CN102395239A - 电子镇流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电子镇流器，包括调光电路、微控制器以及扫频点火电路；调光电路和扫频点火电路分别接入微控制器。本发明提供了一种可对等的亮度进行调节、节能效果显著、安全可靠、可实现扫频点火以及可延长灯的使用寿命的电子镇流器。

Description

电子镇流器

技术领域

本发明属电学领域，涉及一种镇流器，尤其涉及一种智能化高压灯用电子镇流器。

背景技术

电子镇流器(Electricalballast)，是镇流器的一种，是采用电子技术驱动电光源，使之产生所需照明的电子设备。与之对应的是电感式镇流器(或镇流器)。现代日光灯越来越多的使用电子镇流器，轻便小巧，甚至可以将电子镇流器与灯管等集成在一起，同时，电子镇流器通常可以兼具起辉器功能，故此又可省去单独的起辉器。电子镇流器还可以具有更多功能，比如可以通过提高电流频率或者电流波形(如变成方波)改善或消除日光灯的闪烁现象；也可通过电源逆变过程使得日光灯可以使用直流电源。但是目前在用的各种电子镇流器由于其内部电路结构的原因，会存在以下缺陷：

1、不能对灯的亮度进行调节。在实际应用中，针对道路照明中出现的各种情况，例如后半夜路上行人及车流量减少不需要进行全度照明或出现雨雪大雾等能见度低的天气情况时，都需要对道路照明需要进行相应的调整，进行补充照明或抑制照明，该调控方式等照明灯具甚至电路都有很高的要求。而电子镇流器没有这方面的功能，极大的浪费了能源或降低了灯的使用寿命。

2、安全性能差。在雷雨天气中，若电路供电网络被雷电击中，电路中的压敏电阻和高压放电管组成的电路，可以将电网中火线、零线中任何一个中寄加的高压短接到大地，防止电路因串入的高压而损坏。针对雷雨等自然天气来袭时，无保护功能，容易被雷电等袭击，产品安全可靠性差。

3、灯的使用寿命低。目前各种电子镇流器存在使钠灯辉光放电过程太长，不能及时进入孤光放电过程以及初始灯电流较大，使灯电极和“墙壁发黑”，进一步的降低了灯的使用寿命。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可对等的亮度进行调节、节能效果显著、安全可靠、可实现扫频点火以及可延长灯的使用寿命的电子镇流器。

本发明的技术解决方案是；本发明提供了一种电子镇流器，其特殊之处在于：所述电子镇流器包括调光电路、微控制器以及扫频点火电路；所述调光电路和扫频点火电路分别接入微控制器。

上述调光电路包括电压输入端、调光电路信号输入单元、信号转换单元、控制信号输出单元以及负载功率调节单元；所述电压输入端依次通过调光电路信号输入单元、信号转换单元以及控制信号输出单元接入负载功率调节单元。

上述电压输入端包括输入的电压范围是0-10V的外部直流电压输入端以及由调光电路所产生的频率电压信号输入端；所述调光电路信号输入单元包括电压比较器；所述外部电压输入端以及频率电压信号输入端分别接入电压比较器；所述信号转换单元包括第一积分电路；所述调光电路信号输入单元通过第一积分电路接入微控制器；所述第一积分电路包括第一电容以及第一电阻；所述第一电容的一端接地，另一端与第一电阻以及调光电路信号输入单元并联后共同接入微控制器；所述控制信号输出单元包括第二积分电路以及第二微控制器；所述第二微控制器包括压控振荡器；所述信号转换单元通过第二积分电路接入第二微控制器；所述第二积分电路包括第二电容以及第二电阻；所述信号转换单元通过第二电阻与第二微控制器相连；所述第二电容的一端接地，另一端与第二电阻并联后接入第二微控制器；所述负载功率调节单元包括扼流电感；所述第二微控制器接入扼流电感。

