镇流器原理

镇流器原理
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 =I V α（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，世界上一些着名的大专院校、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愧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着名高等院校、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，国内一些着名科研院所、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孝造价低，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、体积孝低电磁辐射干扰、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、体积孝质量轻、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孝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“Conformit éEuropeenné”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2500ppm 1)，典型值为1000ppm。

本文来自: 原文网址：/hyzs/led/02l.htm
高压气体放电灯工作原理与用途（图
2008-10-04 20:28
说明：
该小节内容不属于“电子节能灯”范围。

但高压气体放电灯是一种新型的电光源，使用十分广泛，作为一项新科技知识，本小节作一简单介绍，供教师参考。

高压钠灯、金属卤化物灯、镝灯、氙灯等等，均属高压气体放电灯。

高压气体放电灯灯泡内引出两根电极棒，并充以各种不同成份的化学元素物质，通电正常工作后，放射出不同色彩的光。

工作电路如图2-8-3。

工作原理：
在接通电源的瞬间，电源电压经镇流器加到触发器和灯泡两端，灯泡不亮时电阻很大，呈开路状态。

触发器在电源电压（220V或380V）下立即开始工作，并产生3KV以上的脉冲高压，施加在灯泡L两端，将灯泡L内常温元素激活成气体并击穿，L呈低阻大电流状态，因而灯泡L两端电压下降，约为30～50V左右，触发器因电压太低而停止工作。

整个启辉过程约0.8秒左右。

随着灯泡L内气体温度升高，气压可达几个大气压，工作电流逐渐下降至正常工作电流范围，灯电压也逐渐上升至正常工作电压。

由于灯泡L和镇流器串联，镇流器限制了灯电流的增加，灯电压始也始终低于电源电压，并始终低于触发器的开启电压，以保证灯泡长期稳定地工作。

从启辉至完全进入正常发光状态，约30分钟左右。

图2-8-3 高压气体放电灯电原理图
用途：
高压钠灯光效最高，经济实用，光色呈钠黄色，穿雾能力特强，广泛用于道路广场的照明。

灯泡功率有55～400瓦不等。

现已研制出彩色金属卤化物灯，品种有红、绿、蓝、紫等多种色光，已广泛用于建筑物的反光照明。

金属卤化物灯启辉时触发电压与功率均比钠灯高。

灯泡功率有100——1000瓦不等。

镝灯功率一般在300——3500瓦之间，光色为白光，一般用于建筑工地等大面积场合照明，电源电压有220V、380V两种。

HID就是High intensity Discharge 高压气体放电灯的英文缩写，可称为重金属灯或氙气灯。

它的原理是在UV-cut抗紫外线水晶石英玻璃管内，以多种化学气体充填，其中大部份为氙气（Xenon）与碘化物等惰性气体，然后再透过增压器（Ballast）将车上12伏特的直流电压瞬间增压至23000伏特的电流，经过高压震幅激发石英管内的氙气电子游离，在两电极之间产生光源，这就是所谓的气体放电。

而由氙气所产生的白色超强电弧光，可提高光线色温值，类似白昼的太阳光芒，HID工作时所需的电流量仅为3.5A，亮度是传统卤素灯泡的三倍，使用寿命比传统卤素灯泡长10倍。

● 氙气灯的色温与太阳光相似，但含较多的绿色与蓝色成份，因此呈现蓝白色光。

这种蓝白色光大幅提高了道路标志和指示牌的亮度。

● HID高出卤素灯三倍的亮度效率，对提升夜间及雾中驾驶视线清晰度有明显的效果。

● 氙灯发射的光通量是卤素灯的2倍以上，同时电能转化为光能的效率也比卤素灯提高70%以上，所以氙灯具有比较高的能量密度和光照强度，而运行电流仅为卤素灯的一半。

车灯亮度的提高也有效扩大了车前方的视觉范围，从而营造出更为安全的驾驶条件。

● 省电1/2, 卤素灯耗费60W以下的电力，氙气灯只需35W的电力。

● 由于氙灯没有灯丝，因此就不会产生因灯丝断而报废的问题，使用寿命比卤素灯长得多，氙灯使用寿命相当于汽车平均使用周期内的全部运行时间。

● 氙灯一旦发生故障不会瞬间熄灭，而是通过逐渐变暗的方式熄灭，使驾车者能在黑夜行车中赢得时间，紧急*边停车。

由柳洪平创建。

● 氙灯不会产生多余的眩光，不会对迎面来车的驾驶者造成干扰。

摘要：汽车HID前照灯瞬间快速启动需要13kV－25kV的高压，为了减小电路体积，本文提出了三倍压整流电路和能量压缩的高压启动电路。

在启动阶段加入启动方向随机选择程序，缓解了电极过快烧损，延长了HID前照灯的使用寿命，启动后引入低频电流积分控制方法，
保证了可靠的辉弧过渡，自动适应不同的启动条件和老化程度。

