（电力电子与电力传动专业论文）气体放电灯电子镇流器关键技术的研究.pdf

气体放电灯电子镇流器关键技术的研究 车前照灯的工作寿命为目的，提出了影响其寿命的两个重要因素并通过电子镇流器的 设计加以改进：第一，灯启动过程对灯阴极寿命的影响。为了避免灯长时问工作在辉 光状态或者熄灭，实现灯一次平滑启动，减少灯阴极材料的溅射，分析了电流辅助回 路和直流工作模式对灯启动的重要作用。第二，灯稳态工作时灯和周围环境的电位关 系。由于灯内金属的损失与灯电位有关系，通过电路的设计可以确保灯的电位比周围 环境的电位低，从而抑制灯内金属的损失，延长灯的使用寿命。 在上述理论分析的基础上，介绍了3 5 w 氙金属卤化物灯电子镇流器的系统设计和 实验研究。给出了主电路的设计方法和设计结果，并对主要功率器件的损耗进行了计 算，给出了整体效率的预估值，为整个电路的合理设计提供了理论的依据。随后，介 绍了系统不同的控制实现方法，包括采用传统的p w m 控制芯片u c c 3 8 0 7 ，h i d 灯专 用控制芯片u c c 2 3 0 5 以及数模混合控制芯片p i c l 6 c 7 8 1 。对它们的实现方法和控制特 性进行了详缅的分析和比较。最后，结合实验验证了电流辅助回路，直流工作模式等 关键技术对灯启动的影响，通过实验验证了理论分析的结果。给出了整个样机的稳态 实验结果：包括效率与输入电压之间的关系；灯功率与输入电压之间的关系 灯功率 与灯电压之间的关系。 本文的研究对象选择了低气压放电灯中的代表一荧光灯，高气压放电灯的代表一 金属卤化物灯以及超高压气体放电灯的代表一氙金属卤化物灯。这三种灯的放电特性 从简单到复杂，对电子镇流器的要求也是从低到高。本文以这三种灯的电子镇流器为 研究课题，对气体放电灯的基本特性、拓扑结构、建模方法、控制技术、启动技术及 灯与电子镇流器的匹配等问题进行了较为系统的研究和实验。整篇论文形成了较为完 整的理论体系。通过本课题的工作，有助于推动国内开展高性能电子镇流器的研究和 应用。 关键词：气体放电灯；荧光灯：金属卤化物灯：汽车前照灯：电子镇流器；自驱动；点火电路 启动控制 v i l l 浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t a s g r e e nl i g h t i n gp r o j e c t h a ss t a r t e di n19 9 6 ，g a s d i s c h a r g el a m p s u c ha s ： f l u o r e s c e n tl a m p s 、h i g h p r e s s u r e s o d i u m1 a m p s 、m e t a lh a l i d e l a m p s ，w h i c hp r e s e n t s r e s p e c t i v ec h a r a c t e r i s t i c ，h a v eb e e nu s e di nm a n ya p p l i c a t i o n si n c l u d i n g ：h o m el i g h t i n g , o u t d o o r l i g h t i n ga n d a u t o m o t i v el i g h t i n g h o w e v e r , t r a d i t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cb a l l a s t sf o r t h e s eg a sd i s c h a r g el a m p sc a n n o ts a t i s f yt h ed e m a n do fm o d e m l i g h t i n gs y s t e m ，d u et o t h e i rd r a w b a c ki n c l u d i n gl a r g es i z e ，h e a v yw e i g h t ，l o w p o w e rf a c t o r ，f l i c k e r , p o o rp o w e r r e g u l a t i o n a n ds e n s i t i v et o l i n e v o l t a g ed i p s a s t h en e we f f i c i e n t l i g h t i n g e l e c t r i c a l a p p l i a n c e ，e l e c t r o n i c b a l l a s ti st h ec r i t i c a li s s u ei nt h e g r e e nl i g h t i n gp r o j e c t f r o m t e c h n i q u e ，t