高頻無(wú)極燈高頻電源的研究

　　高頻無(wú)極燈是集電子技術(shù)、真空科學(xué)、功率電學(xué)、等離子體科學(xué)、磁性材料科學(xué)等領(lǐng)域綜合應(yīng)用的高新技術(shù)產(chǎn)品，又稱電子燈泡。燈泡內(nèi)沒有燈絲或電極，已成為“綠色照明”領(lǐng)域的一枝新秀。在電氣設(shè)計(jì)上，采用有源功率因數(shù)補(bǔ)償，在電源電壓大范圍波動(dòng)下恒壓供電，輸出穩(wěn)定的光通量。輸入端凈化電路和防輻射，使電磁干擾EMC完全符合國(guó)家檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　1　高頻無(wú)極燈的結(jié)構(gòu)

　　高頻無(wú)極放電燈的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由高頻發(fā)生器1、耦合器2、燈泡3三個(gè)部分組成。耦合器裝在燈泡內(nèi)，耦合器通高頻過饋線與高頻發(fā)生器連接。

　　1—高頻發(fā)生器2—耦合器3—燈泡4—高頻饋線

　　圖1　高頻無(wú)極放電燈。

　　2　高頻無(wú)極燈工作原理

　　如圖2所示，高頻發(fā)生器在電源的作用下轉(zhuǎn)換為直流電，再變換成高頻電能，產(chǎn)生一個(gè)2165MHz高頻正弦電壓，并同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)3000V左右的點(diǎn)火電壓，經(jīng)過饋線傳送至功率耦合器。當(dāng)高頻電流通過功率耦合器時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)高頻電磁場(chǎng)，耦合器裝在燈泡內(nèi)，燈泡內(nèi)壁和內(nèi)管外壁涂有三基色熒光粉,功率耦合器在玻璃泡殼內(nèi)瞬間建立一個(gè)高頻磁場(chǎng),在高頻磁場(chǎng)的作用下，變化的磁場(chǎng)即產(chǎn)生一個(gè)垂直于磁場(chǎng)變化的電場(chǎng)，使燈泡內(nèi)部放電空間的電子加速，當(dāng)能量達(dá)到一定值時(shí)，與玻殼內(nèi)的氣體分子發(fā)生碰撞，泡殼內(nèi)部的惰性氣體發(fā)生電離并進(jìn)而產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，氣體雪崩電離形成等離子體，燈泡內(nèi)等離子體受激原子返回基態(tài)時(shí)，自發(fā)輻射出254nm的紫外線并激發(fā)燈泡壁上的三基色熒光粉而發(fā)出可見光。

　　1—內(nèi)管外壁熒光粉2—耦合器3—高頻磁場(chǎng)4—玻殼內(nèi)壁

　　熒光粉5—水銀原子6—熒光粉7—可見光線8—電子

　　圖2　高頻無(wú)極燈發(fā)光原理。

　　3　高頻無(wú)極燈高頻發(fā)生器的研究

　　3.1　大功率高頻無(wú)極燈高頻發(fā)生器電路

　　大功率高頻無(wú)極燈的高頻發(fā)生器為耦合器穩(wěn)定工作提供電源，圖3為無(wú)極燈高頻發(fā)生器主電路圖;圖4為無(wú)極燈高頻發(fā)生器保護(hù)電路圖。

　　圖3　主電路圖。

　　圖4　保護(hù)部分電路圖。

　　3.2　大功率高頻無(wú)極燈高頻發(fā)生器工作原理

　　(1) 高頻發(fā)生器的構(gòu)成。

　　高頻發(fā)生器能產(chǎn)生頻率2165MHz的電磁波，主要組成包括電源部分(濾波器、整流器) 、振蕩器部分、觸發(fā)開關(guān)器件和一些匹配網(wǎng)絡(luò)電路。耦合器的高頻能量來(lái)自高頻發(fā)生器。高頻發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)決定了振蕩源和過濾電路不受輸入電源的影響,它的電路結(jié)構(gòu)使得高頻發(fā)生器的功率因數(shù)很高和諧波含量很少。高頻發(fā)生器有兩套屏蔽結(jié)構(gòu)(外殼屏蔽和高頻部分單獨(dú)再屏蔽) ，能抑制內(nèi)部磁場(chǎng)對(duì)外界的干擾，并且能屏蔽外部磁場(chǎng)對(duì)電子元件工作狀態(tài)的干擾。不同功率的高頻發(fā)生器必須與同功率的燈泡和耦合器配套使用。

