網友求解:節能燈原理圖分析的幾個疑惑
發布時間:2013-12-03 責任編輯:eliane
【導讀】網友給出了一款最經典的電子節能燈電路,電路後半部分的逆變電路采用磁性材料組成的純模擬電路進行開關的(de)通(tong)斷(duan)轉(zhuan)換(huan)。在(zai)對(dui)其(qi)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)後(hou),網(wang)友(you)對(dui)於(yu)該(gai)電(dian)路(lu)開(kai)關(guan)管(guan)的(de)開(kai)關(guan)轉(zhuan)換(huan)是(shi)怎(zen)麼(me)完(wan)成(cheng)的(de)存(cun)在(zai)幾(ji)點(dian)疑(yi)問(wen),希(xi)望(wang)廣(guang)大(da)的(de)工(gong)程(cheng)師(shi)朋(peng)友(you)們(men)能(neng)夠(gou)幫(bang)他(ta)解(jie)疑(yi)答(da)惑(huo)。
此(ci)電(dian)路(lu)是(shi)電(dian)子(zi)節(jie)能(neng)燈(deng)最(zui)基(ji)本(ben)的(de)結(jie)構(gou),也(ye)是(shi)最(zui)經(jing)典(dian)的(de)電(dian)路(lu)。電(dian)路(lu)後(hou)半(ban)部(bu)分(fen)的(de)逆(ni)變(bian)電(dian)路(lu)采(cai)用(yong)磁(ci)性(xing)材(cai)料(liao)組(zu)成(cheng)的(de)純(chun)模(mo)擬(ni)電(dian)路(lu)進(jin)行(xing)開(kai)關(guan)的(de)通(tong)斷(duan)轉(zhuan)換(huan)。

目mu前qian,對dui於yu電dian路lu工gong作zuo時shi的de電dian流liu流liu向xiang問wen題ti已yi經jing不bu存cun在zai疑yi問wen。現xian在zai,主zhu要yao問wen題ti集ji中zhong在zai開kai關guan管guan的de開kai關guan轉zhuan換huan是shi怎zen麼me完wan成cheng的de。現xian在zai主zhu要yao存cun在zai的de有you兩liang種zhong解jie釋shi。
第一種,也是流傳最廣的:磁環磁飽和。
這種解釋的理解是:在(zai)開(kai)關(guan)管(guan)的(de)兩(liang)個(ge)基(ji)極(ji)感(gan)應(ying)線(xian)圈(quan)感(gan)應(ying)到(dao)電(dian)壓(ya),在(zai)磁(ci)飽(bao)和(he)時(shi),沒(mei)有(you)電(dian)壓(ya)了(le),由(you)於(yu)電(dian)感(gan)的(de)電(dian)流(liu)不(bu)能(neng)突(tu)變(bian)的(de)原(yuan)因(yin),使(shi)感(gan)應(ying)線(xian)圈(quan)感(gan)應(ying)出(chu)了(le)與(yu)先(xian)前(qian)相(xiang)反(fan)的(de)電(dian)壓(ya),經(jing)過(guo)正(zheng)反(fan)饋(kui)的(de)強(qiang)化(hua),使(shi)得(de)開(kai)關(guan)管(guan)的(de)狀(zhuang)態(tai)發(fa)生(sheng)了(le)轉(zhuan)換(huan)。
詳細一些的過程為:
當電路加上電後,電路通過電阻R1、R2給電容C2進行充電。當電容C2上的電壓達到雙向觸發管VDB的轉轉電壓時,電流通過開關管VT2的基極和發射極構成通路。此時下管VT2管開,電路是通過電容C4、負載、下管VT2構成回路。在整個工作過程中,由於磁環進入磁飽和,使得開關管基極感應出的電壓為0,而由於電感中的電流不能突變。線圈N1中的感應電壓為上正下負,所以,線圈N2感應出的電壓為上正下負,N3感應出的電壓為上負下正。此時,下管VT2截止,而上管正好打開,此時,電流的流向就是電容C4中的貯能通過上管VT1,電感、負載回到電容C4的(de)另(ling)一(yi)端(duan)。