【導(dǎo)讀】網(wǎng)友給出了一款最經(jīng)典的電子節(jié)能燈電路，電路后半部分的逆變電路采用磁性材料組成的純模擬電路進(jìn)行開關(guān)的通斷轉(zhuǎn)換。在對其進(jìn)行分析后，網(wǎng)友對于該電路開關(guān)管的開關(guān)轉(zhuǎn)換是怎么完成的存在幾點(diǎn)疑問，希望廣大的工程師朋友們能夠幫他解疑答惑。
此電路是電子節(jié)能燈最基本的結(jié)構(gòu)，也是最經(jīng)典的電路。電路后半部分的逆變電路采用磁性材料組成的純模擬電路進(jìn)行開關(guān)的通斷轉(zhuǎn)換。
目前，對于電路工作時(shí)的電流流向問題已經(jīng)不存在疑問。現(xiàn)在，主要問題集中在開關(guān)管的開關(guān)轉(zhuǎn)換是怎么完成的?，F(xiàn)在主要存在的有兩種解釋。
第一種，也是流傳最廣的：磁環(huán)磁飽和。
這種解釋的理解是：在開關(guān)管的兩個(gè)基極感應(yīng)線圈感應(yīng)到電壓，在磁飽和時(shí)，沒有電壓了，由于電感的電流不能突變的原因，使感應(yīng)線圈感應(yīng)出了與先前相反的電壓，經(jīng)過正反饋的強(qiáng)化，使得開關(guān)管的狀態(tài)發(fā)生了轉(zhuǎn)換。
詳細(xì)一些的過程為：
當(dāng)電路加上電后，電路通過電阻R1、R2給電容C2進(jìn)行充電。當(dāng)電容C2上的電壓達(dá)到雙向觸發(fā)管VDB的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)電壓時(shí)，電流通過開關(guān)管VT2的基極和發(fā)射極構(gòu)成通路。此時(shí)下管VT2管開，電路是通過電容C4、負(fù)載、下管VT2構(gòu)成回路。在整個(gè)工作過程中，由于磁環(huán)進(jìn)入磁飽和，使得開關(guān)管基極感應(yīng)出的電壓為0，而由于電感中的電流不能突變。線圈N1中的感應(yīng)電壓為上正下負(fù)，所以，線圈N2感應(yīng)出的電壓為上正下負(fù)，N3感應(yīng)出的電壓為上負(fù)下正。此時(shí)，下管VT2截止，而上管正好打開，此時(shí)，電流的流向就是電容C4中的貯能通過上管VT1，電感、負(fù)載回到電容C4的另一端。在這個(gè)工作過程中，磁環(huán)再次通過磁飽和，使得磁環(huán)線圈中的感應(yīng)電壓發(fā)生極性變化，從而開關(guān)管再次發(fā)生轉(zhuǎn)換。如些往復(fù)，形成了以一定頻率轉(zhuǎn)換的開關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了DC-AC的高頻轉(zhuǎn)換。
在這個(gè)過程中，一定要使兩個(gè)開關(guān)管上的基極接的磁環(huán)同名端不一樣。即：從上圖來看，就是從上到下規(guī)定，N1和N2的同名端相同，N3的同名端剛好相反?，F(xiàn)假設(shè)線圈N1的上端為同名端，那線圈N2的同名端就在與電阻R5相接處，線圈N3的同名端就在與電路地相接處。
在這個(gè)解釋過程中，沒有詳細(xì)的關(guān)于開關(guān)管是如何進(jìn)入開關(guān)狀態(tài)，及電路是如何進(jìn)入諧振狀態(tài)觸發(fā)燈管的，及解釋中引進(jìn)的正反饋是如何形成的，以及磁飽和理論是如何形成的。
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第一個(gè)遺留問題：如何進(jìn)入開關(guān)狀態(tài)？
根據(jù)我的理解，開關(guān)管是先進(jìn)入放大狀態(tài)，然后過渡到開關(guān)狀態(tài)，到這時(shí)，集電極電流IC不再受IB的影響。也就是，先是放大狀態(tài)，高頻率信號是通過基極接的磁環(huán)線圈繞組引進(jìn)，通過三極管進(jìn)行放大，通過三極管的發(fā)射極輸出。放大后的信號經(jīng)過磁環(huán)的耦合線圈N1與線圈N2、N3反饋形成正反饋，使基極上感生電壓增大，增強(qiáng)了驅(qū)動(dòng)能力。后續(xù)的發(fā)展使電路進(jìn)入飽和區(qū)，此時(shí)，三極管才是完全進(jìn)入開關(guān)狀態(tài)。這部分的變化可參考“三極管放大狀態(tài)中的非線性失真中的頂部失真”。
第二個(gè)遺留問題：如何進(jìn)入諧振狀態(tài)？
