CN101702863A - 一种调频式可调光荧光灯电子镇流器 - Google Patents

一种调频式可调光荧光灯电子镇流器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种调频式可调光荧光灯电子镇流器，包括EMC滤波整流电路、输入电压采样电路、PFC升压电路、半桥驱动电路、DC-AC半桥逆变电路、点火电路、微处理器、灯电流灯电压采样电路；所述的EMC滤波整流电路与PFC升压电路连接，PFC升压电路与半桥驱动电路、微处理器连接，半桥驱动电路与DC-AC半桥逆变电路连接，DC-AC半桥逆变电路与点火电路连接；灯电流电压采样电路与微处理器连接连接。本发明的有益效果：没有采用专用的控制集成电路，而是采用通用的微控制器，通过脉冲调频调光法来实现，总体结构简单，可以方便地扩展各种调光接口，实现数字化调光。

Description

一种调频式可调光荧光灯电子镇流器
技术领域
本发明涉及一种电子镇流器，尤其涉及一种两级半桥模式，通过调整DC-AC半桥逆变频率实现宽功率范围内无级平滑调光的荧光灯电子镇流器。
背景技术
随着人们对照明质量要求的提高，传统的固定亮度荧光灯已不能满足人们需要变换视觉效果的需求，也不利于节约能源。可调光的高频荧光灯的出现，不仅满足人们需要变换视觉效果的需求，而且达到节能目的。但目前常用的方法一般是：第一，采用可控硅对交流输入市电电流进行斩波控制，或者在灯支路中串联可控硅，对灯电流进行斩波控制，这种方法虽然实现起来较为简单，但影响了电路和功率因素，调光范围有限；第二，脉冲占空比调光法，该方法通过调节高频逆变器中功率开关管的脉冲占比空来实现输出功率的调节，实现调光控制，如FAIRCHILD公司的FMS7401和ST公司的L6574，都是具有脉冲占空比调光功能的控制集成电路，该方法在高频逆变电路中的功率开关管的脉冲占空比太小的情况下，将无法保证功率开关管工作在ZVS状态，使得电子镇流器电路的工作可靠性降低并加了电子镇流器的EMI辐射。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种采用调频调光法实现调光的荧光灯电子镇流器，该电子镇流器采用两级半桥模式，通过调整半桥逆变频率实现调光，克服了现有技术中存在的缺点。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种调频式可调光荧光灯电子镇流器，包括EMC滤波整流电路、输入电压采样电路、PFC升压电路、半桥驱动电路、DC-AC半桥逆变电路、微处理器、灯电流灯电压采样电路。所述的EMC滤波整流电路与PFC升压电路连接，半桥驱动电路与DC-AC半桥逆变电路连接，灯电流灯电压采样电路与微处理器连接，输入电压采样电路与微处理器连接。
作为本发明的优选，所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器还包括辅助电源电路，所述微处理器和半桥驱动电路都与辅助电源电路连接。
作为本发明的优选，本发明所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器完全基于通用微处理器进行控制，所述的微处理器为AT90PWM2B，输入电压采样，灯电压灯电流采样(即灯的功率控制，灯开路灯短路故障检测以及灯的寿终检测)，PFC升压电路以及半桥逆变电路都是由微处理器控制的，是一种高性能的全数字控制的电子镇流器。
作为本发明的优选，DC-AC半桥逆变电路是由半桥驱动电路驱动的两个功率开关管Q1、Q2，隔直电容C1，BUCK降压电感T1A和谐振电容C2组成，通过改变半桥逆变电路的工作频率来调整谐振电容C2两端的电压(即灯电压)，实现1～100％的宽功率范围内的无级调光。同以往通过可控硅对交流输入市电电流进行斩波控制实现调光的方法不同，本发明所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器工作在任何发光等级下，都可以获得0.99以上的功率因数。同以往通过改变输入电压实现调光的方式不同，本发明所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器当输入电压在90～265V的范围内波动时，仍能稳定地工作在设定的发光等级。即本发明所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器可以同时工作在110V和220V的市电电压下，在电网电压发生较大的波动时，仍能稳定工作在设定的发光等级，并获得很高的功率因数。
