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1、节能灯工作原理及相关电路分析,演讲：杨志国,安全实业有限公司电力仪器部,2015年4月10日,节能灯原理简介,功能特点：1)宽工作电压：170V250V适合中国供电需求，长寿命，平均使用寿命8000小时。无噪音、无频闪，对通讯、家用电器设备无干扰。比普通白炽灯泡省电80%。2)采用优质纯三基色荧光粉灯管，光效高、光衰小，光线自然，耗电少，发热低，是照明光源的最佳选择。,电子节能灯结构 三部分组成：灯头、电路板、灯管,节能灯原理简介,节能灯原理简介,电路分为三部分：电源、启动电路、振荡电路,镇流器电路原理,节能灯原理简介,1.电源电路：220V交流电经过D1D2D3D4桥式整流和C5滤波，给后面
2、电路提供300伏直流电，极性为上面正极，下面负极。,镇流器电路原理,节能灯原理简介,2.启动电路：其工作原理：当电源刚刚接通时，300伏直流电压经R1,R2,C2构成回路，C2两端没有电压，三极管Q2截止。Q1也截止。同时，直流电压经过R1,R2分压经变压器的原边2，1端和扼流圈L2,L2以及2个灯管的灯丝、C5,C5和上面的灯丝到电源正端构成回路，预热灯丝。R2,C2同时有2个电流流向负极。然后，C2的电压上升到使DB触发二极管导通，给三极管Q2基极提供电流，Q2导通。,镇流器电路原理,节能灯原理简介,Q2导通后，R2C2放电到约等于0，灯丝回路向Q1送电，Q1具备导通条件，Q2截止。同时，
3、变压器副边的极性使Q1Q2的导通、截止起到助力作用，电路就此震荡起来。当灯丝热到一定程度，内阻下降辉光放电，使得高频扼流圈与电容的谐震回路由谐振变为失谐，电压下降，电流增加，维持灯管发光。,镇流器电路原理,节能灯原理简介,电子镇流器工作最基本的原理是把50Hz的工频交流电，变成2050kHz的较高频率的交流电，半桥串联谐振逆变电路中，上、下两个三极管在谐振回路电容、电感、灯管、磁环的配合下轮流导通和截止，把工频交流电整流后的直流电变成较高频率的交流电。输出在1000V以上高压，发射电子激发荧光灯里面的水银蒸汽和氩气粒子，以至荧光粉发光！,镇流器电路原理,节能灯涉及的电路及电子部件,1、二极管及
4、其整流电路。2、电容及其滤波电路。3、双向二极管。4、三极管及其开关电路。5、高频变压器。6、电感线圈。7、串联谐振电路。,二极管及其整流电路,二极管及其整流电路,二极管及其整流电路,基本概念二极管又称晶体二极管,简称二极管(diode)，另外，还有早期的真空电子二极管；它是一种具有单向传导电流的电子器件。在半导体二极管内部有一个PN结两个引线端子，这种电子器件按照外加电压的方向，具备单向电流的转导性。一般来讲，晶体二极管是一个由p型半导体和n型半导体烧结形成的p-n结界面。在其界面的两侧形成空间电荷层，构成自建电场。当外加电压等于零时，由于p-n 结两边载流子的浓度差引起扩散电流和由自建电场
5、引起的漂移电流相等而处于电平衡状态，这也是常态下的二极管特性,二极管及其整流电路,二极管是最常用的电子元件之一，他最大的特性就是单向导电，也就是电流只可以从二极管的一个方向流过，二极管的作用有整流电路，检波电路，稳压电路，各种调制电路，主要都是由二极管来构成的，其原理都很简单，正是由于二极管等元件的发明，才有我们现在丰富多彩的电子信息世界的诞生，既然二极管的作用这么大那么我们应该如何去检测这个元件呢，其实很简单只要用万用表打到电阻档测量一下正向电阻如果很小，反相电阻如果很大这就说明这个二极管是好的。对于这样的基础元件我们应牢牢掌握住他的作用原理以及基本电路，这样才能为以后的电子技术学习打下良好
