节能灯原理图分析

节能灯原理图分析

此电路是电子节能灯最基本的结构，也是最经典的电路。电路后半部分的逆变电路采用磁性材料组成的纯模拟电路进行开关的通断转换。

目前，对于电路工作时的电流流向问题已经不存在疑问。现在，主要问题集中在开关管的开关转换是怎么完成的。现在主要存在的有两种解释。

第一种，也是流传最广的：磁环磁饱和。

这种解释的理解是：在开关管的两个基极感应线圈感应到电压，在磁饱和时，没有电压了，由于电感的电流不能突变的原因，使感应线圈感应出了与先前相反的电压，经过正反馈的强化，使得开关管的状态发生了转换。

详细一些的过程为：

当电路加上电后，电路通过电阻R1、R2给电容C2进行充电。当电容C2上的电压达到双向触发管VDB的转转电压时，电流通过开关管VT2的基极和发射极构成通路。此时下管VT2管开，电路是通过电容C4、负载、下管VT2构成回路。在整个工作过程中，由于磁环进入磁饱和，使得开关管基极感应出的电压为0，而由于电感中的电流不能突变。线圈N1中的感应电压为上正下负，所以，线圈N2感应出的电压为上正下负，N3感应出的电压为上负下正。此时，下管VT2截止，而上管正好打开，此时，电流的流向就是电容C4中的贮能通过上管VT1，电感、负载回到电容C4的另一端。在这个工作过程中，磁环再次通过磁饱和，使得磁环线圈中的感应电压发生极性变化，从而开关管再次发生转换。如些往复，形成了以一定频率转换的开关状态，实现了DC-AC的高频转换。

在这个过程中，一定要使两个开关管上的基极接的磁环同名端不一样。即：从上图来看，就是从上到下规定，N1和N2的同名端相同，N3的同名端刚好相反。现假设线圈N1的上端为同名端，那线圈N2的同名端就在与电阻R5相接处，线圈N3的同名端就在与电路地相接处。

在这个解释过程中，没有详细的关于开关管是如何进入开关状态，及电路是如何进入谐振状态触发灯管的，及解释中引进的正反馈是如何形成的，以及磁饱和理论是如何形成的。

第一个遗留问题：如何进入开关状态？

根据我的理解，开关管是先进入放大状态，然后过渡到开关状态，到这时，集电极电流IC不再受IB的影响。也就是，先是放大状态，高频率信号是通过基极接的磁环线圈绕组引进，通过三极管进行放大，通过三极管的发射极输出。放大后的信号经过磁环的耦合线圈N1与线圈N2、N3反馈形成正反馈，使基极上感生电压增大，增强了驱动能力。后续的发展使电路进入饱和区，此时，三极管才是完全进入开关状态。这部分的变化可参考“三极管放大状态中的非线性失真中的顶部失真”。

第二个遗留问题：如何进入谐振状态？

据我理解，在双向触发二极管VDB触发时，其电流中是有很多高频分量的（此部分参照三极管放大电路的频率特性）。其实在负载灯未进入工作时，其工作回路是：C4、C5、电感、磁环耦合线圈、两个开关管VT1和VT2。由于主要由C4、C5、电感的选频特性，加上磁环耦合线圈构成的正反馈，通过三极管的放大电路，使得谐振频率点的电流被不断的放大。当达到谐振频率点，C5上的谐振感生电压足以击穿负载，使之进入正常工作状态时，负载被成功点燃。当负载被点燃后，其相当于一根导线接在电容C5两端，从而使电容C5“短路”。这时，根成的工作回路中，将电容C5换成负载，其他情况不变。

