基于单片机的电子节能灯设计与实现Word文档格式.docx
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第一章设计概述
1在节能灯所用电子元器件选择上不紧性能要好，而且还要考虑成本，合理应用器件
2合理布置PCB板上各元器件所在位置，既要做到小巧，又要不影响节能灯的性能。
3
电磁兼容性良好的节能灯。
4
符合GB/T17262，GB/T17263，ROSH等标准
第二章方案的选择与论证
2.1概述
节能灯节能主要是通过节能灯管的节能和电子镇流器低功耗的体现，电子镇流器不但要保障节能灯管在它的特性下提供启动电流和启动高压，而且在正常工作时要提高灯管的高频稳定的交流电流。
通常，25摄氏度是节能灯最佳的工作温度。
在实际的应用中，环境的影响和节能灯工作时自身产生的热量会令此最佳的温度无法实现，从而影响了节能灯的亮度。
针对这一问题，我们在设计节能灯时首先要对各个器件很熟悉，在器件的选择上不紧要考虑到器件本身的特性，更要注意其它器件可能对它的影响。
如三极管，它在工作时温度比较高，所以在PCB布局的时候不能将对温度比较敏感的器件磁环等放到相邻的位置，这样会影响节能灯的性能。
2.2总体方案论证
2.2.1电感镇流器工作原理
电感镇流器是一个铁芯电感线圈，电感的性质是当线圈中的电流发生变化时，则在线圈中将引起磁通的变化，从而产生感应电动势，其方向与电流的方向相反，因而阻碍着电流变化。
其工作原理是：
当开关闭合电路中施加220V，50HZ的交流电源时，电流流经镇流器、灯管灯丝、启辉器给灯丝加热，它开始是断开的，由于施加了一个大于180V以上的交流电压，使得启辉器跳泡内的气体弧光放电，跳泡内双金属片受热膨胀变形，两电极靠在一起，形成通路给灯丝加热，当启动器的两电极靠在一起，由于没有弧光放电，双金属片冷却，两电极断开，由于电感镇流器呈感性，当两电极断开的瞬间，电路中的电流突然消失，于是镇流器产生一个高频脉冲电压，它与电源电压叠加后加到灯丝两端，使灯管内惰性气体电离而引起弧光放电。
在正常发光过程中，镇流器的自感起到稳定电路中电流的作用。
电感镇流器是一个铁心电感线圈，电感的性质是当线圈中的电流变化是，则在线圈中引起磁通的变化，从而产生感生电动势，其方向与电流的方向相反，因而阻碍了电流的变化，从而起到限制及稳定电流的作用。
2.2.2电子镇流器工作原理
由于气体放电灯（如荧光灯、霓虹灯，金卤灯等）是一种具有如图2.1示的V-I特性的负阻性电光源，即ΔV/ΔI为、负值，从图可以看出，当灯电流上升时，灯管的工作电压下降，但是供电电压不会下降，多出的这点电压加到灯管后会使灯电流进一步上升，如此循环，最终烧坏灯管或灯管熄灭，所以要使灯管正常工作，应配以如图2.2所示的镇流元件，用于限制和稳定灯电流。
这个限流装置叫做镇流器。
目前气体放电灯常用的镇流器有两种：
电感式镇流器和高频交流电子镇流器。
图2.1气体放电负阻特性曲线图2.2镇流电路原理图
在灯稳定工作期间，灯管上的电压是稳定的，所以灯的功率主要取决于灯电流的大小，而灯电流的大小和镇流器件的阻抗和电源供应电压的高低有关，并且供电频率对荧光灯的工作也有影响。
如图2.3所示。
例如对电感镇流，镇流电感的阻抗Z=2лfL,电感镇流器的电感量和它的绕组扎数和铁心的尺寸有关，所以当电源供电频率较高时，镇流器的体积也会小些，这就是采用高频交流电子镇流电路后，镇流电感的体积和尺寸会很小的原因。
图2.3电子镇流器工作特性曲线图2.4发光效率和工作频率的关系曲线
电感式和电子式镇流器对比简明表
荧光灯的供电频率与灯发光效率之间的关系：
气体放电灯在交流供电情况下工作时，气体或金属蒸汽放电的特性取决于交流电的频率和镇流器件的类型。
气体放电灯在交流50HZ供电周期内一直不停地变化，从而导致了灯的非正弦的电压和电流波形，产生了谐波成分。
当气体放电灯的工作频率大约是1KHZ时，灯内的电离状态不再随灯的工作电流而迅速变化，从而在整个工作周期内形成几乎恒定的等离子体密度和灯阻抗，这时灯的V-I特性趋于线性。
从图2.4可以看出，当气体放电灯的交流供电频率大于20KHZ时，荧光灯的发光效率η值高，根据统计可以提高10%--20%，同时荧光灯工作在高频交流电时，可以有效的克服闪烁现象
2.2.3电子镇流器的优点
通过这两种电子镇流器的方案比较可简要的概括为图2.5所示
图2.5
2.2.4磁环的选用
2.2.4.1磁环性能分析
磁环在节能灯电路中素有心脏之称，无论在节能灯电子电路的调试上,或者在生产上,磁环参数的变动都影响较大,受其影响的参数有:
节能灯的启动时间,三极管的开关性能,镇流器的工作频率,灯功率等.特别是在110V电压条件下,电路设计时不用倍压电路,对磁环的选用尤其敏感.
