采用可控硅调光器的节能灯电子镇流器

摘要将白炽灯三端双向可控硅(Triac)调光器连接在采用控制器(BUA2014) 紧凑型荧光灯(CFL)电子镇流器的交流电源输入端，可以实现调光功能。介绍了基于控制器(UBA2014)控制IC 并带电荷泵的Triac 调光CFL 镇流器电路工作原理，为设计Triac 调光CFL 镇流器提供了一种高效低成本解决方案。

0 引言

荧光灯交流电子镇流器自上一个世纪80 年代初期问世以来，几乎全部采用半桥式DC-AC 逆变器拓朴结构，如图1 所示。其中，半桥输出端的电感器(相当于工频荧光灯镇流器)与灯管是串联的。C1 是耦合电容器，超隔直流作用。控制器IC 的振荡器频率，通常与单个电阻RT(有时由RT 和电容CT)设定。改变RT 电阻值，则可以使开关频率发生变化，据此可以实现对荧光灯的调光。当开关频率降低时，L的阻抗(ZL =2 πfL) 减小，灯电流增加，灯光变亮;当频率升高时，L的阻抗增加，灯电流变小，灯光变暗。因此，通过调频可以实现调光。调光的最大亮度电平是灯管的额定功率(即100%)，亮度调节不能超过最大亮度电平。

 

 

事实上，利用传统的三端双向可控硅(Triac) 调光器，也可以对电子镇流器进行调光，而且电路简单，成本低廉，调光范围可以从10%~100%.

1 三端双向可控硅调光器

1.1 白炽灯调光器

传统白炽灯调光器电路如图2 所示。其中：VS 为三端双向可控硅(Triac);D 为双向(触发)二极管(Diac);RP 为调光电位器，R是RP 的串联电阻;C为电容器。D 通常选用BD3,其击穿电压为32 V 左右。当电容C被充电到约32 V 时，Diac 击穿导通，触发Triac 导通，并且Triac 的导通电压降很小。一旦电流降至其保持电流IH 以下，Triac 则关断。Triac 具有双向对称的伏安特性，如图3 所示。在AC 线路电压过零后，经过一定的延时，在AC 电压的负半周Triac同样会导通。调节RP 可以改变Triac 的导通角，从而实现调光。RP 电阻值越大，延迟角则越大，Triac 导通角也就越小，灯光则越暗。

 

 

 

1.2 调光器应用于电子镇流器的连接方法

当Triac 调光器用于可调光CFL 电子镇流器时，应将其连接到桥式整流器滤波电路的输入端，如图4所示。图5 为输入电压VMAINS、电容CBUS 两端的DC 总线电压VBUS、电容Cdim 上的充电电压Vcdim 及通过Triac的电流ITRIAC 波形。

 

 

 

 

白炽灯是一种纯电阻性负载，而桥式整流(电容)滤波电路与白炽灯的情况完全不同。由于整流二极管具有单向导电性，只有正向偏置时才会导通，因此只有在AC 输入瞬时电压高于DC 总线电压VBUS 时，电流才会通过整流二极管。很显然，在大部分时间中二极管是截止的。在桥式二极管不导通时，没有DC 通路去充电调光器中的电容Cdim,Triac 也不会被触发导通。Triac 的保持电流IH 通常为15~20 mA,一旦电流低于保持电流，Triac 就会立即关断。

2 带电荷泵的Triac 调光方案

目前使用Triac 调光器对CFL 镇流器进行调光，一种低成本解决方案是采用电荷泵电路，如图6 所示。

 

 

图6 中，二极管DX、DY 和电容CX 构成电荷泵。全波整流的电压经DX 对CX 充电，电容CX 通过DY 放电。

电荷泵的加入，有可能在整个AC 线路周期内都能汲取电流，不仅能使Triac 获得保持电流使其导通，实现平滑调光，而且能减小AC 输入电流波形失真，提高功率因数。

完整的带电荷泵的Triac 调光CFL 电子镇流器解决方案如图7 所示。为了获得较好的调光效果，必须附加一个灯电流反馈控制环路和调光器状态(即电位器旋钮位置，代表通过Triac 的电流)检测电路。

 

3 基于控制器(UBA2014)的Triac调光电子镇流器电路

3.1 UBA2014 控制IC 简介

UBA2014 采用16 引脚DIP 或SO 封装，引脚排列如图8 所示。

 

 

UBA2014 集成了压控振荡器、预热定时器、灯电压传感器、预热电流与平均电流传感器、自举二极管、电平移位器及半桥上/下MOSFET 栅极驱动器等。表1列示了UBA2014 的各个引脚功能。

表1 UBA2014 引脚功能

 

 

3.2 实际电路

由UBA2014 控制IC 组成的21 W CFL 电子镇流器电路如图9 所示。

 

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图9 中，Triac 调光器应当连接在交流电源相线L上(见图4)。R1 为可熔电阻，用于短路保护和启动时的流浪涌电流限制。D1~D4 为桥式整流器，其输入端上的R3、C1、R2 和L1 及其后的L2、C3 构成电磁干扰(EMI)滤波器。二极管D5、D6 和电容C12 组成电荷泵电路。MOSFET(T1 和T2)是半桥功率开关。电感(扼流圈)L10 的副绕组L10A 和L10B 及串接在灯丝上的电容C14、C15 用作灯丝预热。连接在CFL 右端下面灯丝上的D50、D51、C52、C50、R51 和C51 组成灯电流检测及反馈电路。连接在桥式整流器输出端和IC1(UBA2014)引脚CS+之间的R40、R41、C40、C42、D40、D41、R43 和C41组成调光器电位器旋钮位置检测电路。R43 和C41 组成调光器电位器旋钮位置检测电路。IC1 引脚CS-上的检测电压与引脚CS+上的控制电压进行比较，来控制半桥频率以调节灯电流，从而实现调光。

在系统加电后，在电容C7 上的DC 总线电压经启动电阻R30 和R31 对电容31 充电。当IC1 引脚VDD 上的电压超过13V 时，振荡器在最高频率fmax 开始振荡。

fmax 值由IC1 引脚CF 外部电容C23(100 pF)和引脚IREF 上的电阻R21(33 k Ω)共同决定，计算方法如下：

 

 

振荡器启动后，频率从fmax 迅速降低到预热频率对灯丝加热。预热时间tph 由IC1 引脚CT 上的电容C20(220 nF)和电阻R21 确定，计算方法为：

 

 

预热结束后，进入灯引燃阶段，频率向最低频率fmin 偏移。当频率达到负载谐振频率时，将在灯管两端产生一个高电压使灯点亮。当引燃时间tign 为预热时间的14%,即：

 

 

灯被点亮后，在最低频率fmin 上工作。fmin 为fmax 的40%,即：

 

 

4 结束语

基于相应控制原理的传统白炽灯Triac 调光器，被置于采用控制器UBA2014 的CFL 电子镇流器的输入端，并且在桥式整流器与灯管之间附加一个由两个二极管和一个电容组成的电荷泵电路，则可以实现对CFL的调光。