陶威,潘忠泉,楊欣欣,李昕,董俊偉
(山東非金屬材料研究所,濟南 250000)
低壓鈉燈是一種高效的氣體放電光源,在光學(xué)計量、實驗室照明等方面具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。在光學(xué)計量方面,實驗室用波長標(biāo)準(zhǔn)器具有傳遞計量標(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)生的輻射光譜波長與人眼視見函數(shù)光譜曲線峰值接近,因此在多種場合下被視作一種發(fā)光效率極高的照明光源[3],同時,憑借于10 000 h的使用壽命和相對較低的功耗,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,低壓鈉燈工作時需要附加鎮(zhèn)流電路進行驅(qū)動,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。
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,實現(xiàn)電到光的轉(zhuǎn)換[7?8]。鈉燈啟動時,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);同時陰極發(fā)射的電子向陽極運動,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]。作為高強度氣體放電燈,單獨加壓的鈉燈工作狀態(tài)并不穩(wěn)定,在電路中呈現(xiàn)負阻特性。
如圖1 所示,低壓鈉燈啟輝時,工作曲線a 呈負伏安特性,基于電路瞬時動態(tài)特性分析,隨著工作電流的增加,會在電路中產(chǎn)生一個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,會在電路中產(chǎn)生一個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)一個正伏安特性曲線的鎮(zhèn)流電路,補償?shù)蛪衡c燈負伏安特性,使整個電路呈現(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
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。隨著氣體放電燈(如鈉燈等)技術(shù)的進步,電感鎮(zhèn)流器體積大、功耗高以及工作時伴隨噪聲的缺點,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。
單一電子鎮(zhèn)流器由具備基本鎮(zhèn)流功能的簡單元器件構(gòu)成,能在電路穩(wěn)態(tài)下實現(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。
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(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)性能的同時保證鎮(zhèn)流器的便攜性能。
低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器由電路及機械殼體兩部分組成,電路設(shè)計保證鎮(zhèn)流器的電參數(shù),機械殼體保障鎮(zhèn)流器機械強度及環(huán)境適應(yīng)性。
為保證低壓鈉燈在市電工頻環(huán)境下穩(wěn)定運行,應(yīng)在鎮(zhèn)流電路中設(shè)計電磁濾波、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、多場景下使用。此處采用工業(yè)設(shè)計中最為常用的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[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行電磁信號傳導(dǎo)干擾抑制。為保證電路簡單可靠,設(shè)計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,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
為提高低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器便攜性,在電路板設(shè)計的基礎(chǔ)上,進行鎮(zhèn)流器機械框架設(shè)計。鎮(zhèn)流器機械框架采用分體式設(shè)計,自上而下共包含燈座、頂板、側(cè)板及底板四個部分,各部分之間用十字槽圓柱頭螺絲緊固。鎮(zhèn)流器機械框架如圖6所示。
圖6 鎮(zhèn)流器機械框架
根據(jù)以上功能電路及機械外殼設(shè)計方案,完成樣機制造,并進行性能測試。采用GP20NA-1 型低壓鈉燈作為輸出對象進行試驗驗證。在鈉燈點亮后正常工作條件下,使用UTD2102CEX 型示波器以1KHz 采樣率進行鎮(zhèn)流器輸出電壓和電流的采集,采集時間為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,在試驗時間內(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,在實際使用環(huán)境中的功率波動不超過0.001 W,能夠有效保證低壓鈉燈光譜的輻射強度穩(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,進行低壓鈉燈光譜測試,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,實現(xiàn)了預(yù)期的技術(shù)目標(biāo)。
圖9 低壓鈉燈光譜曲線
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)下進行試驗驗證,結(jié)果表明,設(shè)計的低壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器工作狀態(tài)穩(wěn)定,性能可靠,符合實驗室光學(xué)計量及綠色照明技術(shù)要求。