金卤灯电子镇流器在舞台灯光中的应用

2011-10-28
Source:本站原创
Author:彩熠  Hits:

Schematic

高强度气体放电灯(HID)具有光效高、显色性好、长寿命等优点,在舞台照明中得到了广泛的应用。特别是金属卤化物灯同时具备上述优点,是舞台照明中最理想的应用光源。新型、节能、高效的光源需要高效率的电子镇流器来驱动。而在我国,舞台照明中很大一部分依然采用功率因数较低电感式镇流器。高功率因数的电子镇流器对节约用电和改善用电环境具有重要的意义。而今,全球范围内都在提倡“绿色照明”,为此彩熠公司正积极开展新型的电子镇流器的研究,现在我们已有多款灯具装备了新型的电子镇流器投入市场。

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彩熠公司自2003年开始电子镇流器的研究,现已开发出基本囊括金卤灯电子镇流器全系列的产品,包括575W/700W/1200W/1500W/2500W。我们灯具装备的电子镇流器功率因数达0.98,总谐波畸变THD≤20%,调光电流100%-70%,极大地减少了电流的高次谐波、消除了无功损耗、减少了电磁干扰(EMI),加入了调光控制在灯具光闸闭光时,使灯泡功率自动衰减到70%从而更加节能。下面以CY-ELP700为例全面阐述金卤灯电子镇流器的工作原理。

电子镇流器的应用优势。与传统的电感式(亦称电磁式)相比具有以下优势:

  1. 节能效果明显,主要表现在以下方面。
  1. 增加光输出,提高灯光效。HID灯光效的许多因数是由设计者和制造者决定的,用户无法控制。但HID灯的发光效率受供电频率的影响,频率越高、发光相应会提高,而该因数是可以控制的。为了避免声谐振,HID电子镇流器逆变的工作频率为200HZ,远高于工频电压50 HZ
  2. 自身功耗低。主电路采用开关电路、PWM控制模式,大幅度降低了自身的功率损耗 。
  3. 具有高的功率因数。电感式的一般只有0.5-0.6,而电子镇流器的功率因数高达0.98。线路功率因数的提高,在同样发电和变电设备的情况下,能够有效地供电能力和电源利用率,改善供电质量,节约大量的电能。
  1. 体积小、重量轻、无闪烁、无噪声。在工频条件下使用的电感式镇流器,体积大而笨重,要消耗大量的钢材和铜材。而且会使灯产生频闪现象,还会发出电流声。电子镇流器输出工作为200HZ方波,消除了噪声和灯闪烁现象。
  2. 宽工作电压。工作电压范围为AC85V-265V。

     金属卤化物灯启动过程和发光原理:

金属卤化物灯的启动过程包括四个阶段:气体电离阶段(也称离子放电)、辉光放电阶段、辉光放电向弧光放电阶段及弧光放电维持升压阶段,启动过程如图所示:

 

发光原理:灯点亮后,放电产生的热量加热了泡壳,随着在管壁的金属卤化物从管壁处蒸发,然后向电弧中心扩散,当金属卤化物分子扩散进入高温电弧中心后,卤化物分子在电弧的高温下分解成金属原子和卤素原子,金属原子在电弧中心受激发而发出该金属的特征光谱,另一方面,电弧中心的金属原子和卤素原子也向管壁扩散,而管壁温度低于电弧中心温度,当金属原子和卤素原子在比较冷的管壁区域相遇时,它们将再次合成卤化物,就这样在灯内卤化物循环过程中,不断地向电弧提供金属蒸汽。

CY-ELP700是我公司一款700W电子镇流器,输入电压AC85-265V,最大输出功率800W。其主电路包括:APFC电路(boost变换器)、buck变换电路(DC/DC变换)和全桥逆变电路,电路拓补结构如下:

第一级APFC主电路:

 

APFC采用的是fairchild公司的ML4800CS芯片控制,可以获得接近于1的功率因数,它将交流输入通过整流后的电压转变为DC380V输出,作为下一级BUCK电路的输入,APFC电路工作与CCM模式,这样就大大简化了输入滤波器的设计。控制方式采用平均电流控制模式电路的基本工作原理如下:

Q1导通时,D1截止,输入电压全部加到储能电感L1两端,电感电流呈线性增加,并以磁能的形式储存在电感中,同时电容C3向负载放电。Q1截止,储能电感L1的电流不能突变,产生与输入电压极性相反感应电动势使D正向偏置而导通,电感L的储能通过D释放对电容C3充电。由于Q1、D1的交替导通,当开关管导通期间(TON)储能电感增加的电流值等于开关管截止期间(TOFF)储能电感L中减少的电流值,达到动态平衡,给负载提供一个稳定的输出电压,使整流器的输出电流经电感L连续,这样输入电流也连续。

所以,(UI/L)* TON=(UO/L)* TOFF

即:UO=(TON/ TOFF)* UI=(D/1-D)* UI

D是开关管控制波形的占空比,因为D总是小于1,所以输出电压UO总是大于输入电压UI,通过控制占空比D,将输出电压稳定在380V。

R1取样输入电压,保证通过电压的电流跟随输入电压按正弦规律变化、通过L1的高频电流包络正比于输入电压,其平均电流呈正弦波形,而使输入电流呈正弦波形。R2取样输出电压,稳定输出电压。

第二级BUCK变换电路和DC/AC逆变输出电路

 

BUCK变换电路控制部分与PFC控制集成在同一芯片ML4800CS内,它采用的是电流控制模式的后沿PWM调制技术。电路的基本工作原理是:

Q1导通时,D1截止,加到储能电感L1两端的电压为UI-UO,电感电流呈线性增加,并以磁能的形式储存在电感中,同时电容C1向负载放电。Q截止,储能电感L的电流不能突变,产生与原来电压极性相反感应电动势使D正向偏置而导通,电感L的储能通过D1释放对电容C1充电,电感L的电流随时间呈线形下降。由于Q1、D1的交替导通,当开关管导通期间(TON)储能电感增加的电流值等于开关管截止期间(TOFF)储能电感L1中减少的电流值,达到动态平衡,保证储能电感L1中一直有能量,源源不断地向负载提供能量,给负载提供一个稳定的输出电压。输入和输出存在以下关系:

(UI- UO /L)* TON=(UO/L)* TOFF

即:UO=[TON/(TON +TOFF)]* UI=D* UI

因为D总是小于1,所以输出电压UO总是小于输入电压UI,通过控制占空比D,将输出电压稳定在灯管的工作电压范围内。

DC/AC逆变输出电路采用的是全桥逆变电路,由4个IGBT组成。由于金卤灯在高频工作时有声谐振问题,会导致弧光不稳定、色温的变化、甚至熄弧,声谐振的频段在几KHZ-1MHZ。克服声谐振的方法主要有:使灯泡工作在甚高频,超出声谐振的频率范围,但由于开关损耗与开关频率成正比,散热和EMI问题将成为主要问题;或者使灯泡工作在调频状态,使得声谐振不可能形成,但各个厂家生产的灯泡在外形上不太一样,无声谐振的频带也不一样,所以比较困难。在我们的镇流器采用的是让灯泡工作在200HZ低频方波,同样也避开声谐振区,而且频率越低,开关管的损耗也会越小。200HZ大于人眼的敏感频率,不会有闪烁现象。

全桥逆变控制采用单片机控制,如下图。

 

主控制芯片为microchip公司的PIC16F818。其电路的工作原理如下:

单片机取内部振荡,程序初始化后,首先检测RB5是否由低电平变为高电平,如果RB5变为高电平,单片机就启动输出:RB0和RB1分别输出200HZ倒相的两列方波,通过IR2153又一分为二驱动逆变部分的Q1-Q4四个IGBT;RB6输出高电平启动U4指示工作信号。RB4是功率衰减控制,RB4为高电平时,满功率输出,当RB4为第电平时,启动RB3的PWM输出,经过放大、低频滤波后,经加法电路接到MS4800CS的反馈输入端,控制BUCK电路的占空比,调节输出电流,达到功率衰减控制功能。RA0是过压检测,当输出电压超过设定电压时,就会切断单片机的所有输出。过压保护的阀值电压可以根据灯泡电压设定,这样可以过压冲击损坏灯泡。还有灯泡老化,灯管压降升高,这样我们又可以防止灯泡过度使用而爆炸。

结论:高效、节能的灯具是舞台照明的应用的趋势,金卤灯光源又是舞台灯光的主要应用光源。金卤灯用新型高效的电子镇流器来驱动势在必行。

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