h er e s e a r c ho f e l e c t r o n i cb a l l a s tb e l o n g s t ot h ef i e l do f p o w e re l e c t r o n i cb a l l a s t b e c a u s eo ft h er e s e a r c h o b j e c tl i m i t a t i o n ，n o tm o r ea t t e n t i o nh a db e e n 阳j dt o t h e d e v e l o p m e n t o f e l e c t r o n i c b a l l a s t w i n l t h e d e v e l o p i n g o f p o w e r e l e c t r o n i c 、s e m i c o n d u c t o r a n dc o n t r o lt e c h n i q u e ，t h et e c h n o l o g i e so fe l e c t r o n i cb a l l a s ta r ed e v e l o p i n ga tt h es a l n e t i m e t h i sd i s s e r t a t i o nc o m b i n e st h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i co f d i s c h a r g e1 a m p sa n da i m a tt h e c r i t i c a lt e c h n o l o g yo ft h e i re l e c t r o n i cb a l l a s t 。t h es t u d yo ft h i ss u b j e c ti so fi m p o r t a n t m e a n i n g i nt h e o r ya n dt h e p r o p o s e d m e t h o d sa l s oh a v e p r a c t i c a lv a l u e s a f t e rr e a d i n gal o to fr e c e n tp u b l i s h e dp a p e r s ，s e v e r a lb a s i cp r o b l e mo fe l e c t r i c b a l l a s ts u c ha sl a m pm o d e l i n g ，r e s o n a n tc o n v e r t e rt o p o l o g ya n dp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n h a v eb e e nr e v i e w e da n ds u m m a r i z e d f i r s t l y t h e n ，s o m ei m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c ss u c ha s t h es e l f - 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o s c i l l a t i n g c i r c u i ti s o b t a i n e d c o m p a r e dw i t hf r e q u e n c yd o m a i na n a l y s i sm e t h o d ， p r o p o s e dm e t h o dh a sm o r ea c c u r a c y c o n s i d e r i n gt h ep a r a s i t ec a p a c i t o ro fm o s f e t ，t h e p r o p o s e dm e t h o di s a m e n d e df u r t h e r as e l f - o s c i l l a t i n ge l e c t r o n i cb a l l a s tp r o t o t y p ef o r 3 6 wl i n e a rf l u o r e s c e n tl a m pi s d e s i g n e da n tt e s t e d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e a c c u r a c y o fa m e n d e dm e t h o di s s a t i s f y i n g ，w h i c h i s v e r y u s e f