无极灯培训资料
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高频无极灯基本知识及安装操作实践

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高频无极灯基本知识及安装操作实践

培训资料

编注:本资料供高频无极灯经销商、售后服务中心员工安装操作高频无极灯的专业电工培训之用;也可供初涉高频无极灯的员工,新工人入厂三级安全教育的讲读参考材料。

科视电子技术有限公司

二OO 六年三月

高频无极灯基本知识及安装操作实践

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1、无极灯的诞生:

迄今人类已经发明了许多种类的电光源来照亮黑夜、延伸白昼,使人类的生活变得更加多姿多彩,同时给社会财富的创造做出极大的贡献。这些光源有最早发明的爱迪生白炽灯及相继造福人类的卤钨灯、荧光灯、低压钠灯、高压汞灯、高压钠灯、高压氙灯、金卤灯、紧凑荧光灯等等,每一种新光源的出现,都是时代科技发展的产物。

就原理而言,白炽灯、卤钨灯属于热辐射光源,后者都是属于弧光放电灯,但无论热辐射或是弧光放电,他们无一例外地使用了灯丝或电极,而灯丝、电极的溅射效应正是限制光源寿命的必然组件。每种光源都有它独特之处,但在突出其优点的同时却避免不了自身的缺陷,不能在环保、节能等高照明品质方面同时兼顾。例如:白炽灯有高显色性、高功率因素、立即启动的优点,但光效低寿命短;气体放电灯光效高、寿命相对延长,但使用了不可回收的汞剂,造成环保方面的问题。各种气体放电灯大多数不能立即启动和再启动,存在功率因数低等缺点。此外,这些日常使用的光源在给人类带来光明的同时,也给人类带来不可忽视的公害:光污染,即眩光、紫外辐射和频闪效应等。这是一种隐形公害,以频闪效应危害最为普遍。电光源所产生的工频频闪直接影响人的眼睛和视觉神经系统,导致近视眼、慢性疲劳、偏头痛的发生,使工作、学习和生活受到不同程度的影响。为了降低此类公害,欧洲照明委员会(Europen Commission)专门发布90/270/EC指南,强调解决和降低荧光灯的频闪效应。有关文件规定电子镇流器的工作频率应大于40KHz 。

人们一直在寻求一种高发光效率、高显色性、高发光稳定性、无频闪、长寿命并符合环保要求的新光源,来为我们的工作环境和生活环境制造更加舒适、愉悦的照明,更好地改善员工视觉条件,提高工作效率,并收到节约电能消耗、降低人工维护费用的目的。一种集合现代多种电光源的优点于一体的新光源—高频无极灯由此应运而生。

高频无极灯英文名称为“Electrodeless Discharger Lamp”,它是基于荧光灯气体放电和高频电磁感应两个熟知原理相结合的一种新型光源,是21世纪“绿色照明”领域的最新应用技术。由于灯泡内没有灯丝或电极,因此不存在限制光源寿命的必然组件,一般寿命可达数万小时。

早在100多年前,美国人汤普林(J.J.Thomson ), 泰斯勒(Tesks )等人就已经发明了高频无极灯,受时代科技水平的限制,直到20世纪90年代后期,由于新技术的飞速发展,电子元器件功率密度的提高以及相应尺寸的大大缩小,才使高频无极灯有可能进入商品领域。

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3 高频无极灯以其高光效(系统光效≥63Lm/W)、高显色性(≥80)、长寿命(≥6万小时)、无频闪(工作频率2.68MHz )、真环保(不含液态汞)、可立即启动和再启动,不怕震动、可在任意方位上安装,少维护等优势,已成为“绿色照明”领域的一枝新秀。在电气设计上,它采用了有源功率因数补偿(APFC, η≥0.98), 在电源电压大范围变动(160V~265V)下恒压供电,输出稳定的光通量。输入端的净化电路和防辐射处理,使电磁干扰EMC 完全符合国家检测标准。此外,由于灯泡的发光涂层为三基色粉,发光柔和,也使眩光大大降低。

国外的荷兰飞利浦(Philips )、美国的通用公司(GE ),德国的奥斯朗(Osram ),日本的松下(panasonic )多年来一直致力于高频无极灯的研究开发,取得许多成果。飞利浦在1991年宣布研制成功55W 高频无极灯,在其后的五年里,又相继研制出85W 和165W 高频无极灯。中国的研究开发始于10年前。科视电子技术有限公司于2001年开展该项目的研究,2003年通过EMC 检测,已经取得韩国KETI 认证;并取得一项国内专利,目前是国内极少数率先推向市场的公司之一,其价格约为进口同类产品的三分之一。

我们本着认真负责的态度,慎重地向你推荐高频无极灯,让它在实践中给你带来高效和实惠,给工作在柔和灯光沐浴下的员工带来健康和好心情,更让它照亮你成功事业的光明前程。 2.照明的基础知识

2.1光的本质

人们通常所说的光是指“可见光”,它是由光源发出的辐射能中的一部分,并能产生视觉效应。从量子物理的观点,光具有二重性:粒子性和波动性。单个光子呈粒子性,密集光子的集合衍射便呈现出波动性。所以,光是一种电磁辐射能,即电磁波,光线的方向也就是波传播的方向。将各种电磁波按波长依次排列,就成为电磁波谱,如图1-1所示

图(1-1)电磁波谱及可见光光谱

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在图1-1中的频谱分布可以看出,可见光在整个波谱中仅占极小的部分。

2.2可见光谱

人类视觉能感受到的电磁波可见部分的波长范围大约在380nm 至780nm 之间(1nm=10 -6mm 毫米),而不同波长的光给人的颜色感觉也不同。波长从380nm 向780nm 递增时,光的颜色从紫色开始,按蓝、青、绿、黄、橙、红的顺序逐渐变化,两种颜色之间没有明显的分界。将全部可见光波混合在一起就形成日光,即白色光。

