Zusammenfassung: Dieser Artikel befasst sich mit den Schwächen analog gesteuerter elektronischer Vorschaltgeräte und schlägt ein digitales Steuerungsverfahren vor. Mithilfe eines Mikrocontrollers der PIC16F873-Serie steuert das Verfahren den Start und den stationären Betrieb einer Metallhalogenlampe und passt die Regelung an die Lastcharakteristik der Lampe in verschiedenen Betriebsphasen an. Funktionsprinzip und Schaltungsstruktur werden erläutert, und Experimente bestätigen die Machbarkeit des vorgeschlagenen Verfahrens. Schlüsselwörter: digitale Steuerung; Metallhalogenlampe; Konstantspannung; Konstantstrom; Konstantleistung. Zusammenfassung: Um die Schwächen der analogen Steuerung in elektronischen Vorschaltgeräten zu beheben, schlägt dieser Artikel eine neuartige digitale Steuerungsstrategie für eine Metallhalogenlampe auf Basis eines PIC16F873-Mikrocontrollers vor. Diese Strategie erfüllt die Anforderungen an die Steuerung des Starts und des stationären Betriebs von Metallhalogenlampen und gewährleistet einen effizienten Lampenbetrieb. Die Schaltungsfunktion und der Aufbau werden detailliert beschrieben, und experimentelle Messungen bestätigen die theoretischen Vorhersagen. Schlüsselwörter: digitale Steuerung; Metallhalogenlampe; Konstantspannung; Konstantstrom; Konstantleistung 1 Einleitung Hochdruckentladungslampen (HID-Lampen) sind als neue Art energiesparender Lichtquellen aufgrund ihrer hohen Lichtausbeute, guten Farbwiedergabe und langen Lebensdauer weit verbreitet. Aufgrund ihres komplexen Startvorgangs und der erforderlichen Zeitsteuerung ist die herkömmliche analoge Steuerung jedoch oft umständlich und komplex. Die digitale Steuerung vereinfacht die Hardware-Schaltungen, behebt das Problem der temperaturabhängigen Parameterdrift analoger Schaltungen und bietet eine flexible Steuerung. Metallhalogenlampen neigen bei hohen Frequenzen zu akustischer Resonanz, die zu instabilen Lichtbögen, Flackern oder sogar zum Erlöschen des Lichts führen kann. Im Extremfall kann dies die Entladungsröhre beschädigen und die Lebensdauer der Lampe erheblich verkürzen. In diesem Beitrag wird ein Niederfrequenz-Rechteckwellenbetriebsmodus verwendet, der aus einer dreistufigen Schaltung besteht: PFC-Stufe, DC/DC-Stufe und Niederfrequenz-Vollbrücken-DC/AC-Stufe. Dadurch wird das Phänomen der akustischen Resonanz von Metallhalogenlampen vermieden. Die digitale Steuerung passt das Vorschaltgerät an die unterschiedlichen Lastcharakteristiken der Lampe in den verschiedenen Betriebsstufen an. 2. Schaltungsaufbau und Funktionsprinzip Die Systemstruktur der gesamten Schaltung ist in Abbildung 1 dargestellt und besteht im Wesentlichen aus folgenden fünf Teilen: Die PFC-Stufe gibt eine Gleichspannung von 400 V als Eingangsspannung für die DC/DC-Stufe aus; die DC/DC-Stufe übernimmt die Leistungsverarbeitung; die DC/AC-Stufe wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um, wobei ihr MOSFET mit einem niederfrequenten Rechtecksignal mit einem festen Tastverhältnis von 50 % vom I/O-Port des Mikrocontrollers angesteuert wird; ein Trigger erzeugt eine Hochspannung zum Starten der HID-Lampe; und der digitale Controller dient der Spannungs-, Strom- und Leistungsregelung sowie dem Schutz vor Fehlfunktionen. Die Hauptschaltung besteht aus drei Stufen: der PFC-Stufe, der DC/DC-Stufe und der DC/AC-Stufe (siehe Abbildungen 2 und 3). Die PFC-Stufe dient der Leistungsfaktorkorrektur, um Oberschwingungen im Eingangsstrom zu reduzieren, den Leistungsfaktor zu verbessern und die Belastung des Stromnetzes zu verringern. Die DC/DC-Stufe wird mit einer stabilen Eingangsspannung versorgt, sodass die Ausgangsspannung unabhängig von Netzspannungsschwankungen ist. Dadurch kann die Lampe innerhalb eines weiten Bereichs von Netzspannungsschwankungen problemlos starten und arbeiten. Die PFC-Stufe verwendet einen Aufwärtswandler (Boost-DC/DC-Wandler), dessen Ausgangsspannung durch die maximale Netzspannung von typischerweise 400 V bestimmt wird. Die DC/DC-Stufe ermöglicht die Leistungsregelung. Die Schaltung besteht aus einem ZVRT-Abwärtswandler (BUCK) mit Haupt- und