HID灯电子镇流器的设计.docx
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HID灯电子镇流器的设计.docx
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HID灯电子镇流器的设计
本科毕业设计(论文)
HID灯电子镇流器的设计
专业年级
学号
姓名
指导教师
评阅人
河海大学
本科毕业设计(论文)任务书
Ⅰ、毕业设计(论文)题目:
HID灯电子镇流器
Ⅱ、毕业设计(论文)工作内容(从综合运用知识、研究方案的设计、研究方法和手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方面详细说明):
1毕业设计目标:
(1)培养综合运用知识 、独立开展工程实践的能力;
(2)了解和掌握HID灯电子镇流器的原理和应用;
(3)掌握单片机控制和接口技术,实现单片机控制;
(4)了解HID灯电子镇流器的应用背景和发展前途;
(5)提高运用C语言编程水平和编程技巧;
(6)培养发现问题解决问题的能力,提升自己各方面的综合能力。
2研究方法及手段应用:
(1)查阅相关论文资料,学习HID灯电子镇流器系统的基本原理及实现技术方案,了解当前发展动态;
(2)根据实际情况,设计并实现相应技术方案,画原理图及PCB板,焊接相关电路,并进行整体电路的调试。
3毕业设计预期效果:
实现用于35WHID灯的电子镇流器
4平台硬件设计及软件实现:
设计系统平台的基本架构,本系统由单片机为核心控制部分,外围是整流、功率因数校正、启动电路和灯网络组成,应用protel99软件设计硬件电路;单片机对外围器件的控制用C编程实现,采用MPLABIDE对系统的单片机部分编译实现软件设计。
5掌握研究总结和论文的基本写作要领,学会用多媒体课件言简意赅的报告研究进展。
Ⅲ、进度安排:
12月10日~12月30日:
安排毕业设计任务,制订研究计划,查阅相关资料;
1月1日~1月20日:
专业技术知识的深入学习,技能训练;
2月25日~3月15日:
硬件电路设计,购买元器件,PCB制版;
3月16日~4月6日:
硬件系统完全实现并进行软件系统测试,记录原始数据;
4月7号~4月27日:
迎接毕业设计中期检查,做阶段性成果报告;
5月1日~5月20日:
解决遗留问题,完善设计与制作;
5月21日~6月8日:
准备实物验收,总结研究成果,撰写毕业论文,准备并通过毕业设计论文答辩。
Ⅳ、主要参考资料:
[1]康华光.电子技术基础(模拟部分)高等教育出版社
[2]杨小川.PROTELDXP设计指导教程清华大学出版社
[3]侯振义.直流开关电源技术及应用电子工业出版社
[4]谭浩强著.C程序设计(第二版)清华大学出版社
[5]倪海东,蒋玉萍.高频开关电源集成控制器机械工业出版社
指导教师:
,2年1月日
学生姓名:
专业年级:
通信工程
系负责人审核意见(从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核):
系负责人:
,年月
摘要
在照明领域里,HID电子镇流器一直是一个令人关注的话题。
这是因为如果用它取代目前的电感镇流器,将使大功率气体放电灯的综合节能潜力发掘出20%-30%以上,这无疑是极大的社会效益和经济效益。
因此,它的商业价值引起了众多企业和投资者的浓厚兴趣。
在上个世纪末,国内外就开始了对HID电子镇流器的研究和开发。
本文介绍的是35WHID灯电子镇流器的设计。
该电子镇流器的工作原理是将低频交流电通过整流转化为直流电,再经过逆变器转换成的交流电,进行功率因数的校正(PFC)和电压的调整,再经过全桥交换器为HID灯提供交流的电源。
在HID灯点亮前,由LC构成点火电路,为HID灯提供点火高压电,使HID灯电极气化,点亮HID灯。
