2022年镇流器基本原理 .pdf

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1、镇流器是光照明系统中的一个重要的元件, 要更好的了解它的工作原理,我们需要先了解荧光灯的工作原理. 1. 荧光灯的工作原理. 1.1 发光原理通电后 ,荧光灯就能发出光,那么光是怎么产生的呢? 光是通过原子来发射出来的 ,如图 1 所示 :1.微粒与原子撞击,激发原子 . 2.原子中的电子在撞击中接收到能量,从原来的低能量轨道旋转跳到高能量轨道 . 3.因为受到原子核的吸引,受激发的电子又跳回原来的低能量轨道, 这个时候它会释放能量,这种能量以光子形式释放出来. 1.2 荧光灯的结构基本的光照明系统如图2 所示 : 荧光 灯是 一种 气体 放电 灯 . 它有一 对电 极 (electrode)

2、, 分别在灯管的 两端 . 在灯 管里 还有 微量 的液 态水 银（mercury）和低压气体 (通常是氩气insert gas). 灯管的内表面有磷(phosphor), 它是用来把紫外线转换成可见光的. 电极做成灯丝的样子, 在启动过程中会对它进行预热(预热启动荧光灯), 这样它就更容易发射出电子,以降低启动电压 . 启动后灯丝依旧保持高温,以发射电子 . 图 3 是荧光灯内部结构: 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 12 页 - - - - - - -

3、 - - 1.3 荧光灯的启动过程Step 1( 图4): 1.对荧光灯通电, 灯丝预热 ,灯丝里的自由电子(E)发射到灯管里面,电离气体 . 2.电子流通过电离的气体, 电子和离子快速的从灯管里的一端移动到另外一端. 3.电子流的能量把水银从液体转换成气体. Step 2( 图5): 1. 快速移动的微粒 (电子和离子 )与气态的水银原子撞击 , 激发水银原子. 2. 在被激发的原子里 ,电子从原来的低能量轨道旋转跳到高能量轨道.3.因为受到原子核的吸引,受激发的电子又跳回原来的低能量轨道, 这个时候它会释放能量,这种能量以光子形式释放出来. 但是这种光不是可见光,而是紫外线 . Step

4、3( 图6):1. 释放出来的紫外线光子撞击灯管内表面的磷. 2. 而磷原子在撞击中接受到能量,里面的电子从原来的低能量轨道旋转跳到高能量轨道 .3. 因为受到原子核的吸引,受激发的电子又跳回原来的低能量轨道, 这个时候它会释放能量,这种能量以光子形式释放出来. 这种光就是可见光.下图 7 展示了整个荧光灯的启动过程: 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 12 页 - - - - - - - - - 1.4 镇流器的作用在灯没有启动的时候,没有电流直接从灯丝的

5、一端流到另外的一端, 灯的等效电阻接近无限大。当有电压加到灯的一对电极上，如果电压达到Vstrike，气体混合物就会被高度电离，电极就会弧光放电。灯的这种电阻特性可以用下图8表示。Vstrike 的典型值是 500V 1200V，当灯启动后，灯的阻值就会变小，电压下降到正常工作值Vom，Vom的大小与灯管的特性有关。Vnom的典型值是40V 110V。镇流器就是用来满足灯的这种特殊的I/V 特性的：1 预热灯丝，让它能够容易地发射电子。2在启动的时候提供足够大的电压。3启动后把电流限制在一个合适的值。另外还要提供安全保护，和灯的亮度调节，但是这些都是可选电路，非必要的。2镇流器的原理2.1镇流

6、器的种类主要有 2种镇流器：电感式镇流器，电子式镇流器。2.1.1电感式镇流器有几种线频率不同的电感式镇流器，目前最常用的是供电压为230V，带有传统式启动开关（Switch starter ）的电感式镇流器 . 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 12 页 - - - - - - - - - 启动开关被大范围的使用，因为它简单，成本低，并且与其他方式比较，它的效率更高。当通电后，灯不会马上启动，所以电流流经电感（choke ）,灯丝，启动器。启动器（启辉器）

7、有2片弹性金属片，封装在装有氖气（或者氩气）的管里面。启动时，线电压在促使启动器里的2片弹性金属片电弧放电，加热金属片，使它们接触，电流就可以顺利流过。其后，因为在启动器里已经不再放电，弹性金属片冷却，又再断开。线路中的电感阻止电流的减少，这个时候就会在灯的两端产生很高的电压，使得灯导通。因为启动器是没有与电源的频率同步的，电源是正弦波，所以在启动器断开时，电源的电压不一定达到了最大值，电感产生的电压就不一定大到足够导通灯管。这个时候启动器又会继续如上所述的那样那样工作，一直到灯管导通。灯一旦导通，电感就会控制流经灯的电压和电流在一个合适的值。流经灯的电流足够大，以维持灯丝在高温，而不需要另外

