基于IR2167的电子镇流器的毕业设计

1、 PAGE13 / NUMPAGES55本科毕业设计（论文）资料题 目 名 称：基于IR2167的电子镇流器的设计学 院（部）： 电气与信息工程学院 专 业： 电气工程与其自动化 学 生 姓 名：班 级：指导教师：最终评定成绩：工业大学教务处 本科毕业设计（论文）资料第一部分 毕业论文（2013届）本科毕业设计（论文）学 院（部）： 电气与信息工程学院 专 业： 电气工程与其自动化 学 生 姓 名： 亮 班 级：电自094学号指导教师： 罗飞 职称 教授 最终评定成绩：2013年6月 摘 要20世纪70年代中国就开始研制电子镇流器和产生了节能灯以来，绿色照明产业已取得了较快速的发展，现在我国已

2、经成为世界照明生产规模最大的国家，产量位居世界各国前列。二十一世纪是一个能源危机的时代，各国都为能源的短缺制定出了一系列新的政策，尤其在我们的国家，因为照明占了国家总用电量的1/10所以，现在正在从会普遍造成能源浪费的白炽灯向节能型的灯具（如荧光灯，LED灯等）过渡。“绿色照明工程”不仅只是简单的能源节俭，而且是对环境的保护；“绿色照明工程”不仅是目前资源短缺问题所在，而且是对子后代延续生存发展的深思。通过照明LED灯节能，减少了用电量，同时减少氧化物等有害气体的排放，真可谓是一箭双雕。本论文主要介绍了荧光灯的基本原理以与最经典的IR2167电子镇流器设计。荧光灯不仅工作温度不是很高，气压变化

3、小，启动和工作时灯管阻抗变化小，而且结构简单、价格低廉、光照效率高、显色性能较好、发光匀称、亮度适中和寿命长，因此得到了大量的推广。荧光灯具有负阻特性，必须和有限流作用的镇流器相结合使用，电子镇流器的最基本工作原理是把50（或60）Hz的工频交流电变成10kHz到65KHz的高频率的交流电，达到逆变的效果。所以，电子镇流器的设计的好坏将起到关键的作用。关键词：荧光灯，逆变，IR2167电子镇流器设计ABSTRACTSince the nineteen seventies China began the development of electronic ballasts and energy-

4、saving lamps, green lighting industry has achieved a rapid development, now China has become the worlds largest lighting production countries, output in the world forefront. Twenty-first Century is a time of energy crisis, countries all over the world for the shortage of energy to develop a series o

5、f new policies, especially in our country, because the lighting accounts for the national total energy consumption of the 1/10 so, lamps are now in common cause of incandescent lamp energy waste to energy saving type (such as fluorescent lamps, LED lamp) transition. Green lighting project is not onl

6、y a simple energy saving, but also for the protection of the environment; green lighting project is not only the present shortage problem, but also to the offspring survival development ponder. The lighting LED lamp energy saving, reduces power consumption, while reducing the oxide and other harmful

7、 gas emissions, is really kill two birds with one stone.This paper mainly introduces the basic principle of fluorescent lamp and electronic ballast design classic IR2167. Fluorescent lamps not only work is not very high temperature, pressure changes small, start-up and operation lamp impedance chang

8、e is small, and has the advantages of simple structure, low price, high efficiency, light color, luminous symmetry good performance, brightness and long service life, thus get a lot of promotion. Fluorescent lamp with negative resistance characteristics, ballast must and current limiting function co

9、mbination use, the basic working principle ofelectronic ballast is 50 (or 60) AC Hz into 10kHz to 65KHz high frequency AC inverter, reach the effect. Therefore, the electronic ballast design plays a key role.keywords：Fuorescent Lamp，Inverter， LED，Electronic Ballast IR2167Design目 录TOC o 1-3 h z uHYPE

10、RLINK l _Toc360276651摘要 PAGEREF _Toc360276651 h IHYPERLINK l _Toc360276652ABSTRACT PAGEREF _Toc360276652 h IIHYPERLINK l _Toc360276653第1章电子照明 PAGEREF _Toc360276653 h 1HYPERLINK l _Toc3602766541.1电子照明发展概况 PAGEREF _Toc360276654 h 1HYPERLINK l _Toc3602766551.2电子镇流器 PAGEREF _Toc360276655 h 3HYPERLINK l

11、_Toc3602766561.2.1电子镇流器的特点 PAGEREF _Toc360276656 h 4HYPERLINK l _Toc3602766571.2.2电子镇流器的发展趋势 PAGEREF _Toc360276657 h 5HYPERLINK l _Toc360276658第2章荧光灯 PAGEREF _Toc360276658 h 6HYPERLINK l _Toc3602766592.1 荧光灯介绍 PAGEREF _Toc360276659 h 6HYPERLINK l _Toc3602766602.2 气体放电原理 PAGEREF _Toc360276660 h 7HYPE

12、RLINK l _Toc3602766612.3 荧光灯结构与其工作原理 PAGEREF _Toc360276661 h 8HYPERLINK l _Toc360276662第3章电子镇流器常用元器件 PAGEREF _Toc360276662 h 12HYPERLINK l _Toc3602766633.1 双极结型晶体管 PAGEREF _Toc360276663 h 12HYPERLINK l _Toc3602766643.2 功率场效应晶体管 PAGEREF _Toc360276664 h 13HYPERLINK l _Toc3602766653.3 晶体管 PAGEREF _Toc3