节能灯中,磁环一般都选用可饱和环形磁芯,为使节能灯半桥逆变电路有良好的开关特性,产生良好的震荡波形,要求磁环必须如图2.6所示,有近似于矩型的磁滞回线,在S形的特性曲线中,以a点为起点,从a点到b点,再到c点和d点,最后回到原始的a点,这样就得到一个完整的磁化周期.这样的磁滞回线有明显的饱和点和饱和段,而且具有良好的对称性.近似于矩型的磁滞回线可使磁环线圈中的电流波形前后沿较陡,能较好的满足三极管的驱动要求.如果S形的磁滞回线在各点上不能完全对称的话,都将严重影响节能灯半桥逆变电路的开关特性,导致损耗加大,三极管温升加剧.
图2.6温度和初始磁导率的关系曲线
通过图2.6可以看出：
曲线1为磁导率3K的B与温度的曲线.由图可见3K材料比较快的达到第一个峰值,然后快速下降至谷点位置,约80度,后缓慢上升,一直到居里点,约200度.
曲线2为磁导率2.5K的B与温度的曲线.由图中可见2.5K材料的磁导率一直随温度在上升,谷点极其短,并且谷点温度比较高,达到了180度左右,居里温度约210度.
曲线3为磁导率2.3K的B与温度的曲线.由图中可以见2.3K材料随温度变化的B值变化并不大,谷点约150度,居里温度约220度.
由图分析可得：
三种材料的居里温度都可满足节能灯的要求,节能灯壳内最高温度一般不会超过150度.三种曲线综合分析,3K材料稳定性能稍差,2.5K材料的谷点温度偏高,如果遇到节能灯壳内温度超高,达到最大值150度,而磁环在这个时候,B值不但没有降低,还在一直升高的话,必将导致三极管过驱,电流加大,最终导致灾难性的后果.2.3K材料由于其稳定的温度曲线,在节能灯中大受欢迎.若非有特殊要求,一般节能灯都会选用2.3K或者3K的磁环.
完美的温度曲线应该是次峰平,几乎看不见,而谷点长,最好在70-150度,居里温度只要有200度以上就可以了,可惜这样的磁环至今仍没有应用在节能灯上.