u li nt h e d e s i g n o f s e l f - o s c i l l a t i n ge l e c t r o n i cb a l l a s t b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no fb a s i cc h a r a c t e r i s t i co fg e n e r a lm e t a lh a l i d el a m p ，t h i s p a p e rs t u d yt h ec r i t i c a lt e c h n o l o g yo f i t sb a l l a s ts u c ha sb a s i c t o p o l o g y 、s t a r t - u pa n ds t e a d y c o n t r o l t e c h n o l o g y t h es p e c i f i c d e f i n i t i o no f i g n i t o rp u l s e i s p u t f o r w a r d t w o a p p r o x i m a t ee q u i v a l e n tm o d e l sa r eu s e dt oa n a l y z et h ei n f l u e n c eo fi g n i t o rc i r c u i t a n i x 气体放电灯电子镇流器关键的研究 e l e c t r o n i cb a l l a s tp r o t o t y p ef o r7 0 wm e t a lh a l i d el a m pi sd e s i g n e da n t t e s t e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h es t a r t u pp e r f o r m a n c eo fm e t a lh a l i d el a m pn o to n l yh a sr e l a t i o nw i t h i g n i t o rp u l s e s w i d t ha n dh e i g h tb u tw i t hi t s f r e q u e n c y b yd e s i g n i n gi g n i t o rc i r c u i t p r o p e r l y ，t h eg l o wd i s c h a r g ep e r i o dd u r i n gl a m ps t a r t u p c a l lb es h o r t e n e d ，r e s u l t i n gi n g o o ds t a r t u pp e r f o r m a n c e a f t e rt h ep r e v i o u sr e s e a r c ho ne l e c t r o n i cb a l l a s t ，t h i sd i s s e r t a t i o n i n v e s t i g a t e st h e b a l l a s tt e c h n i q u eo fan e w t y p eu l t r a - h i g hp r e s s u r eg a sd i s c h a r g el a m p x e o nm e t a lh a l i d e l a m p ( x m h l ) u s e di n a u t o m o t i v e h e a d l i g h ta p p l i c a t i o n t h e b a s i cf u n c t i o no fi t s e l e c t r o n i cb a l l a s ti s p r e s e n t e db a s e do nt h e i n t r o d u c t i o no fl a m pc h a r a c t e r i s t i c a f t e r a n a l y z i n g t h ed e d et e c h n o l o g yo fi t sb a l l a s t ，t w om e t h o d sa r ep r e s e n t e dt op r o l o n gt h e l a m p l i f e t h ef i r s tm e t h o di ss t a r t u pc o n t r o lt e c h n o l o g y i n c l u d i n g c u r r e n ta u x i l i a r yc i r c u i t a n dd cl i g