基于Multisim14的熒光燈全電路多態仿真

陳澤坤

(長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410114)

0　引　言

熒光燈電路具有非線性特性、設計與計算復雜和元器件參數選擇多樣性等特性。為保證熒光燈可靠點亮和正常工作，它的控制電路應滿足幾個基本條件：能為熒光燈點亮前燈絲兩極提供一定的預熱電流；在燈管兩端產生啟動點火要求的高頻高壓；提供燈點亮后維持穩定所需的工作次高頻低壓電源。啟動輝光放電前后的特性迥異會使熒光燈整個控制電路的拓撲結構產生變化，其工作參數在一個較大范圍內可變，這是影響產品質量、功率因子及使用壽命的主要原因。因此，有必要通過選擇合適模型來仿真分析這種多態并存狀態?，F有熒光燈仿真電路的論述基本較為模糊，且多用理想信號源來分段實現電路仿真，未能全電路多態仿真[1]。

Multisim是美國國家儀器(NI)有限公司推出的以Windows為基礎的仿真工具，包含了電路原理圖的圖形輸入、電路硬件描述語言輸入方式，具有豐富的仿真分析能力[2]。本文參考相關實物模型，運用Multisim14實現了熒光燈全電路的交直流轉換、從起振到高頻高壓點火與運行的多態仿真，并將仿真結果與實驗數據進行比對，驗證了所建模型的合理性。

1　熒光燈仿真電路簡介

1.1　仿真電路組成部分及說明

有研究者從點火和運行模式電路模型兩個方面對熒光燈進行模型分析，沒有統一用全電路模式，并且簡單地用方波電源電壓的信號源來替代熒光燈電路中的高頻振蕩電路，在其運行模式電路模型中用等效電阻來替代燈管的阻抗[3]，因此不能真實仿真燈管運行后的電路狀態。

圖1　節能燈仿真電路圖

圖1所示為基于Multisim14的節能燈仿真電路，主要由橋式整流、啟動、高頻自激、RLC串聯諧振和保護、燈管等效電路等幾部分組成。XWM1為用于測功率因子的功率計，XXC1為示波器，XMM1為伏特計。該仿真電路與實際電路圖的主要區別是燈管由一個RC等效阻抗替換，為減少仿真運行出錯幾率，特增加一個R7來防止振幅過大，并在整流前后分別接地。

1.2　仿真電路工作原理

仿真電路中220 V交流電經D1～D4、C1的全橋整流并濾波得到310 V直流電。經R1、R2、C2及雙觸二極管D8構成啟動觸發電路，直流轉交流的半橋逆變(高頻自激振蕩)電路由Ql、Q2、R3～R7和T1的3個繞組等組成，可產生30 kHz～70 kHz的高頻電源，磁環T1的初級為8匝，兩個次線為3匝，L1、C4、C6及電管等效阻抗構成串聯諧振負載電路，D6、D7為Q1、Q2提供過壓保護，負反饋電阻R5、R6同時提供過流保護， C3具有過壓保護并去除高次諧波作用。C6為燈管的啟動點火電容，并分流燈管啟輝時燈管的電流。當啟振電容C2充電達到32 V，D8(ECG6407)擊穿導通，Q2基極得到電壓使Q2導通(起振后C2放電不再使D8導通)。電流經C4、燈絲R8～R9對C6、L1、T1的初級線圈充電儲能，從Q2集電極到地形成回路。同時在T1的兩個次級端產生相應的反向感應電動勢，產生反饋，Q1截止并使Q2從飽和導通到截止，L1通過燈管與C4、Q2形成放電回路，如此反復形成高頻振蕩。振蕩頻率主要由L1、C4、C5燈管阻抗與T1、Q1、Q2等元件的參數決定。

2　仿真和實驗結果

2.1　仿真狀態說明

基于Multisim14的電路模型主要模仿兩個工作過程：一是從起振到點火前的第一個高頻高壓振蕩(50～70 kHz、1 kV左右)，二是高壓點火后通過接通開關S2過渡到高頻低壓(30～40 kHz、60～100 V)的正常工作狀態。因為燈管未工作等同開路，實際點火時間非常短，電壓接近1 kV時就已輝光放電，不進入長時間的高頻高壓振蕩。

