电子镇流器中高强度放电(HID)灯的特性
2007-07-27 17:06:39
来源：《国际电子变压器》2007年7月刊
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1 引言
随着社会科技的发展与进步，人们的生活水平在不断提高，自从2006年7月1日起，全世界执行（ROSH）与（WEEE）指令后，特别在电子产品中，使得各生产企业在开发设计与生产制程都按照欧盟标准去执行环保与节能，本文介绍了在电子镇流器中一种高亮度环保节能灯（HID）应用与特性。
2 高强度放电灯
高强度放电灯，也称为高亮度放电灯或高压气体放电灯。HID灯是用途比较广泛的节能型电光源。目前常见的HID灯主要有三种，即汞（蒸汽）灯、钠灯和金属卤化物（简称金卤灯）。其中，钠灯又分为低压钠（LPS）灯和高压钠（HPS）灯。由于汞灯光效相对较低，而且在发出的可见光中蓝光过强，正被HPS灯和金卤灯所代替。但是，在一些特殊场合下的应用方面，汞灯仍有一定市场。
2.1 HID灯的结构及其特点
三种不同类型的HID灯内部结构如图1所示，尽管汞灯、HPS灯和金卤灯在结构上有区别，但共同点是都含有灯底座（基座）、玻璃外壳、悬浮架、电极、弧光管和金属支撑框。由于金卤灯是从汞灯派生的新星型电光源，故在结构上二者非常相类似。三种灯的区别就是玻壳涂料、电极、弧光管尺寸和管内填充的惰性气体等不同，因而具有不同的特点。
汞灯和金卤灯有两种电极，一种是启动电极，另一种是工作电极 。两种电极相距很近，目的是加速惰性气体的电离。启动电极与由石英晶体或多晶铝制成的放电管相连，弧光管内的弧光放电使电能转化为电磁辐射。在其中的一个启动电极上串连一个电阻器，用作限制启动电流。当工作电极（主电极）进入正常状态后，启动电极的电阻比工作时电极大得多。因而不再起作用。HPS灯的弧光管直径很小，不必用启动电极点火。
HPS灯中的惰性气体为氙气，由于氙气的击穿电压较高，故要求点火电路必须能提供足够高的电压。汞灯中的惰性气体一般为氩气，而外壳与弧光管之间充有氮气。
HID灯放电管内壳材料必须能承受13000K高温，且不受灯内水银、卤、钠等金属的腐蚀。汞灯内壳材料多采用可荣性硼酸盐层的二氧化硅苏打石灰玻璃或石英，金卤灯则采用陶瓷，钠灯多采用多晶铝材料。HID灯外玻壳通常用透明度非常高的硅酸硼玻璃形成，并在其内墙壁涂有磷粉，用作将紫外线转化为可见光，并改善灯光颜色。波长在200~6000mm之间的光可穿过铝或内壳材料，而其它波长的光被内壳吸收转化为热。可见光波长为380~770nm，虽然紫外线是不可见光，但是通过磷把其中一部分转化为可见光。不同电光源光效对比排列图，如图2所示。
汞灯光光效大多为40~55Lm/W，显色指数为40~45，输出功率高达400W，安装费用低。因其效率高于白炽灯，最初广泛用于工业及商业室外照明。金卤灯光色接近于白炽灯，光效远高于汞灯和荧光灯，达80~125Lm/W。由于金卤灯中卤盐（如碘化钠、铟、铊、钪）在汽化中可使金属原子充分集中，与汞灯比较，在红色和黄色区内光谱色线将增加，光色较好，主要用于商场、宾馆酒楼、展览中心等室内照明，缺点是发出强烈的黄光，使人无法分辨颜色。高压钠灯的效率达30％以上，光效高达130Lm/W，是继白炽灯、高压汞灯之后的第三代表性节能新光源，可广泛用于道路、码头、铁路、机场、矿山、厂房、车库、广场、体育馆等室外的照明。
3 HID灯的启动特性
HID灯工作可以分为三个阶段：
①电极释放出自由电子，电子在外加电场中加速;
②自由电子的动能转化为气体原子的激发能；
③激发能转换为光。
图3所示为放电灯伏----安特性曲线。
放电灯的启动过程就是通过点火产生弧光并即时使之稳定的过程。为使镇流器设计更合理，有必要了解从点火到转入正常工作的各个步骤：
第一步：点火
灯加电后，灯中填充的氩气或氙气必须从初始的非导电状态激励到导电状态，HID灯才能点亮，该过程称为点火。完成点火的条件必须在放电灯的两个电极之间施加足够高的电压。
第二步：盖格区
当两电极之间的电压逐渐升高时，则产生断续微电流。由于电流密度较小，不能达到所要求的放电状态。要进入放电状态，还必须增加两极间电压以增大极间电流。盖格子区亦称为早期辉光状态。
第三步：离子雪崩（汤森德放电）