6、的基础。,晶体二极管整流电路,1.2.1 单相半波整流电路,1.2.2 单相全波整流电路,整流：把交流电变成直流电的过程。,1.2 晶体二极管整流电路,整流原理：二极管的单向导电特性,二极管单相整流电路：把单相交流电变成直流电的电路。,V：整流二极管，把交流电变成脉动直流电；T：电源变压器，把v1变成整流电路所需的电压值v2。,1.2.1 单相半波整流电路,1电路 如图（a）,2工作原理,由波形可见，v2一周期内，负载只用单方向的半个波形，这种大小波动、方向不变的电压或电流称为脉动直流电。上述过程说明，利用二极管单向导电性可把交流电v2变成脉动直流电vL。由于电路仅利用v2的半个波形，故称为半
7、波整流电路。,（2）v2负半周时，A点电位低于B点电位，二极管V反偏截止，则vL0。,（1）v2正半周时，A点电位高于B点电位，二极管V正偏导通，则vLv2；,设v2为正弦波，波形如图1.2.1（b）所示。,3负载和整流二极管上的电压和电流,（4）二极管反向峰值电压VRM（1.2.4）,（1）负载电压VL VL=0.45 V2（1.2.1）,（2）负载电流IL,（3）二极管正向电流IV和负载电流IZ（1.2.3）,（1）二极管允许的最大反向电压应大于承受的反向峰值电压；（2）二极管允许的最大整流电流应大于流过二极管的实际工作电流。,解决办法：全波整流,电路缺点：电源利用率低，纹波成分大。,选管
8、条件：,V1、V2为性能相同的整流二极管；T为电源变压器，作用是产生大小相等而相位相反的v2a和v2b。,1.2.2 单相全波整流电路,（一）变压器中心抽头式单相全波整流电路,1.电路如图 1.2.2：,图1.2.2变压器中心抽头式全波整流电路,2.工作原理：,（1）v1正半周时，T次级A点电位高于B点电位，在v2a作用下，V1导通（V2截止），iV1自上而下流过RL；,（2）v1负半周时，T次级A点电位低于B点电位，在v2b的作用下，V2导通（V1截止），iV2自上而下流过RL；,缺点：单管承受的反峰压比半波整流高一倍，变压器T需中心抽头。,3负载和整流二极管上的电压和电流,（1）负载电压V
9、L（1.2.5）,（2）负载电流IL（1.2.6）,（3）二极管的平均电流IV（1.2.7）,（4）二极管承受反向峰值电压（1.2.8）,（二）单相桥式全波整流电路,1电路如图,V1V4为整流二极管，电路为桥式结构。,（2）v2负半周时，如图1.2.4（b）所示，A点电位低于B点电位，则V2、V4导通（V1、V3截止），i2自上而下流过负载RL；,图1.2.4 桥式整流电路工作过程,2.工作原理,（1）v2正半周时，如图1.2.4（a）所示，A点电位高于B点电位，则V1、V3导通（V2、V4截止），i1自上而下流过负载RL；,由波形图1.2.5可见，v2一周期内，两组整流二极管轮流导通产生的单
10、方向电流i1 和i2叠加形成了iL。于是负载得到全波脉动直流电压vL。,优点：输出电压高，纹波小，较低。应用广泛。,3负载和整流二极管上的电压和电流,（1）负载电压VL（1.2.9）,（2）负载电流IL（1.2.10）,（3）二极管的平均电流IV（1.2.11）,（4）二极管承受反向峰值电压（1.2.12）,例1.2.1 有一直流负载，需要直流电压 V，直流电流 A。若采用桥式整流电路，求电源变压器次级电压 并选择整流二极管。,查晶体管手册，可选用整流电流为3安培，额定反向工作电压为100伏的整流二极管2CZ12A（3A/100V）四只。,二极管承受的反向峰值电压,流过二极管的平均电流,因为,
11、所以,解,图1.2.8 半桥和全桥整流堆,优点：电路组成简单、可靠。,（1）半桥：2CQ型，如图1.2.8（a）所示；（2）全桥：QL型，如图1.2.8（b）所示。,整流元件组合件称为整流堆，常见的有：,双向二极管,双向触发二极管又称触发二极管（DIAC）属三层结构，具有对称性的二端半导体器件。常用来触发双向可控硅，在电路中作触发、过压保护等用途。,双向二极管的特性,图a是它的构造示意图。图b、图c分别是它的符号及等效电路，可等效于基极开路、发射极与集电极对称的NPN型晶体管，图d是其伏安特性图。,双向触发二极管正、反向伏安特性几乎完全对称。当器件两端所加电压U低于正向转折电压V（B0）时，器