当灯达到正常稳定的工作状态时,灯两端为85V,200Hz低频的方波信号。
本文首先介绍了镇流器的发展及未来,分析了电子镇流器设计中应注意的几个关键性问题,提出了解决这些问题的办法,详细介绍HID灯电子镇流器的一种设计方案。
关键词:
电子镇流器,电磁兼容,辐射干扰,功率因数校正电路,HID
Abstract
Inthefieldoflighting,HIDelectronicballastshasbeenahottopicallthetime.ThisisbecauseifitscanreplacethecurrentICPballasts,willenablehigh-powerDischargecomprehensiveenergy-savingpotentialreaching20percentto30percentormore,thisisgreatsocialandeconomicbenefits.Therefore,itscommercialvaluehasarousedmanycorporationandinvestors’greatinterest.Inthelate1990s,athomeandabroadpeoplebegantostudyandinvestigateofHIDelectronicballasts.Thispaperpresentsadesignmethodof35WHIDlampelectronicballasts.Theworkingprincipleoftheelectronicballastisfirstmakelow-frequencyalternatingcurrentconvertintodirectcurrentthroughtherectifier,anotherinverterconvertstoAC,thenpowerfactorcorrection(PFC)andvoltageadjustments,throughanotherfull-bridgeexchangeforHIDlampstoprovidethepower.BeforeHIDlampslit,theignitioncircuitconsistsontheLCoscillator,forHIDlampsprovidehigh-voltagesothatmaketheHIDlampelectrodegasification,andthenlitHIDlamp.Whenthelightworksinnormalandstableconditions,theelectronicsupplythelampin85V,200Hzlow-frequencysquare-wavesignals.
Thispaperfirstintroducedthedevelopmentandfutureoftheballast,analyzingseveralkeyissuesduringthedesignofelectronicballasts,andgavesomesolution,thendetailedpresentadesignmethodoftheelectronicHIDlampballasts.
Keywords:
ElectronicBallast,EMC,RFI,PFC,HID
第一章绪论
在照明领域中,镇流器是气体放电灯工作时不可缺少的配套附件,其主要功能有:
产生高压起辉灯管,灯管起辉后起镇流作用,使灯管正常稳定的工作。
气体放电灯都有较高的启动电压和低放电维持电压,当灯通过高压启动后,电压下降,电流加大,如不加限制,灯电流将不断加大致使灯烧毁,所以必须在放电的点灯回路中串接一个与灯类型,规格匹配的镇流器来提供使灯启动的高电压,并限制灯电流使之稳定在所规定的范围。
