高频电子荧光灯的频率匹配

高频电子荧光灯的频率匹配作者：茆学华摘要：荧光灯管与高频电子镇流器的非阻抗匹配性质，导致在负载灯管一端引入电感电容，使之与电子镇流器与之阻抗匹配，由于电感电容的振荡特性，使电子镇流器与灯管、电容电感的阻抗匹配有明显不同，电感电容的振荡频率与电子镇流器的振荡频率必须相匹配，否则会引起开关管工作波形异常，影响电子镇流期工作寿命。关键词：镇流器、灯管、频率匹配第一章：频率匹配理论依据ƒ1、概念：1.阻抗匹配，节能灯也遵守电源与负载阻杭相匹配原理。ƒ2.高频电子节能灯负载又有特殊性：a.负阻特性b.启动之前短路特性。C.与电源不匹配，需加电感与电容，使之与电源进行阻抗匹配。d.加了电感、电容，就有振荡频率产生。ƒ3.灯管的热阴极特点，需进行预热，需减少电子粉损失，才能达到长寿命。ƒ4.灯管启动时，如不预热而进行冷启动，导致启动电压高，引起阴极螺旋之间横向打火，造成电子粉烧伤溅射。ƒ5.灯管工作时，如阴极之间电压大于8-10V以上，在1000℃工作温度下，引起阴极螺旋之间横向打火，造成电子粉烧伤蒸发。ƒ6.节能灯管与镇流器匹配，就围绕着灯管＋电感＋电容混合负载的特性设计。1.阻抗1）阻抗的定义图1所示的无源线性一端口网络，当它在角频率为的正弦电源激励下处于稳定状态时，端口的电压相量和电流相量的比值定义为该一端口的阻抗Z。即单位：Ω上式称为复数形式的欧姆定律，其中称为阻抗模，称为阻抗角。由于Z为复数，也称为复阻抗，这样图1所示的无源一端口网络可以用图2所示的等效电路表示，所以Z也称为一端口网络的等效阻抗或输入阻抗。。图1无源线性一端口网络图2等效电路RLC串联电路的阻抗，R相当于灯管，L相当于谐振电感，C相当个谐振电容。当它在角频率为的正弦电源(相当于电子镇流器提供的高频电源)激励下：图3RLC串联电路图4阻抗三角形由KVL得：因此，等效阻抗为其中R—等效电阻(阻抗的实部)；X—等效电抗(阻抗的虚部)；Z、R和X之间的转换关系为：或可以用图4所示的阻抗三角形表示。结论：对于RLC串联电路：（1）当ωL＞1/ωC时，有X＞0，φz＞0，表现为电压领先电流，称电路为感性电路，其相量图（以电流为参考相量）和等效电路如图5所示；图5ωL＞1/ωC时的相量图和等效电路（2）对于RLC串联电路当ωL＜1/ωC时，有X＜0，φz＜0，表现为电流领先电压，称电路为容性电路，其相量图（以电流为参考相量）和等效电路如图6所示；图6ωL＜1/ωC时的相量图和等效电路（3）当ωL＝1/ωC时，有X＝0，φz＝0，表现为电压和电流同相位，此时电路发生了串联谐振，电路呈现电阻性，其相量图（以电流为参考相量）和等效电路如图7所示；图7ωL＝1/ωC时的相量图和等效电路（4）RLC串联电路的电压UR、UX、U构成电压三角形，它和阻抗三角形相似,满足：注：从以上相量图可以看出，正弦交流RLC串联电路中，会出现分电压大于总电压的现象。2.导纳1）导纳的定义图1所示的无源线性一端口网络，当它在角频率为的正弦电源激励下处于稳定状态时，端口的电流相量和电压相量的比值定义为该一端口的导纳Y。即单位：S上式仍为复数形式的欧姆定律，其中称为导纳模，称为导纳角。由于Y为复数，称为复导纳，这样图1所示的无源一端口网络可以用图8所示的等效电路表示，所以Y也称为一端口网络的等效导纳或输入导纳。图8无源线性一端口网络等效导纳2）RLC并联电路的导纳图9RLC并联电路图10导纳三角形由KCL得：因此，等效导纳为其中G—等效电导(导纳的实部)；B—等效电纳(导纳的虚部)；Y、G和B之间的转换关系为：或可以用图10所示的导纳三角形表示。