CN103338573B - 太阳能电源双半桥注锁功率合成高压钠灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电光源照明技术领域，具体是一种太阳能电源双半桥注锁功率合成高压钠灯。两个自振荡芯片4、6的RC振荡器共接电阻R₃、电容C₅同步振荡，自振荡芯片4及半桥逆变器A输出功率变压器T₁与自振荡芯片6及半桥逆变器B输出功率变压器T₂反相馈入相加耦合器，功率合成、升压馈送灯管触发电路触发高压钠灯启辉，基准晶振信号经分频器注入两个自振荡芯片4、6的RC振荡器锁定相位，获取大功率照明避免器件温升过高振荡频率变化功率失衡灯光下降，调频信号发生器锯齿波信号接入两个自振荡芯片4、6的RC振荡器调频抑制灯光闪烁。本发明适用于太阳能电源大功率高压钠灯照明场合。

Description

太阳能电源双半桥注锁功率合成高压钠灯

技术领域

本发明涉及电光源照明技术领域，具体是一种太阳能电源双半桥注锁功率合成高压钠灯。

背景技术

现有技术电子镇流器通用LC或RC振荡器作为高压钠灯光源，产生的振荡频率受温度变化稳定性差影响功率不够稳定，导致光强下降，虽然结构简便，成本低。但要得到大功率照明势必增大器件电流，致使振荡功率管功耗剧增温升过高导致振荡频率变化，结果会使灯光随频率变化功率幅值失衡。同时，大电流通过线圈温升高磁性导磁率下降，磁饱和电感量变小阻抗趋向零，灯具工作时间与温升正比，温升高加速器件老化，轻则灯管发光不稳定亮度下降，重则烧坏器件缩短使用寿命。逆变功率叠加拖动大功率灯，解决器件功率限制。但要求功率合成振荡相位一致，克服非线性互调功率不均衡。

发明内容

本发明的目的是提供太阳能电源供电，逆变振荡高稳频、相位同步大功率强光照明的一种太阳能电源双半桥注锁功率合成高压钠灯。

本发明技术解决方案为：包括高压钠灯管、太阳能电源、基准晶振、分频器、两个型号为IR2153的自振荡芯片、半桥逆变器A、半桥逆变器B、相加耦合器、调频信号发生器、灯管触发电路、灯管异常电流检测器，其中，基准晶振由石英晶体谐振器、两个反相器及电阻、电容组成，第一个反相器输入与输出两端跨接偏置电阻，并分别并联接地电容，同时，还跨接串联微调电容的石英晶体谐振器，基准晶振输出信号经第二个反相器接入分频器，自振荡芯片内含RC振荡器、半桥逆变驱动电路，两个自振荡芯片RC振荡器共接电阻R₃、电容C₅同步振荡，自振荡芯片的输出分别经半桥逆变驱动电路连接均由两个功率MOS场效应管互补组成的半桥逆变器A、半桥逆变器B，自振荡芯片及半桥逆变器A输出功率变压器T₁与自振荡芯片及半桥逆变器B输出功率变压器T₂反相馈入相加耦合器，功率合成、升压馈送灯管触发电路高压钠灯启辉，基准晶振信号经分频器注入两个自振荡芯片RC振荡器C_T端锁定相位，调频信号发生器由型号为555的时基芯片IC₅、电阻R₁₄、R₁₅、R₁₆和电容C₁₂多谐振荡，IC₅的DIS端经由电阻R₁₃接场效应管Q₃栅极，电容C₁₅接Q₃源极电阻R₁₂自举正反馈，输出线性锯齿波信号，接入两个自振荡芯片RC振荡器R_T端调频抑制灯光闪烁，灯管异常电流检测器信号经电阻分压、三极管放大接入两个自振荡芯片RC振荡器C_T端控制振荡快速关断，太阳能电源接入基准晶振、分频器、调频信号发生器、自振荡芯片及半桥逆变器A、自振荡芯片及半桥逆变器B的电源端，其中，太阳能电源由光伏电池板E₁、阻塞二极管VD₉、防反接二极管VD₁₀、继电器J和蓄电池E₂、电阻R₂₄、开关S、时基芯片IC₆以及过压取样电路、欠压取样电路组成，光伏电池板E₁输出电极正端串联阻塞二极管VD₉、继电器触点J-1的一端，继电器触点J-1的另一端连接蓄电池E₂电极正端、过压取样电阻R₂₀、欠压取样电阻R₂₂、时基芯片IC₆稳压电源滤波电阻R₂₄及接有开关S的灯具DW，过压控制取样电阻R₂₀、RP₁、R₂₁依次串联后并于蓄电池E₂正负电极两端，RP₁接入时基芯片IC₆高电平触发端TH，欠压控制取样电阻R₂₂、RP₂、R₂₃依次串联后并联于蓄电池E₂正负电极两端，RP₂接入时基芯片IC₆低电平触发端TL，时基芯片IC₆输出接继电器J，蓄电池E₂的负端串入快速熔丝F后接地，蓄电池E₂正负电极两端并联防反接二极管VD₁₀。

