伍偉杰，賀雄文

（1.順德職業(yè)技術學院，廣東 佛山 528333；2.廣州日報社，廣東 廣州 510121）

1 引言

從20世紀70年代以來，人類面臨著世界性的能源危機，節(jié)約能源的緊迫感使人們致力于節(jié)能光源的研究與推廣應用，倡導 “綠色照明”。當前，節(jié)能的熒光燈（氣體放電發(fā)光）已全面取代了白熾燈（燈絲發(fā)熱發(fā)光）的位置。熒光燈具有發(fā)光效率高（平均75 lm/W，而白熾燈平均為15 lm/W）、光線柔和、壽命長、耗電少的特點，一盞14瓦節(jié)能熒光燈的亮度相當于75瓦白熾燈的亮度，所以用熒光燈代替白熾燈可以使耗電量大大降低。

2 熒光燈工作原理及鎮(zhèn)流器技術

氣體放電燈（如熒光燈、霓虹燈和金鹵燈）是一種具有如圖1所示負阻特性的電光源，當燈電流上升時，燈管的工作電壓下降，但是供電電壓不會下降，多出的這點電壓加到燈管后就會使燈電流進一步上升，如此循環(huán)，最終燒壞燈管或使燈管熄滅。

要使燈管正常工作，應配以如圖2所示的鎮(zhèn)流元件，用于限制和穩(wěn)定燈電流。這個限流裝置就叫做鎮(zhèn)流器。a）接通電源瞬間，電源電壓都加在啟輝器內氖泡的兩電極之間，電極瞬間擊穿，管內的氣體導電，使 “U”型的雙金屬片受熱膨脹伸直而與固定電極接通。這時日光燈的燈絲通過啟輝器電極與電源構成一個閉合回路。b）同時，啟輝器兩端的電極接通后它們之間的電壓為零，啟輝器停止放電。由于接觸電阻小，雙金屬片冷卻，當冷卻到一定程度時，雙金屬片恢復到原來狀態(tài)，與固定片分開。c）在此瞬間，啟輝器回路中的電流突然斷電，于是鎮(zhèn)流器的兩端就會產生一個比電源電壓高得多的感應電壓，連同電源電壓一起加在燈管兩端，使燈管內的惰性氣體電離而產生弧光放電。如果是陰極預熱式熒光燈，在熒光燈觸發(fā)之前，鎮(zhèn)流器還需要對陰極進行預熱。d）隨著管內溫度的逐步升高，水銀蒸汽游離，并猛烈地碰撞惰性氣體而放電。水銀蒸汽弧光放電時，輻射出紫外線，紫外線激勵燈管內壁的熒光粉后發(fā)出可見光。e）熒光燈正常啟動后，鎮(zhèn)流器需要向熒光燈提供穩(wěn)定的工作電流。該電流的大小必須與熒光燈的規(guī)格參數(shù)相匹配。

圖1 氣體放電燈的負阻特性

圖2 熒光燈電路的基本結構

目前氣體放電燈常用的鎮(zhèn)流器主要有兩大類：電感式鎮(zhèn)流器和電子式鎮(zhèn)流器。

由于電感式鎮(zhèn)流器工作在工頻市電頻率，體積大、笨重，還需消耗大量的銅和硅鋼等金屬材料，散熱困難、工作效率低、燈發(fā)光有頻閃，所以電光源界的科技工作者們紛紛尋找新的鎮(zhèn)流方法，而高頻交流電子鎮(zhèn)流器就是一種有效的方法。

電子鎮(zhèn)流器的優(yōu)點主要體現(xiàn)為：1）環(huán)境優(yōu)點——節(jié)能，延長燈管壽命，穩(wěn)定輸出光通量；2）人性化優(yōu)點——消除頻閃，發(fā)光穩(wěn)定，噪聲低，可以調光；3）技術優(yōu)點——功率因數(shù)高，穩(wěn)定輸入功率，高頻諧波含量低、燈電流波動系數(shù)小、射頻干擾抑制能力強、工作可靠穩(wěn)定、具有過壓過流保護及異常狀態(tài)保護，預熱啟動等。

以電子鎮(zhèn)流器構成的照明電路的基本組成為例，如圖3所示：

功率因數(shù)校正和諧波抑制電路（PFC）可以防止熒光燈電路對電網(wǎng)造成污染，提高功率因數(shù)。一般功率因數(shù)校正電路又可分為無源功率因數(shù)校正(PPFC)和有源功率因數(shù)校正（APFC）。

