《电子技术应用》
您所在的位置:首页 > 电源技术 > 设计应用 > 基于现场总线的氙气灯多级调光安定器设计与实现
基于现场总线的氙气灯多级调光安定器设计与实现
2017年电子技术应用第9期
郑贵林,贺凌昊
武汉大学 动力与机械学院自动化系,湖北 武汉430072
摘要: 传统的氙气灯安定器多是固定功率的输出,导致氙气灯的亮度无法改变,这在很多场合造成了很大的浪费和不便。为解决这个问题,设计了一种基于现场总线的氙气灯多级调光系统,该调光系统可通过RS485总线与基于Modbus协议的私有通信协议,使用氙气灯控制软件与板内MCU进行通信,利用MCU对氙气灯进行多级调光,实现节能。实验结果表明,该氙气灯调光系统满足本文所设计的多级调光要求,且调节过程平滑、稳定可靠。
中图分类号: TM923;TP21
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.166350
中文引用格式: 郑贵林,贺凌昊. 基于现场总线的氙气灯多级调光安定器设计与实现[J].电子技术应用,2017,43(9):150-153,158.
英文引用格式: Zheng Guilin,He Linghao. The design and implementation of multi stage dimming ballast for xenon lamp based on field bus[J].Application of Electronic Technique,2017,43(9):150-153,158.
The design and implementation of multi stage dimming ballast for xenon lamp based on field bus
Zheng Guilin,He Linghao
Automation Department,School of Power and Mechanical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072,China
Abstract: The traditional ballasts for xenon lamp always have the fixed output power, so the lamp′s luminance can′t changed, on some occasions, it leads to great waste and inconvenience. In order to solve this problem, a multi stage dimming system for xenon lamp based on field bus is designed. Through the RS485 bus and the private protocol based on Modbus, control software is used to communicate with the MCU of the system, for the multi-level dimming of the xenon lamp, to achieve energy saving. The experimental results show that this system can meet the requirements of multi stage dimming, and the adjustment process is smooth, stable and reliable.
Key words : xenon lamp;ballast;multi stage dimming;RS485 bus;Modbus

0 引言

    在照明领域中,高强度气体放电(High Intensity Discharge,HID)灯是用途比较广泛的节能型电光源。氙气灯是从高压钠灯、金卤灯等气体放电灯衍生出来的新光源,具有效率高、灯管寿命长、色温好和聚光能力强等优点[1-3],成为绿色照明工程的首选产品[4-5]

    文献[6]同时采用了数字和模拟两个功率误差检测环路,设计了一种数模双环路氙气灯安定器,取得了很好的瞬态特性和进入稳态后输出功率的稳定性。对于氙气灯安定器的设计,相关学者做了大量的研究。文献[7]以小功率氙气灯(28 W)为研究目标,在传统模拟电路闭环的基础上,设计了一种基于单片机控制的氙气灯安定器,实现双重恒功率控制和直流启动交流工作的模式。

    以上研究,考虑的都是氙气灯启动或者恒功率控制的稳定性,一种功率的安定器,只能使用于一种功率的氙气灯,且无法调节工作功率,无法调节氙气灯的光照强度。虽然照明效果良好,但是应用于路灯、广场、厂房等场合,当照明需求降低而又不能关闭照明时,如下半夜的路灯照明,往往会因不能调节亮度而浪费大量的电能。因此,研究一种可灵活调节输出功率的氙气灯调光系统,可大幅度节约电能。针对此需求,本文设计了一种基于现场总线的氙气灯多级调光系统,并做出样机,进行了调光实验。

1 氙气灯调光原理

1.1 氙气灯安定器架构

    氙气灯在启动阶段需要23 kV以上的高压脉冲击穿灯管内的高压气体,实现放电。交流输入的安定器常见结构如图1所示,由EMI滤波电路、整流电路、功率因数校正电路、降压电路、功率反馈电路、点火器电路等组成。

dy2-t1.gif

1.2 APFC电路拓扑结构

    本文采用有源功率因数校正(APFC)电路拓扑结构为Boost变换器,其基本电路结构如图2所示。Boost 变换器有以下优点:输入电流连续,并且在整个输入电压的正弦周期都可以调制,因此可获得很高的功率因数[3];电感电流连续且纹波电流小,储能电感可用作滤波电感来抑制RFI和EMI噪声;功率开关管源极接地,易驱动。