2.3紫外和红外辐射

太阳光和光源在发出可见光的同时,都会有紫外和红外辐射,只是眼睛视觉反应不出来而已。太阳光谱中,波长大于1400nm 的光波被大层中的水蒸气和二氧化碳强烈吸收;波长小于290nm 的光波被大气层中的臭氧所吸收。人类在进化过程中紫外光和红外光对眼睛不产生视觉反应。

● 波长小于320nm 的紫外辐射对生物组织有损害。

● 波长在260nm 处的紫外辐射灭菌效应最大。

● 波长253.7nm 的紫外线作用于三基色粉或荧光粉会产生发光效应。

● 波长大于780nm 的近红外光谱会产生热。对光源来说,由于红外线的存在而损失

● 白炽灯因钨丝加热时产生太多看不见的红外光,所以光效低了光效能,产生了不

需要的热。。

● 低压汞蒸气放电灯会产生253.7nm 的紫外辐射,因此,提高发光效率,控制紫外

辐射的泄漏分量十分重要。

2.4 光的基本度量单位

2.4.1光通量

光通量是视觉响应的计量。定义为:光源在单位时间内向周围空间辐射并引起视觉的能量,称为光通量,符号Ф,单位为流明(Lm )。

● 光通量的测量必须在积分球内进行;

● 人眼对不同波长的光的灵敏度不一样,对波长为555nm 的黄、绿光最灵敏,波长离555nm

越远,灵敏度越低;

● 对某一特定的光源来说,不仅要测量它的光通量,而且要展示它的频谱分布,评价它的

视觉效果。

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5 2.4.2发光强度

光源在空间某一特定方向上单位立体角内辐射的光通量空间密度,称为光源在该方向上的发光强度,简称光强,用I θ表示,单位为坎德拉(cd )。其计算公式为:

I θ= Фθ

ωθ (1-1)

式中 ωθ——球面所对应的立体角(S γ);

Фθ——在ω立体角内所辐射的光通量(Lm )。

以点光源为球心,γ为半径,则整个圆球所对应的立体角为:

ω=4πγ2 γ2=4π(S γ) (1-2) 浅释:桌子上方有一盏无罩的白炽灯,在加上灯罩后,桌面显得亮多了。而同一灯泡不加

罩与加灯罩,它所发出的光通量是一样的,只不过加上灯罩后,光线经灯罩反射,使光通量在空间的分布状况发生了变化,射向桌面的光通量比未加罩时增多了。因此,在电气照明技术中,必须了解光通量在空间各个方向上的分布情况。

2.4.3 照度

定义为:投射到被照面上的光通量与被照面的面积之比称为该面的照度,符号E.

E=

Фθ S (1-3)

式中 Ф — 被照面上接受的光通量(Lm )

S — 被照面的面积(m 2 )

当被照面与入射光线不垂直时,计算公式为:

E=

Iθcos θ γ2 (1-4)

式中 I θ — 光线入射方向的光强(cd )

θ — 光线的入射角;

γ — 光源到照射面的距离(m )。

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6 ●照度的单位为勒克斯(Lx ),1L χ=1Lm/m2

●感性认识:1只40W 白炽灯1米远处的照度约为30Lx, 加一搪瓷罩后增加到73 Lx 。深圳12月份上午10时正对太阳光的照度为4.65X 104 Lx~5.25X 104 Lx;单边高

楼阴影下的照度约为8250~12000 Lx;树荫下的照度约为2050~2280 Lx。大

马路14.5米高的双泡路灯(400W 高压钠灯+250W金卤灯)垂直地面照度为55~

68 Lx。由此可见,人造光源与太阳光相比实在太渺小。

2.4.4 亮度

定义:发光体在视线方向单位投影面上的发光强度称为该物体表面的亮度,符号L, 单位为坎德拉每平方米(cd/m2)。表达式为:

L= I θ Scosθ (1-5)

式中 Iθ — 发光体在视线方向上的光强(cd );

Scos θ — 发光体在视线方向上的投影面积;

θ — 视线方向与发光面法线(垂线)的夹角。

● 在同一位置上并排放置一个黑体和一个白色体,虽然它们的照度一样,但人眼看

起来白色体要亮得多。这是因为人眼的视网膜上的照度是被视物体在沿视线方向上的发光强度造成的,而白色体的反光要比黑色体强得多,所以感到白色体比黑色体亮得多。

小结:

✧ 光 通 量 —— 说明发光体发出的光线数量;

✧ 发光强度 —— 发光体在某个方向上发出的光通量密度,它表明了光

通量在空间的分布情况;

✧ 光 照 度 —— 表示被照表面接受光通量密度,用来鉴定被照面的照

明情况;

✧ 光 亮 度 —— 表示发光体单位面积上的发光强度,它表明一个物体

的明亮程度。

✧ 光通量、光强度、光照度和光亮度相互关系示意图:

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7 光通量眼睛

L

3. 照明电光源

将电能转换为光能, 从而获得光通量的设备、器具则称为照明电光源。十九世纪爱迪生发明了白炽灯,开始了电光照明的新纪元。

3.1电光源的分类

电光源按其发光原理主要可分为两大类:热辐射光源(即固体电光源) 和气体放电光源。

3.1.1固体热辐射光源

利用电流将金属或陶瓷之类的物体加热到白炽程度而产生发光的光源,白炽灯和LED 灯属于此类。

3.1.2气体放电光源 在电场作用下,电流通过电离的气体而发射光的光源。按放电形式可分

弧光放电灯和辉光放电灯。

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● 目前最常用的灯有白炽灯、LED 灯、荧光灯、高压钠灯、金卤灯、霓虹灯等。 ● 白炽灯光效低、寿命短、显色性高,价格便宜,多用于家庭。