h r i n g w i t l lt h i sm e t h o d t h el a m pw i l ln o te x t i n g u i s ho ro p e r a t ea t g l o w d i s c h a r g ef o rl o n gt i m e s ot h el a m pc a nb es t a r t e do n c ea n ds o f t l yr e s u l ti nl i t t l ed i f f u s i o n o fc a t h o d em a t e r i a l f o rt h er e a s o no fm e t a lm a t e r i a l l o s so fx e o nm e t a lh a l i d el a m p t h e s e c o n dm e t h o di st om a k et h ea v e r a g ev o l t a g eo fl a m pl o w e rt h a nt h a to f s u r r o u n d i n g b y p r o p e rd e s i g n i n g o f t h ec i r c u i t ，t h em e t a lm a t e r i a ll o s sc a nb ep r o h i b i t e d ，w h i c ha l s ol o n g e r l a m p l i f e t h ee l e c t r o n i cb a l l a s tp r o t o t y p ef o r3 5 wx m h li sd e s i g n e da n dt e s t e da tt h ee n do f t h i sd i s s e r t a t i o n n l i sp a p e rg i v e st h ed e s i g nm e t h o da n dr e s u l to fm a i nc i r c u i t t h ep o w e r t o s so f s e m i c o n d u c t o ri nt h ec i r c u i ti sc a l c u l a t e d t h e n ，t h et o t a le f f i c i e n c yo f t h ee l e c t r o n i c b a l l a s ti sd e d u c e d ，w h i c hp r o v i d e st h e o r yg u i d ei nd e s i g np r o c e d u r e t w ok i n do fc o n t r o l m e t h o di sa n a l y z e da n dc o m p a r e di nt h i sp a d e r t h ef i r s ti st ou s et r a d i t i o n a lp w m c o n t r o l l e rs u c ha su c c 3 8 0 7 、u c c 2 3 0 5 t h es e c o n di st ou s e d i g i t a l a n a l o g m i x e d c o n t r o l l e rs u c ha sp i c l 6 c 7 8 1 t e s t sa r ec a r d e do u tt os h o wt h ef u n c t i o no fp r o p o s e d c r i t i c a l t e c h n o l o g ys u c h a sa u x i l i a r yc u r r e n tc i r c u i t ，d c l i g h t i n gm o d e e x p e r i m e n t a l r e s u l t sm a n i f e s tt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d sa r ei n d i s p e n s a b l ef o rs t a r t - u ps o f t l y f i n a l l y , t h e s t e a d y s t a t e p e r f o r m a n c e s o ft h ew h o l ee l e c t r o n i cb a l l a s ta r et e s t e d i n c l u d i n g ：t h e e f f i c i e n c y v e r s u si n p u tv o l t a g e ；l a m p p o w e r v e r s