12、件呈高阻态。当UV(B0)时，管子击穿导通进入负阻区。顾名思义，它是一种双方向皆可导通的二极管，亦即不论外加电压极性，只要外加电压大于触电压VBO就可导通。一旦导通，要使它恢复断流，只有将电源切断或使其电流、电压降至保持电流，保持电压以下。同样当U大于反向转折电压V（BR）时，管子同样能进入负阻区。转折电压的对称性用V（B）表示。V（B）=V（B0）-V（BR）。一般V（B）应小于2伏。双向触发二极管的正向转折电压值一般有三个等级：20-60V、100-150V、200-250V。,由于转折电压都大于20V，可以用万用表电阻挡正反向测双向二极管，表针均应不动（RX10k),但还不能完全确定它就
13、是好的。检测它的好坏，并能提供大于250V的直流电压的电源，检测时通过管子的电流不要大于是5mA。用晶体管耐压测试器检测十分方便。如没有，可用兆欧表按图6所示进行测量（正、反各一次），电压大的一次V（BR）。例如：测一只DB3型二极管，第一次为27.5V，反向后再测为28V，则V（B）=V（B0）-V（BR）=28V-27.5V=0.5V2V,表明该管对称性很好。,电容滤波电路,电容器,电容器的特点,电容器的特点就是：对直流电表现出的阻抗极大，相当于不通。对交流电，频率越高阻抗越小。利用电容器的这个特点，我们就可以把混杂在直流电里的交流成分过滤出来，所以叫“滤波”。经过滤波，交流成分都经过电容
14、器回到电源去了，电容器两侧剩下的就是没有波动的纯直流电了。利用同样的原理，我们可以通过电容器筛选出交流信号，把直流成分去掉，这一作用被称为“耦合”。还可以利用电容器和电阻构成充放电时间电路，还可以利用电容器和电感组成谐振电路，等等。,电容器的种类,、按照结构分三大类:固定电容器、可变电容器和微调电容器。2、按电解质分类:有机介质电容器、无机介质电容器、电解电容器和空气介质电容器等。3、按用途分有:高频旁路、低频旁路、滤波、调谐、高频耦合、低频耦合、小型电容器。4、按制造材料的不同可以分为:瓷介电容、涤纶电容、电解电容、钽电容，还有先进的聚丙烯电容等等 5、高频旁路:陶瓷电容器、云母电容器、玻璃
15、膜电容器、涤纶电容器、玻璃釉电容器。6、低频旁路:纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器。7、滤波:铝电解电容器、纸介电容器、复合纸介电容器、液体钽电容器。8、调谐:陶瓷电容器、云母电容器、玻璃膜电容器、聚苯乙烯电容器。9、低耦合:纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、涤纶电容器、固体钽电容器。10、小型电容:金属化纸介电容器、陶瓷电容器、铝电解电容器、聚苯乙烯电容器、固体钽电容器、玻璃釉电容器、金属化涤纶电容器、聚丙烯电容器、云母电容器。,1.直流稳压电源,在生产、生活和科学实验中，主要采用交流电，但在某些场合，例如电解、电镀、蓄电池的充电、直流电动机等，都需要直流电源供电。此外，
16、在电子线路和自动控制装置中还需要用非常稳定的直流电源电压。为了得到直流电，除了用直流发电机外，目前广泛采用各种半导体直流电源。,半导体直流电源由整流变压器变压、整流电路、滤波电路、稳压电路等环节组成。,整流变压器Tr：将交流电源电压u1变换为符合整流要求的交流电压u2。,滤波电路：将单向脉动直流电压u3变换为脉动较小的直流电压u4。,整流电路：将交流电压u2变换为单向脉动的直流电压u3。,稳压电路：在交流电源电压波动及负载变化时，使直流输出电压u0稳定。,2.单相桥式整流电路,u0时：D1、D3正向导通，D2、D4反向截止，io0，uo=u0,u0，uo=-u0,uo、io的波形与平均值,二极