● LED 灯可做成矩阵排列、图形,光效提高,寿命长,较贵,一般用于交通指挥灯、

路标字幕、广告排„„等。要配备专用电源才能工作。

● 高压钠灯光效高,寿命较长,显色性差,功率可高达1000W 以上,适用路灯或广场

用灯,需配备启动器件或专用电路才能工作。

● 金卤灯光效高,寿命较长,显色性好,功率可由70W 至1000W ,适用于路灯、广场

用灯,需配备启动器件才能工作。

● 霓虹灯做成彩色条管,可拼成文字、广告图形美化城市,需配备专用电路才能工作。 ● 高频无极灯寿命特长,光效高,显色性好,环保无公害,是21世纪最优秀的电光源,

目前电功率有待提升,价格有待降低。它应用范围广泛,需配备专用电子镇流器。 注:1. 低气压灯放电时,灯内气压约为1%大气压, 例如荧光灯。

2. 高气压灯放电时灯内气压为几个至数十个大气压,例如高压钠灯、金卤灯、高压氙灯、镝

灯…等。

3.2 电光源的特性

以下参数用来表征电光源的特性。

● 额定电压和额定电流:指电光源按预定要求工作所需要的电压和电流。偏离额定值工

作会影响电光源的效能和寿命。

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9 ● 额定功率:指电光源工作在额定电压和额定电流时所消耗的有功功率。 表达式:P=VIco s α

式中 P — 额定功率(W );

V — 额定电压(V );

α — 额定功率因数。

● 额定光通量:指电光源在额定工作条件下发出的光通量,单位为流明(Lm );

● 发光效率:指电光源每消耗1W 电功率所发出的光通量,单位为Lm/W;消耗的电功率是从市电输入端测量的,称系统光效;

● 光衰:电光源在额定工作条件下,随着使用时间的延长,额定光通量和光效都会逐渐降低。衰减系数可用下式表示:

DF=

ФE ФF ⨯100%(额定功率不变条件下)

式中 Ф电光源的初始光通量;

Ф

电光源使用一定时间后的光通量。 或 DF= Dfe DFƒ⨯100%

式中 DF ƒ — 电光源的初始光效;

DF e — 电光源使用一定时间后的光效。

● 寿命:必须指出的是灯寿命的要领阐明仍悬而未决,某些制造厂考虑灯和灯具的

衰退,另一些制造厂则定义为“一批试验灯中有50%存活的时间。”而参阅藉凤荣等人编写的材料,电光源的寿命有全寿命、有效寿命、平均寿命三种。

全 寿 命 —— 电光源直到完全不能使用为止的全部时间;

有效寿命 —— 电光源的发光效率下降到初始值的70%时的使用时间;

平均寿命 —— 指每批抽样调试品有效寿命的平均值。

此处认同“平均寿命”的提法比较合理。

● 色温:黑体被加热到不同温度时,人眼所看到黑体所呈现出的不同颜色,以此表达

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一个光源的光色,称为光源的色温。色温以绝对温标K 为单位。

● 相关色温:荧光灯等电光源所发射的光的颜色与黑体在某一温度所发射的光的颜色最接近时,黑体的这个温度就称为该电光源的相关色温。

表(1)常用电光源的色温

● 色温与感觉:

大于5000K 为冷色; 3300~5000K 为中间;

小于3300K 为暖色。

● 显色性:指在光源照明下,与具有相同或相近色温的黑体或日光的照明相比,各种颜色在视觉上的失真程度。显色指数以Ra 表示。

表(2)常用电光源的显色指

光源的色温与显色性之间没有必然的联系,具有不同光谱能量分布的光源可能有相同的色温,但显色性却可能差别很大。

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11 对一种电光源特性优劣的评价必须全面、综合考虑,不能只突出

单项指标,光效、寿命、显色性、色温、光衰等基本指标都要同时顾及。目前能全部兼顾上述各项指标要求的电光源只有高频无极灯。

3.3频闪效应与光污染

时下人们对光污染的讨伐呼声越来越大,而光污染的主要来源正是电光源的频闪效应。

3.3.1 频闪效应

普通电光源都利用工频交流电供电,工频频率为50Hz/60Hz,以荧光灯为例。荧光灯在用交流电源工作时,灯管两端电压的极性不断改变;当电流过零时的瞬间发出的光通量也为零。电光源光通量强弱的周期性变化,与供电频率(50Hz/60Hz)相同,简称为频闪。由于人眼的视觉暂留现象和荧光粉的余辉作用,人们感受不到这种强弱变化的波动。

定义:电光源的光通量Ф随交流电源电压相位周期性变化而变化,且使人眼产生视觉疲劳或视觉错误的现象称为频闪效应,通常用波动深度δ来度量:

δ= Φmax -Φmin Φmax+Φmin

×100% 式中 Φmax — 光通量最大值

Φmin — 光通量最小值

各类电光源光通量波动深度比较

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● 频闪除引起人的疲劳、头昏眼花等不适外,在工场工作环境中,当被照物体处于转动状态,且转动速度刚好是电源频率的整数倍时,则转动物体(例为机床加工件)看上去好像没有转动一样。这种错觉容易造成事故的发生。

特别要指出的是近十多年来青少年近视眼的比例越来越高。这一令人担忧的趋势虽不能全部归罪于灯下做作业的光污染,但从统计规律看来,它的确与长期浸染在电光源下的频闪效应直接相关。在点蜡烛和煤油灯的时代,书生们近视的比例就远没有当今那么高。

● 照说太阳光自然而柔和,不存在“频闪”。早晨与黄昏的太阳的确十分柔顺舒适,但在上午11时至下午4时这段时间,太阳光也会表现出强烈的“频闪”。科研人员曾用光电科学仪器对太阳光进行测试,证明从太阳光感测出来的随机频率约为0至数KHz, 有时肉眼可以感受到太阳光“频闪”的跳动,所以在太阳光下干活或读书,也会感到容易疲劳和不适。

● 高频无极灯完全消除了频闪这一光污染的危害,而且眩光也较低,已成为当今绿色照明领域中最优秀的新型电光源。

4. 照明灯具(另有专述,不作详细介绍)

