便攜式低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)

陶威，潘忠泉，楊欣欣，李昕，董俊偉

（山東非金屬材料研究所，濟(jì)南 250000）

低壓鈉燈是一種高效的氣體放電光源，在光學(xué)計(jì)量、實(shí)驗(yàn)室照明等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。在光學(xué)計(jì)量方面，實(shí)驗(yàn)室用波長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)器具有傳遞計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一光譜量值的重要任務(wù)[2]；在照明應(yīng)用方面，低壓鈉燈產(chǎn)生的輻射光譜波長(zhǎng)與人眼視見函數(shù)光譜曲線峰值接近，因此在多種場(chǎng)合下被視作一種發(fā)光效率極高的照明光源[3]，同時(shí)，憑借于10 000 h的使用壽命和相對(duì)較低的功耗，低壓鈉燈被視為一種典型的綠色照明方式，成為節(jié)約化石能源、保護(hù)自然環(huán)境的重要措施[4?5]。作為典型的氣體放電燈，低壓鈉燈工作時(shí)需要附加鎮(zhèn)流電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)有的低壓鈉燈鎮(zhèn)流器在質(zhì)量和性能方面無法滿足低壓鈉燈廣泛使用的需求[6]，因此，需要研制一種輸出穩(wěn)定、功耗低的便攜式低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器。

1 低壓鈉燈伏安特性分析

低壓鈉燈作為氣體放電光源，其原理是依靠鈉蒸氣放電產(chǎn)生可見光，實(shí)現(xiàn)電到光的轉(zhuǎn)換[7?8]。鈉燈啟動(dòng)時(shí)，電極兩端產(chǎn)生電弧，電弧產(chǎn)生的高溫使鈉元素蒸發(fā)為氣體狀態(tài)；同時(shí)陰極發(fā)射的電子向陽極運(yùn)動(dòng)，撞擊放電物質(zhì)，使鈉原子獲得能量產(chǎn)生電離激發(fā)，最后恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，在這一循環(huán)過程中，多余的能量轉(zhuǎn)化為光輻射[9]。作為高強(qiáng)度氣體放電燈，單獨(dú)加壓的鈉燈工作狀態(tài)并不穩(wěn)定，在電路中呈現(xiàn)負(fù)阻特性。

如圖1 所示，低壓鈉燈啟輝時(shí)，工作曲線a 呈負(fù)伏安特性，基于電路瞬時(shí)動(dòng)態(tài)特性分析，隨著工作電流的增加，會(huì)在電路中產(chǎn)生一個(gè)與原電壓同向的過剩電壓，使電流繼續(xù)增加直至過載；同理，工作電流減小時(shí)，會(huì)在電路中產(chǎn)生一個(gè)與原電壓反向的欠缺電壓，使電流持續(xù)減小直至鈉燈熄滅[10]，因此，需要在低壓鈉燈工作電路中串聯(lián)一個(gè)正伏安特性曲線的鎮(zhèn)流電路，補(bǔ)償?shù)蛪衡c燈負(fù)伏安特性，使整個(gè)電路呈現(xiàn)正伏安特性并增加工作曲線的線性度。

圖1 低壓鈉燈伏安特性曲線

2 典型鎮(zhèn)流器對(duì)比

2.1 電感鎮(zhèn)流器

電感鎮(zhèn)流器主要由兩部分組成，一部分是用硅鋼片疊加而成的鐵芯，一部分是由漆包線繞制而成的線圈，其物理性質(zhì)決定電感鎮(zhèn)流器具有成本低廉、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。隨著氣體放電燈(如鈉燈等)技術(shù)的進(jìn)步，電感鎮(zhèn)流器體積大、功耗高以及工作時(shí)伴隨噪聲的缺點(diǎn)，導(dǎo)致現(xiàn)有電感鎮(zhèn)流器與新型氣體放電燈的性能指標(biāo)不相匹配。

2.2 單一電子鎮(zhèn)流器

單一電子鎮(zhèn)流器由具備基本鎮(zhèn)流功能的簡(jiǎn)單元器件構(gòu)成，能在電路穩(wěn)態(tài)下實(shí)現(xiàn)低壓鈉燈等氣體放電燈的啟輝和持續(xù)工作，但不具備電路異常保護(hù)功能，功率因數(shù)低，功耗高，無法廣泛應(yīng)用于持續(xù)變換的交流電路。

2.3 無源濾波高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器

在單一電子鎮(zhèn)流器的基礎(chǔ)上，加入無源功率因數(shù)校正電路，用于低壓鈉燈工作狀態(tài)下的過功率保護(hù)(OPP)，在提升低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的可靠性及電性能的基礎(chǔ)上有效降低成本。其缺點(diǎn)是配備無源濾波高功率因數(shù)電子鎮(zhèn)流器的低壓鈉燈電流波峰系數(shù)高于GB/T 15144—1994 規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值1.7，使得燈的使用壽命降低，抗電磁干擾能力差。

綜上，應(yīng)在現(xiàn)有電子鎮(zhèn)流器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)帶有電磁濾波、功率控制及頻率固定功能的新型電子鎮(zhèn)流器，并充分考慮鎮(zhèn)流器各電路環(huán)節(jié)的適配性，在提升電學(xué)性能的同時(shí)保證鎮(zhèn)流器的便攜性能。

