电子镇流器设计

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电子镇流器设计中应关注的要点

众多的荧光灯电子镇流器的设计人员,往往更多地关注电子镇流器的功率因数,谐波,
灯电流波峰比以及EMI指标,作为强制性认证的关键指标,则往往没有引起设计者的足够
关注.笔者按电子镇流器3C认证以及CE认证的要求,从最新版电子镇流器标准条款的分
析谈起,解析了部分重要条款的相互关联性以及解决的对策.
本文提到的有关检测方法,请参阅灯的控制装置国家统一宣贯教材的第2章和第3章.
关键词:U—OUT值 关联部件 局部整流效应 电压取样
引言
荧光灯电子镇流器经过近20年的努力,到目前阶段,要做到能配合灯正常
启辉,稳定工作并能保持较长的使用寿命已没有较多的技术问题,但由于照明行
业的发展,各种高光效细管径的荧光灯问世以及人们对荧光灯和电子镇流器配套
工作机理认识的深入,对电子镇流器的要求也在不断提高中,这种要求的提高集
中反映在荧光灯电子镇流器的产品新版的标准中.研究和掌握新版标准的要求,
并研制解决对策,是这一行业同仁的使命.新版荧光灯电子镇流器标准中,容易
被忽略的要点如下:
一,荧光灯电子镇流器U—OUT值的确定
1,U—OUT值标志的意义及与其它条款的关联性
新版GB19510.4-2005/IEC61347-2-3:与GB15143-94/IEC60928:1990最明
显的不同在于在标志内容中,新增了U—OUT值,并且U-OUT值是作为荧光灯电
子镇流器的强制性标志内容,必须给予标出.U—OUT值是荧光灯电子镇流器最
大工作电压(有效值)的简称,但它又不同于IEC61347系列标准中其它灯的控
制装置对工作电压的定义.在GB19510.1-2004/IEC61347-1:2003中,对工作电
压(working voltage)的定义是:"灯的控制装置在额定电源电压下处于开路状
态或正常工作其间,其任一绝缘体两端可能出现的最高有效值电压,瞬变值忽略
不计."并且其它灯的控制装置的工作电压一般不需标出,并且在工作状态或开
路状态测得的工作电压仅用于介电强度与爬电距离和电气间隙两个项目的考核.
而荧光灯电子镇流器的U—OUT值一旦确定并标出后,不仅作为工作电压用于其
介电强度与爬电距离和电气间隙的考核,而且还将作为关联部件保护项目中最大
峰值电压以及随后的最大工作电压(有效值)的考核依据.
由于高效节能的细管径灯管的出现,并配以高效的电子镇流器,使这一照明
系统的光效有了显著的增加,T5或T4类细管径灯管工作时的灯电压和启动电压
都明显地高于常规的T8和T12灯管,并且T8灯管在追求高效时,除了采取其它
措施外,也在向高灯管电压的方向发展.灯的管电压的提高对系统的照明效率提
高的贡献是毫无疑问的,并且灯管工作电压和启动电压的提高也正好适合了电子
镇流器的工作特长.但是,随着灯所需求的启动电压的提高,电子镇流器输出的
高启动电压除了施加在灯管上外,还同时施加在灯座,连接器等部件的不同极性
的电极之间以及每一电极与灯具金属外壳(接地金属)之间,另外这一启动过程
的高电压也同时作用在电子镇流器内部的电路与金属外壳之间以及电子镇流器
输出电路的不同极性电极之间.从标准设立U—OUT值的本意来讲,一方面在标
志上标出合适的U—OUT值是提示灯具制造厂或安装者注意,灯具中连接在电子
镇流器输出端的灯座以及相关的器具连接器,应注意其标称的耐压值是否满足U
—OUT值,另外,灯座以及相关的器具连接器内电极与灯具金属部件之间的爬电
距离和电气间隙是否满足U—OUT值对应的要求,尤其是电子镇流器所标的U—
OUT值远大于250V时更得关注这一问题.U—OUT值还直接关系到灯具介电强度
试验的高压值.另一方面,电子镇流器的U—OUT值的提高也同样使考核电子镇
流器自身的介电强度以及爬电距离电气间隙要求相应的提高.可能有人认为:电
子镇流器的介电强度试验电压与其U—OUT标志值无关,欧洲的VDE等认证检验
机构先前的CB检验报告上也是采用2倍的电源电压加上1000V来进行介电强度
试验的.但实际情况是,尽管我国目前采用的IEC标准体系是以欧盟为主体起草
的,但是欧盟的每个实验室的各个项目工程师未必能完全理解标准的各条款,今
年7月份我中心在进行3C认证时,专门就某一国际跨国公司的电子镇流器CB
报告检测合格,同一产品未作任何更改,但在3C认证检测时发生不合格情况向
VDE作了询问,VDE内部经过认真讨论认为我方的理解是正确的,并且VDE在今
后对电子镇流器的介电强度试验也将采用2倍的U—OUT值加上1000V来进行.
