關(guān)于基于現(xiàn)場總線的氙氣燈多級調(diào)光安定器的設(shè)計與實現(xiàn)

0 引言

在照明領(lǐng)域中，高強度氣體放電(High Intensity Discharge，HID)燈是用途比較廣泛的節(jié)能型電光源。氙氣燈是從高壓鈉燈、金鹵燈等氣體放電燈衍生出來的新光源，具有效率高、燈管壽命長、色溫好和聚光能力強等優(yōu)點[1-3]，成為綠色照明工程的首選產(chǎn)品[4-5]。

文獻(xiàn)[6]同時采用了數(shù)字和模擬兩個功率誤差檢測環(huán)路，設(shè)計了一種數(shù)模雙環(huán)路氙氣燈安定器，取得了很好的瞬態(tài)特性和進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后輸出功率的穩(wěn)定性。對于氙氣燈安定器的設(shè)計，相關(guān)學(xué)者做了大量的研究。文獻(xiàn)[7]以小功率氙氣燈(28 W)為研究目標(biāo)，在傳統(tǒng)模擬電路閉環(huán)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于單片機控制的氙氣燈安定器，實現(xiàn)雙重恒功率控制和直流啟動交流工作的模式。

以上研究，考慮的都是氙氣燈啟動或者恒功率控制的穩(wěn)定性，一種功率的安定器，只能使用于一種功率的氙氣燈，且無法調(diào)節(jié)工作功率，無法調(diào)節(jié)氙氣燈的光照強度。雖然照明效果良好，但是應(yīng)用于路燈、廣場、廠房等場合，當(dāng)照明需求降低而又不能關(guān)閉照明時，如下半夜的路燈照明，往往會因不能調(diào)節(jié)亮度而浪費大量的電能。因此，研究一種可靈活調(diào)節(jié)輸出功率的氙氣燈調(diào)光系統(tǒng)，可大幅度節(jié)約電能。針對此需求，本文設(shè)計了一種基于現(xiàn)場總線的氙氣燈多級調(diào)光系統(tǒng)，并做出樣機，進(jìn)行了調(diào)光實驗。

1 氙氣燈調(diào)光原理

1.1 氙氣燈安定器架構(gòu)

氙氣燈在啟動階段需要23 kV以上的高壓脈沖擊穿燈管內(nèi)的高壓氣體，實現(xiàn)放電。交流輸入的安定器常見結(jié)構(gòu)如圖1所示，由EMI濾波電路、整流電路、功率因數(shù)校正電路、降壓電路、功率反饋電路、點火器電路等組成。

1.2 APFC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文采用有源功率因數(shù)校正(APFC)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為Boost變換器，其基本電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。Boost 變換器有以下優(yōu)點：輸入電流連續(xù)，并且在整個輸入電壓的正弦周期都可以調(diào)制，因此可獲得很高的功率因數(shù)[3]；電感電流連續(xù)且紋波電流小，儲能電感可用作濾波電感來抑制RFI和EMI噪聲；功率開關(guān)管源極接地，易驅(qū)動。

1.3 降壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的降壓電路采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是改進(jìn)型的變換器[6]，電路組成如圖3所示。與傳統(tǒng)的BUCK電路不同之處在于MOS管Q1放在靠近電路負(fù)極的低端，開路時電路輸出電壓為Ui(400 V)，故而在啟動時能夠為點火電路提供400 V的啟動電壓。

1.4 恒功率設(shè)計及功率調(diào)節(jié)策略

BUCK電路穩(wěn)定工作時，采樣電阻兩端電壓波形為帶有間隔的三角波，MOS管導(dǎo)通時間即“三角”寬度即為Ton，MOS開關(guān)頻率記為f，采樣電阻電壓最大值記為Ur，則BUCK電路理論輸出功率為：

恒功率控制主要由電源芯片L6562實現(xiàn)。L6562是臨界導(dǎo)電控制模式的PFC控制芯片，峰值電流模式控制器L6562[7]導(dǎo)通控制原理如圖4，L6562芯片1號腳為誤差輸入，2號腳為內(nèi)部誤差放大器的輸出(輸出U2，為定值)，且U2為L6562內(nèi)部乘法器的一個輸入，由放大器特性知：