结论：对于RLC并联电路：（1）当ωL＞1/ωC时，有B＞0，φy＞0，表现为电流超前电压，称电路为容性电路，其相量图（以电压为参考相量）和等效电路如图11所示；图11ωL＞1/ωC时的相量图和等效电路（2）当ωL＜1/ωC时，有B＜0，φy＜0，表现为电压超前电流，称电路为感性电路，其相量图（以电压为参考相量）和等效电路如图12所示；图12ωL＜1/ωC时的相量图和等效电路（3）当ωL=1/ωC时，有X＝0，φz＝0，表现为电压和电流同相位，此时电路发生了并联谐振，电路呈现电阻性，其相量图（以电流为参考相量）和等效电路如图13所示图13ωL=1/ωC时的相量图和等效电路（4）RLC并联电路的电流IR、IX、I构成电流三角形，它和阻抗三角形相似。满足注：从以上相量图可以看出，正弦交流RLC并联电路中，会出现分电流大于总电流的现象。3.复阻抗和复导纳的等效互换同一个两端口电路阻抗和导纳可以互换，互换的条件为：即：图14串联电路和其等效的并联电路如图14的串联电路，它的阻抗为：其等效并联电路的导纳为：即等效电导和电纳为：同理，对并联电路，它的导纳为其等效串联电路的阻抗为：即等效电阻和电抗为：以上是论述了灯管＋谐振电感＋谐振电容组成的综合负载在电子镇流器高频电源激励下的电路的容性、感性、阻性变化的规律。当灯管＋谐振电感＋谐振电容振荡频率大于电子镇流器激励频率时，电路呈容性。当灯管＋谐振电感＋谐振电容振荡频率等于电子镇流器激励频率时，电路呈阻性。当灯管＋谐振电感＋谐振电容振荡频率小于电子镇流器激励频率时，电路呈感性。那么，当电路的容性、感性、阻性变化时，对电子镇流器的开关电源中，开关管的工作波形有什么影响呢？图15荧光灯半桥电路原理图首先看当电路呈阻性或弱感性时，晶体管的工作波形(图16)：图16集电极电流波形这是双极性三级管基级比较理想的工作波形。图16三极管EB正常结电压波形图17红色IB、兰色VCE波形*13003D的作用明显图18三极管的工作波形图19驱动变压器初级电压电流和次级电压图20驱动变压器初级和次级电压电流1、负载的频率匹配问题负载的频率匹配问题，是被国内工程师忽视的一个重要问题。说到忽视，是因为在国内没有见过这方面的书籍或有关介绍，与许多照明工程师朋友在一起交谈时，多数人不知道电子镇流器的开关电路与负载之间还需要频率匹配。电子镇流器的工作电路中存在两种振荡频率：一种是我们前面提到的开关电路的振荡频率（简称工作频率）；另一种R灯管、限流电感（L）和启动电容（C）之间的谐振频率（简称谐振频率）。由于谐振电路是开关电路的负载，因此，工作频率与谐振频率之间存在以下三种关系：1)工作频率大于谐振频率时，开关电路的负载呈感性：电子镇流器的负载呈弱感性时是昀佳工作状态，也就是说工作频率稍快于谐振频率时是昀佳工作状态。特别是使用场效应管做开关的电路，由于场效应管本身带有反向并联的阻尼二极管，可以有效抑制弱感性负载产生的浪涌电压；对于使用双极性三极管的电路，昀好在三极管的集电极和发射极之间反向并联二极管。但是，在负载感性过大时，三极管关断时需要承受很大的浪涌电压冲击，会导致器件应力变差，容易损坏。2)工作频率等于谐振频率时，开关电路的负载呈阻性：大家往往都认为电子镇流器的负载呈阻性时，工作频率与谐振频率相等，L的感抗与C的容抗相等，此时会出现谐振电压非常高的现象。实际上，L的铜阻、磁阻，C上的损耗，灯管并联的因素，电路中其他元器件造成的损耗等等，决定了LC的谐振Q值不可能很高。因此，电子镇流器完全可以工作在阻性负载情况下。3)工作频率小于谐振频率时，开关电路的负载呈容性：容性负载对于电子镇流器开关电路来讲危害是昀大的（致命的）！图21a是开关电路的负载呈容性时场效应管的栅极驱动波形，在波形的上升沿有一个明显的锯齿波；图21b和图21c是开关电路的负载呈容性时双极性三极管的基极驱动波形，图21b波形的上升沿有一个明显的锯齿波；图21c波形则产生了很严重的波形断裂，相当于开关了两次。这些波形都说明电子镇流器开关电路是工作在硬开关状态，此时的开关管功耗加大，稳升加剧，应力变差，非常容易损坏。目前，许多进口高档驱动芯片都设置有负载属性的检测功能，一旦检测到负载为容性时会自动加大工作频率。另外，对于不同型号的开关管来讲，由于结电容不同，容性负载对于驱动波形的影响程度也有所不同，一般情况下，结电容小的开关管所受影响也较小。