電子鎮(zhèn)流器的工作原理

1、 氣體放電燈的負(fù)阻特性

　　由于氣體放電燈（如熒光燈、霓虹燈、金鹵燈等）是一種具有如圖1所示V-I特性的負(fù)阻性電光源，即為負(fù)值，從圖1可以看出，當(dāng)燈電流上升時(shí)，燈管的工作電壓下降，但是供電電壓不會(huì)下降，多出的這點(diǎn)電壓加到燈管后會(huì)使燈電流進(jìn)一步上升，如此循環(huán)，最終燒壞燈管或燈管熄滅，所以要使燈管正常工作，應(yīng)配以如圖2所示的鎮(zhèn)流元件，用以限制和穩(wěn)定燈電流。這個(gè)限流裝置叫做鎮(zhèn)流器。目前氣體放電燈常用的鎮(zhèn)流器有兩種：電感式鎮(zhèn)流器和高頻交流電子鎮(zhèn)流器。由于電感式鎮(zhèn)流器工作在工頻市電頻率，體積大、笨重，還需消耗大量銅和硅鋼等金屬材料，散熱困難、工作效率低、燈發(fā)光有頻閃，所以現(xiàn)在一些電光源界的科技工作者紛紛尋找新的鎮(zhèn)流方法，而高頻交流電子鎮(zhèn)流器就是一種有效方法。鎮(zhèn)流原理如圖3所示，鎮(zhèn)流電路的工作特性曲線如圖4所示。

　　在圖2所示的電路中，燈管上的工作電壓加上鎮(zhèn)流元件上的電壓等于電源供電電壓，最終可以使氣體放電燈穩(wěn)定工作。在圖2所示的電路中，燈功率可以按下式計(jì)算：

　　P=IVα                    （1）

　　式中的α表示燈發(fā)光系數(shù)，它和燈管的工作電壓和工作電流有關(guān)，對(duì)電感鎮(zhèn)流器，α可以取0.8，對(duì)高頻電子鎮(zhèn)流器，α可以取0.99。

　　在燈電路穩(wěn)定工作期間，燈管上的電壓是穩(wěn)定的，所以燈功率主要取決于燈電流的大小，而燈電流的大小和鎮(zhèn)流元件的阻抗和電源供電電壓的高低有關(guān)，并且供電頻率對(duì)熒光燈的工作也有影響，如圖5和圖6所示。例如對(duì)電感鎮(zhèn)流，鎮(zhèn)流電感的阻抗Z_L=2πfL，電感鎮(zhèn)流器的電感量和它的繞組匝數(shù)和鐵心的尺寸有關(guān)，所以當(dāng)電源供電頻率較高時(shí)，鎮(zhèn)流電感的體積也會(huì)小些。這就是采用高頻交流電子鎮(zhèn)流電路后，鎮(zhèn)流電感的體積和尺寸會(huì)很小的原因。{{分頁(yè)}}

　　目前，世界上一些著名的大專(zhuān)院校、科研院所、公司都投入了較大的力量進(jìn)行高頻交流電子鎮(zhèn)流器的科研開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)。如美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)功率電子研究中心（VPEC）李澤元教授領(lǐng)導(dǎo)的科研中心每年都有相關(guān)論文和實(shí)驗(yàn)報(bào)告在IEEE功率電子學(xué)學(xué)刊刊出，并提出了如高頻能量反饋、采用電荷泵功率因數(shù)校正的電子鎮(zhèn)流器等概念，美國(guó)加州理工大學(xué)（UCT）的S.CUK教授關(guān)于單級(jí)高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器，一種用于緊湊型熒光燈的E類(lèi)電子鎮(zhèn)流器，西班牙、巴西、我國(guó)臺(tái)灣和香港地區(qū)的一些著名高等院校、科研院所、公司都投入了一些高水平的科研人員、實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行科研開(kāi)發(fā)。同時(shí)，國(guó)內(nèi)一些著名科研院所、大學(xué)等都投入了較大力量進(jìn)行科研開(kāi)發(fā)。這一點(diǎn)可從國(guó)內(nèi)相關(guān)科技文獻(xiàn)看出。但是勿容置疑的是我國(guó)是世界上電子鎮(zhèn)流器的一個(gè)生產(chǎn)大國(guó)，有較多的公司、企業(yè)從事這種“綠色電光源”產(chǎn)品的生產(chǎn)。特別是自20世紀(jì)80年代末、90年代初，IEC928（1990）、GB15143（1994）《管形熒光燈用交流電子鎮(zhèn)流器一般要求和安全要求》及IEC929（1990）、GB/T15144《管形熒光燈用交流電子鎮(zhèn)流器的性能要求》等技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相繼頒布與實(shí)施，使交流電子鎮(zhèn)流器的研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)有了統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范。