其中，灯管触发电路由脉冲点火变压器T₄、双向触发二极管VD₅、直流高压发生器组成，灯管一端经T₄电感L₈、电容C₁₀接相加耦合器T₃电感L₆，电容C₁₀与电感L₈接点并联电阻R₁₁的一端，T₄电感L₇接接地电容C₁₁和电阻R₁₁的另一端，双向触发二极管VD₅串联T₄电感L₇接地，直流高压发生器由时基芯片IC₅多谐振荡方波接变压器T₅电感L₁₀，由电感L₁₁升压、二极管VD₄整流、电容C₁₇、电阻R₁₈滤波，经电阻R₁₉接电容C₁₀与T₄电感L₈接点，灯管另一端穿过灯异常检测电流互感磁环接地，电感L₉一端接二极管VD₆，电感L₉另一端地，电容C₁₉、电阻R₁₀一端地，二极管VD₆检波电压并联电容C₁₉、电阻R₁₀另一端，经电阻R₇、R₈分压接入三极管VT₁放大触发两个自振荡芯片RC振荡器C_T端。

本发明产生积极效果：解决太阳能电源双半桥逆变振荡高稳频、相位同步功率合成，达到单个自振荡半桥逆变器难以得到的大功率高压钠灯照明，避免器件温升高振荡频率变化功率失衡，稳定灯光延长使用寿命。