上述扫频点火电路包括第三电阻、第四电阻以及第三电容；所述第三电阻和第四电阻并联后的一端接地，另一端接入第二微控制器；所述第三电容接入第二控制器。

上述电子镇流器还包括与微控制器相连的热保护电路。

上述热保护电路包括第四电容、第五电阻以及热敏电阻；所述第四电容与热敏电阻并联的一端接地，另一端与第五电阻并联后接入微控制器。

上述热敏电阻是负温度系数的热敏电阻。

上述电子镇流器还包括防雷击保护电路，所述防雷击保护电路与调光电路、微控制器、扫描电话电路或热保护电路相连。

上述防雷击保护电路包括与电网火线相连的压敏电阻Rv3、与电网零线相连的压敏电阻Rv2以及接地的高压放电管SG1。

上述第二微控制器是MC14046B芯片；所述微控制器是PIC16系列的单片机；所述微控制器优选PIC16F886单片机。

本发明的优点是：

1、可对灯的亮度进行调节，节能效果显著。本发明由于微控制器内部程序的控制，可使灯的功率在50％～100％额定功率范围内变化。0～10V的直流电压数字调光功能，能够实现灯全功率的50％～100％范围内的照度控制。一方面，灯可以通过外接日光感应器等器件，根据外部情况变化，自动实现调光，调节照明。另一方面，也可以组网，实现统一控制，由中央集成控制系统，调配整体照明或调整每盏灯的参数。这种可自由配置的调光设计，使得在道路照明应用中，尤其在后半夜照明中，可实现低照明度控制，既满足实际照明需求，又节约了电能。适合于超市、商场、停车场、道路等场所的照明。

2、安全可靠性强。本发明充分利用微处理器控制的优势，增加了数据量及处理、分析数据的能力，充分利用微处理器低元件数、高可靠性的优点，进一步提高其处理的数据量。通过相应的程序，简化了驱动电路控制、异态保护电路控制、调光控制电路、APFC电路工作状态控制等四个模块电路的设计，但不影响其工作的准确性及可靠性。并对驱动电路、异态保护电路、调光控制电路、APFC电路进行监测、控制，最终保证负载长期稳定工作。保证电路整体的可靠性及稳定性。

3、特有的扫频点火。本发明结合频率发生器输出的宽范围频率方波，有效地消除了因实际器件参数误差导致的谐振频率漂移的影响，使得每一个产品都会有一个完美的谐振点火过程。由于谐振频率点合适，就消除了钠灯辉光放电过程与降低了初始灯电流，进而有效地消除了灯电极和“墙壁发黑”，延长了灯的使用寿命。

4、具有防雷击保护功能。本发明根据实际应用的情况，特别针对雷雨天气，增加防雷击电路，使产品更安全可靠。

附图说明

图1是本发明所提供的电子镇流器的框架原理示意图；

图2是本发明所采用的扫描点火电路结构示意图；

图3是本发明所采用的防雷击保护电路；

图4是本发明所采用的热保护电路的电路原理图；

图5是本发明所采用的外部电压量U到内部频率量F转换的电路图；

图6是本发明所采用的调整负载输出功率信号转换电路及微控制器接收电路图；

图7是本发明所采用的第二积分电路图。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种电子镇流器，电子镇流器包括调光电路、微控制器以及扫频点火电路；调光电路和扫频点火电路分别接入微控制器。微处理器控制提供高效、准确的处理，更高的可靠性，更少的器件组件数，更小的体积。

扫频点火能够保证稳定的点火，根本上消除了灯电极和“墙壁发黑”，延长灯寿命。

调光电路是全范围模拟或数字调光，节能显著，外接感测装配，每盏灯可自动实现调光。

调光电路包括电压输入端、调光电路信号输入单元、信号转换单元、控制信号输出单元以及负载功率调节单元；电压输入端依次通过调光电路信号输入单元、信号转换单元以及控制信号输出单元接入负载功率调节单元。

电压输入端包括输入的电压范围是0-10V的外部直流电压输入端以及由调光电路所产生的频率电压信号输入端；调光电路信号输入单元包括电压比较器；外部电压输入端以及频率电压信号输入端分别接入电压比较器；信号转换单元包括第一积分电路；调光电路信号输入单元通过第一积分电路接入微控制器；第一积分电路包括第一电容以及第一电阻；第一电容的一端接地，另一端与第一电阻以及调光电路信号输入单元并联后共同接入微控制器；控制信号输出单元包括第二积分电路以及第二微控制器；所述第二微控制器包括压控振荡器；信号转换单元通过第二积分电路接入第二微控制器；第二积分电路包括第二电容以及第二电阻；信号转换单元通过第二电阻与第二微控制器相连；第二电容的一端接地，另一端与第二电阻并联后接入第二微控制器；负载功率调节单元包括扼流电感；输出频率，即负载工作频率接入扼流电感。

参见图2，扫频点火电路包括第三电阻、第四电阻以及第三电容；第三电阻和第四电阻并联后的一端接地，另一端接入第二微控制器；第三电容接入第二控制器。

电子镇流器还包括与微控制器相连的热保护电路。

参见图4，热保护电路包括第四电容、第五电阻以及热敏电阻；第四电容与热敏电阻并联的一端接地，另一端与第五电阻并联后接入微控制器。即时二次照明时，自动关断输出，延迟启动。当镇流器工作环境温度超过85度时，镇流器将控制灯输出功率到50％，直到温度降下来。如果温度超过90度，镇流器将停止工作。如果温度在85度以下，镇流器将正常工作。

