高强度气体放电灯的热启动电路
Heat start circuit of the high intensity gas discharge (HID) Iamp

关键词：电感镇流器 HID灯：启动电路

大家知道，高压钠灯和金属卤化物灯，这类高强度气体放电（HID）灯比较难启动。特别当灯点亮后，工作足够长时间，灯的温度上升后，如果突然断电，紧接着又再启动，就需要专门的启动电路，这就叫做热启动。对此，灯两端需加较高的脉冲电压（它比电网电压高得多）。
为热启动这种灯并使之正常工作，已有许多电路形式。这些电路都工作得十分满意。但是，这些电路中，除了所用的普通镇流器外，通常都带电阻和脉冲变压器，才能完成启动工作。这里的电阻，一般是低阻值大功率的，它要发热。为防止这些发热元件危及电路其他元件，就采用特殊的设计，或者把热排走，或者把其他元件用隔热材料隔离起来。另外，用了大瓦数的电阻和脉冲变压器，也增加了电路和成本。

为克服上述电路的这些缺点，介绍一种新型电路，如图1所示。该电路无大瓦数电阻和脉冲变压器，其线路连接关系如下：接线端子1及2接到交流电网上，（220V或110V），C1为功率因数校正电容，接在电源输入端子1及2之间。L1为电感镇流器，其一端连到电源输入端子1，另一端接到灯Lp，灯的另一端接到电网输入端2。这样，镇流器和灯串接起来跨接在电源两端子上。
镇流器L1有一个抽头E，它把镇流器线圈分为两部分，BE为第一绕组，也叫初级绕组，AE为第二绕组，也叫次级绕组，绕组AE的匝数N2，比绕组BE的匝数N 1大得多，一般取 ≤5%。
可控硅SCR接在镇流器L1的B端和储能电容C2之间。电容C2的另一端器连接器抽头E。触发二极管D3接在SCR的控制极和阳极之间。如有必要在触发二极管和SCR的控制极之间接一个限流电阻R2，以保护触发二极管。
从电路中SCR、电容C2及D3的连接关系可看出：如果电容C2上的电压增加达到或超过触发二极管D3的击穿电压，D3就导通，SCR就处于导通状态，电容C2就通过绕组EB放电。因为绕组间的电感耦合，绕组EB相当于变压器的初级，它在绕组AE（相当于变压器的次级）中就感应出很高的电压，加到灯管两端，如果适当选择N1与N2，就会产生足够高的电压把灯启动。
电容C2的充电路是接在镇流器L1的抽头E和电源另一输入端子2之间，该充电电路由二极管D2、泵电容C3、射频扼流圈L0及二极管D1组成。这些元件串接起来，接在抽头E和电源输入端子2之间。D1接在C2和C3之间，其极性是和D2相反的。
我们把包括SCR，触发二极管D3、C2、C3、D2、D1及扼流圈L在内的电路叫做启动电路SC。SC的工作过程如下；
在电源的一半周期内，电流经过L。C3、D2对C3充电，C3的电容值比C2的电容值小得多，大约为0.47μf，在另一半周期内，电容C2被充电，并且，C3上的电压帮助此新半周期内的电压给C2充电。于是，就把大约2.7毫焦耳的能量传递到储能电容C2上。C2的容量约为5μf。显然，在一周期内，C2所需的能量比由此新 半周期及电容C3所提供需能量大得多。于是，在下一半周期内，电容C3再被充电，并在紧接着的半周期内把能量传递到C2上。在每连续的周期内，电容C2上的电荷，由于泵作用，均有某种程度的增加，由电容所标的容值估计约25个周期，可把电容上的电压充到520伏。这足以使触发二极管击穿。
当电容C2上的电压达到D3击穿电压时，D3就导通，也使SCR导通，电容C2通过绕组EB放电。在绕组AE中产生高压。大容量的电容C2把相当大的能量倾泄到电感L1的磁场中，该能量约0.676焦耳。而普通的高压钠灯触发器中，只有0.0053焦耳。这就使电感L1的磁心处于相当强的激励状态。于是，灯变成完全放电并处于低阻状态。然后该放电状态就由额定的AC电源维持。放电所产生的电流方向和由励磁电感产生的电流方向一致，并强行通过灯管（当SCR被同一励磁电感在电容上产生的瞬间反偏电压而关断时），对这种高储能电容C2用这种可控硅的阶梯充电，不需要大瓦数低阻值的电阻。因此，该电路效率高，且不产生热。
用10Ω线绕电阻R1接在SCR回路可使高压脉冲尖峰降低并把脉冲底部加宽。这可降低电应力，允许采用低成本磁材。而附加的电阻阻值较小，并不引起大的发热量。
当SCR导通时，在镇流器电感L1上产生的高压也加到扼流圈L0及灯上。L0对脉冲频率呈高阻抗，这样就使高压脉冲的主要部分加到灯管两端，而对触发启动电路SC内的元件无妨害。电容C1还作为高频旁路，使高压出现在灯的分布电容上。如果因某种原因，灯触发不起来，上述的高压脉冲就一直重复着，直到灯启动为止。当灯再启动时，灯工作电压就把启动电器SC两端的电压 位到约110V左右。因此，就自动关断了灯工作期间高压产生的过程。