13、60276665 h 15HYPERLINK l _Toc3602766663.4 绝缘栅双极型晶体管 PAGEREF _Toc360276666 h 17HYPERLINK l _Toc3602766673.5 功率开关晶体管的选用 PAGEREF _Toc360276667 h 18HYPERLINK l _Toc360276668第4章电子镇流器应用介绍 PAGEREF _Toc360276668 h 19HYPERLINK l _Toc3602766694.1 节能灯电子镇流器 PAGEREF _Toc360276669 h 19HYPERLINK l _Toc3602766704.2

14、 分立元件镇流器 PAGEREF _Toc360276670 h 21HYPERLINK l _Toc3602766714.3 集成电路电子镇流器 PAGEREF _Toc360276671 h 22HYPERLINK l _Toc360276672第5章基于IR2167的电子镇流器的设计 PAGEREF _Toc360276672 h 23HYPERLINK l _Toc3602766735.1 IR2167电子镇流器集成电路简介 PAGEREF _Toc360276673 h 23HYPERLINK l _Toc3602766745.2 IR2167电子镇流器集成电路功能介绍 PAGERE

15、F _Toc360276674 h 23HYPERLINK l _Toc3602766755.2.1 IR2167引脚与功能 PAGEREF _Toc360276675 h 23HYPERLINK l _Toc3602766765.2.2 工作状态图 PAGEREF _Toc360276676 h 25HYPERLINK l _Toc3602766775.2.3 基于IR2167的PFC控制电路 PAGEREF _Toc360276677 h 26HYPERLINK l _Toc3602766785.3 计算机辅助软件BDA简介与步骤 PAGEREF _Toc360276678 h 28HYP

16、ERLINK l _Toc3602766795.4 采用IR2167的电子镇流器应用电路 PAGEREF _Toc360276679 h 29HYPERLINK l _Toc360276680结论 PAGEREF _Toc360276680 h 32HYPERLINK l _Toc360276681参考文献 PAGEREF _Toc360276681 h 33HYPERLINK l _Toc360276682致 PAGEREF _Toc360276682 h 33电子照明1.1 电子照明发展概况：二十世纪初的时候Joseph Round 第一次在碳化硅里看到电导致发光的自然现象。由于其发出的黄

17、光太昏暗，不适合实际当中的应用，在碳化硅与电致发光不能很好的适应，研究最终被放弃了。：二十年代较晚期Bernhard 与Robert在德国从硫化昕、铜里面提炼的的黄磷发出光源，又一次因发光暗淡而终止。：二十世纪三、四十年,George 报告了硫化锌粉末发射光的消息。随着人们对电流的理解和应用，最终有了电致发光这个专有名词。20世纪中期，英国科学家在电致发光的实验过利用半导体砷化镓研发了首个有现代意义的电子照明设备,并在70年代问世。在早期的时候，电子照明必须放在液化氮里，要进一步的实践与才能达到高效率的工作。：首个商用照明只能发出不可见的红外光，但很快应用于感应与光电领域。70年后期，在砷化镓

18、基础上使用磷化研发了首个可见的红色的灯。磷化镓使得电子照明效率更高、亮度更好。：八十年代,磷化镓被当作发光的光源，之后就发出绿光。电子照明采用双层磷化镓蕊片发出橙黄色光。同时，俄国的科学家通过金刚砂研发了黄光的电子照明。虽然不像欧洲的电子照明效率高。但在80年代末，研发了绿色的光。：九十年代早期到中期对砷化镓磷化铝的应用使第一代高亮度的电子照明的出现，先是橙色，其次是红色，最后是蓝色。到2二十世纪八十年代早期，采用铟铝磷化镓生产出了红、橙、黄和绿光的照明。首个具有历史意义的蓝光电子照明也出现在九十年代早期。根据目前的标准的技术去判断，它似乎和美国以往的电子照明的光源显得昏暗。：九十年代后期，出

19、现了高亮度的氮化镓电子照明，之后又制造出能产生比较高强度的绿色光源与蓝色光铟氮镓电子照明。亮度高的蓝光芯片是白光电子照明的关键，如果抹上荧光磷，荧光磷利用自芯片上吸收的蓝色光源再转化为色光通过此种技术制造出了任何可以看见的颜色的光。现在在照明市场上就能看到生产出来的各种颜色，像浅绿和蓝色。人类随着在电子照明领域的快速进步，电子照明在日常消费的电子的运用也越来越多高亮度白光的电子（LED）照明因为具有发光效率高效果,无污染、寿命长等特点,在照明应用上受到世界各国的重视了解用白光作照明灯来取代传统照明灯的研发工作不断地进行着,取得了一些可喜的成果。随着电子照明的特点与性能的提高,开发出应用于各种场

20、合的白光LED照明灯,但电子照明灯很难进平常家。这不是生产上存在问题，主要引文是白光电子照明照明灯的发光效率还不是很高，并且价格十分太贵，使一般家庭难以承受。以常用的白炽灯、荧光灯与一样亮度的白光照明灯的价格相比较现在1W白光电子照明的单价是915元，3W的单价是1530元（与电子照明的质量与品牌等有关），另外还有驱动电路与构件。再考虑厂家的利润与商业目的，则单价可能要130元以上。8W荧光灯的发光效率与电子照明差别不大，但单价比同样功率的白光电子照明灯价格低几倍以上。这是白光电子照明灯难进百平常家庭的最主要原因。要等到大功率白光LED的价格降低8倍左右、发光效率提高到150lm/W时，电子照

