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1、 高频电子荧光灯的频率匹配 作者： 茆学华摘要：荧光灯管与高频电子镇流器的非阻抗匹配性质，导致在负载灯管一端引入电感电容，使之与电子镇流器与之阻抗匹配，由于电感电容的振荡特性，使电子镇流器与灯管、电容电感的阻抗匹配有明显不同，电感电容的振荡频率与电子镇流器的振荡频率必须相匹配，否则会引起开关管工作波形异常，影响电子镇流期工作寿命。关键词：镇流器、灯管、频率匹配第一章：频率匹配理论依据 1、概念：1.阻抗匹配，节能灯也遵守电源与 负载阻杭相匹配原理。 2.高频电子节能灯负载又有特殊性：a.负阻特性b.启动之前短路特性。C.与电源不匹配，需加电感与电容，使之与电源进行阻抗匹配。d.加了电感、电容，
2、就有振荡频率产生。 3.灯管的热阴极特点，需进行预热，需减少电子粉损失，才能达到长寿命。 4.灯管启动时，如不预热而进行冷启动，导致启动电压高，引起阴极螺旋之间横向打火，造成电子粉烧伤溅射。 5.灯管工作时，如阴极之间电压大于8-10V以上，在1000工作温度下，引起阴极螺旋之间横向打火，造成电子粉烧伤蒸发。 6.节能灯管与镇流器匹配，就围绕着灯管电感电容混合负载的特性设计。1. 阻抗1）阻抗的定义 图1所示的无源线性一端口网络，当它在角频率为的正弦电源激励下处于稳定状态时，端口的电压相量和电流相量的比值定义为该一端口的阻抗 Z 。即单位： 上式称为复数形式的欧姆定律，其中 称为阻抗模， 称为
3、阻抗角。由于 Z 为复数，也称为复阻抗，这样图 1 所示的无源一端口网络可以用图 2 所示的等效电路表示，所以 Z 也称为一端口网络的等效阻抗或输入阻抗。 。 图 1 无源线性一端口网络 图 2 等效电路 RLC 串联电路的阻抗 ，R相当于灯管，L相当于谐振电感，C相当个谐振电容。当它在角频率为的正弦电源(相当于电子镇流器提供的高频电源)激励下：图 3RLC 串联电路图 4阻抗三角形由 KVL 得： 因此，等效阻抗为 其中 R等效电阻 (阻抗的实部)；X等效电抗(阻抗的虚部) ；Z、R 和 X 之间的转换关系为： 或 可以用图 4所示的阻抗三角形表示。结论： 对于 RLC 串联电路：（1） 当
4、L 1/C 时，有 X 0 ， z0 ，表现为电压领先电流，称电路为感性电路，其相量图（以电流为参考相量）和等效电路如图 5 所示； 图5 L 1/C 时的相量图和等效电路（2）对于RLC串联电路当L 1/C时，有 X 0 ，z0 ，表现为电流领先电压，称电路为容性电路，其相量图（以电流为参考相量）和等效电路如图 6 所示； 图6L 1/C 时的相量图和等效电路（3） 当L 1/C 时，有 X0 ， z0 ，表现为电压和电流同相位，此时电路发生了串联谐振，电路呈现电阻性，其相量图（以电流为参考相量）和等效电路如图7所示； 图7L 1/C 时的相量图和等效电路（4） RLC 串联电路的电压 UR
5、 、U X 、U 构成电压三角形，它和阻抗三角形相似,满足： 注：从以上相量图可以看出，正弦交流RLC串联电路中，会出现分电压大于总电压的现象。2. 导纳1）导纳的定义图 1 所示的无源线性一端口网络，当它在角频率为的正弦电源激励下处于稳定状态时，端口的电流相量和电压相量的比值定义为该一端口的导纳 Y 。即 单位：S 上式仍为复数形式的欧姆定律，其中 称为导纳模， 称为导纳角。由于 Y 为复数，称为复导纳，这样图 1 所示的无源一端口网络可以用图 8 所示的等效电路表示，所以 Y 也称为一端口网络的等效导纳或输入导纳。 图 8 无源线性一端口网络等效导纳2） RLC 并联电路的导纳 图 9 R
6、LC 并联电路图 10导纳三角形由 KCL 得： 因此，等效导纳为 其中 G等效电导(导纳的实部) ； B等效电纳(导纳的虚部) ；Y 、G 和 B 之间的转换关系为： 或 可以用图 10 所示的导纳三角形表示。结论： 对于 RLC 并联电路：（1） 当 L 1/C 时，有 B 0 ， y0 ，表现为电流超前电压，称电路为容性电路，其相量图（以电压为参考相量）和等效电路如图 11 所示； 图 11 L 1/C 时的相量图和等效电路 （2）当 L 1/C 时，有 B 0 ， y0 ，表现为电压超前电流，称电路为感性电路，其相量图（以电压为参考相量）和等效电路如图 12 所示； 图 12 L 1/
7、C 时的相量图和等效电路 （3） 当L = 1/C 时，有 X0 ， z0 ，表现为电压和电流同相位，此时电路发生了并联谐振，电路呈现电阻性，其相量图（以电流为参考相量）和等效电路如图13所示 图 13L = 1/C时 的 相量图和等效电路 （4）RLC 并联电路的电流 IR、IX 、I 构成电流三角形，它和阻抗三角形相似。满足 注：从以上相量图可以看出，正弦交流RLC并联电路中，会出现分电流大于总电流的现象。3. 复阻抗和复导纳的等效互换 同一个两端口电路阻抗和导纳可以互换，互换的条件为： 即： 图14 串联电路和其等效的并联电路如图 14 的串联电路，它的阻抗为： 其等效并联电路的导纳为：