u si n p u t ；l a m pp o w e rv e r s u sl a m p v o l t a g e t h er e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d i n gf l u o r e s c e n tl a m pw h i c hb e l o n g st o1 0 w p r e s s u r ed i s c h a r g el a m p ，m e t a lh a l i d el a m pw h i c hb e l o n g s t oh i g hp r e s s u r e d i s c h a r g el a m p a n dm x h lw h i c hb e l o n g st o u l t r a h i g hp r e s s u r ed i s c h a r g el a m p 1 1 1 eg a sd i s c h a r g e c h a r a c t e r i s t i co ft h el a t t e ri sm o r ec o m p l e xt h a nt h ef o r m e r , s oa st h et e c h n i q u eo ft h e i r e l e c t r o n i cb a l l a s t g i v e nt h ee l e c t r o n i cb a l l a s to ft h e s e l a m p s a sr e s e a r c h o b j e c t ， c h a r a c t e r i s t i co f g a sd i s c h a r g el a m p 、t o p o l o g y 、c o n t r o la p p r o a c h 、m o d e lm e t h o d 、s t a l l 一u p t e c h n o l o g ya n dt h ea d a p t a b l ep e r f o r m a n c eb e t w e e nl a m pa n db a l l a s th a v eb e e ns t u d i e d t h er e s e a r c hr e s u l to ft h i sd i s s e r t a t i o nc o n s t i t u t e sar e l a t i v ei n t e g r a t e dt h e o r ys y s t e m ， w h i c hi sh e l p f u lt op r o m o t et h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fh i g hp e r f o r m a n c ee l e c t r o n i c b a l l a s ti nc h i n a k e yw o r d ：g a sd i s c h a r g el a m p ；f l u o r e s c e n tl a m p ；m e t a lh a l i d el a m p ；a u t o m o t i v eh e a d l i g h tl a m p ； e l e c t r o n i cb a l l a s t ；s e l f - o s e i l i a t i o n ；i g n i t o r ；s t a r t u p ； x 浙江人学博士学位论文 致谢 在即将博士毕业、告别读书生涯之际，忘不了博士三年求学过程中的汗水和欢乐， 更难以忘怀那些曾经关怀、帮助过我的人们。 衷心感谢我的导师张仲超教授在学习和生活上给与我的关心和帮助。从硕士到博 士，我一直师从于张老师。我所取得的成绩一点一滴都来自于他的悉心指导。导师渊 博深厚的学识、严谨求是的治学态度、平易近人的学者之风、乐观豁达的人生态度， 令我深感敬佩，同时必将深深影晌我今后的学习和工作，使我受益终身。值此论文完 成之际，向导师表示我崇高的谢意和尊敬! 本论文的部分实验是在上海台达电力电子研发中心( d p e c ) 进行，在章进法博 士、应建平博士和潘琪小姐的指导和帮助下完成的。对三位的大力帮助、研发中心的 资助和支持，在此表示衷心的感谢。 感谢d p e c 照明电子组所有成员的支持和帮助( 王卿、钟嫒嫒、胡小巨，金亦青、 黄秋凯、张伟强博士) ，这个团队让我充分感受到集体的力量。 感谢同学柯忠伟、王祥成，在d p e c 共同的学习、工作和生活中，他们给了我很多 的勉励和帮助，并获得了一份难得的深厚友谊，我对他们表示衷心感谢。 感谢台达电子照明工程部翁仁基先生和周清和先生，台达美国电力电子实验室胡 跃全博士，在与他们的讨论中，得到很多启发、受益匪浅。 