热敏电阻是负温度系数的热敏电阻。

电子镇流器还包括防雷击保护电路，防雷击保护电路与与电源输入端相连。后期的调光电路、微控制器、扫频点火电路或热保护电路属于电路对输入电源整流后接的电路。

参见图3，防雷击保护电路包括与电网火线相连的压敏电阻Rv3、与电网零线相连的压敏电阻Rv2以及接地的高压放电管SG1。

第二微控制器是MC14046B芯片；微控制器是PIC16系列的单片机；微控制器优选PIC16F886单片机。

本发明采用的特有的扫频点火。目前，国内主要采用纯模拟量的电感偶合互感产生的高压或LC谐振高压点火。用于扫频点火电路：主要是由微控制器的13脚输出PWM控制信号。通过U12的9脚处的电容滤波后，得到一个稳定的有效值电压。这个有效值电压经过U12采样、处理后，调整输出的频度信号。U12有一个最大和最小的输出频度，由电阻R15、R71及电容C8决定。通过微控制器13脚的PWM变化，完成一个宽范围的频率输出，实现扫频点火。这种数字控制点火方式，结合频率发生器输出的宽范围频率方波，有效地消除了因实际器件参数误差导致的谐振频率漂移的影响，使得每一个产品都会有一个完美的谐振点火过程。由于谐振频率点合适，就消除了钠灯辉光放电过程与降低了初始灯电流，进而有效地消除了灯电极和“墙壁发黑”，延长了灯的使用寿命。

防雷击保护电路：在雷雨天气中，若电路供电网络被雷电击中，电路中的压敏电阻和高压放电管组成的电路，可以将电网中火线、零线中任何一个中寄加的高压短接到大地，防止电路因串入的高压而损坏。这进一步增加了电路的适应环境的能力，提高了安全性。

按设计要求制作190×67×1.6mm的四层玻璃纤维板，通过贴片机在电路板的相应位置，贴装上对应的电阻、电容、芯片等器件，然后在电路板的另一面，插装电解电容、电感等分立器件，通过波峰焊进行器件焊接，形成主电路主体。

在按要求制作的50×30×1.6mm的两层玻璃纤维板上，通过贴片机在电路相应的位置，贴装上对应的器件，并通过波峰焊进行焊接后，完成调光、通讯电路。

之后，将调光、装通讯电路板装配到主电路板的对应位置，焊接连接的导线，在预留的电路端口上烧录控制芯片程序，此时，形成完整电路主体。将制作好的电路主体装进U形壳体的卡槽中，用M3螺钉加装功率MOS管的散热片，加装壳体侧面板，然后灌封25mm深的导热硅胶，装配壳体顶盖，并用M3螺丝加固，即完成电子镇流器。

例如，150W规格的智能化高压钠灯用电子镇流器，适合于超市、商场、停车场、道路等场所的照明。本规格电子镇流器系统内嵌入软件，提高了效率、可靠性，减小了体积，节约了成本。特有的控制点火方式，使灯的流明一致性、色彩一致性比较稳定。有效地消除灯电极和管壁发黑，延长了灯使用寿命。该150W规格的智能化高压钠灯用电子镇流器，可与现有的0～10V的调光控制系统对接，扩展了系统的节能能力。配合需求的即插即用平台，反应、安装更加简捷。

参见图4，本发明采用的热保护电路，包括由热敏电阻以及电阻构成的分压电路，与分压电路相连的用于对用电器的输出功率进行调控的微控制器。分压电路包括电容、电阻以及热敏电阻；电容与热敏电阻并联的一端接地，另一端与电阻并联后接入微控制器。

热保护电路在具体工作时，在常温下，热敏电阻的阻值是一定的。其RT3和R60组成的分压电路，RT3电阻上电压值固定。当外界温度上升，RT3电阻的阻值也相应减小，其上得到的分压值也在下降。当外界温度上升到一定值时，RT3上的分压值低于微控制器内部设定的值时，就由微控制器的13脚输出相应的控制信号，使灯的功率降低，以减少发热量，降低外界温度。RT3上的分压值，通微控制器的5脚采样，大于内部设定值时，由微控制器的13脚输出相应的控制信号，使灯恢复满功率工作状态。由NTC电阻感应外界温度后改变控制器5脚采样电位；信号处理后13脚信号输出；改变第二微控制器输出频率；改变负载工作频率；改变输出功率调节温度。

