HPS舞臺燈的設計與控制

田 豐 郭穎娜 程為彬 張德春

(西安石油大學電子工程學院，陜西西安 710065)

1 引言

舞臺燈光作為舞臺藝術的重要表現形式，能夠伴隨節奏、聲音、情感和環境的變化而變化，給觀眾帶來一種神奇的視覺感受［1］。隨著科技的發展，人們對舞臺燈光提出了更高的要求，絢麗多姿的舞臺燈光能使人心潮澎湃，豐富多彩的舞臺效果能夠令人陶醉其中。因此，舞臺對光源的特性要求比普通照明更高，舞臺光源不僅要提供豐富的色彩，而且要有充足的亮度及照度。

舞臺用燈具種類繁多，如鹵鎢燈、熒光燈、高壓鈉燈、金鹵燈、氙燈，新興的LED燈也逐漸走進市場，但是都存在自身的缺點。鹵鎢光源的燈具，光效低、壽命短、抗震能力差，它的局限性已經不能適應當代演藝照明的要求，特別是在提倡綠色照明的新時代，更顯落后。高強度氣體放電 (HID)燈在高頻電子鎮流時易產生聲諧振現象，給電子鎮流器的性能提出了嚴峻挑戰。LED燈具在成本、價格方面相對偏高，它的應用還局限在散光 (泛光)和固定光束角等燈具方面，還沒有研發出像鹵鎢光源那樣品種齊全的產品，而且LED舞臺燈具的研發與應用方面有著極其復雜的技術特性［2］。

高壓鈉燈 (HPS)有發光效率高、耗電少、壽命長等優點，能夠應用于寬闊的舞臺照明系統，尤其是在黃光區域能夠發揮其鈉黃光的獨特優勢。因此，本文將HPS燈應用于舞臺燈的設計，并提出了一種新的控制電路，通過實驗驗證了設計電路的可行性。

2 設計原理

高壓鈉燈有負阻特性，所以必須匹配相應的電子鎮流器才能正常工作。HPS舞臺燈的電子鎮流器必須起到兩個方面的功能，第一，它具有常規電子鎮流器的基本功能，并且能夠在所有的工作頻率中避免聲諧振現象［3］;第二，能夠使HPS燈的功率按照程序設定的要求變化，以達到舞臺燈光閃爍變化的效果。本文采用PWM半橋驅動逆變電路，基本形式如圖1所示。

圖1 PWM驅動電路

許多研究表明，HPS燈在正常工作時，可以看做一個定值電阻。當用高壓方波驅動LCR電路時，其等效電路如圖2所示。

圖中Ue為高電壓PWM電源輸出，根據傅里葉變換理論，電源信號能夠表示為:

其中U為直流母線電壓幅值，ω =2πf，f為PWM開關頻率，式 (1)表明燈電源可以等效為許多正弦信號的疊加，則整個回路的電流能夠表示成:

圖2 LCR等效電路

因為電路中容抗非常小，可以近似忽略，所以第2n+1次電流諧波均方根值可表示為:

于是2n+1次電流諧波產生的燈功率為:

所以燈的總功率能夠表示為:

由式 (5)可得到燈功率和PWM驅動頻率之間的關系，當電壓和電路結構基本確定的時候，能夠通過改變開關頻率f的大小改變燈的功率，進而對燈的亮度進行調節。假設fmin是燈的額定功率開關頻率，fmax為燈的最小功率開關頻率，當開關頻率在fmin和fmax兩點交替變化時，可得到HPS燈閃爍變化的效果;當開關頻率在兩頻率之間逐漸變化時，可以根據頻率變化的速度得到不同的閃爍變化，達到舞臺燈需要的燈光效果。

3 控制策略

電子鎮流器作為燈光控制系統的終端，它的可靠與否直接影響到舞臺燈的變化效果，要確保燈光控制的穩定性和靈活性，科學合理地設計控制電路尤為重要。

3.1 PWM控制電路

HPS 舞臺燈的閃爍變化能夠通過改變功率來實現，根據式 (5)中功率和頻率的關系，可以通過改變頻率來改變功率，因此選用頻率轉換芯片作為控制芯片。

美國國家半導體公司生產的精密壓頻轉換集成芯片LM331，能夠將輸入直流電壓線性的轉換成脈沖頻率信號，線性度好，變換精度高，穩定性高，但實驗證明:當電壓變化時，輸出脈沖方波的占空比也發生改變，即占空比與控制電壓成反比關系，而50%的占空比的方波只能限定在很小的頻率范圍內，HPS燈在其它頻率范圍內就不能正常工作。因此，LM331提供的頻率難以達到設計要求。

采用鎖相環CD4046芯片來實現頻率的變化。CD4046內部的鎖相環采用RC型壓控振蕩器(VCO)，其振蕩頻率取決于外接定時電容、定時電阻以及輸入控制電壓的大小。定時電容的充電電流與輸入的控制電壓成正比，使VCO的振蕩頻率也正比于該控制電壓，由于定時電容的充放電都是由一個電容完成，所以輸出波形是對稱的方波，并且輸出頻率范圍寬，外圍電路簡單，能夠很好地實現PWM脈沖的控制要求。CD4046的控制電路如圖3所示。

圖3 CD4046控制電路

其中，VCC1為0～10V的控制電壓輸入端，可以通過調節電壓控制頻率的變化;VCC2為15V供電電源;C1為定時電容，取值為1000pF;R1和電位器PR1為定時電阻，總電阻取值為20K;Fout輸出一定頻率的方波，且占空比接近50%，符合設計要求。