由于2.3K磁环的性能比其他的2款好，但是造价也比较高，而本次设计的节能灯壳内的最高温度为137℃，2.5K磁环在灯壳温度150℃时才对其影响比较大，所以本次设计我采用的是2.5K磁环，比较便宜。
2.2.4.2选择考虑
为了提高节能灯的可靠性和安全性，磁环的选择必须符合节能灯的特点和要求
1外形和尺寸的选择:
该款节能灯的塑件空间比较小，所以选用的磁环是∮3*7*3的规格
2磁性材料的选择:
大类上来说,我们节能灯一般选用锰锌铁氧体,适用于节能灯的铁氧体有:
PC30,PC40和PC50等.在磁环磁性材料的选用上,应重点考虑下面几点要求:
（1）居里温度应足够高因为灯壳小，散热不畅，器件都集中在小空间里，使壳内温度高达130℃-150℃，所以要确保选用居里温度适合的磁环。
（2）初始磁导率应适中由于磁性材料的初始磁导率和居里温度成反比，初始磁导率越高，居里温度越低，我们的选择空间就留在4K以下这段范围了。
（3）电阻率应比较高当工作频率一定时,磁性材料的涡流损耗与电阻率成反比，为降低磁环的自身损耗，应选用电阻率适当高一些的磁性材料。
（4）合适的温度系数对于磁环，我们一般要求其具有负温度系数，即其磁导率或磁芯线圈电感量应随温度升高而下降，在温度0-100度变化时，三极管的集电极电流约增加15%.在此温度范围内，要是磁环具有负温度系数，刚好与三极管的正温度系数相抵消或大部分抵消，基本保持平衡，就保证了电子节能灯的稳定工作。
2.2.5三极管的选用
2.2.5.1完整的功率容限曲线
节能灯、电子镇流器三极管参数的要求定位是不清晰的.除了BVceo、BVcbo、Iceo、hFE、Vces、Ic等常规参数要求，还有完整的功率容限曲线，降低三极管的发热损耗，放大倍数hFE和贮存时间ts，完整的功率容限曲线（图2.7）。
在选择灯用三极管的过程中,一定要找到器件生产厂家提供的完整SOA曲线。
2.2.5.2三极管的发热损耗
目前,节能灯、电子镇流器普遍采用上下管轮流导通工作的线路，电感负载产生的自感电势反峰电压经由导通管泄放，所以普遍感到三极管常温下SOA值在节能灯、电子镇流器线路中不十分敏感。
而降低三极管的发热损耗却引起了业界的普遍关注，这是因为三极管的二次击穿容限是随着温度的升高而降低的（图2.8）
三极管在电路中工作一段时间以后，线路元器件会发热（包括管子本身的发热），温度不断上升导致三极管hFE增大,开关性能变差，二次击穿特性下降，反过来,进一步促使管子发热量增大，这样的恶性循环最终导致三极管击穿烧毁。
因此,降低三极管本身的发热损耗是提高三极管使用可靠性的重要措施。
图2.7三极管功率容限曲线
图2.8二次击穿容限随温度变化曲线
实验表明：
晶体管截止状态的功耗很小，导通状态的耗散占一定比例，但变化余地不大。
晶体管耗散主要发生在由饱和向截止和由截止向饱和的过渡时期，而且与线路参数的选择及三极管的上升时间tr、下降时间tf有很大关系。
综上上所述选择一个好的三极管对节能灯的性能影响很大。
2.2.6PTC的作用
PTC也称为热敏电阻（正温度系数热敏电阻）是一种具温度敏感性的半导体电阻,一旦超过一定的温度（居里温度）时,它的电阻值随着温度的升高几乎是呈阶跃式的增高.PTC热敏电阻本体温度的变化可以由流过PTC热敏电阻的电流来获得,也可以由外界输入热量或者这二者的叠加来获得.