附图说明

图1本发明技术方案原理框图

图2基准晶振电路

图3太阳能电源双半桥注锁功率合成高压钠灯电路

图4太阳能电源电路

具体实施方式

参照图1、2、3、4(图3以自振荡芯片及半桥逆变器A电路为例、自振荡芯片及半桥逆变器B相同)，本发明具体实施方式和实施例：包括太阳能电源1、高压钠灯管11、基准晶振2、分频器3、两个型号为IR2153的自振荡芯片4、6，半桥逆变器A5、半桥逆变器B7、相加耦合器8、调频信号发生器9、灯管触发电路10、灯管异常电流检测器12，其中，基准晶振2由石英晶体谐振器JT、两个反相器IC₁、IC₂及电阻R₁、电容C₀、C₁、C₂组成，第一个反相器IC₁输入与输出两端跨接偏置电阻R₁，并分别并接接地电容C₁、C₂，同时，还跨接串联微调电容C₀的石英晶体谐振器JT，基准晶振2输出信号经第二个反相器IC₂接入分频器3，自振荡芯片IC₄ IR2153内含RC振荡器、半桥逆变驱动电路，两个自振荡芯片4、6的RC振荡器共接电阻R₃、电容C₅同步振荡，自振荡芯片的输出分别经半桥逆变驱动电路连接均由两个功率MOS场效应管Q₁、Q₂互补组成的半桥逆变器A5、半桥逆变器B7，自振荡芯片4及半桥逆变器A5输出功率变压器T₁与自振荡芯片6及半桥逆变器B7输出功率变压器T₂反相馈入相加耦合器8，功率合成、升压馈送灯管触发电路10高压钠灯管11启辉，基准晶振2经分频器3分频÷N基准信号f₀电容C₄、C₅分压注入两个自振荡芯片4、6的RC振荡器C_T端锁定相位，调频信号发生器9由型号为555的时基芯片IC₅、电阻R₁₄、R₁₅、R₁₆和电容C₁₂组成多谐振荡，IC₅的DIS端由电阻R₁₃接场效应管Q₃栅极，电容C₁₅接Q₃源极电阻R₁₂自举正反馈，输出线性锯齿波信号接入两个自振荡芯片4、6的R_T端调频抑制灯光闪烁，灯管异常电流检测器12信号电阻R₇、R₈分压、经三极管VT₁放大接入两个自振荡芯片4、6的RC振荡器C_T端控制振荡快速关断，太阳能电源1接入基准晶振2、分频器3、调频信号发生器9、自振荡芯片4及半桥逆变器A5和自振荡芯片6及半桥逆变器B7的电源端+V，其中，太阳能电源1由光伏电池板E₁、阻塞二极管VD₉、防反接二极管VD₁₀、继电器J和蓄电池E₂、电阻R₂₄、开关S、时基芯片IC₆以及过压取样电路、欠压取样电路组成，光伏电池板E₁输出电极正端串联阻塞二极管VD₉、继电器触点J-1的一端，继电器触点J-1的另一端连接蓄电池E₂电极正端、过压取样电阻R₂₀、欠压取样电阻R₂₂、时基芯片IC₆稳压电源滤波电阻R₂₄及接有开关S的灯具DW，过压控制取样电阻R₂₀、RP₁、R₂₁依次串联后并于蓄电池E₂正负电极两端，RP₁接入时基芯片IC₆高电平触发端TH，欠压控制取样电阻R₂₂、RP₂、R₂₃依次串联后并联于蓄电池E₂正负电极两端，RP₂接入时基芯片IC₆低电平触发端TL，时基芯片IC₆输出接继电器J，蓄电池E₂的负端串入快速熔丝F后接地，蓄电池E₂正负电极两端并联防反接二极管VD₁₀。

IC₄引脚符号功能：V_CC芯片低压电源端，V_B驱动器浮置电源，HO驱动Q₁栅极，LO驱动Q₂栅极，V_S浮置电源回归，R_T接振荡定时电阻，C_T接振荡定时电容，OCM功率信号接地。

IC₅、IC₆引脚符号功能：V_DD电源，TH高电平触发，TR低电平触发，CON电压控制，DIS放电端，RES复位，OUT输出，GND接地。

自振荡芯片IC₄由电阻R₂、电容C₃将太阳能电源降压供给启动产生振荡，驱动半桥功率MOS管Q₁、Q₂，使之轮流导通/截止，此时逆变器中点输出方波电压经电阻R₆、电容C₇、二极管VD₂、VD₃整流对电容C₃充电，供自振荡芯片IC₄电源，转换后电阻R₂停止供电，降低功耗。二极管VD₁对电容C₆自举充电，浮置供电驱动半桥逆变器减少功耗。

两个逆变器功率合成拖动大功率灯具，扩容可靠，但两个自振荡芯片振荡电压相位应一致，以消除非线性互调功率不均衡，获取稳定的输出功率。为此，引入注入锁相解决功率合成相位同步技术。

注入锁相无须压控调谐、鉴相、环路滤波，电路简单性能优越，附加成本低。注入锁相本质上与环路锁相没差别，适于功率合成灯具稳定振荡频率相位同步，稳定输出功率避免器件温升过高功率失衡，延长使用寿命。

