基于Multisim14的荧光灯全电路多态仿真

陈泽坤

(长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114)

0　引　言

荧光灯电路具有非线性特性、设计与计算复杂和元器件参数选择多样性等特性。为保证荧光灯可靠点亮和正常工作，它的控制电路应满足几个基本条件：能为荧光灯点亮前灯丝两极提供一定的预热电流；在灯管两端产生启动点火要求的高频高压；提供灯点亮后维持稳定所需的工作次高频低压电源。启动辉光放电前后的特性迥异会使荧光灯整个控制电路的拓扑结构产生变化，其工作参数在一个较大范围内可变，这是影响产品质量、功率因子及使用寿命的主要原因。因此，有必要通过选择合适模型来仿真分析这种多态并存状态。现有荧光灯仿真电路的论述基本较为模糊，且多用理想信号源来分段实现电路仿真，未能全电路多态仿真[1]。

Multisim是美国国家仪器(NI)有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力[2]。本文参考相关实物模型，运用Multisim14实现了荧光灯全电路的交直流转换、从起振到高频高压点火与运行的多态仿真，并将仿真结果与实验数据进行比对，验证了所建模型的合理性。

1　荧光灯仿真电路简介

1.1　仿真电路组成部分及说明

有研究者从点火和运行模式电路模型两个方面对荧光灯进行模型分析，没有统一用全电路模式，并且简单地用方波电源电压的信号源来替代荧光灯电路中的高频振荡电路，在其运行模式电路模型中用等效电阻来替代灯管的阻抗[3]，因此不能真实仿真灯管运行后的电路状态。

图1　节能灯仿真电路图

图1所示为基于Multisim14的节能灯仿真电路，主要由桥式整流、启动、高频自激、RLC串联谐振和保护、灯管等效电路等几部分组成。XWM1为用于测功率因子的功率计，XXC1为示波器，XMM1为伏特计。该仿真电路与实际电路图的主要区别是灯管由一个RC等效阻抗替换，为减少仿真运行出错几率，特增加一个R7来防止振幅过大，并在整流前后分别接地。

1.2　仿真电路工作原理

仿真电路中220 V交流电经D1～D4、C1的全桥整流并滤波得到310 V直流电。经R1、R2、C2及双触二极管D8构成启动触发电路，直流转交流的半桥逆变(高频自激振荡)电路由Ql、Q2、R3～R7和T1的3个绕组等组成，可产生30 kHz～70 kHz的高频电源，磁环T1的初级为8匝，两个次线为3匝，L1、C4、C6及电管等效阻抗构成串联谐振负载电路，D6、D7为Q1、Q2提供过压保护，负反馈电阻R5、R6同时提供过流保护， C3具有过压保护并去除高次谐波作用。C6为灯管的启动点火电容，并分流灯管启辉时灯管的电流。当启振电容C2充电达到32 V，D8(ECG6407)击穿导通，Q2基极得到电压使Q2导通(起振后C2放电不再使D8导通)。电流经C4、灯丝R8～R9对C6、L1、T1的初级线圈充电储能，从Q2集电极到地形成回路。同时在T1的两个次级端产生相应的反向感应电动势，产生反馈，Q1截止并使Q2从饱和导通到截止，L1通过灯管与C4、Q2形成放电回路，如此反复形成高频振荡。振荡频率主要由L1、C4、C5灯管阻抗与T1、Q1、Q2等元件的参数决定。

2　仿真和实验结果

2.1　仿真状态说明

基于Multisim14的电路模型主要模仿两个工作过程：一是从起振到点火前的第一个高频高压振荡(50～70 kHz、1 kV左右)，二是高压点火后通过接通开关S2过渡到高频低压(30～40 kHz、60～100 V)的正常工作状态。因为灯管未工作等同开路，实际点火时间非常短，电压接近1 kV时就已辉光放电，不进入长时间的高频高压振荡。