第三个遗留问题：正反馈是怎么形成的？

在上面的解释中其实已经提到了正反馈是怎么形成的。第一点：磁环上的三个耦合线圈的同名端必须正确。即线圈N1和N2的同端相同，线圈N3的同名端和其余两个相反。

假设下管导通时，流过线圈N1的电流方向为从下到上，此进，线圈N1上的感生电压为下正上负，而线圈N3由于下管VT2的导通缘故，感生的电压为上正下负。由于电流持续上升，线圈N1上的感生电压极性不变，数值变大。同时，由于线圈N1与N3线圈间的互感作用，使得线圈N3上的电压也是极性不变，数值变大。这一变化，更加促使下管VT2的导通。这一过程就是通过反馈使驱动信号变强，所以，是一个正反馈过程。

第四个问题：磁环的磁饱和

对于这个磁环的磁饱和，我是想不通怎么形成的。不过，当磁环磁饱和时，确实能够使感生的电压变为0，以此为理论点，可以使开关管进行开关状态的切换。

假设下管导通，上管截止。下管VT2导通时，基极上是正电压，当磁环进入磁饱和时，线圈N3上的感生电压为0V，此进，对照下管VT2的发射极，其接电路中的地，所以，形成VBE截止，三极管进入关断状态。这时下管VT2进入截止状态，关断。可是我想不通，这时，上管是如何进入导通状态的。

还有一个就是：磁环进入磁饱和的条件不符合。

B=Φ/Ae=N×AL×I/Ae                 式1

在式中，B为磁应强度                 单位特斯拉T

        Φ为磁通

        Ae为磁芯的有效截面积        单位m^2

        N为线圈的匝数

        Al为电感因数                单位享/匝^2

        I为通过线圈的电流           单位A

根据公式：L=N^2*Al                  式2

所以，式1改写为：

B=L*I/（Ae*N）                      式3

我们在工程计算时，取B不超过200mT，最大不超过230mT，以保证电感不会进入饱和区。在实际应用中，我根据实际磁环线圈的参数计算时发现，其结果远远小于这个规定值。

而且，有次和用的磁环由于初始磁导率高，而灯壳内的温度过，使灯在点烘箱时，过一段时间后，电路停止工作。将灯取出冷却后，电路又正常工作。而且在外界室温情况下，连续工作无任何不良现像出现。当时评估为磁环在高温烘箱内（80度），再加上壳内温度高，使磁环接近居里点，磁环失性。从而使灯无法正常工作。

当时根据这一现像，我更加理解为：若磁环真的是进入饱和，那电路根本就不会工作。所以，我认为这个磁饱和理论是不正确的。

第二种解释就是：三极管由于进入电流饱和，电流停止变化，使得线圈上的互感电压变为0，再加上电感上的电流不能突变的特性，使感生出的电压极性发生变化，从而实现三极管开关状态发生变化的。

这个理论是我比较接受的。

这个理论的关键点有这么几个：

1、电流不在发生变化

2、电感电流不能突变的特性，使得感生的感应电动势会在电流增大和电流减小两个过程中感生出不同的电动势。

关于开关管转换的详细过程是这样的：

第一个阶段：三极管导通时，是先进入放大状态（见第一个遗留问题）此时，IC是随IB的增加而增加。IB的增加是由于正反馈形成的。在这个过程中，IC是随IB的变化而变化的。

第二个阶段：由于负载进入稳态工作，其最大工作时的电流是固定的。当电流增加到这一值时，电流就不再增大（电感的扼流作用，抑制了放电管的负阻特性）。此时，相当于是负载是个定值的阻态，总线电压固定，其最大工作电流也就定下来了。当电流达到最大电流时，电流就不再增加。

根据电感上的感应电动势计算公式：UL=L*di/dt              式4

由式4可以看出，线圈上的感应电动势是和线圈上的电流的变化有关的。当电流停止变化时，感应电动势也就随之消失。

这第一个阶段就是感应电动势电压存在，第二个阶段就是感应电动势消失，也是开关进行转换的切换点

根据电感中的电流不能突变的特性。

第三阶段：由于电感中的电流不能突变，所以，电流的方向不会马上就会改变，而是和原来的流向一致，并减小。这时，线圈上的感应电动势就再次存在，因为存在电流的变化了；再一个，电流的方向和原来保持一样，维持原来的流向，所以，感应电动势的极性发生了变化。这时，才产生了三极管开关状态的转换。