21、明灯普与，这可能要等几时年甚至更长。节能LED荧光灯的上市到普与应用也有近三十年时间（这有质量提高与价格下降原因），白光电子照明灯的普与可能要比节能荧光灯快些（6高亮度白光LED电子上市时单价大于2元，现在批量单价已降低到0.20.3元）。电子照明灯的路在何方白光电子照明灯的推广与普与的意义十分重大，但真的要进入老百姓家还有很多要做，在技术上（发光效率达到1151500m/W）、价格上（要比现在的价格降低69倍）有很大的突破，还需要不断的努力。白光照明灯的推广普与工作是一项繁琐工程，需国家的规划、引导与扶持，在政策上以与经济上的支持。我国现在在、已建立四大半导体照明基地与相关科研单位，他们将对

22、电子照明灯的推广工作起到很大作用。现在电子照明灯虽然还难进老百姓家，但是多领域可以大量地应用电子照明灯。实际应用可促进大功率白光LED的生产、可促进技术的改善，并可减少生产成本。在电子照明设计、应用也可获得经验，有利于未来的推广。这些应用领域是用电大户，对节电起到巨大作用。它们是:1.城镇街道的路灯（包括太阳能路灯系统等）；2.隧道与地下停车场（地下商场）；3.交通工具的照明（汽车、轮船、飞机等的部与部分外部照明灯设备）；4.公共场所的LED照明系统，像火车站、地铁站、机场、超市、百货公司、大厦与医院等；5.无电区的电子灯照明工程。由于电子照明灯一般采用低压直流供电。若采用交流220V电，需要

23、专门的变压器设备输出低压直流电（如36V等）并由驱动器来驱动电子照明灯。因此在新建这些建筑时优先考虑到LED电子灯，则在建筑设计中应该把它计算在，这就使得经济的充分利用。归建筑LED的照明灯系统要改造成电子照明，改造的费用昂贵、改造的时间又特别长（例如一个火车站的改造、一个候机大厅的电子照明系统的改造）。新建的电子照明供电系统要比传统的照明供电系统复杂的多，费用高得多，假如没有政策和经济的后台是难以完成的。电子照明灯的应用是一个综合综合应用的高科技术，它涉与到照明LED灯、充电电池、蓄电池、AC/DC变换器、电子照明驱动器等各种领域技术。但现在关键技术问题还是电子照明的发光效率不高、生产成本低

24、。要使电子照明灯进入千家万户，还要至少等再几十年。1.2 电子镇流器电子镇流器（Electrcialballast）只是镇流器一种采用电子技术驱动电光源，使之产生所需照明电子设备。与之相对应是电感式镇流器(或叫镇流器)。日光灯越来越多是使用电子镇流器，小巧，同时将电子镇流器与灯管等集成一起，电子镇流器通常可以兼具起辉器作用，因此可省去单独的起辉器。电子镇流器还有更多的功能，例如通过提高电流频率或者电流波形(方波)提高或除去日光灯闪烁现象等的问题；也可利用电源逆变过程使得日光灯用直流电源。传统的感性镇流器一般工作在工频（50Hz）的电感元件工作会产生闪和噪声。感性镇流器里面没有功率因数的校正(F

25、PC)电路，而将功率因数的校正电路加入其里面也很困难，其输入电压与电流相位不能够保持同步，含有一定的谐波量，不能完全满足镇流器谐波低于照明系统谐波电流的IEC 6200032C级国际标准。并且镇流器产生的谐波量也会对在同一电源上的电子设备产生一定的影响。可是电子镇流器却弥补感性镇流器的缺点，正常工作的时候不仅没有闪和噪音，而且很容易地加入功率校正因数电路，有非常好的高功率因数和低总谐波失真的特性。传统的镇流器控制器由分离的控制芯片、栅极驱动芯片和PFC电路芯片构成。IR2167是美国IR公司推出的一款电子镇流器控制器是新一代的电子镇流器控制集成电路的最具典型代表。这款器件采用单芯片的方案除降低

26、系统的成本，减少元件的数量外，简化了安装，提高可靠性，节省设计时间，在电子镇流器控制电路中得到了广泛的实际应用。电子镇流器的主要功能：荧光灯（LED）的工作性能在很大程度上与相配套工作的电子镇流器性能有一定的关系，在使用中应使荧光灯的工作特性和电子镇流器的工作特性相互匹配（如灯阻抗和灯的工作特性），以便使荧光灯能工作在最佳状态，使用电子镇流器应该满足以下的功能要求：（1）能限制和稳定荧光灯的正常工作电流。（2）在交流电过零时，能够比较正常的工作。（3）为灯的点火提供所需要的点火电压。（4）在灯点火工作期间里，能够控制灯点火所需，使灯的电极可以被适当预热，并确保灯丝的电极保持正常工作温度。当然电

27、子镇流器电路体积小、工作寿命长和低功耗也是很重要的技术要求。（5）同时电子镇流器也应具备以下几个控制功能：较高功率的因数。限制交流输入电的总谐波失真（THD）限制灯电路的短路工作电流或避免由于灯电极电流过热过载有效地抑制电磁辐射的干扰，避免干扰其它电子设备的正常工作。当灯电路不能正常点火时时候能够自动关断电路，这对电子镇流器电路是很重要的。在交流供电电压变化时，能够稳定灯的工作电压、电流和功率。1.2.1 电子镇流器的特点（1）节约能源：电子镇流器一般使用10-65kHZ频率供给荧光灯管，使灯管的效率比供电工频提升了15，自身功耗也低，使得灯的总输入功率下降了30，达到更佳的节能的作用。（2）

