电子镇流器逆变电路的基本类型

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逆变电路是电子镇流器的核心部分,它是一个DC/AC电源变换器,将直流电转换成20~50KHz的高频交流电,输出给灯负载使用。这个灯逆变电路应能满足灯负载对灯丝预热、点火、正常工作和故障状态保护的要求。

2.1  电子镇流器逆变电路的分类

 1. 按输入供电方式分类

 ①电压馈电型逆变器。电压型逆变器的直流供电端为普通的电容滤波,电路供电等效为一个电压源。这种逆变器对开关管的耐压要求不高,电路控制特性较差。

②电流馈电型逆变器。电流型逆变器的直流供电线路上串联有一个大电感,使电路供电等效为一个电流源。这种逆变器的控制特性较好,适合于多灯并联场合,但对开关管的耐压要求较高。

2. 按激励方式分类

①自激式逆变器。自激式逆变器利用变压器绕组给开关管提供正反馈信号,形成自激振荡,使逆变器输出高频交流维持负载工作。自激式逆变器电路简单,成本较低,通常用在小功率或对电参数要求不高的场合。

②它激式逆变器。它激式逆变器中有一个独立的振荡器,用来给开关管提供控制信号,确保逆变器正常工作。它激式逆变器的控制特性较好,易于实现故障保护、调光控制等功能,但电路复杂,成本也较高。

3. 按电路结构分类

 ①反激式逆变器。反激式逆变器也叫回扫式逆变器,其电路简单,输出波形为尖峰脉冲,谐波丰富,开关管上承受的电压较高。一般用于小功率手提照明灯。

②半桥式逆变器。半桥式逆变器分为对称式和不对称式两种结构,由于对开关管的耐压要求不高,半桥式逆变器制作的电子镇流器大量应用于220V-240V市电的地区。

③全桥式逆变器。全桥式逆变器电路复杂,成本较高,一般用于大功率HID负载的场合。

④推挽式逆变器。推挽式逆变器的基极驱动和故障保护都较简单,但对开关管的耐压要求较高,一般用于工作电压较低的场合,例如直流镇流器、应急灯以及使用120V市电的电子镇流器。

2.2  反激式逆变电路的工作分析 

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反激式逆变电路属于单管自激类型,特点是电路简单、输出电压可以灵活调节,一般用于200W以下小功率电路,特别在小功率手提照明灯上广泛使用。

反激式(回扫式)逆变电路如图,变压器T1中的磁通回路是单向的,所以称为反激式逆变器。在Q1导通时,变压器初级绕组Np中储存磁能,一旦Q1关断,初级绕组Np释放磁能,次级绕组Ns上的感应电压给灯电路供电。

反激式逆变电路的工作频率主要由定时元件R1、C1,初级绕组Np的电感量及反馈绕组Nb与初级绕组Np的匝比决定。变压器T1上的振荡电压经输出绕组Ns升压后给灯负载供电,T1的漏感对荧光灯的工作起到镇流作用。

1. 电路工作过程

①脉冲前沿阶段(0~t1)

接通电源后,电源电流经R1对C1充电,当C1的端电压上升到约0.6V时,Q1导通,基极电流Ib从零开始增加,集电极电流Ic随之出现并增加。变压器T1的初级绕组Np上产生一个上正下负的感应电压以阻止Ic的增加,反馈绕组Nb上感应出上负下正的电压,使Ib进一步加大,Q1迅速饱和,集电极电压下降至几乎为零,脉冲前沿阶段结束。

②脉冲平顶阶段(t1~t2)

Q1进入饱和导通状态后,Ib失去对Ic的控制作用,Ic不再随Ib的增大而增大,正反馈停止,电路进入脉冲平顶阶段。

③脉冲后沿阶段(t2~t3)

在脉冲平顶阶段,Nb上感应的上负下正的电压经Q1对C1充电,在C1上呈现上负下正的电压,随着这个电压的上升,充电电流逐渐减小,当Ib ≤Ic/β时,Q1退出饱和区而进入放大区,电路进入脉冲后沿阶段。由于Ib的继续下降,Ic也随之下降,与前沿阶段的情况相反,这一正反馈的结果使Q1从放大区进入到截止区,脉冲后沿阶段结束。

④脉冲恢复阶段(t3~t4)

Q1截止后,C1经电源和R1放电,Vb逐渐上升,当Q1再次导通时,电路重新进入脉冲前沿阶段,开始下一周期工作。

2.3  半桥式逆变电路的工作分析

 半桥式逆变电路中,两只功率开关晶体管组成有源半桥支路,两只电容器组成无源半桥支路,灯负载接在两个支路之间。两只晶体管交替导通和截止,在两个半桥的中点之间可以获得了一个高频正弦电压,将灯管启辉点燃,灯负载电流由无源半桥支路提供。

    半桥式逆变电路有电压馈电和电流馈电两种类型,其中,电压馈电型半桥电路是最为常见的结构,根据不同的触发方式及应用场合,在电路上还有多种变形,下面分别介绍。

 1. 电压馈电半桥式逆变电路

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电压馈电半桥式逆变电路在220V~240V市电的地区最为常用。由于半桥式逆变电路工作可靠,具有自平衡能力强、对开关管耐压要求低等优点,在电子镇流器中得到了广泛应用,人们对其的研究也比较深入,在电子镇流器中的应用已经比较成熟。

1.1工作原理

电路中,Q1、Q2、C4、C5、组成半桥主回路,其中Q1、Q2是有源支路,C4和C5是无源支路。半桥的中点电压为直流电压的一半,灯负载与输出电感串联后跨接在两个支路的中点之间,由C4、C5给灯负载提供电流。电阻R1、电容C1及双向二极管D2构成自激振荡的触发电路。