本仿真电路对灯管正常发光状态的模拟通过电阻电容串联等效阻抗的模型来完成[4]。在灯管运行后其它元件均未发生明显状态改变的情况下，仅靠灯的等效电阻不能使工作频率下降到运行频率，只能用等效阻抗来模拟，若不用电容直接接入等效电阻，仿真电路会停振，无法稳定工作，运行频率也不可能从点火时的50 kHz下降到30 kHz左右。经Multisim14多种形式仿真，可以发现电阻电容串联最接近实际工作状态，且该等效阻抗中的电容要与起动点火电容C同一数量级别、并与之并联方能引起整个电路谐振频率的降低。

2.2　关键元件参数选择与仿真实现

以常见荧光灯关键工作参数为参照来进行仿真：灯管等效电阻482 Ω，灯丝电阻为7.5 Ω，灯管工作电压U=82 V，点火频率为50.4 kHz，运行频率32.5 kHz[3]。为方便起见，在全电路仿真灯管电路处加装一个开关来模拟两种状态：开关开时模拟高频振荡起振过程；起振后开关合上模拟运行过程。模拟过程中可以用虚拟示波器观察到灯管两端的波形，图2为启动到起振时从虚拟示波器所见的频谱图。

图2　启动到高频起振频谱图

参考了多种荧光灯实际电路后，本仿真电路中C4、C6、L1等元器件采用可调电容电感来满足不同仿真频率要求。由于高频电路的其它元件参数无法一一对应，模拟电路不能同时实现案例中的所有工作参数，但各工作参数在合理误差范围内。调整各元件参数至点火、运行频率，C6取6 nF，C4取8 nF，总串联电容值C=C1C2/(C1+C2)，计算后为3.4 nF，取L1为2.5 mH，代入电路串联谐振频率公式：

经计算f为55 kHz，符合高频点火需求(50～70 kHz)。在仿真时要达到灯管电压82 V的要求，只能略降低C4值来加大振荡电路中的分电压，若降低电感L1会引起波形畸变、电路停振，仿真结果(灯管电压为一变化值75～94 V；点火频率50.3 kHz，运行频率32.5 kHz)与实物荧光灯的主要参数相符。

再对两种实物节能灯(额定功率分别为27 W、5 W)的运行工作数据进行测量(由于实际起振点火时间短至1 ms左右，且电压高，点火频率不易观察)，得到的运行频率测量值分别为40 kHz与35 kHz，灯管电压58～63 V与67～73 V。参考实物元件参数，调整仿真电路相关参数，仿真结果与这两种节能灯的测量结果具有良好的一致性。

3　仿真意义

本文采用Multisim14荧光灯全电路多态仿真模型研究了荧光节能灯馈电式拓扑结构，根据所建模型可以模拟荧光灯的各种运行频率，模拟出灯管从起振到点火、再到正常工作的可靠状态。仿真电路以电感L1作为主要电能交换元件，总体呈感性，通过仿真测量节能灯功率因数，在电路的前端接入与之相匹配的电容可以有效提高功率因子。本文为进一步研究和利用此拓扑结构，优化改进荧光灯提供了仿真依据，实际生产中可以借助该模型重新设计参数降低灯电压、电流来延长灯管寿命，减少可用非再生资源的损耗。

另外，应用Multisim14仿真软件还可以对诸多电路进行仿真模拟，并将之更广泛地运用于大中专院校电气工程类专业的电路课堂教学中[5]，实现以直观图形界面方便快捷地模拟实验室情景、将电路仿真实验

和实际动手操作有机互补的效果,使学生迅速掌握电路工作原理,既有效弥补传统实验之不足，又可培养学生的电子电路综合分析能力和开发创新设计能力。

参考文献：

[1]尹焕平,孙宗海.一种荧光灯模型与电子镇流器的仿真设计方法[J].照明工程学报，2009,(2):59-62.

[2]王连英.基于Multisim10的电子仿真实验与设计[ M].北京:北京邮电大学出版社,2009.

[3]张学军.4U节能灯电路工作原理分析及工作参数测试[J].照明工程学报，2010,(4):40-42.

[4]王青松.一种电流馈电式半桥拓扑的研究[J].解放军理工大学学报(自然科学版)，2013,(5):490-493.

[5]兰建花.Protel制板与Multisim仿真电路的实现[J].自动化技术与应用，2014,(11)：100-103.