电子镇流器设计与制作的关键问题及优化措施

伍伟杰，贺雄文

（1.顺德职业技术学院，广东 佛山 528333；2.广州日报社，广东 广州 510121）

1 引言

从20世纪70年代以来，人类面临着世界性的能源危机，节约能源的紧迫感使人们致力于节能光源的研究与推广应用，倡导 “绿色照明”。当前，节能的荧光灯（气体放电发光）已全面取代了白炽灯（灯丝发热发光）的位置。荧光灯具有发光效率高（平均75 lm/W，而白炽灯平均为15 lm/W）、光线柔和、寿命长、耗电少的特点，一盏14瓦节能荧光灯的亮度相当于75瓦白炽灯的亮度，所以用荧光灯代替白炽灯可以使耗电量大大降低。

2 荧光灯工作原理及镇流器技术

气体放电灯（如荧光灯、霓虹灯和金卤灯）是一种具有如图1所示负阻特性的电光源，当灯电流上升时，灯管的工作电压下降，但是供电电压不会下降，多出的这点电压加到灯管后就会使灯电流进一步上升，如此循环，最终烧坏灯管或使灯管熄灭。

要使灯管正常工作，应配以如图2所示的镇流元件，用于限制和稳定灯电流。这个限流装置就叫做镇流器。a）接通电源瞬间，电源电压都加在启辉器内氖泡的两电极之间，电极瞬间击穿，管内的气体导电，使 “U”型的双金属片受热膨胀伸直而与固定电极接通。这时日光灯的灯丝通过启辉器电极与电源构成一个闭合回路。b）同时，启辉器两端的电极接通后它们之间的电压为零，启辉器停止放电。由于接触电阻小，双金属片冷却，当冷却到一定程度时，双金属片恢复到原来状态，与固定片分开。c）在此瞬间，启辉器回路中的电流突然断电，于是镇流器的两端就会产生一个比电源电压高得多的感应电压，连同电源电压一起加在灯管两端，使灯管内的惰性气体电离而产生弧光放电。如果是阴极预热式荧光灯，在荧光灯触发之前，镇流器还需要对阴极进行预热。d）随着管内温度的逐步升高，水银蒸汽游离，并猛烈地碰撞惰性气体而放电。水银蒸汽弧光放电时，辐射出紫外线，紫外线激励灯管内壁的荧光粉后发出可见光。e）荧光灯正常启动后，镇流器需要向荧光灯提供稳定的工作电流。该电流的大小必须与荧光灯的规格参数相匹配。

图1 气体放电灯的负阻特性

图2 荧光灯电路的基本结构

目前气体放电灯常用的镇流器主要有两大类：电感式镇流器和电子式镇流器。

由于电感式镇流器工作在工频市电频率，体积大、笨重，还需消耗大量的铜和硅钢等金属材料，散热困难、工作效率低、灯发光有频闪，所以电光源界的科技工作者们纷纷寻找新的镇流方法，而高频交流电子镇流器就是一种有效的方法。

电子镇流器的优点主要体现为：1）环境优点——节能，延长灯管寿命，稳定输出光通量；2）人性化优点——消除频闪，发光稳定，噪声低，可以调光；3）技术优点——功率因数高，稳定输入功率，高频谐波含量低、灯电流波动系数小、射频干扰抑制能力强、工作可靠稳定、具有过压过流保护及异常状态保护，预热启动等。

以电子镇流器构成的照明电路的基本组成为例，如图3所示：

功率因数校正和谐波抑制电路（PFC）可以防止荧光灯电路对电网造成污染，提高功率因数。一般功率因数校正电路又可分为无源功率因数校正(PPFC)和有源功率因数校正（APFC）。

逆变电路是一个DC-AC变换器，其作用是生成适用于荧光灯正常工作的20 kHz以上的高频电压和电流。

接口电路向荧光灯提供一个启动高压，以保证荧光灯能可靠地触发。通常，触发电压都是由电子镇流器中的LC串联电路提供的。LC串联谐振电路谐振产生的高压脉冲被施加在荧光灯两端将荧光灯点亮。如果是阴极预热式荧光灯，在荧光灯触发之前，还需要对阴极进行预热。

保护电路可以提高电子镇流器的安全性和可靠性，如灯开路保护或短路保护电路、过电压保护和过电流保护电路。

图3 照明电路的基本组成

3 电子镇流器制作的关键问题及优化措施

电子镇流器具有电感镇流器无法比拟的优点，但与此同时，电子镇流器亦会出现谐波含量大、流明系数低、可靠性不高、使用寿命较电感镇流器短等技术问题。为了解决好电子镇流器的缺陷，更好地发挥电子镇流器的综合性能，可从产品研发、制造生产、照明设计各个环节来采取积极的措施，关注以下几个问题：

