论电光源的驱动电功率频率对光源品质的影响

青岛专用集成电路设计工作室
华贝尔微电子高频光源事业部

摘　要：本文简要分析了电光源不同驱动方式和不同驱动电功率频率，对电光源技术品质和照明质量，产生的影响及技术机理分析。提出了提高电光源技术品质和照明质量的技术对策。

关键词： 电光源 电感式镇流器 电子式镇流器 驱动功率源 驱动电功率频率 频闪效应 光效 光源寿命

　　气体放电电光源，驱动电功率频率的高低，是电光源的技术品质和照明质量的决定性因素。因此 ， 了解和掌握电光源驱动电功率频率与电光源技术品质和照明质量的影响关系，对于电光源的科学生产和正确选用具有现实的指导意义。

一 . 电光源分类 ： 电光源分为热辐射发光和气体发光两大类。 21 世纪又开发出以 LED 发光管为代表的，半导体固体发光新型电光源。热辐射发光电光源包括白炽灯、碘钨灯 。 气体放电发光电光源包括：直管型日光灯、汞灯、钠灯、金卤灯、节能灯，和近几年研发成功的工商业专用大功率节能灯 。

二 . 气体放电电光源的驱动方式 ： 气体放电发光电光源主要由镇流器（驱动功率源）和放电发光体两部分组成。放电发光体是由镇流器驱动发光的，镇流器是气体放电电光源的驱动功率源。驱动功率源的驱动电功率频率高低和驱动方式，是由镇流器的种类和其技术性能所决定的。
　　目前，驱动电光源发光体发光的镇流器（驱动功率源），分电感式和电子式两种。在电光源发光体选定的前提条件下，采用不同的镇流器做为驱动功率源，电光源的技术品质和照明质量是完全不－样的。

三．电感式镇流器（即电感式驱动功率源）的影响及机理：
　　电感式镇流器， 没有交流一直流一交流（ AC — DC — AC ）频率变换功能，直接将 50Hz 工频交流电功率加在放电发光体上，驱动电光源发光。因此，电感驱动式电光源，存在两个方面的先天技术缺点：
　　－是，加在放电发光体上的电功率以 50Hz × 2=100Hz 的频率，呈正弦波规律波动。发光体产生发出的光，也以 50Hz × 2=100Hz 的频率，呈正弦波规律波动。光通量的波动深度高达 65% ，产生严重的频闪效应，其危害性祥见＜论电光源频闪效应的危害性及改进对策＞－文。
　　二是，加在放电发光体上的电功率是 50Hz 工频交流电，驱动电功率频率低，放电发光体内气体电子获得的能量小，电子跃迁能级低，撞击速度低。气体电离的离子数量少，电子离子浓度低，电光源发光效率低，耗电量大。
　　因此，为消除频闪效应，提高发光效率，自 20 世纪 80 年代以来，照明产业界的人士，正努力研发高频率电功率驱动的高频率电光源。