據(jù)我理解，在雙向觸發(fā)二極管VDB觸發(fā)時(shí)，其電流中是有很多高頻分量的（此部分參照三極管放大電路的頻率特性）。其實(shí)在負(fù)載燈未進(jìn)入工作時(shí)，其工作回路是：C4、C5、電感、磁環(huán)耦合線圈、兩個(gè)開關(guān)管VT1和VT2。由于主要由C4、C5、電感的選頻特性，加上磁環(huán)耦合線圈構(gòu)成的正反饋，通過三極管的放大電路，使得諧振頻率點(diǎn)的電流被不斷的放大。當(dāng)達(dá)到諧振頻率點(diǎn)，C5上的諧振感生電壓足以擊穿負(fù)載，使之進(jìn)入正常工作狀態(tài)時(shí)，負(fù)載被成功點(diǎn)燃。當(dāng)負(fù)載被點(diǎn)燃后，其相當(dāng)于一根導(dǎo)線接在電容C5兩端，從而使電容C5“短路”。這時(shí)，根成的工作回路中，將電容C5換成負(fù)載，其他情況不變。
第三個(gè)遺留問題：正反饋是怎么形成的？
在上面的解釋中其實(shí)已經(jīng)提到了正反饋是怎么形成的。第一點(diǎn)：磁環(huán)上的三個(gè)耦合線圈的同名端必須正確。即線圈N1和N2的同端相同，線圈N3的同名端和其余兩個(gè)相反。
假設(shè)下管導(dǎo)通時(shí)，流過線圈N1的電流方向?yàn)閺南碌缴希诉M(jìn)，線圈N1上的感生電壓為下正上負(fù)，而線圈N3由于下管VT2的導(dǎo)通緣故，感生的電壓為上正下負(fù)。由于電流持續(xù)上升，線圈N1上的感生電壓極性不變，數(shù)值變大。同時(shí)，由于線圈N1與N3線圈間的互感作用，使得線圈N3上的電壓也是極性不變，數(shù)值變大。這一變化，更加促使下管VT2的導(dǎo)通。這一過程就是通過反饋使驅(qū)動(dòng)信號變強(qiáng)，所以，是一個(gè)正反饋過程。
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第四個(gè)問題：磁環(huán)的磁飽和
對于這個(gè)磁環(huán)的磁飽和，我是想不通怎么形成的。不過，當(dāng)磁環(huán)磁飽和時(shí)，確實(shí)能夠使感生的電壓變?yōu)?，以此為理論點(diǎn)，可以使開關(guān)管進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)的切換。
假設(shè)下管導(dǎo)通，上管截止。下管VT2導(dǎo)通時(shí)，基極上是正電壓，當(dāng)磁環(huán)進(jìn)入磁飽和時(shí)，線圈N3上的感生電壓為0V，此進(jìn)，對照下管VT2的發(fā)射極，其接電路中的地，所以，形成VBE截止，三極管進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)。這時(shí)下管VT2進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，關(guān)斷?？墒俏蚁氩煌?，這時(shí)，上管是如何進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)的。
還有一個(gè)就是：磁環(huán)進(jìn)入磁飽和的條件不符合。
我們在工程計(jì)算時(shí)，取B不超過200mT，最大不超過230mT，以保證電感不會(huì)進(jìn)入飽和區(qū)。在實(shí)際應(yīng)用中，我根據(jù)實(shí)際磁環(huán)線圈的參數(shù)計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，其結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于這個(gè)規(guī)定值。
而且，有次和用的磁環(huán)由于初始磁導(dǎo)率高，而燈殼內(nèi)的溫度過，使燈在點(diǎn)烘箱時(shí)，過一段時(shí)間后，電路停止工作。將燈取出冷卻后，電路又正常工作。而且在外界室溫情況下，連續(xù)工作無任何不良現(xiàn)像出現(xiàn)。當(dāng)時(shí)評估為磁環(huán)在高溫烘箱內(nèi)（80度），再加上殼內(nèi)溫度高，使磁環(huán)接近居里點(diǎn)，磁環(huán)失性。從而使燈無法正常工作。
當(dāng)時(shí)根據(jù)這一現(xiàn)像，我更加理解為：若磁環(huán)真的是進(jìn)入飽和，那電路根本就不會(huì)工作。所以，我認(rèn)為這個(gè)磁飽和理論是不正確的。
第二種解釋就是：三極管由于進(jìn)入電流飽和，電流停止變化，使得線圈上的互感電壓變?yōu)?，再加上電感上的電流不能突變的特性，使感生出的電壓極性發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)三極管開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化的。
這個(gè)理論是我比較接受的。這個(gè)理論的關(guān)鍵點(diǎn)有這么幾個(gè)：