逆變電路是一個DC-AC變換器，其作用是生成適用于熒光燈正常工作的20 kHz以上的高頻電壓和電流。

接口電路向熒光燈提供一個啟動高壓，以保證熒光燈能可靠地觸發(fā)。通常，觸發(fā)電壓都是由電子鎮(zhèn)流器中的LC串聯(lián)電路提供的。LC串聯(lián)諧振電路諧振產生的高壓脈沖被施加在熒光燈兩端將熒光燈點亮。如果是陰極預熱式熒光燈，在熒光燈觸發(fā)之前，還需要對陰極進行預熱。

保護電路可以提高電子鎮(zhèn)流器的安全性和可靠性，如燈開路保護或短路保護電路、過電壓保護和過電流保護電路。

圖3 照明電路的基本組成

3 電子鎮(zhèn)流器制作的關鍵問題及優(yōu)化措施

電子鎮(zhèn)流器具有電感鎮(zhèn)流器無法比擬的優(yōu)點，但與此同時，電子鎮(zhèn)流器亦會出現(xiàn)諧波含量大、流明系數(shù)低、可靠性不高、使用壽命較電感鎮(zhèn)流器短等技術問題。為了解決好電子鎮(zhèn)流器的缺陷，更好地發(fā)揮電子鎮(zhèn)流器的綜合性能，可從產品研發(fā)、制造生產、照明設計各個環(huán)節(jié)來采取積極的措施，關注以下幾個問題：

3.1 頻率選擇

從電子鎮(zhèn)流器的噪聲角度而言，電子鎮(zhèn)流器的工作頻率應大于20 kHz（人耳可以聽到的音頻信號范圍是20 Hz～20 kHz），但是從降低鎮(zhèn)流電感磁芯的高頻損耗的角度而言，電子鎮(zhèn)流器的工作頻率又不能選得太高，一般不應大于100 kHz，并且這個工作頻率的大小還和具體的燈管型號有關；同時還應考慮到電子鎮(zhèn)流器在高頻工作時產生的高頻干擾信號對工作于紅外工作頻段的家用電器等的影響。例如：對工作于RC5系統(tǒng)的紅外遙控電路，它工作于36 kHz，所以電子鎮(zhèn)流器的工作頻率不應工作在18 kHz或36 kHz，現(xiàn)在30～40 kHz這個頻率范圍已基本被紅外遙控系統(tǒng)使用，所以在設計電子鎮(zhèn)流器時，不應選擇這個工作頻率范圍。

3.2 電源端的EMC措施

在電子鎮(zhèn)流器與外部電網(wǎng)的交接部分，一方面電子鎮(zhèn)流器對外部電網(wǎng)有諧波干擾，另一方面，外部電網(wǎng)也對電子鎮(zhèn)流器產生干擾作用。

為此采取的EMC措施是，在整流電路之前增設濾波電路，通常的電路模型如圖4所示，共模電感L、差模電容C1與共模電容Cy一起組成EMI濾波器，用于差模／共模方式的EMI／RFI的抑制。

圖4 電源前端濾波電路模型

針對不同的電子鎮(zhèn)流器產品，濾波電路的元件參數(shù)需實測并不斷調整，直到符合相應的國家標準為止。對于干擾嚴重、或在高低頻段出現(xiàn)不達標的情況，則考慮設置完整的濾波電路；如果一級濾波電路達不到標準，則增設兩級濾波電路。由于電子鎮(zhèn)流器一般會做大批量生產，增加元器件對成本核算非常敏感，所以也需要采取其它措施來簡化濾波電路，如采取傳導較好的材料制作電子鎮(zhèn)流器外殼，能有效地改善EMC效果。

3.3 預熱啟動電路

目前廣為流行的直管形熒光燈和稀土節(jié)能燈都屬于陰極預熱啟動型的電光源，因此，配置預熱啟動電路是非常重要的。否則，管形熒光燈使用一段時間后（如3～6個月），燈管的兩端就會過早地發(fā)黑，嚴重影響燈管的光效和壽命。其原因是，如果不預熱而直接啟動，陰極發(fā)射材料無法瞬時達到7000C以上的熱電子發(fā)射狀態(tài)，而高電壓又不可能在極短的時間內將燈管擊穿，燈絲必然要承受一段輝光放電時間再過渡到弧光放電。這將導致陰極發(fā)射物質的嚴重濺射，使燈管兩端燈絲周圍的管壁出現(xiàn)早期發(fā)黑，嚴重縮短熒光燈的使用壽命。

預熱啟動電路如圖5所示，工作原理是：接通電路瞬間，熱敏電阻的起始阻值很小，隨著電流的增大而增大，當?shù)竭_電阻預定值時，電容C2兩端電壓迅速升高，將燈管點燃。