在(zai)這(zhe)個(ge)工(gong)作(zuo)過(guo)程(cheng)中(zhong),磁(ci)環(huan)再(zai)次(ci)通(tong)過(guo)磁(ci)飽(bao)和(he),使(shi)得(de)磁(ci)環(huan)線(xian)圈(quan)中(zhong)的(de)感(gan)應(ying)電(dian)壓(ya)發(fa)生(sheng)極(ji)性(xing)變(bian)化(hua),從(cong)而(er)開(kai)關(guan)管(guan)再(zai)次(ci)發(fa)生(sheng)轉(zhuan)換(huan)。如(ru)些(xie)往(wang)複(fu),形(xing)成(cheng)了(le)以(yi)一(yi)定(ding)頻(pin)率(lv)轉(zhuan)換(huan)的(de)開(kai)關(guan)狀(zhuang)態(tai),實(shi)現(xian)了(le)DC-AC的高頻轉換。
在這個過程中,一定要使兩個開關管上的基極接的磁環同名端不一樣。即:從上圖來看,就是從上到下規定,N1和N2的同名端相同,N3的同名端剛好相反。現假設線圈N1的上端為同名端,那線圈N2的同名端就在與電阻R5相接處,線圈N3的同名端就在與電路地相接處。
在(zai)這(zhe)個(ge)解(jie)釋(shi)過(guo)程(cheng)中(zhong),沒(mei)有(you)詳(xiang)細(xi)的(de)關(guan)於(yu)開(kai)關(guan)管(guan)是(shi)如(ru)何(he)進(jin)入(ru)開(kai)關(guan)狀(zhuang)態(tai),及(ji)電(dian)路(lu)是(shi)如(ru)何(he)進(jin)入(ru)諧(xie)振(zhen)狀(zhuang)態(tai)觸(chu)發(fa)燈(deng)管(guan)的(de),及(ji)解(jie)釋(shi)中(zhong)引(yin)進(jin)的(de)正(zheng)反(fan)饋(kui)是(shi)如(ru)何(he)形(xing)成(cheng)的(de),以(yi)及(ji)磁(ci)飽(bao)和(he)理(li)論(lun)是(shi)如(ru)何(he)形(xing)成(cheng)的(de)。
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第一個遺留問題:如何進入開關狀態?
根據我的理解,開關管是先進入放大狀態,然後過渡到開關狀態,到這時,集電極電流IC不再受IB的de影ying響xiang。也ye就jiu是shi,先xian是shi放fang大da狀zhuang態tai,高gao頻pin率lv信xin號hao是shi通tong過guo基ji極ji接jie的de磁ci環huan線xian圈quan繞rao組zu引yin進jin,通tong過guo三san極ji管guan進jin行xing放fang大da,通tong過guo三san極ji管guan的de發fa射she極ji輸shu出chu。放fang大da後hou的de信xin號hao經jing過guo磁ci環huan的de耦ou合he線xian圈quanN1與線圈N2、N3fankuixingchengzhengfankui,shijijishangganshengdianyazengda,zengqianglequdongnengli。houxudefazhanshidianlujinrubaohequ,cishi,sanjiguancaishiwanquanjinrukaiguanzhuangtai。zhebufendebianhuakecankao“三極管放大狀態中的非線性失真中的頂部失真”。
第二個遺留問題:如何進入諧振狀態?
據我理解,在雙向觸發二極管VDB觸發時,其電流中是有很多高頻分量的(此部分參照三極管放大電路的頻率特性)。其實在負載燈未進入工作時,其工作回路是:C4、C5、電感、磁環耦合線圈、兩個開關管VT1和VT2。由於主要由C4、C5、diangandexuanpintexing,jiashangcihuanouhexianquangouchengdezhengfankui,tongguosanjiguandefangdadianlu,shidexiezhenpinlvdiandedianliubeibuduandefangda。dangdadaoxiezhenpinlvdian,C5上的諧振感生電壓足以擊穿負載,使之進入正常工作狀態時,負載被成功點燃。當負載被點燃後,其相當於一根導線接在電容C5兩端,從而使電容C5“短路”。這時,根成的工作回路中,將電容C5換成負載,其他情況不變。
第三個遺留問題:正反饋是怎麼形成的?