28、消除闪烁，发光稳定性高。可以提高视觉分辨率、功效；降低连续作业的视觉劳累，利于保护眼睛。（3）起点更可靠。预热灯管后一次就可以成功，从而避免多次起点。（4）功率因数高。符合国家标准的20W以上的荧光灯(LED)，其功率因数高于0.95。但应当注意，国家标准对20W以下的灯管规定的谐波限值很高，以致使其功率因数下降到0.6-0.8。（5）IR2167是完全集成、保护，可驱动大多数类型荧光灯的600V电子镇流器的控制芯片（IC）。PFC电路以临界导通模式（CCM）工作可获得较高的功率因数（cos），有较低的谐波系数（THD）且直流电压可以调节。IR2167的特性包括预热时间、频率、点燃频率、运行频

29、率、死区时间以与过流门限电压都可以调节。这些都为科技爱好者提供了很好的便利。同时IR2167电子镇流器还具有完善保护功能：如灯丝的故障、灯管触发失败、灯寿命的保护、直流母线欠压的复位与完全自动重新启动等功能。（6）延长灯管的寿命。高性能产品的恒功率和灯管电流也下降，以与起点可靠性等因素可以延长灯的寿命。（7）噪声小。高电子性能电子镇流器的噪音可达35db以下，人们几乎感觉不到灯管的噪音。（8）调节光源。对于需调光的场所，原使用白炽灯或卤钨丝灯调光的场所，以高性能电子镇流器取代，可以在2%-100%的大围调。 由于高频交流电子镇流器采用高频开关电子变换电路的方法实现镇流，具有无频闪、效率高、体积

30、小、质量轻、可调光、不使用大量铜和硅钢材料等一系列优点，所以自二十世纪七十年代以来，高频交流电子镇流器就受到了广大用户的欢迎。（9）稳定输入功率和输出光通量：高品质产品有良好的稳压性能，在电源、电压偏差很大时，仍能保持光源恒定功率，稳定光照度，有利于节能。1.2.2 电子镇流器的发展趋势二十世纪六七十年代出现了能源危机，节约能源的紧迫感迫使大多数公司致力于节能灯和荧光灯电子镇流器的研究开发，随着半导体技术的飞速发展，各种高反压功率开关器件不断涌现，为高频的交流电子镇流器的开发提供了条件。七十年代后期，荷兰的飞利浦等公司推出了第一代的电子镇流,八十年代初的时候飞利浦公司研制开发了BHF132H1

31、2型（单管32W）和BHF232H12型（双管32W）的荧光灯，利用120只的分立元件，是功能比较完善的具有典型性的样品。1985年德国的西门子公司研制开发了TDA4812有源功率因数校正电路（APFC）芯片IC，功率因数可以达到0.99，UK的索恩、USA的奇异、德国的欧司朗公司推出了集成高频交流电子镇流器的电路，1988年芬兰的赫尔瓦利公司研发了可以调节光源的单片机控制的集成电路电子镇流器。中国对高频电子镇流器的研究却相对起步较晚而且技术又相对缓慢，等到九十年代才算真正进入。从1999年来，高频电子镇流器的制作技术有了快速的进步和改善，各种电子元件的使用都进入了比较成熟的时候。高频电子镇流

32、器现在正向着高度集成化、多功能化、高性能、寿命长等方向快速发展。电子镇流器的出现，其性能的优越性越来越明显，例如解决改善了电路的效率，瞬时的点亮，没有闪烁、噪音小等，特别引起了世人的眼睛，其在销售市场上的占有比例连年提高，在中国，电力供需紧、电网幅度变化大、污染特别严重，因此，需要设计生产高可靠、参数合格、低价格的电子镇流器。市场上现在流行的低功率因数与电容二极管的电子镇流器，前者输入的功率因数与谐波是不合格，破坏了电网；后者输出的灯电流波峰系数比较低。灯管的光源效率比较低同时减少了灯光的寿命，较好的感性镇流器与电子镇流器又因为效率高，价格昂贵，很难普与。因为电子镇流器采用的技术是高频开关电能

33、变换，那么它的体积可以特别小。同时电源总谐波失真较大、电磁辐射干扰也大，当大批电子镇流器同时使用的时候，会使电源中线电位严重偏离零电位，引入极大的峰值电源电流，严重会干扰供电系统供电的质量，也许会造成严重的经济损失。从世界能源危机来，世界上各个的国开始研发节能型的电光源，大批采用了节约能源的产品。USA将用紧凑型节能荧光灯代替了那种白炽灯、荷兰菲利浦公司第一个利用三基色稀土细管荧光灯与电子镇流器的相结合立即引起其它各国关注（如日本也开始发展新型节能灯）。现在美国、荷兰、日本发展的速度较快，俄罗斯和英国也有了较快的进步。电子镇流器发展大概经历了三个阶段：第1个阶段：电子镇流器是由分立的电子元器件

