CN107360657A - 一种大功率可远程控制可调光高压钠灯驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明是一种大功率可远程控制可调光高压钠灯驱动器，包含滤波整流电路、有源功率因数校正电路、HID小信号处理及保护电路、远程控制模块、半桥逆变电路和脉冲点火电路，所述滤波整流电路的输入端连接220V市电，滤波整流电路的输出端连接有源功率因数校正电路，本发明基于两级结构式高频驱动电路，采用混沌调制解决声谐振问题。通过STM32控制操作，实现了高压钠灯的开启关断、梯度调光、远程控制、实时监测等功能，提高了驱动电路的可靠性，有效节约能源。

Description

一种大功率可远程控制可调光高压钠灯驱动器

技术领域

本发明涉及一种驱动器，特别是一种大功率可远程控制可调光高压钠灯驱动器。

背景技术

现有高压钠灯驱动电路一般是采用高耗能的工频电感直接驱动；普遍存在钠灯功率输出不可调、维护困难等问题。

1、设备维护困难

设备日常维护需人工完成，工作量大，且不能及时、有效地进行损坏设备的更换。当设备发生故障时，需人工进行检测，由于电压较高，极易发生触电。

2、资源利用率较低

功率因数较低，电路能耗严重。改变灯工作功率相对困难，不能根据人流量、车流量实时调整亮度，浪费了大量电力资源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大功率可远程控制可调光高压钠灯驱动器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种大功率可远程控制可调光高压钠灯驱动器，包含滤波整流电路、有源功率因数校正电路、HID小信号处理及保护电路、远程控制模块、半桥逆变电路和脉冲点火电路，所述滤波整流电路的输入端连接220V市电，滤波整流电路的输出端连接有源功率因数校正电路，有源功率因数校正电路还连接半桥逆变电路，半桥逆变电路还分别连接HID灯和HID小信号处理及保护电路，HID灯还分别连接HID小信号处理及保护电路和脉冲点火电路。

作为本发明的进一步技术方案：所述HID小信号处理及保护电路还分别连接脉冲点火电路和远程控制模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明基于两级结构式高频驱动电路，采用混沌调制解决声谐振问题。通过STM32控制操作，实现了高压钠灯的开启关断、梯度调光、远程控制、实时监测等功能，提高了驱动电路的可靠性，有效节约能源。

附图说明

图1为本发明的总体示意图；

图2为EMI滤波电路的电路图；

图3为APFC功率因数校正电路的电路图；

图4为SG3525外接电路结构图；

图5为半桥驱动电路；

图6为点火电路的电路图；

图7为调光电路的电路图；

图8为X9313接线图；

图9为混沌频率抑制电路的电路图；

图10为I²C通信接口图；

图11为点火检测流程图；

图12为亮度检测流程框图；

图13为按键梯度调光图；

图14为智能梯度调光图；

图15为热保护检测流程图实验结果与分析流程图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图1-15；本发明实施例中，一种大功率可远程控制可调光高压钠灯驱动器，包含滤波整流电路、有源功率因数校正电路、HID小信号处理及保护电路、远程控制模块、半桥逆变电路和脉冲点火电路，所述滤波整流电路的输入端连接220V市电，滤波整流电路的输出端连接有源功率因数校正电路，有源功率因数校正电路还连接半桥逆变电路，半桥逆变电路还分别连接HID灯和HID小信号处理及保护电路，HID灯还分别连接HID小信号处理及保护电路和脉冲点火电路。

HID小信号处理及保护电路还分别连接脉冲点火电路和远程控制模块。

本发明的工作原理：滤波整流电路如图2所示，Rv为压敏电阻，F1为保险丝，C1、C2被用于衰减差模(对称性)干扰信号，C3、C4对共模(不对称性)干扰信号起抑制作用，R1为C1、C2的放电电阻。当有共模干扰时，共模电感耦合后产生很大的阻抗，使干扰无法通过，对后级电路起到了保护作用。

输入电流通过整流滤波后，不但包含正弦波，还有许多谐波成分，导致电路的功率因数达不到1，对电网造成严重污染，甚至损坏电力设备。因此，需要增加功率因数校正电路，以达到提高交流电源利用率、增加用电设备的负荷等目的，有源功率因数校正电路如图3所示：如图3所示。APFC电路由控制芯片MC33262、升压电感T1、功率开关管Q2、二极管D1、输出电容C5及反馈网络构成。

电路中R2与R3串联，再与R1组成分压电路，对整流滤波后的311V输入电压进行分压，检测APFC输入电压的相位及波形，然后将其作为3脚乘法器的输入信号。校正升压后，电压经R9输入芯片的1脚，与控制芯片MC33262内部参考点电位相比较，然后经过1脚与2脚之间的补偿网络输出到内部乘法器的另一端，由乘法器把这两个电压做乘积处理，获得功率开关截止依据的正弦波参考电压V_r。