基准晶振石英谐振器品质因数高，频率受温度变化极小，高度稳定作基准参考精确。基准信号经分频注入自振荡芯片C_T端锁定相位。未注入基准信号自振荡芯片RC振荡器产生自由振荡频率，注入基准信号RC振荡电压与其矢量合成，通过自振荡芯片非线性变频锁定相位，振荡信号与注入基准信号仅有一个固定的相位差。同步带宽与注入功率正比，与RC振荡器有载Q值反比，由于基准信号注入RC振荡器的输入端，增益高，小功率锁定。两个自振荡芯片RC振荡器共接电阻R₃、电容C₅同步振荡，锁定时间快。

注入基准频率是锁定振荡频率的整数倍，或振荡频率是基准频率的整数倍，基准信号分频注入选配较高频率的高稳频特性石英谐振器，易锁定数十至数百千赫LC或RC振荡器。分频器IC₃二进制或十进制计数分频。

相加耦合器T₃电感L₅将两个推挽输出功率变压器T₁、T₂电感L₂、L₄反相激励电流叠加，相位差180°低次谐波相互抵消，输出电流变换加倍总和送到灯负载，输入电压、频率、相位及负载相同，电流相等均衡电阻R₉无功率损耗。

灯管触发电路由高频电压通过电容C₁₀、电阻R₁₁与直流高压经电阻R₁₉对电容C₁₁充电，当电压充至双向触发二极管VD₅导通，电流经脉冲点火变压器T₄电感L₇，电感L₈感应生成高压脉冲，触发高压钠灯管G气体导通启辉。灯管启辉后，VD₅不再产生触发脉冲。

调频信号发生器，时基芯片IC₅多谐振荡产生低频锯齿波信号，由场管Q₃、电容C₁₅自举正反馈，电容C₁₂充电，电阻R₁₆压降不变使充电速率不变，保障波形线性，频率调制自振荡芯片RC振荡器，线性锯齿波围绕基准晶振注锁中心频率周期变化，消除灯管电弧驻波声共振点，抑制闪烁稳定灯光。直流高压发生器与抑闪调频信号发生器由同一个时基芯片IC₅产生振荡升压、整流及滤波，一举两得。

灯异常检测由灯电流互感磁环电感L₉电压二极管VD₆检波、电容C₁₉、电阻R₁₀滤波经电阻R₇、R₈分压，三极管VT₁放大触发两个自振荡芯片RC振荡器C_T端，芯片内部的比较器电压降低到V_CC/6以下，迅速停振快速关断逆变器功率管，以免受损。

太阳能电源欠压控制，蓄电池电压低于时基芯片IC₆555低电平触发端TL取样1/3V_CC时，时基芯片置位，继电器J吸合，触点J-1接通蓄电池充电，当蓄电池电压充足，过压控制电压高于高电平触发端HL取样2/3V_CC，时基芯片复位，继电器释放触点J-1，切断太阳能电池对蓄电池过压充电。随着灯DW照明消耗电能蓄电池电压降低到置位电压，太阳能电池恢复充电，使蓄电池电压保持在照明所需值，开关S控制灯照明。

阻塞二极管VD₉单向导电防止蓄电池对太阳能电池反充电，二极管VD₁₀当蓄电池反接导通短路，快速烧断熔丝F保护蓄电池。电容C₂₀、C₂₂去耦，电阻R₂₄、电容C₂₁、稳压二极管VD₈供时基芯片电源。二极管VD₇抑制继电器吸合、释放产生的反向电压，防护时基芯片IC₆受损。

实施例太阳能电源285V，双半桥逆变器电流0.6A，驱动150W高压钠灯，效率87％，逆变电流小功耗低，灯光稳定。适用于太阳能电源供电的大功率高压钠灯照明。

Claims (2)

