HID燈對(duì)鎮(zhèn)流器的要求及工作電路的選擇
HID燈是一種高氣壓放電燈，其放電的“伏一安”性能呈負(fù)阻特性，因此在燈的工作電路中需連接限流器件，即通常稱為鎮(zhèn)流器。HID燈多數(shù)工作在交流狀態(tài)下，采用電抗器件作為鎮(zhèn)流器。HID燈有不同的種類，根據(jù)燈的類型及其應(yīng)用的需求，可配置不同形式的鎮(zhèn)流器電路，以求得鎮(zhèn)流器電路和燈的最佳匹配。作為一般照明用的常用HID燈有高壓汞燈、高壓鈉燈和金鹵燈。高壓汞燈是HID燈中發(fā)展最早的光源，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，配套的鎮(zhèn)流器電路較成熟。高壓鈉燈和金鹵燈是近代發(fā)展的高效節(jié)能新光源，要求鎮(zhèn)流器能和燈有很好的匹配，以取得更好的綜合效果。
1 高壓鈉燈和鎮(zhèn)流器
高壓鈉燈和高壓汞燈在性能上有所不同，高壓鈉燈內(nèi)不僅有汞，還充有鈉，在燈工作期間，鈉和汞以液鈉汞氣的形式貯藏在放電管的冷端部分。高壓鈉燈在壽命期間，燈功率隨著燈電壓的變化而發(fā)生變化。這和高壓汞燈的情況有所不同，高壓汞燈在功率發(fā)生變化時(shí)燈電壓相對(duì)地保持穩(wěn)定，因?yàn)楦邏汗療艄ぷ鲿r(shí)燈內(nèi)的汞蒸氣壓處于飽和狀態(tài)下。高壓鈉燈的燈電壓和燈功率的關(guān)系是基于在放電管內(nèi)包含著過量的鈉汞氣而造成的。在燈工作期間，只有部分的汞和鈉形成蒸氣壓，蒸氣壓的高低也即反映在燈電壓上，它取決于放電管“冷端”處的溫度。冷端溫度的變化造成蒸氣壓的變化，產(chǎn)生燈電壓的變化，從而發(fā)生燈功率的變化。在一定的功率范圍內(nèi)燈電壓和燈功率的關(guān)系近似于線性關(guān)系。
1．1高壓鈉燈的特性曲線
高壓鈉燈的燈功率和燈電壓的線性關(guān)系曲線稱為燈的特性曲線，對(duì)于一個(gè)特定的燈的特性曲線，可通過在一定范圍內(nèi)改變電源電壓或鎮(zhèn)流器的阻抗，從而改變燈的電壓和功率得到，如圖1所示。當(dāng)燈電壓等于設(shè)計(jì)電壓時(shí)，燈功率將達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)功率。對(duì)相同型號(hào)，相同功率的燈有近似平行的特性曲線，如圖2所示。對(duì)于那些有較高燈電壓的燈，其特性曲線斜率的陡度會(huì)減小。
1．2高壓鈉燈鎮(zhèn)流器的特性曲線
當(dāng)高壓鈉燈在恒定的輸入電壓下連續(xù)工作時(shí)，燈電壓和燈功率的變化會(huì)遵循著鎮(zhèn)流器的特性曲線。如圖3為兩種典型鎮(zhèn)流器的特性曲線。該曲線可通過測(cè)量一批帶有不同特性曲線燈的燈電壓和燈功率得到，或?qū)ν粋€(gè)燈通過外部方法，使放電管的冷端溫度升高來變化燈電壓和燈功率得到。當(dāng)電源電壓變化時(shí)可得到一組鎮(zhèn)流器特性曲線。如圖4為在額定電源電壓升高或降低時(shí)對(duì)鎮(zhèn)流器特性曲線的影響。
1．3高壓鈉燈鎮(zhèn)流器的四邊形圖
在高壓鈉燈的使用系統(tǒng)中存在著各種因素的變化，如：電源電壓的變化、燈性能隨時(shí)間的變化、燈具內(nèi)反射器效率的變化、使用環(huán)境的變化等等，如何使鎮(zhèn)流器的特性曲線適應(yīng)這些動(dòng)態(tài)的變化?高壓鈉燈的國際標(biāo)準(zhǔn)中以邊界圖的形式，要求鎮(zhèn)流器能確保燈在壽命期間及任何動(dòng)態(tài)變化的狀況下，其電氣性能參數(shù)變化限制在一定的范圍內(nèi)。如圖5所示，高壓鈉燈為鎮(zhèn)流器特性曲線規(guī)定了一個(gè)四邊形圖。
四邊形圖的上部代表著高壓鈉燈最大功率的極限。最大功率的極限取決于放電管最大可允許的工作溫度。最大功率線通常設(shè)置在超過燈泡標(biāo)稱功率的20—30％左右。