MC33262的7脚为驱动信号输出端，R8、R10、D3、S1组成的电路对开关管Q2起到了加速放电的作用，确保了电路的可靠性。当7脚输出驱动信号使Q2导通时，电感电流按照d_i/d_t的变化规律上升，取电阻R6的跨压V_R6输入4脚，使之与参考电压V_r相比较。当V_R6＞V_r时，7脚输出低电压，Q2截止。变压器T1的初级绕组Np的作用是把311V的直流电压升到400V，次级绕组Ns用来检测初级绕组Np的零电流信号，其中R5为检测电感电流的电阻。

该电路中升压变压器T1的初级绕组的电感量：

其中交流电输入波动范围为170V～265V，V_imax取最大值265V，V_o＝400V，f_swmin＝30kHz，P_o＝250W，期望效率η＝94％，代入(1)式可得L_p＝0.295mH。

半桥逆变电路如图4所示，采用基于SG3525的半桥逆变电路，相比于全桥逆变电路具有以下优点：所需元器件少，抗电路不平衡能力强，易控制，可靠性高。SG3525内部振荡器外接一个振荡电阻R_T、一个振荡电容C_T和一个放电电阻R_D，其中振荡电容C_T的充电电流由振荡电阻R_T的阻值所决定，引脚5和引脚7之间的放电电阻R_D为振荡电容C_T提供了放电通道。通过改变放电电阻R_D的阻值，可以改变振荡电容C_T放电时间，同时，又可以调节死区时间。输出驱动信号的脉宽和频率都可以调制，其中振荡器频率由振荡电阻R_T,振荡电容C_T和放电电阻R_D决定，其振荡频率计算公式为:

由上式可看出，当振荡电阻R_T、振荡电容C_T和放电电阻R_D固定时，电路输出脉冲频率也随之固定。

本设计中，C_T取3300pF，R_D取2kΩ，R_T取1K～3.5KΩ，则f_o的取值范围为45.228～35.862KHz。

传统半桥驱动电路，驱动IC输出端与功率开关MOSFET管之间，用一个限流电阻相隔开。由于MOSFET管完全放电需要一定时间，仅加限流电阻无法保证两个功率开关管交替导通，即无法保证Q12导通时，Q11已完全截止。

本发明采用驱动隔离变压器T3、三极管Q5、Q10组成的放电电路，用来加速开关管放电，提高半桥输出可靠性，如图5所示。驱动信号1和驱动信号2分别由控制IC的11脚、14脚提供，其中，T3使芯片11脚上不必要的干扰被隔离，R16、R17为驱动限流电阻，R17、R19为双向钳位电阻，D6、D7、D10为开关二极管，D8、D9、D11为8.2V稳压二极管。当11脚输出高电平，经变压器、R16引入电流，使D6导通，从而驱动功率开关管Q11，过高的电流由R17、D8、D9进行钳位稳压，保护Q10不致损坏。当11脚关断后，Q11基级电位被Q10下拉，加速放电速度，确保了Q12导通时，Q11已经截止。14脚输出电路与之相似，不再累述。此电路能有效控制MOSFET的通断，使高压钠灯正常工作。

点火电路如图6所示，Q1、Q2组成的半桥电路中，当Ql导通(Q2截止)时，400V母线直流电压通过开关管Ql、变压器T1及高压钠灯形成回路,对C1充电；当Q2导通(Q1截止)时，C1中电荷通过开关管Q2、变压器T1和高压钠灯形成回路放电。

点火电路部分采用可控硅Q3产生高压脉冲做点火启动与STM32控制导通相结合的控制电路。由APFC电路输出的400V电压，对C2、C3进行充电。当STM32控制三极管Q4导通时，在C3电压足够大时，能够使DB3导通后，C2通过可控硅Q3放电，产生几千伏的高脉冲电压，击穿等电弧，灯管被点亮。灯点亮后，STM32控制三极管Q4截止，高压钠灯两端电压遂降低至DB3导通电压以下，不再产生高脉冲电压，点火停止。两个MOS开关管交替工作，输出高频方波使高压钠灯正常工作。

可控梯度调光是指高压钠灯能根据环境因素，按一定的梯度，如10W为一个梯度，使灯在一定时间间隔内进行或加或减或保持不变的功率变化，从而实现灯亮度的调节，且这种调节是可控制的。

由于光敏电阻具有在不同的亮度下呈现出不同阻值的特性，亮度越大，阻值越小，故可利用STM32单片机检测其输出阻值，进而转换为亮度显示，作为调功的依据。

本设计采用一种基于数控电位器X9313T的智能调光方法。SG3525与X9313及负载之间的电路可以简化为如图7所示。R_X9313并联RT构成SG3525新的振荡调光电阻r，SG3525互补输出分别接到两个开关管Q1、Q2，直流转化为交流输出，通过电感L1将交流信号输送至负载处，点亮高压钠灯。

电路稳定工作时，母线输入电压基本保持不变，输出功率P只与新震荡电阻r有关，而新震荡电阻只与R_x9313有关，所以X9313与SG3525相结合的控制电路是能够改变功率的。当R_x9313越大即r越大，则输出功率P越大；反之，R_x9313越小即r越小，则输出功率P越小。