感谢实验室的胡长生、林平、曾雨竹、鲍建宇、刘兆粲、陈丹江、陆涛涛等师兄 弟的帮助和关心。论文部分实验装置的调试是在师妹滕妨华同学的帮助下完成的，在 调试中我们共同分析问题，讨论解决方案，我们合作的很愉快，实验样机的成功凝结 了我们的汗水和喜悦。 感谢本文的评阅和答辩委员会各位老师在百忙中对本文进行审阅、指点。 最后，感谢我的家人，感谢父母、姐姐们，他们在我求学的这么多年来对我在经 济和精神上大力支持。 还是那句老话，看者、昕者或已淡然，言者却是真诚： 谨以此文献给所有帮助、支持和关心我的老师、亲人和朋友们! 刘晨阳 2 0 0 5 春于求是园 v 浙江大学博士学位论文 第1 章绪论 摘要：从太阳，月亮，星星到篝火，蜡烛，白炽灯，荧光灯，对光的追求人类从来没有停止过。 在产生各种各样光线及各种丰富颜色的光源中，气体放电灯一通过气体放电使电能转换为光，有 着特别重要的地位。所有气体放电灯都需要特殊的工作电路一镇流器吼适应它们的特殊要求。电 子镇流器是电力电子学领域内的一个重要研究方向。本章系统地介绍了现代光湮的发展历史，目 前国内外电子镇流器的研究状况。总结电子镇流器在不同的气体放电灯中的应用，最后介绍本文 的研究意义和研究内容。 1 1 概述 1 1 1 光源的发展历史 当人类最早发现篝火能够用来取暖的时候，同时发现火也能发出光，尽管这种光 并不安全有效，而且不能持续很长时间。大约在公元前3 0 0 0 年，古希腊人和古埃及 入发明了蜡烛。这两种光有一个共同的特点即它们都是由热产生的。直到1 8 5 0 年 e d w a r d l 3 s h e p a r d ，一个英国科学家首先发明了木炭作为灯丝的白炽灯泡，但是由于 他的早期实验并不是很成功，因而很快放弃了后续研究。1 8 6 0 年，另外一个英国物 理学家s i rj o s e p h w i l s o n s w a n ，发明了世界上最早可以用于实验的白炽灯泡，他用炭 化的纸做灯丝，用电池供电。由于当时的实验条件有限，他的早期实验也没有获得成 功。与e d w a r dgs h e p a r d 一样，他也放弃了进一步的研究。1 5 年以后s w a n 又重新 对此进行研究在前面研究的基础上，他采用碳丝作为灯丝，改善了灯泡内的真空条 件，在1 8 7 8 年发鲷了世界上第一只真正的白炽灯泡比t h o m a sa e d i s o n 早一年。 t h o m a s a e d i s o n 并不是自炽灯泡的发明者，但是他成功的把白炽灯泡与电能结合起 来，使白炽灯真正成为人类可以方便使用的光源。1 2 0 多年以后，人们仍然广泛地使 用着他的这个伟大发现 a 1 0 i a 1 1 】。 在白炽灯发明几十年以后，人们找到了一种不需要靠灯丝发热产生光的灯一荧光 灯。1 9 3 8 年发明的荧光灯使人类认识到气体放电的优越性。随后发明的高压汞灯，钠 灯和金属卤索灯都是气体放电灯中的一种。历史上，在发明从密封容器中抽去部分空 气的方法后，人们就已经知道低气压下酌气体放电了。t 7 5 0 年f r a n c i sh a w k s b e e 用一 台v o ng u e r i c k 氏真空泵抽去玻璃泡中的空气，利用玻璃泡外的静电带电现象产生第一 个人造辉光放电已经载入史册。1 8 5 0 年，h e i n r i c h g i s s l e r 发现低气压气体放电能发出 该种气体的特征光谱线，从此霓虹灯广告工业和光谱学同时建立起来。2 0 世纪初，p e t e r c o o p e r _ h e w i t l 发明了一系列低压汞蒸气灯，这种灯发出汞的蓝绿色光，光谱中严重 缺乏红色。1 9 2 0 年，好几个地方几乎同时发现，通过在某个最佳压力下的汞蒸汽和压 力稍高一些的稀有气体混合中的放电，可以非常有效的把电能转换为紫外光能。但是， 根据这一原理生产出实用的商品灯还需要另外两个发明：用于把不可见的紫外光转变 为可见光的材料一涂在灯壁上的荧光粉和高效率、长寿命的电极。这两者都是在1 9 气体放电灯电子镇流器关键的研究 世纪3 0 年代后期出现的。 早期的荧光灯都是直管形状( 1 i n e a r ) ，在灯的两端有两个电极，灯内部被抽成真空 后充入少量的汞和惰性气体，并且在灯管的管壁上覆盖了荧光粉。早期的荧光灯由于 几个原因并没有得到广泛地应用：首先荧光灯发出的光颜色偏冷( 白炽灯发出的光是 暖色光) ；其次灯管本身以及相对应的灯具的体积很大。这两点导致在家用照明中一 直不能取代白炽灯，而只能用在一些商用和泛光照明。许多年以后，环形荧光灯 ( c i r c u l a r ) 的出现改变了传统直管荧光灯体积大的缺点。同时，科学家发现通过改变荧 光粉的材料可以得到与白炽灯相似的暖色光。上个世纪7 0 年代，荧光灯又取得了一个 突破性的发展，德国o s r a m 公司和荷兰p h i l i p s 公司推出了紧凑型荧光灯c f l ，使荧光 灯在家用照明中真正开始取代白炽灯。