照明灯具看起来似乎很平常,其实它是一门专业性和综合性都很强的技术,涉及的范围包括材料科学、金属加工、几何光学、生理学、心理学,甚至社会政治„„等等;“亮化工程”就有着相当浓厚的社会因素,强烈的灯光和各式各样的灯具既美化了城市环境,也造成极大的能源浪费,同时给广大的城市居民带来不可忽视的光污染,相关报道颇多,在此不必详述。

4.1 眩光

任何引起视觉不适的光称为眩光。眩光常常是电光源与灯具的共同产物。眩光也是对过亮亮度的一种感受,常常与过分的对比相伴在一起,引起视觉不适,造成注意力分散。

评估一个光照场所某最不适观察点的眩光常用“眩光指数”表示:

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眩光指数=10㏒10[

0.239l s 1.6w 0.8 Lb p1.6∑]

式中 L b — 背景亮度

W — 立体角

P — 经验指数 通常眩光可分为“感觉到”、“能接受”、“不舒服”、“不能忍受”。虽然它们比较接近实际,但“感觉”的概念却因人而异。

4.2 配光曲线

以极坐标来表示光源在各个方向上发光强度的曲线,称为该光源的配光曲线。如图(4-2)所示。

图(4-2)发光强度在空间的2分布和配光曲线

4.3 灯具(略)

5. 高频无极灯的基本原理、种类和特点

5.1 基本原理

高频无极灯是基于荧光灯气体放电和高频电磁感应两个人们所熟知的原理相结合的一种新型电光源。由于它没有常规电光源所必须的灯丝或电极,故名无极灯;通常低压气体放电高频无极灯所使用的工作频率为2.5~3.0MHz, 也就是说,高频无极灯的工作频率比普通白炽灯和日常使用的电感式日光灯、金卤灯、高压钠灯等灯种的工作频率(50Hz )高出5万~6万倍,比普通节能灯或电子镇流器的工作频率(30~60KHz )

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14 高出约250倍。

5.1.2 高频无极灯的种类

高频无极灯主要有以下四种:

A. 低压气体高频无极灯(将作重点讲述):低压汞和稀有气体混合放电产生的紫外辐

射撞击泡壁三基色粉转换成可见光。工作频率为2.2~3.0MHz ;我公司的无极灯即属此类,目前最大功率为165W ,光效63~76Lm/W。

B. 微波灯:由磁控管微波发生器通过微波谐振腔,激发有特定填充剂的石英球泡,

石英泡内由10大气压(atm )的硫蒸气分子辐射产生白光,工作频率2450MHz ,功率达1000W ,光效120Lm/W

C. 环形日光灯式电磁感应灯,工作频率250KHz 。

D. HID 高压气体电磁放电灯,例如金属卤化物无极灯,工作频率13.56MHz ,目前仍

在研发阶段,未有产品上市。

5.1.3 高频无极灯的特点和技术优势

高频无极灯作为电光源的换代产品已被越来越多的人们所认可,也已经在许多领域得到应用。它的主要特点如下:

1) 寿命特长。一般的白炽灯、日光灯、节能灯、及其它气体放电灯都有灯丝

或电极,而灯丝或电极的溅射效应恰恰是限制灯使用寿命的必然组件。高

频无极灯没有电极,是靠电磁感应原理与荧光放电原理相结合而发光,所

以它不存在限制寿命的必然组件。使用寿命仅决定于电子元器件的质量等

级、电路设计和泡体的制造工艺,一般使用寿命可达5万~10万小时;

2) 节能。与白炽灯相比,节能达75%左右,85W 的高频无极灯的光通量与450W

白炽灯光通量大致相当;

3) 环保。它使用了固体汞齐,即使打破也不会对环境造成污染,有99%以上

的可回收率,是真正的环保绿色光源;

4) 无频闪。由于它的工作频率高,所以视为“完全没有频闪效应”,不会造

成眼睛疲劳,保护眼睛健康;

5) 显色性好。显色指数大于80,光色柔和,呈现被照物体的自然色泽;

6) 色温可选。从2700O K ~6500O K 由客户根据需要选择,而且可制成彩色灯泡,

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15 用于园林装饰;

7) 可见光比例高。在发出的光线中,可见光比例达80%以上,视觉效果好;

8) 不需预热。可立即启动和再启动,多次开关不会有普通带电极放电灯中的

光衰退现象;

9) 电气性能优良。功率因数高,电流谐波低,恒电压供电,输出恒定的光通

量;

10) 安装可适应性。可在任意方位上安装,不受限制。

由于高频无极灯有上述独特的优点,它的综合性能是任何一种电光源所不能相比的,它几乎汇集了所有不同类型电光源的优点。而今后荧光灯不再必须做成长细型,它将被外型与白炽灯相似的无极灯所取代。

6. 高频无极灯的工作原理和高频电子功率源

6.1工作原理

这里只介绍低压气体高频无极灯的工作原理,图(6-1)是其工作原理及主要组成部分。

由同一激励信号源发出的两个幅度相等,相位相反的高频信号驱动二只半桥功率场效应管V 1、V 2的栅极G 1和G 2,使V 1、V 2轮流导通,在V 1、V 2的中点输出占空比50%的方波脉冲,经功率耦合器传递给装于灯泡内的感应线圈,变成被放大了的高压高频正弦波。高频磁场通过泡壳内腔体的分布电容将能量感应至腔内,使汞齐原子受激发射紫外光子,紫外光子激发涂在玻壳内壁上三基色粉而发光。

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16 为了解释受激发射现象引入光量子、量子跃迁和电离的概念:

● 量子光学指出,光的能量不是连续分布的,光是由一粒粒运动着的光子所组成,每个光

子具有确定的能量,它与光的频率ν成正比: E=hν h — 普朗克常数,h=6.626×10-34

J ·S 。 ● 量子跃迁。原子是由原子核(质子)和外围层电子等微观量子所组成,一般都具有几个

能级,它们向相邻的能级跃迁时会产生电磁波的吸收和发射。能产生电磁波的吸收和发射的跃迁为辐射跃迁,因辐射而发射,称为受激发射。

ν

a) 自然发射 b)受激发射 c)感应吸收

图(6-2)辐射的发射和吸收示意图

● 电离。入射的电子能量足够从一个原子中击出一个电子,就叫做电离;由于电子带负电,

因此留下的缺少一个电子的原子就带正电,称之为离子。电离过程对气体产生电击穿使之导电并形成稳定的放电。在等离子体中带电粒子形成放电电流,激发三基色粉(或荧光粉)原子产生跃迁,从低能态跃至高能态,但这一过程是不稳定的,原子在返回基态时会以光子的形式释放能量。这一过程是瞬变的,大约在10-6~10-8s 内完成。而高频磁场稳定持续的能量补充和维持了上述连续发光的物理过程。

6.2高频电子功率源(高频电子镇流器)

高频电子功率源的电路方块图为图(6-3)所示

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图(6-3)高频电子功率源(高频电子镇流器)的电路方块图

图(6-3)中,Fu 为保险丝,R V1、R V2、R V3为防雷压敏电阻。EMC 净化电路是为传导干扰而

设计,防止9KHz ~30KHz 电磁干扰从电源线串入及阻止机内电磁干扰从电源线泄漏出去。交流电经过EMI 的双向“过滤”之后进入桥式整流,经电容C 滤波进入有源功率因数补偿电路,在这里将电压变换提升至400V 左右的稳定直流电,作为高频电子功率发生器的直流供电电源。高频电子功率发生器产生一个设定频率的高频功率源,设定频率此处为2.68MHz(可从

2.50MHz ~3.0MHz) 。高频功率经过输出匹配电路,将高频电磁能量耦合至灯泡泡体的内腔,由于电磁感应原理使灯泡内壁的三基色粉原子受激发射而发光。

6.2.1 EMI净化电路

图(6-4)是典型的EMI 净化电路,它通常用以抑制常态和共态(共轭)噪声。C 1、C 2也叫χ电容,C 3、C 4叫Y 电容,它们与电感一起组成滤波节,根据抑制性能的需要可增加滤电路

的节数,及调整旁路电容的数值。

图(6-4)输入EMI 净化电路

6.2.2 整流滤波

交流电220V ~ 50Hz 经过桥式整流变成100Hz 的脉动直流电压;经过电容C 的平滑作

用,变成相对平稳的直流电压。当C 的数值在数+μƒ甚至更大时,输出空载电压Vd=√2V ~=1.4V ~, 输出直流便为Vd=√2×220=308V。这时若用该直流输出电压直接供给一个有电抗的负

载,例如普通节能灯,则其功率因数仅为0.4~0.5(见下节)。

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图(6-5)整流与滤波

6.2.3 APEC功率因数校正[注]

● 由于用电器不是纯电阻负载,而是包含有电抗,例如日光灯、电风扇等电器,接入市电成

为阻抗负载。受电抗的作用,发电机发出的交流电流往往滞后于交流电压,相位角中φ不再为零,即发电机发出的电能不能完全被用电器具所吸收,只有一部分吸收后转变成有用功,而有相当一部分电能以磁场能量形式同发电机之间往返交换而释放不出来,这就使电能的利用率大大降低。

● 电工学中的功率因数是指有功功率与视在功率之比,

即 λ= P(有功功率) S(视在功率)

ц

当ц=0时,λ=1,这时电压和电流同相位,并且是理想的正弦波。见图(6-6)

图(6-6)功率因数为1时的电流、电压及功率波形

● 由于电子镇流器等电器都存在电抗,系统输入电流是非正弦信号,含有高次谐波,应用傅

里叶级数展开并通过推算,可得功率因数在非正弦信号情况下的表达式为:

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19 λ= cosц

√1+THD

式中,cos ц为电流与电压的相位角,THD 为总谐波含量。这就是说,功率因数与电流谐波畸变直接相关。功率因数较正电路必须同时解决相位角和降低电流谐波含量等问题。APFC 有源功率因数校正电路能够轻而易举地将功率因数提高至0.98以上,而将THD 降至10%以下。

图(6-7) APFC升变换压型器原理图

图(5)是典型的APFC 升压式功因校正变换器原理图,采用功因补偿IC 。该电路能将整流后的脉动直流电压升至稳定的+400V直流电压,输出功率可达175W 以上,转换效率η≥95%,THD ≤10%,完全满足高功率因数,低谐波的要求,使高频无极灯的电气性能更加优良。 ● 提高功率因数的意义:

✧ 功率因数低,有功功率也低;

✧ 功率因数低,电力线电流会增加,线损也增加;

✧ 低功率因数的电子镇流器会产生很大的环流,不仅对光通量没有贡献,而

且会使供电导线产生热量;

✧ 低功率因数会限制家用电器负荷,增加照明费用。

例如:一只40W 荧光灯的额定电流在功因数大于0.97时约为0.18A 左右。如果功率因数仅为0.5,所需的电流可能会增加至0.36A.

6.2.4高频电子功率发生器

本部分是电子镇流器的核心,有二种基本电路形成:自激式振荡电路和他激式电路,目前均采用半桥零电压开关。还有一种是他激式自激化电路(不在此处细述)。自激式高频功率

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20 振荡器电路简单、成本低,但不易调节功率管的开关过渡时间,加入正反馈之后,会使开关管的存储效应增大,导致功率管角温升高,共态导通的概率提高。因此,自激半桥大多在功率小于100W 的电路中使用。

图(6-8)是一种高频无极灯的他激式功率开关电路,由IC 及外围组件产生设定的工作频率(2.68MHz ), 可变电阻可作频率微调。该电路还设定了过渡时间的调节,使开关管的热损耗大大降低。

图(6-8)高频无极灯他激式功率开关电路

图(6-8)中的激励变压器T 也可免去而采用直接联接的方式,使电路更加简洁,

更有利于集成化或模块化。该形式电路的功率输出可大可小,可适用于作为目前40~165W 高频无极灯电子镇流器的基本电路。如果将IC 和V 1、V 2“模块”在一起,则其占