由于灯的开关次数直接影响了节能灯灯管和电子整流器的寿命，所以就有必要在灯管的输入端串一个合适的PTC，这样通过PTC的电流使PTC的阻值增大，使电路断开，这样就延迟了灯的启动时间，能够保护电路，延长节能灯的使用寿命。
第三章节能灯电子镇流器的设计
3.1电路系统框图
图3.1
3.2电路图
图3.2电子镇流器电路图
3.3工作原理
在图3.2中，开关晶体管VT1和VT2为桥路的有源侧，电容C3和C4组成无源支路。
灯负载则连接在桥路中有源支路和无源支路的两个中间点之间。
负载电流的回复通路由C3和C4提供。
R1、C2和双向触发二极管DB3组成半桥式逆变器的启动电路。
VT1、VT2既是振荡电路中的重要元件，同时又兼作功率开关，当电子镇流器加电后，流经R1的电流对启动电容C2充电，当C2两端电压升高到VD2的转折电压（约32V）值后，VD2雪崩击穿，C2则通过VT2的基极—发射极网络放电，VT2因正向偏置而导通。
在VT2导通期间，电流路径为：
VDCC3灯丝FL1C5
灯丝FL2扼流圈LlT1初级线圈T1aVT2地。
如图3.3.1，VT2集电极电流的瞬时变化（di/dt），通过T1a在T1两个次级绕组T1b和T1c两端产生一个感应电势，极性是各绕组同名端为负。
其结果是使VT2的基极电位升高，基极电流和集电极电流进一步增大，连锁式的正反馈立即使VT2跃变到饱和导通状态。
在VT2导通时，启动电容C2将通过二极管VD1和晶体管VT2放电，以阻止对VT2的基极产生进一步的触发脉冲。
启动电路提供一个外部触发信号，高频振荡的建立与维持则借助于可饱和变压器T1绕组之间的耦合，产生正反馈来实现。
当T1达到饱和后，各个绕组中的感应电势为零，VT2基极电位呈下降趋势，IC2减小，T1a中的感应电势将阻止IC2减小，极性是同名端为正。
于是，VT2基极电位下降，VT1基极电位升高，这种连锁式的正反馈迅速使VT2退出饱和跃变到截止状态，而VT1则由截止跃变到饱和导通。
在VT1饱和导通时，电流路径是：
VT1T1aL1灯丝FL2C5灯丝FL1C4地。
如图3.3.2，当脉冲变压器T1磁芯进入饱和之后，连锁式的正反馈很快又使VT2再次饱和异通，而VT1由导通跃变为截止。
如此周而复始，VT1和VT2轮流导通，使并联于灯管两端的灯启动电容C5上的电流方向不断改变，迅速引起由L1和C5等组成的LC网络发生串联谐振，在C5两端产生一个高压脉冲施加到灯管上，使灯点火启动。
扼流圈L1在灯点火过程中是辅助启动元件，在灯启动之后对灯电流起限制作用。
由于电子镇流器工作频率达几十千赫，L1只需使用非常小的磁性元件即可以满足要求。
40W荧光灯用电感式镇流器的电感值约达80mH，而20W荧光灯交流电子镇流器中的阻流圈L1仅约1.5mH。
3.4PCB布线
节能灯中PCB布线是一个很重要的过程，一个好的布线不仅能够做出美观的灯，更重要的是能够很好地减少电磁干扰，每个元器件的布局和位置都会影响其它器件，特别是那些对电磁干扰反映明显的器件尤其要注意。
综合以上要求，我参考了多家节能灯的PCB图，布局如图3.4
图3.3.1图3.3.2
图3.4
第四章元器件参数的计算与选择
4.1二极管的选择
Vo=
AC电压约为300V考虑到电网的波动所以二极管的耐压值应当大于400V
又因为灯的功率是20W，效率是60%，所以P=20/60%=33.33W
Il=P/U=33.33/220≈0.15A所以二极管的额定电流就大于0.15A
这里选取的4007耐压值1000V、额定电流为1A，足够了。
4.2、三极管的选择
Vo≥300V所以三极管的耐压值应当大于300V这里选400V
又因Il=0.15A三极管的额定电流应可以确定1A符合要求。
0=25KHZ所以三极管的工作频率应当大于25KHZ
4.3、电感和电容的选择
如果LC串联电路的等效直流电阻为R，电路的总阻抗Z可表示为：
（4-3-1）
公式中，L为电感器的电感值，C为电容器的容量值。
对于图3.2所示的电路，由于L1＞＞LTIa，C5＜＜C3=C4，发生串联谐振时的频率主要由L1和C5的数值决定。
图3.3.1和图3.3.2分别为功率开关VT1关断、VT2导通和VT1导通、VT2关断时的电流路径。
图中，RL为荧光灯然点时的等效电阻。
