電子鎮(zhèn)流器綜合測(cè)試儀

圖2是測(cè)試儀的總體框圖，本測(cè)試儀由計(jì)算機(jī)和嵌入式測(cè)試儀兩部分組成，嵌入式測(cè)試儀采集并分析各項(xiàng)數(shù)據(jù)，然后經(jīng)RS232串口上傳到計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上顯示并保存測(cè)試結(jié)果。

嵌入式測(cè)試儀以MSP430F133為核心，MSP430F133是TI公司生產(chǎn)的低功耗16位混合信號(hào)單片機(jī)，最高處理能力為8MIPS，具有8KBFlash型存儲(chǔ)器和256字節(jié)RAM，2個(gè)16位計(jì)數(shù)器和1個(gè)看門狗定時(shí)器，1個(gè)串行通信接口，還有一個(gè)最高轉(zhuǎn)換速度200ksps的12位ADC模塊，MSP430F133單片機(jī)非常適合于本測(cè)試儀中的設(shè)計(jì)要求，具有非常高的性價(jià)比，例如他內(nèi)部豐富的外設(shè)資源，可以大大簡(jiǎn)化本測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)。

電子鎮(zhèn)流器的振蕩頻率一般在40KHz左右，啟動(dòng)時(shí)燈管電壓(峰-峰值)通常超過1000V，而在穩(wěn)定后燈管電壓(有效值)不到100V，具有頻率高、電壓高及變化幅度大等特點(diǎn)，因此，信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)是本測(cè)試儀設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

電子鎮(zhèn)流器綜合測(cè)試儀燈管電壓和工作頻率信號(hào)采集硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試儀燈管電壓(有效值)測(cè)試量程為0-500V。為了與信號(hào)變換及ADC電路相適應(yīng)，必須將該燈管電壓信號(hào)衰減到0-2.5V，即200：1的分壓衰減。

通過對(duì)多種電阻器件分布電感和電容特性的深入研究及實(shí)例，發(fā)現(xiàn)3386型單圈玻璃釉電位器具有極小的分布電感和電容，用它制作4MΩ：20KΩ(分壓比為200：1)的分壓取樣電路，分壓得到的信號(hào)非線性和畸變均小于1%，完全滿足測(cè)試儀精度的要求。

電子鎮(zhèn)流器輸出燈管電壓信號(hào)的頻率和幅度都極不穩(wěn)定，隨著燈管和器件發(fā)熱會(huì)發(fā)生顯著變化，通常頻率和電壓信號(hào)包絡(luò)被電網(wǎng)的工頻信號(hào)調(diào)制，采用常規(guī)的峰值檢波電路或平均值檢波電路等方法來測(cè)試燈管電壓有效值，都會(huì)有較大的誤差，因而采用真有效值測(cè)量專用集成電路AD637，將雜亂的燈管電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的有效值直流電壓，然后送MSP430F133內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換器。

測(cè)試儀中的頻率測(cè)量電路是將衰減取樣到的燈管電壓信號(hào)送由LM393構(gòu)成的具有遲滯特性得比較器，將交流信號(hào)整形為脈沖信號(hào)，然后送MSP430F133的計(jì)數(shù)器輸入腳，由MSP430F133內(nèi)部計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。

電子鎮(zhèn)流器綜合測(cè)試儀燈絲電流和燈管電流采集硬件設(shè)計(jì)

電流傳感器選擇受諸多因素限制，燈絲電流在預(yù)熱階段達(dá)幾百mA，而在正常時(shí)只有幾十mA;燈絲電阻有多種規(guī)格，從幾Ω到幾十Ω;波形是雜亂的，頻率在40KHz左右，頻率和幅值均受電網(wǎng)工頻信號(hào)的調(diào)制，因此，電流采樣電路使用常規(guī)的采樣電阻取樣或者線圈感應(yīng)取樣設(shè)計(jì)，存在帶寬窄、非線性和畸變嚴(yán)重，影響電子鎮(zhèn)流器的工作狀態(tài)等問題，都不能滿足測(cè)試儀的要求。