1、電流不在發(fā)生變化
2、電感電流不能突變的特性，使得感生的感應(yīng)電動(dòng)勢會(huì)在電流增大和電流減小兩個(gè)過程中感生出不同的電動(dòng)勢。
關(guān)于開關(guān)管轉(zhuǎn)換的詳細(xì)過程是這樣的：
第一個(gè)階段：三極管導(dǎo)通時(shí)，是先進(jìn)入放大狀態(tài)（見第一個(gè)遺留問題）此時(shí)，IC是隨IB的增加而增加。IB的增加是由于正反饋形成的。在這個(gè)過程中，IC是隨IB的變化而變化的。
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第二個(gè)階段：由于負(fù)載進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作，其最大工作時(shí)的電流是固定的。當(dāng)電流增加到這一值時(shí)，電流就不再增大（電感的扼流作用，抑制了放電管的負(fù)阻特性）。此時(shí)，相當(dāng)于是負(fù)載是個(gè)定值的阻態(tài)，總線電壓固定，其最大工作電流也就定下來了。當(dāng)電流達(dá)到最大電流時(shí)，電流就不再增加。
根據(jù)電感上的感應(yīng)電動(dòng)勢計(jì)算公式：UL=L*di/dt式4
由式4可以看出，線圈上的感應(yīng)電動(dòng)勢是和線圈上的電流的變化有關(guān)的。當(dāng)電流停止變化時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢也就隨之消失。
這第一個(gè)階段就是感應(yīng)電動(dòng)勢電壓存在，第二個(gè)階段就是感應(yīng)電動(dòng)勢消失，也是開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的切換點(diǎn)。
根據(jù)電感中的電流不能突變的特性。
第三階段：由于電感中的電流不能突變，所以，電流的方向不會(huì)馬上就會(huì)改變，而是和原來的流向一致，并減小。這時(shí)，線圈上的感應(yīng)電動(dòng)勢就再次存在，因?yàn)榇嬖陔娏鞯淖兓?；再一個(gè)，電流的方向和原來保持一樣，維持原來的流向，所以，感應(yīng)電動(dòng)勢的極性發(fā)生了變化。這時(shí)，才產(chǎn)生了三極管開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
然后不停地重復(fù)這三個(gè)階段。
以上面原理圖圖例說明就是：
1、假設(shè)下管VT2進(jìn)入放大區(qū)，電流的持續(xù)上升；及基極線圈N3上的感應(yīng)電壓是上正下負(fù)，并因正反饋而不斷加強(qiáng)；線圈N1中感應(yīng)出來的電壓是上負(fù)下正（用于對抗電流的增加），N2和N1相同。由于基極線圈N3上電壓的增加，使開關(guān)管最終進(jìn)入飽合區(qū)。三極管完全處于開關(guān)狀態(tài)。
2、電流不斷增加，當(dāng)達(dá)到負(fù)載所需最大電流時(shí)，由于電感的扼流作用，使電流不再增加，這時(shí)，電流不再發(fā)生變化。線圈N1、N2、N3上不再有感應(yīng)電動(dòng)勢。
3、由于電感電流不能突變，現(xiàn)在處于維持原電流流向并逐漸減小。這時(shí)，線圈N1、N2、N3上的感應(yīng)電動(dòng)勢再次出現(xiàn)。此時(shí)，由于是為維持原電流方向，線圈N1感應(yīng)電動(dòng)勢為上正下負(fù)，N2同N1一樣，N3為上負(fù)下正。此時(shí)，下管VT2上的VBE電壓為負(fù)，三極管截止，上管VT1上的VBE為正，進(jìn)入放大狀態(tài)。這時(shí)，開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換徹底完成。
4、此時(shí)，上管VT1重復(fù)上述1~3的過程，成功實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的轉(zhuǎn)換。
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下面說下電路中部分器件的作用：
電路中，開關(guān)管CE兩端接的二極管VD6和VD7的作用和開關(guān)管BE兩端接的VD8和VD9的作用相似。
先說下VD6和VD7的作用：
在開關(guān)管進(jìn)行開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)候，電感中的電流不能突變，而是先要維持原來的狀態(tài)一會(huì)時(shí)間（雖然時(shí)間很短）。這兩個(gè)管子是為這個(gè)電流提供泄放通路的。
