HID灯对镇流器的要求及工作电路的选择

XJzy

HID灯是一种高气压放电灯，其放电的“伏一安”性能呈负阻特性，因此在灯的工作电路中需连接限流器件，即通常称为镇流器。HID灯多数工作在交流状态下，采用电抗器件作为镇流器。HID灯有不同的种类，根据灯的类型及其应用的需求，可配置不同形式的镇流器电路，以求得镇流器电路和灯的最佳匹配。作为一般照明用的常用HID灯有高压汞灯、高压钠灯和金卤灯。高压汞灯是HID灯中发展最早的光源，产品性能稳定，配套的镇流器电路较成熟。高压钠灯和金卤灯是近代发展的高效节能新光源，要求镇流器能和灯有很好的匹配，以取得更好的综合效果。
高压钠灯和镇流器
高压钠灯和高压汞灯在性能上有所不同，高压钠灯内不仅有汞，还充有钠，在灯工作期间，钠和汞以液钠汞气的形式贮藏在放电管的冷端部分。高压钠灯在寿命期间，灯功率随着灯电压的变化而发生变化。这和高压汞灯的情况有所不同，高压汞灯在功率发生变化时灯电压相对地保持稳定，因为高压汞灯工作时灯内的汞蒸气压处于饱和状态下。高压钠灯的灯电压和灯功率的关系是基于在放电管内包含着过量的钠汞气而造成的。在灯工作期间，只有部分的汞和钠形成蒸气压，蒸气压的高低也即反映在灯电压上，它取决于放电管“冷端”处的温度。冷端温度的变化造成蒸气压的变化，产生灯电压的变化，从而发生灯功率的变化。在一定的功率范围内灯电压和灯功率的关系近似于线性关系。


1．1高压钠灯的特性曲线
高压钠灯的灯功率和灯电压的线性关系曲线称为灯的特性曲线，对于一个特定的灯的特性曲线，可通过在一定范围内改变电源电压或镇流器的阻抗，从而改变灯的电压和功率得到，如图1所示。当灯电压等于设计电压时，灯功率将达到设计目标功率。对相同型号，相同功率的灯有近似平行的特性曲线，如图2所示。对于那些有较高灯电压的灯，其特性曲线斜率的陡度会减小。
1．2高压钠灯镇流器的特性曲线
当高压钠灯在恒定的输入电压下连续工作时，灯电压和灯功率的变化会遵循着镇流器的特性曲线。如图3为两种典型镇流器的特性曲线。该曲线可通过测量一批带有不同特性曲线灯的灯电压和灯功率得到，或对同一个灯通过外部方法，使放电管的冷端温度升高来变化灯电压和灯功率得到。当电源电压变化时可得到一组镇流器特性曲线。如图4为在额定电源电压升高或降低时对镇流器特性曲线的影响。
1．3高压钠灯镇流器的四边形图
在高压钠灯的使用系统中存在着各种因素的变化，如：电源电压的变化、灯性能随时间的变化、灯具内反射器效率的变化、使用环境的变化等等，如何使镇流器的特性曲线适应这些动态的变化?高压钠灯的国际标准中以边界图的形式，要求镇流器能确保灯在寿命期间及任何动态变化的状况下，其电气性能参数变化限制在一定的范围内。如图5所示，高压钠灯为镇流器特性曲线规定了一个四边形图。
四边形图的上部代表着高压钠灯最大功率的极限。最大功率的极限取决于放电管最大可允许的工作温度。最大功率线通常设置在超过灯泡标称功率的20—30%左右。
四边形图的下部代表着高压钠灯最小功率的极限。设置最小功率线以确保能满足灯泡的升温特性、灯泡工作的稳定性、可接受的光的输出效率，以及光色性能等。最小功率线通常设置在低于灯标称功率的20—30%附近。
四边形图左边的最小灯电压线为灯可接受的最小灯电压的灯特性曲线。对于每种规格的高压钠灯所认同的最小灯电压都已规定在灯的性能参数表中。
四边形图右边的最大灯电压线表示为灯可允许的最高灯电压时的灯特性曲线，该曲线考虑了灯中可能出现的最大灯电压、灯寿命期间灯电压的上升、密封式灯具内灯电压的上升，以及其他变化因素。如果灯电压超出最大灯电压曲线之外，这时镇流器将不能确保灯能稳定地或持续地工作。
因此，上述四边形图可作为高压钠灯工作系统的一个规范，它包含了灯和镇流器两者的要求，也考虑了其他因素的影响。四边形图概括性地规定了镇流器设计的条件，如：