為此，選擇閉環(huán)式霍爾電流傳感器作為測(cè)試儀的電流傳感器，閉環(huán)式霍爾電流傳感器的磁芯中磁通量近乎為0，因此，插入損耗很小，幾乎不會(huì)對(duì)被測(cè)電路產(chǎn)生影響，并且可以測(cè)量從直流到100kHz各種波形的電流，另外與被測(cè)定對(duì)象之間是物理隔離的。

閉環(huán)式霍爾電流傳感器工作原理如圖4所示，如果霍爾元件有磁場(chǎng)通過，則有電壓輸出，該電壓放大并轉(zhuǎn)換為電流輸出給補(bǔ)償線圈，由補(bǔ)償線圈產(chǎn)生與被測(cè)電流方向相反的磁場(chǎng)，經(jīng)動(dòng)態(tài)反饋使磁芯中的磁通為0，此時(shí)

I1×N1=I2×N2即I1=I2(N2/I1)=(Uo/Rs)(N2/I1)

式中，I1為被測(cè)電流，N1為其對(duì)應(yīng)初級(jí)繞組的匝數(shù);I2為補(bǔ)償線圈中的電流，N2是補(bǔ)償線圈中的匝數(shù);Uo是I2流經(jīng)取樣電阻Rs產(chǎn)生的壓降，由上式可知，當(dāng)磁場(chǎng)平衡時(shí)，只要測(cè)量Uo即可計(jì)算得到被測(cè)電流。

經(jīng)測(cè)試，閉環(huán)式霍爾電流傳感器完全滿足測(cè)試儀電流取樣的各項(xiàng)要求，確保了測(cè)試儀電流測(cè)量的高精度，有效值變換電路如圖5所示，與電壓通道相同。

電子鎮(zhèn)流器綜合測(cè)試儀電流、功率和功率因素采集模塊設(shè)計(jì)

直接利用遠(yuǎn)方公司生產(chǎn)的PF9805型智能電量測(cè)試儀測(cè)量輸入電流、輸入功率以及功率因素，PF9805型電電量測(cè)試儀帶有RS232接口。本測(cè)試儀所需要做的是利用它提供的接口，適時(shí)讀取輸入電流等數(shù)據(jù)。

由于MSP430F133只有一個(gè)串行通信接口，但是需要與PF9805型電量測(cè)試儀、PC兩個(gè)對(duì)象通信，經(jīng)過仔細(xì)分析工作時(shí)序，設(shè)計(jì)了圖6所示的串行通信切換電路，以很低的代價(jià)實(shí)現(xiàn)了串口的擴(kuò)展。

電子鎮(zhèn)流器（Electricalballast），是鎮(zhèn)流器的一種，是指采用電子技術(shù)驅(qū)動(dòng)電光源，使之產(chǎn)生所需照明的電子設(shè)備。與之對(duì)應(yīng)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(shí)，電子鎮(zhèn)流器通?？梢约婢咂疠x器功能，故此又可省去單獨(dú)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。

電子鎮(zhèn)流器原理可以簡(jiǎn)化為圖1所示的電路，影響電子鎮(zhèn)流器性能的主要指標(biāo)有：?jiǎn)?dòng)階段的預(yù)熱燈管電壓，預(yù)熱燈絲電流和預(yù)熱時(shí)間，穩(wěn)定后的燈管電壓、燈管電流、燈絲電流、振蕩頻率、輸入電流、輸入功率和功率因素，為此須放置傳感器采集輸出端的燈管電壓，燈絲電流，陰極電路和振蕩頻率，采集輸入端的功率、電流和功率因素等數(shù)據(jù)，然后分析、計(jì)算采集的數(shù)據(jù)得到電子鎮(zhèn)流器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

電子鎮(zhèn)流器綜合測(cè)試儀下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)，需要根據(jù)電子鎮(zhèn)流器的工作時(shí)序，依序采集對(duì)應(yīng)的電壓、電流和頻率等數(shù)據(jù)，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，得到各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果，最后將測(cè)試結(jié)果上傳到計(jì)算機(jī)。圖7是MSP430F133中程序的流程，在該程序當(dāng)中，從通信角度而言，單片機(jī)是主機(jī)，與PC和PF9805型電量測(cè)試之間的通信只能由它發(fā)起，以避免串口沖突。