空可大大缩小。

6.2.5 输出匹配电路

图(6-9)中由V 1、V 2的中点输出方波脉冲,经隔直电容C A 馈给L S 、C B 串联谐振回路,L S 、C B 将方波脉冲变成正弦波,由于Lc 串联谐振使B 点输出电压被提升了Q 倍,使之达到灯的点

火电压。Q 是Lc 串联谐振回路的品质因数。B 点接灯负载Lu,Lu 是在铁氧体磁性材料上绕上感应线圈,为感性负载。线圈与灯泡内腔壁贴近,通过腔壁分布电容(约为几个Pf )将电磁能量馈给泡内等离子体而发光。等离子体等效电路见图(6-9)所示。K 为耦合系数。

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21

图(6-9)匹配网络,驱动线圈和等离子体等效电路

6.2.6 过电压、防雷、过电流保护和异常保护

保护到什么程度应根据电路性能级别和应用场所来考虑。本电路系列采取了如下措施: ● 过电压保护。

正常工频电压波动一般不超过±10%,对于220V ~的市电变化范围为200V ~~240V ~,本电路由于采用了优良的APFCE 有源功率因数校正,可在160~265V ~范围内变动,而不影响

直流电压输出(+400V)。

● 防雷保护

电路输入端接入了防雷组件R V1、R V2和R V3,雷电感应引起工频线路电压的突然升高,

在超过275WV ~时,压敏电阻R V 内阻急速降低,感应电流被短路,后续主体电路受到保护。

● 过电流保护

由于某种原因使输出负载发生变化(指负载加重),输出功率超出设计额定值,使工作电流增加,紧接着功率开关器件结温上升,线路沿途相关元器件也会因过电流而增加损耗,最终导致恶性循环使电路发生故障;电路在接通电源的瞬间,启动电流有时比正常电流大许多倍,因而也需要采取控制措施。

过流保护一般采取电流取样,将△I 反馈给一个闭路环控制单元使电流自动降低。熔断保险丝是最常见的过流保护措施。考虑到成本和实际允许,本电路仅用熔断保险丝保护。 ● 异常保护。

下列几种情况称为异常:

1. 输出电缆未接入;

2. 负载已接入,但由于人为操作失误,造成泡体与耦合器分离;

3. 灯泡漏气,破碎;

4. 电路已工作,泡体未被启动点燃。

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22 第一种情况发生时,半桥自激振荡电路因有自保护功能,负载电缆未接入,电路不起振,输出为零,不发生危险。他激式电路则会引起功率开关管MOSFET 损坏,要予以重视。

后三种情况因没有灯泡等离子体负载,高频功率没有完全被吸收,造成功率信号的内积累,回路甚至可发生低频振蓝;电流迭加且未能及时泄放,致使回路某些元器件发热或击穿,功率开关管MOSFET 结温急剧提升,最终使SD 结被熔断,或因强烈正反馈使GS 结击穿。

电路发生异常时,高频输出电压可达1000~3500V P-P , 当有终端正反馈时,可在瞬间将

MOSFET 的GS 结击穿。异常保护通过电压取样启动控制组件,使电路进入仃振待机状态,从而保护了电路元器件不被损坏。

7. 电磁干扰EMC 的抑制

强烈的电磁干扰会对人体健康和安全,对邻近其它用电设备的工作,对无线电通信

构成威胁。EMC 主要是指传导干扰和辐射干扰,传导干扰从电源接口进出,辐射干扰则主要从电路的耦合天线向周围空间传播。

各国对EMC 标准都有规定,但指标大同小异。例如中国、欧州等地区低端的传导干扰

抑制范围为9KHz 至30MHz ;而北美加拿大则为500KHz ~30MHz 。

高频无极灯常用的工作频率为:2.68MHz 、250KHz 、13.56MHz 、2450MHz 已在5.1.2节

中介绍。低压气体高频无极灯通常使用2.68MHz ,因为该频率介于广抪波段中波(525~1602KHz )与短波(约2.2MHz ~25MHz )之间的少有使用频段,国际电工委员会CISPR15允许对磁场感应放宽标准的频率范围从2.2MHz ~3.0MHz, 此频率对电路技术的制造也较为有利。而13.56MHz 的3次谐波、5次谐波和7次谐波辐射会分别不同程度地干扰电视接收机的2、5、7频道,而且制造成本稍高,较少采用。

7.1. 传导干扰

图(7-1)是抑制传导干扰的输入净化电路。该电路采用二节滤波节,C1、C2、C3为X 电容,C4、C5为Y 电容。

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23 图(7-1)抑制传导干扰EMC 电路图

由于6.2节的方块图(7-1)可知,净化电路所要抑制的频率主要是开关电源的

工作频率约50KHz 和主开关频率2.68MHz ,以及这两个频率的高次谐波。L 1、L 2同为

共态线圈,利用它们的漏感对常态干扰也产生抑制作用。适当配置C 1、C 2、C 3、C 4和

C 5的电容值和注意排版,可满足EMC 传导干扰要求。

7.2. 辐射干扰

当高频无极灯的泡体被启点时,泡体内的等离子体已将大部分电磁波吸收转化为光

和热,等离子体对电磁辐射起到“屏蔽”作用,泄漏出来的电磁波强度已经很弱。同时,由于耦合器采取双线并绕,一头悬空的方法,使横向电场强度被抵消,在三度空间的辐射干扰降至允许范围之内。

8. 散热问题

有关文献提到高频无极灯虽然很节能,但其光能仅占总能耗的18~20%,而发热占总能耗

的48%,这样的比例已经比白炽灯优良5~6倍。泡体导热是散热的最关键部分,图(8-1)是泡体导热示意图。泡体内腔的耦合器工作时由于铜耗和磁芯的功率损耗(磁滞损耗和涡流损耗)会产生热,泡体发光时产生的红外热量也会有一部分传至内腔,使内腔体温度升高,如果任其上升,当温度超过磁性材料的居里温度时,磁性材料的磁导率就会发生急剧变化,导致工作回路失谐,电磁激励能量降低,不足以继续维持等离子体的稳定工作,灯熄灭。见图(8-1)

