電子鎮(zhèn)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，燈管的工作電壓下降，但是供電電壓不會下降，多出的這點電壓加到燈管后會使燈電流進一步上升，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)，對電感鎮(zhèn)流器，α可以取0.8，對高頻電子鎮(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)，并且供電頻率對熒光燈的工作也有影響，如圖5和圖6所示。例如對電感鎮(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)，所以當電源供電頻率較高時，鎮(zhèn)流電感的體積也會小些。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很小的原因。{{分頁}}

　　目前，世界上一些著名的大專院校、科研院所、公司都投入了較大的力量進行高頻交流電子鎮(zhèn)流器的科研開發(fā)、生產(chǎn)。如美國弗吉尼亞大學功率電子研究中心（VPEC）李澤元教授領(lǐng)導的科研中心每年都有相關(guān)論文和實驗報告在IEEE功率電子學學刊刊出，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，美國加州理工大學（UCT）的S.CUK教授關(guān)于單級高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器，一種用于緊湊型熒光燈的E類電子鎮(zhèn)流器，西班牙、巴西、我國臺灣和香港地區(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、實驗室進行科研開發(fā)。同時，國內(nèi)一些著名科研院所、大學等都投入了較大力量進行科研開發(fā)。這一點可從國內(nèi)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(zhèn)流器的一個生產(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(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)標準相繼頒布與實施，使交流電子鎮(zhèn)流器的研究、開發(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、造價低，并且對電磁輻射干擾、輸入功率因數(shù)、波峰因數(shù)、可靠性等技術(shù)指標要求嚴格，所以要做出一個滿足高性能、低價格、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，看似簡單的一個電子產(chǎn)品，但是技術(shù)含量很高，是一個涉及電路拓撲、高頻電子變換、諧振開關(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，如何測量高頻交流電子鎮(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。

　　實踐證明，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(zhèn)流器也是件不現(xiàn)實的事。

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

　　由于交流市電供電的過零會使熒光燈在工作過程中出現(xiàn)發(fā)光“閃爍”效應(yīng)，相對于50Hz的交流市電供電，“閃爍”效應(yīng)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”時間大小有關(guān)，“余輝”時間大的熒光粉“閃頻”效應(yīng)會弱些。同樣如果供電頻率增加，“閃頻”效應(yīng)會弱些，所以采用高頻電子鎮(zhèn)流對改善熒光燈的發(fā)光“閃頻”效應(yīng)會有幫助。熒光燈在50Hz交流市電供電時的“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，氣體或金屬蒸氣放電的特性取決于交流電的頻率和鎮(zhèn)流元件的類型。氣體放電燈在交流50Hz/60Hz供電時，燈的阻抗在整個交流供電周期內(nèi)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，燈內(nèi)的電離狀態(tài)不再隨著燈的工作電流而迅速變化，從而在整個工作周內(nèi)形成幾乎恒定的等離子體密度和燈阻抗，這時燈的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供電時的燈發(fā)光效率對比曲線如圖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，熒光燈的發(fā)光效率比50Hz交流供電時熒光燈的發(fā)光效率η值高，據(jù)統(tǒng)計可以提高10%~20%，同時熒光燈工作在高頻交流供電狀態(tài)時，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)流器相對于電感鎮(zhèn)流器的優(yōu)點之一。{{分頁}}

　　由于高頻交流電子鎮(zhèn)流器采用高頻開關(guān)電子變換電路的方法實現(xiàn)鎮(zhèn)流，具有無頻閃、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，所以自20世紀70年代以來，高頻交流電子鎮(zhèn)流器一經(jīng)問世，就受到了廣大用戶的歡迎。

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     在交流市電過零時，也能正常工作。

③     應(yīng)能為燈的點火提供所需的點火電壓。

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

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

　　同時電子鎮(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大而熱過載。

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     當燈電路不能正常點火時能自動關(guān)斷燈電路，這對電子鎮(zhèn)流器電路是比較重要的。

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

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

5、  照明裝置的分類與安全性

（1）       照明裝置的分類

　　根據(jù)照明裝置所涉及到的有關(guān)設(shè)計和結(jié)構(gòu)，照明裝置可以分為以下三大類（它們在電子鎮(zhèn)流器電路的設(shè)計過程中需引起注意）。

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，分別如下：

　　0類——表示符號為□。

　　這類照明裝置是電絕緣的，沒有接地，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類照明裝置可以對其中的帶電部件實行強制性絕緣或雙絕緣的考慮。

　　1類——表示符號為。

　　對1類照明裝置，除了被電絕緣的元件外，同時也提供了接地（用符號（  ）表示），并且這個接地部分對照明裝置的外露金屬部件進行了連接，以確保外露金屬部件在帶電的情況下能實現(xiàn)保護功能。

　　對照明的供電接線端子也應(yīng)同時提供接地端子。

　　2類——表示符號為。

　　對2類照明裝置的外露金屬部件應(yīng)確保不帶電，這既可以通過雙重絕緣也可以通過接地的方法實現(xiàn)。

　　3類——表示符號為。

　　這類照明裝置對極低電壓供電應(yīng)用時也應(yīng)能確保安全工作，不會對周圍環(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)用場合（如42V），對這類照明裝置可以不用提供接地保護。{{分頁}}

　　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