高频无极灯高频电源的研究

2011-05-05

高频无极灯是集电子技术、真空科学、功率电学、等离子体科学、磁性材料科学等领域综合应用的高新技术产品，又称电子灯泡。灯泡内没有灯丝或电极，已成为“绿色照明”领域的一枝新秀。在电气设计上，采用有源功率因数补偿，在电源电压大范围波动下恒压供电，输出稳定的光通量。输入端净化电路和防辐射，使电磁干扰EMC完全符合国家检测标准。

　　1　高频无极灯的结构

　　高频无极放电灯的结构如图1所示，由高频发生器1、耦合器2、灯泡3三个部分组成。耦合器装在灯泡内，耦合器通高频过馈线与高频发生器连接。

　　1—高频发生器2—耦合器3—灯泡4—高频馈线

　　图1　高频无极放电灯。

　　2　高频无极灯工作原理

　　如图2所示，高频发生器在电源的作用下转换为直流电，再变换成高频电能，产生一个2165MHz高频正弦电压，并同时产生一个3000V左右的点火电压，经过馈线传送至功率耦合器。当高频电流通过功率耦合器时，产生一个高频电磁场，耦合器装在灯泡内，灯泡内壁和内管外壁涂有三基色荧光粉,功率耦合器在玻璃泡壳内瞬间建立一个高频磁场,在高频磁场的作用下，变化的磁场即产生一个垂直于磁场变化的电场，使灯泡内部放电空间的电子加速，当能量达到一定值时，与玻壳内的气体分子发生碰撞，泡壳内部的惰性气体发生电离并进而产生雪崩效应，气体雪崩电离形成等离子体，灯泡内等离子体受激原子返回基态时，自发辐射出254nm的紫外线并激发灯泡壁上的三基色荧光粉而发出可见光。

　　1—内管外壁荧光粉2—耦合器3—高频磁场4—玻壳内壁

　　荧光粉5—水银原子6—荧光粉7—可见光线8—电子

　　图2　高频无极灯发光原理。

　　3　高频无极灯高频发生器的研究

　　3.1　大功率高频无极灯高频发生器电路

　　大功率高频无极灯的高频发生器为耦合器稳定工作提供电源，图3为无极灯高频发生器主电路图;图4为无极灯高频发生器保护电路图。

　　图3　主电路图。

　　图4　保护部分电路图。

　　3.2　大功率高频无极灯高频发生器工作原理

　　(1) 高频发生器的构成。

　　高频发生器能产生频率2165MHz的电磁波，主要组成包括电源部分(滤波器、整流器) 、振荡器部分、触发开关器件和一些匹配网络电路。耦合器的高频能量来自高频发生器。高频发生器的电路结构决定了振荡源和过滤电路不受输入电源的影响,它的电路结构使得高频发生器的功率因数很高和谐波含量很少。高频发生器有两套屏蔽结构(外壳屏蔽和高频部分单独再屏蔽) ，能抑制内部磁场对外界的干扰，并且能屏蔽外部磁场对电子元件工作状态的干扰。不同功率的高频发生器必须与同功率的灯泡和耦合器配套使用。

　　(2) 高频发生器的工作原理。

　　①电源部分。

　　电源部分是由B112B33、D12D4、Z12Z1和一些电阻、电容组成的三级式电源滤波网络，能抑制电路产生的高频及高频电路产生的高次谐波。一部分电容能把差模干扰噪声旁路掉，一部分电容抑制输电线继发的射频噪声。电感扼流圈能抑制共模噪声。

　　电阻器用来吸收尖峰脉冲过电压，能有效地抑制开机时的浪涌电流。

　　②MC33262控制功能。

　　电源经电源滤波器和整流器得到脉动直流电。

　　电流通过启动电阻R10向C13充电至lOV时，IC 1开始工作。整流后的直流脉动电压在R4 的分压作为取样信号经IC1的③脚输入乘法器。直流输出电压在R8和R9上的分压经①脚输至误差放大器的反相输入端，与215V的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。通过开关管M3的电流在电阻R6上转换为电压信号，输入到IC1的④脚，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脚IC1的④的阀值，从而使M3的峰值电流跟踪输入电压，致使电路的负载呈电阻性。

　　由于MC33262的控制作用，使输入电流紧紧跟随输入电压而变化，呈平滑的正弦波。同时，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输入电压的涨落而变化。

　　③逆变电路。

　　逆变电路是将前级电路输出的高压直流变换为供无极灯使用的高频交流电。

　　接通电源后，前级电路输出的直流电压，通过R13、R14加到电容C25上，C25开始充电。当C25上所充电压达到触发管D82D16的转折电压时，D82D16由关断转为导通状态。积分电容C25所储存的电荷经D82D16加于振荡变压器T3的初级绕组，依靠T3 两个次级绕组使MC1、MC2 获得幅度相等,相位相差180°的驱动信号。在MC2导通时MC1被强迫关断截止; MC1导通时，MC2又被强迫关断截止。

　　逆变器的振荡频率由绕组W21，W22的电感量与场效应管MC1、MC2 的输入电容以及补偿电容C25、C26共同决定，灯回路网络的谐振频率必须与输入回路的谐振频率相同，例如: 谐振频率为2165MHz。还要尽力优化MC1、MC2的驱动信号的幅度和波形，使其自身功耗降到最低。

　　二极管D11有两个作用: 正向时用来泄放C25上的电荷，防止逆变电路因误触发而出现“共同导通”现象，起保护作用; 反向时，利用反向恢复时间的反向电流为振荡变压器输入激励信号。

　　图3中L2、C22、C23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，L2、C22、C23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，C22、C23 上的谐振电压降到灯的工作电压。灯点亮后由L2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。

　　(3) 保护电路。

　　保护电路，如图4所示。

　　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。

　　在异常状态时: 在谐振电容C22、C23 的中点引出异常保护采样电压，保护电路通过两个二极管D51、D54分别对MC2、MC1进行保护。通过电容、二极管(D52、D53) 、电阻整流后成为控制电压,形成延时电路，在C19上得到随时间上升的直流电压，当此电压大于DZ53的稳压值时便被击穿，二极管D51将MC2栅极与地短路，迫使半桥逆变电路停止工作。而在正常状态下，C19上的电压还未上升到DZ1的稳压值，灯就点亮了，灯点亮后谐振电路便失谐，因而DZ51一直处于截止状态。

　　4　高频无极灯耦合器的的研究

　　4.1　高频无极放电灯耦合器的结构

　　高频无极放电灯耦合器的结构，如图5所示。