作为本发明的优选，由于采用通用微处理器进行控制，因此可以方便地扩展调光接口，包括SWITCH调光，0-10V模拟调光和DALI(Digitally AddressableLighting Interface)调光三种调光接口。特别地，采用DALI调光接口，可以通过DALI总线组成数字灯光控制与管理系统，由DALI控制器向镇流器下发调光等级以及淡光时间(即从一个发光等级调整到另一个发光等级的时间)等参数，镇流器可以向控制器上传灯状态等信息，满足高端的照明控制与管理需求。
作为本发明的优选，一种调频式可调光荧光灯电子镇流器采用电压型灯丝预热启动方式，在荧光灯启动点火之前，通过和BUCK降压电感T1A耦合的T1B，T1C，T1D和T1E四个副线圈上的感应电势对灯丝进行预热。预热电压的大小由灯丝预热阶段逆变半桥的工作频率决定，即微处理器可以根据不同灯管的特性调整预热电压的大小和预热时间，达到更加有效地延长灯光寿命的目的。
本发明的有益效果：这种调频式可调光荧光灯电子镇流器的设计，没有采用专用的控制集成电路，而是采用通用的微控制器，通过调整DC-AC逆变频率的方法来实现调光，总体结构简单，可以方便地扩展各种调光接口，实现数字化调光。能较好地驱动两根OSRAM等各个常见品牌的T8 36W型灯管，并采用调整DC-AC逆变半桥工作频率的方式实现在1～100％功率范围内的无级调光。同以往通过可控硅对交流输入市电电流进行斩波控制实现调光的方法不同，本发明所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器工作在任何发光等级下，都可以获得0.99以上的功率因数。同以往通过改变输入电压实现调光的方式不同，本发明所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器当输入电压在90～265V的范围内波动时，仍能稳定地工作在设定的发光等级。即本发明所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器可以同时工作在110V和220V的市电电压下，在电网电压发生较大的波动时，仍能稳定工作在设定的发光等级，并获得很高的功率因数。由于采用通用微处理器进行控制，因此可以方便地扩展调光接口，包括SWITCH调光，0-10V模拟调光和DALI(Digitally Addressable Lighting Interface)调光三种调光接口。特别地，采用DALI调光接口，可以通过DALI总线组成数字灯光控制与管理系统，由DALI控制器向镇流器下发调光等级以及淡光时间(即从一个发光等级调整到另一个发光等级的时间)等参数，镇流器可以向控制器上传灯状态等信息，满足高端的照明控制与管理需求。本发明所述的种调频式可调光荧光灯电子镇流器采用了对数调光曲线。因为人眼对低亮度等级的敏感度比高亮度等级高，本发明所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器提供了256级的对数调光控制发光等级。当灯光较亮时每个调光等级对应的实际灯功率调整量较大，反之较小。这种非线性的对数调光控制特性相对于人眼的视觉特性即为线性变化。本发明所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器采用电压型灯丝预热启动方式，在荧光灯启动点火之前，通过和BUCK降压电感T1A耦合的T1B，T1C，T1D和T1E四个副线圈上的感应电势对灯丝进行预热。预热电压的大小由灯丝预热阶段逆变半桥的工作频率决定，即微处理器可以根据不同灯管的特性调整预热电压的大小和预热时间，达到更加有效地延长灯光寿命的目的。本发明所述的DALI接口照明管理系统已经在大型商场和大型办公场所试用。
附图说明
图1为本发明所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器的电路结构框图；
图2为本发明所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器的原理图；
图3为本发明所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器的预热及点火电压波形图；