3.1 频率选择

从电子镇流器的噪声角度而言，电子镇流器的工作频率应大于20 kHz（人耳可以听到的音频信号范围是20 Hz～20 kHz），但是从降低镇流电感磁芯的高频损耗的角度而言，电子镇流器的工作频率又不能选得太高，一般不应大于100 kHz，并且这个工作频率的大小还和具体的灯管型号有关；同时还应考虑到电子镇流器在高频工作时产生的高频干扰信号对工作于红外工作频段的家用电器等的影响。例如：对工作于RC5系统的红外遥控电路，它工作于36 kHz，所以电子镇流器的工作频率不应工作在18 kHz或36 kHz，现在30～40 kHz这个频率范围已基本被红外遥控系统使用，所以在设计电子镇流器时，不应选择这个工作频率范围。

3.2 电源端的EMC措施

在电子镇流器与外部电网的交接部分，一方面电子镇流器对外部电网有谐波干扰，另一方面，外部电网也对电子镇流器产生干扰作用。

为此采取的EMC措施是，在整流电路之前增设滤波电路，通常的电路模型如图4所示，共模电感L、差模电容C1与共模电容Cy一起组成EMI滤波器，用于差模／共模方式的EMI／RFI的抑制。

图4 电源前端滤波电路模型

针对不同的电子镇流器产品，滤波电路的元件参数需实测并不断调整，直到符合相应的国家标准为止。对于干扰严重、或在高低频段出现不达标的情况，则考虑设置完整的滤波电路；如果一级滤波电路达不到标准，则增设两级滤波电路。由于电子镇流器一般会做大批量生产，增加元器件对成本核算非常敏感，所以也需要采取其它措施来简化滤波电路，如采取传导较好的材料制作电子镇流器外壳，能有效地改善EMC效果。

3.3 预热启动电路

目前广为流行的直管形荧光灯和稀土节能灯都属于阴极预热启动型的电光源，因此，配置预热启动电路是非常重要的。否则，管形荧光灯使用一段时间后（如3～6个月），灯管的两端就会过早地发黑，严重影响灯管的光效和寿命。其原因是，如果不预热而直接启动，阴极发射材料无法瞬时达到7000C以上的热电子发射状态，而高电压又不可能在极短的时间内将灯管击穿，灯丝必然要承受一段辉光放电时间再过渡到弧光放电。这将导致阴极发射物质的严重溅射，使灯管两端灯丝周围的管壁出现早期发黑，严重缩短荧光灯的使用寿命。

预热启动电路如图5所示，工作原理是：接通电路瞬间，热敏电阻的起始阻值很小，随着电流的增大而增大，当到达电阻预定值时，电容C2两端电压迅速升高，将灯管点燃。

图5 预热启动电路

图中，RT为PTC热敏电阻，不同的热敏电阻与不同容量的C2匹配，会得出大小不同的预热电流和预热时间。经过多次试验，确定最优的符合预热要求所对应的热敏电阻RT和电容C2。电容C1的作用是降低热敏电阻RT所承受的电压，减轻高电压对热敏电阻RT的影响。

当预热电流过大时，不但有可能损害阴极，而且正常工作时还会使流过灯丝、电容C和PTC热敏电阻的电流增大，影响灯的发光效率。此时，可以在两端灯丝处分别并接一个二极管，用来限制灯丝电压和有效地加热电流。

3.4 异常状态保护

异常状态保护电路在电子镇流器与灯管出现异常状况时，启动自我保护，以免损坏灯具、乃至引发火灾。我国国内电网经常处于不稳定的运行状况，尤其是要采取异常状态保护措施。异常状态保护包括：过电流保护、过电压保护、过热保护、短路保护、浪涌电流保护等。

异常状态保护的工作原理为：采样电子镇流器的输出信号，进行延时、基准比较，一旦出现灯损坏或灯不能启动等异常情况，则应通过控制电路而使振荡器停振，并关断高频产生器的输出，避免烧毁电子元件，保护电子镇流器的电路。当异常状态消除后（如换灯管）电路就会自动地把灯点亮。

异常状态保护常用的措施是，在整流输出回路上以可控硅、双极型晶体管或场效应管为核心组成保护电路。这种保护方式存在以下一些缺点：容易误动作，设计与调试工作比较烦琐，成本较高，占用PCB的空间较大等。

随着新型材料的不断创新，可将新型的自恢复高分子PTC热敏电阻应用在异常保护电路中。如图6所示，在谐振回路即谐振电容旁边串接自恢复高分子PTC热敏电阻，组成对电子镇流器的异常保护电路：当出现连线脱落、灯管灯丝老化或漏气、阳极去活化等现象时，PTC热敏电阻就会在数秒内动作，迫使LC串联谐振电路停振，从而切断高压，保护了逆变器中的开关器件。这种电路具有电路简单、组装调试方便、扩容方便等优点。

图6 采用自恢复PTC热敏电阻的异常状态保护电路

3.5 功率因数校正与谐波抑制

电子镇流器实质上是一个高频的逆变电路，工作时给电网造成大量的谐波干扰，同时由于波形失真而导致功率因数过低。为此采取功率因数校正（PFC：Power Factor Correction）技术来提高它的功率因数。功率因数校正有两种方案：无源功率因数校正（Passive PFC）和有源功率因数校正（Active PFC）。

