HID燈和電子鎮流器間的接口設計

1 HID 電光源概述

HID 照明系統由HID 電光源、驅動(dòng)電源( 鎮流器) 和燈具三部分構成，其中核心是光源。鎮流器和燈具的設計方向總是圍繞如何讓光源達到最佳的照明效果來(lái)擴展的。目前，根據發(fā)光物質(zhì)的差別，HID 電光源分三大類(lèi)，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 燈主要應用于戶(hù)外照明，但是由于它的光效較低，HPL 現在已逐漸被HPS 燈取代。雖然LED 路燈概念初步付諸了實(shí)踐，但是戶(hù)外照明中性?xún)r(jià)比最高的依然是傳統電感式鎮流器驅動(dòng)的HPS燈。HPS 的初始光效可以達到100lm /W 以上，并且可以實(shí)現20% 的調光，非常適合于照明節能，這都是HPS 的主要優(yōu)點(diǎn)。但是HPS 的顯色指數( 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(lèi)櫥窗里很有用武之地。

光效和顯色指數這兩個(gè)指標，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(cháng)期工作后的色溫穩定性好，CDM 放電管壁材料采用PCA，對鹵鹽的腐蝕性耐力較強，從而避免了QMH 放電管在某些狀態(tài)下爆炸的危險。同等功率的CDM 同QMH 相比( 如70W) ，顯色指數和光效都提高了10 多個(gè)點(diǎn)，預期壽命是QMH 的1. 5 倍左右。并且，可以被調光到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、可調光的CDM 燈將成為戶(hù)外照明的新生力量。

HID 燈初始光效是指燈在連續工作100 小時(shí)之后所測得的光效，它的高低由燈自身特性決定，同鎮流器性能基本無(wú)關(guān)。但是，HID 燈長(cháng)期工作的時(shí)效性—流明( 光效) 維持率和CRI 穩定性，卻極大地受驅動(dòng)鎮流器性能的影響。由于照明系統的核心是電光源，所以在保證安全和滿(mǎn)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，是鎮流器優(yōu)化設計的基本準則。拋開(kāi)鎮流器的市場(chǎng)因素不說(shuō)，如果只從照明系統的性能角度出發(fā)，評估電子鎮流器質(zhì)量?jì)?yōu)劣的最重要指標就是燈—鎮流器接口性能( Lamp Driver Interaction or Interface-LDI) 的好壞。LDI 是一個(gè)綜合指標，首先它根據燈的工作特性，要求鎮流器有適合的參數匹配，以便給燈提供最佳的驅動(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)下鎮流器都有很好的可靠性。HID 鎮流器和燈的匹配性及鎮流器自身的可靠性是本文討論的核心。

2 HID 燈和電子鎮流器間接口性能指標(LDI)

HID 燈的工作是一個(gè)復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(cháng)期穩定高效地工作，必須對燈電壓、燈電流和燈功率的大小、形狀、頻率、諧波含量等電學(xué)參數提出規范化的要求，而HID 電子鎮流器線(xiàn)路拓撲不斷發(fā)展及控制方法不斷完善的目的也就是為了更好地達到這些規范化的要求。HID 燈的各個(gè)工作階段直接關(guān)聯(lián)HID 鎮流器的設計，它們分別是:

(1) 放電管的電流擊穿同鎮流器的點(diǎn)火尖峰電壓間的關(guān)系: 當鎮流器產(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(xiàn)之間可能會(huì )發(fā)生拉弧打火現象。另外，基于安全考慮，鎮流器的點(diǎn)火過(guò)程應該是可控的，當點(diǎn)火時(shí)間超過(guò)30 分鐘時(shí)，點(diǎn)火線(xiàn)路必須停止工作。

(2) 放電管的電壓擊穿同鎮流器開(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(chēng)為輝光放電到弧光放電的轉移( GTA) ，這就是放電管的電壓擊穿階段，該階段要求鎮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，GTA 不順暢，很難過(guò)渡到穩定的弧光放電階段，則輝光放電維持時(shí)間被拉長(cháng); 如果OCV 過(guò)大，則汞正離子對電極的轟擊太過(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(cháng)，電極物質(zhì)濺射嚴重，是HID 燈壽命縮短以及流明維持率驟減的主要原因，所以OCV 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，當燈功率達到滿(mǎn)功率時(shí)，Runup 階段完成。在CDM 燈的Runup 階段， 鎮流器最好能夠輸出大小恒定的Runup 電流，并且Runup 電流大小的設置應符合燈的規格要求。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、放電管的老化同鎮流器輸出電流波形間的關(guān)系: 金鹵燈能否穩定長(cháng)期工作，燈流明維持率的高低、使用壽命的長(cháng)短，同鎮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(cháng)金鹵燈的使用壽命。對低頻方波電流形狀的要求，又可細化為以下指標:①電流頻率應該介于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?xún)韧瓿?，以便減少換向過(guò)程中的電子復合和輝光放電; ③換流邊沿的電流過(guò)沖要小，電流峰值因數( 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。

(5) 放電管中光色穩定性同鎮流器功率控制間的關(guān)系: 隨著(zhù)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定的規律變化。HID 燈的功率控制，對于穩定光色和延長(cháng)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( 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。