参照电路图5，是本发明将所得到的外部电压转化为频率固定信号的电路示意图；其电路工作过程可以描述为：

1、电路上电后，Bin-端处的电压由于是由电阻串联分压组成，故此处的电压恒定。Bin+端处的电压是由R3、R12、R7、C5组成，取样R7端处的电压。由于电容的充电过程，Bin+处采集的电压是一个缓慢上升过程。

2、在Bin+处的电压还没有大于Bin-处的电压时，由电压比较器U2处理后，BOUT处输出低电平。此时Q2、Q3三极管处于关断状态，Ain+处的电压不受影响。当Bin+处的电压上升到大于Bin-处的电压时，BOUT输出高电平。此时Q2导通，进而使Q3导通，Q3导通后，A+处的电压被拉低到地。与此同时，B+处的电压也被拉低。

3、当B+处的电压被拉低到小于B-处的电压时，电压比较器U2处理后，BOUT输出低电压，此时Q2、Q3关断，Bin+处的电压回升，Ain+处的电压回升。

4、比较器B的输出BOUT，Bin+处的电压变化，重复上述2、3过程。

5、Ain-处的电压由外接的调光电压控制。

6、Ain+处的电压和Bin+处的电压变化几乎同步，变化波形同Bin+。当Ain+处的电压大于Ain-时，AOUT输出高电平，光偶器关断；当Ain+受比较器B的影响，电压下降，小于A-处电压时，AOUT输出低电平，光偶器开通。

7、光偶器开通与关断的时间，构成调光电路的周期控制信号反馈到微控制器的调光信号。通过采样信号处理后，被微处理器识别、处理，控制负载功率变化。

由外部电压量U到内部频率量F的工作原理是：从外部电压量U到内部频率量F的转变。将外部的电压信号量，转换可为内部电路所使用的频率信号量。外部输入0～10V电压；电路产生的频率电压信号；电压比较器进行比较；输出频率信号。

由外部电压转换为内部所使用的频率信号，此处的频率信号量F2不是电路负载工作时的频率。此处仅为区分调光电路内部产生的锯齿波频率而设定的一个名称)之间的关系可用下表表示：

调光电路与微按制器间的控制模型如下：

外接0～10V数字电压模块；调光电路；信号输入；信号转换电路；微控制器；控制信号输出。调光电路的周期信号，传输到信号转换电路后，其变为电压信号，最后由微控制器采样处理后，调整负载输出功率信号转换电路及微控制器接收电路如图6：

调光电路的输出信号加到电容C47处。供电电压通过电阻R52、C47接地。由于调光电路处的信号，在开通时，电流是从微控制器的14引脚处流向调光电路，；在关断时，电流由供电电源提供，经电容C47流向地。

通过由R52和C47组成的积分电路，可在PIC16F886单片机的14脚得到一个有效值电压。这个电压的有效值计算公式如下：

U＝5×(D^0.5)............公式1

此处，D为频率固定信号F2信号的占空比。

调光电路的输出信号是一个周期性开通、关断的信号，这个信号引起电容C47中的电流流向发生周期性的。最终在微控制器的14脚得到一个相对稳定的电压有效值信号。这个信号经微控制器处理后输出，调节负载的功率进行变化。这个周期信号的周期由外部输出的电压决定。

参见图7，在扫频点火电路中，用到的MC14046B是琐相环芯片。本电路中使用其压控振荡器功能，实现从PIC16系列单片机输出的F(固定频率信号)，通过电阻R68和电容C12组成的积分电路后，由MC14046B输出用于电路工作中的F’(工作频率信号步骤3)中的F)其中，在本电路中应用的PIC16F886单片机的13脚，输出一个幅值是5V的PWM信号。它的频率是固定的，但是占空比在点火过程中是由最大1线性变化到0。最终由MC14046B芯片的4脚输出一个频率由355KHZ到61KHZ的变化频率。在这个频率范围内导找电路的谐振点，以达到提供一个最合适的点火电压的目的。

其工作原理可以简化为：PIC16F系列单片机输出PWM信号(固定频率信号)；RC积分电路将PWM信号转化成电压信号(采样电压量)；MC14046B内的压控振荡器输出一定频率波形。

将PWM信号转换成的控制电压输入；压控振荡器；输出频率信号f2振荡器源频率信号f1；

其线性关系式为：F2＝k×U+F1。........................公式2

k为压控系数，F1为MC14046B及外围电路设置的最小输出频率(芯片资料中有介绍)。

在本电路中，其由芯片的PWM信号到输出工作频率信号的线性关系式为：

F2＝45×V×(D^0.5)+61最终结果为KHZ  ..................公式3

其中45为压控系数。V为PIC16F系列芯片输出PWM信号的幅值，D为此PWM信号的占空比(由PIC控制芯片内部通过程序运算后得出相应的值)。61KHZ为本电路中外围电路与MC14046B芯片组成的最小输出频率。