图(8-1)磁性材料初始磁导率的温度特性曲线

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24

通常的导热方式是在腔体中穿过磁筒插入一根紫铜棒,铜棒的下端紧密联接灯头

的金属铝,金属铝与灯具直接联接,将热导给灯具外壳。

● 务必尽量利用灯具外壳散热,切不可将热导至灯具内形成热封闭系统。因为热量传给密

封灯具内的空气,被加热的空气没有流动,当达到等温时,腔内热量

就很难再传出,这时

的温度梯度 ΔT Δt 很小,因而加速了泡体腔内的温升。

● 电路盒的底面要离开灯泡散热面一定的距离(参见高频无极灯的安装、使用第一章)。电

路盒温度略超过规定值尚能工作,但会缩短工作寿命。当温升达到平衡时,电路工作于安全状态。当然温升与环境温度和传热速度密切相关。

图(8-2)温升曲线

● 三种热传递方式的物理过程:

✧ 热传导。热能从物体的接触面由高温处传向低温处。

✧ 热对流。被加热的气体(如空气)的流动将热能带到另一位置。一般情况是气体受热体积膨胀,

比重减少而上升,别处空气过来补充。

✧ 热辐射。受热物体以红外线的形式将能量辐射到周围去的物理过程。

● 黑体表面辐射能力强,且表面积越大,辐射能力也越强。

● 导热以紫铜为好,散热以金属铝为好,除了性材之外,铝的价格最合适,加工费也许会

更便宜。

● 传导与接触面积有关,二块金属片若接触面太粗糙,就不可能全面接触,这样会降低实

际的接触面积。在金属表面涂散热油膏有扩大接触面、加强散热效果的意义。

● 对某额定瓦数的灯泡,到底最小散热面积是多大?这与环境温度,散热方式有关,一般

高频无极灯基本知识及安装操作实践

25 说来,面积取大有利,这是不言而喻的。

9. 长寿命的条件

高频无极灯的寿命达6万~10万小时,是有条件的:

✧ 首先是电路原理必须是安全的,可靠的,原理上的故障隐患概率应降至最低; ✧ 采用的元器件必须符合设计要求,特别是关键元器件的温度特性和耐压特性更应

重视;

✧ 电路与泡体应工作在额定功率范围之内;

✧ 电路盒和泡体必须有良好散热;

✧ 工作环境温度和湿度在规定的范围之内;

✧ 灯泡的制造工艺和光衰特性符合长寿要求;

✧ 精良的电路设计应使盒内温度低于65ºC 以下,(环境温度T=25ºC )

科视高频无极灯时间最长的一盏已点三年多(连续工作),试销产品点了1~2年,但作为一种新产品,还有待时间的进一步考验。

10. 安全使用高频无极灯问答

10.1. 高频无极灯的应用具有什么限制?

● 目前低压气体高频电磁的功率最大只有165W ,更大的功率仍在研制中,所以,

单体高频无极灯仍不能代替功率400W 以上的金卤灯和高压钠灯;

● EMC 实验室、发射与接收实验室或频率相近的调试生产线,粒子原子实验室不予采用; 10.2. 电磁波辐射有多大?对人体健康有没有影响?

高频无极灯必须通过国家权威部门的EMC 检测才能投产。经检测科视高频无极灯的电磁兼容符合国家标准:GB17743-1999、GB17625.1-1998、GB17625.2-1998, 同时还通过了欧盟的CE 认证。

有关资料和基本实验结论表明,高频无极灯工作时对人体的健康没有任何影响。 10.3. 无极灯工作时灯泡表面温度有多高?

以85W 高频无极灯为例,灯泡的表面温度<90℃,165W 灯泡表面温度也只有100℃左右,而普通的100W 白炽灯工作时的表面温度会超过100℃, 金卤灯和高压钠灯就更高,会超过150℃。

高频无极灯基本知识及安装操作实践

26 10.4. 高频无极灯的电子镇流器外壳是否带电?对人身安全会不会构成威胁?

由图(6-4)和图(7-1)可以看出,接于火线和中线之间的共态电容C 3、C 4的中点接到

电路盒外壳,使金属外壳带电,但C3、C4的取值较小,一般只2200PF ~4700PF, 外壳在安装时要求与大地联接,所以是安全的,不构成对人身安全的威胁。但当电路盒外壳未与大地联接时,用潮湿的手接触外壳,可能会有轻微麻手的感觉,这是正常的。如果我们用旧式500型万用表测量外壳对地线电压,就会发现,用500V ~档测量时,约为90~100V ~;用250V ~档测量约为100V ~;用50V ~档测量约为30V ~;用10V ~档测量则只有8V ~。这些不一致

的测量结果实际是感应电压,感应电压的大小会受到客观环境的影响,例如放置的方位,距离信号源的远近,环境和金属表面的湿度,以及表头本身不同测量档位的阻抗等等。为了降低“麻手”,共态电容尽量取低,只要EMC 能通过,取2000PF 为宜。

10.5. 启动电压、启动电流和启动功率有多大?

高频无极灯工作时,启动电压(也即点火电压)可达1000-4000V P-P 。如果用手碰触输出

端接点,可能会引起皮肤表面局部灼伤,但不会致命,因为人体呈感抗,在工作频率较高情况下,其阻抗Z=2πfL 也高,不发生危险。由于是软启动,启动电流和启动功率都限制在额定范围之内。

10.6. 不同瓦数的灯泡和电路可否互换?

不可以。85W 的灯泡要配接85W 功率的高频电子镇流器;60W 的灯泡要配接60W 的镇流器不可以随意挪用,因为电路和耦合器只有工作在设定的额定指标范围内才能发挥最佳的效能,对灯的寿命和安全性都有好处。

10.7. 连接灯泡的电缆线能不能剪短或加长?