1.一种太阳能电源双半桥注锁功率合成高压钠灯，包括高压钠灯管，其特征在于：还包括太阳能电源、基准晶振、分频器、两个型号为IR2153的自振荡芯片、半桥逆变器A、半桥逆变器B、相加耦合器、调频信号发生器、灯管触发电路、灯管异常电流检测器，其中，基准晶振由石英晶体谐振器、两个反相器及电阻、电容组成，第一个反相器输入与输出两端跨接偏置电阻，并分别并联接地电容，同时，还跨接串联微调电容的石英晶体谐振器，基准晶振输出信号经第二个反相器接入分频器，自振荡芯片内含RC振荡器、半桥逆变驱动电路，两个自振荡芯片RC振荡器共接电阻R₃、电容C₅同步振荡，自振荡芯片的输出分别经半桥逆变驱动电路连接均由两个功率MOS场效应管互补组成的半桥逆变器A、半桥逆变器B，自振荡芯片及半桥逆变器A输出功率变压器T₁与自振荡芯片及半桥逆变器B输出功率变压器T₂反相馈入相加耦合器，功率合成、升压馈送灯管触发电路高压钠灯启辉，基准晶振信号经分频器注入两个自振荡芯片RC振荡器C_T端锁定相位，调频信号发生器由型号为555的时基芯片IC₅、电阻R₁₄、R₁₅、R₁₆和电容C₁₂多谐振荡，IC₅的DIS端经由电阻R₁₃接场效应管Q₃栅极，电容C₁₅接Q₃源极电阻R₁₂自举正反馈，输出线性锯齿波信号，接入两个自振荡芯片RC振荡器R_T端调频抑制灯光闪烁，灯管异常电流检测器信号经电阻分压、三极管放大接入两个自振荡芯片RC振荡器C_T端控制振荡快速关断，太阳能电源接入基准晶振、分频器、调频信号发生器、自振荡芯片及半桥逆变器A、自振荡芯片及半桥逆变器B的电源端，其中，太阳能电源由光伏电池板E₁、阻塞二极管VD₉、防反接二极管VD₁₀、继电器J和蓄电池E₂、电阻R₂₄、开关S、时基芯片IC₆以及过压取样电路、欠压取样电路组成，光伏电池板E₁输出电极正端串联阻塞二极管VD₉、继电器触点J-1的一端，继电器触点J-1的另一端连接蓄电池E₂电极正端、过压取样电阻R₂₀、欠压取样电阻R₂₂、时基芯片IC₆稳压电源滤波电阻R₂₄及接有开关S的灯具DW，过压控制取样电阻R₂₀、RP₁、R₂₁依次串联后并于蓄电池E₂正负电极两端，RP₁接入时基芯片IC₆高电平触发端TH，欠压控制取样电阻R₂₂、RP₂、R₂₃依次串联后并联于蓄电池E₂正负电极两端，RP₂接入时基芯片IC₆低电平触发端TL，时基芯片IC₆输出接继电器J，蓄电池E₂的负端串入快速熔丝F后接地，蓄电池E₂正负电极两端并联防反接二极管VD₁₀。

2.根据权利要求1所述的太阳能电源双半桥注锁功率合成高压钠灯，其特征在于：灯管触发电路由脉冲点火变压器T₄、双向触发二极管VD₅、直流高压发生器组成，灯管一端经T₄电感L₈、电容C₁₀接相加耦合器T₃电感L₆，电容C₁₀与电感L₈接点并联电阻R₁₁的一端，T₄电感L₇接接地电容C₁₁和电阻R₁₁的另一端，双向触发二极管VD₅串联T₄电感L₇接地，直流高压发生器由时基芯片IC₅多谐振荡方波接变压器T₅电感L₁₀，由电感L₁₁升压、二极管VD₄整流、电容C₁₇、电阻R₁₈滤波，经电阻R₁₉接电容C₁₀与T₄电感L₈接点，灯管另一端穿过灯异常检测电流互感磁环接地，电感L₉一端接二极管VD₆的阳极，电感L₉另一端地，电容C₁₉、电阻R₁₀并联于二极管VD₆的阴极与地之间，二极管VD₆的阴极还经电阻R₇、R₈分压接入三极管VT₁放大触发两个自振荡芯片RC振荡器C_T端。