34、组成，通过滤波电路来取得直流的电压，而缺点是谐波含量比较高，功率因数大概只有0.7左右，输出的直流电压也不够稳定，影响灯管的正常使用，减少了灯管的寿命；第2个阶段：采用特制的高集成电路，同时用有源的功率因数来作调正电路，十分有效地抑制了谐波量，从而使功率因数提高到了0.95，电压稳定，工作状态和照度也容易稳定，有利于延长灯管的寿命。第3个阶段：在第2个阶段的基础之上，增加了一些反馈电路、控制等附加的电路，完善了调光控制的功能，配以单片机控制，实现了多功能的智能化产品。以上所讲，国外的高频电子镇流器已经完全解决了谐波的含量、预热的启动、故障、抗电网的电压、电磁兼容干扰和寿命等问题。国际电工组织协

35、会IEC也公布了高频电子镇流器的国际标准，最终把这一产品带入了发展的高峰阶段。第1代：初级阶段的时候产品，把倍压电路当作镇流器来采用。对产品的宣传是一开就亮即使一端断路的废荧光灯也能点亮，以此在感性镇流器面前有所作为，当然这种被叫做的“电子镇流器”给灯管带来了较大的危害，使灯管的启动电流变大，使得电子的发射速度加快了，启动的时候灯丝发红，加速了老化的程度，多次的开关下来灯管两端就发黑了一大段，并使功率消耗增加达到了20%，30W的灯管功耗达到了50W，这样就用不了多久，灯具就成了废品。此种劣质的“电子镇流器”在市场上会造成极大的影响，当然是不合格的产品。第2代：经过多次的实践，不少研发生产单位

36、认识到电子镇流器的预热启动和异常状态保护的关键性，并积极采取措施成功地解决了预热启动和异常状态保护的作用，从而安全性和技术性能够比第一代产品有了很大的改善。自从1993年国家技术监督部门抽查的结果来观看，合格率有了增长。第3代：是采用1996年国家颁发的电子镇流器国家标准研制的高性能电子产品。第2章 荧光灯2.1 荧光灯介绍二十世纪初期法国发明氖气的放电灯,通过将汞充入制成的灯管，之后又通过在灯管壁中涂上荧光粉而制成了具有辐射白光的灯管。1940年欧美一些国家在此基础上研制出了具有热阴极的荧光放电灯。四十年代年成功研制了卤磷酸钙的荧光粉，因为没有毒、价格低廉、发出的光比较稳、光效率比较高,现在

37、还是荧光灯的最关键的发光材料。七十年代荷兰的库达姆研发了三基色的荧光灯。人的眼睛在红、绿和蓝光区间存在三个视觉响应最大的值，但是这种的基本颜色光可以组合成白色的光。所以采用发射红、绿、蓝三色窄光谱带的三种的荧光粉，可以造出发光效率比较高、显色性能比较好的三基色的荧光灯。减小荧光灯灯管直径大小可提高灯的发光效率。最近几年玻璃管管直径从38、36、28减到了25mm。1978年，荷兰的飞利浦公司研发了SL灯，它是将荧光灯管小型化然后与 HYPERLINK javascript:; 镇流器、启辉器集合在一起的单端的紧凑型荧光灯，它的外形尺寸大小和一般的照明白炽灯相似。为了实现照明 HYPERLINK

38、 javascript:; 节能，现在已研制出了球、环、H、2D 形等各种的形式的紧凑型荧光灯。荧光灯就是通过荧光粉将低气压的汞蒸气放电过程中产生的紫外线转变成可见光的 HYPERLINK javascript:; 电光源。普遍制成了管形。荧光灯的发光效率较高,发光的面积也大,光线比较柔和,寿命比较长,可使光的颜色像日光灯的颜色或其它的光色，是良好的一种的 HYPERLINK javascript:; 室电子照明光源。特殊的荧光粉可以将低气压汞蒸气放电过程中产生的253.6nm波长的短波紫外线转变成长波紫外线或者特定波长的围的可见光，可应用在保健、驱虫、 、荧光分析、植物栽培、光化学的反应和装

39、饰。现在把荧光灯的管缩小或者弯曲后制成的紧凑型荧光灯，直接去代替普通的照明 HYPERLINK javascript:; 白炽灯。在普通的家庭、企业和工业都是一种低压汞蒸气放电灯，其大部分是由放电产生的紫外线激发管壁上的荧光粉涂层而发射出来的。荧光灯一般必须满足3个条件：1、灯丝预热电流或者灯丝电流2、高电压启动3、限制正常的工作电流。下图就是典型直管形荧光灯结构示意图2.1图2.1 典型的直管型荧光灯的结构示意图2.2 气体放电原理气体放电指带有能量的电子碰撞气体原子造成气体放电的现象。干燥的气体是良好的绝缘体（不导电），但当气体中带电自由粒子的时候就变成是有电的导体，在气体中放置电极而且在

40、两端加一定的电压，气体在比较强的电场下，最初的少量带电粒子和气体当中的分子相互碰撞，当相互作用的能量足够的大时，能够使被束缚的电子逃离气体的原子而成为自由的电子。逃逸出的气体原子变为正离子，这使得气体中的带电粒子变多，这时电流通过气体，利用此原理所造成气体放电灯有很多类，使用较多的一般是辉光放电与弧光放电。不论哪一类，其结构小异，一般包括阳极、阴极，灯管外壳，灯管充满的气体。对于交流灯来说则没有阳极与阴极之分，两电极可以交替作为阳极、阴极之用。对于气体放电灯而言，当加到灯管阳极与阴极之间的电场足够的大，便一定会使灯管放电，此放电过程可以分为3个阶段：1：在外电场下，自由电子将被加速。2：自由电