3.2 PWM驅動電路

驅動電路采用IRS21091芯片，它是一種新型的CMOS和IGBT驅動芯片，內部采用專有的HVIC和閂鎖抗干擾CMOS技術，強化了整體結構;懸浮電源采用由二極管和電容組成的自舉電路，減少了驅動電源的數目;高端工作電壓可達600V。它的突出優點是改進了IR2110芯片，使功能更加完善;內設500ns的死區時間，與外部電阻連接時，死區時間可達到5μs，有效避免了CMOS之間的直通現象，并且IRS21091還降低了柵極驅動電流的變化，提高了防噪聲能力。圖4為驅動電路原理圖。

圖4 IRS21091驅動電路原理圖

其中高壓側采用懸浮驅動的自舉原理，C1為自舉電容，利用電容特性，在充放電過程中實現電壓自舉電位自舉;VD1為自舉二極管，是利用二極管的單向導電性，完成電位疊加自舉。二極管導通時電容被充電，二極管截止時，電容放點，并與電源電壓疊加起到自舉的作用，能夠使CMOS快速的導通，達到快速驅動外圍電路的目的。這里二極管選擇UF4007型號，C1選擇0.1μF630V的電容，C2為VCC的濾波電容，取值為0.1μF，電阻R調節死區時間，取值39K。

此外，舞臺燈的控制傳輸線路一般比較長，為了更好的達到遠程控制的效果，在控制芯片和驅動芯片之間用光電耦合器連接。采用光電耦合芯片6N137，將控制頻率送至IRS21091的IN輸入端。

3.3 聲諧振抑制

HPS燈在高頻驅動下容易產生聲諧振現象，造成燈光閃爍、電弧抖動、熄弧、甚至損壞燈管和電子鎮流器，有許多抑制聲諧振的方法，如低頻方波法、高頻方波法、幅值調制法、頻率調制法、電壓諧波注入法等，但所有方法最基本的目的都是為了分散功率諧波成分，使其低于聲諧振的功率閾值［4］。圖5為一種150W高壓鈉燈測得的聲諧振功率閾值圖。

圖5 聲諧振功率閾值圖

為了使功率諧波不超過聲諧振的功率閾值，本文中采用頻率調制的頻譜分散技術［5］，在CD4046的電壓控制端輸入一個幅值很小的正弦電壓，可以在很小范圍內改變輸出頻率，使激勵源的驅動頻率在一定范圍內圍繞中心頻率變化，使輸出的頻譜分散開來，難以在固定的頻率上形成駐波。此時功率諧波成分降低到聲諧振功率閾值以下，從而有效避免了聲諧振現象的發生。

4 實驗測試和結果

選擇一種飛利浦高壓鈉燈，額定功率為150W，最小功率為60W，作為實驗用的HPS燈。通過 (5)式可以計算出相關數據，當HPS燈工作在額定功率150W時，PWM驅動頻率為最小值，fmin=27.2kHz;當工作在60%的額定功率 (90W)時，PWM驅動頻率為46.6kHz;當燈工作在最小功率60W時，PWM驅動頻率為最大值，fmax=62.5kHz;高于額定功率或低于最小功率HPS燈將不能正常工作。因此，CD4046的輸出頻率范圍為27.2kHz～62.5kHz。再根據頻率和電壓的正比關系，可以得到控制電壓的輸入范圍，通過電路測試得到 Umax=8.25V，Umin=4.04V，因此控制電壓VCC1的輸入范圍在4.04V～8.25V之間。圖6為HPS舞臺燈的控制系統圖。

通過實驗測得輸入電壓、驅動頻率和燈功率之間的關系如圖7所示，由圖7a可知控制電壓和驅動頻率呈現誤差較小的線性關系;圖7b表明HPS燈功率隨驅動頻率的增大而減小，驗證了理論的正確性。

在運行過程中，當加入擾動電壓時，聲諧振現象得到成功抑制;當不加入擾動電壓時，在某些頻段電弧抖動，即產生了聲諧振現象。因此，頻率調制的頻譜分散技術能夠很好的抑制聲諧振現象。

圖6 舞臺燈控制系統

圖7 電壓、頻率、功率關系圖

為了更快更好的實現舞臺燈光閃爍變化的要求，可以用程序設定輸入電壓的變化方式，得到相應的驅動頻率。HPS燈可以是逐漸變化，反復變化，閃爍變化，或者是結合在一起的混合變化，實現燈光變化的多種舞臺效果。圖8為驅動頻率變化的一種形式，用頻率為1Hz的控制電壓實現HPS燈從最高功率到最低功率變化，時長為3s，然后用頻率為4Hz的控制電壓實現60%最大功率到最小功率的變化，時長為2s。

5 結論

圖8 驅動頻率變化形式

本文分析了HPS舞臺燈的工作原理，設計了一種結構簡單、性能優良的PWM控制電路和驅動電路，并采用頻譜分散技術成功抑制了聲諧振現象的發生。通過實驗可以得到舞臺燈的多種閃爍變化形式，證明了理論和方法的正確性和可行性。由此得到的HPS舞臺燈，控制電路簡單，操作靈活，達到了理想的設計效果。

［1］翁玉史，翁海.劇場舞臺燈光配置設計 ［J］.建筑電氣，2009，28(1):19～24.

［2］潘云輝.舞臺新光源燈具的技術突破與思考 ［J］.演藝設備與科技，2009，6(3):27～28.

［3］程為彬.高強度氣體放電燈電子鎮流技術研究 ［D］.西安:西安理工大學，2007.

［4］L Chhun， P Maussion， S Bholse and G Zissis.Characterization of acoustic resonance in a high pressure sodium lamp ［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2011，47(2):1071～1076.

［5］程為彬，鐘彥儒.頻譜分散抑制氣體放電中聲諧振技術研究［J］.電工技術學報，2006，21(6):83～88.