不可以。连接高频电缆线本身有一定的分布电容和分布电感,电路的高频输出要与耦合器匹配才能正常工作,随意加长或剪短必然使电缆总的分布电容和分布电感参数产生变化,导致电路失谐,产生故障。但如果把高频功率振荡电路与开关电源分开,则开关电源的直流输出引线原则上可以延长。如图所示:

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27

图(10-1)功率振荡器与开关电源分开示意图

10.8. 高频无极灯打破时有没有危险?

没有。冷泡打破时,里面的固体汞齐和辅助汞齐是可以回收的。热泡(点燃的灯泡)打破时,因没有普通灯丝的高温热,灯泡表面温度也小于100℃。不含引起纸屑之类的易燃物品燃烧,用起来比其他灯要安全得多,几乎不用“防暴”。

高频无极灯的安装、使用与维修

● 安装前请仔细阅读本说明快。

● 安装应由专业电工操作。

高频无极灯基本知识及安装操作实践

28

一、 高频无极灯的特点:

与传统式的电光源不同,高频无极灯内部没有灯丝或电极。它是基于萤光灯气体放电和高频电磁感应两个熟知原理相结合的一种新型光源,是21世纪“绿色照明”领域的最新应用技术。由于灯泡内没有灯丝或电极,因此不存在限制光源寿命的必然元件,寿命可达数万小时以上。此外,节能、无频闪、低眩光、可立即启动和再启动,可在任意方位上安装以及优良的电气特性使它更臻完美。它完全消除了光污染这一隐形公害,因此,越来越受到人们的普遍重视和采用,成为真正的环保型电光源。 二、 应用范围。

可用于工厂车间、礼堂大厅、会议室、学校教室、图书馆、大型商场、隧道、路灯、标灯、桥梁灯、地铁、水下灯、城市亮化、温室蔬菜植物棚、危险地域照明。特别适用于换灯困难且费用昂贵的场所以及对安全要求高的重要场所。

三、 主要技术参数

高频无极灯基本知识及安装操作实践

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四、 分体式高频无极灯和一体化高频无极灯:

● 功率大于40W 的高频无极灯一般采用分体式,即高频功率发生器与灯泡

独立分开,通过高频电缆联接,使用专用灯具或将传统灯具改装使用。 ● 一体化高频无极灯一般功率小于25W ,电路与灯泡做成一体,可直接旋

入常规灯头使用。

五、 分体式高频无极灯的组成和线路联接:

● 分体式高频无极灯由高频功率发生器(频率2.68MHZ ),高频耦合器和泡

体三部分组成,高频耦合器装在泡体的腔体之内,出厂时构成一个独立的整体灯泡。因此,实际的高频无极灯由高频功率发生器和灯泡两部分组成,见图(1)所示。

● 电路联接:

图(1)中,电源输入端(三孔)的1、3孔接入市电(220V ∽)第二孔空置;输出端(双孔)通过固定长度的高频电缆与灯泡内耦合器相联接,联接时注意电缆线二头的极性标志。高频电缆线不能随意剪短或加长。 注意:高频耦合器已按技术要求置于灯泡体腔内,构成一体;不允许拆开。

六、 高频无极灯的安装和导热处理:

● 任何一种电光源在发光的同时会产生大量的热。高频无极灯虽然有很高

的电光转换效率,但也毫不例外地要产生热量。与其他电光源产品相类似,这些热量如果不能及时导出并通过适当途径向环境散发,就会影响到灯的工作效能,所以,必须配置合适的灯具或灯座式散热器,才能使灯工作在最佳状态。

● 散热处理的方法比较简单,首先将灯泡与电路盒非接触放置,彼此分开

20mm 以上距离,以隔断灯热与电路盒的热传递,然后将灯泡底座与灯具安装位置紧密接触,旋紧四只固定螺丝。为了增加散热效果,可在灯泡与灯具安装界面上涂一层薄薄的散热油(如SLD-746导热油)。这样,借助灯具外壳散热可获理想效果,大大延长灯的使用寿命。

高频无极灯基本知识及安装操作实践

30 ● 高频无极灯可在任何方位上安装,配备散热良好的灯具或散热器后,高

频无极灯工作时的温度远远低于其它发热电光源的工作温度。

● 公司已经设计,开发出多种不同用途的无极灯专用灯具可供客户选用。

专用灯具的开发与采用,使无极灯的安装更是大大简化。典型的安装图及安装步骤见图(2)、图(3)和图(4)。

图(2)为采用金属灯罩的安装方法。

图(3)为采用塑料灯罩的安装方法。

图(4)为直接安装在金属铝散热器上。

● 户外用灯时,灯具应有良好的密封性能,以免高频功率发生器和灯泡受

到风雨袭击,造成损坏或渗水受潮导致漏电、短路、金属锈化等现象发生。

● 使用环境温度

● -20-+50℃,湿度<85%,要求通风条件良好。

八、使用注意事项

高频无极灯基本知识及安装操作实践

31 ● 安装时必须先切断电源,保证安全。确保接线正确无误,方可通电。 ● 高频无极灯允许市电电压变动范围很大,但不宜作调光照明。

● 如发现工作异常(自熄、闪烁),应关掉电源,由专业人员拆下检查,向经

销商洽询要求调换。

九、维修与售后服务

● 本公司对产品提供包括安装、维护、保养等方面的咨询和培训。

● 本产品的保修期为五年,自产品销出开票之日算起,五年内若有质量问题可

以随时退换。

● 超过保修期厂方提供维修服务,收取适当、合理的维修费用。

● 无极灯的安装比较简单,若因操作失当,人为损坏,造成非技术性损伤,或

因人力不可抗拒的自然灾害,如台风暴雨造成损坏,不在保修范围之内。

高频无极灯基本知识及安装操作实践

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电磁振荡器技术规格 TECHNICAL SPECIFICATION

高频无极灯工程应用实际情况和金卤灯的比较:

无极灯实际功率:220×0.39/0.98=87.6W

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85W 一体化无极灯安装流程示意图