电子镇流器的工作原理.doc

第二章电子镇流器的工作原理2.1荧光灯简介2.11气体放电灯的基本原理所谓气体放电灯是指带有能量的电子碰撞气体原子造成气体放电的现象，利用此原理所造成的气体放电灯有多种，使用较多的是辉光放电与弧光放电两种。不论哪一种，其结构大同小异，一般包括阳极、阴极，灯管外壳，灯管内填充的气体。对于交流灯来说则无阴极与阳极之分，两电极可以交替作为阴、阳极之用。对于气体放电灯来说，当加至灯管阴极与阳极之间的电场足够大，便会使灯管放电，此放电过程可以分为三个阶段：第一阶段：在外加电场的作用下，自由电子被加速。第二阶段：加速的自由电子与灯管内的气体原子碰撞，使得气体原子呈现激发状态。第三阶段：受激发的气体，能量激发到更高的能阶并返回基态，所吸收的能量以辐射光的形式释放出来。若电子碰撞气体原子的能量足够大，则会使气体原子产生电离，电离所产生的电子又在电场中加速造成再次电离，使得自由电子成倍数增加，称此为汤生雪崩效应（Thomson Avalanche Effect）。所以，只要外加电场持续存在，则上述的放电过程就不断的重复，也就不断的放光。由于电流的主要成分为电子，为了使放电电流持续进行，阴极必须不断的提供自由电子，提供自由电子的主要方式分别叙述如下：（1）热电子发射：当阴极的温度越高，则越多的电子得到足够的能量从阴极中发射出来，此种发射方式是弧光放电灯主要的发射形式。而T5荧光灯就属于弧光放电灯。（2）正离子轰击发射：当电极之间的电位差足够大时，使得正离子的速度足够快，此速度足够快的正离子撞击阴极便会轰击出自由电子。因此，电极材料必须能承受正离子的轰击，否则会使得电极的材料大量飞溅，减短电极的寿命并造成灯管早期发黑的现象。辉光放电灯便是以正离子轰击发射为主要发射形式。（3）场致发射：若外加电场足够大，使得阴极获得足够的能量而直接发射电子，此现象称为场致发射。在气体放电灯中，有时灯管上的电压并不高，但如果在电极附近很小的范围内形成很强的空间电荷层，则可能在此区域造成很强的电场，而引发场致发射。一旦自由电子在灯管中形成，电子从阴极到阳极这段期间，电子碰撞气体原子而产生气体放电，其过程为：电子由阴极流向阳极，电子与管中的气体氩原子发生非弹性碰撞，氩原子碰撞后获得了能量又撞击汞原子，汞原子在吸收能量后跃迁产生电离，发出253.7nm的紫外线，紫外线激发荧光粉发光。2.1.2荧光灯的结构示意 家庭和工业照明用荧光灯是一种低压汞蒸气放电灯，其大部分是由放电产生的紫外线激发管壁上的荧光粉涂层而发射出来的。为使荧光灯亮必须满足三个条件：1、灯丝的预热电流或者灯丝电流2、高电压启动3、限制工作电流。下图就是典型直管形荧光灯结构示意图 典型直管型荧光灯的结构示意图2.2电子镇流器工作原理2.2.1、 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：（1）式中的表示灯发光系数，它和灯管的工作电压和工作电流有关，对电感镇流器，可以取0.8，对高频电子镇流器，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ZL=2fL，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，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。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。2.2.2、 荧光灯的闪频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。2.2.3、 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。2.2.4、电子镇流器的主要功能电子镇流器的基本结构框图如图7所示。串联谐振模块由Lr和Cr构成，提供荧光灯点火高电压和正常工作时的低电压。直流大电容可用合适的PFC电路代替。对于图7所示的结构框图，通常在交流电源的输入端加一个滤波器，实现EMC功能。采用预热电路，可以避免灯管过早老化。当逆变器的工作频率高于负载电路的谐振频率时，可以实现电压关断。 图7电子镇流器的基本结构框图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： 能够限制和稳定荧光灯的工作电流。 在交流市电过零时，也能正常工作。 应能为灯的点火提供所需的点火电压。 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： 有高的功率因数。 能限制交流输入市电的总谐波失真（THD）。 能限制灯电路的短路工作电流或避免由于灯电极电