四．电子式镇流器（即电子式驱动功率源）的影响及机理：
　　高频率电光源的实现途径，是采用电子式镇流器。电子镇流器，具有交流—直流—交流（ AC — DC — AC ）频率变换功能。不是直接将工频交流电加到放电发光体上，驱动电光源发光。而是先将 50Hz 工频交流电，变成稳定的直流电，再通过频率变换器，将直流变成高频交流电（ 40Khz 以上）后，加到放电发光体上驱动电光源发光。
　　电子镇流器变换频率高低，即驱动电功率频率高低。对电光源技术品质和照明质量的影响，主要表现在以下三个方面。
　　一是，消除频闪效应危害性。 电光源频闪效应，是由于加在放电发光体上的驱动电功率频率太低 ， 光通量产生波动而形成的。进而形成频闪 危害性 。如果能将光通量的波动深度降低到 5% 以下，即可消除频闪效应及危害。在现阶段，其技术措施：是提高加在电光源放电发光体上的，驱动电功率的频率 。 即提高电子镇流器的交流一直流一交流（ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ）变换频率。
　　具体到三基色高频率大功率工业专用节能灯，其放电发光体为三基色荧光灯管。经科学计算和实验验证，电子镇流器的变换频率应在 40KHz （千周）以上，才能保证荧光管的光通量波动在 5% 以下。同时欧洲照明协会的 CE 认证也规定，电子镇流器的变换频率应在 40KHz 以上。
　　由电子镇流器原理可知，提高镇流器的交流一直流一交流（ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ）变换频率。将大大增加技术难度，没有专业技术开发能力的公司，是很难将变换频率提高到 40KHz 以上的。
　　当前，一些没有专业技术开发能力的节能灯生产商，采取抄 PCB 板（即抄技术）的方式，生产大功率节能灯。电子镇流器的变换频率在 20KHz （千周）以下，有的甚至在 15KHz （千周）以下。节能灯的光通量波动深度仍在 25 — 40% 之间，频闪效应危害依然较严重。这一点在选购节能灯时应予特别注意。
　　二是，提高电光源光效 。气体放电发光电光源，放电发光体的启辉、点燃发光，本质上是气体电子电离。电子镇流器变换频率的高低，即驱动电功率频率的高低，对电光源气体电子电离影响很大。驱动电功率频率高，放电发光体内气体电子获得能量多，电子跃迁级别高。气体电子撞击速度高、能量大，气体电子电离速度快，发光体内电子离子浓度高，放电发光体发光效率高。
　　具体到三基色高频率大功率工业专用节能灯，其放电发光体为三基色荧光灯管。经科学计算和实验验证，电子镇流器变换频率在 40KHz — 100KHz （千周）范围内，三基色荧光灯管的发光效率与频率呈近似正比例关系。即电子镇流器变换频率越高，荧光管发光效率越高。
　　当前，具有科研开发能力的高频率大功率工业专用节能灯生产企业，都在努力提高电子镇流器的交流一直流一交流（ＡＣ－ＤＣ－ＡＣ）变换频率，以提高电光源的发光效率，消除电光源频闪效应的危害性。实现高光效、高节能、高亮度、无频闪、长寿命的优秀品质目标 ， 提高产品的竞争力和品牌竞争力。
　　本文作者曾用从市场购的节能灯（变换频率测试在 17KHz 左右），与我部生产的高频率大功率工业专用节能灯（变换频率在 50KHz 左右），进行对比测试。在相同的输入电功率条件下，发光效率差异较大。
　　通过回访我部高频率大功率工业专用节能灯的使用用户和现场测试，用我部生产的高频率大功率工业专用节能灯，替代高压汞灯时。用实际输入电功率 60W 的高频率节能灯，替代 250W 汞灯照明。现场照度比 250W 汞灯还亮，显色性提高到原来的 4 倍，无频闪效应危害性。功率替代比例为１：５以上（考虑到高压汞灯电感镇流器功耗占灯功率的２Ｏ％），节电８Ｏ％以上，投资回收期在二个月之内。
用我部生产的高频率大功率工业专用节能灯，替代直管日光灯时，用实际输入电力率３ＯＷ的高频率节能灯，替代－组４ＯＷ * ２＝８ＯＷ的直管日光灯照明。现场照度比－组４ＯＷ * ２＝８Ｏ W 直管日光灯还亮，显色性提高到原来的２倍，无频闪效应危害性。功率替代比例为１：３以上（考虑到直管日光灯电感镇流器功耗占灯功率的２Ｏ％），节电７Ｏ％以上，投资回收期在三个月之内。
　　三是，提高电光源寿命。 气体放电发光电光源，放电发光体的启辉、点燃发光，本质上是气体电子电离。电子镇流器变换频率的高低，即驱动电功率频率的高低，对电光源气体电子电离影响很大。驱动电功率频率高，放电发光体内气体电子获得能量多，电子跃迁级别高。气体电子撞击速度高、能量大，气体电子电离速度快，发光体内电子离子浓度高。
　　驱动电功率频率越高，气体电子电离的速度越快，，离子获得的能量级别越高。启辉时，放电发光体启辉点燃快 ， 灯丝阴极溅射小，每次开灯可以一次启辉点燃（一开即亮）。在启辉点燃后，发光体内电子离子浓度高，放电发光体无效损耗降低，放电发光体温升低，放电发光体光衰慢。提高了放电发光体的启辉点燃、放电发光的技术性能，使得放电发光体的点燃寿命高于原设计寿命，大大延长了放电发光体的有效点燃时间。
　　本文作者曾用两端发黑的和灯丝烧坏的直管日光灯管 （ 电感镇流器皆不能启辉 ） ，采用我部生产的高频率（５ＯＫＨｚ）电子镇流器实验，结果开灯一次启辉成功，可以正常点燃发光。

五．结论：
　　对气体放电电光源，不同的驱动功率源和不同的驱动电功率频率。对电光源的技术品质和照明质量具有决定性影响。驱动电功率频率高，电光源技术品质优，照明质量高；驱动电功率频率低，电光源技术品质劣，照明质量差。
　　在现阶段，综合考虑电光源的性能价格比，照明质量标准，以及照明运行成本等因素。广泛推广应用高频率全电子镇流器和高频率大功率工业专用节能灯，就可以在全社会构建－个高效、节能、明亮、舒适的绿色照明环境。

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