41、子与灯管的气体原子碰撞，使得气体原子呈现激发的状态。3：受激发气体，能量激发达到更高能阶之后返回基态，其中所吸收的能量以光辐射的形式被释放出。如果电子碰撞气体原子的能量足够大的时候，会使气体原子发生电离，而电离所产生的电子又在电场中加速造再次电离，使自由电子的倍数子成倍的增多，称此汤生雪崩效应（Thomson Avalanche Effect）。提供自由电子的主要方式分别如下：热电子的发射：当阴极温度很高，则电子得到了足够能量从阴极端发射出来，此发射的方式是弧光放电的发射方式之一。而T8荧光灯就是属于弧光放电灯。正离子的轰击：当电极间的电位差非常大的时候，正离子的速度就足够的快，此速度的正离子

42、能够撞击阴极便会放出自由电子。场导致的发射：如果外加电场足够的大时候使阴极获得能量而直接发射电子，这种现象被称为场致发射。在气体放电当中，有时候灯管上的电压不是很高，但是在电极附近形成了很小的围的足够的空间电荷层，那么有可能在此区域形成强电场，而最终引发场致发射。自由电子一旦形成，电子由阴极端至阳极端这段的时间，电子碰撞气体原子而产生了气体放电，过程就是电子由阴极流向阳极，电子与管中的气体氩原子发生的非弹性碰撞，氩原子碰撞后获得了能量又碰撞汞原子，汞原子在吸收能量后跃迁产生了电离，发出253.7nm的紫外线，紫外线激发形成荧光粉发光。2.3 荧光灯结构与其工作原理荧光灯LED的电路一般由灯管子

43、、镇流器、启辉器以与电容器等几部分组成（见图2.2），结构以与工作的原理如下。图2.2日光灯的电路1、灯管子日光灯管子就是类似玻璃管，壁里面涂有一层荧光粉（如钨酸镁、钨酸钙、硅酸锌等等），荧光粉的不同那么就发出了不同的颜色光。灯管里面充满了稀薄的惰性气体（如氩气、水银蒸汽），灯管两端是由钨制成的灯丝，灯丝上面涂有受热之后易于发射电子的氧化物等。当灯丝中有电流通过的时候，于是灯管灯丝发射电子，还可使管的温度升高水银蒸发。这时若在灯管的两端加上一定的电压，就会使管氩气电离，从而使灯管由氩气放电过到水银蒸气的放电。放电的时候发出不可见的紫外光线照射在管壁的荧光粉上面，会使灯管发出各种颜色的可见光线，

44、见图2.3。图2.3 灯管结构2、镇流器镇流器又被称做限流器，就是把通过灯管的电流限定在一定在额定电流值。目前最常用的镇流器就是电子镇流器，具有一定电感量的铁芯线圈，镇流器是常与日光灯管相串联，实际上就是绕在硅钢片铁心上的电感线圈，其感抗值较大。镇流器的作用是：一、限制灯电流；二、产生很大的自感电动势，使灯管很容易放电起燃。镇流器普遍有有两个出头，但是有些的镇流器为了在电压不足够的时候容易点燃，如果多绕了一、两个线圈，那么就也有三或四个出头的镇流器。3、启辉器俗称启动器，它就是在日光灯中起自动开关的作用。气体放电光源与热辐射光源是不同的概念，接通电源之后一般是不能点燃灯管的，而必须有一个启动的

45、过程，即需要点亮灯的这个过程。每一个气体放电灯都有相对应的着火电压，只有当灯管两端的电压超过着火电压时候，才有可能建立气体放电将灯点亮。气体放电灯的着火电压有的高达数万伏,有的则却低至数百伏,一般都是大于电源电压。所以单接通电源一般的气体放电灯是不可能点亮的。在电路中一定要提供大于气体放电光源着火电压的电压发生装置，这就需要启动器。 启动器的结构如下面图所示。在外壳里面装着一个充满氩氖混合惰性气体的玻璃泡，泡里面有一个固定的电极（静触极和动触极）起开关的作用。动触极的双金属片一般制成倒U型，受热后动触极膨胀与静触极接通；冷却后自动复位，从而与静触极脱离。两触极间并联有一只0.05微法的电容器，

46、其作用是消除火花对电气设备的影响，且和镇流器组成了振荡的电路，延迟灯丝的预热时间，有利于日光灯启动，见图2.4。图2.4 双金属片的启辉器4、电容器日光灯（荧光灯）电路其镇流器的电感大，那么功率因数很低，大概都在0.5-0.7。为了改善提高线路的功率因数，用户必须在电源处并联一个恰当的的电容器。5、荧光灯的工作原理当接通电源的时候，由于日常灯没有被点亮，电源电压全部加在启辉管的两个电极间，于是启辉器的氩气发生电离。电离的时候产生的高温使倒“U”型电极受热而趋于伸直，最终两电极接触，使电流从电源的一端流向镇流器灯丝启辉器灯丝电源的另一端，形成通路并加热了灯管的灯丝。灯丝因有了电流（启辉电流或预热