图4为本发明所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器工作在低频时的灯电压灯电流波形图；
图5为本发明所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器工作在高频时的灯电压灯电流波形图；
图6为本发明所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器的对数调光曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步具体说明：
如图1、2所示，本发明所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器，包括EMC滤波整流电路、输入电压采样电路、PFC升压电路、半桥驱动电路、DC-AC半桥逆变电路、微处理器、灯电流灯电压采样电路。所述的EMC滤波整流电路与PFC升压电路连接，半桥驱动电路与DC-AC半桥逆变电路连接，灯电流灯电压采样电路与微处理器连接，输入电压采样电路与微处理器连接。本发明所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器还包括辅助电源电路，所述微处理器和半桥驱动电路都与辅助电源电路连接。所述的微处理器为AT90PWM2B，输入电压采样，灯电压灯电流采样，PFC电路以及半桥逆变电路都是由微处理器控制的，是一种全数字控制的电子镇流器。DC-AC半桥逆变电路是由半桥驱动电路驱动的两个功率开关Q1、Q2，隔直电容C1，BUCK降压电感T1A和谐振电容C2组成，通过改变半桥逆变电路的工作频率来调整谐振电容C2两端的电压(即灯电压)，实现1～100％功率范围内的无级调光。本发明所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器采用电压型灯丝预热启动方式，在荧光灯启动点火之前，通过和BUCK降压电感T1A耦合的T1B，T1C，T1D和T1E四个副线圈对灯丝进行预热，包括SWITCH调光，0-10V模拟调光和DALI调光三种调光接口。
本发明所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器电路结构如图2所示，是一种电压馈电型串联谐振半桥逆变电路的变形，由电容C1取代传统半桥逆变电路的两只半桥串联电容，电容C1为功率开关管提供电流回路。逆变半桥的驱动，荧光灯的调光控制，荧光灯的寿终检测以及故障诊断和电路保护等功能完全基于微控制器实现，是一种数字化控制电子镇流器。微控制器采用ATMEL公司专门设计用于灯具镇流器产品的Lighting AVR单片机AT90PWM2B，该单片机具有最高达8MHz的工作频率，无需外部晶振，特别适合于高压大电流的电子镇流器产品，内部含有最高可工作在64MHz的PSC(Power Stage Controllers)模块，可用于逆变半桥驱动和荧光灯的调光控制，高精度的AD转换通道可用于输入电压，灯电压以及灯电流等信号的采样，其丰富的IO口为镇流器扩展各种调光接口提供可能。如图2所示，220V/50Hz的交流市电输入经有源功率因素校正得到400V的直流稳压输出，作为半桥逆变器的输入。辅助电源产生5V和15V的电压作为单片机和半桥驱动器所需的电源。半桥驱动器驱动两个功率开关管Q1，Q2组成DC-AC半桥逆变电路，逆变器的工作频率完全由AT90PWM2B单片机的PSC模块控制。
灯丝预热的工作过程如下：
荧光灯的启动分为预热启动和非预热启动。非预热启动即冷启动，是指不对灯电极进行加热，利用高开路电压引起电极场发射而使灯触发启动，启动电压较高，对于T8 36W的灯管来说，启动时的开路电压应在800V以上。在高电压冷启动过程中往往产生过长过大的持续性辉光放电电流，造成灯丝材料的过分溅射，使荧光灯两端的管壁过早发黑，缩短荧光灯灯管的寿命。而预热启动则是把灯电极慢慢加热至电子发射温度后，才使灯管触发导通，可以大大减小启动电压至300V左右，延长了灯管寿命。如图2所示，调频式可调光荧光灯电子镇流器的输出为双灯并联结构，并采用平衡变压器电压型灯丝预热电路，利用和镇流电感T1A耦合在一起的T1B，T1C，T1D，T1E四个灯丝绕组上的电压实现灯丝预热，当微控制器控制逆变半桥工作在80KHz的频率时，对灯丝进行预热，预热时间可由微控制器根据实际需要灵活控制，在灯的整个工作过程中都有电压施加于灯丝两端，平衡变压器T2使两只灯的工作电流保持一致。
