荧光灯电子镇流器数字调光方案研究
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关键词：镇流器；数字调光；微控制器；数字可寻址照明接口(DALI)
O 引言
可调光荧光灯电于镇流器具有明显的节电效果，故在近几年中得到了迅速发展和应用。荧光灯是一种低压气体放电灯，是非电阻性负载。因此，荧光灯调光控制技术要比白炽灯调光复杂得多。荧光灯调光技术分模拟调光和数字调光两种类型。对于紧凑型节能灯台灯的调光，通常采用模拟技术。而对于用于家庭、办公室、商场、车间等场所照明的调光荧光灯，则采用数字调光方案。数字调光电子镇流器，代表了该照明电器未来发展的方向。
荧光灯调光通过调节灯管功率实现。灯功率调节又有两种方法：一种是调节频率改变镇流器输出级LC网络的阻抗来调节灯电流，从而改变灯功率和灯亮度；另一种是通过凋节灯电流与灯电压之间的相位，来调节灯功率。IR公司生产的调光镇流器IR21592／IR21593，则采用相位调光方案。
1 数字可寻址照明接口(DALI)
数字可调光电子镇流器需利用DALI。数字可寻址照明接口(DALI)国际标准prIEC929，是一种在两线网络上去接口照明装置的通信协议和方法。DALI协议为16位，支持高达64个镇流器各自的寻址，16组群被播散到整个照明网络上。除协议之外，DALI还支持光衰减、对数调光、现场实况和故障检测。
对于全部照明环境，DALI允许不同的控制和管理。DALI利用同一个控制系统，可以控制(发送和接收)64个不同的电子镇流器。发射指令既可以到达单个镇流器，也可以到达一组镇流器，并实现从100％到l％的调光范围。通过数字控制，可根据不同的照明需要精密调节光电平。DALI包含256个亮度等级和一个对数调光曲线，如图l所示。在较低的光电平上易于更好地控制，而且对人的眼睛也更加敏感。
2 数字调光电子镇流器设计方案
2．1 数字调光电子镇流器的组成
数字调光电子镇流器组成框图如图2所示。该方案主要包括3个部分，即基于控制器L6561的有源功率因数校正(PFC)升压预变换器，基于控制器IR21592的镇流器电路和数字调光控制电路。此外，还包含输入EMT滤波器、桥式整流器以及保护电路。数宁控制电路提供DALI和软件，镇流器可以直接连接到DALI 2一线输入或其所依从的系统。利用RS232／DALI变换器连接到PC，目的是用于演示。微控制器PICl6F628控制基于IR21592的镇流器电路，IR21592依据从微控制器接收的信号控制镇流器电路。
2．2 微控制器与外界及IR21592之间的通信
微控制器在DALI和IR21592之间充当一个界面。微控制器与外界的通信利用TX和RX两个信号实现。TX是从网络发送到微控制器的信号，RX是从微控制器发送到网络的信号，如图3所示。一个数字接口保证在DALI输入与镇流器输出级之间的高压隔离。
在微控制器PICl6F628与IR21592之间的通信利用4个信号完成。其中，从PICl6F628脚9发送到IR21592脚4的信号用于调光，从微控制器脚10发送到IR21592脚9的信号用于镇流器关闭或导通，在PICl6F628脚ll和脚12上接收的信号用于故障检测。微控制器控制IR21592的3个引脚。即脚4(DIM，控制灯亮度)、脚9(SD，有源高电平使IR21592关闭)和脚7(FMIN，逻辑“0”使IR21592禁止)。
IR21592脚4(DIM)需要0．5～5V的模拟调光电压，相应的灯功率电平为1％～100％。在O．5V的输入上，灯电流相位移最大，灯功率最低，灯光最暗；在5V的输入时，对应最小相位移和最大灯功率，灯输出为“满光”(100％)。PICl6F628脚9输出一个PWM信号，通过R25和C17滤波转换为模拟电压输入到IR21592的脚4(DIM)，提供256个不同电平的电压。瘦子从数字调光需要，输出电压为对数而不是线性关系。在较低光电平上由于趋于线性，人的眼睛对于其更加敏感。最低灯功率和最大灯功率，可由IR21592脚6(MIN)和脚5(MAX)上外部电阻设置。
2.3 软件
DALI执行软件容量较大，图4所示为软件在简单形式下的流程图。详细的源代码密封在CD中，可供设计时使用。
