中心議題:
- 電子鎮(zhèn)流器的組成
- 電子鎮(zhèn)流器中電磁干擾的來源及其影響
- 電子鎮(zhèn)流器電磁干擾的抑制措施
解決方案:
- 電子鎮(zhèn)流器防電磁干擾設計方案
1 電子鎮(zhèn)流器
電子鎮(zhèn)流器(Electricalballast),是鎮(zhèn)流器的一種,是指采用電子技術驅動電光源,使之產生所需照明的電子設備。與之對應的是電感式鎮(zhèn)流器(或鎮(zhèn)流器)?,F(xiàn)代日光燈越來越多的使用電子鎮(zhèn)流器,輕便小巧,甚至可以將電子鎮(zhèn)流器與燈管等集成在一起,同時,電子鎮(zhèn)流器通常可以兼具起輝器功能,故此又可省去單獨的起輝器。電子鎮(zhèn)流器還可以具有更多功能,比如可以通過提高電流頻率或者電流波形(如變成方波)改善或消除日光燈的閃爍現(xiàn)象;也可通過電源逆變過程使得日光燈可以使用直流電源。
2 電子鎮(zhèn)流器的組成
電子鎮(zhèn)流器由抗干擾濾波器、整流濾波電路、功率因數(shù)調整器、高頻變換、諧振電路、異常狀態(tài)保護電路和熒光燈組成,各部分作用如下:
1) 抗干擾濾波器:防止電子鎮(zhèn)流器產生的高頻干擾信號進入到電網造成幅射?! ?br />
2) 整流濾波電路:將220V的工頻(50Hz或60Hz)交流電變換成310V的直流電,作為電子鎮(zhèn)流器的電源。
3) 功率因數(shù)調整器:對本機的功率因數(shù)進行調整和補償?! ?br />
4) 高頻變換電路:電子鎮(zhèn)流器的心臟電路,將直流電源變換成20K~50KHz左右高頻電源,去驅動熒光燈。本電路通常采用一對功率管(三極管或場效應管)組成的自激振蕩器來實現(xiàn)?! ?br />
5) 諧振電路:用來取代普通熒光燈的啟輝器,它在熒光燈起輝前,可以等效為一個串聯(lián)諧振電路,其振蕩頻率與高頻變換電路的頻率一致,諧振時,在電容C上產生一個很高的電壓,確保燈管著火點亮。燈管點亮其等效電阻減小,此電阻與電容C并聯(lián),大大地降低了諧振電路的Q值,該電路又成為了一個RL串聯(lián)電路,L變成了一個限流器?! ?br />
6) 異常狀態(tài)保護電路:當熒光燈不能正常點亮時,很高的諧振電壓會使功率器件燒毀,本電路的作用是保護功率器件在異常狀態(tài)時不會燒毀?! ?br />
7) 熒光燈:作用是將20K~50KHz左右高頻電能變換成光能?! ?br />
3 電子鎮(zhèn)流器中電磁干擾的來源及其影響
3.1 傳導干擾的來源及其影響
電子鎮(zhèn)流器工作時所產生的電磁噪聲通過輸入電源線傳導到電網中,引發(fā)傳導干擾,對周圍環(huán)境造成污染并影響相關電子設備或系統(tǒng)的正常工作。電子鎮(zhèn)流器的傳導干擾源主要來自以下幾個方面:
(1)元器件的固有噪聲。主要有熱噪聲、散粒噪聲、接觸噪聲等?! ?br />
(2)半導體二極管在開關過程中產生的電磁噪聲。在快速開通和關斷的同時,瞬時變化的電壓和電流會形成很強的電磁噪聲?! ?br />
(3)功率半導體器件在開關過程中,會產生很高的瞬態(tài)電壓或電流并引起振蕩。開關速度越快,開關電流越大,所引起的瞬態(tài)電磁噪聲也越大。功率半導體器件在交流電網上產生直接的傳導干擾,這種噪聲分差模與共模?! ?br />
(4)在采用高頻泵或雙泵電路的無源功率因數(shù)校正結構中,功率開關管的高頻開關信號通過反饋元件加到輸入端,經過電源進線送入電網中,形成傳導干擾。
3.2輻射干擾的來源及其影響
電子鎮(zhèn)流器工作時,形成的磁場、電場通過輸入、輸出導線及負載或某些元器件以電磁波的形式向外輻射,與周邊電子、電器設備之間以電磁波傳播而形成的騷擾稱為輻射干擾。輻射干擾主要以磁場的形式存在,是通過磁場產生的干擾,由導體間的互感引起的。當電路中電流發(fā)生突變時,交鏈到電路的磁通也隨之發(fā)生變化,進而感應出干擾電壓。
3.3諧波干擾的來源及其影響
由于電子鎮(zhèn)流器的負載屬非線性負載,工作時會產生諧波。另外,低功率因數(shù)電路或功率因數(shù)校正電路處置不當?shù)碾娮渔?zhèn)流器,其輸出電流波形將產生嚴重諧波畸變。諧波的影響和危害主要表現(xiàn)在:增加電路的損耗,提高溫升,降低效率和使用壽命;增加絕緣中的介質損耗和局部放電量,加速絕緣老化;增加噪音等?! ?br />
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4 電子鎮(zhèn)流器電磁干擾的抑制措施
4.1傳導干擾的抑制措施
1)合理接地