2,U—OUT值的确定方法
所有的荧光灯电子镇流器,都是为了配合双端荧光灯或单端荧光灯而设计
的,该两种荧光灯启动时对开路峰值电压的需求就是设计人员在设计荧光灯电子
镇流器时的开路峰值输出要求,对于具体的某种灯管,可直接从IEC60081(双
端荧光灯)和IEC60901(单端荧光灯)标准中找出其启动时最大的电压要求值.
对于每一个规格的灯管来说,标准给出的灯管启动电压根据气温不同,大都给出
了+10℃和-15℃时两个不同的电压值,考虑到我国的幅员辽阔,各地及季节的
气温不同,并且很多灯管的启动电压需求也往往比标准值偏高的特点,所以电子
镇流器在预热阶段后的启动输出峰值电压起码应达到-15℃时灯管所要求的开路
电压值.(注意:灯管标准中给出的开路电压都是有效值,应进行适当的1.5～
1.7系数的折算),在实际使用中,因为气候潮湿,输出线与灯具外壳的电容性
感应,灯预热不充分因素以及灯管使用时无启动辅助件等各种情况,所以灯两端
所需峰值电压还需提高40%～50%(保险系数).(注意:电子镇流器标准中关联
部件的保护项目考核的是峰峰值,其最大峰峰值电压应是上述折算后值的两倍).
在得出电子镇流器最大峰值电压后,由于其值一般都不正好是表1中所列的峰值
电压值,所以要按图1用直线插入法来确定电子镇流器的最大工作电压U—OUT
值.
例如:T5管径的28W双端荧光灯,按IEC60081-6640活页查出其-15℃时最
小开路电压有效值是530V,设电子镇流器开路电压波峰比1.5～1.7,保险系数
为1.4～1.5,电子镇流器输出的最大启动电压峰值UP-P=530×(1.5～1.7)×
(1.4～1.5)×2=2226V～2703V之间.按图1得出U—OUT值应在250V～275V
之间.在得出U—OUT值后,还应注意荧光灯电子镇流器在启动时,如果是异常
状态,其保护电路必须在5S内动作,以保证其在5S后,任一输出端子与地之间
以及各输出端之间的电压有效值低于U—OUT值.
表1 工作电压(有效值)和最大峰值电压的关系
输出端的电压
工作电压(有效值)(V) 最大容许峰值电压(V)
250 2200
500 2900
750 3100
1000 3200
注:允许在所规定的电压间隔间实施直线插入法.
另外,在电子镇流器印刷线路板中各带电薄铜板与接地线之间以及带电薄铜
板与可触及的金属外壳之间的爬电距离和电气间隙在结构设计时也应充分关注,
保证这些间隙能满足U—OUT值对应的爬电距离和电气间隙的要求值.
本条要求也适用于用接线端子输出的电子镇流器,该种电子镇流器输出接线
端子的每一电极与可触及的金属件之间的爬电距离和电气间隙也应满足上述要
求.
