| 河北联合大学轻工学院 河北唐山 063000 河北联合大学继续教育学院 河北唐山 063000 河北联合大学轻工学院 河北唐山 063000 【文章摘要】 金属卤化物灯作为一种新型高效 光源，传统电感式镇流器已经不能满 足其需要。本文介绍了金卤灯的发光 原理和启动过程，根据其动态和稳态 特性，结合电子镇流器的控制方法， 研究采用低频方波工作模式，系统结 构由功率因数校正（PFC）电路、DC/ DC 电路、DC/AC 电路、触发器和数字 控制器五部分组成。采用数字控制方 法，实现镇流器与灯的特性匹配，避 免了金卤灯出现的声谐振现象。 【关键词】 金属卤化物灯；电子镇流器；数字控 制；声谐振 0 引言 金属卤化物灯作为第三代照明光源， 具有发光效率高、显色性能好、寿命长等 特点，广泛应用于大型商场、工业厂房、街 道广场、车站等场所的照明。新型、节能、 高效的光源需要高效率的镇流器来驱动， 传统的电感式镇流器体积大、效率低，不 能满足高效的电光源需求，而电子镇流器 降低了电路的复杂度，提高了系统的稳定 性和可靠性，为金属卤化物灯的发展创造 了条件。电子镇流器是指采用电子技术驱 动电光源，使之产生所需照明的电子设 备。金属卤化物灯如同所有的气体放电灯 一样, 在灯的整个寿命期间都需要镇流器 加以启动及运行。本文概述了金卤灯的发 光原理和启动过程，研究采用低频方波工 作模式，设计基于数字控制金属卤化物灯 电子镇流器的系统结构，避免了金卤灯的 声谐振现象，使镇流器能够与灯启动阶段 的负载特性相匹配，能够达到较好的启动 效果。 1 金卤灯启动过程 金卤灯启动过程一般可分为上电、点 火、过渡、升压和稳态五个过程。电子镇流 器只要和金卤灯的启动特性一致，金卤灯 才能被点亮。在启动的五个过程中，电子 镇流器要采用不同的控制策略，使得灯能 够从一个阶段顺利地进入下一个阶段，最 后直到稳态过程。 上电过程是在金卤灯点火击穿以前， 灯负载相当于与开路，为了使得点火阶段 能够正常，必须要有足够高的开路电压。 开路电压通过启动电路供给金卤灯足够 高的电压脉冲，从而将灯管击穿。 点火过程是金卤灯在启动时呈现冷 的状态， 3-5KV 电压就可以满足要求，但 是要实现热启动则需要达到23KV-30KV 电压，电压所产生的脉冲要保持几十微 秒，产生的时间越短越好。在高压脉冲的 多次激励下，灯才会启动，进入下一过程。 过渡过程是指在启动金卤灯以后， 由于灯本身的阻值迅速降低，达到几个欧 姆，流过灯的电流只有十几安培，之后能 保持灯电弧不熄灭，激励电流是由在上电 过程已经充满了足够的电荷电容提供的。 升压过程指当金卤灯的电极经过预 热后，加载在灯的电压将缓慢上升，从20V 左右提高到稳态状态，电流将缓慢下降。 稳态过程是经过一段时间后，金卤灯 便进入稳态。需要控制好灯的功率，避免 功率太低使灯处在不稳定状态影响灯的 输出光效，或是功率太高降低灯的寿命从 而使灯损坏。 2 电子镇流器控制方法 金属卤化物灯具有光效高、显色性 高、长寿命等特点，是典型的高压气体放 电灯。因此其具有气体放电灯的负阻特 性，要采用镇流器来稳定灯的正常工作。 镇流器的作用是保证金卤灯能够稳定工 作，同时避免产生了“声谐振”现象。 电子镇流器的基本功能包括两个方 面：使灯能够可靠的启动并以尽量短的时 间进入弧光放电状态；当灯进入稳态后， 使灯工作在恒功率状态。常使用的电子镇 流器的控制方法有以下两种 ：恒流控制和 恒功率控制。 2.1 恒流控制 恒流控制采样量少只需要采样灯的 电流值，可以在模拟电路中串接采样电阻 进行电流采样。同时，恒流控制简单容易 实现只要运用一个运算放大器组成PI 运 算电路，采用灯的等效内阻变化来控制灯 的启动阶段。 2.2 恒功率控制 为了解决恒流控制过程中，过功率 输出加速灯老化的问题，可采用恒功率控 制。恒功率控制需要采样灯的电压值和电 流值，利用内部的乘法器进行运算，将运 算结果与功率指令值作差，再所得到的功 率误差值进行PI 运算。 根据金卤灯的启动过程，结合电压- 电流曲线，利用数字控制的电子镇流器， 采用分段控制的方法。在灯启动的过程 中，在不同的阶段采用不同的控制方法。 在升压阶段，开始电压比较低，可以有短 时间的恒流控制，当电压慢慢升高时，达 到一定值时，可以采用变功率控制模式。 一旦达到规定值以后，可以采用恒功率控 制模式。 3 数控金卤灯电子镇流器的系统结构 金卤灯在高频工作状态时存在“声谐 振”效应，会出现弧光的不稳定、色温的变 化甚至息弧等现象。发生声谐振现象时， 灯光输出发生波动并伴以电流电压起伏， 此时灯电压电流有效值会出现一个低频 (5-20Hz) 的波动，将导致灯光闪烁，严重 影响了照明效果。为了解决这个问题，本 文采用低频方波工作模式和数字控制方 法，达到电子镇流器与金卤灯不同阶段的 不同负载特性相匹配，使金卤灯能够实现 较好的启动效果。 为了获得较高的功率因数，减少输 入电流的谐波，PFC 电路采用升压型 BOOST DC/DC 变换器，由MC34262 芯片 进行控制，将120V 交流电转换为240V 直 流电，为DC/DC 电路提供了稳定的输入电 压，减少外部电网电压的波动影响。 DC/DC 电路起到恒功率控制作用，主 要由BUCK 电路组成，主开关上的损耗可 以通过调节电感的参数降低开通电压来 有效减少。BUCK 电路采用数字控制模块 实现输出的恒流、变功率和恒功率过程， 同时起到开路和短路保护。 4 总结 由于金卤灯在高频工作时存在“声谐 振”现象，使灯光输出发生波动并伴以电 流电压起伏，出现闪烁现象。电子镇流器 能够使灯可靠的启动并以尽量短的时间 进入弧光放电状态，当灯进入稳态后，使 灯工作在恒功率状态。本文采用数控式电 子整流器控制金卤灯，使工作在低频方波 状态，设计了具有五部分的系统结构，使 金卤灯具有较好的动态和稳态特性，对金 卤灯的应用和发展具有重要的意义。 【参考文献】 [1]R L Lin，Z Q Wang. 2. 65MHz self-oscillating electronic ballast with constant-lamp-current control for metal halide lamp ［J］.2007，22(3) :839- 844 [2]Zhuang Zuo，Dianguo Xu，Xiangjun Zhang，et al. Design of a novel lowfrequency square-wave digital electronic ballast for HID lamps ［C］. 2007. 3112-3116 [3] 周太明，周详，蔡伟新．光源原理与 设计[M]．复旦大学出版社．245- 256 [4] 程为彬，钟彦儒，金舜，李宏,HID 灯 电子镇流器有源功率因数校正电 路设计，电力电子技术［J］，2005, 39(5) 97-98 [5] 陶彦辉，费新元，沈建华，阮景义， 高强度放电灯电子镇流器启动技 术研究与设计，电力电子技术［J］， 2009, 43 (6) 42-43 |
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