　　由于高頻交流電子鎮(zhèn)流器要求體積小、造價(jià)低，并且對(duì)電磁輻射干擾、輸入功率因數(shù)、波峰因數(shù)、可靠性等技術(shù)指標(biāo)要求嚴(yán)格，所以要做出一個(gè)滿足高性能、低價(jià)格、體積小、低電磁輻射干擾、使用安全可靠等要求的高頻交流電子鎮(zhèn)流器并非易事，所以往往讓人感到，看似簡(jiǎn)單的一個(gè)電子產(chǎn)品，但是技術(shù)含量很高，是一個(gè)涉及電路拓?fù)洹⒏哳l電子變換、諧振開(kāi)關(guān)（ZVS、ZCS）、LC串、并聯(lián)諧振、功率因數(shù)校正（PFC）、電磁干擾抑制（EMC、EMI）、信號(hào)傳感、采集和控制、電子元器件、電光源器件等電力電子技術(shù)方方面面的電子產(chǎn)品。同時(shí)，如何測(cè)量高頻交流電子鎮(zhèn)流器的技術(shù)參數(shù)，如功率、高頻諧波成分、效率、電磁輻射干擾（EMI），也是高頻交流電子鎮(zhèn)流器的研究熱點(diǎn)。

　　實(shí)踐證明，要做出一只高性能的高頻交流電子鎮(zhèn)流器，還需對(duì)它的燈負(fù)載技術(shù)特性、燈負(fù)載對(duì)電源的技術(shù)要求有所了解，否則要做出一只高性能的高頻交流電子鎮(zhèn)流器也是件不現(xiàn)實(shí)的事。

2、  熒光燈50Hz交流市電供電時(shí)的發(fā)光閃爍和發(fā)光條紋現(xiàn)象

　　由于交流市電供電的過(guò)零會(huì)使熒光燈在工作過(guò)程中出現(xiàn)發(fā)光“閃爍”效應(yīng)，相對(duì)于50Hz的交流市電供電，“閃爍”效應(yīng)的頻率為100Hz，當(dāng)然“閃頻”效果和熒光燈所使用的熒光粉的“余輝”時(shí)間大小有關(guān)，“余輝”時(shí)間大的熒光粉“閃頻”效應(yīng)會(huì)弱些。同樣如果供電頻率增加，“閃頻”效應(yīng)會(huì)弱些，所以采用高頻電子鎮(zhèn)流對(duì)改善熒光燈的發(fā)光“閃頻”效應(yīng)會(huì)有幫助。熒光燈在50Hz交流市電供電時(shí)的“閃頻”效應(yīng)如圖5所示。

3、  熒光燈的供電頻率與燈發(fā)光效率之間的關(guān)系

　　氣體放電燈在交流供電情況下工作時(shí)，氣體或金屬蒸氣放電的特性取決于交流電的頻率和鎮(zhèn)流元件的類(lèi)型。氣體放電燈在交流50Hz/60Hz供電時(shí)，燈的阻抗在整個(gè)交流供電周期內(nèi)一直不停地變化，從而導(dǎo)致了燈的非正弦的電壓和電流波形，產(chǎn)生了諧波成分。當(dāng)氣體放電燈的工作頻率大約為1kHz時(shí)，燈內(nèi)的電離狀態(tài)不再隨著燈的工作電流而迅速變化，從而在整個(gè)工作周內(nèi)形成幾乎恒定的等離子體密度和燈阻抗，這時(shí)燈的V-I特性趨于線性，燈電流波形失真隨之降低，燈的工作頻率與50Hz供電時(shí)的燈發(fā)光效率對(duì)比曲線如圖6所示。

　　從圖6可以看出，當(dāng)氣體放電燈的交流供電頻率大于20kHz時(shí)，熒光燈的發(fā)光效率比50Hz交流供電時(shí)熒光燈的發(fā)光效率η值高，據(jù)統(tǒng)計(jì)可以提高10%~20%，同時(shí)熒光燈工作在高頻交流供電狀態(tài)時(shí)，可以有效地克服熒光燈的發(fā)光閃爍現(xiàn)象。這也是高頻交流電子鎮(zhèn)流器相對(duì)于電感鎮(zhèn)流器的優(yōu)點(diǎn)之一。{{分頁(yè)}}

　　由于高頻交流電子鎮(zhèn)流器采用高頻開(kāi)關(guān)電子變換電路的方法實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)流，具有無(wú)頻閃、效率高、體積小、質(zhì)量輕、可調(diào)光、不使用大量銅材和硅鋼材料等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以自20世紀(jì)70年代以來(lái)，高頻交流電子鎮(zhèn)流器一經(jīng)問(wèn)世，就受到了廣大用戶(hù)的歡迎。