关键词：HID前照灯；电子镇流器；倍压整流
引言
高强度气体放电(HighIntensityDischarge，HID)灯属于新一代节能灯，已广泛应用于交通、市政、工厂等照明中。

汽车高强度气体放电前照灯具有高光效、显色性好、长寿命等诸多优点，已得到各国汽车行业的高度重视。

大多数电子镇流器都由一个直流变换器将额定12V的直流电压升压，再由逆变电路为灯提供交流电，以避免单侧电极的过度烧损。

前级的效率直接影响到系统的效率，因此，必须合理设计升压直流环节。

因为汽车前照灯要求快速启动和热灯的快速瞬间启动。

冷灯启动所需的启动电压一般大于13kV，熄灭后重新启动的灯所需的启动电压需高达23kV。

因此HID前照灯启动电路的输出电压应有足够的幅值和宽度，且电压范围要宽。

本文提出了一种新型启动电路，并采用了电流积分作为识别冷热启动的判据，可靠地实现了快速点灯并延长了灯的使用寿命。

常用高压启动电路比较
启动期间，电子镇流器要经历高压击穿、电流接续、预热维弧3个阶段。

高压启动电路是HID 前照灯能否瞬间点亮的基础。

但辉光放电后惯性和滤波延迟使直流变换器和检测回路很难有较快的响应速度，所以需要如图1所示的电流接续(take－over)电路，它可利用电容预先储存的能量为灯提供一个较大的瞬间电流(约300gs)，保证辉弧可靠过渡。

一般高压发生电路有以下几种：单级升压电路
此电路一般要求匝数比很高。

因高压线圈流过灯电流，所用导线不能太细，这样会使高压变压器体积增大。

采用并联方式可将高压侧线圈导线做得较细，但灯需串联另外的镇流电感，这样，镇流器系统的体积也会很大。

双级升压电路
采用此电路，在产生高压的同时，高压侧绕组起到镇流电感的作用，可降低系统的体积和重量，如图2和图3所示。

图2和图3的区别在于，前者采用了两级变压器，体积较大，图3电路只用了一个升压变压器，但前级采用了倍压整流电路，可降低变压器的匝数比，不会增加变压器的体积。

图4是我们采用的电路，由于只有一级变压器，体积大大减小。

高压启动电路原理分析
在倍压整流电路中，因变压器的副边两个方向的电流通路都存在，此时flyback部分电路不再是一个反激变换器。

在启动阶段，控制程序对全桥逆变电路的母线电容cl的端电压，也就是后级H桥的母线电压进行400V恒压闭环。

倍压整流输出电压1200V通过R1和R2对电容cc充电，cc段电压逐渐升高。

如其端电压能达到600V，放电管击穿，cc放电，能量耦合到副边，产生高压。

如倍压整流输出电压不够高，则会因R1、R2和R3的分压，在与cc并联的电阻上的分压小于600V，不能击穿放电管。

即使倍压整流的电压足够高，如果R3相对于RI R2的比例不够大，也不能产生600V 的击穿电压。

一旦Cc的端电压使放电管击穿，将cc中的能量转移到高压变压器的副边，在灯端产生高压，其电压值由变压器副边的电感和电容、灯状态及压敏电阻和线路电阻所构成回路的时间常数决定。

启动阶段的控制
为了可靠实现启动，控制器通过400V恒压闭环控制为cc和电流接续电容快速充电，此电压如选得太低可造成启动缓慢，或启动后电路的能量不够，启动则失败。

为了避免单侧电极过度烧损，必须避免每次都从单侧电极打火。

程序中设定了一段启动方向随机选择子程序。

.
在电压闭环控制的同时，程序不断检测电流，一旦电流达到设定值就确认启动成功，进入维弧预热子程序(Warm—up)阶段。

此阶段时间为tpre，主要任务是维弧预热，为防止直流点灯造成单侧电极过度烧损及高频交流下过零点熄弧，本文采用了一种电流积分的方式实现低频交流方波。

电流积分须满足，之间，每次中断发生后将电流取样值加和，一旦加和达到设定值，将加和清零并翻转逆变桥切换到下一半波。

重复上述过程，直到半波结束，进入功率递减过渡阶段。

这样控制的优点是：可自动识别点灯温度，为后续控制提供初始依据。

高压发生电路实验及波形
图5采用3倍压整流电路，放电管的额定击穿电压为600V，高压包的匝数比1：50，放电管击穿电压为600V。

实验波形见图6。

开关实验是为验证这套电路和控制策略的可靠性编制一套可编程控制器(PLC)程序，用于测试电子镇流器的开关可靠性。

开关实验3小时，共计4万次开关，均可靠启动。