在燈管點(diǎn)亮前，燈管電壓不斷提高，在點(diǎn)亮后，燈管電壓則快速下降，根據(jù)這一特性，程序中連續(xù)檢測(cè)燈管電壓，當(dāng)出現(xiàn)拐點(diǎn)并下降到最大電壓的20%(可設(shè))時(shí)，判定預(yù)熱結(jié)束燈管已經(jīng)點(diǎn)亮。

預(yù)熱燈管電壓：鎮(zhèn)流器加電后，一直檢測(cè)燈管電壓并記錄最大值，直到預(yù)熱階段結(jié)束，該最大值就是預(yù)熱燈管電壓。

預(yù)熱燈絲電流：鎮(zhèn)流器加電后，一直檢測(cè)燈絲電流并記錄最大值，直到預(yù)熱階段結(jié)束，該最大值就是預(yù)熱燈絲電流。

預(yù)熱時(shí)間：從鎮(zhèn)流器加電開始啟動(dòng)計(jì)時(shí)，到預(yù)熱階段結(jié)束停止，所計(jì)的時(shí)間就是預(yù)熱時(shí)間。

預(yù)熱結(jié)束后，延遲10s(可設(shè))，認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定，進(jìn)行各項(xiàng)穩(wěn)定指標(biāo)的測(cè)試，需要注意的是，無論電壓、電流還是頻率，均是工頻50Hz的函數(shù)，因此，各項(xiàng)測(cè)試均以20ms的整數(shù)倍為周期，進(jìn)行平均處理，以盡量減少由于工頻信號(hào)調(diào)制所帶來的誤差

電子鎮(zhèn)流器綜合測(cè)試儀上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)軟件用Delphi7編寫，主要完成三項(xiàng)功能：與測(cè)試儀通信、參數(shù)設(shè)置、測(cè)試數(shù)據(jù)顯示和保存。

與測(cè)試儀通信，共定義了3條指令：向測(cè)試儀加載參數(shù)請(qǐng)求、加載參數(shù)及返回測(cè)試結(jié)果，雙方約定波特率為19200bps，計(jì)算機(jī)為從機(jī)，平時(shí)處于接收狀態(tài)，只有收到加載參數(shù)請(qǐng)求時(shí)才向測(cè)試儀發(fā)送各項(xiàng)設(shè)置參數(shù)，通信部分軟化流程如圖8所示。

電子鎮(zhèn)流器在實(shí)際使用中還存在以下一些問題：

1、可靠性難以保證。HID燈用電子鎮(zhèn)流器電路結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比熒光燈電子鎮(zhèn)流器要復(fù)雜得多，選用的電子元件數(shù)量數(shù)倍于熒光燈用電子鎮(zhèn)流器，電子元件失效概率也高。同時(shí)，中國(guó)HID燈泡生產(chǎn)廠家參差不齊，實(shí)際執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)不一，燈泡與電子鎮(zhèn)流器很難實(shí)現(xiàn)真正意義上的匹配，使用效果便可想而知了。

2、工作環(huán)境難以如愿。電子鎮(zhèn)流器對(duì)使用環(huán)境的要求使得對(duì)燈具設(shè)計(jì)提出了新要求。比如鈉燈主要用于戶外道路照明，每天工作時(shí)間平均在12小時(shí)左右，工作時(shí)間較長(zhǎng)，且露天工作，直接受到一年四季較大溫差、狂風(fēng)暴雨、閃電雷擊的影響。另外，還要考慮到鎮(zhèn)流器和燈泡都安裝在密封的燈具外殼內(nèi)，大功率燈泡所發(fā)出的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于夏季環(huán)境溫度。鎮(zhèn)流器若能經(jīng)得起高溫這一關(guān)的考驗(yàn)，壽命就不成問題！