无源PFC电路简单，成本低，在电路板上占用面积和空间小，能提高电路功率因数，最初采用的方案是逐流电路，后改进为双泵电路及其相似的其它形式电路。

但无源PFC不能有效地降低电源总谐波失真度THD，波峰比也较大。随着集成芯片和有源PFC技术的发展，无源PFC电路在国内外已逐渐地被有源PFC电路替代。

有源功率因数校正的基本原理可用图7所示的电路模型来说明，它增加了一个关键的、起着重要作用的功率因数控制器，由它控制MOS管VT的开通与关断，使输入电流变成一连串的三角波，并且它的幅度按输入电压的正弦规律变化，使输入电流与输入电压成近似的同频同相的波形，实现高功率因数，抑制谐波。

图7 有源功率因数校正电路模型

3.6 结构设计

电子镇流器工作时产生的高温，是影响电子镇流器寿命的关键因素之一。电子镇流器内部电解电容器是电子镇流器内最薄弱的一个元器件，特别是它的耐温问题，作为大家公认的规律是电容器温度每上升100C寿命就减少一半。现在不少地方将灯具嵌入天花板内，更会使灯具内的温度升高达到接近寿终时相应的温度。

设计时可以通过结构方面的改进，达到良好的降温效果。降低镇流器表面温度有传导、辐射和对流3种方法。采取的措施可以是：1）选用导热性能良好的金属、涂漆金属和塑料作为电子镇流器的外壳，起良好的传导、辐射作用；2）在电子镇流器安装位预留流通孔，使空气产生对流，能有效地降低温度；3）电子镇流器与灯管之间采用一挡板，隔离灯管热量对电子镇流器的影响。

完成电路与结构设计后，还需要做好电子镇流器的批量生产，在批量生产的前提下调整工艺与过程管理，确保设计合理、器件优选搭配得当、生产过程控制得法，保证产品的一致性、可靠性和高性价比。

3.7 电子镇流器与灯管的选配要求

电子镇流器和灯管都符合标准要求，但配置后却可能会出现灯管发黑、光通量不足、衰减过快等现象，这主要关系到电子镇流器与灯管的选配问题，除前述讨论之外，电子镇流器对灯管的影响还体现在以下几方面：

3.7.1 电子镇流器工作频率与灯管发光效率

电子镇流器适当地提高灯管的工作频率，可以提高灯管的发光效率。这是因为，随着频率的提高，可以减少管壁复合导致的电离损失，减少电子和惰性气体原子和汞原子的弹性碰撞损失，减少电子能量麦克斯韦尔分布中超出2537 A的无效辐射能量。例如：当频率从10 kHz渐增大到60 kHz时，光效将有明显的提高，增幅在30左右。

3.7.2 电子镇流器与灯管的功率匹配

灯管有一个最佳的管压、管流和适当的管壁负荷范围。电子镇流器承载的最佳功率是一定的。匹配不同功率的灯管，应选用对应功率的电子镇流器。在当前宽电压适应技术不成熟的时候，尽量不选用功率范围大的电子镇流器，否则不能同时满足灯管的各项指标。我们应当按灯管设计管压、管流来设计和选用电压、功率相配的电子镇流器，保证荧光灯照明电路长期稳定地工作。

3.7.3 波峰系数和灯管寿命

电子镇流器应提供给灯管稳定的工作状态，输出电流波峰系数不得过大，否则直接影响灯管的寿命。荧光灯寿命主要是由阴极的发射能力所决定的，在正常情况下，阴极位降及热点的适当温度就可使足够量的电子摆脱逸出功发射出来成为阴极电流，从而保持放电的基本平衡。如果阴极热点温度过高就会引起阴极发射物质的过分蒸发。国家标准规定波峰系数应≤1.7，但功率因数、谐波含量、波峰系数之间的关系不太容易兼顾，所以在设计中应注意调整它们之间的关系。

灯管与电子镇流器的匹配好坏，对寿命有着直接的影响，所以在设计时应全盘考虑，反复试验，要选择灯管参数相近质量稳定的配套生产企业，并根据灯管生产厂家提供的灯管参数来考虑设计电路，尽量保证一致性，使得电子镇流器与灯管有一个良好的匹配。

4 结束语

电子镇流器及荧光灯电路是一个综合的整体应用，各个环节技术的整合根据经济指标的不同而不同，应当关注以上因素并根据实际来调整，以达到节能、稳定、长寿命的应用要求。随着世界经济的发展、技术的进步、绿色照明工程的推进，电子镇流器现正向着节能、高技术、人性化、高智能化的方向发展。这体现为极宽的电压适应性、极宽的光源适应性；恒功率输出、可调光控制、集成应用（专用IC）、智能照明系统、一镇流器拖多灯管、分散遥控（通过声控、光控、时控、感控）等，如图8所示。智能高效的电子镇流器能在小区、办公场所、公共场所、道路等的绿色照明进程中发挥至关重要的作用。

图8 全功能电子镇流器的基本结构

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