dy2-t2.gif

1.3 降压电路拓扑结构

    本文设计的降压电路采用的拓扑结构是改进型的变换器[6],电路组成如图3所示。与传统的BUCK电路不同之处在于MOS管Q1放在靠近电路负极的低端,开路时电路输出电压为Ui(400 V),故而在启动时能够为点火电路提供400 V的启动电压。

dy2-t3.gif

1.4 恒功率设计及功率调节策略

    BUCK电路稳定工作时,采样电阻两端电压波形为带有间隔的三角波,MOS管导通时间即“三角”宽度即为Ton,MOS开关频率记为f,采样电阻电压最大值记为Ur,则BUCK电路理论输出功率为:

    dy2-gs1.gif

    恒功率控制主要由电源芯片L6562实现。L6562是临界导电控制模式的PFC控制芯片,峰值电流模式控制器L6562[7]导通控制原理如图4,L6562芯片1号脚为误差输入,2号脚为内部误差放大器的输出(输出U2,为定值),且U2为L6562内部乘法器的一个输入,由放大器特性知:

    dy2-gs2.gif

dy2-t4.gif

    乘法器另一个输入端(3号脚)输入与采样电阻两端电压正相关的信号(U3),

dy2-gs3-5.gif

    式(5)中,Ui为APFC电路输出电压,Ton和f由BUCK电路的电感决定,RS、R1、R3、R4、R5均为定值,故输出功率只取决于受MCU控制的比较电压Uref,改变Uref,则改变安定器的输出功率。

2 系统设计

2.1 系统结构

    本文所设计的氙气灯调光系统整体框架如图5,主要由整流滤波电路、有源功率因数校正(AFPC)/Boost电路、全桥逆变电路、BUCK/恒流电路、触发器点火电路、功率控制电路、MCU电路、RS485总线电路等组成。

dy2-t5.gif

    220 V市电经滤波电路滤波后由全桥电路进行整流,得到脉动的直流,然后由Boost构型的有源功率因数校正电路稳压在直流400 V,全桥逆变电路产生125 Hz左右的交流方波驱动氙气灯,采用串联式触发电路,开路或启动时逆变电路输出400 V的交流低频方波[8]使得点火电路能够产生23 kV左右的高压,击穿氙气灯内部的高压气体产生放电,将灯点亮。有源功率因数校正电路等效于一个恒压源[9],故后级的BUCK电路的电压恒定,以图1虚线框为一个整体,当输出电流一定时,则输出功率恒定,因为全桥逆变电路、点火电路稳定工作时本身的损耗相对BUCK和氙气灯来说非常小[10],故控制图1虚线框中这个回路整体的电流即控制了本系统的输出功率,即控制了氙气灯的亮度。

2.2 功率控制设计

    R1与R2串联分压,R2两端的电压即为Uref,将三极管与电阻串列后并接到R2两端,利用MCU的IO口控制三极管的截止,三极管导通时,相当于将与三极管串联的电阻并联到R2两端,从而降低了R1下端电阻的阻值,故改变了参考电压Uref的电压值。

    本设计采用了7组电阻-三极管,为了电路的稳定,三极管只能从右至左(并联的电阻从右至左依次增大)依次闭合,截止时也只能从左至右控制依次关闭,该控制办法的限制可以避免Uref剧烈变化,故能提高电路稳定性。

    采用该控制办法,图6所示控制阵列可控制Uref有8组不同的电压值,故能实现氙气灯的8级调光。

dy2-t6.gif

2.3 控制流程

    系统主程序流程如图7所示。系统启动初始化后,为了安全,首先切断BUCK电路输出,然后启动全桥逆变电路输出交流方波,交流方波频率在125 Hz左右。

dy2-t7.gif

    若接收到开灯指令,MCU控制启动BUCK电路输出,然后进行点亮检测,判断氙灯是否点亮,如果点亮成功,则保持BUCK输出,氙灯持续点亮;如果点亮不成功,为了保护电路,则要切断BUCK电路输出,延时2 s后再次启动BUCK输出,如此至多循环3次,如果3次之后仍然未点亮氙气灯,说明线路或者灯管出现故障,故需要关闭BUCK电路输出,保护电路不至被烧毁。