3、 散熱問題是老大難。散熱問題是影響電子鎮(zhèn)流器壽命的重要因素（尤其大功率電子鎮(zhèn)流器）。對(duì)大量發(fā)展的一體化燈具，難以安裝使用，主要是電子鎮(zhèn)流器一般要求工作環(huán)境溫度應(yīng)低于55℃，使電子鎮(zhèn)流器外殼溫度保持在75℃以下，來保證電子鎮(zhèn)流器的使用壽命。而實(shí)際運(yùn)行中卻很困難，因此，設(shè)計(jì)美觀大方，有良好散熱效果的燈具，是時(shí)代所需。從行業(yè)整體現(xiàn)狀看設(shè)計(jì)實(shí)用型的大功率電子鎮(zhèn)流器還有待于完善。

4、成本期待百姓價(jià)。電子鎮(zhèn)流器雖然其綜合經(jīng)濟(jì)效益高，但是由于一次性投資高，在使用一年后才能逐漸顯現(xiàn)其運(yùn)行成本的優(yōu)勢(shì)，還難以被人們廣泛接受。還有要提高可靠性，成本必然更會(huì)大幅增加。但隨著電子技術(shù)水平的快速發(fā)展，以上問題都將陸續(xù)得到改善，電子鎮(zhèn)流器必將成為綠色照明的重頭戲而被廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。

按照國(guó)際、國(guó)內(nèi)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)格以及客戶的要求，制定電子鎮(zhèn)流器的研發(fā)設(shè)計(jì)方案；

依照電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)方案，制定相關(guān)的生產(chǎn)流程方案，并對(duì)生產(chǎn)部門進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)；

解決電子鎮(zhèn)流器生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的技術(shù)難題；

協(xié)助相關(guān)部門進(jìn)行電子鎮(zhèn)流器樣品的質(zhì)量測(cè)試和檢驗(yàn)；

學(xué)習(xí)、運(yùn)用新技術(shù)改進(jìn)電子鎮(zhèn)流器生產(chǎn)流程；

整理、撰寫電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)研發(fā)的相關(guān)報(bào)告。

（1）節(jié)能。熒光燈的電子鎮(zhèn)流器，多使用20—60khz頻率供給燈管，使燈管光效比工頻提高約10%（按長(zhǎng)度為4尺的燈管），且自身功耗低，使燈的總輸入功率下降約20%，有更佳的節(jié)能效果。

（2）消除頻閃，發(fā)光更穩(wěn)定。有利于提高視覺分辨率，提高功效；降低連續(xù)作業(yè)的視覺疲勞，有利于保護(hù)視力。

（3）起點(diǎn)更可靠。預(yù)熱燈管后一次起點(diǎn)成功，避免了多次起點(diǎn)。

（4）功率因數(shù)高。符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的25W以上的熒光燈，其功率因數(shù)高于0.95。但應(yīng)注意，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)25W以下的燈管規(guī)定的諧波限值很高，以致使其功率因數(shù)下降到0.7—0.8。

（5）穩(wěn)定輸入功率和輸出光通量：高品質(zhì)產(chǎn)品有良好的穩(wěn)壓性能，在電源、電壓偏差很大時(shí)，仍能保持光源恒定功率，穩(wěn)定光照度，有利于節(jié)能。

（6）延長(zhǎng)燈管壽命。高品質(zhì)產(chǎn)品的恒功率和燈管電流下降，以及起點(diǎn)可靠等因素可使燈管壽命延長(zhǎng)。

（7）噪音低。高品質(zhì)電子鎮(zhèn)流器噪音可達(dá)35db以下，人們感覺不到噪音。

（8）可以調(diào)光。對(duì)于需要調(diào)光的場(chǎng)所，如：原使用白熾燈或鹵鎢燈調(diào)光的場(chǎng)所，代之以高效熒光燈配可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器，可實(shí)現(xiàn)在2%—100%的大范圍調(diào)光。

需要注意的是，只有設(shè)計(jì)優(yōu)良的電子鎮(zhèn)流器才能發(fā)揮以上各種優(yōu)點(diǎn)。雖然都是電子鎮(zhèn)流器，用于金鹵燈的電子鎮(zhèn)流器要比用于熒光燈的復(fù)雜很多,或者說幾乎完全不一樣。如果設(shè)計(jì)或制造工藝不到位，一個(gè)非常小的疏漏，都會(huì)造成故障。