目前荧光灯正在全世界广泛使用，尤其在工业 和商业照明领域，其他的照明方式几乎都被排除在外。其高效能、光输出的持久性、 颜色的多样性以及较长的使用寿命使它成为上述照明领域中的理想选择。据估计全世 界人造光源所发出光的总量中，大约其中8 0 是荧光灯所发出。 1 9 6 0 年左右，照明工业又发生了一场重大的革命一金属卤化物灯的发明。这种 灯的优点在于它兼顾了荧光灯显色性良好和高气压放电灯功率高、发光体集中的特 点，从而克服了这两种灯各自所存在的缺陷。目前，金属卤化物灯已经在某些应用场 合取代了使用数十年的这两种灯。金属卤化物灯的基本原理早在1 9 1 1 年就已经由 c e s t e i n m e t z 所发现。当时他在用汞槽阴极制作汞放电灯时发现，在系统中加入各种 金属碘化物后，放电电弧中就产生相应金属的光谱。问题在于当时c e s t e i n m e t z 的想 法超越当时的时代太多。采用汞槽阴极意味着他只能将最冷点温度限制在汞的沸点 3 7 5 度的水平，在这个温度下金属碘化物的蒸气压极低，其光谱强度很弱。经过科学 家几十年的努力才开发出了真正可以商用的金属卤化物灯。通过选择填充剂，就能得 到有着优良显色特性的全光谱光源，并且具有高光效和紧凑的尺寸。 荧光灯含有水银，其废弃物对环境造成汞污染，因此，在全球资源日益桔竭和环 境污染日益严重的当今社会，人们急需寻找一种高效节能、长寿命、无污染的绿色光 源。l e d 固体光源和氙( x e ) 准分子光源就是其中的两种。l e d 的特点非常明显，寿 命长、光效高，在改进其结构后，l e d 的光电转换效率可达到1 0 0 l m w 。蓝光l e d 和紫光l e d 的出现，已经使白光l e d 成为可能，l e d 的光效正在直线上升，而可喜的 是其价格正在直线下降，有人预言l e d 的光效可能高达3 0 0 l m w 。当然目前光通量还 很低，价格还较高，作为照明光源还需要一段时间。国际著名的照明公司对l e d 的研 究均给予了十分的重视，并斥巨资投入研究与开发。p h i l p s 公司与h p 公司合资的 l u m i l e d s 、德国的o s r a m 、美国g e 以及日本的日亚( n i c h i a ) 等均投入大量人力、物力、 财力进行研究，以期在这一新世纪光源领域占领制高点。 氙( x e ) 准分子光源是用介质阻挡放电产生的准分子光源。它是目前转换效率 晟高的光源。其中产生波长为1 7 2 n m 光的效率已达6 0 ，利用适当的荧光粉可以把它 转换成可见光进行照明。已经制成的管状和平面荧光灯光效( o s r a m 的p l a n o n ) 只有 浙江大学博士学位论文 4 0 l r r d w ，还比不上目前常用的荧光灯，但是它们是无极灯，寿命长，又不用汞，无 污染。如果能用上双光子荧光粉，其光效可能大大提高，是新光源的希望。介质阻挡 放电产生准分子光谱还很多，如果能开发多种可见区域的准分子光谱直接合成三基色 白光，据计算，其光效可能超过2 0 0 l m w 。 今天，世界上大约有6 0 0 0 种不同类型的灯，大致可以分成热辐射光源、气体放 电灯及固体发光三大类。其中热辐射光源主要包括白炽灯和卤钨灯；气体放电灯又分 为两类：低压气体放电灯( 以荧光灯最为典型) 和高压气体放电灯( 主要有高压汞灯、 高压钠灯和金属卤化物灯) ：固体发光主要以l e d 为代表。如果说白炽灯为人类漫漫 长夜带来了光明，那么气体放电灯则为黑夜带来了绚丽的色彩。 1 0 1 , 2 气体放电灯的基本特性 在讨论气体放电灯的特性之前，先介绍它的几个光学特性 a 1 。a 9 】。 1 中p ：发射电磁辐射总功率，以w 为单位。包括可见辐射和不可见辐射。 2 辐射效率ne ：发射电磁辐射总功率和所消耗的功率w 之比，r le = o , e w 3 辐射通量中e ：单位波长间隔内的辐射通量，波长间隔一般为i r m a ，巾e 一般用 w n m 。1 表示。 中。= f d 旯 4 o v ：视觉响应的计量，光源在单位时间内发出的可见光范围内的光，单位为砌。 5 5 5 n m ，1 6 8 3 w 的光发出的光通量为1 m 。 5 。发光效率n ：光源所发出的光通量v 和该光源所消耗的电功率p l 之比，q 的单位 为l m w 。 叮：粤：型掣：毕型掣：仉k b只日 f “只d 2 ” 其中r l v 表示可见辐射通量在输入功率中所占的比例。k 由灯在可见光区的光谱能量 分布情况决定。如图1 - 1 所示，在电磁波中眼睛只对其中一个很狭窄的频率范围是灵 敏的( 3 8 0 n t o 到7 8 0 n m ) 。v ( ) 为人眼对各种不同波长的光的相对灵敏度，如图1 2 所示。图1 2 表示各种波长的光在高亮度( 右) 和低亮度( 左) 下产生的相对亮度感 觉。一般情况下只讨论高亮度曲线，因为在人造光所产生的大多数的照度下眼睛是“亮 适应”的而不是“暗适应”的。