四邊形圖的下部代表著高壓鈉燈最小功率的極限。設(shè)置最小功率線以確保能滿足燈泡的升溫特性、燈泡工作的穩(wěn)定性、可接受的光的輸出效率，以及光色性能等。最小功率線通常設(shè)置在低于燈標(biāo)稱功率的20—30％附近。
四邊形圖左邊的最小燈電壓線為燈可接受的最小燈電壓的燈特性曲線。對(duì)于每種規(guī)格的高壓鈉燈所認(rèn)同的最小燈電壓都已規(guī)定在燈的性能參數(shù)表中。
四邊形圖右邊的最大燈電壓線表示為燈可允許的最高燈電壓時(shí)的燈特性曲線，該曲線考慮了燈中可能出現(xiàn)的最大燈電壓、燈壽命期間燈電壓的上升、密封式燈具內(nèi)燈電壓的上升，以及其他變化因素。如果燈電壓超出最大燈電壓曲線之外，這時(shí)鎮(zhèn)流器將不能確保燈能穩(wěn)定地或持續(xù)地工作。
因此，上述四邊形圖可作為高壓鈉燈工作系統(tǒng)的一個(gè)規(guī)范，它包含了燈和鎮(zhèn)流器兩者的要求，也考慮了其他因素的影響。四邊形圖概括性地規(guī)定了鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)的條件，如：
a)鎮(zhèn)流器的特性曲線應(yīng)與兩條燈電壓線相交，并在燈的壽命期間保持在燈功率的極限線之間。
b)鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)應(yīng)使燈不僅在額定電源電壓下，而且在可允許的最低或最高的電源電壓下，總是工作在四邊形圖的區(qū)域內(nèi)。
c)最佳的鎮(zhèn)流器特性曲線要能使燈在最大電壓線之前達(dá)到最大功率，然后在該點(diǎn)外燈功率隨著燈電壓的增大而減小。對(duì)于一個(gè)靠近燈設(shè)計(jì)功率線的相對(duì)比較平坦的鎮(zhèn)流器特性曲線比相對(duì)陡峭上升和下降的特性曲線更可取。
d)為避免縮短燈的壽命，或工作的不穩(wěn)定性，鎮(zhèn)流器應(yīng)能使燈遠(yuǎn)離四邊形圖右邊最大燈電壓特性外工作。
在高壓鈉燈的國際標(biāo)準(zhǔn)中，不同規(guī)格燈對(duì)鎮(zhèn)流器規(guī)定了不同的四邊形圖的要求。如圖6。
高壓鈉燈鎮(zhèn)流器的制造并不復(fù)雜，但往往由于在設(shè)計(jì)、工藝及選用材料上的差異，同一規(guī)格不同廠家生產(chǎn)的鎮(zhèn)流器配用高壓鈉燈時(shí)，呈現(xiàn)出不同形狀的鎮(zhèn)流器特性曲線，如圖7所示。品質(zhì)差的鎮(zhèn)流器會(huì)造成燈泡使用期間超負(fù)載運(yùn)行，或工作的不穩(wěn)定性。
2 金鹵燈和鎮(zhèn)流器
金鹵燈的放電管中因充人不同的金屬鹵化物而形成各種不同類型的金鹵燈，這些不同類型的金鹵燈不僅在燈的光電性能參數(shù)上有著明顯的差別，而且在燈的運(yùn)行和維護(hù)中對(duì)配套電器的要求也不盡相同。因此，選擇合適的鎮(zhèn)流器和相關(guān)的工作電路，以充分發(fā)揮金鹵燈的性能優(yōu)勢(shì)是至關(guān)重要的。
2．1常用的金鹵燈鎮(zhèn)流器及工作電路
1)感抗型鎮(zhèn)流器(Choke)
這是常用的普通型鎮(zhèn)流器，其開路電壓即為電源電壓，需要借助于觸發(fā)器來啟動(dòng)燈工作，工作電路的電壓峰值因數(shù)和電流峰值因數(shù)較低，對(duì)保護(hù)放電管的電極有利，這種鎮(zhèn)流器的成本較低，但在電源電壓波動(dòng)較大的情況下，控制燈功率的波動(dòng)和穩(wěn)定燈性能的能力較差。
2)高阻抗自耦升壓式鎮(zhèn)流器(HX Auto)
這種鎮(zhèn)流器使用在低電源電壓(如：100V／120V)的場(chǎng)合，或?yàn)槿〉酶叩拈_路電壓而使燈能直接啟動(dòng)的場(chǎng)合。工作電路的峰值電壓和電流峰值因數(shù)較高，控制燈陛能穩(wěn)定性的能力也較差，通常這種鎮(zhèn)流器較少采用。
3)恒功率自耦升壓式鎮(zhèn)流器(CWA)
