電子鎮流器的工作原理

1、 氣體放電燈的負阻特性

　　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特性的負阻性電光源，即為負值，從圖1可以看出，當燈電流上升時(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，應配以如圖2所示的鎮流元件，用以限制和穩定燈電流。這個(gè)限流裝置叫做鎮流器。目前氣體放電燈常用的鎮流器有兩種：電感式鎮流器和高頻交流電子鎮流器。由于電感式鎮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，所以現在一些電光源界的科技工作者紛紛尋找新的鎮流方法，而高頻交流電子鎮流器就是一種有效方法。鎮流原理如圖3所示，鎮流電路的工作特性曲線(xiàn)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定工作。在圖2所示的電路中，燈功率可以按下式計算：

　　P=IVα                    （1）

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

　　在燈電路穩定工作期間，燈管上的電壓是穩定的，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)，并且供電頻率對熒光燈的工作也有影響，如圖5和圖6所示。例如對電感鎮流，鎮流電感的阻抗Z_L=2πfL，電感鎮流器的電感量和它的繞組匝數和鐵心的尺寸有關(guān)，所以當電源供電頻率較高時(shí)，鎮流電感的體積也會(huì )小些。這就是采用高頻交流電子鎮流電路后，鎮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(zhù)名的大專(zhuān)院校、科研院所、公司都投入了較大的力量進(jìn)行高頻交流電子鎮流器的科研開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)。如美國弗吉尼亞大學(xué)功率電子研究中心（VPEC）李澤元教授領(lǐng)導的科研中心每年都有相關(guān)論文和實(shí)驗報告在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校正的電子鎮流器等概念，美國加州理工大學(xué)（UCT）的S.CUK教授關(guān)于單級高功率因數電子鎮流器，一種用于緊湊型熒光燈的E類(lèi)電子鎮流器，西班牙、巴西、我國臺灣和香港地區的一些著(zhù)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)驗室進(jìn)行科研開(kāi)發(fā)。同時(shí)，國內一些著(zhù)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)可從國內相關(guān)科技文獻看出。但是勿容置疑的是我國是世界上電子鎮流器的一個(gè)生產(chǎn)大國，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80年代末、90年代初，IEC928（1990）、GB15143（1994）《管形熒光燈用交流電子鎮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流器的性能要求》等技術(shù)標準相繼頒布與實(shí)施，使交流電子鎮流器的研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)有了統一技術(shù)規范。

　　由于高頻交流電子鎮流器要求體積小、造價(jià)低，并且對電磁輻射干擾、輸入功率因數、波峰因數、可靠性等技術(shù)指標要求嚴格，所以要做出一個(gè)滿(mǎn)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)涉及電路拓撲、高頻電子變換、諧振開(kāi)關(guān)（ZVS、ZCS）、LC串、并聯(lián)諧振、功率因數校正（PFC）、電磁干擾抑制（EMC、EMI）、信號傳感、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)，如何測量高頻交流電子鎮流器的技術(shù)參數，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流器，還需對它的燈負載技術(shù)特性、燈負載對電源的技術(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流器也是件不現實(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)程中出現發(fā)光“閃爍”效應，相對于50Hz的交流市電供電，“閃爍”效應的頻率為100Hz，當然“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”效應會(huì )弱些。同樣如果供電頻率增加，“閃頻”效應會(huì )弱些，所以采用高頻電子鎮流對改善熒光燈的發(fā)光“閃頻”效應會(huì )有幫助。熒光燈在50Hz交流市電供電時(shí)的“閃頻”效應如圖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)交流供電周期內一直不停地變化，從而導致了燈的非正弦的電壓和電流波形，產(chǎn)生了諧波成分。當氣體放電燈的工作頻率大約為1kHz時(shí)，燈內的電離狀態(tài)不再隨著(zhù)燈的工作電流而迅速變化，從而在整個(gè)工作周內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(xiàn)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)光效率對比曲線(xiàn)如圖6所示。

　　從圖6可以看出，當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，據統計可以提高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)光閃爍現象。這也是高頻交流電子鎮流器相對于電感鎮流器的優(yōu)點(diǎn)之一。{{分頁(yè)}}

　　由于高頻交流電子鎮流器采用高頻開(kāi)關(guān)電子變換電路的方法實(shí)現鎮流，具有無(wú)頻閃、效率高、體積小、質(zhì)量輕、可調光、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70年代以來(lái)，高頻交流電子鎮流器一經(jīng)問(wèn)世，就受到了廣大用戶(hù)的歡迎。

4、  電子鎮流器的主要功能

　　熒光燈的工作性能在很大程度上與相配套工作的電子鎮流器性能有關(guān)，在使用中應使熒光燈的工作性能和電子鎮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)，使用中電子鎮流器應滿(mǎn)足以下功能要求：

①     能夠限制和穩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，應能控制燈點(diǎn)火能量，使燈電極被適當預熱，并確保燈絲電極保持正常工作溫度。

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

　　同時(shí)電子鎮流器也應具備以下控制功能：

①     有高的功率因數。

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備的正常工作。

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

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

　　以上幾項基本要求，在電子鎮流器產(chǎn)品標準GB15143（IEC928）和GB/T15144（IEC929）中都有明確的規定。它們對熒光燈交流電子鎮流器的性能和安全要求是設計和生產(chǎn)電子鎮流器的指南，是電子鎮流器必須具有和達到的基本技術(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)

　　根據照明裝置所涉及到的有關(guān)設計和結構，照明裝置可以分為以下三大類(lèi)（它們在電子鎮流器電路的設計過(guò)程中需引起注意）。

①     照明裝置提供的抗電擊安全保護特性。

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對照明裝置的安全性分為四類(lèi)，分別如下：

　　0類(lèi)——表示符號為□。

　　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0類(lèi)照明裝置可以對其中的帶電部件實(shí)行強制性絕緣或雙絕緣的考慮。

　　1類(lèi)——表示符號為。

　　對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（  ）表示），并且這個(gè)接地部分對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)現保護功能。

　　對照明的供電接線(xiàn)端子也應同時(shí)提供接地端子。

　　2類(lèi)——表示符號為。

　　對2類(lèi)照明裝置的外露金屬部件應確保不帶電，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。

　　3類(lèi)——表示符號為。

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

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