因此这个亮度灵敏曲线定义波长为5 5 5 n m 的光v ( ) 为最大，为l 。其他波长的v f 九) 都小于l 。k m 为辐射通量和光通量之间的比例关系。 气体放电灯电子镇流器关键的研究 、v i s i b l e一j、 一一 墨 r - r a y sax - r a y s ir a d l o 图1 - 2 人眼对不同波长光的敏感度m 1 6 光源的色表和显色性：光源的色表是眼睛直接观察光源时所看到的颜色。显色性是 光源发出的光照射到物体上所产生的客观效果。光源的颜色从根本上来说是由它的光 谱能量分布决定的。光源的光谱能量分布确定之后，它的色表和显色性也就确定了。 根据光谱能量分布和颜色，引入色温这个表示光源颜色的量。当光源所发出的颜色和 黑体在某一温度下辐射的颜色相同，黑体的这个温度就称为该光源的颜色温度，简称 色温( c t ) ，用绝对温标表示。固体白炽光源其光谱能量分布和黑体比较接近，可用 分布温度表示。然而某些气体放电光源，发射的光的颜色和各种温度下的黑体辐射的 光的颜色都不完全相同，因此不能用一般的色温来表示。为了便于比较，用相关色温 ( c c n 来表示。光源发射的光与黑体在某一温度下辐射的光颜色最接近，则此时黑体 的温度就称为光源的相关色温。 7 光源的寿命：灯管寿命的认定是根据国际电工委员会的规定进行测试而得到的。灯 管用一个特制的镇流器点燃，每三小时开关一次，每天开关八次。这个寿命提供了灯 管的中间预期寿命，它是大量荧光灯同时点燃，其5 0 荧光灯报废的时间。 8 光源的流明维持特性：流明维持特性反映了灯管在寿命期间光输出的衰减情况。流 明衰减只会发生在灯管点燃的时候，它是灯老化的一个体现。 选择光源j 三要考虑的几个特性包括：光效、流明维持特性、颜色特性和灯管寿命 古丘叠西己菩王薏口ds 浙江大学博士学位论文 等。如前所述，白炽灯与气体放电灯具有两种不同的发光原理。白炽灯依靠电流流过 钨丝，钨丝温度达至f 3 0 0 0 k 而发出可见光。灯电流由外加的电源和灯丝电阻决定。它 的电压电流特性与电阻相近。它的光谱是连续的，因而具有很好的显色性。但是， 白炽灯的发光效率很低，仅有大约l o 的输入电能转换为可见光，如图1 3 ( a ) 所示。 与白炽灯相比，气体放电灯有三个显著的优点：它们具有更高的光效，其中2 0 3 0 的输入电能可以转换为可见光，如图i - 3 所示；具有更长的寿命，以荧光灯为例， 它的寿命可以是白炽灯的1 0 倍( 9 ，o 0 0 4 , 时) ；具有很好的流明维持特性，在整个寿命期 间，流明维持率保持在6 0 - 8 0 。 l 鬻p 蓝 l 蝴岫 l ( 4 2 s ) i 嘲p a 1 莘毒 l 铆 ll 丁1 岛矾i 雄 ，t i 咖喇船咖岫l liv h r 喇0 如“ 胛)i i僻嘲 ( a ) 白炽灯辐射能量分布i ”1c o ) 荧光灯辐射能量分布【a 7 1 图1 3 白炽灯和荧光灯辐射能量分布 表1 1 给出了一些常用光源的特性比较。 表1 1 主要光源特性的对比 灯类型光效( 1 m w )显色指数 向炽灯 1 4 41 0 ( ) 卣钨灯 1 71 0 0 标推商管荧光灯( 1 )7 0 7 2 多荧光粉荧光灯( 2 )6 5 9 5 三基色荧光粉( 3 )9 38 5 节能灯( 4 ) 6 ( ) r 0 低压钠灯( 5 )2 0 6 4 5 高压汞灯 5 45 0 高压钠灯1 5 0 w 高光效( 7 )1 2 0 2 3 陶瓷盘属肉化物灿( 8 ) 18 09 6 ( i ) t l d3 6 w 5 4 ( 2 ) t l d3 6 w 9 3 0( 3 ) t l d3 6 w 8 4 0( 4 ) p l e u ( 5 ) s o x - e1 3 i w ( 6 ) s o n c o m f o r t 4 0 0 w ( 7 ) s o n4 0 0 w ( 8 ) c d m - t 7 0 w 9 4 2 以上数据摘自p h i l i p s 照明公司产品 气体放电灯电子镇流器关键的研究 1 2 气体放电灯电子镇流器的研究意义 1 2 1 镇流器的基本作用 尽管气体放电灯具有很多优点，但是，荧光灯和所有其他气体放电灯的启动和稳 定工作都需要有适当的电路和控制装置一镇流器”。通常为了使气体电离并启动放 电必须加上一个比稳态工作电压高的电压；这个电压称为“启动电压”v s 。假设不接 串联阻抗，把启动电压直接加在灯管两端如图l 。4 ( a ) 所示，则气体就电离了。在这 以后的任何瞬间，放电的工作点( i ，v ) 将一直处在v = v s 线上某处，它处在电离速率 超过复合速率b p d n d d t 大于零的范围。因此，电子浓度拖以及放电电流将一起随时间 不断增加。最后放电电流一直增加到使线路中某些物件如保险丝、接线或灯管烧坏为 止。因此这类灯必须如图1 - 4 ( b ) 所示那样和串联阻抗