低直流电压供电的36W/T8灯管用可调光电子镇流器

低直流电压供电的36W/T8灯管用可调光电子镇流器

利用IR2159可以构成采用低直流供电电压的可调光电子镇流器电路,下面介绍一个采用IR2159的30V直流供电电压的可调光电子镇流器电路。电路原理如图1所示。

在图1所示的电路图中功率输出级采用推挽输出电路，由于电路的直流供电电压较低（30V），所以功率输出级的推挽变压器次级的一只引脚可以和初级电路的地共地，同样为了避免在调光过程中产生的灯光发光条纹沿灯管的一端向另一端移动的现象，在功率输出推挽变压器的次级绕组的上端通过一个电阻R₁₆接至电源供电+30V的正极，同时电路通过电阻R₁₀和电容C₆接至IR2159的SD引脚9，以实现灯管不在位或灯管低端灯丝断路的故障保护，电阻R₁₅和电容C₁₀组成的RC吸收电路用以吸收由于功率开关管VT₁和VT₂在关断时产生的开关脉冲尖峰电压，并且也可以优化功率开关管VT₁和VT₂的工作条件。为了检测功率输出级的工作电流，在功率开关管VT₂的源极串接了一只0.1Ω的电流检测电阻，通过这只电流检测电阻产生的电流检测信号的相位和通过推挽变压器次级升压绕组的电流信号的相位基本一致，所以可以用作调光控制的检测控制信号。并且通过这个0.1Ω的电流检测电阻产生的电压信号可以在灯管点火失败时作为灯电路的故障保护信号。在这个电路中采用的功率管的型号为IRF540N，它的V_ds电压额定值为100V，在25℃条件下的导通电阻R_ds(on)为0.044Ω。这对VT₁和VT₂在关断期间产生的60V的脉冲峰-峰值电压来说是有足够余量的。

1、 输出级L、C参数的选择

图1所示电路正常工作时，在推挽变压器次级产生300V峰峰值的脉冲方波电压，在推挽变压器次级必须加隔直电容C₁₁，以避免在推挽变压器的初级侧由于磁不平衡而导致推挽变压器磁饱和。电路的灯满功率工作时的工作频率为40kHz，这样应取L=1.6mH，C=6.8nF。这个可调光电子镇流器电路中的灯丝预热电路为电流型灯丝预热电路（参见本书第2章关于灯丝预热电路的有关内容介绍），灯电路满功率工作时的灯丝预热电流有效值为0.6A。灯电路所需的灯丝预热工作频率和灯电路预热工作电压可分别利用下面的公式计算：

(1)

（2）

式中，=300V。

同样，在灯电路调光应用中，足够的灯阴极工作电流对灯的正常工作是非常重要的。在灯调光至2%的灯满功率亮度值时的灯阴极电流可利用下式计算：

(3)

在图1所示电路中，对应灯2%的满功率亮度值时的灯工作电压为，相应的工作频率为71kHz，相应的灯阴极电流为峰值0.5A（有效值为.5/1.414=）。

一般而言，灯工作在调光应用工作条件下，在整个灯电路的调光工作范围内，灯丝的电阻变化范围应在（3~5.5）倍的灯丝冷电阻值内。对T8/36W灯管，灯丝的冷阻大约为3Ω。在灯最低发光亮度输出时，灯丝的有效值电压大约为3V，所以灯丝电阻大约为3V/0.35A≈9Ω，是灯丝冷电阻3Ω的3倍。

2、 IR2159有关外围电路元件参数的选择

（1） 电阻R₆的选择

（4）

在本例中，可选=40kHz，这个最低工作频率将会决定灯电路的最大输出功率，这样将=40kHz代入上式后有R₆=38.3kΩ，取R₆=36kΩ。

（2） 灯电路电流检测电阻R12的计算

（5）

在图1的电路中，N_P=25匝，N_S=125匝，灯点火电流为2A，则可计算得R₁₂=0.16Ω，在实用中可以取0.15Ω或0.1Ω，如果取R₁₂=0.15Ω，则电路的过电流保护功能会更为灵敏些。

为了方便起见，也可以利用电子镇流器辅助设计软件BDAV2.0或BDAV3.0来计算R₁₂的值，但是由于本电路的供电电压为直流30V，所以通过BDA计算出的R₁₂值应乘以本电路中功率变压器的匝数比，这样才能得到可实用的R₁₂值。需注意的是电路中的电阻（R₇）、（R₄）和（R₅）的取值与R₁₂的取值有关。

（3） 电阻R₇的参数的计算

（6）

在灯满功率工作条件下的灯丝预热电流的有效值为0.6A时，电阻R₇的取值为22.9kΩ，取22kΩ。

为了设定IR2159的MIN引脚6和MAN引脚5的电阻R₅、R₄的取值，从而决定灯电路输出功率的调节范围，MIN引脚6的电阻R₅的数值可利用下式计算：

（7）

为了计算简单方便，可假定灯电路工作在最低工作频率下所对应的灯电压、灯电流的相位角为-90°。这样有R₅=27kΩ。使用上式需注意的是，式（7）分母中的数字45的单位为角度的度，即为45°。

同理，从灯电路的工作原理可知，在灯电路满功率工作时，灯电路的工作频率低于灯电路谐振回路的谐振频率，这样灯电路中的灯电压/灯电流之间的相位移应在0°~45°的范围内，这样假定在灯电路满功率工作时，灯电压和灯电流之间的相位移为-30°，这样可利用下面的公式来计算电阻R4的取值：