a)镇流器的特性曲线应与两条灯电压线相交，并在灯的寿命期间保持在灯功率的极限线之间。
b)镇流器的设计应使灯不仅在额定电源电压下，而且在可允许的最低或最高的电源电压下，总是工作在四边形图的区域内。
c)最佳的镇流器特性曲线要能使灯在最大电压线之前达到最大功率，然后在该点外灯功率随着灯电压的增大而减小。对于一个靠近灯设计功率线的相对比较平坦的镇流器特性曲线比相对陡峭上升和下降的特性曲线更可取。
d)为避免缩短灯的寿命，或工作的不稳定性，镇流器应能使灯远离四边形图右边最大灯电压特性外工作。
在高压钠灯的国际标准中，不同规格灯对镇流器规定了不同的四边形图的要求。如图6。
高压钠灯镇流器的制造并不复杂，但往往由于在设计、工艺及选用材料上的差异，同一规格不同厂家生产的镇流器配用高压钠灯时，呈现出不同形状的镇流器特性曲线，如图7所示。品质差的镇流器会造成灯泡使用期间超负载运行，或工作的不稳定性。
金卤灯和镇流器
金卤灯的放电管中因充人不同的金属卤化物而形成各种不同类型的金卤灯，这些不同类型的金卤灯不仅在灯的光电性能参数上有着明显的差别，而且在灯的运行和维护中对配套电器的要求也不尽相同。因此，选择合适的镇流器和相关的工作电路，以充分发挥金卤灯的性能优势是至关重要的。
2．1常用的金卤灯镇流器及工作电路
1)感抗型镇流器(Choke)
这是常用的普通型镇流器，其开路电压即为电源电压，需要借助于触发器来启动灯工作，工作电路的电压峰值因数和电流峰值因数较低，对保护放电管的电极有利，这种镇流器的成本较低，但在电源电压波动较大的情况下，控制灯功率的波动和稳定灯性能的能力较差。
2)高阻抗自耦升压式镇流器(HX Auto)
这种镇流器使用在低电源电压(如：100V/120V)的场合，或为取得高的开路电压而使灯能直接启动的场合。工作电路的峰值电压和电流峰值因数较高，控制灯陛能稳定性的能力也较差，通常这种镇流器较少采用。
3)恒功率自耦升压式镇流器(CWA)
这种镇流器由自耦漏磁升压变压器串联电容器组 成，称为恒功率镇流器，也称为超前顶峰式镇流器。该 镇流器可获得较高的开路电压，线路功率因数可达90%。在电源电压起伏较大情况下，对稳定灯的功率，维护好灯的性能起到较好的调节作用。甚至在电源电压跌落30-40%时还能使灯继续工作。但线路的电流峰值因数较高，镇流器的成本也相对较高。
4)恒功率升压式镇流器(CWl)
这种镇流器由漏磁升压变压器串联电容器组成，也是一种恒功率镇流器，它比上述CWA镇流器有更好的稳定灯功率及性能的调节作用。
5)调整式迟后型镇流器(Regulated Lag)
这种镇流器实际上是一个稳压式电器，确保金卤灯一直在稳定的电源电压下工作，可使灯获得最长的寿命和最佳的灯性能参数的维护。这种镇流器的成本较高，但对金卤灯照明的长期运行成本来说却是低的。
图8是上述镇流器的工作电路图，表1为主要性能参数的比较。
2．2金卤灯对镇流器工作电路的选择
国内用于一般照明用的金卤灯主要有Na-T1-In型、Sc-Na型，及稀土金属(Dy，Ho，Tm．．．)型等不同类型，它们分别具有不同的性能特点，并要求配用合适的镇流器。
1)Na-TI-In型金卤灯及镇流器
Na-T1-In型金卤灯来自于欧洲的制造技术，其灯的启动性能优良，配用一般的感抗型镇流工作电路，只需要在电源电压下(220V)，加上较低峰值电压(≤750V)的触发器就能启动灯工作。灯的光电性能参数稳定，具有长寿命(平均寿命20000h)，高光通维持率的特点。经过性能改进的Na-Tl-In型金卤灯，可配用同一功率类型的高压汞灯镇流器或高压钠灯镇流器工作，而金卤灯的平均寿命仍可达到规定的20000h之内。这样，这种金卤灯在没有更换原有照明装置内电器的情况下可方便地替换原有的高压汞灯或高压钠灯，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显色性能。主要参数的变化参见表2。
