基于鋸齒波電源的低輻射教室照明系統(tǒng)

李龍華, 熊麗， 常宇辰， 金永鎬

(延邊大學(xué) 工學(xué)院， 吉林 延吉 133002)

現(xiàn)有的教室照明系統(tǒng)通常是首先通過(guò)整流濾波將220 V的交流電壓變?yōu)?10 V的直流電壓，然后再經(jīng)過(guò)DC-DC高頻變換器驅(qū)動(dòng)不同功率的LED燈組[1-2].這種驅(qū)動(dòng)方式會(huì)產(chǎn)生大量的50～100 kHz高頻、高壓脈沖，且這種脈沖很容易輻射到空間并產(chǎn)生大量的電磁干擾，進(jìn)而影響其他電器設(shè)備的工作和師生的身心健康[3-4].目前，未見(jiàn)對(duì)低輻射教室照明系統(tǒng)進(jìn)行研究的相關(guān)文獻(xiàn)，為此本文提出了一種基于鋸齒波電源的低輻射教室照明系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)的有效性.

1 非正弦波的組成及諧波分析

1.1 非正弦波的組成

圖1為非正弦波的組成圖，該非正弦波由主機(jī)產(chǎn)生，并將其提供給N個(gè)分機(jī).在時(shí)間0～t1內(nèi)，鋸齒波的電壓幅值在UL～UH內(nèi)線性變化，該時(shí)間區(qū)為高壓斬波區(qū)；t1～t2時(shí)間區(qū)為邏輯0的同步脈沖區(qū)；t3～t4時(shí)間區(qū)為邏輯1的同步脈沖區(qū).

主機(jī)工作時(shí)，其首先利用高壓電容對(duì)波形進(jìn)行微分，由此在高壓斬波區(qū)得到10 V左右的低壓工作電壓，并將該電壓提供給分機(jī)的控制器，進(jìn)而在同步脈沖區(qū)得到寬度分別為0.56 ms和0.28 ms的負(fù)脈沖(分別定義為邏輯0和1)；然后主機(jī)將該負(fù)脈沖作為同步信號(hào)，以此對(duì)高壓斬波區(qū)進(jìn)行同步斬波，以獲得驅(qū)動(dòng)LED燈組的不同電壓.

圖1 非正弦波的組成圖

1.2 諧波分析

圖2為波形幅度為UM、 占空比為D、 周期為T(mén)的脈沖波示意圖.由圖2可知，傅里葉變換時(shí)該脈沖波的幅頻特性由下式?jīng)Q定：

式中n取1、2、3.當(dāng)對(duì)開(kāi)關(guān)電源取脈沖幅度UM=300 V、D=30%、f=50 kHz、n=30時(shí)，其幅頻特性如圖3所示.由圖3可以看出，圖中存在大量幅值較高的高次諧波.由頻譜理論可知，除了正弦波以外的任何波形都能夠產(chǎn)生諧波(諧波可分解為基頻和高次諧波)，且諧波的幅度隨諧波的次數(shù)衰減[5-6]；因此，圖3中的高次諧波會(huì)產(chǎn)生電磁輻射.

圖2 周期性的脈沖波

在非正弦波組成的系統(tǒng)中，當(dāng)取UL與UH之間的差值為50 V時(shí)，其斬波脈沖的最大幅度為50 V.圖4為UM=50 V、D=30%、T0=3 ms、n=30時(shí)非正弦波系統(tǒng)的幅頻特性.由圖4可以看出，非正弦波展開(kāi)30次后其諧波仍然處于音頻范圍內(nèi)，且幅值很小.由輻射理論可知， 0.02～20 kHz的音頻范圍屬于低輻射音頻范圍[7]；因此，圖4中的諧波電磁輻射很小.

圖3 開(kāi)關(guān)電源的幅頻特性

圖4 非正弦波系統(tǒng)的幅頻特性

2 基于鋸齒波電源的低輻射教室照明系統(tǒng)

2.1 照明系統(tǒng)

照明系統(tǒng)由主機(jī)(為系統(tǒng)提供電能)和分機(jī)(N個(gè)LED燈組)組成，如圖5所示.

圖5 照明系統(tǒng)框圖

為了減輕鋸齒波電源的功率負(fù)擔(dān)，本文采用直流電源+鋸齒波電源的方案.主機(jī)工作時(shí)首先對(duì)220 V交流電壓進(jìn)行整流濾波，以此得到UDC的直流電壓；直流電壓UDC經(jīng)過(guò)主電源后變?yōu)橹绷麟妷篣L， 并與鋸齒波電源的輸出電壓UF疊加輸出，即UO=UL+UF.

主電源提供驅(qū)動(dòng)LED燈組的大部分電能，其中UL值可根據(jù)LED燈組所需的驅(qū)動(dòng)電壓在100～250 V范圍內(nèi)設(shè)定某一個(gè)值.由于鋸齒波電源只起到電壓補(bǔ)償?shù)淖饔?，因此其所需要的功率較少，從而可減輕鋸齒波電源的功率負(fù)擔(dān).另外，UDC經(jīng)過(guò)輔助電源后，可為鋸齒波電源提供隔離的直流電壓UD， 鋸齒波電源利用UD產(chǎn)生幅值在0～(UH-UL)范圍內(nèi)變化的鋸齒波電壓UF.圖6為分機(jī)框圖，圖7為工作時(shí)序圖.微分器對(duì)低頻鋸齒波電壓進(jìn)行微分后，在鋸齒波的高壓斬波區(qū)可獲得約為10 V的低壓，并供給分機(jī)控制器使用；同時(shí)在下降部分的同步脈沖區(qū)可獲得同步脈沖和邏輯1或0， 從而實(shí)現(xiàn)主機(jī)和分機(jī)的通信.