乘法器另一個輸入端(3號腳)輸入與采樣電阻兩端電壓正相關(guān)的信號(U3)，

式(5)中，Ui為APFC電路輸出電壓，Ton和f由BUCK電路的電感決定，RS、R1、R3、R4、R5均為定值，故輸出功率只取決于受MCU控制的比較電壓Uref，改變Uref，則改變安定器的輸出功率。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計的氙氣燈調(diào)光系統(tǒng)整體框架如圖5，主要由整流濾波電路、有源功率因數(shù)校正(AFPC)/Boost電路、全橋逆變電路、BUCK/恒流電路、觸發(fā)器點火電路、功率控制電路、MCU電路、RS485總線電路等組成。

220 V市電經(jīng)濾波電路濾波后由全橋電路進(jìn)行整流，得到脈動的直流，然后由Boost構(gòu)型的有源功率因數(shù)校正電路穩(wěn)壓在直流400 V，全橋逆變電路產(chǎn)生125 Hz左右的交流方波驅(qū)動氙氣燈，采用串聯(lián)式觸發(fā)電路，開路或啟動時逆變電路輸出400 V的交流低頻方波[8]使得點火電路能夠產(chǎn)生23 kV左右的高壓，擊穿氙氣燈內(nèi)部的高壓氣體產(chǎn)生放電，將燈點亮。有源功率因數(shù)校正電路等效于一個恒壓源[9]，故后級的BUCK電路的電壓恒定，以圖1虛線框為一個整體，當(dāng)輸出電流一定時，則輸出功率恒定，因為全橋逆變電路、點火電路穩(wěn)定工作時本身的損耗相對BUCK和氙氣燈來說非常小[10]，故控制圖1虛線框中這個回路整體的電流即控制了本系統(tǒng)的輸出功率，即控制了氙氣燈的亮度。

2.2 功率控制設(shè)計

R1與R2串聯(lián)分壓，R2兩端的電壓即為Uref，將三極管與電阻串列后并接到R2兩端，利用MCU的IO口控制三極管的截止，三極管導(dǎo)通時，相當(dāng)于將與三極管串聯(lián)的電阻并聯(lián)到R2兩端，從而降低了R1下端電阻的阻值，故改變了參考電壓Uref的電壓值。

本設(shè)計采用了7組電阻-三極管，為了電路的穩(wěn)定，三極管只能從右至左(并聯(lián)的電阻從右至左依次增大）依次閉合，截止時也只能從左至右控制依次關(guān)閉，該控制辦法的限制可以避免Uref劇烈變化，故能提高電路穩(wěn)定性。

采用該控制辦法，圖6所示控制陣列可控制Uref有8組不同的電壓值，故能實現(xiàn)氙氣燈的8級調(diào)光。

2.3 控制流程

系統(tǒng)主程序流程如圖7所示。系統(tǒng)啟動初始化后，為了安全，首先切斷BUCK電路輸出，然后啟動全橋逆變電路輸出交流方波，交流方波頻率在125 Hz左右。

若接收到開燈指令，MCU控制啟動BUCK電路輸出，然后進(jìn)行點亮檢測，判斷氙燈是否點亮，如果點亮成功，則保持BUCK輸出，氙燈持續(xù)點亮；如果點亮不成功，為了保護(hù)電路，則要切斷BUCK電路輸出，延時2 s后再次啟動BUCK輸出，如此至多循環(huán)3次，如果3次之后仍然未點亮氙氣燈，說明線路或者燈管出現(xiàn)故障，故需要關(guān)閉BUCK電路輸出，保護(hù)電路不至被燒毀。