假設(shè)，初始狀態(tài)是下管導(dǎo)通，上管截止。此時(shí)，開關(guān)管狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，電感中的電流方向還是從負(fù)載流向電感L2。這時(shí)，由于二極管VD6的存在，使得泄放電流經(jīng)過VD6回到電容C4。
若沒有二極管VD6存在時(shí)，泄放通路是流過開關(guān)管，走下管VT2。
由于開關(guān)管各極間存在一定的電容，所以，當(dāng)開關(guān)管由導(dǎo)通狀態(tài)進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，它不是完全截止的。而是存在一段時(shí)間的延遲才能完全關(guān)斷。所以，當(dāng)開關(guān)管進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，雖然N3線圈上的感生電壓為負(fù)了，但是管子還不能馬上進(jìn)入關(guān)斷狀態(tài)，電感上的感生電流的流向會(huì)通過下管VT2的CE接地。由于電感的感生電流是一個(gè)尖峰量，存在時(shí)間短，會(huì)形成一個(gè)尖峰電流流過下管，對管子的損害比較在。同時(shí)，增加了管子的損耗。
當(dāng)增加這樣一個(gè)二極管后，會(huì)將這個(gè)電流量通過另外一種途徑泄放，消除對開關(guān)管的影響或是損壞。
對于上圖是電路的另外一種變形體，只有一個(gè)無源臂C4，所以，當(dāng)上管由導(dǎo)通到截止時(shí)，這個(gè)分析過程是不成立的。換做另一個(gè)電路，就是再加一個(gè)無源臂C6，一端接地，一端接C4與負(fù)載燈絲。此時(shí)，這個(gè)分析過程就在上管的分析就成立了。
上管VT1上CE兩端的電容C3。
這個(gè)電容大多數(shù)時(shí)候被稱作是移相電容，也有叫續(xù)流電容。
移相，我這個(gè)通過調(diào)整看過。通過調(diào)節(jié)這個(gè)電容的大下，可以調(diào)節(jié)管子VCE電壓和IC電流的重合面積，反應(yīng)的就是管了的損耗。
續(xù)流，我也做過測試。當(dāng)用電流探頭測試這個(gè)電容上的電流時(shí)，發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)很短的，類似于充電電流的一個(gè)波形。
電容C3上的電流波形。
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對于這個(gè)續(xù)流的解釋：
由于兩個(gè)管子在轉(zhuǎn)換期間存在一定的死區(qū)時(shí)間。這個(gè)時(shí)間內(nèi)的電流提供路徑是通過電容C3完成的。當(dāng)上管VT1由導(dǎo)通到截止時(shí)，電容C3兩端的電壓逐漸增加。此進(jìn)，形成了一定的充電電流。剛好這個(gè)電流對電感由于電流減小處于維持階段提供了一定的電流支持。使電路在下管導(dǎo)通前，負(fù)載中的電流不至于中斷。
針對以上問題，有網(wǎng)友給出以下看法：
“第二個(gè)遺留問題：如何進(jìn)入諧振狀態(tài)——
這個(gè)狀態(tài)有一點(diǎn)小研究提供參考，節(jié)能燈線路架構(gòu)為LCC容性負(fù)載Q值在諧振點(diǎn)時(shí)大于1(幾倍要看燈管擊穿電壓)，提供增益曲線圖及轉(zhuǎn)移函數(shù)，C4跟C5扮演線路最重要角色。
頻率經(jīng)過諧振點(diǎn)時(shí)達(dá)到擊穿管電壓(500~700V看燈管規(guī)格)，然后進(jìn)入左半平面降低(維持)管電壓(50~70V也許)，從這個(gè)觀點(diǎn)在去解釋三極管工作狀態(tài)或許會(huì)有不同體驗(yàn)。”
“樓主在算磁飽和時(shí), 要知B=LI/NAe這個(gè)公式中L的定義及測試. L電感量在無氣隙且大電流的時(shí)候是沒有意義的. 這樣算磁飽和也是不正確的。當(dāng)然, 磁飽和理論在節(jié)能燈驅(qū)動(dòng)上的解釋確實(shí)是有問題的。用開氣隙的變壓器也是可以驅(qū)動(dòng)節(jié)能燈的, 這時(shí)的電流遠(yuǎn)未達(dá)到磁芯飽和的程度. 但半橋電流依然可以反轉(zhuǎn)。”
廣大的工程師朋友們，對于筆者的這些問題，你又有什么樣的看法呢？歡迎大家探討，相互學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步。
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