HPS舞台灯的设计与控制

田 丰 郭颖娜 程为彬 张德春

(西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065)

1 引言

舞台灯光作为舞台艺术的重要表现形式，能够伴随节奏、声音、情感和环境的变化而变化，给观众带来一种神奇的视觉感受［1］。随着科技的发展，人们对舞台灯光提出了更高的要求，绚丽多姿的舞台灯光能使人心潮澎湃，丰富多彩的舞台效果能够令人陶醉其中。因此，舞台对光源的特性要求比普通照明更高，舞台光源不仅要提供丰富的色彩，而且要有充足的亮度及照度。

舞台用灯具种类繁多，如卤钨灯、荧光灯、高压钠灯、金卤灯、氙灯，新兴的LED灯也逐渐走进市场，但是都存在自身的缺点。卤钨光源的灯具，光效低、寿命短、抗震能力差，它的局限性已经不能适应当代演艺照明的要求，特别是在提倡绿色照明的新时代，更显落后。高强度气体放电 (HID)灯在高频电子镇流时易产生声谐振现象，给电子镇流器的性能提出了严峻挑战。LED灯具在成本、价格方面相对偏高，它的应用还局限在散光 (泛光)和固定光束角等灯具方面，还没有研发出像卤钨光源那样品种齐全的产品，而且LED舞台灯具的研发与应用方面有着极其复杂的技术特性［2］。

高压钠灯 (HPS)有发光效率高、耗电少、寿命长等优点，能够应用于宽阔的舞台照明系统，尤其是在黄光区域能够发挥其钠黄光的独特优势。因此，本文将HPS灯应用于舞台灯的设计，并提出了一种新的控制电路，通过实验验证了设计电路的可行性。

2 设计原理

高压钠灯有负阻特性，所以必须匹配相应的电子镇流器才能正常工作。HPS舞台灯的电子镇流器必须起到两个方面的功能，第一，它具有常规电子镇流器的基本功能，并且能够在所有的工作频率中避免声谐振现象［3］;第二，能够使HPS灯的功率按照程序设定的要求变化，以达到舞台灯光闪烁变化的效果。本文采用PWM半桥驱动逆变电路，基本形式如图1所示。

图1 PWM驱动电路

许多研究表明，HPS灯在正常工作时，可以看做一个定值电阻。当用高压方波驱动LCR电路时，其等效电路如图2所示。

图中Ue为高电压PWM电源输出，根据傅里叶变换理论，电源信号能够表示为:

其中U为直流母线电压幅值，ω =2πf，f为PWM开关频率，式 (1)表明灯电源可以等效为许多正弦信号的叠加，则整个回路的电流能够表示成:

图2 LCR等效电路

因为电路中容抗非常小，可以近似忽略，所以第2n+1次电流谐波均方根值可表示为:

于是2n+1次电流谐波产生的灯功率为:

所以灯的总功率能够表示为:

由式 (5)可得到灯功率和PWM驱动频率之间的关系，当电压和电路结构基本确定的时候，能够通过改变开关频率f的大小改变灯的功率，进而对灯的亮度进行调节。假设fmin是灯的额定功率开关频率，fmax为灯的最小功率开关频率，当开关频率在fmin和fmax两点交替变化时，可得到HPS灯闪烁变化的效果;当开关频率在两频率之间逐渐变化时，可以根据频率变化的速度得到不同的闪烁变化，达到舞台灯需要的灯光效果。

3 控制策略

电子镇流器作为灯光控制系统的终端，它的可靠与否直接影响到舞台灯的变化效果，要确保灯光控制的稳定性和灵活性，科学合理地设计控制电路尤为重要。

3.1 PWM控制电路

HPS 舞台灯的闪烁变化能够通过改变功率来实现，根据式 (5)中功率和频率的关系，可以通过改变频率来改变功率，因此选用频率转换芯片作为控制芯片。

美国国家半导体公司生产的精密压频转换集成芯片LM331，能够将输入直流电压线性的转换成脉冲频率信号，线性度好，变换精度高，稳定性高，但实验证明:当电压变化时，输出脉冲方波的占空比也发生改变，即占空比与控制电压成反比关系，而50%的占空比的方波只能限定在很小的频率范围内，HPS灯在其它频率范围内就不能正常工作。因此，LM331提供的频率难以达到设计要求。

采用锁相环CD4046芯片来实现频率的变化。CD4046内部的锁相环采用RC型压控振荡器(VCO)，其振荡频率取决于外接定时电容、定时电阻以及输入控制电压的大小。定时电容的充电电流与输入的控制电压成正比，使VCO的振荡频率也正比于该控制电压，由于定时电容的充放电都是由一个电容完成，所以输出波形是对称的方波，并且输出频率范围宽，外围电路简单，能够很好地实现PWM脉冲的控制要求。CD4046的控制电路如图3所示。

图3 CD4046控制电路

其中，VCC1为0～10V的控制电压输入端，可以通过调节电压控制频率的变化;VCC2为15V供电电源;C1为定时电容，取值为1000pF;R1和电位器PR1为定时电阻，总电阻取值为20K;Fout输出一定频率的方波，且占空比接近50%，符合设计要求。