    调光程序由中断程序完成,如图8所示,当MCU串口接收到指令后,首先判断指令知否合法,若不合法则直接结束此次调节过程;若合法,则需要先解析调光指令,然后根据指令,调节Uref到指定值,然后MCU的AD接口对Uref进行采样,如果采样值与设定值相符,则调光成功,反之,则调光失败。

dy2-t8.gif

2.4 控制软件设计

    为实现氙气灯调光系统的控制,使用vb.net语言编写了测控软件,控制软件界面如图9所示。控制软件可对氙气灯的开关和功率进行控制,同时也可实时显示交流输入的电压、电流、功率因数等,输出的电压、电流、功率,温度和光照强度,同时也可对氙气灯调光系统进行定时开灯和关灯,也能在安定器异常而过热时进行保护。

dy2-t9.gif

3 实验分析

3.1 调光结果

    基于上述原理制作了最大输入功率160 W的基于现场总线的氙气灯多级调光系统样机。本设计功率控制部分主要芯片为L6562D,最高档位(1档)工作时频率约75 kHz,随着功率的降低,频率会升高。输入电压145~265 V,最大功率160 W,最小功率60 W。

    安定器设计有8个功率档位,测试出每个档位对应的参考电压Uref、输入功率、光照强度如表1所示。

dy2-b1.gif

    表1中参考电压Uref来源于1.4节,光照强度由照度测试仪放置于氙气灯正下方2.55 m处测试所得。根据表1的参考电压Uref和输出功率数据,绘制了参考电压Uref与输出功率的曲线,如图9所示。

    图10中参考电压Uref与输出近似成线性关系,调小参考电压Uref,输出功率也随之线性降低,故该样机实验结果满足式1.5,由此验证了第1节的氙气灯调光原理。

dy2-t10.gif

3.2 调光稳定性

    调光过程的稳定性是本调光系统的一个重要指标,针对该指标做了大量的测试。利用控制软件进行调光控制,利用系统MCU记录调光失败次数,对该系统的调光稳定性进行了数万次的测试。根据调光跨度,记录了如表2的调光失败率统计(调光导致氙气灯熄灭即为调光失败)。

dy2-b2.gif

    表2数据表明,功率降低比提高功率时更容易导致调光失败;降低功率时,功率变化越大,越容易导致氙气灯熄灭。总之,本系统调光过程较为稳定,单次调光失败概率不超过0.04%,调光档位或功率跨度越小,失败率越低。

4 结束语

    根据上述测试结果,本设计实现了氙气灯的多级调光,调光过程稳定可靠,满足了设计要求,突破了传统氙气灯安定器不能调光的局限性,使得特定功率的氙气灯能够调节亮度,为氙气灯照明提供了一种节能的控制方法,也使本氙气灯安定器能够适用于不同功率的氙气灯,提高了安定器的适用范围,提高了其使用灵活性。

    本文所设计的基于现场总线的氙气灯多级调光系统已在150 W和70 W功率的氙气灯中得到验证,实际制作出的样机已持续工作超过6个月,测试中电路工作正常,调光稳定性和可靠性均得到了验证。

参考文献

[1] TOMM F L,SEIDEL A R,CAMPOS A.HID lamp electronic ballast based on chopper converters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2012,59(4):1799-1807.

[2] 张勇,蔡超峰,崔光照.一种高可靠性的氙气灯启动控制电路[J].电力电子技术,2011(1):39-41.

[3] 郭蓉,钱照明.一种新型低成本高可靠性金卤灯启动电路[J].电力电子技术,2006(4):93-96.

[4] CHENG C A,CHENG H L,KU C W,et al.A novel low-frequency square-wave-driven electronic ballast for auto-motive HID lamps[J].Computers & Mathematics With Applications,2015,64(5):1409-1419.

[5] KIRSTEN A L,COSTA M A D,RECH, C.Digital control strategy for HID lamp electronic ballasts[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(2):608-618.

[6] 张勇,王晓静,崔光照.基于单片机控制的氙气灯电子镇流器设计[J].郑州轻工业学院学报(自然科学版),2010,25(4):93-95.

[7] 郝建强.数模双环路HID安定器的设计[J].现代电子技术,2006(13):125-126.

[8] 李莉,胡建人,秦会斌.基于L6562的金卤灯电子镇流器恒功率控制技术[J].电子器件,2009,32(5):328-330.

[9] 张晓峰,王斯然,吕征宇.用于全数字式电子镇流器的中值滤波技术[J].电力电子技术,2007,41(10):64-65.

[10] 金龙.汽车用氙气前照灯电子镇流器的设计[J].电子技术应用,2012,38(12):57-59.



作者信息:

郑贵林,贺凌昊

(武汉大学 动力与机械学院自动化系,湖北 武汉430072)