17、管的平均电流,二极管的最高反向电压,3.滤波电路,交流电压经整流后输出的是单向脉动的直流电压，其中既含有直流成份又含有交流成份。滤波电路的作用是利用电容元件两端电压不能跃变或电感元件中电流不能跃变的特性,将电容元件与负载并联或将电感元件与负载串联，滤掉整流输出电压中的交流成份，保留其直流成份，达到输出电压平滑的目的。,3.1 电容滤波电路,Oa段：D导通，电源对C充电，uo=uC=u；ab段：从a点开始，u和uC都开始下降，u按正弦规律下降，uC按指数规律下降，开始uC下降速度大于u，所以D导通，uo=uC=u；bc段：从b点开始，u下降速度大于uC，所以D截止，uo=uC，按指数规律变化，变
18、化快慢决定于=RLC。,带电容滤波时，uo的脉动大为减小，其平均值Uo增大。,单相桥式电容滤波整流电路,3.2 电感滤波电路,电路结构：在整流电路与负载之间串联一个电感L就构成了电感滤波电路。,滤波原理,对u的直流分量：f=0，XL=0，相当于短路，电压大部分降在RL上；对u的交流分量：f越高，XL越大，电压大部分降在XL上。因此，uo主要是u的直流成分，uo是比较平滑的直流电压。,Uo=0.9U,当忽略L的直流电阻时，uo的平均值约为：,缺点是电感铁芯笨重，体积大，易引起电磁干扰。,3.3 复合滤波电路,单独使用电容或电感构成的滤波电路，滤波效果不够理想，为了满足较高的滤波要求常采用电容和电
19、感组成的LC、CLC-型等复合滤波电路。,这两种滤波电路适用于负载电流较大，要求输出电压脉动较小的场合。,在负载较轻时，常采用电阻代替笨重的电感，构成CRC-型滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压。但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，所以只适用于负载电流较小的场合。,在负载较轻时，常采用电阻代替笨重的电感，构成CRC-型滤波电路，同样可以获得脉动很小的输出电压。但电阻对交、直流均有压降和功率损耗，所以只适用于负载电流较小的场合。,4.思考题在单相桥式整流电路中，如有一臂断路，负载电阻上的电压和电流波形将如何？如有一臂短路，情况又将怎样？,电子镇流器电路（基本半桥逆变电路）分析,一、各元件的
20、作用,FUSE保险电阻：过电流和短路电流保护元件，抑制浪涌电流；L1，C1，C2：组成型EMI滤波器，减轻高频逆变电路产生的电磁干扰；D1，D2，D3，D4：组成桥式整流电路，将输入的交流变为直流；C4滤波电容：将整流出的电压进行平滑滤波，使其接近直流电压R1，C5：RC积分电路，滤波后的电压经过R1对C5进行充电，提供DB3导通电压；DB3双向触发二极管：当C5上的电压高于DB3的导通电压时，DB3导通，向Q2的基极注入电流，使T2导通，电路起振后，DB3不再导通；,D5：隔离启动电路和振荡电路，使振荡电流不会经过C5到地；R2，C4：C4为续流电容，R2为C4提供放电网络。当Q1和Q2在交
21、替开关的同时截止阶段，使灯丝有电流流过，C4通常为10003300pF；R2，C4组成的放电网络同时避免两个三极管电流重叠，提供一个死区时间。D6，D7续流二极管：与三极管并联在磁环线圈的两端，保护三极管，防止三极管反向击穿，反向电动势会通过二极管释放；Q1，Q2开关三极管：构成推挽电路，两管交替导通，在Q1的发射极和Q2的集电极中间产生近似方波脉冲；R4，R6：稳定电路工作点，负反馈作用，抬高晶体管发射极电位，控制发射机和基极之间的电压；R3，R5：控制晶体管的基极电流，同时隔离晶体管的基极电压与磁环绕组的感应电动势；N1，N2，N3磁环绕组（脉冲变压器）：利用互感耦合，以及磁芯的饱和特性，
22、控制Q1与Q2的交替开关；L2，C6：LC串联谐振电路，在C6两端为灯提供启动电压，同时对方波脉冲进行滤波，使灯丝电流近似正弦波；L2的Q值和C6的决定提供启动电压的大小；C7，C8：隔直电容，为灯丝电流提供交流通路。,电路的工作原理,1、电路启动SI和SD之间通电，220V，50Hz交流电，经过整流滤波后，在C3的两端产生约311V的直流电压VC。此时该电压通过R1、C5组成的积分电路对C5进行充电，当C5上的电压达到DB3的导通电压时，DB3导通，DB3导通后因为Q1，Q2的开关频率高，C5充电不充分，在上面的电压是一些幅度很小的锯齿波，达不到DB3的导通电压，因此电路一旦启动，DB3就不