　　(2) 高頻發(fā)生器的工作原理。

　?、匐娫床糠帧?/P>

　　電源部分是由B112B33、D12D4、Z12Z1和一些電阻、電容組成的三級(jí)式電源濾波網(wǎng)絡(luò)，能抑制電路產(chǎn)生的高頻及高頻電路產(chǎn)生的高次諧波。一部分電容能把差模干擾噪聲旁路掉，一部分電容抑制輸電線繼發(fā)的射頻噪聲。電感扼流圈能抑制共模噪聲。

　　電阻器用來(lái)吸收尖峰脈沖過電壓，能有效地抑制開機(jī)時(shí)的浪涌電流。

　?、贛C33262控制功能。

　　電源經(jīng)電源濾波器和整流器得到脈動(dòng)直流電。

　　電流通過啟動(dòng)電阻R10向C13充電至lOV時(shí)，IC 1開始工作。整流后的直流脈動(dòng)電壓在R4 的分壓作為取樣信號(hào)經(jīng)IC1的③腳輸入乘法器。直流輸出電壓在R8和R9上的分壓經(jīng)①腳輸至誤差放大器的反相輸入端，與215V的參考電壓比較放大后輸出一個(gè)直流誤差電壓，同時(shí)也輸入到乘法器。通過開關(guān)管M3的電流在電阻R6上轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸入到IC1的④腳，并與乘法器的輸出電壓進(jìn)行比較。隨AC電壓從零到峰值正弦地通過，乘法器的輸出電壓控制腳IC1的④的閥值，從而使M3的峰值電流跟蹤輸入電壓，致使電路的負(fù)載呈電阻性。

　　由于MC33262的控制作用，使輸入電流緊緊跟隨輸入電壓而變化，呈平滑的正弦波。同時(shí)，電路又是一種升壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源，使無(wú)極燈的功率和光通量不會(huì)隨輸入電壓的漲落而變化。

　?、勰孀冸娐?。

　　逆變電路是將前級(jí)電路輸出的高壓直流變換為供無(wú)極燈使用的高頻交流電。

　　接通電源后，前級(jí)電路輸出的直流電壓，通過R13、R14加到電容C25上，C25開始充電。當(dāng)C25上所充電壓達(dá)到觸發(fā)管D82D16的轉(zhuǎn)折電壓時(shí)，D82D16由關(guān)斷轉(zhuǎn)為導(dǎo)通狀態(tài)。積分電容C25所儲(chǔ)存的電荷經(jīng)D82D16加于振蕩變壓器T3的初級(jí)繞組，依靠T3 兩個(gè)次級(jí)繞組使MC1、MC2 獲得幅度相等,相位相差180°的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在MC2導(dǎo)通時(shí)MC1被強(qiáng)迫關(guān)斷截止; MC1導(dǎo)通時(shí)，MC2又被強(qiáng)迫關(guān)斷截止。

　　逆變器的振蕩頻率由繞組W21，W22的電感量與場(chǎng)效應(yīng)管MC1、MC2 的輸入電容以及補(bǔ)償電容C25、C26共同決定，燈回路網(wǎng)絡(luò)的諧振頻率必須與輸入回路的諧振頻率相同，例如: 諧振頻率為2165MHz。還要盡力優(yōu)化MC1、MC2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅度和波形，使其自身功耗降到最低。

　　二極管D11有兩個(gè)作用: 正向時(shí)用來(lái)泄放C25上的電荷，防止逆變電路因誤觸發(fā)而出現(xiàn)“共同導(dǎo)通”現(xiàn)象，起保護(hù)作用; 反向時(shí)，利用反向恢復(fù)時(shí)間的反向電流為振蕩變壓器輸入激勵(lì)信號(hào)。

　　圖3中L2、C22、C23為諧振電感和諧振電容,它們是設(shè)計(jì)中重要的參數(shù)。在啟動(dòng)階段，燈泡的等效電阻很大，L2、C22、C23發(fā)生串聯(lián)諧振，諧振電路可以在燈兩端形成很高(約3000V ) 的點(diǎn)火電壓。無(wú)極燈引燃后，進(jìn)入正常運(yùn)行階段，泡體內(nèi)電弧等效電阻在數(shù)百歐姆，當(dāng)燈電流生成后，諧振回路失諧，C22、C23 上的諧振電壓降到燈的工作電壓。燈點(diǎn)亮后由L2穩(wěn)定燈的電弧電流。與此同時(shí),由于輸出回路的選頻濾波作用，點(diǎn)燈電能為一余弦波的電壓和電流，其頻率為激勵(lì)信號(hào)的基頻。