3 低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)

低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器由電路及機(jī)械殼體兩部分組成，電路設(shè)計(jì)保證鎮(zhèn)流器的電參數(shù)，機(jī)械殼體保障鎮(zhèn)流器機(jī)械強(qiáng)度及環(huán)境適應(yīng)性。

3.1 低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器電路設(shè)計(jì)

為保證低壓鈉燈在市電工頻環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)在鎮(zhèn)流電路中設(shè)計(jì)電磁濾波、功率因數(shù)校正與恒功率控制、LC諧振以及反饋控制模塊。低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器工作流程如圖2所示。其中反饋控制模塊的功能主要為調(diào)節(jié)電磁濾波、功率因數(shù)校正及恒功率控制以及LC 諧振電路的關(guān)鍵電氣參數(shù)，以便于鎮(zhèn)流器能夠在多環(huán)境、多場(chǎng)景下使用。此處采用工業(yè)設(shè)計(jì)中最為常用的PI反饋控制，并將算法嵌入系統(tǒng)控制芯片，以完善硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[11]。

圖2 便攜式低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器工作流程圖

低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器供電電路中存在的電磁干擾，主要是指高次諧波反饋回輸入端造成的傳導(dǎo)干擾[12?13]，因此需要加入電磁濾波電路進(jìn)行電磁信號(hào)傳導(dǎo)干擾抑制。為保證電路簡(jiǎn)單可靠，設(shè)計(jì)π 型電磁濾波電路作為交流輸入的第一環(huán)節(jié)。電磁濾波電路圖如圖3所示。

圖3 電磁濾波電路

功率因數(shù)校正及恒功率控制模塊基于功率因數(shù)控制芯片，利用場(chǎng)效應(yīng)管的切換，使輸入電流與電壓波形一致，電路獲得高功率因數(shù)，穩(wěn)定輸出電壓。此時(shí)，只要保證輸入端的平均電流為穩(wěn)定值，就能保證鈉燈燈管端的輸出功率為恒定值[14?15]。功率因數(shù)校正及恒功率控制電路圖如圖4所示。

圖4 功率因數(shù)校正及恒功率控制電路

LC諧振電路由L4、C10構(gòu)成LC諧振環(huán)(如圖5所示)，將輸出頻率固定為f=。

圖5 LC諧振電路

3.2 低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器機(jī)械殼體設(shè)計(jì)

為提高低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器便攜性，在電路板設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行鎮(zhèn)流器機(jī)械框架設(shè)計(jì)。鎮(zhèn)流器機(jī)械框架采用分體式設(shè)計(jì)，自上而下共包含燈座、頂板、側(cè)板及底板四個(gè)部分，各部分之間用十字槽圓柱頭螺絲緊固。鎮(zhèn)流器機(jī)械框架如圖6所示。

圖6 鎮(zhèn)流器機(jī)械框架

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上功能電路及機(jī)械外殼設(shè)計(jì)方案，完成樣機(jī)制造，并進(jìn)行性能測(cè)試。采用GP20NA-1 型低壓鈉燈作為輸出對(duì)象進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在鈉燈點(diǎn)亮后正常工作條件下，使用UTD2102CEX 型示波器以1KHz 采樣率進(jìn)行鎮(zhèn)流器輸出電壓和電流的采集，采集時(shí)間為60 s，所得輸出電壓、電流數(shù)據(jù)分別如圖7 和圖8 所示。由圖7 和圖8 曲線可知，所設(shè)計(jì)鎮(zhèn)流器的輸出電壓范圍為13.768～13.818 V，均值為13.785 V，誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.02 V，在試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，電壓輸出穩(wěn)定。鎮(zhèn)流器輸出電流范圍為1.388～1.426 A，均值為1.407 A，誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.01 A，電流輸出穩(wěn)定。根據(jù)以上結(jié)果，鎮(zhèn)流器功率不大于20 W，在實(shí)際使用環(huán)境中的功率波動(dòng)不超過0.001 W，能夠有效保證低壓鈉燈光譜的輻射強(qiáng)度穩(wěn)定性。

圖7 低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器輸出電壓

圖8 低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器輸出電流

在此工作條件下，進(jìn)行低壓鈉燈光譜測(cè)試，光譜曲線如圖9所示。由圖9可知，低壓鈉燈輻射光譜穩(wěn)定于589.3 nm，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的技術(shù)目標(biāo)。

圖9 低壓鈉燈光譜曲線

5 結(jié)語

在分析低壓鈉燈伏安特性曲線的基礎(chǔ)上，提出低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器設(shè)計(jì)要求，以保證便攜式低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器具備小型化、便攜式的典型特征，設(shè)計(jì)電磁濾波電路、功率因數(shù)校正及恒功率控制電路、LC 諧振電路以及配套反饋控制電路實(shí)現(xiàn)低壓鈉燈高性能、低功耗穩(wěn)定工作。在低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器工作狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器工作狀態(tài)穩(wěn)定，性能可靠，符合實(shí)驗(yàn)室光學(xué)計(jì)量及綠色照明技術(shù)要求。