在程序从初始化启动之后，微控制器被置于环路中，并对输入数据进行检查。如果接收到有效数据，并且地址与镇流器确定地址匹配，组群与确定组群成员匹配，或者数据是一种广播命令，则被过滤和筛选。命令被分为标准和专用两种类型。在经过滤和筛选后，程序立即定向于适当的命令并执行。所有命令共分4类，即弧光功率控制命令、配置命令、查询命令和专用命令。弧光功率控制命令通常用于照明系统，这类命令占用信号被发送到镇流器控制器，并经脉宽调制调节光电平；配置命令用于镇流器设置，其中包括最大和最小灯光门限、减弱时间和速率及现场电平等，并且数据通常被存储在EEPROM区域中并被保持；查询命令为从镇流器得到反馈而被利用，通过适当的查询命令，可以获得光衰减、灯管、一般故障和功率等方面的信息；专用命令是唯一的，这类命令对地址不受影响。在DALI上的所有镇流器都响应于一个专用命令。
2．4 DALI与微控制器之间的连接
微控制器与DALI之间的连接通过光耦合器实现，如图5所示。利用光耦合器，由DALI两线输入变为4个信号。这4个信号，一个是通信使能信号(ENABLE)，一个是发射信号(TX_DALI)，一个是接收信号(RX—DALI)，还有一个是接收一驱动信号(RECEIVE—DRIVE)。其中，发射信号和接收信号直接影响在DALI上的电平。利用通信使能信号和接收一驱动信号控制通信电路，可使镇流器获得非常低的功率。在正常工作期间，PICl6F628利用通信使能信号可使通信电路激活。当数据开始向镇流器发送时，通信使能信号电流低于100μA。为精确传送数据，该电流是不足够的。为使信号通过隔离有一个良好的传送，维持接收一驱动信号，需将电流上升到O．5mA以上。为传送所有数据，接收一驱动信号，使能时间足够长，尔后才截止，如图6所示。该方法可以有效地减小功率与电流消耗。
为检测输入数据，PICl6F628内建比较器设置门限电平。该数据检测门限被设置在PICl6F628的脚l(RA2)上。为接收DALI上的高电平逻辑，在微控制器上将其转换为5V的逻辑，并在DALI上转换为高电压逻辑电平。
2．5 微控制器供电
在灯管触发之后，PIC16F628脚14(VDD)上的供电电流由镇流器半桥输出上的电荷泵电路提供。微控制器在正常工作期间，内部频率为4 MHz。当IR21592脚9(SD)上的电压VSD>2V时，半桥截止，电荷泵电路失能，PICl6F628脚14(VDD)上的电流由桥式整流输出经高阻值电阻(270 kΩ)供给，微控制器进入睡眠模式，消耗非常小的电流。欲唤醒微控制器使其重新开始工作，需要供给足够的电流。图7所示为在灯被关断时的通信信譬。
3 数字调光36W/T8荧光灯电子镇流器实际电路
基于IR21592并由微控制器PICl6F628控制的32W/T8荧光灯数宁调光电子镇流器实际电路如图8所示。该数字调光电子镇流器AC线路输入电压范围为185～265V，输入电流总谐波失真(THD)<150k，各次谐波电流符合IECl000—3—2标准(C类)规定限制，系统功率因数高于O．98。灯丝预热频率为53 kHz，预热时间为ls(由IR21592的脚3外部电容CPH设置)，灯丝预热电流为0．35A。灯触发频率为46kHz，触发电压为1500V(峰值)。在调光模式，凋光范围从100％到l％。IR21592提供各种保护：一是线路欠电压保护，只要脚1上的电压VVDD<3V，则进入故障保护模式；二是过电流保护，只要IC2脚10上的电压VCS<1．6V，就会进入故障保护模式；三是灯故障关闭保护，只要脚9上的电压VSD>2V，则履行关闭保护；四是过温度保护，只要IC2结温TJ>165℃，则进入故障保护模式。在故障保护模式，振荡器截止，半桥电路停止工作，功率开关S2、S3均被关断。
4 结语
本文介绍的32W/T8荧光灯数字调光DALI电子镇流器，使用了微控制器PICl6F628。微控制器在调光镇流器控制器IR21592与DALI之间充当一个界面。数字调光DALI电子镇流器设计方案包括基于L6561控制器的PFC升压电路和基于IR21592控制器的镇流器电路，同时还包含PICl6F628微控制器和为连接DALI的光耦器隔离电路。这种数字调光电子镇流器的调光范围为1％～100％，并具有完善的安全保护功能和高效率与高功率因数。
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