由控制器控制每個(gè)同步脈沖點(diǎn)的斬波開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通，并檢測(cè)LED燈組的電流.當(dāng)燈組電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)，斬波開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，由此燈組可獲得不同的驅(qū)動(dòng)電壓.

圖6 分機(jī)框圖

2.2 鋸齒波電源的設(shè)計(jì)

圖8為鋸齒波電源的電路圖.本文使用的是STC15W402AS型高速單片機(jī)，該單片機(jī)內(nèi)含1路10位的ADC轉(zhuǎn)換器、3路16位的CCP模塊、2路8位的PWM模塊，且單片機(jī)工作頻率可調(diào)整(最高工作頻率可達(dá)33 MHz).在推挽輸出模式下，該單片機(jī)的I/O口可提供20 mA的驅(qū)動(dòng)電流[8-9].圖8中的L6384為PWM信號(hào)用場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)器，其不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且工作頻率可達(dá)400 kHz，能夠驅(qū)動(dòng)600 V高壓側(cè)的場(chǎng)效應(yīng)管.

鋸齒波電源由單片機(jī)中的8位PWM模塊和高速ADC轉(zhuǎn)換器組成[10].當(dāng)工作頻率fS=33 MHz時(shí)， 8位PWM的工作頻率約為129 kHz，周期T為7.8 μs.當(dāng)鋸齒波電源工作時(shí)，其首先用T(7.8 μs)對(duì)3 ms的鋸齒波進(jìn)行采樣，由此得到384個(gè)數(shù)據(jù)；然后利用示波器對(duì)含有邏輯1或0的鋸齒波進(jìn)行采樣，并建立邏輯1或0的數(shù)據(jù)表；最后利用查詢方法將查到的數(shù)據(jù)送入PWM模塊中[11].輸出電壓UF與數(shù)據(jù)N之間的關(guān)系為：

UF=NUD/256.

輸出電壓UF利用高速ADC采樣，如果樣值比設(shè)定值小，則利用控制輔助電源提高UD.高速ADC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換時(shí)間的關(guān)系如表1所示.

圖8 鋸齒波電源的電路圖

表1 高速ADC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度與轉(zhuǎn)換時(shí)間關(guān)系

2.3 斬波型LED驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

圖9為分機(jī)的電路圖，該電路用低功耗單片機(jī)MK6A12進(jìn)行控制.MK6A12型單片機(jī)是一種價(jià)格低廉且功耗較低的單片機(jī)，目前被廣泛應(yīng)用在各種工業(yè)控制器中.該單片機(jī)內(nèi)含4 MHz的RC振蕩器(可通過(guò)外部電阻設(shè)定頻率)、WDT及復(fù)位電路，工作電壓為2.5～5 V[12].

鋸齒波電壓UO上升時(shí)，電流經(jīng)過(guò)C3、D2、R6給C5充電并建立一個(gè)5 V的工作電壓；UO下降時(shí)，電流經(jīng)過(guò)C3、D3、R8， C3放電，并在A點(diǎn)產(chǎn)生負(fù)電壓， Q5導(dǎo)通B點(diǎn)(此時(shí)B點(diǎn)為低電平)，由此可檢測(cè)出下降沿處的脈沖寬度，同時(shí)將其作為同步脈沖.由于每次同步脈沖結(jié)束時(shí)單片機(jī)PB0輸出的是高電平，因此Q4導(dǎo)通，進(jìn)而可使C4利用高壓斬波區(qū)對(duì)LED燈充電.當(dāng)燈組的電流在R4兩端的壓降超過(guò)0.6 V時(shí)， Q3導(dǎo)通， PB1的輸入電壓超過(guò)1.5 V， 由此使PB0輸出變?yōu)榈碗娖?，并使Q4截止.R9的作用是防止剛接通電源時(shí)電路中出現(xiàn)過(guò)大的電流脈沖.

圖9 分機(jī)電路圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖10為在高壓波形中檢測(cè)出的邏輯0和1的波形圖.實(shí)驗(yàn)中取UL=200 V，UH=240 V.圖11為主機(jī)發(fā)送F0H和55H時(shí)，由示波器檢測(cè)出的邏輯0和1的波形圖.

圖10 在高壓波形中檢測(cè)出的邏輯波形圖

圖11 主機(jī)發(fā)送F0H和55H時(shí)的波形圖

圖12為分機(jī)以斬波方式工作時(shí)各點(diǎn)的波形圖.由圖可以看出，LED燈組驅(qū)動(dòng)電壓約為220 V，平均工作電流為50 mA，由此可得LED燈組的輸出功率為11 W.由圖還可看出，輸入端電流呈緩慢上升趨勢(shì)，且峰值電流約為190 mA，由此說(shuō)明控制器可以穩(wěn)定控制斬波開(kāi)關(guān)，進(jìn)而使LED燈組穩(wěn)定工作.

圖12 分機(jī)斬波方式工作時(shí)各點(diǎn)的波形圖

4 結(jié)論

研究表明，本文提出的基于鋸齒波電源的低輻射教室照明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多地、分區(qū)控制教室內(nèi)的N個(gè)LED燈，并能夠達(dá)到有效節(jié)能和降低電磁輻射的目的.另外，該系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此其在照明系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用價(jià)值.