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可调光技术在荧光灯交流电子镇流器中的设计刹车脚轮

时间:2019年11月08日

目前节能灯是应用最广泛的一种电光源。虽然因半导体照明的异军突起,电子节能灯已不再处于照明领域的技术前沿,但其发展潜力是不容置疑的。在普通照明领域,LED光源在相当长的时间内不可能完全取代节能灯。


面对全球能源短缺的严峻形势,调光技术在照明领域日益引起人们的关注。用户根据实际需要对节能灯进行调光,是一种节能的举措。对节能灯调光,有数种方案可供选择。其中,三端双向晶闸管(Triac)传统调光器,是一种低成本简单模拟调光方案。采用Triac调光器对基于控制IC的电子镇流的节能灯调光,其基本前提是镇流器控制IC必须具备可调光功能。可调光节能灯控制芯片有很多,ST公司生产的L6574就是其中的一种代表性器件。


1、可调光镇流器控制器L6574简介


L6574采用16引脚SO和DIP封装,引脚排列如图1所示。



图1 L6574的引脚排列


表1列示了L6574的各个引脚功能。


表1 L6574的引脚功能


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L6574的工作原理可以用图2来说明。


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图2 L6574工作原理图


L6574上、下两个驱动器指定驱动外接半桥开关(MOSFET)。L6574含有压控振荡器和灯丝预热定时比较器。当IC振荡器启动后,首先输出预热频率fPRE,其值由IC引脚2上的外接电阻RPRE、引脚4上的外接电阻RING和引脚3上的外接电容CF设定,计算公式是:


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灯丝加热时间tPRE由IC引脚1外部接地电容CPRE设定,并可按照(2)式计算:


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预热结束后,频率从fPRE向低处的正常运行频率fING扫描。当频率通过负载LC网络的谐振频率时,在灯电容上产生一个高压脉冲将灯点亮。点灯时间tIGN为预热时间的10%,即:


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灯引燃后,在运行频率fING上工作。fING可以按照(4)式计算:


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L6574含有一个高输入阻抗、宽带、大共模范围和低输出阻抗的运算放大器,用来闭环控制灯光电流,并实现调光功能。


L6574引脚EN1、EN2内部是门限电压为0.6V的比较器,可以识别来自输入端上的小于200ns的短脉冲,对过电压或灯丝熔断、灯未接入起保护作用。当IC引脚EN1出现高电平时,则强制IC进入关闭模式,振荡电路停止振荡。当引脚EN2输入高电平电压时,IC重新进入启动时序。


L6574引脚VS上的导通电压为10.2V,欠电压关闭门限时8V,VS电压被内部稳压二极管箝位在15.6V的电平上。


2、基于L6574的典型可调光镇流器电路


基于L6574的典型58W可调光镇流器半桥逆变器和谐振输出级电路如图3所示。


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图3 基于L6574的58W镇流器电路


根据国际标准IEC61000-3-2要求,由于灯功率>25W,所以必须采用功率因数校正(PFC)。图3电路的前端,是基于L6561的有源PFC升压转换器,为图3所示的镇流器部分提供400V的DC总线电压,并保证系统输入功率因数达0.99,AC输入电流总谐波失真(THD)<10%。


启动电阻R3和R4连接在桥式整流输出端,而不是连接在DC400V的母线上,可以使R3和R4承受较低的电压。IC2启动后,只要半桥开始产生输出,高频电压经C11耦合,VD2整流和C6、C20滤波,加至IC2引脚12,为IC2供电。引脚12上的电压VS被VDZ1箝位在14V。


IC2引脚2上的电位器R14调至最大时的电阻值是4.7kΩ,因此,

RPRE=R13+R14+R15=100kΩ+4.7kΩ+1.5kΩ=106.2kΩ。IC2引脚4上的接地电阻R19=RING=100kΩ,引脚3上的电容C13=CF=470PF,引脚1上的电容C14=CPRE=0.82μF,按照(1)~(4)式计算:


fPRE=60kHz,tPRE=1.2s,tIGN=0.12s,fING≈30kHz。


如果灯管未接入,IC2引脚12上的电压VS经电阻R26和R27加至引脚8(EN1),CMOS比较器将强制IC2进入关闭模式,半桥电路截止。在灯丝预热之后,如果灯不能被点亮,电阻R30上将产生一个额外电压,经VD4整流和C15滤波,加至IC2引脚9(EN2),IC2则重新进入预热和点灯程序。


半桥下面MOSFET源极上连接的R25是电流检测电阻,R25上的电流检测信号经R33加至IC2的引脚6(OPIN_)。IC2的引脚5(OPOUT)与引脚4(RING)之间连接VD3和R18,VD3的作用是防止开关频率低于由R13等设定的频率。在灯点火时,R25上的电压增加,IC2中的运算放大器则开始对灯电流进行闭环控制。调节R14的电阻值,则可以改变开关频率,从而调节灯电流和灯功率,实现调光功能。