X9313的接线如图8所示，加入调频电路后，SG3525外接的等效振荡电阻r为

R_T与R_X9313的并联值，其余不变。初上电时，R_X9313＝R_max＝100KΩ，即等效振荡电阻r＝3.5KΩ，振荡频率f＝37KHz，初始频率符合要求。高压钠灯达到半功时，R_X9313＝1.2KΩ，即等效振荡电阻r＝3.5KΩ，振荡频率f＝37KHZ。

声谐振问题及其抑制

高频驱动高压钠灯时，高压钠灯内部压力波从管内壁来回反射，当压力波的相位与高频电流相同时，就会发生声谐振现象。该现象会导致灯放电正柱区的热力学平衡状态被破坏，放电电弧扭曲变形、光强不稳，严重时还会因为电弧扭曲，管壁受热不均匀发生灯管炸裂。声谐振也会导致驱动电路运行不可靠，因此需要相应的抑制声谐振电路。

混沌是一种对初始条件敏感、出现在确定性系统中、看似随机的一种复杂的运动形式和自然现象。高压钠灯的放电正柱区就存在着混沌现象，表面现象就是声谐振现象，根本缘由是等离子体的集体振荡，也称为随机共振现象。

本设计使用参数微扰法控制声谐振现象，对可以影响吸引子周期运动的一个参数进行微扰，可以从等离子体中的大量看似无规则的吸引子运动中得到有效的周期信号，并使之进行周期运动，也就能有效的解决混沌现象。选定的的参数应该是易于操作的，本文选定为频率，即使得驱动高压钠灯的频率有微小的变化，就可以避免声谐振现象，同时这个扰动应该非常小，才能保证输出的稳定性。

如图9所示的声谐振混沌抑制电路，使用INA105构成精密加法器电路，1、3脚分别引入两个输入信号V1、V2，则6脚输出。V1为微扰信号，V2接入7.5V的直流电压。将运放的第6脚接入CD4046的电压控制端9脚，由于定时电容C1固定，则CD4046的输出振荡频率仅由微扰信号V2和滑动变阻器决定。

远程控制模块如图10所示，本设计的远程控制的通信方式主要采用I2C通信。I2C是两线式串行总线，用于连接STM32与上位机。I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。

点火检测流程：

由于高压钠灯驱动电路点火之前存在不确定性，需远程对其进行检测，以防止高压钠灯及驱动电路受到损坏。

如图11所示，驱动电路接入交流市电，STM32系统进入初始化状态后，设备电路就处于检测状态中。先启动点火电路，延时一段时间后进入ADC采样，对特定位置的电压电流进行检测并显示。再将检测到的五十组数据进行排序并去掉错误数据，把剩下的数据求和取平均，最后所得结果转化成功率，利用单片机判断功率是否正常。若显示不正常，则点亮红灯，提醒相关人员设备电路出现故障需紧急处理，并关闭点火电路；若显示正常，则点亮绿灯，驱动电路进入模式选择阶段。

亮度检测流程：

为使高压钠驱动电路能根据环境因素，智能调节灯的亮度，需在调光之前进行亮度检测。如图12所示，由光敏电阻随环境光线不同，呈现不同阻值特点，设计光敏电阻组成的采光器，即亮度检测。单片机上电后，先运行亮度检测程序，读取所预留的亮度阈值，然后把光敏电阻阻值转化而来的亮度值与阈值相比较，若大于阈值，则表明亮度足够，不需要点亮高压钠灯；若小于阈值，说明环境偏暗，需点亮高压钠灯。

梯度调光模式流程：

梯度调光有两种不同的控制方式，按键控制模式和智能控制模式。

按键控制式梯度调光流程图如图13所示。高压钠灯状态的改变都需要按键确认，如是否启动高压钠灯及按键式梯度调光。智能控制式梯度调光流程图如图14所示，是否启动高压钠灯由ADC的亮度检测控制，高压钠灯状态的改变由RTC计时控制，当计时满6h时，自动进行计时式梯度调光，半小时后自动结束减小功率，此时高压钠灯的功率为正常值的一半，当钠灯满功率是250W时即有125W。

热保护检测程序流程：

热保护检测流程图如图15所示。因高压钠灯特性所致，高压钠灯在关闭或熄灭后，必须等灯管足够冷却后，才能再次点亮。高压钠灯的寿命还与灯的开关次数有关，每开关一次大概灯的寿命减少3小时，因此热保护检测程序对于保护灯寿命是十分有必要的。

以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (2)

1.一种大功率可远程控制可调光高压钠灯驱动器，包含滤波整流电路、有源功率因数校正电路、HID小信号处理及保护电路、远程控制模块、半桥逆变电路和脉冲点火电路，其特征在于，所述滤波整流电路的输入端连接220V市电，滤波整流电路的输出端连接有源功率因数校正电路，有源功率因数校正电路还连接半桥逆变电路，半桥逆变电路还分别连接HID灯和HID小信号处理及保护电路，HID灯还分别连接HID小信号处理及保护电路和脉冲点火电路。

2.根据权利要求1所述的一种大功率可远程控制可调光高压钠灯驱动器，其特征在于，所述HID小信号处理及保护电路还分别连接脉冲点火电路和远程控制模块。