8、的加热设备。因为灯导通后的电压会降低很多，所以正常工作后的电压不足以让启动器再次导通，它依旧保持断路。2.1.2 电子镇流器电子镇流器已经开始使用了十多年了,它以省电和优秀的性能取代了电感镇流器. 2.1.2.1 电子镇流器的优点提高灯的亮度如果工作频率从50HZ 上升到听力范围外的20KHZ, 以同样的输入功率,灯的亮度就会上升10%.如下图所示 : 消除闪烁工作在 50/60HZ 的荧光灯在电源的每个周期里会闪烁两次,因为电源电压的波形是正弦波,每个周期里会有两次通名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理

9、 - - - - - - - 第 4 页，共 12 页 - - - - - - - - - 过0. 这样就会产生100/120HZ明显的闪烁 ,影响人的视觉效果,还有会导致频闪观测仪等设备的误操作. 如果灯在高频率下工作,那么它就能产生连续的光.这是因为当时间常数某个值时,放电速度就会很慢, 在一个周期里它就没有机会灭. 噪音消除因为电子镇流器工作在人的听力范围外,所以人们就不用忍受电感镇流器带来的噪音污染. 为什么有噪音呢?噪音是由电感里的迭片和线圈的振动导致的.封装后的镇流器会因为外壳跟随振动而增加噪音. 电子镇流器还有其他优点,比如消耗的功率低,具有更长的寿命,可以遥控和紧密轻便. 2.

10、2 电子镇流器方块图电子镇流器主要由以下部分组成: EMI(electric magnetic interference电磁干扰 ) 滤波 , Rectifier 整流 , PFC(power factor correction ) 功率因素校正 , inverter 转换器 (DC-AC), 输出部分 ,保护电路 . 2.3 EMI 滤波电源线噪声是电网中各种用电设备产生的电磁骚扰沿着电源线传播所造成的。电源线噪声分为两大类：共模干扰、差模干扰。共模干扰（Common-mode Interference）定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差；差模干扰（ Differential-

11、mode Interference）定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差。任何电源线上传导干扰信号，均可用差模和共模信号来表示。差模干扰在两导线之间传输，属于对称性干扰；共模干扰在导线与地（机壳）之间传输，属于非对称性干扰。对于差模干扰可以在电源线一侧接上一个滤波器来消除.如下图所示 : 要抑制共模干扰,需要在两条线路上都安装滤波器: 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 12 页 - - - - - - - - - 上图的两种共模干扰抑制方案采用了以下

12、的方法: 1.通过在信号线侧和地线侧安装电感来消除干扰. 2.金属外壳通过电容与信号线连接,所以干扰最终会返回干扰源: 信号线 /地线电容金属外壳旁路电容干扰源 . 2.3.1 通过共模电感 (Common mode choke)抑制干扰 .对于差模电流(信号 )来说 , 共模电感相当于普通的电线,但是对共模电流 (干扰 )来说 ,它就相当于一个电感.如图14所示. (1) 对共模干扰的抑制因为由共模干扰产生的磁通量是不断累积的,所以会产生大的电阻,所以它相当于一个电感来工作.才用共模电感很容易就能对共模干扰产生很大的电阻, 对噪音进行抑制 . (2) 对差模信号的影响因为流过信号线和电线的电

13、流方向是不同的,所以它们产生的磁通方向也不同,于是就是互相抵消, 相当于普通的电线 . 图15上的是在镇流器上常用的EMI 滤波器 . 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 12 页 - - - - - - - - - 2.4 PFC功率因素校正2.4.1 为什么要 PFC(Power factor correction) 呢? 所有的电子镇流器的整流电路后面都跟着一个大电容,因为这个大电容的存在,只有整流后的瞬间电压大于电容电压时 ,才会有电流从电源流进来.因

14、此 ,功率因素 (PF: power factor) cos就会很低 ,一般为 0.5左右,并且谐波含量THD 很高. 欧洲法规 EEC555-2规定了最小的cos 和最大的谐波含量 THD 值, 所有连接到供电电源的设备都必须满足这些要求 . 2.4.1 PFC是如何工作的 ? PF可以定义为实际功率real power和视在功率 apparent power的比值 . real power: 在一个周期内 ,瞬间电压和电流的乘积的平均值. apparent power:电流有效值和电压有效值的乘积. 如果电压和电流是同相并且都是正弦,那么功率因素为1.如果都是正弦 ,但是不同相位,那么功率