在上麵的解釋中其實已經提到了正反饋是怎麼形成的。第一點:磁環上的三個耦合線圈的同名端必須正確。即線圈N1和N2的同端相同,線圈N3的同名端和其餘兩個相反。

假設下管導通時,流過線圈N1的電流方向為從下到上,此進,線圈N1上的感生電壓為下正上負,而線圈N3由於下管VT2的導通緣故,感生的電壓為上正下負。由於電流持續上升,線圈N1上的感生電壓極性不變,數值變大。同時,由於線圈N1與N3線圈間的互感作用,使得線圈N3上的電壓也是極性不變,數值變大。這一變化,更加促使下管VT2的導通。這一過程就是通過反饋使驅動信號變強,所以,是一個正反饋過程。
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第四個問題:磁環的磁飽和
對於這個磁環的磁飽和,我是想不通怎麼形成的。不過,當磁環磁飽和時,確實能夠使感生的電壓變為0,以此為理論點,可以使開關管進行開關狀態的切換。
假設下管導通,上管截止。下管VT2導通時,基極上是正電壓,當磁環進入磁飽和時,線圈N3上的感生電壓為0V,此進,對照下管VT2的發射極,其接電路中的地,所以,形成VBE截止,三極管進入關斷狀態。這時下管VT2進入截止狀態,關斷。可是我想不通,這時,上管是如何進入導通狀態的。
還有一個就是:磁環進入磁飽和的條件不符合。

我們在工程計算時,取B不超過200mT,最大不超過230mT,以保證電感不會進入飽和區。在實際應用中,我根據實際磁環線圈的參數計算時發現,其結果遠遠小於這個規定值。
而er且qie,有you次ci和he用yong的de磁ci環huan由you於yu初chu始shi磁ci導dao率lv高gao,而er燈deng殼ke內nei的de溫wen度du過guo,使shi燈deng在zai點dian烘hong箱xiang時shi,過guo一yi段duan時shi間jian後hou,電dian路lu停ting止zhi工gong作zuo。將jiang燈deng取qu出chu冷leng卻que後hou,電dian路lu又you正zheng常chang工gong作zuo。而er且qie在zai外wai界jie室shi溫wen情qing況kuang下xia,連lian續xu工gong作zuo無wu任ren何he不bu良liang現xian像xiang出chu現xian。當dang時shi評ping估gu為wei磁ci環huan在zai高gao溫wen烘hong箱xiang內nei(80度),再加上殼內溫度高,使磁環接近居裏點,磁環失性。從而使燈無法正常工作。
當時根據這一現像,我更加理解為:若磁環真的是進入飽和,那電路根本就不會工作。所以,我認為這個磁飽和理論是不正確的。
第二種解釋就是:三極管由於進入電流飽和,電流停止變化,使得線圈上的互感電壓變為0,再加上電感上的電流不能突變的特性,使感生出的電壓極性發生變化,從而實現三極管開關狀態發生變化的。
這個理論是我比較接受的。這個理論的關鍵點有這麼幾個:
1、電流不在發生變化
2、電感電流不能突變的特性,使得感生的感應電動勢會在電流增大和電流減小兩個過程中感生出不同的電動勢。
關於開關管轉換的詳細過程是這樣的:
第一個階段:三極管導通時,是先進入放大狀態(見第一個遺留問題)此時,IC是隨IB的增加而增加。IB的增加是由於正反饋形成的。在這個過程中,IC是隨IB的變化而變化的。
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第二個階段:由於負載進入穩態工作,其最大工作時的電流是固定的。當電流增加到這一值時,電流就不再增大(電感的扼流作用,抑製了放電管的負阻特性)。此時,相當於是負載是個定值的阻態,總線電壓固定,其最大工作電流也就定下來了。當電流達到最大電流時,電流就不再增加。
根據電感上的感應電動勢計算公式:UL=L*di/dt式4
由式4可以看出,線圈上的感應電動勢是和線圈上的電流的變化有關的。當電流停止變化時,感應電動勢也就隨之消失。
這第一個階段就是感應電動勢電壓存在,第二個階段就是感應電動勢消失,也是開關進行轉換的切換點。
根據電感中的電流不能突變的特性。
第三階段:youyudianganzhongdedianliubunengtubian,suoyi,dianliudefangxiangbuhuimashangjiuhuigaibian,ershiheyuanlaideliuxiangyizhi,bingjianxiao。zheshi,xianquanshangdeganyingdiandongshijiuzaicicunzai,yinweicunzaidianliudebianhuale;zaiyige,dianliudefangxiangheyuanlaibaochiyiyang,weichiyuanlaideliuxiang,suoyi,ganyingdiandongshidejixingfashenglebianhua。zheshi,caichanshenglesanjiguankaiguanzhuangtaidezhuanhuan。
然後不停地重複這三個階段。
以上麵原理圖圖例說明就是:
1、假設下管VT2進入放大區,電流的持續上升;及基極線圈N3上的感應電壓是上正下負,並因正反饋而不斷加強;線圈N1中感應出來的電壓是上負下正(用於對抗電流的增加),N2和N1相同。由於基極線圈N3上電壓的增加,使開關管最終進入飽合區。三極管完全處於開關狀態。
2、電流不斷增加,當達到負載所需最大電流時,由於電感的扼流作用,使電流不再增加,這時,電流不再發生變化。線圈N1、N2、N3上不再有感應電動勢。