這種鎮(zhèn)流器由自耦漏磁升壓變壓器串聯(lián)電容器組 成，稱為恒功率鎮(zhèn)流器，也稱為超前頂峰式鎮(zhèn)流器。該 鎮(zhèn)流器可獲得較高的開路電壓，線路功率因數(shù)可達(dá)90％。在電源電壓起伏較大情況下，對(duì)穩(wěn)定燈的功率，維護(hù)好燈的性能起到較好的調(diào)節(jié)作用。甚至在電源電壓跌落30-40％時(shí)還能使燈繼續(xù)工作。但線路的電流峰值因數(shù)較高，鎮(zhèn)流器的成本也相對(duì)較高。
4)恒功率升壓式鎮(zhèn)流器(CWl)
這種鎮(zhèn)流器由漏磁升壓變壓器串聯(lián)電容器組成，也是一種恒功率鎮(zhèn)流器，它比上述CWA鎮(zhèn)流器有更好的穩(wěn)定燈功率及性能的調(diào)節(jié)作用。
5)調(diào)整式遲后型鎮(zhèn)流器(Regulated Lag)
這種鎮(zhèn)流器實(shí)際上是一個(gè)穩(wěn)壓式電器，確保金鹵燈一直在穩(wěn)定的電源電壓下工作，可使燈獲得最長(zhǎng)的壽命和最佳的燈性能參數(shù)的維護(hù)。這種鎮(zhèn)流器的成本較高，但對(duì)金鹵燈照明的長(zhǎng)期運(yùn)行成本來說卻是低的。
圖8是上述鎮(zhèn)流器的工作電路圖，表1為主要性能參數(shù)的比較。
2．2金鹵燈對(duì)鎮(zhèn)流器工作電路的選擇
目前在國內(nèi)用于一般照明用的金鹵燈主要有Na-T1-In型、Sc-Na型，及稀土金屬(Dy，Ho，Tm．．．)型等不同類型，它們分別具有不同的性能特點(diǎn)，并要求配用合適的鎮(zhèn)流器。
1)Na-TI-In型金鹵燈及鎮(zhèn)流器
Na-T1-In型金鹵燈來自于歐洲的制造技術(shù)，其燈的啟動(dòng)性能優(yōu)良，配用一般的感抗型鎮(zhèn)流工作電路，只需要在電源電壓下(220V)，加上較低峰值電壓(≤750V)的觸發(fā)器就能啟動(dòng)燈工作。燈的光電性能參數(shù)穩(wěn)定，具有長(zhǎng)壽命(平均壽命20000h)，高光通維持率的特點(diǎn)。經(jīng)過性能改進(jìn)的Na-Tl-In型金鹵燈，可配用同一功率類型的高壓汞燈鎮(zhèn)流器或高壓鈉燈鎮(zhèn)流器工作，而金鹵燈的平均壽命仍可達(dá)到規(guī)定的20000h之內(nèi)。這樣，這種金鹵燈在沒有更換原有照明裝置內(nèi)電器的情況下可方便地替換原有的高壓汞燈或高壓鈉燈，它比前者提高了光效并改善了光色，也比后者大大地改善了顯色性能。主要參數(shù)的變化參見表2。
2)Sc-Na型金鹵燈及鎮(zhèn)流器
Sc-Na型金鹵燈來自于美國的制造技術(shù)，放電管的結(jié)構(gòu)相似于高壓汞燈，燈工作不采用觸發(fā)器而借助于鎮(zhèn)流器的高開路電壓及燈的啟動(dòng)電極的作用，使燈啟動(dòng)工作。對(duì)于這類金鹵燈(175-1500W)，美國標(biāo)準(zhǔn)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)中都推薦采用CWA鎮(zhèn)流器工作電路，這樣可提高燈工作的穩(wěn)定性，確保燈的長(zhǎng)壽命及良好的光通維持率。如果Sc-Na型金鹵燈采用上述Na-T1-h金鹵燈的工作電路，不僅會(huì)使燈的早期失效增加(觸發(fā)器易損壞燈的啟動(dòng)電極)，縮短燈的平均壽命，而且增加燈的光衰。如圖9為采用“感抗鎮(zhèn)流器+觸發(fā)器”工作電路的不同金鹵燈的光衰曲線。
在Sc-Na型金鹵燈的CWA型工作電路中，自耦漏磁升壓型鎮(zhèn)流器的性能對(duì)燈工作性能的穩(wěn)定性起著重要作用。要求在燈工作期間，鎮(zhèn)流器提供給燈并維持燈能連續(xù)工作的最低維持電壓Vss能達(dá)到以下值：
Vss=C1+C2(OT)-C3(di／dt) (175-1000W)
Vss=Cl+C2(OT)-C3[exp(-0.4di／dt)] (1500W)