15、因素就是它们的余弦值 .很多时候这个都被看成是功率因素的定义。但是实际上，它只适用于某些特别的情况，比如：电压和电流都是纯正弦，这种电路是由电阻性，电容性，电感性的元件组成，并且它们都是线性的（电压和电流不会改变）。对于电源来说，开光电源（Switched-mode power）设备的电路是非线性阻抗，它们的输入电路一般包含了半波或者是全波整流器，整流器的后面又跟着一个储能电容，图16就反映了这种情况：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 12 页 - - -

16、- - - - - - 需要注意的是:电压和电流相位是几乎完全相同的，只不过电流的波形严重变形。如果采用相位余弦值的定义，那么它的功率因素就是1，但是这是错误的结论。图17显示的是电流波形的谐波含量。基波（在本例中频率为60HZ ）的振幅为 100%, 其他高阶谐波的幅值大小以于基波的比率表现出来。可以看到，偶数次谐波基本是没有的，这是因为波形是对称的。实际的功率因素大约为0.6。为了比较，图 18上的是已经经过功率因素调整后的电压电流曲线，可以看到，两条曲线基本上是一样的，波形一样，相位一样。请注意，输入的电流谐波基本为0。2.4.3功率因素校正VS 谐波减少从上面的说明可以看到，高的功率因

17、素一般伴随着低的谐波含量。虽然它们之间没有直接的关系，但是下面的公式会说明谐波和功率因素的关系。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 12 页 - - - - - - - - - Kd表示失真度，它可以表示为：就像上面说的一样，电流的正弦波形很好，但是它的功率因素却很低，这是因为，它于电压的相位不一致。所以，当输入电流的基波相位与电压一致时，即：K = 1，那么：如果 THD 为 10，那么对应的功率因素就会达到0.995 。很明显，只要对谐波设定一个范围，那么

18、就可以有效的控制输入电流不受影响，同时可以使设备消耗的功率降低，和减少干扰。而功率因素校正的目的就使这个。国际上测量功率因素是否达标，使通过测试谐波含量的。对于镇流器，一个整流电路的后面都会跟着一个大电容。在这种情况下，没有PFC 电路，电流和电压的波形如图19所示。电流严重失真，在一个周期内，电流只有10 20的时间内导通。这导致高谐波含量和低的功率因素。有2种基本的 PFC 电路，无源功率因素校正Active Power Factor Correction电路，有源功率因素校正Active Power Factor Correction电路。无源 PFC ， 成本低， 但是效率不高， 一般

19、功率因素cos为0.80. 有源 PFC 是最流行的 PFC ，它可以到达很高的cos值和很低的 THD ，但是它的成本相应的也比较高。2.4.4 无源功率因素校正Active Power Factor Correction图20 上的是目前流行的PPFC 电路，由电容C1,C2, 二极管 VD5,VD6,VD7组成。图 21上的是相应的电压和电流波形。t0t1: VD1,VD2打开， AC 输入电流通过C1-VD6-C2.因为时间常数很小，所以 C1,C2 很快就冲电到 1/2 AC的峰值电压。同时经整流后的AC输入也向负载供电。t1t2: Vm/2 VD VD, VD1,VD2 关闭， C

20、1通过二极管 VD5 放电，C2通过二极管 VD7 放电。t3t6的情况如 t0t3的情况类似。这种电路能够获得比较好的功率因素（0.90）,这个电路的主要缺点是有50的纹波电压，波峰因素超过了 2.1。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 12 页 - - - - - - - - - 以下的是另外两种PPFC 电路，电容 C1不是直接从整流后的AC 输入中获取充电电流，而是经过了C2或者 L1。但是基本原理还是一致的，波形也类似，如图22所示。名师资料总结 -

21、 - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 12 页 - - - - - - - - - 2.4.5 有源功率因素校正Active Power Factor Correction 临界导通模式或者传统模式控制器在照明系统或者低功率设备里很流行，这种控制方法很简单并且成本不高。图24是典型的电路：电路详细解析请看中的第 173-185页。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 12 页 - - - - - - - - - 25 DC-AC 转换器请看 中的第 58-77页。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 12 页 - - - - - - - - -