《电子技术应用》

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 作者:郑贵林,贺凌昊
2017/10/24 14:26:00

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。

    关键词: 氙气灯;安定器;多级调光;RS485总线;Modbus

    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.

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。

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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。

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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。

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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:

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    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:

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    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),

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    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。

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    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。

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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。

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    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。

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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。

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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。

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    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。

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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)。

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    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

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