电子镇流器的工作原理

电子镇流器的工作原理

1、 气体放电灯的负阻特性

由于气体放电灯（如荧光灯、霓虹灯、金卤灯等）是一种具有如图1所示V-I特性的负阻性电光源，即为负值，从图1可以看出，当灯电流上升时，灯管的工作电压下降，但是供电电压不会下降，多出的这点电压加到灯管后会使灯电流进一步上升，如此循环，最终烧坏灯管或灯管熄灭，所以要使灯管正常工作，应配以如图2所示的镇流元件，用以限制和稳定灯电流。这个限流装置叫做镇流器。目前气体放电灯常用的镇流器有两种：电感式镇流器和高频交流电子镇流器。由于电感式镇流器工作在工频市电频率，体积大、笨重，还需消耗大量铜和硅钢等金属材料，散热困难、工作效率低、灯发光有频闪，所以现在一些电光源界的科技工作者纷纷寻找新的镇流方法，而高频交流电子镇流器就是一种有效方法。镇流原理如图3所示，镇流电路的工作特性曲线如图4所示。

在图2所示的电路中，灯管上的工作电压加上镇流元件上的电压等于电源供电电压，最终可以使气体放电灯稳定工作。在图2所示的电路中，灯功率可以按下式计算：

P=IVα （1）

式中的α表示灯发光系数，它和灯管的工作电压和工作电流有关，对电感镇流器，α可以取0.8，对高频电子镇流器，α可以取0.99。

在灯电路稳定工作期间，灯管上的电压是稳定的，所以灯功率主要取决于灯电流的大小，而灯电流的大小和镇流元件的阻抗和电源供电电压的高低有关，并且供电频率对荧光灯的工作也有影响，如图5和图6所示。例如对电感镇流，镇流电感的阻抗Z_L=2πfL，电感镇流器的电感量和它的绕组匝数和铁心的尺寸有关，所以当电源供电频率较高时，镇流电感的体积也会小些。这就是采用高频交流电子镇流电路后，镇流电感的体积和尺寸会很小的原因。

目前，世界上一些著名的大专院校、科研院所、公司都投入了较大的力量进行高频交流电子镇流器的科研开发、生产。如美国弗吉尼亚大学功率电子研究中心（VPEC）李泽元教授领导的科研中心每年都有相关论文和实验报告在IEEE功率电子学学刊刊出，并提出了如高频能量反馈、采用电荷泵功率因数校正的电子镇流器等概念，美国加州理工大学（UCT）的S.CUK教授关于单级高功率因数电子镇流器，一种用于紧凑型荧光灯的E类电子镇流器，西班牙、巴西、我国台湾和香港地区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员、实验室进行科研开发。同时，国内一些著名科研院所、大学等都投入了较大力量进行科研开发。这一点可从国内相关科技文献看出。但是勿容置疑的是我国是世界上电子镇流器的一个生产大国，有较多的公司、企业从事这种“绿色电光源”产品的生产。特别是自20世纪80年代末、90年代初，IEC928（1990）、GB15143（1994）《管形荧光灯用交流电子镇流器一般要求和安全要求》及IEC929（1990）、GB/T15144《管形荧光灯用交流电子镇流器的性能要求》等技术标准相继颁布与实施，使交流电子镇流器的研究、开发、生产有了统一技术规范。

由于高频交流电子镇流器要求体积小、造价低，并且对电磁辐射干扰、输入功率因数、波峰因数、可靠性等技术指标要求严格，所以要做出一个满足高性能、低价格、体积小、低电磁辐射干扰、使用安全可靠等要求的高频交流电子镇流器并非易事，所以往往让人感到，看似简单的一个电子产品，但是技术含量很高，是一个涉及电路拓扑、高频电子变换、谐振开关（ZVS、ZCS）、LC串、并联谐振、功率因数校正（PFC）、电磁干扰抑制（EMC、EMI）、信号传感、采集和控制、电子元器件、电光源器件等电力电子技术方方面面的电子产品。同时，如何测量高频交流电子镇流器的技术参数，如功率、高频谐波成分、效率、电磁辐射干扰（EMI），也是高频交流电子镇流器的研究热点。

实践证明，要做出一只高性能的高频交流电子镇流器，还需对它的灯负载技术特性、灯负载对电源的技术要求有所了解，否则要做出一只高性能的高频交流电子镇流器也是件不现实的事。

2、 荧光灯50Hz交流市电供电时的发光闪烁和发光条纹现象

由于交流市电供电的过零会使荧光灯在工作过程中出现发光“闪烁”效应，相对于50Hz的交流市电供电，“闪烁”效应的频率为100Hz，当然“闪频”效果和荧光灯所使用的荧光粉的“余辉”时间大小有关，“余辉”时间大的荧光粉“闪频”效应会弱些。同样如果供电频率增加，“闪频”效应会弱些，所以采用高频电子镇流对改善荧光灯的发光“闪频”效应会有帮助。荧光灯在50Hz交流市电供电时的“闪频”效应如图5所示。

3、 荧光灯的供电频率与灯发光效率之间的关系

气体放电灯在交流供电情况下工作时，气体或金属蒸气放电的特性取决于交流电的频率和镇流元件的类型。气体放电灯在交流50Hz/60Hz供电时，灯的阻抗在整个交流供电周期内一直不停地变化，从而导致了灯的非正弦的电压和电流波形，产生了谐波成分。当气体放电灯的工作频率大约为1kHz时，灯内的电离状态不再随着灯的工作电流而迅速变化，从而在整个工作周内形成几乎恒定的等离子体密度和灯阻抗，这时灯的V-I特性趋于线性，灯电流波形失真随之降低，灯的工作频率与50Hz供电时的灯发光效率对比曲线如图6所示。