8、 即等效电导和电纳为： 同理，对并联电路，它的导纳为 其等效串联电路的阻抗为： 即等效电阻和电抗为： 以上是论述了灯管谐振电感谐振电容组成的综合负载在电子镇流器高频电源激励下的电路的容性、感性、阻性变化的规律。当灯管谐振电感谐振电容振荡频率大于电子镇流器激励频率时，电路呈容性。当灯管谐振电感谐振电容振荡频率等于电子镇流器激励频率时，电路呈阻性。当灯管谐振电感谐振电容振荡频率小于电子镇流器激励频率时，电路呈感性。那么，当电路的容性、感性、阻性变化时，对电子镇流器的开关电源中，开关管的工作波形有什么影响呢？ 图15荧光灯半桥电路原理图首先看当电路呈阻性或弱感性时，晶体管的工作波形(图16)：图16
9、集电极电流波形 这是双极性三级管基级比较理想的工作波形。图16三极管EB正常结电压波形 图17红色IB、兰色VCE波形13003 与 13003D （IB、VCE）* 13003D的作用明显图18三极管的工作波形图19驱动变压器初级电压电流和次级电压图20驱动变压器初级和次级电压电流1、 负载的频率匹配问题负载的频率匹配问题，是被国内工程师忽视的一个重要问题。说到忽视，是因为在国内没有见过这方面的书籍或有关介绍，与许多照明工程师朋友在一起交谈时，多数人不知道电子镇流器的开关电路与负载之间还需要频率匹配。电子镇流器的工作电路中存在两种振荡频率：一种是我们前面提到的开关电路的振荡频率（简称工作频率
10、）；另一种R灯管、限流电感（L）和启动电容（C）之间的谐振频率（简称谐振频率）。由于谐振电路是开关电路的负载，因此，工作频率与谐振频率之间存在以下三种关系：1) 工作频率大于谐振频率时，开关电路的负载呈感性：电子镇流器的负载呈弱感性时是最佳工作状态，也就是说工作频率稍快于谐振频率时是最佳工作状态。特别是使用场效应管做开关的电路，由于场效应管本身带有反向并联的阻尼二极管，可以有效抑制弱感性负载产生的浪涌电压；对于使用双极性三极管的电路，最好在三极管的集电极和发射极之间反向并联二极管。但是，在负载感性过大时，三极管关断时需要承受很大的浪涌电压冲击，会导致器件应力变差，容易损坏。2) 工作频率等于谐
11、振频率时，开关电路的负载呈阻性：大家往往都认为电子镇流器的负载呈阻性时，工作频率与谐振频率相等，L的感抗与C的容抗相等，此时会出现谐振电压非常高的现象。实际上，L的铜阻、磁阻，C上的损耗，灯管并联的因素，电路中其他元器件造成的损耗等等，决定了LC的谐振Q值不可能很高。因此，电子镇流器完全可以工作在阻性负载情况下。3) 工作频率小于谐振频率时，开关电路的负载呈容性：容性负载对于电子镇流器开关电路来讲危害是最大的（致命的）！图21 a是开关电路的负载呈容性时场效应管的栅极驱动波形，在波形的上升沿有一个明显的锯齿波；图21 b和图21 c是开关电路的负载呈容性时双极性三极管的基极驱动波形，图21 b
12、波形的上升沿有一个明显的锯齿波；图21c波形则产生了很严重的波形断裂，相当于开关了两次。这些波形都说明电子镇流器开关电路是工作在硬开关状态，此时的开关管功耗加大，稳升加剧，应力变差，非常容易损坏。目前，许多进口高档驱动芯片都设置有负载属性的检测功能，一旦检测到负载为容性时会自动加大工作频率。另外，对于不同型号的开关管来讲，由于结电容不同，容性负载对于驱动波形的影响程度也有所不同，一般情况下，结电容小的开关管所受影响也较小。图22灯启辉时三极管Vce及Ic异常波形n Ic尖峰最大值已达5A，对应时刻的Vce电压波形其最大值超过100V，第三个Ic电流尖峰最大值下面的Vce电压最大值达到120V以
13、上，三极管因驱动不足脱离饱和区进入放大区，瞬时功率=120V5A=600W。 图22C级(红色)电流波形上的毛刺* 线路调整不好会有毛刺* 能造成三极管发热* 出现“共态导通”的可能性图23C级电流(蓝色)有害的毛刺* 如果Ic变正的初相位角0，那么这里Ic会产生一个有害的毛刺。*正确的工作状况，应该是：n 电流相位落后于电压相位n 滤波器(谐振回路)之操作类似电感性负载n 换流器之切换频率高于滤波器之谐振频率n 在设计与调整线路时，当磁环或IC驱动正常时，晶体管工作波形基本正常时，如出现VCE下降沿与IC电流交叉出现小三角波时，为电路进入容性，这时，基本的调整方法，遵循工作频率等于谐振频率时，开关电路的负载呈阻性：工作频率大于谐振频率时，开关电路的负载呈感性：工作频率小于谐振频率时，开关电路的负载呈容性：的频率匹配原则，增大镇流器中开关管的工作频率或减少负载RLC的工作频率，以达到负载工作频率略小于镇流器开关管的工作频率的最佳匹配状态。n 减小负载LRC的振荡频率方法是：增大电感量或增大电容量。n 因灯管R与电感L电容C共同组成一个负载单位，当灯管冷阻、灯管电压、灯管电流以及其它异常时，会引起灯管阻抗、启动特性变化，进而引起与镇流器的阻抗的频率匹配发生