Hilfsschalter. Durch Anpassen der Induktivitätsparameter kann der Hauptschalter bei Nullspannung einschalten, wodurch die Verluste in den Schalttransistoren effektiv reduziert werden. Diese Stufe wird von einem Mikrocontroller gesteuert, um konstante Spannung, variablen Strom und konstante Ausgangsleistung sowie Schutz vor Leerlauf und Kurzschluss zu gewährleisten. Die DC/AC-Stufe verwendet eine Vollbrückenschaltung, um die von der DC/DC-Stufe ausgegebene Gleichspannung in Wechselspannung umzuwandeln. Dadurch kann die Lampe mit einer niederfrequenten Rechteckwelle betrieben werden. Dies verhindert effektiv die Lampenpolarisation und fördert den normalen Lampenbetrieb. Darüber hinaus wird durch den Betrieb mit niedriger Frequenz das akustische Resonanzphänomen von Metallhalogenidlampen vermieden. Das niederfrequente Ansteuersignal (Rechteckwelle) wird vom I/O-Port des Mikrocontrollers erzeugt. Die digitale Steuerschaltung (siehe Abbildung 4) verwendet einen 28-poligen Mikrocontroller der PIC16F873-Serie mit drei Timern, 10-Bit-AD-Abtastgenauigkeit und insbesondere zwei PWM-Eingängen. Bei einer Arbeitsfrequenz von 39 kHz erreicht die Ausgangsgenauigkeit 9 Bit, wodurch ein externer D/A-Wandler und ein dedizierter PWM-Chip entfallen und die Hardware vereinfacht wird. Diese Mikrocontroller-Serie ist mit ihren wenigen Pins, dem niedrigen Preis und der hohen Funktionalität eine ausgezeichnete Wahl. Die spezifischen Parameter sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Die Steuerschaltung verwendet den IR2105-Chip, der über eine Totzeit und eine Isolationsschaltung verfügt. Dadurch kann seine Ausgangsansteuerwelle die oberen und unteren MOSFETs des Abwärtswandlers (BUCK) direkt ansteuern. Dies vereinfacht die Ansteuerschaltung des BUCK und löst das Problem der schwierigen Ansteuerung. Die Schaltung ist einfach und komfortabel. Darüber hinaus ist der Logikeingang des Chips mit Standard-CMOS- oder LSTTL-Ausgangsschaltungen kompatibel und kann direkt von Signalen des Mikrocontrollers angesteuert werden. 3. Software-Design 3.1 Hauptprogramm-Design Der Schlüssel zum Software-Design liegt darin, die Wendepunkte von Modusübergängen oder Änderungen der Steuervariablen basierend auf den verschiedenen Betriebsmodi der Metallhalogenlampe in jeder Phase vom Start bis zum Normalbetrieb zu bestimmen und geeignete Steuergrößen so auszuwählen, dass die Ausgangskennlinie des elektronischen Vorschaltgeräts mit der dynamischen Kennlinie der MH-Lampe übereinstimmt. Bevor die Lampe gezündet wird, muss der DC/DC-Wandler eine bestimmte Leerlaufspannung an die Lampe anlegen. Sein Steuermodus ist die Spannungsrückkopplungsregelung. Ein Spannungsreferenzwert wird eingestellt, und die Größe der Leerlaufspannung kann nach Bedarf geregelt werden. Der wichtigste Indikator zur Bestimmung, ob die Lampe gezündet wurde, ist die Änderung des dynamischen Stroms der Lampe, die durch Festlegen eines Stromschwellenwerts ermittelt werden kann. Sobald erkannt wird, dass die Lampe gezündet wurde, beginnt der digitale Regler, den Lampenstrom anzupassen. Die Größe des Lampenstroms in dieser Phase bestimmt die Zeit, die die Lampe benötigt, um einen stationären Zustand zu erreichen. Je höher der Strom, desto leichter erreicht die Lampe einen stationären Zustand. Während dieser Phase werden unterschiedliche Steuerströme und Leistungen entsprechend den Änderungen der Lampenspannung eingestellt. Sobald die Lampe den stationären Betriebszustand erreicht hat, wird eine Leistungsreferenz festgelegt und ein Leistungsrückkopplungsmodus implementiert, um den Betrieb der Lampe mit konstanter Leistung sicherzustellen. Die niederfrequente Ansteuer-Rechteckwelle des DC/AC-Schaltkreises wird über zwei I/O-Ports mittels Interrupt-Verfahren erzeugt. Die von den I/O-Ports erzeugte Rechteckwelle wird durch einen IR2105 isoliert, um zwei komplementäre Wellenformen zur Ansteuerung der oberen und unteren MOSFETs der Vollbrückenschaltung zu erzeugen. 