荧光灯的点火启动工作过程如下：
灯支路由隔直电容C1，镇流电感T1A和谐振电容C2组成。在电路刚上电时，灯负载还未点火，处于高阻状态，电容C1，镇流电感T1A和电容C2组成串联谐振电路。由于电容C1的容量远远大于C2的容量，因此电路的谐振频率主要由镇流电感T1A和电容C2的参数决定，利用电路谐振时在电容C2上产生的高电压使荧光灯触发点火。灯负载完成点火后，其阻抗变小，LC串联电路失谐，T1A起镇流作用。在本发明所述的可调光荧光灯电子镇流器的设计中，取C1＝0.1uF，T1A＝1.4mH，C2＝0.01uF，由公式
Figure G2009101548281D0000071
可得电路的串联谐振频率f0≈42.5KHz。当逆变半桥工作在45KHz左右的频率时，发生串联谐振点火。谐振电容C2两端的点火电压波形如图3所示。由图可见，由于采用了灯丝预热启动方式，在电容C2两端的电压达到380V左右时，荧光灯即被触发启动，随后进入正常工作状态，整个点火过程仅用了150ms左右，有助于延长灯管的工作寿命。
荧光灯的调光控制过程如下：
荧光灯正常启动后，即可进行调光控制。本发明所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器的调光是一种调频调光法，即通过微控制器调整半桥逆变电路的工作频率，镇流电感的阻抗将随之改变，从而改变灯电流的大小，实现调光控制，频率越高，灯光越暗。调光范围完全由调频范围决定，通过合理选取镇流电感磁心的工作频率等参数，即可实现宽范围无级调光。当半桥逆变频率在40～75KHz的范围内变化时，分别对应100％～1％的发光亮度。图4和图5分别是工作在低频和高频下时，荧光灯两端的电压和灯电流波形，其中通道1为灯电压波形，通道2为灯电流波形。由图可见，在整个调光范围内灯电压和灯电流都是近似的高频正弦波，降低了灯管的老化，显著避免了荧光灯的频闪效应。因为人眼对低亮度等级的敏感度比高亮度等级高，可调光荧光灯电子镇流器提供了256级的对数调光控制发光等级，调光曲线如图6所示，当灯光较亮时每个调光等级对应的实际灯功率调整量较大，反之较小。这种非线性的对数调光控制特性相对于人眼的视觉特性即为线性变化。
基于通用微控制器，电子镇流器扩展了以下调光接口：
(1)SWITCH调光接口。如图2所示，调光开关连接于市电输入AC端，正弦交流信号经半波整流和降压后，输入到微控制器的IO口，当开关被按下时，微控制器检测到低电平，否则为高电平。微控制器根据调光开光是否被按下以及被按下的时间长短来获取调光信号。具体工作过程如下：上电后，调光开关被按下并随即松开，则镇流器点亮荧光灯，并恢复到上次关闭时的功率等级；当调光开关下一次被按下并随即松开时，即关掉荧光灯，并保存当前的功率状态；在荧光灯点亮的状态下，按下开关并保持，则镇流器进行调光，直到最亮或者最暗状态；当再一次按下开关并保持时，即向反方向调光，直到最亮或者最暗状态。该调光方法操作简便，实现成本最为低廉。
(2)0-10V模拟调光接口。如图2所示，由电位器产生的0-10V的直流模拟电压经光耦隔离输入到微控制器的AD通道，微控制器以电压的高低作为调光信号。这种调光方法目前最为常用。
(3)DALI调光接口。数字式可寻址调光接口(Digitally AddressableLighting Interface，DALI)是欧洲各主要的电子镇流器生产厂家共同制定的有关电子镇流器之间互联的通信协议，其目的是加速群控照明节能产品的推广和使用。每个DALI照明控制系统可以通过双绞线最多连接64个电子镇流器，控制器和电子镇流器之间可以双向通信，控制器可以向电子镇流器发出开关及调光命令，也可以向电子镇流器发出当前亮度等级和灯故障等状态信息查询命令，组成数字化照明控制管理系统。
本发明所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器，能较好地驱动两根OSRAM等各个常见品牌的T8 36W型灯管，并采用调整逆变半桥工作频率的方式实现在1～100％功率范围内的无级调光。由于采用了有源功率因素校正，在整个调光范围内电子镇流器的功率因素都保持在0.99以上。电子镇流器可以扩展SWITCH调光、0-10V调光和DALI调光三种调光接口，其中前两种接口方式操作简便，成本低廉，适合用于家庭照明领域，而基于DALI调光接口可以组成数字化、智能化的照明控制管理系统。本发明所述的DALI接口照明管理系统已经在大型商场和大型办公场所试用。