然后不停地重复这三个阶段。

以上面原理图图例说明就是：

1、假设下管VT2进入放大区，电流的持续上升；及基极线圈N3上的感应电压是上正下负，并因正反馈而不断加强；线圈N1中感应出来的电压是上负下正（用于对抗电流的增加），N2和N1相同。由于基极线圈N3上电压的增加，使开关管最终进入饱合区。三极管完全处于开关状态。

2、电流不断增加，当达到负载所需最大电流时，由于电感的扼流作用，使电流不再增加，这时，电流不再发生变化。线圈N1、N2、N3上不再有感应电动势。

3、由于电感电流不能突变，现在处于维持原电流流向并逐渐减小。这时，线圈N1、N2、N3上的感应电动势再次出现。此时，由于是为维持原电流方向，线圈N1感应电动势为上正下负，N2同N1一样，N3为上负下正。此时，下管VT2上的VBE电压为负，三极管截止，上管VT1上的VBE为正，进入放大状态。这时，开关管的开关状态转换彻底完成。

4、此时，上管VT1重复上述1~3的过程，成功实现开关管的转换。

下面说下电路中部分器件的作用：

电路中，开关管CE两端接的二极管VD6和VD7的作用和开关管BE两端接的VD8和VD9的作用相似。

先说下VD6和VD7的作用：

在开关管进行开关状态转换的时候，电感中的电流不能突变，而是先要维持原来的状态一会时间（虽然时间很短）。这两个管子是为这个电流提供泄放通路的。

假设，初始状态是下管导通，上管截止。此时，开关管状态进行转换时，电感中的电流方向还是从负载流向电感L2。这时，由于二极管VD6的存在，使得泄放电流经过VD6回到电容C4。

若没有二极管VD6存在时，泄放通路是流过开关管，走下管VT2。

由于开关管各极间存在一定的电容，所以，当开关管由导通状态进入截止状态时，它不是完全截止的。而是存在一段时间的延迟才能完全关断。所以，当开关管进行转换时，虽然N3线圈上的感生电压为负了，但是管子还不能马上进入关断状态，电感上的感生电流的流向会通过下管VT2的CE接地。由于电感的感生电流是一个尖峰量，存在时间短，会形成一个尖峰电流流过下管，对管子的损害比较在。同时，增加了管子的损耗。

当增加这样一个二极管后，会将这个电流量通过另外一种途径泄放，消除对开关管的影响或是损坏。

对于上图是电路的另外一种变形体，只有一个无源臂C4，所以，当上管由导通到截止时，这个分析过程是不成立的。换做另一个电路，就是再加一个无源臂C6，一端接地，一端接C4与负载灯丝。此时，这个分析过程就在上管的分析就成立了。

上管VT1上CE两端的电容C3。

这个电容大多数时候被称作是移相电容，也有叫续流电容。

移相，我这个通过调整看过。通过调节这个电容的大下，可以调节管子VCE电压和IC电流的重合面积，反应的就是管了的损耗。

续流，我也做过测试。当用电流探头测试这个电容上的电流时，发现它是一个很短的，类似于充电电流的一个波形。如下图所示。

电容C3上的电流波形。

对于这个续流的解释：

    由于两个管子在转换期间存在一定的死区时间。这个时间内的电流提供路径是通过电容C3完成的。当上管VT1由导通到截止时，电容C3两端的电压逐渐增加。此进，形成了一定的充电电流。刚好这个电流对电感由于电流减小处于维持阶段提供了一定的电流支持。使电路在下管导通前，负载中的电流不至于中断。

其中还有一些图片的。我写的时候找不到我把下载的那些图片存到哪去了。那些工作时的波形图片，可以参照外来和尚的贴子

其中，在磁环分析中，我引用了一些公式。这个可以参照《电子镇流器中电感线圈参数的选择与计算—陈传虞》

能力有限，理论知识不足。其中不对的地方还望高手指正