3.2 Digitaler PID-Algorithmus In analogen Regelsystemen ist die PID-Regelung das am häufigsten verwendete Regelgesetz. Ein PID-Regler ist ein linearer Regler, der die Abweichung zwischen Sollwert und Istwert nutzt, um deren Proportional-, Integral- und Differenzialanteil linear zu kombinieren und so die Regelgröße zu bilden. Dadurch wird das Regelobjekt gesteuert. In Computersteuerungssystemen wird ein digitaler PID-Regler eingesetzt, der die Stellgröße nur anhand der Abweichung zum Abtastzeitpunkt berechnen kann und daher eine Diskretisierung erfordert. Die Implementierung eines digitalen PID-Reglers erfolgt folgendermaßen: Die AD-Abtastgenauigkeit beträgt 10 Bit, die PWM-Ausgangsgenauigkeit 9 Bit. Am Beispiel einer Konstantspannungs-PI-Regelung wird zunächst ein Spannungsreferenzwert (Zielwert für die Regelung) als Hexadezimalzahl festgelegt. Anschließend tastet der Mikrocontroller die Ausgangsspannung am Lampenanschluss ab und vergleicht sie mit dem Referenzwert. Das Ergebnis ist der Spannungswert, wobei die Abweichung jedes Schritts gespeichert wird. Diese Stellgröße wird dann gemäß den spezifischen Anforderungen des PIC-Mikrocontrollers in einem bestimmten Format über den PWM-Port ausgegeben, um ein bestimmtes Tastverhältnis für die direkte Ansteuerung des MOSFET zu erzielen. Auf diese Weise bildet der gesamte Prozess einen geschlossenen Regelkreis zur digitalen Regelung der Lampenanschlussspannung. Die beiden anderen Verfahren, Konstantstrom- und Konstantleistungs-PI-Regelung, verlaufen ähnlich. 4. Analyse der experimentellen Ergebnisse. Basierend auf der oben beschriebenen Schaltungstopologie und -analyse wurde ein Prototyp eines elektronischen Vorschaltgeräts entwickelt: Die PFC-Stufe liefert 400 V, die DC/DC-Stufe arbeitet mit 39 kHz, die Ausgangsleistung P₀ = 35 W, die Lampenspannung U₀ = 85 V, der Mikrocontroller PIC16F873 verwendet eine 10-Bit-AD-Abtastung, die PWM-Ausgangsgenauigkeit beträgt 9 Bit und die Frequenz der niederfrequenten Rechteckwelle 222 Hz. Abbildung 6 zeigt den Zusammenhang zwischen Ausgangsleistung und Ausgangsspannung. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die Ausgangsleistung im Bereich von 65 V bis 110 V nahezu konstant bleibt. Abbildung 7 zeigt die Spannungs- und Stromverläufe an der Lampe. Diese bestehen aus niederfrequenten Rechteckwellen, wodurch akustische Resonanzen effektiv eliminiert werden. 5. Schlussfolgerung. In diesem Beitrag wird ein digital gesteuertes elektronisches Vorschaltgerät für Metallhalogenlampen mit dreistufiger Schaltungsstruktur vorgestellt. Die DC/DC-Stufe nutzt eine resonante Soft-Switching-Struktur mit Nulldurchgangsschaltung, wodurch die Schalttransistorverluste effektiv reduziert werden. Gleichzeitig wird lastseitig ein niederfrequentes Rechtecksignal ausgegeben, um akustische Resonanzen effektiv zu kompensieren. Ein Mikrocontroller steuert den Startvorgang und den stationären Betrieb der Lampe und stellt sicher, dass das Vorschaltgerät in den verschiedenen Betriebsphasen optimal auf die Lastcharakteristik der Lampe abgestimmt ist. Darüber hinaus bietet er Schutz vor anormalen Lampenzuständen. Im Vergleich zur herkömmlichen analogen Steuerung bietet dieses Verfahren eine einfachere Schaltung, eine flexiblere Steuerung und eine bessere Regelgüte und stellt somit einen vielversprechenden Regelungsansatz dar. Referenzen: [1] Mao Xingwu, Zhu Dawei. Electronic Ballast Principle and Fabrication [M]. Beijing: People's Posts and Telecommunications Press, 1999. [2] CPHenze, HC Martin und DW Parsley, „Zero voltage switching in High Frequency Power Converter Using Pulse Width Modulation“, IEEE APEC Record, 1988. [3] Lin Guoqing, Chen Wei, Chen Heping. Forschung zur Regelungsstrategie eines neuen Konstantleistungs-Schaltwandlers [J]. Neue Technologien der Elektrotechnik und Energietechnik, 2002, 21(4). [4] Janos Melis, Oscar Vila-Masot, „Elektronisches Vorschaltgerät mit niedriger Frequenz und Rechteckwellenform für Gasentladungslampen“, US-Patent Nr. 5428268, Patentdatum: 27. Juni 1995. [5] Zhang Mingfeng. Einführung und Anwendung von PIC-Mikrocontrollern [M]. Peking: Verlag der Luft- und Raumfahrtuniversität, 2004. [6] Jin Yihui, Fang Chongzhi. Prozesssteuerung [M]. Peking: Verlag der Tsinghua-Universität, 1991.