Claims (9)

1.一种调频式可调光荧光灯电子镇流器，其特征在于：包括EMC滤波整流电路、输入电压采样电路、PFC升压电路、半桥驱动电路、DC-AC半桥逆变电路、点火电路、微处理器、灯电流灯电压采样电路；所述的EMC滤波整流电路与PFC升压电路连接，PFC升压电路与半桥驱动电路、微处理器连接，半桥驱动电路与DC-AC半桥逆变电路连接，DC-AC半桥逆变电路与点火电路连接；灯电流电压采样电路与微处理器连接连接；EMC滤波整流电路与输入电压采样电路连接，输入电压采样电路与微处理器连接。
2.根据权利要求1所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器，其特征在于：还包括辅助电源电路，所述微处理器和半桥驱动电路都与辅助电源电路连接。
3.根据权利要求1所述的一种可调光荧光灯电子镇流器，其特征在于：所述的所述的微处理器为AT90PWM2B，输入电压采样电路，灯电压灯电流采样电路，PFC升压电路以及半桥逆变电路都由微处理器控制。
4.根据权利要求1所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器，其特征在于还包括有灯丝预热电路，通过和BUCK降压电感T1A耦合的T1B，T1C，T1D和T1E四个副线圈对灯丝进行预热构成灯丝预热电路，所述的灯丝预热电路与半桥逆变电路相连。
5.根据权利要求1所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器，其特征在于所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器设有SWITCH调光，0-10V模拟调光和DALI调光三种调光接口。
6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器，其特征在于：DC-AC半桥逆变电路是由半桥驱动器驱动的两个功率开关管Q1、Q2，隔直电容C1，BUCK降压电感T1A和谐振电容C2组成，通过改变半桥逆变电路的工作频率来调整谐振电容C2两端的电压，以实现1～100％的宽功率范围内的无级调光；所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器工作在任何发光等级下，都可以获得0.99以上的功率因数；所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器当输入电压在90～265V的范围内波动时，仍能稳定地工作在设定的发光等级。
7.根据权利要求1-5任一权利要求所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器，其特征在于由于采用通用微处理器进行控制，可以方便地扩展调光接口，包括SWITCH调光，0-10V模拟调光和DALI(Digitally Addressable LightingInterface)调光三种调光接口；特别地，采用DALI调光接口，可以通过DALI总线组成数字灯光控制与管理系统，由DALI控制器向镇流器下发调光等级以及淡光时间(即从一个发光等级调整到另一个发光等级的时间)等参数，镇流器可以向控制器上传灯状态等信息，满足高端的照明控制与管理需求。
8.根据权利要求1-5任一权利要求所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器，其特征在于采用了对数调光曲线，所述的调频式可调光荧光灯电子镇流器提供了256级的对数调光控制发光等级；当灯光较亮时每个调光等级对应的实际灯功率调整量较大，反之较小。
9.根据权利要求1-5任一权利要求所述的一种调频式可调光荧光灯电子镇流器，其特征在于采用电压型灯丝预热启动方式，在荧光灯启动点火之前，通过和BUCK降压电感T1A耦合的T1B，T1C，T1D和T1E四个副线圈上的感应电势对灯丝进行预热；预热电压的大小由灯丝预热阶段逆变半桥的工作频率决定，即微处理器可以根据不同灯管的特性调整预热电压的大小和预热时间，达到更加有效地延长灯光寿命的目的。
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