接通电源后,直流电压经R1对积分电容C1充电,当C1两端的电压达到D2的转折电压(约32V)时,D2击穿导通,C1经D2和Q2放电,为Q2基极提供一个正向偏流,使Q2导通。此时灯负载的电流路径为:电源→C4→灯丝→C3→灯丝→L1→N1→Q2→地。

Q2集电极电流的瞬时变化为di/dt,变压器T1的初级绕组N1上会产生一个上负下正的感应电压以阻止Ic2的增加,同时在N2、N3上也产生相应的感应电动势,因为绕组上的同名端不同,在N3上感应出上正下负的电压,使Q2的基极电位Vb2升高,基极电流Ib2和集电极电流Ic2持续增大,这种正反馈作用使Q2跃变为饱和工作状态,在某一时刻Ic2达到最大峰值,此后变压器趋向饱和。

当Q2达到饱和后,随着变压器导磁率的下降,各绕组的感应电动势急剧下降,会出现N3绕组上的电压低于Vb2的情况,使基极电流Ib2变为负值,Q2退出饱和状态,进入放大状态。Q2一旦进入放大状态,Ic2的下降通过变压器的正反馈作用使Ib2、Ic2进一步减少,Q2很快进入截止状态。而这时绕阻N1上的电压变为上正下负,Q1的基极电位开始上升,延迟了一段时间后Q1有电流Ic1产生,变压器中将产生与Ic2增加时相反的感应电动势,结果Q1迅速由截止变为饱和导通。

这时灯负载的电流路径为:Q1→N1→L1→灯丝→C3→灯丝→C5→地。

ballast-ac-dc-2.3-1.1

当Q1饱和导通后,变压器又进入磁饱和状态,同样由于T1的正反馈又重新使Q2饱和导通、Q1截止,如此周而复始,Q1与 Q2的交替饱和和截止,使电路进入振荡工作状态。

Q1与Q2轮流导通与截止,在两个桥臂之间形成交变的方波电压,交变电压经过启动电容C3和电感L1的串联谐振作用,其电流变为接近正弦波,并在谐振电容C3两端产生了一个600~1.2KV高电压脉冲,其值由L1 和C3谐振回路的品质因数Q值决定,这个高压加到灯管上,使灯管启动进入工作状态。灯管启动后,高频交流电驱动荧光灯管开始正常工作。

在Q2导通期间,触发电容C1通过D1和Q2放电,由于半桥电路的开关频率很高,Q2的截止时间很短,C1上只得到一些幅度很小的锯齿波,无法积累过高的电压,所以电路启动后就不会被再次触发。

1.3 电压馈电不对称半桥式逆变电路

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不对称式半桥逆变电路是对称式电路的一种变形,其区别在于无源侧桥路少了一只电容器,在自激式电路中往往是去掉接地的一只电容,在它激式电路中往往是去掉接电源的一只电容。

不对称半桥式逆变电路中,Q2导通时灯负载的电流通路为:电源→C4→灯丝→C3→灯丝→L1→N1→Q2→地,电流为C4充电。Q1导通时灯负载的电流通路为:Q1→N1→L1→灯丝→C3→灯丝→C4,C4完成放电过程。

1.4电流馈电半桥式逆变电路

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电流馈电半桥式逆变电路的工作原理与电压馈电半桥式逆变电路基本相同,在电路启动时,灯负载可视为开路,所以变压器T1次级上产生的电压非常高,一旦灯管完成启动后,T1次级的电压迅速下降至维持灯管正常工作。

在电流馈电半桥式逆变电路中,晶体管承受的峰值电压较高,加上电路结构复杂,所以在实用中很少使用。

2.4  全桥式逆变电路的工作分析

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由于全桥式功率变换电路在开关管电流相同的情况下,输出功率要比半桥式变换电路的功率要大,较适合于高强度气体放电灯的应用场合。
全桥功率变换电路中需要4只功率晶体管,对灯工作电压较高和功率较大的一些电子镇流器电路,采用全桥功率变换电路比较合适。

2.5  推挽式逆变电路的工作分析

推挽式逆变电路的核心是两只晶体管和一个带中间插头的变压器,自激振荡所需的反馈信号也从变压器上获得。

1. 电压馈电推挽式逆变电路

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直流电压送到变压器T1的中心抽头,R1、R2组成启动电路,由于Nb的正反馈作用,驱动Q1、Q2交替导通。

在电路启动时,灯管呈高阻状态,灯负载可视为开路,变压器次级L1、C1发生谐振,在C1两端产生一个高压击穿灯管,灯管启动工作。灯管启动后,L1起限流作用,C1用来滤除振荡电压的残留谐波,灯电流近似为正弦波。

在电压馈电推挽式逆变电路中,晶体管集电极承受的电压为直流电压的2倍。

2. 电流馈电推挽式逆变电路

ballast-ac-dc-2.5.2

在电流馈电推挽式逆变电路中,直流电源与变压器抽头之间串入一个电感器L1,使电源等效为一个电流源。R1、R2用来启动电路振荡,依靠反馈绕组的作用,驱动Q1、Q2轮流导通,L1与C1构成谐振网络,输出变压器T1完成波形合成在次级输出高频电压。

电流馈电推挽式逆变电路的负载适应性较强,在变压器输出端可以比较方便地并联多只灯管,在负载变化、开路或短路时,电路仍能正常工作。

电流馈电推挽式逆变器的效率较高、电路简单、可靠性高,并且输出比较理想的正弦波电压,但是晶体管集电极承受的最高电压为直流电压的π倍,所以多用于低电压、大功率场合,在使用120V市电的地区采用应用最为广泛。另外,在电池供电的应急灯电路中也大量采用。

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