目前广泛应用的是电感镇流器,本文介绍的是一种电子镇流器的设计方法。
第一节电子镇流器的发展现状与未来
在我国的镇流器市场上,传统的电感镇流器占据了大部分市场份额。
国内生产的传统型电感镇流器还是自二十世纪30年代以来的老产品,由硅钢片外绕漆包铜线组成,尽管有结构简单、安全系数高、坚固耐用、价格低廉的优点,但因其噪音大、频闪高、功率损耗高(40W用于灯管的自身损耗为9W)和功率因数低等致命缺点,越来越不能适应“节能、环保”的潮流。
近年来,随着中国整个照明市场需求环境的变化,灯具市场对镇流器的需求也发生了很大的变化,节能型电感镇流器和电子镇流器开始逐步取代传统的电感镇流器,其中节能型电感镇流器因其突出的节能性、实用性,适应了目前中国市场上的“节能”和“环保”两大潮流,显露出强劲的发展势头,具有巨大的市场潜力。
下面介绍国内外镇流器的发展情况。
一、国外电子镇流器发展简况
气体放电光源放电时具有负阻特性,燃点时一定要有镇流器来稳定其工作。
电感镇流器由于其简单.价廉和长寿命等优点,已得到了广泛的应用。
但是由于电感镇流器存在费能、费材、笨重、噪音、频闪、功率因数低、电压启动性能差等缺点.所以电感镇流器并非是最理想的镇流装置。
电子镇流器已日趋成熟,由于它高效、节能、节电、省材、无噪音、无频闪、功率因数高和电压启动性能好等优点,其性价比优于电感镇流器。
近几年来,国外电子镇流器荧光灯发展很快,据有关资料称,到目前为止电子镇流器荧光灯已占点灯总数的9%并尚在迅速增加普及中,电子镇流器紧凑型稀土三基色荧光灯的迅速发展,促使了环形荧光灯和直管形荧光灯镇流器的电子化,个别国家和地区已经采取行政干预措施,限制电感镇流器的生产,几年后还要限制电感镇流器的使用。
日本、欧洲和美国电子镇流器发展水平具有代表性的例子。
电子镇流器的体积:
欧<美<日;长度:
美<日<欧;重量:
日<欧<美。
影响重量的因素:
欧洲主要因输入回路使用了较大的滤波装置,用以减小对电网的干扰,美国因在整个电子镇流器内充填了树脂,所以他们的产品都比较重。
欧洲是目前对谐波干扰要求较严的地区,因而他们的电子镇流器比较复杂,成本也较高[1]。
二、我国电子镇流器的现状与问题
我国最近几年电子镇流器的发展很快,据不完全统计,全国已有二百多家在研制生产电子镇流器。
回顾其发展历史已走过了三个阶段[2]。
第一阶段始于八十年代初,部分单位率先开始研制生产电子镇流器。
可以说那时的电子镇流器只是把荧光灯点亮,根本不讲其安全要求和技术性能。
其代表性的表现为标称为40W的电子镇流器,实测光通量只有20W荧光灯的光通量,好一点的只能达到3OW光灯的光通量。
显然,不讲流明系数的节电是没有意义的。
查看一下那时电子镇流器的说明书,把灯一开即亮当做优点来宣传的很多,现在大家都知道荧光灯要预热启动,一开即亮说明灯丝没有预热,灯管容易早期发黑,这不是优点。
由于缺少规划和领导,在这几年中,在低水平上相互重复的多,符合要求的少。
直到目前为止,大多数电子镇流器仍停留在第一阶段初级电子镇流器的水平上。
由于第一阶段初级电子镇流器的可靠性差,性能价格比低是不能推广使用的。
在实践中,不少单位逐步认识到了预热启动和异常状态自动保护的重要性,因而使电子镇流器的研制生产进入了第二阶段。
在目前情况下,我国的电子镇流器大多是与普通预热式荧光灯管配套使用的。
预热式灯管如不预热进行冷启动,加上电子镇流器施加于灯管两端的电压既快又高,灯丝阴极的电子溅射很厉害,容易造成灯管两端早期发黑电子镇流器的高频燃点反而缩短了灯管的使用寿命。
众所周知,电感镇流器荧光灯管临近寿终时必然会出现下述过程:
两头发黑——比较难于启动——灯丝烧得红彤彤的,而灯管不启动---直到把灯丝烧断而宣告灯管寿终。
普通的电子镇流器的确顶不住称为“灯不启动”异常状态的考验,一旦出现这种异常状态后几十分钟,电子镇流器就要被烧毁。