图22灯启辉时三极管Vce及Ic异常波形„Ic尖峰昀大值已达5A，对应时刻的Vce电压波形其昀大值超过100V，第三个Ic电流尖峰昀大值下面的Vce电压昀大值达到120V以上，三极管因驱动不足脱离饱和区进入放大区，瞬时功率=120V×5A=600W。图22C级(红色)电流波形上的毛刺*线路调整不好会有毛刺*能造成三极管发热*出现“共态导通”的可能性图23C级电流(蓝色)有害的毛刺*如果Ic变正的初相位角≤0°，那么这里Ic会产生一个有害的毛刺。*正确的工作状况，应该是：„电流相位落后于电压相位„滤波器(谐振回路)之操作类似电感性负载„换流器之切换频率高于滤波器之谐振频率„在设计与调整线路时，当磁环或IC驱动正常时，晶体管工作波形基本正常时，如出现VCE下降沿与IC电流交叉出现小三角波时，为电路进入容性，这时，基本的调整方法，遵循＜工作频率等于谐振频率时，开关电路的负载呈阻性：工作频率大于谐振频率时，开关电路的负载呈感性：工作频率小于谐振频率时，开关电路的负载呈容性：的频率匹配原则，增大镇流器中开关管的工作频率或减少负载RLC的工作频率，以达到负载工作频率略小于镇流器开关管的工作频率的昀佳匹配状态。„减小负载LRC的振荡频率方法是：增大电感量或增大电容量。„因灯管R与电感L电容C共同组成一个负载单位，当灯管冷阻、灯管电压、灯管电流以及其它异常时，会引起灯管阻抗、启动特性变化，进而引起与镇流器的阻抗的频率匹配发生变化，导致镇流器损坏，灯管寿命短。因此，灯管的参数必须固化。要求：从镇流器低压工作，到高压工作，从低温到高温，都不能出现以上三种异常工作波形。图24三级管损耗图红色为IC波形，兰色为VCE电压波形，两者交叉部分越大，三级管损耗越大，温度越高。图25图25是一个EB过驱动波形。根据以上分析可以得出一个结论：电子镇流器开关电路的昀佳负载只能是阻性或者弱感性。并且从启动到正常工作的全过程，都要始终保证负载为阻性或者弱感性。第二章频率匹配的具体操作方式匹配的目的：a.使晶体管工作处于安全状态b.使阴极在启动时与工作时不受损伤。今天主要讲怎样在启动时与工作时，使电子粉少受损失。启动过程中怎样减少电子粉溅谢与蒸发？第一节不用预热器件的变频预热启动方法首先弄清以下几个概念：起振电压：将镇流器与灯管接在测试仪上，转动调压器(从0向上调)到仪器上看到有电流出现时的电压，也表示镇流器开始工作时电压。启辉电压：继续转动调压器，到灯管完全亮的电压。昀低预热电压，时间为50V：也就是从镇流器起振到灯管完全亮，昀少有50V的电压间隔，就能有效实现预热。50v为时间步长概念。ƒ为什么叫变频预热呢？ƒ因为镇流器与灯管阻抗不匹配，在负载中加入L(电感)C(电容)，形成振荡频率，洲然对电子镇流器的工作点产生实质性响应，因此节能灯的匹配，应该叫频率匹配。ƒ当镇流器电源频率与LCR频率相等时，电路呈阻性特点。能实现昀快速启动。ƒ当镇流器电源频率小于LCR频率时，电路呈容性，炸三级管。ƒ当镇流器电源频率大于LCR频率时，电路呈感性，因而略有阻抗略失配，导致有一段失谐过程，灯管启动有延时，这一延时，就是对阴级加电流，预热的一段时间。ƒ不用预热元件的变频预热方法，就是利用这一特点，使LCR工作频率略低于电源工作频率，将谐振时间延长，使灯丝上有电流流过，灯管却不启动，达到预热的目的。ƒIC芯片镇流器也是利用此原理预热的。ƒ调试技巧：起振电压应尽量在DB3触发时起振，易控制预热电压时间；启辉电压220V时控制在120V以下，就可以控制灯丝工作电流不超标；预热电压时间大于50V，预热时间越充分，开关寿命越长。因预热时间不能向预热器件那样可控，预热时间较短，同样该方式不能缩小辉光放电时间，灯管开关寿命不能延长到几万次，只能在10000次左右。第二节PTC预热方法PTC预热方法：ƒ1.未加ptc预热电压的选择:为防止预热灯丝电流过大、预热失效，未加PTC时预热电压选择是重中之重。一般选择50V灯管就须