本仿真電路對燈管正常發光狀態的模擬通過電阻電容串聯等效阻抗的模型來完成[4]。在燈管運行后其它元件均未發生明顯狀態改變的情況下，僅靠燈的等效電阻不能使工作頻率下降到運行頻率，只能用等效阻抗來模擬，若不用電容直接接入等效電阻，仿真電路會停振，無法穩定工作，運行頻率也不可能從點火時的50 kHz下降到30 kHz左右。經Multisim14多種形式仿真，可以發現電阻電容串聯最接近實際工作狀態，且該等效阻抗中的電容要與起動點火電容C同一數量級別、并與之并聯方能引起整個電路諧振頻率的降低。

2.2　關鍵元件參數選擇與仿真實現

以常見熒光燈關鍵工作參數為參照來進行仿真：燈管等效電阻482 Ω，燈絲電阻為7.5 Ω，燈管工作電壓U=82 V，點火頻率為50.4 kHz，運行頻率32.5 kHz[3]。為方便起見，在全電路仿真燈管電路處加裝一個開關來模擬兩種狀態：開關開時模擬高頻振蕩起振過程；起振后開關合上模擬運行過程。模擬過程中可以用虛擬示波器觀察到燈管兩端的波形，圖2為啟動到起振時從虛擬示波器所見的頻譜圖。

圖2　啟動到高頻起振頻譜圖

參考了多種熒光燈實際電路后，本仿真電路中C4、C6、L1等元器件采用可調電容電感來滿足不同仿真頻率要求。由于高頻電路的其它元件參數無法一一對應，模擬電路不能同時實現案例中的所有工作參數，但各工作參數在合理誤差范圍內。調整各元件參數至點火、運行頻率，C6取6 nF，C4取8 nF，總串聯電容值C=C1C2/(C1+C2)，計算后為3.4 nF，取L1為2.5 mH，代入電路串聯諧振頻率公式：

經計算f為55 kHz，符合高頻點火需求(50～70 kHz)。在仿真時要達到燈管電壓82 V的要求，只能略降低C4值來加大振蕩電路中的分電壓，若降低電感L1會引起波形畸變、電路停振，仿真結果(燈管電壓為一變化值75～94 V；點火頻率50.3 kHz，運行頻率32.5 kHz)與實物熒光燈的主要參數相符。

再對兩種實物節能燈(額定功率分別為27 W、5 W)的運行工作數據進行測量(由于實際起振點火時間短至1 ms左右，且電壓高，點火頻率不易觀察)，得到的運行頻率測量值分別為40 kHz與35 kHz，燈管電壓58～63 V與67～73 V。參考實物元件參數，調整仿真電路相關參數，仿真結果與這兩種節能燈的測量結果具有良好的一致性。

3　仿真意義

本文采用Multisim14熒光燈全電路多態仿真模型研究了熒光節能燈饋電式拓撲結構，根據所建模型可以模擬熒光燈的各種運行頻率，模擬出燈管從起振到點火、再到正常工作的可靠狀態。仿真電路以電感L1作為主要電能交換元件，總體呈感性，通過仿真測量節能燈功率因數，在電路的前端接入與之相匹配的電容可以有效提高功率因子。本文為進一步研究和利用此拓撲結構，優化改進熒光燈提供了仿真依據，實際生產中可以借助該模型重新設計參數降低燈電壓、電流來延長燈管壽命，減少可用非再生資源的損耗。

另外，應用Multisim14仿真軟件還可以對諸多電路進行仿真模擬，并將之更廣泛地運用于大中專院校電氣工程類專業的電路課堂教學中[5]，實現以直觀圖形界面方便快捷地模擬實驗室情景、將電路仿真實驗

和實際動手操作有機互補的效果,使學生迅速掌握電路工作原理,既有效彌補傳統實驗之不足，又可培養學生的電子電路綜合分析能力和開發創新設計能力。

參考文獻：

[1]尹煥平,孫宗海.一種熒光燈模型與電子鎮流器的仿真設計方法[J].照明工程學報，2009,(2):59-62.

[2]王連英.基于Multisim10的電子仿真實驗與設計[ M].北京:北京郵電大學出版社,2009.

[3]張學軍.4U節能燈電路工作原理分析及工作參數測試[J].照明工程學報，2010,(4):40-42.

[4]王青松.一種電流饋電式半橋拓撲的研究[J].解放軍理工大學學報(自然科學版)，2013,(5):490-493.

[5]蘭建花.Protel制板與Multisim仿真電路的實現[J].自動化技術與應用，2014,(11)：100-103.