所以当出现这种现象时如不采取措施,普通电子镇流器的寿命较难做到比灯管寿命长,如一个新的普通电子镇流器配接一支旧灯管,那么该电子镇流器的寿命将会受到更大的影响。
以具有预热启动和异常状态自动保护功能的第二阶段的电子镇流器,比第一阶段的初级电子镇流器的安全和技术性能确实有了提高因而目前国内不少研制生产单位都在努力以此来改进第一阶段的初级电子镇流器。
在电子镇流器的大量使用中,即使是第二阶段具有预热启动和异常状态自动保护的电子镇流器。
也遇到了想象不到的严重挑战。
促使电子镇流器的发展进入了第三个阶段。
第三阶段的电子镇流器是按IEC和国家专业标准要求设计的,在第二阶段基础上又有了重大突破。
理论和实践都发现如达不到标准中一些主要安全和技术要求的电子镇流器是不能大量推广的。
例如一度有争议的“电源电流波形及谐波总量”这一技术要求.现在看来极为重要。
照明用电必须三相平衡是每个电工众所周知的基本常识如果把照明用灯都接在一相上中线电流就很大,容易引起事故。
当三相平衡接上白炽灯时,中线电流是接近于零的。
当三相平衡接上电感镇流器荧光灯时,线电流就不完全等于零了,因为第一、第二发展阶段的电子镇流器电源波形不是正弦而是尖脉冲,谐波含量大大超过标准规定,这不仅造成对电网的干扰大,线路功率因数不高(一般只有0.6左右),更严重的会影响电子镇流器与供电网络的安全运行。
在大批量使用时,即使在三相平衡接上电子镇流器荧光灯,其中线电流也无法抵消,在启动时,加上浪涌,其中线电流大得更为惊人。
往往会引起三相气动开关跳闸(烧保险丝),更严重的因中线电流严重超载而引起火灾。
另一个严重问题是当三相同时启动电子节能灯时,成片的电子节能灯有可能同时烧毁。
电子节能灯在单相中同时启动时就没有这种现象发生。
1991年1月在日本召开的国际电子镇流器学术会议上,“电源电流的高次谐波”是备受瞩目的问题,认为对这个问题“非有解决办法不行”,因为这些问题不是一般的性能好坏和指标高低的问题,而是必须强制解决的安全问题。
三、电子镇流器的未来发展
我国电子镇流器未来发展的首要问题是要确立正确的设计思想,设计出符合标准要求,适合规模生产和满足大批量使用要求的高性能电子镇流器。
而电子镇流器与灯管的组合最重要的课题是提高镇流效率和使用寿命。
解决电子镇流器与灯管的最佳匹配是提高效率最基本的技术措施。
采用高频双辉点方式点灯,适度控制点灯状态时的灯丝电压(电流)可以提高灯管的输出功率和延长灯管的使用寿命。
搭载高频专用灯管是提高效率的有效措施。
它不但可以提高灯管的功率和功率因数,而且可以进一步提高发光效率,延长灯管的使用寿命。
电子镇流器的集成化可以缩小体积,减少损耗和提高其可靠性。
BSIT双极模式静电感应晶体管耐压高、速度快、保护压降低、没有二次击穿效应,是电子镇流器较为理想的功率元件。
随着荧光灯电子镇流器技术的日趋成熟及电子元器件性能的提高和成本的降低,高强度气体放电灯(高压钠灯和金属卤素物灯等)电子镇流器、冷光束低压卤钨灯和高压霓虹灯电子变压器将朝日用化方向发展,高频无极荧光灯将会东山再起。
在全功能电子镇流器的基础上加上恒照度自动控制及时控开关自动控制等功能可以使电子镇流器荧光灯朝智能化方向发展。
这种灯在晚上功率全部开足,达到规定的照度要求(例如50Blx)天逐渐亮起来,自然光射到室内-照度超过500Lx时,灯自动调低功率,使照度仍保持为500lx,当太阳光射到室内,自然光在室内的照度已达到或超过500Lx时,灯就自动熄灭。
这种灯还可根据需要预先设定开灯与关灯的时间,人不在对也会自动关灯,一切都自动进行。
这样可以在满足高标准照明要求的前提下,达到更加节能目的。
第二节HID灯简介
HID就是(HighintensityDischarge)高压气体放电灯的英文缩写,可称为重金属灯或氙气灯。