3、由於電感電流不能突變,現在處於維持原電流流向並逐漸減小。這時,線圈N1、N2、N3上的感應電動勢再次出現。此時,由於是為維持原電流方向,線圈N1感應電動勢為上正下負,N2同N1一樣,N3為上負下正。此時,下管VT2上的VBE電壓為負,三極管截止,上管VT1上的VBE為正,進入放大狀態。這時,開關管的開關狀態轉換徹底完成。
4、此時,上管VT1重複上述1~3的過程,成功實現開關管的轉換。
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下麵說下電路中部分器件的作用:
電路中,開關管CE兩端接的二極管VD6和VD7的作用和開關管BE兩端接的VD8和VD9的作用相似。
先說下VD6和VD7的作用:
在開關管進行開關狀態轉換的時候,電感中的電流不能突變,而是先要維持原來的狀態一會時間(雖然時間很短)。這兩個管子是為這個電流提供泄放通路的。
假設,初始狀態是下管導通,上管截止。此時,開關管狀態進行轉換時,電感中的電流方向還是從負載流向電感L2。這時,由於二極管VD6的存在,使得泄放電流經過VD6回到電容C4。
若沒有二極管VD6存在時,泄放通路是流過開關管,走下管VT2。
由(you)於(yu)開(kai)關(guan)管(guan)各(ge)極(ji)間(jian)存(cun)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)電(dian)容(rong),所(suo)以(yi),當(dang)開(kai)關(guan)管(guan)由(you)導(dao)通(tong)狀(zhuang)態(tai)進(jin)入(ru)截(jie)止(zhi)狀(zhuang)態(tai)時(shi),它(ta)不(bu)是(shi)完(wan)全(quan)截(jie)止(zhi)的(de)。而(er)是(shi)存(cun)在(zai)一(yi)段(duan)時(shi)間(jian)的(de)延(yan)遲(chi)才(cai)能(neng)完(wan)全(quan)關(guan)斷(duan)。所(suo)以(yi),當(dang)開(kai)關(guan)管(guan)進(jin)行(xing)轉(zhuan)換(huan)時(shi),雖(sui)然(ran)N3線圈上的感生電壓為負了,但是管子還不能馬上進入關斷狀態,電感上的感生電流的流向會通過下管VT2的CE接jie地di。由you於yu電dian感gan的de感gan生sheng電dian流liu是shi一yi個ge尖jian峰feng量liang,存cun在zai時shi間jian短duan,會hui形xing成cheng一yi個ge尖jian峰feng電dian流liu流liu過guo下xia管guan,對dui管guan子zi的de損sun害hai比bi較jiao在zai。同tong時shi,增zeng加jia了le管guan子zi的de損sun耗hao。
當增加這樣一個二極管後,會將這個電流量通過另外一種途徑泄放,消除對開關管的影響或是損壞。
對於上圖是電路的另外一種變形體,隻有一個無源臂C4,所以,當上管由導通到截止時,這個分析過程是不成立的。換做另一個電路,就是再加一個無源臂C6,一端接地,一端接C4與負載燈絲。此時,這個分析過程就在上管的分析就成立了。
上管VT1上CE兩端的電容C3。
這個電容大多數時候被稱作是移相電容,也有叫續流電容。
移相,我這個通過調整看過。通過調節這個電容的大下,可以調節管子VCE電壓和IC電流的重合麵積,反應的就是管了的損耗。
續流,我也做過測試。當用電流探頭測試這個電容上的電流時,發現它是一個很短的,類似於充電電流的一個波形。
電容C3上的電流波形。
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對於這個續流的解釋:
由於兩個管子在轉換期間存在一定的死區時間。這個時間內的電流提供路徑是通過電容C3完成的。當上管VT1由導通到截止時,電容C3兩liang端duan的de電dian壓ya逐zhu漸jian增zeng加jia。此ci進jin,形xing成cheng了le一yi定ding的de充chong電dian電dian流liu。剛gang好hao這zhe個ge電dian流liu對dui電dian感gan由you於yu電dian流liu減jian小xiao處chu於yu維wei持chi階jie段duan提ti供gong了le一yi定ding的de電dian流liu支zhi持chi。使shi電dian路lu在zai下xia管guan導dao通tong前qian,負fu載zai中zhong的de電dian流liu不bu至zhi於yu中zhong斷duan。
針對以上問題,有網友給出以下看法:
“第二個遺留問題:如何進入諧振狀態——
這個狀態有一點小研究提供參考,節能燈線路架構為LCC容性負載Q值在諧振點時大於1(幾倍要看燈管擊穿電壓),提供增益曲線圖及轉移函數,C4跟C5扮演線路最重要角色。

頻率經過諧振點時達到擊穿管電壓(500~700V看燈管規格),然後進入左半平麵降低(維持)管電壓(50~70V也許),從這個觀點在去解釋三極管工作狀態或許會有不同體驗。”
“樓主在算磁飽和時, 要知B=LI/NAe這個公式中L的定義及測試. L電感量在無氣隙且大電流的時候是沒有意義的. 這樣算磁飽和也是不正確的。當然, 磁飽和理論在節能燈驅動上的解釋確實是有問題的。用開氣隙的變壓器也是可以驅動節能燈的, 這時的電流遠未達到磁芯飽和的程度. 但半橋電流依然可以反轉。”
廣大的工程師朋友們,對於筆者的這些問題,你又有什麼樣的看法呢?歡迎大家探討,相互學習,共同進步。
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