的参数。在启动阶段，灯泡的等效电阻很大L1、C19、C20发生串联谐振，谐振电路可以在灯两端形成很高(约3000V)的点火电压。无极灯引燃后，进入正常运行阶段，泡体内电弧等效电阻在数百欧姆，当灯电流生成后，谐振回路失谐，C19、C20上的谐振电压降到灯的工作电压。灯点亮后由L1稳定灯的电弧电流。与此同时，由于输出回路的选频滤波作用，点灯电能为一余弦波的电压和电流，其频率为激励信号的基频。
4、保护电路
当出现灯泡接线脱落或者灯泡漏气等异常状态时，无极灯不能正常启动，谐振引火电路一直处于谐振状态，逆变器输出的电流增大到正常电流的3～5倍。如果不采取有效的保护措施，就会造成点灯逆变器以及前级单元电路因过载而烧毁，甚至引起冒烟、爆裂等事故。
图4中，保护电路由(1)二极管D14与电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25并联电路、(2)电阻R28和电容C26、电容C27、电容C28组成的并联，电路(1)和电路(2)通过二极管D15和电阻R24的串联电路连接，电容C29的一端与电容C28一端连接，电容C29的另一端通过电阻R29与电容C28的另一端连接。电压信号滤波放大电路由U4A和U1-C组成。
在异常状态时：在谐振电容C19、C20的中点引出异常保护采样电压，，通过电容C21、C22、C23、C24、C25的分压和D14、D15、R24整流，R27、R28分压C26、C27、C28、R29、C29滤波后成为控制电压，在C29上得到随时间上升的直流电压，此信号经过模拟运放U4A的放大进入U1-C处理器中进行运算，如果写真，U1-C根据此信号决定PVVM信号的开通与关闭。

Claims (5)

1、全数字高频无极灯，其特征是由电源滤波整流电路、功率因数校正电路、点灯逆变电路和保护电路组成，电源滤波整流电路的输出直流电压到功率因数校正电路，功率因数校正电路输出高压直流电到点灯逆变器电路，点灯逆变器电路将功率因数校正电路输出的高压直流电变换为供无极灯使用的高频交流电，在点灯逆变器的谐振电容上设置有保护电路。
2、根据权利要求1所述的全数字高频无极灯，其特征是所述的电源滤波整流电路中，X电容C30和X电容C31分别与共模扼流圈T2连接，共模扼流圈T3将X电容C31和X电容C34连接在一起，X电容C34与桥式整流电路连接，X电容的作用是把差模干扰噪声旁路掉，X电容C30还与压敏电阻器VR1并联；在共模扼流圈T2和T3之间串接一个功率型NTC热敏电阻器RT1；在共模扼流圈T2和T3与接地电容C42之间设置有Y电容C32、Y电容C33、Y电容C35、Y电容C36，所述的Y电容用于抑制输电线继发的射频噪声。
3、根据权利要求1所述的全数字高频无极灯，其特征是所述的功率因数校正电路由DSP数字信号处理器电路、功率开关及其驱动电路组成，整流后的直流脉动电压在经过电阻R33、电阻R34、电阻R35、电阻R43的分压作为取样信号进入DSP数字信号处理器的输入乘法器，直流输出电压在电阻R30、电阻R31、电阻R32和电阻R42、可调电阻器W1上的分压输至DSP数字信号处理器的误差放大器，与数字信号处理器内部参考电压比较放大后输出一个直流误差电压，同时也输入到DSP数字信号处理器的乘法器，通过功率开关MOSFETQ7的电流在源极电阻R44上转换为电压信号输入到DSP数字信号处理器，并与DSP数字信号处理器的乘法器的输出电压进行比较。
4、根据权利要求1所述的全数字高频无极灯，其特征是所述的点灯逆变器电路逆变电路由逆变电路、驱动电路和功率开关电路、谐振电路组成，逆变电路U1-B的两路PWM信号输出经U3驱动变压器T1，变压器T1驱动功率开关Q3、功率开关Q6，功率开关Q3、功率开关Q6由逆变电路U1控制交替开通、关断，谐振电杆L1、与谐振电容C19、谐振电容C20组成谐振电路，谐振电路通过U4B与逆变电路连接。
5、根据权利要求1所述的全数字高频无极灯，其特征是所述的保护电路由电压信号分压整理滤波电路和电压信号放大滤波电路组成，其中电压信号分压整流滤波电路由两部分组成：(1)二极管D14与电容C21、电容C22、电容C23、电容C24、电容C25并联电路；(2)电阻R28和电容C26、电容C27、电容C28组成的并联；电路(1)和电路(2)通过二极管D15和电阻R24的串联电路连接，电容C29的一端与电容C28一端连接，电容C29的另一端通过电阻R29与电容C28的另一端连接。
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