（8）

同理，公式中分母中的数字45的单位为角度的度，即为45°。计算结果为17.4kΩ，取R₄=18kΩ。

根据以上的计算结果可以进行电路板组装，并进行电路板的电路性能指标测试，通过电子镇流器的输入电流测试可以判断电路的最大输出功率值是否正确（正常值为1.25A），并可决定是否需要调节电阻R₄的参数值，同样也可以将灯电路功率调节到最低灯功率输出值，观察灯的亮度，并相应调节电阻R₅的参数值，以获得相应的灯最低亮度。实际调整过程中可以先将电阻R₄、R₅用电位器代替，一旦调节合适后，再将电阻R₄、R₅的值取相应的固定电阻值。

3、 电路板PCB元件布局的考虑

在本电路的PCB板布局时，首先应使大电流引线尽量短和尽量宽，电阻R₁₂的安装位置应尽量靠近IR2159的COM引脚12，并且引线应尽量粗短，电解电容器C₂的负极COM引脚12的引线也应尽量粗短，同样电解电容器C₂的正极和变压器中心抽头的引线连线也尽量粗短，电容C₉的引线应尽量靠近V_CC引脚13和COM引脚12，元件C₃、C₄、C₅、R₄、R₅、R₆、R₇、C₆、C₇和C₈引脚的公共点同样也应接至COM引脚12的连接点。除了场效应管VT₁和VT₂的栅极驱动信号引线和IR2159的VB引脚14的连接线可以长一点外，其他所有和IR2159有关引脚相连接的引线应尽量短，应使大电流引线离IR2159外围的敏感元件尽量远些，以免引入附加干扰信号。

4、 脉冲开关变压器的设计

由于电路的供电电压为30V，在功率开关管VT₁和VT₂的开关过程中，由于线圈反电动势的原因，变压器T₁初级侧的脉冲电压峰-峰值为260V=120V。由于变压器次级侧供给谐振回路和灯负载的脉冲电压要求为300V的峰-峰值，所以变压器T₁初、次级的匝数比应为300/120=2.5，即脉冲开关变压器的匝数比选为1+1：5=1：2.5。

脉冲开关变压器T₁的磁芯尺寸应满足在40kHz的工作频率下能输出的36W的灯功率，这里选型号为EF25（E23/13/7）的3C85或N27磁性材料的磁芯，这种型号的磁性材料的未加磁缝间隙的A₁值为1900nH，有效磁通横截面积A_e为52mm²。

脉冲开关变压器初级的V·s积（伏·秒积）为

本电路中选取脉冲开关变压器T₁的匝数为25+25：125匝=1+1：5。

这样脉冲开关变压器初级侧的电感量为50²1900nH=4.75mH。

所以脉冲开关变压器T₁初级侧的磁化电流为75010^-6/4.7510^-3=0.16（A）

同样脉冲开关变压器T₁的峰值磁通量密度为

这表明在磁化曲线的每一个方向磁芯接近饱和，但是在高温工作条件下磁芯又没有磁饱和。

5、 输出镇流电感（即LC谐振回路的谐振电感）的设计

（1） 导线直径的选择

由于电路工作在调光应用场合，电路的最高工作频率可以高达70kHz，为了尽可能减小由于趋肤效应而引起的损耗，选用多股导线的使用效果会好些，如果使用单股导线来绕制脉冲开关变压器T₁，则灯负载工作在低发光亮度的调光应用场合，输出镇流电感的温升会高些。

根据流过灯电流的大小和最大灯功率的大小，可以很方便地估算出灯工作电压有效值的大小。在本电路的工作条件下，灯的工作电压有效值为100V，对36W的灯功率，可以推算出灯电流为0.36A。可选用电流密度为3A/mm²的导线来计算镇流电感导线的直径，这样0.36A/(3A/mm²)=0.12mm²，即应选用脉冲开关变压器T₁次级绕组导线的横截面积为0.12mm²。

导线的趋肤效应是需要考虑的一个因素，对铜导线的趋肤深度与工作频率f之间的相互关系可利用下式计算：

（mm） （9）

将灯电路的最高工作频率为70kHz代入上式后有：趋肤深度值为0.24mm，所以可以选用镇流电感铜导线的半径为0.24mm。

（2） 磁芯的选择

镇流电感磁芯选择的原则应是使其在工作条件下不会磁饱和，如果磁芯出现了磁饱和，则会由于磁芯磁饱和而引起的过大的开关管工作电流而使IR2159的过电流CS引脚10的控制功能动作，而使电路关断。

可以根据经验来选择磁芯的型号，对36W的荧光灯管可选用气隙长度为1mm的3C85或N27的EF25（E25/13/7）的磁芯。

这样对应的A₁值为63nH，有效磁芯横截面积为52mm²，而所需的电感量值为1.6mH，所以有

由于灯的最大点火工作电流为2A，所以峰值磁通密度B_max为：

将N=159，A₁=6310mH，=2A，=52mm代入上式后有=0.39T，由于该种磁芯材料在100℃的工作条件下的磁通饱和密度为0.35T，在25℃工作条件下的磁通饱和密度为0.42T，所以在点火工作期间由于灯电路刚开始工作，磁芯不会磁饱和，并且在灯电路工作一般时间后关断又重新点火，如果灯电路在点火时经过了合理的灯丝预热，电路的温度也不会到100℃，所以这种选择是可以接受的。但是所制作的电感应经历最恶劣的工作条件测试，以确保灯电路能正常点火、正常工作，如果灯电路不能正常工作，说明灯电路还有问题，则还需进一步加大磁芯的磁缝间隙，并调节变压器的有关参数，以避免磁芯磁饱和。

6、 电路元件表

电路元件表如表1所示。