賴少鋒 廣東省廣播電視技術(shù)中心

諧振電路原理分析與運(yùn)用

賴少鋒 廣東省廣播電視技術(shù)中心

本文通過諧振電路的工作原理，分析并介紹了串并聯(lián)諧振電路在電子鎮(zhèn)流器中的應(yīng)用，可資豐富講授電路原理課程中的諧振原理內(nèi)容。

串并聯(lián)諧振;電路原理;電子鎮(zhèn)流器

諧振現(xiàn)象發(fā)生于正弦穩(wěn)態(tài)電路中，它是一種特定的工作狀態(tài)。諧振狀態(tài)下，電壓與電流位相一致，電路的總阻抗會(huì)達(dá)到極值或者與極值相近。諧振研究工作的開展目標(biāo)是對(duì)此客觀現(xiàn)象加以認(rèn)識(shí)，同時(shí)以科學(xué)及應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)對(duì)諧振的特征進(jìn)行充分的利用，并采取有效措施預(yù)防其所帶來的危害。

1.諧振的分類及其原理

以電路聯(lián)接的方式為依據(jù)，諧振可分為串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振兩種類型。在電阻、電感以及電容組成的串聯(lián)電路中，當(dāng)容抗與感抗相等時(shí)，亦即，電路中的電壓會(huì)與電流有相同的位相，這時(shí)的電路會(huì)表現(xiàn)為純電阻性，此現(xiàn)象即為串聯(lián)諧振。同串聯(lián)諧振類似，并聯(lián)諧振電路中的電壓也會(huì)與電流有相同的位相，兩者的不同之處僅在于串聯(lián)諧振發(fā)生于電阻、電感以及電容組成的串聯(lián)電路中，而并聯(lián)諧振發(fā)生于并聯(lián)電路中。若在整個(gè)電路中既有串聯(lián)電路，又有并聯(lián)電路，那么它們會(huì)在條件滿足之時(shí)發(fā)生串并聯(lián)諧振現(xiàn)象。

無論是串聯(lián)諧振還是并聯(lián)諧振，整個(gè)電路所吸收的無用功率值均為0。此時(shí)的電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量均處于不斷變化的狀態(tài)中，但是它們之間會(huì)維持一種此增彼減，相互補(bǔ)償?shù)囊?guī)律，簡(jiǎn)單地說，能量會(huì)在電場(chǎng)與磁場(chǎng)之間進(jìn)行振蕩，在整個(gè)電路的電磁場(chǎng)中，能量的總和不會(huì)發(fā)生變化。此外，激勵(lì)供給電路中的能量會(huì)完全向電阻發(fā)熱進(jìn)行轉(zhuǎn)化，為了使振蕩有效地維持下去，激勵(lì)會(huì)不間斷地供給能量，以對(duì)電阻發(fā)熱所造成的消耗予以彌補(bǔ)。相較于電路中總的電磁場(chǎng)能量來說，每出現(xiàn)一次振蕩所給電路造成的能量消耗越少，電路的品質(zhì)就會(huì)越佳。

2.串并聯(lián)諧振電路原理在實(shí)際中的應(yīng)用——以電子鎮(zhèn)流器為例

電子鎮(zhèn)流器是一種變換器，它安裝于電網(wǎng)與燈之間，能夠?qū)⒐ゎl交流電源轉(zhuǎn)換為高頻交流電源。在電子鎮(zhèn)流器中，諧振電路會(huì)向燈提供合適的交流電壓與交流電流，目的在于保證燈可以在一定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，并通過高壓點(diǎn)燃進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在圖1中， DSP會(huì)對(duì)諧振電路中的兩個(gè)開關(guān)管與的交替導(dǎo)通進(jìn)行控制，在工作狀態(tài)下，兩個(gè)開關(guān)管通過交替導(dǎo)通會(huì)產(chǎn)生高頻電流，實(shí)現(xiàn)直流到交流的逆變。圖中的兩個(gè)開關(guān)管無法同時(shí)導(dǎo)通，如果強(qiáng)行進(jìn)行同時(shí)導(dǎo)通的話，會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，加之半橋逆變串并聯(lián)諧振輸出回路的組成包括諧振電容、濾波電容、電感及負(fù)載，因?yàn)殡姼须娏鳠o法突變，需在開關(guān)管上與二極管進(jìn)行并聯(lián)，使電感電流在死區(qū)時(shí)間內(nèi)通過二極管續(xù)流，如果續(xù)流太大，通過二極管D1的續(xù)流會(huì)流到前級(jí)電路中，使系統(tǒng)出現(xiàn)損壞，并且在續(xù)流狀態(tài)下，會(huì)有短時(shí)間的高頻輻射與電流（電壓）浪涌產(chǎn)生，這會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)作產(chǎn)生一定的干擾，因此兩個(gè)開關(guān)管要有一定的死區(qū)時(shí)間，同時(shí)盡可能地減小死區(qū)時(shí)間內(nèi)二極管的續(xù)流電流，以避免續(xù)流值過大造成的電子鎮(zhèn)流器工作受阻。

圖1 電子鎮(zhèn)流器串并聯(lián)諧振電路工作原理

對(duì)圖1電路進(jìn)行假設(shè)：（1）一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)整流出來的直流電壓E為恒壓；（2）開關(guān)管與續(xù)流二極管器件理想，可以實(shí)現(xiàn)零電壓通導(dǎo)與零電流關(guān)斷；（3）兩個(gè)開關(guān)管有相等的占空比。

經(jīng)過分析，圖1中的電路有兩種狀態(tài)，各自的電路方程可由式（1）與式（2）表示。

若L， C1， C2已知，便可對(duì)負(fù)載電流大小進(jìn)行計(jì)算，單臺(tái)燈管的功率通常在幾十瓦到200瓦之間，其正常運(yùn)行所負(fù)載的電流不是很大，在選擇器件之時(shí)需對(duì)此加以考慮。

根據(jù)式（1）與式（2），可計(jì)算出負(fù)載電壓與電流的有效值：

圖1中的電感電流IL同開關(guān)管電壓的相位關(guān)系可由圖2表示出來。

圖2 電感電流與開關(guān)管電壓相位關(guān)系

3.結(jié)語

本文在理論層面上對(duì)電子鎮(zhèn)流器的串并聯(lián)諧振電路進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：要向負(fù)載提供可靠的高頻交流電流，在進(jìn)行主電路的設(shè)計(jì)之時(shí)，不能盲目選擇諧振電容、濾波電容以及濾波電感，此外，諧振電容的選擇可以在一定程度上影響負(fù)載提供的電能質(zhì)量，因此，在進(jìn)行DSP控制開關(guān)管工作之時(shí)要首先對(duì)諧振電路的工作頻率，以及開關(guān)管的工作頻率進(jìn)行計(jì)算。

[1]趙平華，賀曉華.RLC串聯(lián)諧振電路的研究[D].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012（6）：69-72.

[2]邱彬，王凱.串并聯(lián)諧振電路在電子鎮(zhèn)流器中的應(yīng)用研究[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2011（10）：142-145.

賴少鋒（，1990-），男，本科，廣東潮州人，助理工程師，研究方向?yàn)橹胁òl(fā)射機(jī)的維護(hù)。