3.2 PWM驱动电路

驱动电路采用IRS21091芯片，它是一种新型的CMOS和IGBT驱动芯片，内部采用专有的HVIC和闩锁抗干扰CMOS技术，强化了整体结构;悬浮电源采用由二极管和电容组成的自举电路，减少了驱动电源的数目;高端工作电压可达600V。它的突出优点是改进了IR2110芯片，使功能更加完善;内设500ns的死区时间，与外部电阻连接时，死区时间可达到5μs，有效避免了CMOS之间的直通现象，并且IRS21091还降低了栅极驱动电流的变化，提高了防噪声能力。图4为驱动电路原理图。

图4 IRS21091驱动电路原理图

其中高压侧采用悬浮驱动的自举原理，C1为自举电容，利用电容特性，在充放电过程中实现电压自举电位自举;VD1为自举二极管，是利用二极管的单向导电性，完成电位叠加自举。二极管导通时电容被充电，二极管截止时，电容放点，并与电源电压叠加起到自举的作用，能够使CMOS快速的导通，达到快速驱动外围电路的目的。这里二极管选择UF4007型号，C1选择0.1μF630V的电容，C2为VCC的滤波电容，取值为0.1μF，电阻R调节死区时间，取值39K。

此外，舞台灯的控制传输线路一般比较长，为了更好的达到远程控制的效果，在控制芯片和驱动芯片之间用光电耦合器连接。采用光电耦合芯片6N137，将控制频率送至IRS21091的IN输入端。

3.3 声谐振抑制

HPS灯在高频驱动下容易产生声谐振现象，造成灯光闪烁、电弧抖动、熄弧、甚至损坏灯管和电子镇流器，有许多抑制声谐振的方法，如低频方波法、高频方波法、幅值调制法、频率调制法、电压谐波注入法等，但所有方法最基本的目的都是为了分散功率谐波成分，使其低于声谐振的功率阈值［4］。图5为一种150W高压钠灯测得的声谐振功率阈值图。

图5 声谐振功率阈值图

为了使功率谐波不超过声谐振的功率阈值，本文中采用频率调制的频谱分散技术［5］，在CD4046的电压控制端输入一个幅值很小的正弦电压，可以在很小范围内改变输出频率，使激励源的驱动频率在一定范围内围绕中心频率变化，使输出的频谱分散开来，难以在固定的频率上形成驻波。此时功率谐波成分降低到声谐振功率阈值以下，从而有效避免了声谐振现象的发生。

4 实验测试和结果

选择一种飞利浦高压钠灯，额定功率为150W，最小功率为60W，作为实验用的HPS灯。通过 (5)式可以计算出相关数据，当HPS灯工作在额定功率150W时，PWM驱动频率为最小值，fmin=27.2kHz;当工作在60%的额定功率 (90W)时，PWM驱动频率为46.6kHz;当灯工作在最小功率60W时，PWM驱动频率为最大值，fmax=62.5kHz;高于额定功率或低于最小功率HPS灯将不能正常工作。因此，CD4046的输出频率范围为27.2kHz～62.5kHz。再根据频率和电压的正比关系，可以得到控制电压的输入范围，通过电路测试得到 Umax=8.25V，Umin=4.04V，因此控制电压VCC1的输入范围在4.04V～8.25V之间。图6为HPS舞台灯的控制系统图。

通过实验测得输入电压、驱动频率和灯功率之间的关系如图7所示，由图7a可知控制电压和驱动频率呈现误差较小的线性关系;图7b表明HPS灯功率随驱动频率的增大而减小，验证了理论的正确性。

在运行过程中，当加入扰动电压时，声谐振现象得到成功抑制;当不加入扰动电压时，在某些频段电弧抖动，即产生了声谐振现象。因此，频率调制的频谱分散技术能够很好的抑制声谐振现象。

图6 舞台灯控制系统

图7 电压、频率、功率关系图

为了更快更好的实现舞台灯光闪烁变化的要求，可以用程序设定输入电压的变化方式，得到相应的驱动频率。HPS灯可以是逐渐变化，反复变化，闪烁变化，或者是结合在一起的混合变化，实现灯光变化的多种舞台效果。图8为驱动频率变化的一种形式，用频率为1Hz的控制电压实现HPS灯从最高功率到最低功率变化，时长为3s，然后用频率为4Hz的控制电压实现60%最大功率到最小功率的变化，时长为2s。

5 结论

图8 驱动频率变化形式

本文分析了HPS舞台灯的工作原理，设计了一种结构简单、性能优良的PWM控制电路和驱动电路，并采用频谱分散技术成功抑制了声谐振现象的发生。通过实验可以得到舞台灯的多种闪烁变化形式，证明了理论和方法的正确性和可行性。由此得到的HPS舞台灯，控制电路简单，操作灵活，达到了理想的设计效果。

［1］翁玉史，翁海.剧场舞台灯光配置设计 ［J］.建筑电气，2009，28(1):19～24.

［2］潘云辉.舞台新光源灯具的技术突破与思考 ［J］.演艺设备与科技，2009，6(3):27～28.

［3］程为彬.高强度气体放电灯电子镇流技术研究 ［D］.西安:西安理工大学，2007.

［4］L Chhun， P Maussion， S Bholse and G Zissis.Characterization of acoustic resonance in a high pressure sodium lamp ［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2011，47(2):1071～1076.

［5］程为彬，钟彦儒.频谱分散抑制气体放电中声谐振技术研究［J］.电工技术学报，2006，21(6):83～88.