PIC16F系列单片机输出PWM信号占空比控制：

在PIC16F系列单片机中，都设有专门的脚位用于输出PWM信号。且单片机内部设有A/D(模、数转换)转换脚，已经达到了10位的分辨率。对于数字电路5V的电平而言，其可以识别的最小压差为：5/(2¹⁰)＝0.004828125，几乎可以完全实现由模拟量到数字量后，不失真地还原回去。

在本电路中，PIC单片机将14脚采样到的电压信号到调节输出PWM信号的占空比，是通过电路内部的程序进行相应的计算后，进行控制处理。

在本电路中，其控制PWM信号占空比D的计算公式为：

D＝[(2+0.22V)/5]²........................公式4

公式中V为电路中PIC16F886单片机14脚的采样电压信号。其是由调光电路板输出的频率信号通过由R52和C47进行积分后得出。详细计算过程见“公式1”

工作频率最后调节负载功率的调节方式是：

其作用关系式为：P(负载)＝U2²/RL  ..................公式5

其中U2＝U1×RL/(RL+2π×F2×L)，........................公式6

RL是负载的阻值，L为扼流电感的电感量，U1为电路直流总线电压

整个由调光电路，将外部电压信号转换后给PIC16F系列单片机处理，再将处理结果转换为负载工作频率，最终反应为负载功率的过程。完成外部电压信号转换；RC积分电路；PIC16系列单片机信号处理后输出PWM信号；RC积分电路；频率控制信号输出；调节负载电压，改变功率。

Claims (10)

1.一种电子镇流器，其特征在于：所述电子镇流器包括调光电路、微控制器以及扫频点火电路；所述调光电路和扫频点火电路分别接入微控制器。

2.根据权利要求1所述的电子镇流器，其特征在于：所述调光电路包括电压输入端、调光电路信号输入单元、信号转换单元、控制信号输出单元以及负载功率调节单元；所述电压输入端依次通过调光电路信号输入单元、信号转换单元以及控制信号输出单元接入负载功率调节单元。

3.根据权利要求2所述的电子镇流器，其特征在于：所述电压输入端包括输入的电压范围是0-10V的外部直流电压输入端以及由负载电路所产生的频率电压信号输入端；所述调光电路信号输入单元包括电压比较器；所述外部电压输入端以及频率电压信号输入端分别接入电压比较器；所述信号转换单元包括第一积分电路；所述调光电路信号输入单元通过第一积分电路接入微控制器；所述第一积分电路包括第一电容以及第一电阻；所述第一电容的一端接地，另一端与第一电阻以及调光电路信号输入单元并联后共同接入微控制器；所述控制信号输出单元包括第二积分电路以及第二微控制器；所述第二微控制器包括压控振荡器；所述信号转换单元通过第二积分电路接入第二微控制器；所述第二积分电路包括第二电容以及第二电阻；所述信号转换单元通过第二电阻与第二微控制器相连；所述第二电容的一端接地，另一端与第二电阻并联后接入第二微控制器；所述负载功率调节单元包括扼流电感；所述第二微控制器接入扼流电感。

4.根据权利要求3所述的电子镇流器，其特征在于：所述扫频点火电路包括第三电阻、第四电阻以及第三电容；所述第三电阻和第四电阻并联后的一端接地，另一端接入第二微控制器；所述第三电容接入第二控制器。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的电子镇流器，其特征在于：所述电子镇流器还包括与微控制器相连的热保护电路。

6.根据权利要求5所述的电子镇流器，其特征在于：所述热保护电路包括第四电容、第五电阻以及热敏电阻；所述第四电容与热敏电阻并联的一端接地，另一端与第五电阻并联后接入微控制器。

7.根据权利要求6所述的电子镇流器，其特征在于：所述热敏电阻是负温度系数的热敏电阻。

8.根据权利要求7所述的电子镇流器，其特征在于：所述电子镇流器还包括防雷击保护电路，所述防雷击保护电路与电子镇流器的电源输入端相接。

9.根据权利要求8所述的电子镇流器，其特征在于：所述防雷击保护电路包括与电网火线相连的压敏电阻Rv3、与电网零线相连的压敏电阻Rv2以及接地的高压放电管SG1。

10.根据权利要求9所述的电子镇流器，其特征在于：所述第二微控制器是MC14046B芯片；所述微控制器是PIC16系列的单片机；所述微控制器优选PIC16F886单片机。

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