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HID灯和电子镇流器间的接口设计及镇流器可靠性研究[1]

2012-5-2  来源:上海亚明灯泡厂有限公司电器开发部  作者:曹箫洪  有8321人阅读

  HID 照明系统由HID 电光源、驱动电源( 镇流器) 和灯具三部分构成,其中核心是光源。镇流器和灯具的设计方向总是围绕如何让光源达到最佳的照明效果来扩展的。目前,根据发光物质的差别,HID 电光源分三大类,即高压汞灯(HPL)、高压钠灯(HPS) 和金卤灯(MH) ,其中金卤灯又分石英金卤灯( QMH) 和陶瓷金卤灯( CMH 或者CDM)两种。

  HID 电光源概述

  HID 照明系统由HID 电光源、驱动电源( 镇流器) 和灯具三部分构成,其中核心是光源。镇流器和灯具的设计方向总是围绕如何让光源达到最佳的照明效果来扩展的。目前,根据发光物质的差别,HID 电光源分三大类,即高压汞灯(HPL)、高压钠灯(HPS) 和金卤灯(MH) ,其中金卤灯又分石英金卤灯( QMH) 和陶瓷金卤灯( CMH 或者CDM)两种。

  以前HPL 灯主要应用于户外照明,但是由于它的光效较低,HPL 现在已逐渐被HPS 灯取代。虽然LED 路灯概念初步付诸了实践,但是户外照明中性价比最高的依然是传统电感式镇流器驱动的HPS灯。HPS 的初始光效可以达到100lm /W 以上,并且可以实现20% 的调光,非常适合于照明节能,这都是HPS 的主要优点。但是HPS 的显色指数( CRI)较小,只有20 左右,难看的黄光是HPS 灯主要的缺陷。同属钠灯系列的白钠灯( SDW) 通过牺牲光效(50lm /W 附近) ,可以将CRI 大大提高到80 以上,在超市的肉类橱窗里很有用武之地。

  光效和显色指数这两个指标,在钠灯系列电光源中是不易兼得的,但在金卤灯中却得到了很好的平衡,例如: 金卤灯初始光效在80lm /W 之上,显色指数在70 以上。同QMH 相比, 大批量生产的CDM 的初始色温一致性好,长期工作后的色温稳定性好,CDM 放电管壁材料采用PCA,对卤盐的腐蚀性耐力较强,从而避免了QMH 放电管在某些状态下爆炸的危险。同等功率的CDM 同QMH 相比( 如70W) ,显色指数和光效都提高了10 多个点,预期寿命是QMH 的1. 5 倍左右。并且,可以被调光到50% 的CDM 灯也已经问世。在不久的将来,光效可以和HPS 灯媲美、显色性好、可调光的CDM 灯将成为户外照明的新生力量。

  HID 灯初始光效是指灯在连续工作100 小时之后所测得的光效,它的高低由灯自身特性决定,同镇流器性能基本无关。但是,HID 灯长期工作的时效性—流明( 光效) 维持率和CRI 稳定性,却极大地受驱动镇流器性能的影响。由于照明系统的核心是电光源,所以在保证安全和满足成本控制等要求的前提下,最大限度地发挥灯的照明效果,是镇流器优化设计的基本准则。抛开镇流器的市场因素不说,如果只从照明系统的性能角度出发,评估电子镇流器质量优劣的最重要指标就是灯—镇流器接口性能( Lamp Driver Interaction or Interface-LDI) 的好坏。LDI 是一个综合指标,首先它根据灯的工作特性,要求镇流器有适合的参数匹配,以便给灯提供最佳的驱动效果; 其次,它要求在灯的不同工作阶段和异常工作状态下镇流器都有很好的可靠性。HID 镇流器和灯的匹配性及镇流器自身的可靠性是本文讨论的核心。

  2 HID 灯和电子镇流器间接口性

  能指标(LDI)HID 灯的工作是一个复杂的气体放电和原子发光的过程,HID 灯要被可靠点亮并长期稳定高效地

  工作,必须对灯电压、灯电流和灯功率的大小、形状、频率、谐波含量等电学参数提出规范化的要求,而HID 电子镇流器线路拓扑不断发展及控制方法不断完善的目的也就是为了更好地达到这些规范化的要求。HID 灯的各个工作阶段直接关联HID 镇流器的设计,它们分别是:

  (1) 放电管的电流击穿同镇流器的点火尖峰电压间的关系: 当镇流器产生的点火尖峰电压足够大时( > 3kV) ,HID 放电管中的中性原子( 如汞原子) 开始被电离,正离子轰击电极并产生大量电子,导致电子雪崩和自持放电,这就是放电管的电流击穿阶段,该阶段的放电是辉光放电,要求镇流器给放电管电极之间提供足够高度和宽度的电压尖峰。如果尖峰电压峰值不够大,或者尖峰电压中累积有效脉宽不够大,则放电管不易自持放电; 如果尖峰电压峰值太大( 如> 5kV) ,则在HID 灯的热点火时,在HID 外泡的两个电极引线之间可能会发生拉弧打火现象。另外,基于安全考虑,镇流器的点火过程应该是可控的,当点火时间超过30 分钟时,点火线路必须停止工作。

  (2) 放电管的电压击穿同镇流器开路电压(OCV) 间的关系: 在辉光放电发生后, 如果在放电管两个电极之间维持足够大的电压,则电子雪崩程度会加剧,最终导致放电管电极两端电压从开路电压( open-circuit voltage,OCV) 跳变到10V 左右,该过程被称为辉光放电到弧光放电的转移( GTA) ,这就是放电管的电压击穿阶段,该阶段要求镇流器能够在放电管两个电极之间维持足够大的OCV。如果OCV 不够大, 则放电管的电压击穿不易实现,GTA 不顺畅,很难过渡到稳定的弧光放电阶段,则辉光放电维持时间被拉长; 如果OCV 过大,则汞正离子对电极的轰击太过剧烈,会引起电极物质的过渡溅射。辉光放电维持时间长,电极物质溅射严重,是HID 灯寿命缩短以及流明维持率骤减的主要原因,所以OCV 过小或者过大,都是不允许的。

  (3) 放电管的Runup 过程同镇流器的Runup 电流大小间的关系: HID 灯的Runup 过程就是放电管中汞齐和卤盐气化,电极两端电压和灯功率逐步增大的过程,当灯功率达到满功率时,Runup 阶段完成。在CDM 灯的Runup 阶段, 镇流器最好能够输出大小恒定的Runup 电流,并且Runup 电流大小的设置应符合灯的规格要求。如果Runup 电流过小,则放电管卤盐不能气化,灯会熄灭; 而如果Runup电流过大,则电极物质蒸发损耗太大,放电管管壁过早发黑,也会引起流明维持率骤减。

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