气体放电灯的驱动原理

云知光照明微课堂2022-05-09 15:41:41



编辑手记:


上期我们从灯具的鼻祖--白炽灯开始,为大家讲解了照明导线载流量的计算方法,什么鬼?!白炽灯也有驱动器?(点击题目即可阅读)。其实,白炽灯也是有驱动器的,但白炽灯的驱动器还是最为简单电源线。照明行业发展到今天,白炽灯基本已经属于淘汰产品,只有在一些比较落后的地区还能依稀看到它们的身影。


今天,我们来谈谈灯具驱动的发展的第二阶段:气体放电灯白炽灯经过将近 100 多年的发展,在这期间还在白炽灯的基础上研发出了卤钨灯。卤钨灯的寿命和光效都比白炽灯有较大的进步,寿命长达 2000~3000 小时,光效达到 20~25lm/W(大约比白炽灯多一倍)。颜色也不尽相同,灯内充氖气的,叫氖灯,发出桔红色光;充氩气的,发出蓝紫色光;充二氧化碳,发白色光。


下面,一起跟随驱动专家吴晓岚老师来了解气体放电灯的驱动原理吧。


照明驱动-气体放电灯

文 | 吴晓岚


1923 年,康普顿和范沃希斯点亮了第一只低压钠灯,光效达每瓦 200 多流明,但直到 1932 年以后,低压钠灯才真正进入市场。目前这些气体放电灯目前还广泛应用于我们的日常生活中。



荧光灯发展历程:

1936 年制造出荧光灯,由于管内汞蒸气压力较低,又称低气压放电灯。


1939 年,荧光灯第一次大规模使用在纽约世界博览会上,当时灯的光效约 40lm/W。


1973 年制造出采用红、绿、蓝三色窄光谱稀土荧光粉的荧光灯,称“三基色”荧光灯,光效可以提高到 80lm/W以上。


1980 年制造出紧凑型荧光灯(单端荧光灯),1991 年制造出高频无极荧光灯。


1906 年底库赫和雷欣斯凯首次发现了高压汞蒸气放电,但直到20世纪30年代才制造出高压气体放电灯—高压汞灯。


1964 年制造出金属卤化物灯。1966 年,高压钠灯出现在市场上。


要想了解气体放电灯的驱动,先要了解气体放电灯的工作原理。我们以最常见的荧光灯管来讲述气体放电灯的工作原理。



荧光灯管发光原理


荧光灯管的发光原理是由低压水银蒸汽和氩气,氪气等低压惰性气体的混合气体中放电激发产生紫外线,灯管内壁涂布荧光物质受到紫外线刺激而产生可视光。荧光物质将眼睛看不见的紫外线转换成可视光,所以荧光物质是波长的转化器。


工作时,最初需要给电极预热电流,电极产生高温,两电极间加高压即产生放电现象(即气体中有电流流动),一旦产生放电,电极受到加热,电子互相碰撞产生高温。因放电而使水银受激发产生更高的蒸汽压,电流再增加。所以灯管需要和镇流器配合一起工作,维持平衡状态。镇流器设计在最佳的放电状态。


此外,放电时电极快速发射出来的热电子与水银原子碰撞,热电子与水银原子进行能量转换。以水银原子为主的 253.7nm 紫外线被发射出来,253.7nm 的紫外线再碰撞荧光物质今儿将紫外线转换成可见光。


图:荧光灯管工作原理图。


将镇流器和荧光灯管结合在一起做成一体化照明产品就是大家常见的 CFL(Compact self-ballast Fluorescent Lamp)。


另外,在商业和工业照明领域,较为常见的气体放电灯还有 HID(High  Intensity Discharge Lamp)。HID 实际上是高压水银钠灯,高压金卤灯,高压荧光水银灯等的总称。



要满足气体放电灯正常工作的驱动器需要满足 3 个基本条件:


1、要有在荧光灯管中要有电子被激发出来。


2、荧光灯管中的水银蒸汽要被电离


3、要控制电子的数量,维持可控的电流


荧光灯的驱动有两种,传统的硅钢片镇流器和电子镇流器。


图:传统硅钢片镇流器。


图:电子镇流器。


看到电子镇流器的内部器件,是不是觉得有点现代化的气息呢?进步是有代价的。实际上,电子镇流器不光是电路变复杂,器件变多。作为驱动设计工程师还将将面临比传统镇流器更多的问题。


图:传统硅钢片镇流器接线图,图中的“S”就是启辉器,启辉器


图:启辉器内部结构图


当开关接通的时候,电源电压立即通过镇流器和灯管灯丝加到启辉器的两极。220伏的电压立即使启辉器的惰性气体电离,产生辉光放电。这一过程可分为两个阶段:



起初放电阶段


这个过程的热量使双金属片受热膨胀,因为动静触片的膨胀程度不同,U形动触片膨胀伸长,与静触片接触而接通电路,于是镇流器的两极接触。电流通过镇流器、启辉器触极和两端灯丝构成通路。这时,由于启辉器两极闭合,两极间电压为零,启动器中的氖气停止导电,辉光放电消失,导致管内温度下降,U形动触片冷却收缩,两触片分离,电路自动断开。



瞬间电离阶段


在两极断开的瞬间,电路电流突然切断,镇流器产生很大的自感电动势,与电源电压叠加后作用于管两端。灯丝受热时发射出来的大量电子,在灯管两端高电压作用下,以极大的速度由低电势端向高电势端运动。在加速运动的过程中,碰撞管内氩气分子,使之迅速电离。氩气电离生热,热量使水银产生蒸气,随之水银蒸气也被电离,并发出强烈的紫外线。在紫外线的激发下,管壁内的荧光粉发出近乎白色的可见光。


日光灯正常发光后。由于交流电不断通过镇流器的线圈,线圈中产生自感电动势,自感电动势阻碍线圈中的电流变化,这时镇流器起降压限流的作用,使电流稳定在灯管的额定电流范围内,灯管两端电压也稳定在额定工作电压范围内。由于这个电压低于启辉器的电离电压(感应电动势),所以并联在两端的启辉器也就不再起作用而被自动断开。


图:电子镇流器的接线图, 电子镇流器工作原理和内部电路。


图:传统分立元件构成的荧光灯驱动原理图


图:使用 IC 作为震荡控制的荧光灯驱动原理图


电子镇流器通过电路方式取消了启辉器,外部的接线看起来更简单些,但是内部电路比电感镇流器更复杂,当然电路的保护功能也多一些。


不管是传统的分立器件荧光灯驱动还是采用 IC 作为控制元件的驱动,最重要的是在启动的时候产生一个能击穿灯管中等离子体的高压后持续提供高频的维持电流,以保证有高频电流不断轰击汞原子进而产生紫外线,荧光粉不断地接受紫外线后就发出可见光。因此传统分立元件的荧光灯驱动中 VT 和 VT2,以及下图中使用 IC 驱动中的 M1 和 M2,都是处于工作在高频开关状态中,而且是当其中一个开关管导通的时候,另一个开关管必须要关断。


传统荧光灯驱动 VT1 和 VT2 是靠T1的感应电压正负极(感生电动势)的变化来分别驱动 VT1 和 VT2 导通,而使用 IC 的驱动则是有 IC 内部产生一个震荡波形来直接驱动 M1 和 M2。 M1和M2的开关顺序和 VT1,VT2 类似。


电感 L 和 C 就是用来控制荧光灯管内高频电流大小的阻容元件。常见的灯管启动电压和工作电压电流见下图。


图:荧光灯管的驱动电压和电流关系,电弧长度大致等于灯管长度


ANSI关于灯管电压电流和启动电压的标准要求。最后一列是启动电压。



由于气体放电灯也将逐渐退出市场,因此就不再详细地解释气体放电灯驱动的细节。下一节,我们将向大家介绍目前最流行的LED驱动。



吴晓岚

郎明纳斯光电中国区FAE(现场应用工程)经理

曾在Philips、Topstar任职

专注驱动电源的设计和开发

熟悉电源开发技术中的各类IC使用;磁性材料;电路架构等等

云知光专栏作者



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本文作者:吴晓岚

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