傳導干擾是通過電子鎮(zhèn)流器的公共接地線以及接地網絡中的公共阻抗產生的。應該合理安排接地,地線盡量短,而且輸入地和輸出地分開,使用獨立地線并聯(lián)一點的接地方式,這樣可以防止各個地之間的傳導耦合,減少控制信號之間的干擾。外殼接地可以實現(xiàn)對電場的屏蔽,用屏蔽削弱對內外電路的干擾。例如電源的相線及中線通過Y電容接外殼及大地,可以減小系統(tǒng)的傳導干擾噪聲。
2)在直流供電電路中加去耦電路
在開關管供電電路中加RC去耦電路,使開關管開通瞬間所需的電流不再由電源提供,而由去耦電容為器件提供一個電流補償源,以減少電源及接地系統(tǒng)中所引起的電流波動而形成的噪聲。此外,在電子鎮(zhèn)流器的半橋逆變電路中,半橋中點到地之間所接的電容,可以減小△U/△t及△I/△t,有助于抑制電磁干擾噪聲。
3)采用無源濾波器
采用無源的EMI濾波器是抑制傳導干擾最有效的辦法。即在電路中插入一個帶通濾波器,讓50 Hz交流電暢通,其余頻率的信號受阻。但要嚴格控制濾波器LC元件的寄生參數(shù),它們的制作工藝、安裝位置、走線方式,都會影響EMI濾波效果。加接圖1所示的濾波電路,可以控制通過傳導耦合進入電網的噪聲電平。
圖1 EMI濾波器電路
濾波器的輸出端與噪聲源相接,而輸入端則與電網相接,目的是防止各種高頻及瞬態(tài)噪聲通過傳導方式進入電網。濾波器抑制電磁噪聲的效果,可由插入損耗來衡量:插入損耗越大,濾波效果越好,對傳導干擾的抑制作用越大?! ?br />
傳導干擾主要表現(xiàn)為差模干擾和共模干擾。
(1)共模干擾抑制
圖2 帶共模扼流圈的濾波器
共模扼流圈是共模插入損耗中起主導作用的電感元件。根據電磁感應原理,在圖2中,由于共模電流(Icm和I‘cm)方向相同,所以在磁環(huán)中所形成的磁力線是相互疊加的,即磁通相互疊加。由于磁通Ф=LI,故共模扼流圈的總電感L=(Ф1+Ф2)/Icm。若將共模扼流圈串在電路中,則相當于在電路中串入了一個低通濾波元件,起到了共模抑制作用。
(2)差模干擾抑制
差模扼流圈是差模插入損耗中起主導作用的電感元件。它采用單個繞組結構繞制,其線上的信號電流在磁環(huán)中也產生一定量的磁通,故很容易達到飽和。因此差模扼流圈電感值較小,數(shù)量級一般在μH。共模扼流圈在一個磁心上采用兩個相同繞組的結構,兩個繞組電流方向相反,其信號電流在磁環(huán)中產生的磁通相互抵消,故不會存在磁飽和現(xiàn)象。因此其電感值可以較大,共模磁環(huán)的數(shù)量級一般在mH。
圖3 帶差模扼流圈的濾波器
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根據電磁感應原理,在圖3中,由于差模電流(Idm和I‘dm)的作用,在磁環(huán)中產生磁通,因而產生電感,所以在電路中串入了一個低通濾波元件,從而起到了差模抑制作用。當然,由于Icm同樣會產生磁通,進而產生電感,所以差模扼流圈對共模干擾同樣有抑制,但抑制共模干擾需要產生較大的電感,而差模扼流圈產生的電感量較小,所以對共模干擾的抑制作用較小。
同樣,根據電磁感應原理,由于差模電流(Idm和I‘dm)方向相反,所以在磁環(huán)中所形成的磁力線是相互抵消的,即磁通相互抵消,因此共模扼流圈對差模電流五抑制作用。在實際生產中,由于兩條線(1和2)不可能做到完全平衡(引線長度和漏感的不完全對稱),所以存在不平衡電感Le,Le的值一般小于L/100。因此,共模扼流圈對差模干擾也起作用,但作用很小。
上述無源EMI濾波器是互易的,它既能抑制電子鎮(zhèn)流器的電磁干擾送入電網,又能抑制電網內的電磁干擾進入電子鎮(zhèn)流器中。
帶共模電感的EMI濾波器的元件參數(shù),不能按沒有互感的濾波器所得到的公式進行計算。通常要先決定所采用的電路結構,然后利用共模等效電路,用網絡分析理論,求出它的共模插入損耗?! ?br />
4.2輻射干擾的抑制措施
1)屏蔽
電子鎮(zhèn)流器雖然自身產生輻射干擾,并且輸出導線和燈管也產生輻射電磁干擾,但可以通過將電子鎮(zhèn)流器裝進帶有接地點的金屬屏蔽外殼,連同燈具金屬殼體可靠接地的方法解決。屏蔽是減少輻射干擾最有效的辦法?! ?br />
2)隔離
電子鎮(zhèn)流器內部電路產生的輻射干擾,在電路周圍以電 磁場的形式,通過電磁耦合對其它線路形成干擾。防止這種干擾最簡單有效的方法是將電子鎮(zhèn)流器與其它線路隔離開來,切斷或削弱它們之間的電磁耦合。隔離的原則和方法是:
(1)干擾線路和其它線路盡可能不要平行排列;
(2)敏感線路與一般線路如平行排列,其間距應大于50 mm;
(3)電源饋線與信號線應予隔離。
4.3 諧波干擾的抑制措施
抑制電流諧波含量與降低燈電流波峰系數(shù)往往是相互矛盾的,這兩個參數(shù)之間的矛盾可以采用有源功率因數(shù)校正技術解決。但是,采用PFC的電子鎮(zhèn)流器,當插入EMI濾波器網絡后,可能會對輸入電流諧波總量(THD)、輸入功率因數(shù)(PF)和燈電流波峰比(CF)等技術指標有一定影響。