由图可知，在VT1关断、VT2导通，VT1导通、VT2关断两种状态下，通过灯负载RL的电流方向是相反的。
VT1、VT2轮流导通，通过荧光灯的电流则为高颇交变电流。
LC串联电路发生谐振时的频率f0由下式决定：
（4-3-2）
发生串联谐振的条件是电感元件的感抗与电容器的容抗相等，而且R＜＜2πf0L=1/2πf0C，谐振频率f0与R无关。
这个条件可表示为：
＞＞1（4-3-3）
公式中，Q定义为谐振电路的品质因素，将式（4－3-2）代人到式（4－3-3），可得：
（4-3-4）
在发生谐振时，Z＝R，即LC串联电路的总阻抗最小，电流增大。
在发生谐振时的电流I0为：
（4-3-5）
式中，Vin为LC串联电路的电源电压。
电容上的电压在发生谐振时的值VC0可表示为：
VC0＝I0XC＝I0XL
＝I0.2πf0L=Vin/R2πf0L（4-3-6）
公式中，XC、XL分别是电容的容抗和电感的感杭。
将式（4－3-3）代人式（4-3-6）得到：
VC0＝QVin（4-3-7）
从式（4-3-7）可知，当LC串联电路发生谐振时，在电容和电感上的电压比电源电压要高得多，在数值上均为电源电压的Q倍。
虽然电容与电感上的谐振电压相位是相反的，可以互相抵消，但单个元件上电压幅值是非常可观的。
LC串联谐振电路的谐振阻抗曲线如图4.3所示。
从图4.3可以看出，在谐振频率f0处，L/R值越大，阻抗则越小，电流也就越大。
反之，L/R值越小，阻抗就越大，电流就越小。
LC串联谐振电路中的直流电阻，应将灯丝电阻考虑在内，在电子镇流器设计中，适当选取L和C的数值，使Q值控制在3左右。
图4.3串联谐振电路谐振阻抗特性曲线
电子镇流器工频市电220V及220V以上的国家或地这（如中国及欧洲），应用最为普遍。
在这种电路结构中，一个开关晶体管所承受的电压为交流电源电压（有效值）的
倍。
如果镇流器采用了升压式有源功率因数校正电路，开关晶体管承受的电压则为升压变换器的直流输出电压值。
4.4配料单
3U，20W节能灯物料清单
EE13mm磁芯，骨架,0.2mm,235T,1.5mH1套
￠10mm，PC40，3*7*3，磁环1套
0．5A保险管1只
IN4007二极管5只
DB3触发二极管1只
13001三极管2只
1/4W，1Ohm电阻2只
1/4W，470K电阻1只
1/4W，22hm电阻2只
400V，4.7uF电解电容1只
100V，223涤纶电容1只
400V，333涤纶电容1只
630V，152涤纶电容1只
1000V，222涤纶电容1只
PTC1只
PCB电子板1只
灯头1只
外壳1套
灯管1只
第五章整灯性能测试
5.1所用仪器
1标准电源，能将电压从0V调到400V，能50HZ和60HZ之间切换频率1台
2万用表1台
3电子镇流器输入输出电气特性仪1台
4数字显示温度表1台
5示波器1台
6恒温箱1台
7EMC测试仪1台
8电脑（含有节能灯测试必须的软件）1台
5.2低温始动
节能灯电子镇流器的性能直接受其所在环境的影响，所以在设计的时候必须将那些环境影响考虑在内。
在温度低的情况下会影响PTC的工作，因为热敏电阻在温度低的情况下会影响其工作特性，使它的启动时间相对于室温更快，使灯更快亮起来。
为使达到更好的效果，我们选择电压为220V交流电压的90%、0℃和95%、5℃条件下测其启动瞬间的时间T
198V电压环境温度0℃
209V电压环境温度5℃
始动时间T（ms）
812
886
在常温状况下，启动时间延迟900---1200毫秒为正常状况，而在低温始动时，通常为延迟1秒以内。
所以可以说这款节能灯低温始动效果良好。
5.3EMC测试
5.3.1EMC简介
EMC是电磁兼容性，是指电子设备或网络系统具有一定的抵抗电磁干扰的能力，同时不能产生过量的电磁辐射。
也就是说，要求该设备或网络系统能够在比较恶劣的电磁环境中正常工作，同时有不能辐射过量的电磁波干扰周围其它设备及网络的正常工作。
5.3.2EMC测试分析
在节能灯设计中，电磁干扰是不可避免的，我们必须考虑哪里的电磁辐射大，哪里元件功率大，怎样布线干扰最小，怎样搭配电磁干扰才能降到最低，稍微有点不一样就有可能影响电磁
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