只要设计者真正关注了上述要求,并且金属外壳与内部线路板之间具有完好
的绝缘内衬,介电强度项目一般都能顺利地通过.
二,局部整流效应条款设立的意义及对策.
1,局部整流效应条款设立的意义
灯尚能工作,但灯2个阴极中有一个已去激活或损坏,这就是IEC61347-2-3
标准最新的修订稿的内容(所谓的局部整流效应).在现阶段,一般电子镇流器
都已具有异常状态的保护电路,当灯在发生灯不启动(对瞬时启动电子镇流器是
开路状态)或完全的整流效应发生时,其内部的保护电路一般都能自动进入保护
状态,从而避免了灯和镇流器的各种安全故障的发生.但实际使用中,当灯的寿
命将终止时,往往是某一阴极的电子发射量不足而另一个则还处于正常状态,灯
有一个灯电流从开始出现不对称发展到最后的只有半波电流的发展过程,在这一
发展过程中如果灯电流中的波动直流分量所造成的电子镇流器超载现象不足以
使电子镇流器内的保护电路动作,(电子镇流器内的保护电路如果灵敏度太高,
一般会使灯在低温启动时尚未能启动就转入保护状态,使灯不能转入正常工作状
态),并且由于电子镇流器设计和制造技术的进步,一般超负载的能力都较好,
在这些因素的影响下,使电子镇流器因局部整流效应(辉光放电)所造成的超功
率输出能量有很大部分作用在已具有整流效应的灯管上,这一能量由于集中作用
图1
在体积很小的灯的阴极上,所以会使灯的阴极导丝以及喇叭口状玻璃烧坏,灯头
温升上升使灯座软化变形,严重时甚至会发生灯的玻管壁因骤热而发生开裂,熔
化,上述两种现象都可能使灯管跌落发生伤人的现象.目前已有多起这类的原因
所造成的质量事故.
荧光灯电子镇流器以往的异常状态保护,都是保护其自身不发生安全性故障
或不损坏,而IEC61347-2-3:2003中提出的局部整流效应异常状态保护,主要
是针对灯管和灯座,不要在局部整流情况发生时灯管爆裂,玻管熔化,灯座严重
软化而造成灯管的跌落伤人事故.
2,局部整流效应的保护对策.
通常的荧光灯电子镇流器的异常状态保护电路都采用电流取样方式,主要针
对的是灯不启动(两个电极去激活)异常状态时,流过LC串联谐振电路的电流
很大,所以目前基本都采用2种异态保护电路,1种是在输出电感上加一取样绕
组,取样电量经整流,积分电路后来推动可控硅导通,使电路停振,从而实现保
护的目的.另一种方式是在LC串联谐振电路中串入一用电化学原理做成的万次
自恢复保险丝,当串谐回路电流持续很大时该元件发热促成自身呈现高阻状态,
使谐振明显减弱,从而达到异态保护的目的.但是在产生局部整流效应时,往往
是灯在高频的某个半周呈辉光放电状态,LC谐振电路或灯的电流并不明显地增
大.所以采用电流取样的方式往往对局部整流效应无效.当产生局部整流效应时,
其共同点是串谐电感和电容两端的电压会出现某一半周电压明显地升高,并且这
种升高的电压具有一较长的持续作用过程,如果从这里采用电压取样的方式再配
以辅助电路就可以达到当灯管产生局部整流效应时,电子镇流器会进入低谐振或
停振状态,从而不仅保护了电子镇流器本身,同时也保护了灯管阴极不受到过高
的加热功率,保证了电子镇流器能全面符合标准的要求.在这里应注意,电压取
样后的整流电路应该是全波的,这样能保证不论是正负哪个方向产生局部整流效
应,保护电路都能可靠动作.荧光灯电子镇流器具有这一保护功能是进行CE认
证的必备前提条件,目前已有一些企业成功地研发了这类电路,并且已取得了专
利.我国从事电子镇流器电路研发的人员最多,只要投入一定的力量,遵循上述
的取样原则,就能研制出各种电路来实现荧光灯电子镇流器具有局部整流效应异
常状态保护功能的电路.这类电路还具有荧光灯电子镇流器其他异常状态时的保
护功能.