图2表明采用SC电路和不同形式的镇流器配合的情况。图2 是带抽头的镇流器T3。镇流器T3的初级绕组5接着中线N，有抽头1、2、3、4，可以接到不同的电源上。例如：120V、240V、277V、480V，可以相应地接到抽头1~4。该镇流器的次级绕组6抽头P，绕组SP为次级，绕组PF为初级，其作用与图1中的绕组AE及EB一样。旁路电容C可接在次级绕组PS和地之间。为启动电流提供低阻抗的通路。因此，该电路及其功能实质上和图1所述的一样。

图3为启动电路的改进形式；该启动电路SCF接在电源、镇流器和灯头之间，这和图1—样。所示的启动电路是专用于启动600瓦的高压钠灯。启动电路SCF，从原理上讲，其启动和热启动部分同图1所示的一样。只是实际所用的元器件有所不同。例如：储能电容C2是5μf/400V，C2接到可控硅SCR1上，SCR1为35A/800V，4个触发二极管D1、D2、D3、D4串起来，接在可控硅的阴极和触发极之间；每个触发二极管的击穿电压为135V。串接电阻R1为680Ω。
泵电容C3为0.0471μf/630V，扼流圈为2个50毫亨的电感L01及L02。它们串起来。图1中的二极管D2，此时用2只二极管D5及D6串联取代。D5及D6为3A/600V整流二极管。用2只二极管D7及D8取代图1中的D1。
除了这些元件的变更外，图3的电路中还加了阻塞电路，以便当灯泡LP失效无法启动时，使启动电路停止工作。该阻塞电路由一个恒温开关Ts和加热电阻R3构成。Ts和充电电路中的泵电容C3，二极管D7，D8串联，在泵电容C3和储能电容C2之间构成一条短接线。开关Ts在常温下是闭合的。当其温度升高时(例如到110℃时)就跳开。加热电阻R3同充电回路的部分元件包括二极管和电容并联，而和扼流圈L01、L02串联。这样，每当电路接通时，就有电流通过加热电阻R3，加热电阻R3和开关Ts是热控制关系。在R3通流受热时，开关Ts的温度就升高。依据灯具的环境温度，在大约3—5分钟后，温度开关就跳开。当Ts开路时，对储能电容C2的阶梯充电就停止。在电源未断开前，一直有加热电流通过R3，所以开关Ts就一直保持开路。当电源断开后，Ts就又闭合。
这种自动通断电路，保证了触发器及镇流器的长寿命和高可靠性。因为它使得在灯泡出故障时，介电元件上的高压应力受到限制。

图4中附加了较普通的高压钠灯启动电路，用以说明图3的电路。该启动电路由触发二极管D9，电容C4，电阻R4和RF扼流圈L03组成。其连接关系如图所示。
该电路的工作原理如下：电流经L03、R4给C4充电，当C4上的电压达到D9击穿电压时，电容C4就经过镇流器电感L1的绕组EB放电。从而产生启动脉冲电压。该启动电路可在正常启动状态下，冷启动灯泡。在正常情况下，可用高电压低能量的脉冲启动灯泡，并维持其工作。但是，该电路不能有效地启动热灯泡。所以，对于初始的冷灯泡可用普通的HPS启动电路启动，对于热启动可用控制电路SC或SC。要强调说明的是：该两种启动电路可合在一起很好地工作，并可接在同样的启动装置中，不会有什么困难。

图5所示的电路，基本上和图1的一样。只不过阻塞电路不是用热敏开关，而是用电子方式。网络CZ中的电容C4其容量约为100μf，放电电阻R3为100KΩ，R3同C4并联。C4的串联充电电路由电阻R4和二极管D3组成，D3的极性是这样接的；它给C4上充电电压和C2上充电电压是相反的。C4是在C2的充电回路里，但因为C4的容量比C2的大得多，C4上的电压建立得相当慢。C4的充电时常数主要由C4×R4来决定。R4的限值为150KΩ。C4×R4=100μf×150KΩ=15秒。
当接通电源，C4上的Dc电压缓慢上升，它趋近C2上建立的电压，就抵消C2上的电压，使得C2上的电压不能达到触发二极管D3的击穿电压。一只好灯泡，通常在第一次脉冲作用下就启动了，在泵电容C3为0.22μF时，每0.45秒产生一个脉冲，网络C2中的元件在上述给定的值下，在产生四个脉冲后，脉冲就被终止了。并将回到初始的启动状态。只有在电源被关断，启动电路再次工作后，又复还原状。
这种阻塞网络比用热敏开关好。它不考虑灯亮的环境温度，可容易地在-30℃到+90℃下工作。