調(diào)光程序由中斷程序完成，如圖8所示，當(dāng)MCU串口接收到指令后，首先判斷指令知否合法，若不合法則直接結(jié)束此次調(diào)節(jié)過程；若合法，則需要先解析調(diào)光指令，然后根據(jù)指令，調(diào)節(jié)Uref到指定值，然后MCU的AD接口對Uref進(jìn)行采樣，如果采樣值與設(shè)定值相符，則調(diào)光成功，反之，則調(diào)光失敗。

2.4 控制軟件設(shè)計

為實現(xiàn)氙氣燈調(diào)光系統(tǒng)的控制，使用vb.net語言編寫了測控軟件，控制軟件界面如圖9所示。控制軟件可對氙氣燈的開關(guān)和功率進(jìn)行控制，同時也可實時顯示交流輸入的電壓、電流、功率因數(shù)等，輸出的電壓、電流、功率，溫度和光照強度，同時也可對氙氣燈調(diào)光系統(tǒng)進(jìn)行定時開燈和關(guān)燈，也能在安定器異常而過熱時進(jìn)行保護(hù)。

3 實驗分析

3.1 調(diào)光結(jié)果

基于上述原理制作了最大輸入功率160 W的基于現(xiàn)場總線的氙氣燈多級調(diào)光系統(tǒng)樣機。本設(shè)計功率控制部分主要芯片為L6562D，最高檔位（1檔）工作時頻率約75 kHz，隨著功率的降低，頻率會升高。輸入電壓145~265 V，最大功率160 W，最小功率60 W。

安定器設(shè)計有8個功率檔位，測試出每個檔位對應(yīng)的參考電壓Uref、輸入功率、光照強度如表1所示。

表1中參考電壓Uref來源于1.4節(jié)，光照強度由照度測試儀放置于氙氣燈正下方2.55 m處測試所得。根據(jù)表1的參考電壓Uref和輸出功率數(shù)據(jù)，繪制了參考電壓Uref與輸出功率的曲線，如圖9所示。

圖10中參考電壓Uref與輸出近似成線性關(guān)系，調(diào)小參考電壓Uref，輸出功率也隨之線性降低，故該樣機實驗結(jié)果滿足式1.5，由此驗證了第1節(jié)的氙氣燈調(diào)光原理。

3.2 調(diào)光穩(wěn)定性

調(diào)光過程的穩(wěn)定性是本調(diào)光系統(tǒng)的一個重要指標(biāo)，針對該指標(biāo)做了大量的測試。利用控制軟件進(jìn)行調(diào)光控制，利用系統(tǒng)MCU記錄調(diào)光失敗次數(shù)，對該系統(tǒng)的調(diào)光穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)萬次的測試。根據(jù)調(diào)光跨度，記錄了如表2的調(diào)光失敗率統(tǒng)計(調(diào)光導(dǎo)致氙氣燈熄滅即為調(diào)光失敗)。

表2數(shù)據(jù)表明，功率降低比提高功率時更容易導(dǎo)致調(diào)光失??；降低功率時，功率變化越大，越容易導(dǎo)致氙氣燈熄滅。總之，本系統(tǒng)調(diào)光過程較為穩(wěn)定，單次調(diào)光失敗概率不超過0.04%，調(diào)光檔位或功率跨度越小，失敗率越低。

4 結(jié)束語

根據(jù)上述測試結(jié)果，本設(shè)計實現(xiàn)了氙氣燈的多級調(diào)光，調(diào)光過程穩(wěn)定可靠，滿足了設(shè)計要求，突破了傳統(tǒng)氙氣燈安定器不能調(diào)光的局限性，使得特定功率的氙氣燈能夠調(diào)節(jié)亮度，為氙氣燈照明提供了一種節(jié)能的控制方法，也使本氙氣燈安定器能夠適用于不同功率的氙氣燈，提高了安定器的適用范圍，提高了其使用靈活性。

本文所設(shè)計的基于現(xiàn)場總線的氙氣燈多級調(diào)光系統(tǒng)已在150 W和70 W功率的氙氣燈中得到驗證，實際制作出的樣機已持續(xù)工作超過6個月，測試中電路工作正常，調(diào)光穩(wěn)定性和可靠性均得到了驗證。