23、再导通。,2、电路起振,DB3导通电流直接进入Q2的基极，驱动Q2导通，Q2导通后，电流的流经路径为：VC正极C7灯丝C6灯丝L2N3Q2的集电极R6VC负极（地）。如下图所示：,（1）Q2导通，Q1截止，流过N3的电流使N3产生一个阻止此电流增加的感应电动势，极性为同名端为正，N3耦合到N1，N2，N1，N2的同名端感应电动势为正。N1上的感应电动势减小Q1的基极电压，使Q1保持截止。N2上的感应电动势使Q2的基极电压增大，Q2的基极电流增大，则Q2的集电极电流增大，N3上的感应电动势加强，N1，N2上的感应电动势加强，形成正反馈使Q2逐渐饱和。,Q2的集电极电流不断的增大，使磁芯磁导率达到
24、最大，磁导率开始下降，Q2的集电极电流继续增大使磁导率急剧下降，N1，N2，N3上的感应电动势急剧下降，N2感应电动势的下降使Q2的基极电压下降，集电极电流开始下降，N3产生感应电动势阻止此电流减小，极性为同名端为负，N3的感应电动势耦合到N1，N2，同名端为负，Q2的基极电压下降，Q1的电压上升。Q2急剧趋于截止，Q1趋于导通。,（2）当Q1将要导通，Q2已经截止时，（流过N3的电流）灯丝电流不能通过Q2，此时续流电容C4发挥作用，该电流对C4反向充电，保持灯丝电流的连续流通。,（3）Q1导通，Q2截止，此时电流路径为：VC正极Q1R4N3L2灯丝C6灯丝C8VC负极（地）。如图所示：,由于
25、正反馈作用使Q1饱和，Q1的发射极电流增大，流过N3的电流增大，使磁芯磁导率达到最大，而Q1发射极电流继续增大，使磁导率急剧下降，N1，N2，N3上的感应电动势下降，Q1的基极电压下降，Q1发射极电流下降，N3产生感应电动势阻止此电流下降，感应电动势方向又变为同名端为正。通过镇反馈N1上的感应电动势增加使Q1的基极电压急剧下降，N2上的感应电动势增加使Q2的基极电压急剧增加。Q1趋于截止，Q2趋于导通,4)当Q1截止，Q2将要导通时，灯丝电流不能流过Q1，此时灯丝电流仍由C4续流，保持灯丝电流连续。,(5)Q1截止，Q2导通，电路又重复经过（1）（2）（3）（4）状态，如此循环，电路进入振荡状
26、态。,3、正常工作电路进入振荡状态以后，在Q1的发射极和Q2的集电极之间产生方波，Q1饱和时，Q2截止时，形成方波上沿，幅度为：VC-（Q1的饱和管压降+R4上的压降）；Q1截止，Q2饱和时，形成方波下沿，幅度为：Q2的饱和管压降+R6上的压降。又C7、C8组成无源半桥中点的电压为VC/2。所以可以将该方波看作是交变方波，方波上沿为：VC/2-（Q1的饱和管压降+R4上压降），方波下沿为：（Q2的饱和管压降+R6上压降）-VC/2，此方波电压经过L2，C6的串联作用滤波，其波形接近正弦波，因为频率接近串联谐振频率，在C6上产生很高的启动电压，使灯点亮。点亮后灯管可以视作等效电阻。灯管等效电阻是
27、由灯管电压和灯管电流决定的。假设由Q2的集电极输出电压为幅度150V，35KHz的交变方波，灯正常工作时的灯丝电阻为380欧，取C6=6.8n，C7=C8=100n，仿真电路及仿真波形如下：,四：影响镇流器工作频率的因素（1）次级磁环匝数N1、N2以及R3、R5控制三极管的饱和程度，饱和程度越深，退出饱和越慢，工作频率越低，反之亦然；（2）磁环的磁导率越大，工作频率越低；（3）发射极反馈电阻R4、R6越大，负反馈作用越 强，三极管越不容易饱和，工作频率越高；（4）灯管等效电阻越大，时间常数=L/R越小，工作频率越高；（5）工作环境温度上升，基极发射极电压UBE减小，存储电荷与存储时间变大，工作频率变低。,谢谢聆听,