圖5 預熱啟動電路

圖中，RT為PTC熱敏電阻，不同的熱敏電阻與不同容量的C2匹配，會得出大小不同的預熱電流和預熱時間。經過多次試驗，確定最優(yōu)的符合預熱要求所對應的熱敏電阻RT和電容C2。電容C1的作用是降低熱敏電阻RT所承受的電壓，減輕高電壓對熱敏電阻RT的影響。

當預熱電流過大時，不但有可能損害陰極，而且正常工作時還會使流過燈絲、電容C和PTC熱敏電阻的電流增大，影響燈的發(fā)光效率。此時，可以在兩端燈絲處分別并接一個二極管，用來限制燈絲電壓和有效地加熱電流。

3.4 異常狀態(tài)保護

異常狀態(tài)保護電路在電子鎮(zhèn)流器與燈管出現(xiàn)異常狀況時，啟動自我保護，以免損壞燈具、乃至引發(fā)火災。我國國內電網(wǎng)經常處于不穩(wěn)定的運行狀況，尤其是要采取異常狀態(tài)保護措施。異常狀態(tài)保護包括：過電流保護、過電壓保護、過熱保護、短路保護、浪涌電流保護等。

異常狀態(tài)保護的工作原理為：采樣電子鎮(zhèn)流器的輸出信號，進行延時、基準比較，一旦出現(xiàn)燈損壞或燈不能啟動等異常情況，則應通過控制電路而使振蕩器停振，并關斷高頻產生器的輸出，避免燒毀電子元件，保護電子鎮(zhèn)流器的電路。當異常狀態(tài)消除后（如換燈管）電路就會自動地把燈點亮。

異常狀態(tài)保護常用的措施是，在整流輸出回路上以可控硅、雙極型晶體管或場效應管為核心組成保護電路。這種保護方式存在以下一些缺點：容易誤動作，設計與調試工作比較煩瑣，成本較高，占用PCB的空間較大等。

隨著新型材料的不斷創(chuàng)新，可將新型的自恢復高分子PTC熱敏電阻應用在異常保護電路中。如圖6所示，在諧振回路即諧振電容旁邊串接自恢復高分子PTC熱敏電阻，組成對電子鎮(zhèn)流器的異常保護電路：當出現(xiàn)連線脫落、燈管燈絲老化或漏氣、陽極去活化等現(xiàn)象時，PTC熱敏電阻就會在數(shù)秒內動作，迫使LC串聯(lián)諧振電路停振，從而切斷高壓，保護了逆變器中的開關器件。這種電路具有電路簡單、組裝調試方便、擴容方便等優(yōu)點。

圖6 采用自恢復PTC熱敏電阻的異常狀態(tài)保護電路

3.5 功率因數(shù)校正與諧波抑制

電子鎮(zhèn)流器實質上是一個高頻的逆變電路，工作時給電網(wǎng)造成大量的諧波干擾，同時由于波形失真而導致功率因數(shù)過低。為此采取功率因數(shù)校正（PFC：Power Factor Correction）技術來提高它的功率因數(shù)。功率因數(shù)校正有兩種方案：無源功率因數(shù)校正（Passive PFC）和有源功率因數(shù)校正（Active PFC）。

無源PFC電路簡單，成本低，在電路板上占用面積和空間小，能提高電路功率因數(shù)，最初采用的方案是逐流電路，后改進為雙泵電路及其相似的其它形式電路。

但無源PFC不能有效地降低電源總諧波失真度THD，波峰比也較大。隨著集成芯片和有源PFC技術的發(fā)展，無源PFC電路在國內外已逐漸地被有源PFC電路替代。

有源功率因數(shù)校正的基本原理可用圖7所示的電路模型來說明，它增加了一個關鍵的、起著重要作用的功率因數(shù)控制器，由它控制MOS管VT的開通與關斷，使輸入電流變成一連串的三角波，并且它的幅度按輸入電壓的正弦規(guī)律變化，使輸入電流與輸入電壓成近似的同頻同相的波形，實現(xiàn)高功率因數(shù)，抑制諧波。

圖7 有源功率因數(shù)校正電路模型

3.6 結構設計

電子鎮(zhèn)流器工作時產生的高溫，是影響電子鎮(zhèn)流器壽命的關鍵因素之一。電子鎮(zhèn)流器內部電解電容器是電子鎮(zhèn)流器內最薄弱的一個元器件，特別是它的耐溫問題，作為大家公認的規(guī)律是電容器溫度每上升100C壽命就減少一半。現(xiàn)在不少地方將燈具嵌入天花板內，更會使燈具內的溫度升高達到接近壽終時相應的溫度。