HID气体灯包括高压钠灯、汞灯及金属卤化物灯。
它的原理是在UV-cut抗紫外线水晶石英玻璃管内,以多种化学气体充填,其中大部份为氙气(Xenon)与碘化物等惰性气体,然后再透过增压器(Ballast)将直流电压瞬间增压至23000伏特的电流,经过高压震幅激发石英管内的氙气电子游离,在两电极之间产生光源,这就是所谓的气体放电。
而由氙气所产生的白色超强电弧光,可提高光线色温值,类似白昼的太阳光芒,亮度是传统卤素灯泡的三倍,使用寿命比传统卤素灯泡长10倍。
HID灯内部结构及工作原理如图1和2。
图1HID灯内部结构
图2HID灯工作原理电路系统图
一、氙气灯
氙气灯是一种含有氙气的新型大灯,又称高强度放电式气体灯。
氙气灯打破了爱迪生发明的钨丝发光原理,在石英灯管内填充高压惰性气体—Xenon氙气,取代传统的灯丝,在两端电极上有水银和碳素化合物,透过安定器以23000伏高压电流刺激氙气发光,在两极间形成完美的白色电弧,发出的光接近非常完美的太阳光。
二、氙气灯(HID)的发光原理[3]
HID氙气灯与传统卤素灯不同,这是一种高压放电灯,它的发光原理是利用正负电刺激氙气与稀有金属化学反应发光,因此灯管内有一颗小小的玻璃球,这其中就是灌满了氙气及少许稀有金属,只要用电流去刺激它们进行化学反应,两者就会发出高4000K-12000K色温度的光芒。
它采用一个特制的镇流器,产生23000V以上的触发电压使灯启动。
启动时0.8秒的亮度是额定亮度的20%,达到卤素灯的亮度,并使大灯4秒以内达到额定亮度的80%以上。
在灯稳定后镇流器向灯提供约85V供电电压保持灯以恒定功率运转。
三、氙气灯(HID)的性能优点
1、一般的55W卤素灯只能产生1000流明的光,而35W氙气灯能产生3200流明的强光,亮度提升300%,拥有超长及超广角的宽广视野,为你带来前所未有的驾车舒适感;让夜晚不再黑暗,视野更清晰,可大大减少行车事故率。
2、HID氙气灯是利用电子激发气体发光,并无钨丝存在,因此寿命较长,约为3000小时,大幅度超越汽车夜间行驶的总时数,而卤素灯只有500小时。
3、节电性强:
氙气灯只有35W,而发出的是55W卤素灯3.5倍以上的光,大大减轻汽车电力系统的负荷,电力损耗节省40%,相应提高了性能,节约能源。
4、色温性好:
有4300K-12000K等,6000K接近日光,深受广大用户的好评,而卤素灯只有3000K,光色暗淡发红。
5、恒定输出,安全可靠:
当供电系统和电池出现故障,镇流器自动关闭停止工作。
(氙灯与卤素灯的流明数、色温和寿命比较如图3所示)
图3卤素灯与HID灯视野比较
四、光学的参数和基本概念
1、流明流明是"光学亮度"的科学术语,是指一个物体的视觉亮度。
在外行人的术语中,它通常指的是"亮度"。
流明是国际光流量单位。
所谓的流明简单来说,就是指蜡烛烛光在一公尺以外的所显现出的亮度。
流明(Lumens)是氙气灯主要的技术指标,通常是以光通量来表示。
光通量是描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力,单位是流明,也叫明亮度。
2、色温色温指的是光波在不同的能量下,人类眼睛所感受的颜色变化。
在色温的计算上,是以Kelvin为单位,黑体辐射的0°Kelvin=摄氏-273°C做为计算的起点。
将黑体加热,随着能量的提高,便会进入可见光的领域,例如,在2800°K时,发出的色光和灯泡相同,我们便说灯泡的色温是2800°K。
可见光领域的色温变化,由低色温至高色温是由橙红-->白-->蓝,色温用开尔文度(K)表示。
3、光效光效是指电能转换成光能的效率。
单位:
流明每瓦[1M/W]
4、灯具效率灯具效率(也叫光输出系数)是衡量灯具利用能量效率的重要标准,它是灯具输出的光能量与灯具内光源输出的光能量之间的比例。