3、Triac调光器调光的实现


1)普通电子镇流器利用Triac调光器调光会出现灯闪烁


白炽灯是一种纯正电阻性负载,利用传统Triac调光器对白炽灯进行调光,Triac在AC输入正弦波的任意时刻都能被触发导通,直到正弦电压接近零时才被关断。因此,白炽灯可以实现几乎从0%到100%的平滑调光。


电子镇流器的情况与白炽灯比较是完全不同的,Ttiac调光器连接在桥式整流器(或EMI滤波器)输入端,如图4所示。


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图4 Triac调光器连接在桥式整流器输入端


我们先不考虑调光器接入的情况。由于整流二极管具有单向导电性,只有正向偏置时才会导通。只有在AC输入电压峰值附近,AC电压才会高于储能电容C1上的电压,二极管才会有电流通过。因此,AC输入电流不再呈正弦形状,而是高幅度的尖峰脉冲,如图5所示。在10ms的半周期中,二极管导通时间仅约3ms,对应的导通角仅约60°。


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图5 不考虑调光器时AC输入电压、输入电流和整流滤波输出电压


当将白炽灯使用的调光器连接在电子镇流器输入端(见图4)时,Triac只有在AC输入电压大于平滑电容器C1上的电压时才会被触发导通。这样虽然在一定程度上也能对荧光灯进行调光,但会使灯光闪烁,不能实用。


2)Triac调光解决方案


为了实现采用白炽灯可控硅调光器对电子镇流器的平滑调光,消除灯闪烁,解决方案如图6所示。


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图6 Triac调光解决方案框图


除了对灯电流感测反馈之外,还要对调光器之后的AC输入电压进行感测,并将感测信号输入到L6574的运算放大器的同相端,作为参考控制电压。电压检测电路非常简单,可利用一个电阻分压器采样,然后加一个整流滤波网络。


对调光器之后的电压进行检测,实际上是对调光电位器的旋钮位置(亦即Triac的导通角)进行控制。


为了实现平滑调光,必须对镇流器电路附加一个单级PFC电路。在图6中,C2、C3、VD5、VD6、L2、C3和功率MOSFETVT1、VT2则为单级PFC电路。


为了说明单级功率因数校正(PFC)电路的工作原理,我们假定开关的死区时间(即VT1关断后到VT2导通之间的时间间隔)可以忽略;VT1与VT2的占空比为50%;在一个开关周期内,电容C2和C3上的电压是恒定的。图7给出了一个开关周期中通过电感L2的电流iL2的波形。


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图7 单个开关周期电感L2电流


iL2可以分为4个阶段。


t0~t1:该时段L2充电。在t=t0时,VT1已开通,VT2断开,C2通过VD5、VT1给L2充电,iL2线性增大,在t1时刻,VT1关断,VT2开通,iL2达到正向峰值。


t1放电(电压为UC2-UC1),iL2线性减小。在t2时刻,iL2=0,VDS2截止,VT2开通。


t2

t3


事实上,单级PFC电路是由两个升压电路构成的,iL2双向工作,并且在临界不连续模式操作。加入单级PFC电路后,AC输入电流可连续通过整流器中的二极管,Triac几乎可以在0°~180°的任意时刻上被触发导通,直到AC正弦电压接近零时才被关断,这样就扩大了调光范围。


对于图6所示的电路,如果负载是20W的节能灯,并且AC输入电压范围为180~260VAC,最低开关频率45kHz,L2=L1=2.8mH,C1=10μF,C4=0.1μF,C5=5.6nF,VT1和VT2为STD4NK50型MOSFET,在220V/50Hz下的调光特性如图8所示。



图8 220Vac、50Hz条件下的调光特性


其中,Ton为Triac在AC线路半周期(10ms)内的导通时间,Plamp是实测灯功率。从图8可以看到,随着Triac导通时间的增加,灯功率相应增加,从而使灯亮度增加。反之,Ton越短,灯功率则越小,灯光也就越暗。


图9为AC输入电压和电流波形。由该图可以看出,虽然AC电流在其峰值附近出现了尖峰,但Triac在任意点上都可以导通,在半周期中的整流二极管导通几乎从0°到180°,而未采用单级PFC电路时的导通角仅为60°(见图5),线路功率因数达到0.9以上。当然,加入单级PFC电路的目的最主要的还是使Triac在0°~180°之间的任意点都可以被触发导通。


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图9 输入电压、电流波形


4、结语


L6574是一种可调光荧光灯交流电子镇流器控制器。基于L6574的镇流器,附加一个单级PFC电路,再通过L6574中的运算放大器对输入电压和灯平均电流进行感测,借助于调频和调压双重作用,可以使用传统白炽灯Traic调光器,实现从20%~100%调光,使其在节能方面发挥很大的优势。


本文来自:网络

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