4、  電子鎮(zhèn)流器的主要功能

　　熒光燈的工作性能在很大程度上與相配套工作的電子鎮(zhèn)流器性能有關(guān)，在使用中應(yīng)使熒光燈的工作性能和電子鎮(zhèn)流器的工作性能相匹配（如燈阻抗和燈的工作特性），以使熒光燈能工作在最佳狀態(tài)，使用中電子鎮(zhèn)流器應(yīng)滿足以下功能要求：

①     能夠限制和穩(wěn)定熒光燈的工作電流。

②     在交流市電過(guò)零時(shí)，也能正常工作。

③     應(yīng)能為燈的點(diǎn)火提供所需的點(diǎn)火電壓。

④     在燈點(diǎn)火工作期間，應(yīng)能控制燈點(diǎn)火能量，使燈電極被適當(dāng)預(yù)熱，并確保燈絲電極保持正常工作溫度。

　　當(dāng)然電子鎮(zhèn)流電路的體積小、工作壽命長(zhǎng)和低功耗也是很重要的技術(shù)要求。

　　同時(shí)電子鎮(zhèn)流器也應(yīng)具備以下控制功能：

①     有高的功率因數(shù)。

②     能限制交流輸入市電的總諧波失真（THD）。

③     能限制燈電路的短路工作電流或避免由于燈電極電流過(guò)大而熱過(guò)載。

④     能有效地抑制電磁輻射干擾，避免它干擾相鄰電子設(shè)備的正常工作。

⑤     當(dāng)燈電路不能正常點(diǎn)火時(shí)能自動(dòng)關(guān)斷燈電路，這對(duì)電子鎮(zhèn)流器電路是比較重要的。

⑥     在交流市電供電電壓變化時(shí)，能穩(wěn)定燈的工作電壓、電流和功率。

　　以上幾項(xiàng)基本要求，在電子鎮(zhèn)流器產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB15143（IEC928）和GB/T15144（IEC929）中都有明確的規(guī)定。它們對(duì)熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器的性能和安全要求是設(shè)計(jì)和生產(chǎn)電子鎮(zhèn)流器的指南，是電子鎮(zhèn)流器必須具有和達(dá)到的基本技術(shù)條件。{{分頁(yè)}}

5、  照明裝置的分類(lèi)與安全性

（1）       照明裝置的分類(lèi)

　　根據(jù)照明裝置所涉及到的有關(guān)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)，照明裝置可以分為以下三大類(lèi)（它們?cè)陔娮渔?zhèn)流器電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中需引起注意）。

①     照明裝置提供的抗電擊安全保護(hù)特性。

②     抗外界物體進(jìn)入照明裝置的特性（例如防灰塵、防潮特性）。

③     照明裝置的安裝表在抗燃特性。

（2）       照明裝置的安全性

　　IEC對(duì)照明裝置的安全性分為四類(lèi)，分別如下：

　　0類(lèi)——表示符號(hào)為□。

　　這類(lèi)照明裝置是電絕緣的，沒(méi)有接地，裝置的外殼可以由絕緣材料制成，從而部分或整體形成照明裝置的絕緣功能，這類(lèi)照明裝置的外殼也可以由金屬材料做成，但是其中的電路帶電部件需和外殼絕緣，對(duì)0類(lèi)照明裝置可以對(duì)其中的帶電部件實(shí)行強(qiáng)制性絕緣或雙絕緣的考慮。

　　1類(lèi)——表示符號(hào)為。

　　對(duì)1類(lèi)照明裝置，除了被電絕緣的元件外，同時(shí)也提供了接地（用符號(hào)（  ）表示），并且這個(gè)接地部分對(duì)照明裝置的外露金屬部件進(jìn)行了連接，以確保外露金屬部件在帶電的情況下能實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。

　　對(duì)照明的供電接線端子也應(yīng)同時(shí)提供接地端子。

　　2類(lèi)——表示符號(hào)為。

　　對(duì)2類(lèi)照明裝置的外露金屬部件應(yīng)確保不帶電，這既可以通過(guò)雙重絕緣也可以通過(guò)接地的方法實(shí)現(xiàn)。

　　3類(lèi)——表示符號(hào)為。

　　這類(lèi)照明裝置對(duì)極低電壓供電應(yīng)用時(shí)也應(yīng)能確保安全工作，不會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成危害，最常用的應(yīng)用情況就是低交流市電供電的應(yīng)用場(chǎng)合（如42V），對(duì)這類(lèi)照明裝置可以不用提供接地保護(hù)。{{分頁(yè)}}

　　為了確保電子產(chǎn)品的安全性，在歐洲國(guó)家范圍有一種叫CE的認(rèn)證，CE是“Conformit