2)Sc-Na型金卤灯及镇流器
Sc-Na型金卤灯来自于美国的制造技术，放电管的结构相似于高压汞灯，灯工作不采用触发器而借助于镇流器的高开路电压及灯的启动电极的作用，使灯启动工作。对于这类金卤灯(175-1500W)，美国标准和我国国家标准中都推荐采用CWA镇流器工作电路，这样可提高灯工作的稳定性，确保灯的长寿命及良好的光通维持率。如果Sc-Na型金卤灯采用上述Na-T1-h金卤灯的工作电路，不仅会使灯的早期失效增加(触发器易损坏灯的启动电极)，缩短灯的平均寿命，而且增加灯的光衰。如图9为采用“感抗镇流器+触发器”工作电路的不同金卤灯的光衰曲线。
在Sc-Na型金卤灯的CWA型工作电路中，自耦漏磁升压型镇流器的性能对灯工作性能的稳定性起着重要作用。要求在灯工作期间，镇流器提供给灯并维持灯能连续工作的最低维持电压Vss能达到以下值：
Vss=C1+C2(OT)-C3(di/dt) (175-1000W)
Vss=Cl+C2(OT)-C3[exp(-0.4di/dt)] (1500W)
Vss 镇流器对灯的最低维持电压 (V)
OT 在灯电压为零时的断流时间 (ms)
di/dt 在灯电压为零时的电流变化率 (A/ms)
Cl，C2，C3为常数，取决于灯的规格，见表3。
最低维持Vss也可在美标或国标的文件中查得。
3)脉冲启动-Pulse start型(Sc—Na)金卤灯及镇流器
对于传统的Sc-Na型金卤灯采用CWA电路时有600V峰值开路电压加到放电管的启动极上，并引起较高的峰值电流，这样会影响灯的性能。脉冲启动型金卤灯是从灯和镇流器两方面进行改进，使灯与镇流器工作电路达到最佳的组合，以取得最佳的综合效果。
一方面改进放电管的结构，取消了启动电极，如图10b，并改进化学配方及制造工艺，改善灯的启动性能，从而全面地改进了灯的性能。另一方面改进镇流器的工作电路，采用触发器来启动灯工作，从而可降低镇流器的开路电压，也即降低了峰值电压及峰值电流。镇流器的工作温度也相应降低，增加了镇流器的寿命，减少维护成本。灯和镇流器工作电路改进的综合效果，使脉冲启动型金卤灯与启动极型金卤灯相比，灯的光输出提高25-50%光通维持率改善了15-25%，灯的平均寿命也提高50%以上。
表4为两种类型Sc-Na金卤灯及镇流器的主要性能参数的比较。
脉冲启动型金卤(Sc-Na)灯也可以采用性能更好的CWI和Regulated Lag的脉冲启动型工作电路，如图12。
4)小功率金卤灯及镇流器
小功率金卤灯中主要有Sc-Na型和稀土金属型(Dy，Ho，Tm．．．)两种类型，前者具有较高的光效和较长的寿命，后者有较好的显色性能，根据它们的特点，可选择使用在不同场合。这两种类型灯都采用简单的 “感抗镇流器+触发器”的工作电路， 电源输入端并接补偿电容器以改善系统的功率因数。
小功率金卤灯也可以配用电子镇流器，这些镇流器的工作频率多数为低频(<200Hz)，这样可防止放电管内产生声共振及光的闪耀。一般电子镇流器提供给灯的电流峰值因数<1．5，系统的功率因数>90%，总谐波分量（THD）<15%。小功率金卤灯配用电子镇流器后，能提高灯工作的稳定性，减少光衰，增加寿命。但这种低频的电子镇流器成本很高，因而还不能大量推广应用。
5)金卤灯镇流器的近期进展
近来，国内外都在致力于中功率金卤灯电子镇流器的开发。国外已开发成功中功率高频金卤灯电子镇流器，其工作频率>100kHz，可防止产生放电管内的声共振。该镇流器还可以实现一定范围的调光。金卤灯使用这种电子镇流器后可增加灯的光输出，极大地降低光衰，提高灯的寿命，并具有节能好的综合效果。