数字式紫外线灯电子镇流器设计

数字式紫外线灯电子镇流器设计

电气工程及自动化学院：王议锋指导教师：徐殿国

摘要：本文从紫外线灯的物理特性入手，完成了一种数字式紫外线灯电子镇流器的设计，经过理论推导和试验分别提出了几种不同的基于LCC串并联谐振电路的启动方式，既保证了在高低温环境下灯管的可靠启动，同时冲击电流很小，不会对灯管造成损害。通过数字滤波子程序实现了性能较好的恒流控制。使得紫外线辐照度有较大程度的提高。最终利用上述理论和试验结果，解决了紫外线灯的可靠启动和异常状态的有效保护问题。

关键词：紫外线灯；电子镇流器；LCC串并联谐振；恒流控制

Abstract：This paper starts from the physical configuration of ultraviolet lamp and gives a design of digital electronics ballasts for ultraviolet lamps. Several igniting methods based on the LCC series and parallel resonant circuits are proposed through the theoretical deduction and experiments, The experimental results indicate that this method can guarantee the reliable igniting of ultraviolet lamps under the high or low temperature, as well as small dash current. Besides, constant-current control mode with good performance is executed on the foundation of digital filter subroutine, which greatly increases the irradiance of ultraviolet lamps. In the end of this paper, the proposed electronic ballast can accomplish the ignition reliably, and can protect the ballast and lamp under abnormal circumstance.

Key words：Ultraviolet lamps Electronic ballast LCC series and parallel resonance Constant-current control mode

1引言

紫外线光源强度不但与紫外线灯管本身质量及温度、湿度有关外，还与镇流器有较大关系。同一支灯管换用电子镇流器时，功耗至少可降低25%，而辐射强度却可提高12%以上，且灯管使用寿命大大延长。但目前国内多数紫外线灯仍然配接传统的电感镇流器，或者采用进口的高成本紫外线灯电子（或电感）镇流器。究其主要原因是国产紫外线灯电子镇流器成本及故障率都较高。

为此，我们试图开发一种以单片机控制为基础的新型75W、165W紫外线灯数字式电子镇流器。主要的研究和设计任务包括：两种瓦数紫外线灯的启动方式、闭环和保护策略、算法的确定，相关程序的编写；数字控制器相关的硬件电路设计；整机PCB板设计和调试。

2镇流器主电路及数字控制器总体方案设计该数字式电子镇流器的基本结构如图1所示，电子镇流器实质上是一种供电电源，由PFC （加EMI）和半桥逆变两个基本功能单元构成，将去掉了电网中可能存在的干扰的电能高频化之后供给灯使用，同时它将负载产生的对电网有害的电流谐波成分滤除。逆变电路使电路工作在高频，LCC负载匹配网络实现镇流器的启动和限流等基本功能。气体放电灯在高频下特性类似电阻，此时灯的启动电压下降，同时灯的发光效率有很大的提高。

另外，由于使用数字控制器，该镇流器可以用软件来实现诸多硬件功能：可以较好的符合相关标准对紫外线灯预热启动的要求，保证无冲击的启动；当负载发生故障时，能及时切断驱

动信号，保护镇流器不被烧毁；当输入电压变化时，保证灯电流不变，以保证紫外线辐照强度变化较小。

图1 数字式紫外线灯电子镇流器系统框图

3 负载匹配网络及数字控制器的硬件电路

如图2所示，该镇流器的逆变电路采用具有带通特性的串并联负载谐振结构，能有效衰减方波电源AB V 的高次谐波分量。S C

可以滤除电压中的直流分量。P C 提供启动阶段紫外线灯点火所需要的高压。

图2 串并联负载谐振逆变器

根据串并联谐振电路的稳态输出方程(1),为了将谐振电路的工作点设计在紫外线灯的额定工作点,应使方程中谐振电路的输出电压、电流值为紫外线灯的额定值,可以得到一个ωs 与镇流电感L 的关系式(2)。

22222

2221o S S S S S P S P o in I L C C C C V V ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=ωωωωωωω （1） P

S P C r C C L C r L Q 2221⎥⎦⎤⎢⎣⎡+== P S P

LC C C LC +

==1120ω

（2）

P

S P S S LC C C LC ==12ω 式中：0ω为串并联谐振电路基波谐振点角频率，LC 1

0=

ω（rad/s ）； S ω为稳态时的基波谐振点角频率，S S LC 1=

ω（rad/s ）； Q 为启动阶段谐振电路品质因数，C

L r V V V V Q in L in Cp 1===

(式中r 为回路等效阻抗）。 C 为整个支路中的串联电容。 根据参量Q 、ωo 、ωs 与实际参数L 、C S 、C P 之间的对应关系式(2)、方程(1)以及镇流电感和串、并联电容之间的一个关系式(3)联立求解,就可以得到串并联谐振电路三个参数L 、C S 、C P 的解。

⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+-=

2)()()()(220

2022220ωωωωωωωωωωj V j V j V j V Q in C in C （3）

本镇流器中的数字控制器采用MOTOROLA 公司生产的8脚单片机QT4，该芯片主要资源为：6个I/O 口；4路AD （与I/O 口复用）；两路PWM 发生器；两路辅助PWM 输出，可对调制频率和占空比编程，可设置为独立方式和偏移方式，适宜作PFC 控制；内部包含128字节的RAM ，4096字节的FLASH ROM 。由于芯片本身具有A/D

转换功能，所以其外围电路很简单如下图3所示。

图3 数字控制器及其外围电路