設計時可以通過結構方面的改進，達到良好的降溫效果。降低鎮(zhèn)流器表面溫度有傳導、輻射和對流3種方法。采取的措施可以是：1）選用導熱性能良好的金屬、涂漆金屬和塑料作為電子鎮(zhèn)流器的外殼，起良好的傳導、輻射作用；2）在電子鎮(zhèn)流器安裝位預留流通孔，使空氣產生對流，能有效地降低溫度；3）電子鎮(zhèn)流器與燈管之間采用一擋板，隔離燈管熱量對電子鎮(zhèn)流器的影響。

完成電路與結構設計后，還需要做好電子鎮(zhèn)流器的批量生產，在批量生產的前提下調整工藝與過程管理，確保設計合理、器件優(yōu)選搭配得當、生產過程控制得法，保證產品的一致性、可靠性和高性價比。

3.7 電子鎮(zhèn)流器與燈管的選配要求

電子鎮(zhèn)流器和燈管都符合標準要求，但配置后卻可能會出現(xiàn)燈管發(fā)黑、光通量不足、衰減過快等現(xiàn)象，這主要關系到電子鎮(zhèn)流器與燈管的選配問題，除前述討論之外，電子鎮(zhèn)流器對燈管的影響還體現(xiàn)在以下幾方面：

3.7.1 電子鎮(zhèn)流器工作頻率與燈管發(fā)光效率

電子鎮(zhèn)流器適當?shù)靥岣邿艄艿墓ぷ黝l率，可以提高燈管的發(fā)光效率。這是因為，隨著頻率的提高，可以減少管壁復合導致的電離損失，減少電子和惰性氣體原子和汞原子的彈性碰撞損失，減少電子能量麥克斯韋爾分布中超出2537 A的無效輻射能量。例如：當頻率從10 kHz漸增大到60 kHz時，光效將有明顯的提高，增幅在30左右。

3.7.2 電子鎮(zhèn)流器與燈管的功率匹配

燈管有一個最佳的管壓、管流和適當?shù)墓鼙谪摵煞秶?。電子?zhèn)流器承載的最佳功率是一定的。匹配不同功率的燈管，應選用對應功率的電子鎮(zhèn)流器。在當前寬電壓適應技術不成熟的時候，盡量不選用功率范圍大的電子鎮(zhèn)流器，否則不能同時滿足燈管的各項指標。我們應當按燈管設計管壓、管流來設計和選用電壓、功率相配的電子鎮(zhèn)流器，保證熒光燈照明電路長期穩(wěn)定地工作。

3.7.3 波峰系數(shù)和燈管壽命

電子鎮(zhèn)流器應提供給燈管穩(wěn)定的工作狀態(tài)，輸出電流波峰系數(shù)不得過大，否則直接影響燈管的壽命。熒光燈壽命主要是由陰極的發(fā)射能力所決定的，在正常情況下，陰極位降及熱點的適當溫度就可使足夠量的電子擺脫逸出功發(fā)射出來成為陰極電流，從而保持放電的基本平衡。如果陰極熱點溫度過高就會引起陰極發(fā)射物質的過分蒸發(fā)。國家標準規(guī)定波峰系數(shù)應≤1.7，但功率因數(shù)、諧波含量、波峰系數(shù)之間的關系不太容易兼顧，所以在設計中應注意調整它們之間的關系。

燈管與電子鎮(zhèn)流器的匹配好壞，對壽命有著直接的影響，所以在設計時應全盤考慮，反復試驗，要選擇燈管參數(shù)相近質量穩(wěn)定的配套生產企業(yè)，并根據(jù)燈管生產廠家提供的燈管參數(shù)來考慮設計電路，盡量保證一致性，使得電子鎮(zhèn)流器與燈管有一個良好的匹配。

4 結束語

電子鎮(zhèn)流器及熒光燈電路是一個綜合的整體應用，各個環(huán)節(jié)技術的整合根據(jù)經濟指標的不同而不同，應當關注以上因素并根據(jù)實際來調整，以達到節(jié)能、穩(wěn)定、長壽命的應用要求。隨著世界經濟的發(fā)展、技術的進步、綠色照明工程的推進，電子鎮(zhèn)流器現(xiàn)正向著節(jié)能、高技術、人性化、高智能化的方向發(fā)展。這體現(xiàn)為極寬的電壓適應性、極寬的光源適應性；恒功率輸出、可調光控制、集成應用（專用IC）、智能照明系統(tǒng)、一鎮(zhèn)流器拖多燈管、分散遙控（通過聲控、光控、時控、感控）等，如圖8所示。智能高效的電子鎮(zhèn)流器能在小區(qū)、辦公場所、公共場所、道路等的綠色照明進程中發(fā)揮至關重要的作用。

圖8 全功能電子鎮(zhèn)流器的基本結構

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