5、光强一般来讲,光线都是向不同方向发射的,并且强度各异。
可见光在某一特定方向角内所发射的光通量就叫做光强。
单位:
坎德拉[Cd]
6、照度E照度(E)是光通量与被照面积的比例系数。
单位:
勒克司[LX]
7、流明系数BF(BallastFactor)流明系数为被测量镇流器与基准灯配套点燃时的光输出/基准镇流器与基准配套点燃时光输出。
第三节立题依据和实际意义
HID灯的优点是显而易见的,总体来说就是高亮度、高色温、高寿命、低能耗、安全性能高。
HID灯的用途也非常广泛,例如车用照明、民用照明、工程照明、商用照明、景观照明等等。
HID灯的优点很多用处广泛,但是在使用中应使灯的工作性能和电子镇流器的工作性能相匹配,才能使灯能工作在最佳状态,这是因为HID灯是一种具有如图4示V-I特性为负阻性的电光源,从图4可以看出,当灯电流上升时,灯管的工作电压下降,但是供电电压不会下降,多出的这点电压加到灯管后会使灯电流进一步上升,如此循环,最终烧坏灯管或灯管熄灭,所以要使灯管正常工作,应配以镇流元件,用以限制和稳定灯电流电压,镇流器是日光灯、节能灯的心脏,市场更广阔。
图4HID气体放电灯的V-I负阻特性曲线
目前市面上的镇流器主要有电感镇流器和电子镇流器两种,电感镇流器由于其简单.价廉和长寿命等优点,已得到了广泛的应用。
由于电感式镇流器工作在工频市电频率,体积大、笨重,还需消耗大量铜和硅钢等金属材料,散热困难、工作效率低、灯发光有频闪,噪音,所以电感镇流器并非是最理想的镇流装置。
电子镇流器已日趋成熟,由于它高效、节能、节电、省材、无噪音、无频闪、功率因数高和电压启动性能好等优点,其性价比优于电感镇流器,所以现在一些电光源界的科技工作者纷纷寻找新的镇流方法,国内外目前对于HID电子镇流器取代电感式镇流器的官方呼声也很高。
我国在“十一五”《节能中长期专项规划》中的“节能的重点领域和重点工程”章节里明确地提出了在照明器具要“推广高强度气体放电灯及电子镇流器”,并在列为国家重点工程的“绿色照明工程”中指出以电子镇流器代替电感镇流器将节能20%-30%以上,这无疑是极大的社会效益和经济效益。
电子镇流器有着广阔的发展前景,立题有着重要的实际意义.
第四节本设计的要完成的主要工作
在本毕业设计阶段主要完成本课题的以下工作:
1.研究并分析当今主流HID镇流器产品的性能、工作原理和软硬件实现方案。
2.研究当前流行的MCU和功率因数制芯片及特点,选择合适的器件。
3.探索并总结在设计硬件电路,特别是PCB板布线时应当注意的问题。
4.学习HID灯的性能特点,对照明器具学习与认识。
5.初步认识了解变压器的结构参数及设计。
第二章整体系统要考虑的问题及解决方法
由绪论第一节中知,我国镇流器的发展经历了三个阶段,每一个阶段设计的镇流器都有缺陷,而也正是这些缺陷引导人们进步的,每一个阶段都是前一个阶段的改进,遇到的问题也是多而复杂的。
例如安全性问题、可靠性问题、干扰问题、总谐波失真、功率因数等等都需要兼顾考虑,所以需要对这些概念有所了解。
第一节电磁兼容性问题
照明电器电磁兼容(EMC)问题,日益受到世界各国的高度重视,我国已将该项目作强制性认证要求(3C认证),但目前照明电器行业在执行上却相对缺乏全面性共识,特别是在如何解决电子镇流器电磁兼容性(EMC)问题上,尚无成熟可靠的技术措施。
电子镇流器按输入整流滤波电路的不同,目前可归纳为三种类型即:
低功率因数电路(NPFC)、无源功率因数校正电路(PPFC)和有源功率因数校正电路(APFC)[4]。
事实上无论何种电路类型,由于设计采用的主要技术与开关式(SMPS)电路基本相近,因此将不可避免的产生各类电磁干扰(EMI)。
依据目前照明领域宏观技术标准要求和实际的技术水平现
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