从图6可以看出，当气体放电灯的交流供电频率大于20kHz时，荧光灯的发光效率比50Hz交流供电时荧光灯的发光效率η值高，据统计可以提高10%~20%，同时荧光灯工作在高频交流供电状态时，可以有效地克服荧光灯的发光闪烁现象。这也是高频交流电子镇流器相对于电感镇流器的优点之一。

由于高频交流电子镇流器采用高频开关电子变换电路的方法实现镇流，具有无频闪、效率高、体积小、质量轻、可调光、不使用大量铜材和硅钢材料等一系列优点，所以自20世纪70年代以来，高频交流电子镇流器一经问世，就受到了广大用户的欢迎。

4、 电子镇流器的主要功能

荧光灯的工作性能在很大程度上与相配套工作的电子镇流器性能有关，在使用中应使荧光灯的工作性能和电子镇流器的工作性能相匹配（如灯阻抗和灯的工作特性），以使荧光灯能工作在最佳状态，使用中电子镇流器应满足以下功能要求：

① 能够限制和稳定荧光灯的工作电流。

② 在交流市电过零时，也能正常工作。

③ 应能为灯的点火提供所需的点火电压。

④ 在灯点火工作期间，应能控制灯点火能量，使灯电极被适当预热，并确保灯丝电极保持正常工作温度。

当然电子镇流电路的体积小、工作寿命长和低功耗也是很重要的技术要求。

同时电子镇流器也应具备以下控制功能：

① 有高的功率因数。

② 能限制交流输入市电的总谐波失真（THD）。

③ 能限制灯电路的短路工作电流或避免由于灯电极电流过大而热过载。

④ 能有效地抑制电磁辐射干扰，避免它干扰相邻电子设备的正常工作。

⑤ 当灯电路不能正常点火时能自动关断灯电路，这对电子镇流器电路是比较重要的。

⑥ 在交流市电供电电压变化时，能稳定灯的工作电压、电流和功率。

以上几项基本要求，在电子镇流器产品标准GB15143（IEC928）和GB/T15144（IEC929）中都有明确的规定。它们对荧光灯交流电子镇流器的性能和安全要求是设计和生产电子镇流器的指南，是电子镇流器必须具有和达到的基本技术条件。

5、 照明装置的分类与安全性

（1） 照明装置的分类

根据照明装置所涉及到的有关设计和结构，照明装置可以分为以下三大类（它们在电子镇流器电路的设计过程中需引起注意）。

① 照明装置提供的抗电击安全保护特性。

② 抗外界物体进入照明装置的特性（例如防灰尘、防潮特性）。

③ 照明装置的安装表在抗燃特性。

（2） 照明装置的安全性

IEC对照明装置的安全性分为四类，分别如下：

0类——表示符号为□。

这类照明装置是电绝缘的，没有接地，装置的外壳可以由绝缘材料制成，从而部分或整体形成照明装置的绝缘功能，这类照明装置的外壳也可以由金属材料做成，但是其中的电路带电部件需和外壳绝缘，对0类照明装置可以对其中的带电部件实行强制性绝缘或双绝缘的考虑。

1类——表示符号为。

对1类照明装置，除了被电绝缘的元件外，同时也提供了接地（用符号（ ）表示），并且这个接地部分对照明装置的外露金属部件进行了连接，以确保外露金属部件在带电的情况下能实现保护功能。

对照明的供电接线端子也应同时提供接地端子。

2类——表示符号为。

对2类照明装置的外露金属部件应确保不带电，这既可以通过双重绝缘也可以通过接地的方法实现。

3类——表示符号为。

这类照明装置对极低电压供电应用时也应能确保安全工作，不会对周围环境造成危害，最常用的应用情况就是低交流市电供电的应用场合（如42V），对这类照明装置可以不用提供接地保护。

为了确保电子产品的安全性，在欧洲国家范围有一种叫CE的认证，CE是“Conformité Europeenné”的缩写，表示在欧洲国家范围内流通产品一致性的最基本的要求，以确保市场监控部门有效地监控有关产品的性能指标。电光源产品要受到电磁兼容（EMC）和低电压电子产品监控部门的监控，CE主要针对与电子产品的安全性有关的内容。

电光源产品在投入市场应满足有关安全性、EMC和电性能的有关技术标准要求，并应通过有关技术认证部门的技术认证。

根据IEC的要求，照明装置的供电电压应在额定供电电压的-8%~+6%范围内变化。如果电源供电电压范围变化过大，则会产生以下几种结果：

① 如果照明装置的供电电压过低，则会

·降低电光源的光输出；

·色漂移；

·在极端情况下产生照明装置的点火困难。

② 如果照明装置的供电电压过高，则会

·降低电光源的使用寿命；

·降低照明控制装置的使用寿命；

·色漂移；

·功耗增加；

·在极端情况下会产生安全问题。

对电子镇流器的工作可靠性而言，每5000h的失效率应不大于1%，对日常用的电子镇流器6000h应不大于1%，不工作时间不大于2500ppm¹⁾，典型值为1000ppm。