HID燈和電子鎮(zhèn)流器間的接口設(shè)計(jì)

1 HID 電光源概述

HID 照明系統(tǒng)由HID 電光源、驅(qū)動(dòng)電源( 鎮(zhèn)流器) 和燈具三部分構(gòu)成，其中核心是光源。鎮(zhèn)流器和燈具的設(shè)計(jì)方向總是圍繞如何讓光源達(dá)到最佳的照明效果來(lái)擴(kuò)展的。目前，根據(jù)發(fā)光物質(zhì)的差別，HID 電光源分三大類，即高壓汞燈(HPL)、高壓鈉燈(HPS) 和金鹵燈(MH) ，其中金鹵燈又分石英金鹵燈( QMH) 和陶瓷金鹵燈( CMH 或者CDM)兩種。

以前HPL 燈主要應(yīng)用于戶外照明，但是由于它的光效較低，HPL 現(xiàn)在已逐漸被HPS 燈取代。雖然LED 路燈概念初步付諸了實(shí)踐，但是戶外照明中性價(jià)比最高的依然是傳統(tǒng)電感式鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)的HPS燈。HPS 的初始光效可以達(dá)到100lm /W 以上，并且可以實(shí)現(xiàn)20% 的調(diào)光，非常適合于照明節(jié)能，這都是HPS 的主要優(yōu)點(diǎn)。但是HPS 的顯色指數(shù)( CRI)較小，只有20 左右，難看的黃光是HPS 燈主要的缺陷。同屬鈉燈系列的白鈉燈( SDW) 通過(guò)犧牲光效(50lm /W 附近) ，可以將CRI 大大提高到80 以上，在超市的肉類櫥窗里很有用武之地。

光效和顯色指數(shù)這兩個(gè)指標(biāo)，在鈉燈系列電光源中是不易兼得的，但在金鹵燈中卻得到了很好的平衡，例如: 金鹵燈初始光效在80lm /W 之上，顯色指數(shù)在70 以上。同QMH 相比， 大批量生產(chǎn)的CDM 的初始色溫一致性好，長(zhǎng)期工作后的色溫穩(wěn)定性好，CDM 放電管壁材料采用PCA，對(duì)鹵鹽的腐蝕性耐力較強(qiáng)，從而避免了QMH 放電管在某些狀態(tài)下爆炸的危險(xiǎn)。同等功率的CDM 同QMH 相比( 如70W) ，顯色指數(shù)和光效都提高了10 多個(gè)點(diǎn)，預(yù)期壽命是QMH 的1. 5 倍左右。并且，可以被調(diào)光到50% 的CDM 燈也已經(jīng)問(wèn)世。在不久的將來(lái)，光效可以和HPS 燈媲美、顯色性好、可調(diào)光的CDM 燈將成為戶外照明的新生力量。

HID 燈初始光效是指燈在連續(xù)工作100 小時(shí)之后所測(cè)得的光效，它的高低由燈自身特性決定，同鎮(zhèn)流器性能基本無(wú)關(guān)。但是，HID 燈長(zhǎng)期工作的時(shí)效性—流明( 光效) 維持率和CRI 穩(wěn)定性，卻極大地受驅(qū)動(dòng)鎮(zhèn)流器性能的影響。由于照明系統(tǒng)的核心是電光源，所以在保證安全和滿足成本控制等要求的前提下，最大限度地發(fā)揮燈的照明效果，是鎮(zhèn)流器優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則。拋開(kāi)鎮(zhèn)流器的市場(chǎng)因素不說(shuō)，如果只從照明系統(tǒng)的性能角度出發(fā)，評(píng)估電子鎮(zhèn)流器質(zhì)量?jī)?yōu)劣的最重要指標(biāo)就是燈—鎮(zhèn)流器接口性能( Lamp Driver Interaction or Interface-LDI) 的好壞。LDI 是一個(gè)綜合指標(biāo)，首先它根據(jù)燈的工作特性，要求鎮(zhèn)流器有適合的參數(shù)匹配，以便給燈提供最佳的驅(qū)動(dòng)效果; 其次，它要求在燈的不同工作階段和異常工作狀態(tài)下鎮(zhèn)流器都有很好的可靠性。HID 鎮(zhèn)流器和燈的匹配性及鎮(zhèn)流器自身的可靠性是本文討論的核心。

2 HID 燈和電子鎮(zhèn)流器間接口性能指標(biāo)(LDI)

HID 燈的工作是一個(gè)復(fù)雜的氣體放電和原子發(fā)光的過(guò)程，HID 燈要被可靠點(diǎn)亮并長(zhǎng)期穩(wěn)定高效地工作，必須對(duì)燈電壓、燈電流和燈功率的大小、形狀、頻率、諧波含量等電學(xué)參數(shù)提出規(guī)范化的要求，而HID 電子鎮(zhèn)流器線路拓?fù)洳粩喟l(fā)展及控制方法不斷完善的目的也就是為了更好地達(dá)到這些規(guī)范化的要求。HID 燈的各個(gè)工作階段直接關(guān)聯(lián)HID 鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)，它們分別是:

(1) 放電管的電流擊穿同鎮(zhèn)流器的點(diǎn)火尖峰電壓間的關(guān)系: 當(dāng)鎮(zhèn)流器產(chǎn)生的點(diǎn)火尖峰電壓足夠大時(shí)( > 3kV) ，HID 放電管中的中性原子( 如汞原子) 開(kāi)始被電離，正離子轟擊電極并產(chǎn)生大量電子，導(dǎo)致電子雪崩和自持放電，這就是放電管的電流擊穿階段，該階段的放電是輝光放電，要求鎮(zhèn)流器給放電管電極之間提供足夠高度和寬度的電壓尖峰。如果尖峰電壓峰值不夠大，或者尖峰電壓中累積有效脈寬不夠大，則放電管不易自持放電; 如果尖峰電壓峰值太大( 如> 5kV) ，則在HID 燈的熱點(diǎn)火時(shí)，在HID 外泡的兩個(gè)電極引線之間可能會(huì)發(fā)生拉弧打火現(xiàn)象。另外，基于安全考慮，鎮(zhèn)流器的點(diǎn)火過(guò)程應(yīng)該是可控的，當(dāng)點(diǎn)火時(shí)間超過(guò)30 分鐘時(shí)，點(diǎn)火線路必須停止工作。

(2) 放電管的電壓擊穿同鎮(zhèn)流器開(kāi)路電壓(OCV) 間的關(guān)系: 在輝光放電發(fā)生后， 如果在放電管兩個(gè)電極之間維持足夠大的電壓，則電子雪崩程度會(huì)加劇，最終導(dǎo)致放電管電極兩端電壓從開(kāi)路電壓( open-circuit voltage，OCV) 跳變到10V 左右，該過(guò)程被稱為輝光放電到弧光放電的轉(zhuǎn)移( GTA) ，這就是放電管的電壓擊穿階段，該階段要求鎮(zhèn)流器能夠在放電管兩個(gè)電極之間維持足夠大的OCV。如果OCV 不夠大， 則放電管的電壓擊穿不易實(shí)現(xiàn)，GTA 不順暢，很難過(guò)渡到穩(wěn)定的弧光放電階段，則輝光放電維持時(shí)間被拉長(zhǎng); 如果OCV 過(guò)大，則汞正離子對(duì)電極的轟擊太過(guò)劇烈，會(huì)引起電極物質(zhì)的過(guò)渡濺射。輝光放電維持時(shí)間長(zhǎng)，電極物質(zhì)濺射嚴(yán)重，是HID 燈壽命縮短以及流明維持率驟減的主要原因，所以O(shè)CV 過(guò)小或者過(guò)大，都是不允許的。

(3) 放電管的Runup 過(guò)程同鎮(zhèn)流器的Runup 電流大小間的關(guān)系: HID 燈的Runup 過(guò)程就是放電管中汞齊和鹵鹽氣化，電極兩端電壓和燈功率逐步增大的過(guò)程，當(dāng)燈功率達(dá)到滿功率時(shí)，Runup 階段完成。在CDM 燈的Runup 階段， 鎮(zhèn)流器最好能夠輸出大小恒定的Runup 電流，并且Runup 電流大小的設(shè)置應(yīng)符合燈的規(guī)格要求。如果Runup 電流過(guò)小，則放電管鹵鹽不能氣化，燈會(huì)熄滅; 而如果Runup電流過(guò)大，則電極物質(zhì)蒸發(fā)損耗太大，放電管管壁過(guò)早發(fā)黑，也會(huì)引起流明維持率驟減。

(4) 放電管中的聲共振、放電管的老化同鎮(zhèn)流器輸出電流波形間的關(guān)系: 金鹵燈能否穩(wěn)定長(zhǎng)期工作，燈流明維持率的高低、使用壽命的長(zhǎng)短，同鎮(zhèn)流器輸出到燈中的電流波形形狀關(guān)系很大。理論和實(shí)踐都證明，低頻方波電流是驅(qū)動(dòng)金鹵燈的最佳方式，它能有效抑制金鹵燈放電管中的聲共振、延緩流明維持率的衰減速度、延長(zhǎng)金鹵燈的使用壽命。對(duì)低頻方波電流形狀的要求，又可細(xì)化為以下指標(biāo):①電流頻率應(yīng)該介于70Hz ～ 400Hz 之間，以克服頻閃并避開(kāi)聲共振; ②電流換向速度要快，盡量保證換流在100uS 以內(nèi)完成，以便減少換向過(guò)程中的電子復(fù)合和輝光放電; ③換流邊沿的電流過(guò)沖要小，電流峰值因數(shù)( CF) 小， 以便減弱電極物質(zhì)的蒸發(fā); ④燈電流中包含的高頻紋波含量要盡量少，否則聲共振有被激發(fā)的危險(xiǎn)。

(5) 放電管中光色穩(wěn)定性同鎮(zhèn)流器功率控制間的關(guān)系: 隨著HID 燈的老化( 鹵鹽成分變化和流失、電極物質(zhì)的濺射和蒸發(fā)) ，燈電壓會(huì)不斷上升，而功率控制的目的就是保證燈功率按照設(shè)定的規(guī)律變化。HID 燈的功率控制，對(duì)于穩(wěn)定光色和延長(zhǎng)燈管的使用壽命都是必須的。在金鹵燈中，如果燈功率過(guò)低，則光色偏綠; 若燈功率過(guò)高，雖然光色不變，但是會(huì)導(dǎo)致放電管管壁溫度和及其中的鹵鹽溫度升高，加速管壁的腐蝕和老化。金鹵燈(QMH 和CDM) 的功率控制要求比較簡(jiǎn)單，那就是在燈電壓的整個(gè)正常工作范圍內(nèi)( 如70V ～ 150V) ，燈功率基本維持不變。在大批量生產(chǎn)中，不同金鹵燈個(gè)體之間的功率存在偏差，一般來(lái)說(shuō)，實(shí)際燈功率同額定燈功率之間有± 3% 到± 5% 的偏差是允許的。