47、电流）通过而发热，使氧化物发射出电子。同时，启辉管两个电极接通的时候，电极间电压变为零，于是启辉器中的电离现象立即停止，就是“U”型金属片因温度下降而恢复原位，两电极离开（启辉放电消失，管的温度降低；双金属片自动恢复原位，两极就断开了）。在离开的那一瞬间的时候，使镇流器种流过的电流发生突然发生变化至零，由于镇流器铁心线圈的较高的电感作用效果，产生了足够高的自感电动势作用在灯管的两端。这个感应电压连同电源的电压加在灯管的两端，使灯管的惰性气体电离而最终产生弧光放电。随着管温度的逐渐变高，水银蒸汽到处游离，碰撞灯管中的惰性气体分子而放电，当水银蒸汽弧光放电的时候，就会辐射出不可见的紫外线，紫外线激

48、发灯管壁的荧光粉后发出可见光（灯丝受热时发射出来的大量电子，在灯管两端的高电压作用下，以很大的速度由低电势端向高电势端运动而去。在加速运动的过程中，碰撞管氩气分子，使之迅速电离。氩气电离生而发热，热量使水银生成了银蒸气，之后水银蒸气也就被电离，并发出强烈的紫外线。在紫外线的照射下，管壁的荧光粉发出近乎白色的可见光）。正常工作的时候，灯管两端的电压比较的低（40瓦的灯管的两端电压大约为110伏，20瓦的灯管大约为60伏），此电压不能够使启辉器再次产生辉光放电。所以，启辉器仅在启辉过程中起作用了，一旦启辉的功能完成，之后就处于断开的状态2.4 电感镇流器与电子镇流器感镇流器（inductance

49、ballast）是由一个铁芯电感线圈组成的，电感的性质是当线圈中的电流发生变化时，则在线圈中将会引起磁通发生变化，因此产生了感应电动势，其方向和电流的方向是相反的，阻碍电流发生变化。电子镇流器是镇流器的一种，是指采用了电子驱动电光源的技术，使之产生了所需的照明电子设备。而与之对应的是电感式镇流器（镇流器）。现代日光灯越来越多的是应用电子镇流器，它轻便小巧，同时可以将电子镇流器与灯管等集成在一起，电子镇流器通常可以兼具起辉器功能，那么可省去了单独的起辉器。电子镇流器还可以具有更多的功能，比如可以通过提高电流频率或者电流的波形（如变成方波）改善或消除日光灯的闪烁现象等；也可通过电源的逆变过程使得日

50、光灯可以使用直流电源。与感性镇流器相比，电子镇流器更具以下几方面的优势，尤其是高性能的电子镇流器的优势更加突出了。l）高效节能：感性镇流器的工作频率普遍为50HZ（或60HZ），而电子镇流器正常的工作频率一般是20一80KHZ，灯管在交流高频下发光效率比工频提高了15%，因而电子镇流器比感性镇流器的点灯亮度有所提高了；电子镇流器本身耗电也小，如果在同等亮度的条件下，电子镇流器相对比感性镇流器可以节电达到了20一30%；且感性镇流器工作时一定会增加室的温度造成大量的能源损耗。而采用高性能电子镇流器相比电感镇流器年可以节约2一3个月的电费可以减少各种灯具以与物业的成本。2）舒服感性的镇流器会产生闪

51、烁的现象，在此环境下工作以与学习的人常常会感到容易疲劳。对高速旋转的物体容易产生错觉感，存在事故的隐患。同时感性镇流器也会发出50HZ的低频的噪声，易使人心烦。如在医院的耳鼻喉科听室在采用荧光灯照明的时候，应该采用电子镇流器，以防误诊而发生事故；病房、急症室采用荧光灯的时候不宜选用感性镇流器的荧光灯而要使用电子镇流器的荧光灯，主要考虑闪烁和噪音会对病人的影响。采用电子镇流器可以消除闪烁、保护视力，而在市面上所使用的护眼灯就是利用电子镇流器结合三基色灯管而设计产生的。高性能的电子镇流器无闪烁、噪音小甚至无、起到保护视力常和三基色灯管配套使用、显色性好、色彩比较逼真、高性能的光效、光衰小、舒适、净

52、化工作，达到高效的作用。3）安全的效果：感性镇流器其自身的耗电量比较大，消耗的电转化为了热能，表面的温升升高，在电网中电压波动较大的时候，温度可达到130，造成火灾隐患从而此类事故时常发生。感性镇流器在l0以上启动的时候可以正常工作，而低于-5启动比较艰难；电网的电压低于180V也难于正常的启动；由于一次性不能启动，而多次启动容易损坏灯管的阴极，缩短灯管的使用寿命。感性镇流器的功率因数较低，大约在0.40.6左右，致使增大了线路的负荷和变压器的耗损，也增大了电能的耗损，从而降低了照明的亮度，同时对电网的营运带来极大的威胁。加入电容后，会加大了谐波电流，对电网与其他各种电子设备造成大量的干扰。高

53、性能的电子镇流器功率因数大于0.97，大约只有4%的无功损耗，无功节电达到40%以上；谐波含量也小，使输入的电流波形变化小，对电网几乎没有污染；并且可以减少供电设备的容量。电子镇流器适应电压工作围宽广，在-10至+60环境下可以正常的工作，也比较安全可靠。高性能电子镇流器对灯管具有保护的作用，灯管开关次数可达千万次以上，灯头没有明显的发黑，除可以保证达到灯管的标称寿命外，还能够延长其寿命的1.31.6倍。4）环保的效果:感性镇流器是使用机械形式的启辉器，会产生瞬间的高压脉冲，对家用电器和其它的用电设备产生了干扰。使用感性镇流器，电压过高或电压过低都会造成缩短灯管的寿命，废弃灯管的回收将会引起汞

