基于荧光灯简易模型的电子镇流器频率特性分析

随着绿色照明工程的推出，电子镇流器的作用日益突出。但在实际中，电子镇流器在性能和可靠性上仍存在一些问题，主要是荧光灯须有较大的电流在一定时间内给灯丝预热，600～800 V的高电压使灯点燃，稳定的工作频率使其工作在额定功率状态。
    电子镇流器是一个通过电子电路，将工频电源变换成直流电源，再将直流电源变换成数十kHz甚至更高频率，集点燃和限流于一体的逆变装置，它给荧光灯提供一个较高较合适频率的电源。频率对其性能和可靠性的影响至关重要，为了提高装置的性能和可靠性，解决荧光灯预热启动与灯管的匹配问题，对电子镇流器进行相关电路设计时，需要对荧光灯的频率特性进行详细的分析。

1 频率对电子镇流器的影响
    频率对电子镇流器性能和可靠性的影响可以分为以下几个方面：
    (1)光效。荧光灯的光效取决于其内部参数和外部条件等多种因素。提高工作频率，荧光灯的光效会随之提高。
    (2)损耗。元器件介质的损耗与频率有关。当损耗太高时，不仅造成能量的浪费，而且这些能量会转化为热量，使镇流器的温度升高，导致各种元器件的特性变坏，引起镇流器的稳定性和可靠性下降。
    (3)噪音。在交变电场的作用下，电子镇流器中的磁性元器件会产生噪音。如果频率>20 kHz，人耳朵听不到，有利于保护工作和生活环境。

2 电子镇流器频率的确定
    荧光灯点亮前处于开路状态，点亮后具有动态的负阻特性，是一种典型的非线性对象。当在两电极间加上电压，灯管没点亮前，流过灯管的电流非常小，荧光灯可视为开路，等效电路模型如图1所示。图中C0为高频电子镇流器的输出电容，RL为电感L的等效电阻，尺f1和Rf2为荧光灯管的灯丝电阻，受温度影响其阻值为几到几十Ω，Cres为谐振电容。镇流器输出V是峰值为200 V，占空比为50％的交流高频方波。

    设计电路时以Philips 40 W日光灯为例，日光灯的预热时间为1 s，预热电流的有效值0．6 A，触发电压的峰值范围600～800 V，灯管两端有效值电压103 V，电流的有效值0．33 A。
    根据灯管的额定参数及额定电压和电流，计算灯管等效电阻R，本次设计中R=312 Ω。
    实际测量灯丝电阻Rf1和Rf2，经过测量多个灯管后，可以近似认为Rf1=Rf2=7．7 Ω。
    根据工程设计经验，选择谐振电容Cres=6 800 pF。
    选择期望的运行频率：为了灯管可靠的点火并正常进入工作状态，通常选择fpre>fign>frun(fpre，fign分别为预热频率和点火频率)，而点火频率fign大于串联谐振频率fres，因此确定了fres也基本确定了frun的数值范围。
2．1 预热频率fpre
    电子镇流器接通电源后，逆变电路工作频率较高，而灯管两端的电压较低，在冷态下无法使灯管激活启辉，避免灯丝因硬击穿而受损。从电源接通时刻，在tpre时间内振荡频率保持fpre不变，电路处于预热阶段。
    确定预热频率fpre：此时预热电流I=0．6 A，应满足式(1)。
   
    设L=2 mH，C0=0．1μF，代入相关参数，求得fpre≈59．5 kHz。
2．2 触发频率fign
    电路的固有谐振频率由式(2)确定。
   
    当振荡频率移近电路的固有频率fres时，灯两端电压会急剧上升到其点燃电压，使灯点燃，设L=2 mH，Cres=6 800 pF，C0=0．1μF，代入式(2)，可求得fign=fres≈44．6 kHz，
2．3 运行频率frun
    当荧光灯正常发光时，其运行电压和电流也确定了，此时荧光灯可等效为电阻R，等效电路模型如图2所示。此时R不能忽略，由正常工作的管电压和管电流确定。

    电路中灯丝电阻Rf1和Rf2与谐振电容Cres串联，然后与灯管电阻R并联，当频率降到灯的正常工作频率时，灯便工作在额定频率下，此时电流I=0．33 A，满足式(3)。
   
    设L=2 mH，C0=0．1μF，R=312 Ω，V=180 V，RL=1 Ω，由ω=2πf，求得frun≈39．5 kHz。
    由计算可得频率和时间的关系曲线如图3所示。

    在灯未启动前，输出回路是一个LCR回路，频率先从一个很高的起始频率下降到预热频率点，经过0．4～1 s的预热后，使频率逐渐过点燃点，最后使灯在额定功率下工作。
    为了使荧光灯能够安全，可靠地工作，在输出回路中正确合理地选择L和C的数值，再由L和C的值确定灯的3个频率点与灯管的电气特性是否匹配。

3 应用电路设计
    采用荧光灯电子镇流器控制器IR2520驱动双极型晶体管功率开关组成的逆变器电路如图4所示。

    电路工作时，首先由IC内的振荡器产生一个高频信号，然后在IR2520的6脚输出电压驱动MOSFET管导通，经过LC谐振电路，产生一个高压脉冲，只要灯管完好并且击穿，日光灯即可被点燃。
    灯管正常启动后，对其两端的电压和电流波形进行测量。如图5所示，灯电压与灯电流的实验波形可见，设计的镇流器使灯的电压和电流基本接近标准工作电压103 V，电流0．33 A。

4 结束语
    本文以Philips 40 W日光灯为例，介绍了电子镇流器从预热、启动到正常运行的频率特性。当电子镇流器与灯管达到最佳参数匹配时，日光灯可以从电子镇流器中获得最佳电能，从而提高系统的光效和可靠性，延长灯管的使用寿命。