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如何设计更好更有效率的照明系统

2016-06-29 Mehdi Samii 阅读:
搭建一个照明系统有许多种方法,而好的设计可以直接导致更高的功效和更低的材料清单成本。为了获得更高的效率,目前照明行业正在从240V转向277V。因此现在是向现有产品线引入功率因素校正(PFC)的好时机。

搭建一个照明系统有许多种方法,而好的设计可以直接导致更高的功效和更低的材料清单成本。为了获得更高的效率,目前照明行业正在从240V转向277V。因此现在是向现有产品线引入功率因素校正(PFC)的好时机。由于这些系统不管怎样都需要升级,所以OEM厂商可以在升级的同时充分利用PFC带来更多的好处。I4jednc

对PFC的需求源自向感性负载的转移。传统照明应用使用阻性负载,比如白炽灯。然而,阻性负载有很大的缺点,即这些负载向系统引入的电阻会发热。这种热量代表了功率损失和效率的下降。为了消除这些损失,照明行业不断地转向可提供更高效率的感性负载,比如荧光灯。图1显示的是一个基于感性负载的照明系统。I4jednc

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图1:在感性负载两端增加了一个并联电容。

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功率因素校正

一个遗憾的事实是,许多OEM厂商以严重降低效率的方式实现感性负载。在许多情况下,他们不明白这些问题其实可以用功率因数校正方法轻松且低成本地加以解决。I4jednc

从本质上说,感性负载会使电压和电流彼此不同步。具体讲,就是负载引入的感性电抗与系统阻抗不同步。这种相位差会降低系统的效率。I4jednc

功率因数(PF)是系统的有功功率与其视在功率之比。视在功率是你对系统期望的功率,有功功率是你实际得到的功率。根据具体的应用,一个不同步的系统的效率可能降低至60%。I4jednc

功率因数校正的目标是尽量减少电压与电流之间的相位差。容性电抗可以用来将感性电抗拉回到与系统阻抗同步。具有合适参数的电容(即具有足够高的额定功率,与感性电抗的相位差为180°)就是全部要求(见图1)。I4jednc

在照明系统中实现PFC可以获得许多好处:I4jednc

提高效率:系统中增加PFC可以将效率提高至80%到95%,当然同样取决于具体应用。由于电费越来越高,这种基于PFC的照明系统对最终用户来说具有很大的吸引力。I4jednc

实现简单:只需一个电容就可以向照明系统中引入PFC。注意,还需要浪涌电流限制器来防止系统加电时电容初始充电电流损坏系统(见下面的浪涌电流)。I4jednc

降低电源供电成本:具有高功率因数的系统可以使用更小的电源完成与低功率因数系统相同的工作。承载更小电流的需求意味着更小和更便宜的发电机、导体、变压器和开关,进而实现更紧凑的外形尺寸和节省更多的材料清单成本。I4jednc

更高的可靠性:更高效率的系统将耗散更少的热量,因此更容易在可接受的温度范围内保持系统的可靠工作。I4jednc

差异化特性:不管你的设计是一个独立的产品还是作为更大系统的一个部分,更高的功效总是能够获得比其他更低效率系统更高的溢价。I4jednc

更低的运营成本:对于大规模照明应用来说,通过PFC实现更高的效率可以转换为节省更多的电费账单。I4jednc

行业趋势:功率因数校正在欧洲、中国和日本已经强制执行十多年了。尽管在美国普及速度很慢,但强制要求增加PFC的应用也越来越多,最显著的就是照明系统。很显然,PFC是有意义的,今天不要求PFC的应用未来最终都会强制增加PFC。将PFC作为未来要求考虑的公司将能够充分利用PFC的优势,并将它作为今天的一种差异化功能。不能提供PFC的制造商将很快发现他们自己变得无法参与竞争。I4jednc

浪涌电流

当PFC电容初始充电时,它会吸收系统能够允许的最大电流。这个历时简短的浪涌电流明显高过系统的工作电流,可能会损坏系统中的其他电路。为了防止这种破坏,需要采取措施来限制这种浪涌电流。I4jednc

浪涌限制电路的核心是高阻。在电路中放置一个电阻就能限制电容可以吸取多大电流。然而,一旦电容充好电后,如果这个电阻仍然留在电路中,它会继续造成热量损失,进而降低总体效率。一旦浪涌电流被限制住后,一般会用一个开关来旁路掉这个电阻。I4jednc

解决浪涌电流的最有效方法是使用热敏电阻。热敏电阻是一种特殊类型的可变电阻,它的电阻阻值与温度有关。举例来说,一个负温度系数(NTC)的热敏电阻在其温度上升时电阻值会有一个大幅度且可预测的减小。I4jednc

为了限制浪涌电流,可以将NTC热敏电阻放在电源和PFC电容与感应负载之间(见图2)。在系统加电时,NTC热敏电阻处于低温状态,因此具有很大的电阻。在限制流向电容的电流的同时,这个大电阻还会发热,从而提高热敏电阻的温度。I4jednc

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图2:增加NTC热敏电阻以限制浪涌电流。

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随着NTC热敏电阻的自发热,它的电阻值将很快下降。当浪涌电流趋于平稳时,NTC热敏电阻已经足够热到阻值降至最小值,此时流经热敏电阻的电流已经不会负面影响系统工作或效率。这样,NTC热敏电阻不仅能够有效地提供限制浪涌电流所需的电阻值,而且不再需要诸如旁路开关这样的额外电路。I4jednc

NTC热敏电阻是一种很可靠的元件,其有效工作温度范围是-50℃到+250℃。作为行业领先企业之一,Ametherm了解转换到277V的必要性,所以开发出了适合在这个更高电压工作的照明应用的热敏电阻。Ametherm公司还提供业内最大选择范围、UL和CSA认证的最高等级热敏电阻,从而使得选到能够最大限度减少因阻性发热造成的功效损失的最佳电阻成为可能。I4jednc

适合照明应用的NTC热敏电阻价格范围从0.15美元至0.9美元,相比之下具有足够高等级功率处理镇流器中大电流的功率电阻价格范围是从0.5美元至1美元以上。功率电阻的成本还需要考虑在限制完浪涌电流后旁路电阻所需的电路成本。I4jednc

功率因数校正的实现难以置信地简单,而且成本很低。就拿获得的效率提升来说,PFC也是许多感性照明应用急需增加的功能,即使不强制要求PFC的应用也是如此。借助负温度系数热敏电阻,OEM厂商可以保护系统免受与PFC有关的浪涌电流伤害,而且不需要复杂的昂贵的旁路电路。I4jednc

《电子技术设计》2016年7月刊版权所有,谢绝转载。I4jednc

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本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
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