Vss 鎮(zhèn)流器對(duì)燈的最低維持電壓 (V)
OT 在燈電壓為零時(shí)的斷流時(shí)間 (ms)
di／dt 在燈電壓為零時(shí)的電流變化率 (A／ms)
Cl，C2，C3為常數(shù)，取決于燈的規(guī)格，見表3。
最低維持Vss也可在美標(biāo)或國標(biāo)的文件中查得。
3)脈沖啟動(dòng)-Pulse start型(Sc—Na)金鹵燈及鎮(zhèn)流器
對(duì)于傳統(tǒng)的Sc-Na型金鹵燈采用CWA電路時(shí)有600V峰值開路電壓加到放電管的啟動(dòng)極上，并引起較高的峰值電流，這樣會(huì)影響燈的性能。脈沖啟動(dòng)型金鹵燈是從燈和鎮(zhèn)流器兩方面進(jìn)行改進(jìn)，使燈與鎮(zhèn)流器工作電路達(dá)到最佳的組合，以取得最佳的綜合效果。
一方面改進(jìn)放電管的結(jié)構(gòu)，取消了啟動(dòng)電極，如圖10b，并改進(jìn)化學(xué)配方及制造工藝，改善燈的啟動(dòng)性能，從而全面地改進(jìn)了燈的性能。另一方面改進(jìn)鎮(zhèn)流器的工作電路，采用觸發(fā)器來啟動(dòng)燈工作，從而可降低鎮(zhèn)流器的開路電壓，也即降低了峰值電壓及峰值電流。鎮(zhèn)流器的工作溫度也相應(yīng)降低，增加了鎮(zhèn)流器的壽命，減少維護(hù)成本。燈和鎮(zhèn)流器工作電路改進(jìn)的綜合效果，使脈沖啟動(dòng)型金鹵燈與啟動(dòng)極型金鹵燈相比，燈的光輸出提高25-50％光通維持率改善了15-25％，燈的平均壽命也提高50％以上。
表4為兩種類型Sc-Na金鹵燈及鎮(zhèn)流器的主要性能參數(shù)的比較。
脈沖啟動(dòng)型金鹵(Sc-Na)燈也可以采用性能更好的CWI和Regulated Lag的脈沖啟動(dòng)型工作電路，如圖12。
4)小功率金鹵燈及鎮(zhèn)流器
小功率金鹵燈中主要有Sc-Na型和稀土金屬型(Dy，Ho，Tm．．．)兩種類型，前者具有較高的光效和較長(zhǎng)的壽命，后者有較好的顯色性能，根據(jù)它們的特點(diǎn)，可選擇使用在不同場(chǎng)合。這兩種類型燈都采用簡(jiǎn)單的 “感抗鎮(zhèn)流器+觸發(fā)器”的工作電路， 電源輸入端并接補(bǔ)償電容器以改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。
小功率金鹵燈也可以配用電子鎮(zhèn)流器，這些鎮(zhèn)流器的工作頻率多數(shù)為低頻(<200Hz)，這樣可防止放電管內(nèi)產(chǎn)生聲共振及光的閃耀。一般電子鎮(zhèn)流器提供給燈的電流峰值因數(shù)<1．5，系統(tǒng)的功率因數(shù)>90％，總諧波分量（THD）<15％。小功率金鹵燈配用電子鎮(zhèn)流器后，能提高燈工作的穩(wěn)定性，減少光衰，增加壽命。但這種低頻的電子鎮(zhèn)流器成本很高，因而還不能大量推廣應(yīng)用。
5)金鹵燈鎮(zhèn)流器的近期進(jìn)展
近來，國內(nèi)外都在致力于中功率金鹵燈電子鎮(zhèn)流器的開發(fā)。國外已開發(fā)成功中功率高頻金鹵燈電子鎮(zhèn)流器，其工作頻率>100kHz，可防止產(chǎn)生放電管內(nèi)的聲共振。該鎮(zhèn)流器還可以實(shí)現(xiàn)一定范圍的調(diào)光。金鹵燈使用這種電子鎮(zhèn)流器后可增加燈的光輸出，極大地降低光衰，提高燈的壽命，并具有節(jié)能好的綜合效果。燈和鎮(zhèn)流器的主要性能參數(shù)比較見表5及圖13。
參考文獻(xiàn)
1 IEC 60662-1997 High pressure sodium vapour lamps.
2 ANSI C78.387-1987 American National Standard for ElectricLamps-Metal Halide Lamps-Metal of Measuring Characteristics.