　　(3) 保護(hù)電路。

　　保護(hù)電路，如圖4所示。

　　當(dāng)出現(xiàn)燈泡接線脫落或者燈泡漏氣等異常狀態(tài)時(shí)，無(wú)極燈不能正常啟動(dòng)，諧振引火電路一直處于諧振狀態(tài)，逆變器輸出的電流增大到正常電流的3～5倍。如果不采取有效的保護(hù)措施，就會(huì)造成點(diǎn)燈逆變器以及前級(jí)單元電路因過載而燒毀。

　　在異常狀態(tài)時(shí): 在諧振電容C22、C23 的中點(diǎn)引出異常保護(hù)采樣電壓，保護(hù)電路通過兩個(gè)二極管D51、D54分別對(duì)MC2、MC1進(jìn)行保護(hù)。通過電容、二極管(D52、D53) 、電阻整流后成為控制電壓,形成延時(shí)電路，在C19上得到隨時(shí)間上升的直流電壓，當(dāng)此電壓大于DZ53的穩(wěn)壓值時(shí)便被擊穿，二極管D51將MC2柵極與地短路，迫使半橋逆變電路停止工作。而在正常狀態(tài)下，C19上的電壓還未上升到DZ1的穩(wěn)壓值，燈就點(diǎn)亮了，燈點(diǎn)亮后諧振電路便失諧，因而DZ51一直處于截止?fàn)顟B(tài)。

　　4　高頻無(wú)極燈耦合器的的研究

　　4.1　高頻無(wú)極放電燈耦合器的結(jié)構(gòu)

　　高頻無(wú)極放電燈耦合器的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

　　1—線圈2—磁心3—銅棒4—底座

　　圖5　高頻無(wú)極放電燈耦合器。

　　高頻無(wú)極放電燈耦合器由以下部分組成: 拉克線線圈、鐵氧體磁芯、導(dǎo)熱棒、底座、引出線等。

　　4.2　無(wú)極放電燈耦合器工作原理

　　由于高頻無(wú)極放電燈的主要特點(diǎn)是無(wú)燈絲或電極，耦合器相當(dāng)于普通電光源的發(fā)熱體，它是產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)的關(guān)鍵元件，因此它在高頻無(wú)極放電燈光源中起著舉足輕重的作用，它的質(zhì)量直接影響著高頻無(wú)極放電燈光源的壽命和光效。

　　(1) 耦合器電磁線采用高頻耐高溫的拉克線。

　　(2) 鐵氧體磁芯采用高頻且高溫條件下磁性穩(wěn)定性較高的鐵氧體磁心，即R100鎳鋅鐵氧體磁心。

　　(3) 線圈、磁芯的固定使用耐高溫亞胺脂漆澆注或浸泡線圈，在溫度250 度左右烘干后冷卻,進(jìn)而把線圈與鐵氧體磁芯、鐵氧體磁芯與導(dǎo)熱棒固定在一起，避免在200度高溫下線圈的松動(dòng)和脫落,尤其避免了在運(yùn)輸過程中線圈與銅棒的脫落。

　　(4) 線圈引出線的固定采用在200度溫度時(shí)仍保持粘性的高溫四氟膠布進(jìn)行幫扎固定，固定可靠。

　　(5) 線圈在繞制過程中的固定采用耐溫200度以上的高溫布綁扎，幫扎后，在經(jīng)過高溫時(shí)不會(huì)松動(dòng)，耦合器線圈電感量穩(wěn)定，燈泡光效穩(wěn)定。

　　(6) 底座的加工采用鋁合金精密鑄造，保證了可靠散熱。

　　5　結(jié)束語(yǔ)

　　本文研究了無(wú)極燈高頻發(fā)生器工作原理，耦合器的工作原理。高頻發(fā)生器為高頻電子產(chǎn)品，要防止高頻磁場(chǎng)的外泄; 耦合器為功率元件，要注意它的散熱。