三,可控式(调光)荧光灯电子镇流器应附加关注的问题
由于电子镇流器的特点,采用调光电路使电子镇流器的功能更趋于完善,更
能满足各消费层的要求.但由于具有了调光功能,由此而产生了新的要求.
1,调光式电子镇流器的谐波要求.
调光式电子镇流器的谐波考核要求,仍按照GB17625.1-2003/IEC61000-3-2
标准要求,对于25W及以下功率的电子镇流器调光电路,标准只要求在满功率输
出时测量谐波要求,并且25W及以下功率的电子镇流器谐波是按放宽要求进行
的,所以一般都能通过.对于25W以上功率的电子镇流器,在满功率输出时,是
按GB17625.1-2003标准中C类电器进行考核,要求在满功率输出时其各次谐波
电流百分比能满足标准要求,并且测量出这时的基波电流,用此基波电流再乘以
标准中各次谐波的限值百分比,得出各次谐波的最大限值电流,在整个调光过程
中,只要每一次的谐波电流值不大于各次谐波电流的最大限值,就符合标准要求,
目前的误区是往往在调光时也按百分比考核,从而造成谐波项目几乎很难通过的
假象.
2,调光过程的灯阴极预热要求.
荧光灯电子镇流器在正常工作时,灯的阴极还有部分灯丝电流为其加热,并
且电极还受到电子轰击产生一部分热效应,这两者共同作用使灯的阴极处于较好
的热发射温度范围,但是当灯的电流调小时,电子轰击电极产生的热效应明显减
弱,灯阴极处于明显的温度不足状态,此时灯阴极温度往往明显低于热发射所必
须的温度值,结果造成了灯阴极的浅射,使灯管的寿命大大缩短.从目前使用的
调光电子镇流器的结果来看,当灯处于较小的功率状态下工作时,灯的寿命反而
明显的下降也说明了这一点.
解决这一问题的对策:
(1)应使电子镇流器在灯电弧电流调小时,灯丝电流应适当增大,即调光
式电子镇流器不能一味追求高效率而使灯丝电流处于较小的状态,用灯丝电流的
增大来弥补灯电弧电流减小的加热能量.
(2)电子镇流器的调光范围不宜过大,在最小调光位置仍应保证灯的阴极
基本处于热发射温度的状态.
3,有线控制电路与电源电路的绝缘要求.
有线可控式电子镇流器,其控制端与其它引出端子属于不同极性的电极,所
以GB19510.4-2005/IEC61347-2-3:2000标准要求控制端与电源电路起码具有基
本绝缘的功能,由于控制信号大多采用0～10V的控制电压,并且往往要与智能
调光电路连接,所以标准规定当控制端电压是采用安全电压时,控制端与电源电
路应具有双重绝缘或加强绝缘的功能.
可控式电子镇流器的设计人员往往不注意这一点,造成了型式试验的失败,
并重新返工的结果.
四,结论
荧光灯电子镇流器从起步到目前基本成熟的20年间,其电路和功能都取得
了显著的进步,但由于照明行业的不断发展和进步,各种高效荧光灯的出现使标
准对荧光灯电子镇流器又提出了新的要求,作为我国的电子镇流器的设计人员,
应全面掌握各有关产品标准对电子镇流器的考核内容,在电路设计时综合全面地
考虑各项要求,才能保证荧光灯电子镇流器的全面达标,这不仅是满足荧光灯电
子镇流器3C认证的要求,而且还能使我国的荧光灯电子镇流器产品能更顺利地
出口到世界各国.
五,参考文献
1,IEC61347-1:2003
2,IEC61347-2-3:2003