54、的泄露，从而带来二次、三次甚至更多的污染。高性能电子镇流器延长了灯管的寿命，降低了频繁更换灯管的成本，达到了经济和环保的作用。第3章 电子镇流器常用元器件3.1 双极结型晶体管双极结型晶体管（bipolar junction transistor, BJT）是最早出现的具有放大功能的三端半导体器件（又称半导体三极管），自1946以来，一直在高速电路、模拟电路和功率电路中占据着主导地位，因此，双极结型晶体管也是学习的重点。而通常所说的晶体管就是指双极结型晶体管。基本结构：由两个PN结构成的具有电流放大作用的三极管。起源于1946年发明的点接触三极管，60年代发展成结型三极管即现在所称的双极结型晶

55、体管。双极结型晶体管一般有两种基本结构：PNP型和NPN型如见图3.1。当基区注入少量电流时候，在发射区和集电区之间就会形成非常大的电流，这就是晶体管的放大效应。双极结型晶体管有两种基本的结构;PNP型和NPN型，由两个PN结组成。在这三层半导体中,中间一层叫基区(B)，上下两层分别叫发射区(E)和集电区(C)。发射区和基区间形成发射结，集电区和基区间形成集电结。晶体管按功率的耗散能力大小可分为小功率管、中功率管和大功率管。按工作频率的高低可分为低频管、高频管和微波管。按制造工艺又可分为合金管、合金扩散管和台式管、外延平面管。合金管的基区宽度和结电容都较大,频率性能比较差,一般仅用于低频的电路

56、。合金扩散管的基区由扩散形成的,基区较薄,基区杂质分布所形成的场能加速少数载流子越过，因此它的频率特性较比较，可用于高频的围。外延平面管的基区和发射区都可用扩散或离子的注入工艺形成，基区宽度可精确控制到 0.1微米。采用电子束曝光、干法腐蚀等新工艺可获得亚微米管芯图形线条。所以，它的工作频率可从超高频一直延伸到微滤 X的波段。外延平面管加上掺金工艺可制成超高速开关管以与各种高速集成电路。图3.1 NPN和PNP电气图形符号应用：双极型晶体管比电子管的体积小、重量轻、耗电少、使用寿命长、可靠性高、已逐步取代了电子管。双极型晶体管已广泛用于广播、电视、通信、雷达、电子计算机、自动控制装置、电子仪器

57、、家用电器各个领域。双极型微波低噪声管广泛用于雷达接收机、地面移动通信设备、航空、电台、微波通信和遥控遥测等设备。高速开关晶体管应用于高速计算机的逻辑运算单元。高压大功率台式双极型功率管是电视机行扫描电路和电源电路的关键器件。在超低频通信、医用电子仪器量使用了超低频、低噪声晶体管。双极型微波功率晶体管应用于相控阵远程预警雷达、微波通信发射机、通信卫星和气象卫星发射部件中。3.2 功率场效应晶体管MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层的栅极隔着氧化层利用电

58、场的效应来控制半导体的场效应晶体管。功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要是指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称为功率MOSFET（Power MOSFET）。基本结构：功率场效应晶体管是电压控制器件，目前在功率场效应晶体管中较多采用的是V沟槽工艺，这种工艺生产地管称为VMOS场效应晶体管，它的栅极做成V型，有沟道短、耐压能力强、跨导线性好、开关速度快等优点，故在功率应用领域有着广泛的应用，现在出现一种更好的叫TMOS管，它是在VMOS管基础上改进而成的，没有V形槽，只形成了很短的导通沟槽。如3.2示意图图3.2 部结构示意图功率

59、场效应晶体管的形式较多：如果按照导电沟道可分为N沟道和P沟道两种。如果按照栅极电压为零时源漏间就存在导电沟道的称为好耗尽型；对于N（P）沟道器件，当栅极电压大于（或小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。在场效应晶体管实际应用中一般是N沟道的增强型场效应晶体管。功率MOSFET一般是N沟的增强型（见图3.3）。图3.3 N沟道和P沟道电气符号应用：20世纪70年代后期，功率场效应管（Power MOSFET）开始进入了实用阶段；进入80年代人们又开始在降低元器件的导通电阻、除去寄生效应、增大电压、电流容量和驱动电路高度的集成化方面进行了探索研究，取得了快速的进展。功率场效应管中应用最广是电流垂直

60、流动结构器件，工作的频率较高、开关的损耗较小、安全的工作区较宽、输入的阻抗较高、易并联的优点，是场控型的自关断器件。现在主要应用于DC/DC等模块电源、航天电源、UPS电源以与小功率（单相）变频器等领域中。作为IGBT孪生兄弟的功率场效应管，充分发挥自己的特点向三个方向进一步扩宽： 更高频率向吉赫兹； 低电压产品的超低导通电阻； 在兆赫兹水平突破并达到1200V的高电压上限。这样可满足不同应用市场的需求，取得了令人瞩目的新成果。3.3 晶体管晶体管是半导体三极管中应用最广泛的器件之一，在电路中用“V”或“VT”表示。晶体管的部含有两个PN结，外部通常为三个引出电极的半导体器件。它对电信号具有放