在汤森德放电开始时，两极间有电流通过，但是，弧光放电仍是断续的。经过一段时间（约1S）后，灯管中产生微弱的辉光，比正常灯光暗得多。
第四步：电流击穿——弧光
发生电流击穿后，弧光放电电流变为连续。此阶段放电灯两端电压比较稳定，但放电电流可能增加了几个数量级。从汤森德放电到电流击穿的转换过程就是从辉光到弧光的转化过程。
第五步：电压击穿
随着电流的不断增加，放电灯两端电压将急剧下降，该现象称为电压击穿。
第六步：亚辉光放电
电压击穿后，HID灯开始亚辉光放电，呈现负阻特征。随着电流的增加，灯电压反而下降。此时HID灯可等效为两个背对背的齐纳二级管与一个电阻的串联，齐纳二级管的电压约等于放电灯工作电压。当电压升高到可以击穿 齐纳二级管时，才会产生弧光。镇流器必须能适应这一现象。
在放电灯启动过程中，如果放电灯的功率超过额定值，放电灯就会进入异常辉光放电状态，呈现正电阻特性，电压随电流增加而升高，放电灯温升加剧，将会大大地缩短灯的使用寿命。因此，镇流器设计应能避免这种情况出现。
HID灯在出现故障或在有意中断工作后，再重新启动，只要HID灯尚未冷却就进行热点火，则需要比冷态情况下要高得多的点火电压。在灯未充分冷却后点火是比较困难的。
4 HID灯对电子镇流器的要求
由于HID灯结构及其工作原理与荧光灯并不完全相同，所以用普通的电子镇流器即使去点燃相同功率的HID灯并不适合，根据HID 灯的结构特点，对电子镇流器提出有以下几点具体要求：
1.能够输出足够大的功率。目前我们经常用的荧光灯的一般电子镇流器大多数的功率为40-80W，而HID灯功率往往在数百瓦，甚至高达千瓦以上，所以这就对HID镇流器的晶体管耐压要有非常高的要求。
2能提供足够高的触发电压。如HPS的触发电压在2-4KV，比荧光灯的高3~5倍，产生2KV以上高压并不是很困难，但要求在灯启动过程中不得对灯和镇流器中的元器件产生损坏及使用寿命。
3.能消除“声共振”现象。HID灯在高频电源供电的情况下，会出现放电电弧不稳定的现象，轻则使灯光抖动，重则烧毁灯管。这种“声共振(也称音频共振)现象是令人烦恼的。 电源不稳往往引起熄弧，随电压升高电流急剧增大，最终会导致镇流器和灯两败俱伤。
4.能连续长时间点燃，在恶劣的环境条件下可以正常运行。像HPS灯主要作用室外的照明，在露天场合下，冬季温度低至-20℃并不罕见，而夏季温度高达40℃的情况下屡见不鲜。与此同时，HPS灯往往要持续点燃10小时左右。因此，要求HID灯电子镇流器必须能耐高温、耐低温、防风沙、防雨淋，同时还要供电突然中断又立即恢复时能正常工作。
5.在HID灯出现故障或烧毁时，镇流器不应损坏。为此要求镇流器具有完善的保护功能。
6.鉴于HID灯功率比较大，要求电子镇流器对输入电流谐波、射频干扰和电磁辐射具有足够高的抑制能力。
5 HID灯电子镇流器组成部分
对于70W以下的HID 灯电子镇流器其结构与普通荧光灯的电子镇流器大体相同，只是启动电路稍有差异，对于功率在100W~1000WHID灯的电子镇流器不是采用自激式振荡电路，而是采用它激式高频变换电路，在它激式中用作开关功率的晶体管其驱动信号由专门的脉冲振荡电路及驱动电路提供，图4为HID灯电子镇流器的组成方框图，在这里不再讲述。
从HID灯对电子镇流器的上述这些要求可以看出，开发HID等电子镇流器的难度远远高于普通荧光灯交流电子镇流器。尽管国内有很多单位都在开发HID灯电子镇流器，但真正能够进入实用阶段的相对比荧光灯要少一些。事实上，HID灯电子镇流器属于高科技产品，价格方面比普通荧光灯稍要高些，但它符合环保节能，使用效率与寿命都能大大的提高。
随着社会科技的发展与进步，人们的生活水平在不断提高，自从2006年7月1日起，全世界执行（ROSH）与（WEEE）指令后，特别在电子产品中，使得各生产企业在开发设计与生产制程都按照欧盟标准去执行环保与节能，本文介绍了在电子镇流器中一种高亮度环保节能灯（HID）应用与特性。
2 高强度放电灯
高强度放电灯，也称为高亮度放电灯或高压气体放电灯。HID灯是用途比较广泛的节能型电光源。目前常见的HID灯主要有三种，即汞（蒸汽）灯、钠灯和金属卤化物（简称金卤灯）。其中，钠灯又分为低压钠（LPS）灯和高压钠（HPS）灯。由于汞灯光效相对较低，而且在发出的可见光中蓝光过强，正被HPS灯和金卤灯所代替。但是，在一些特殊场合下的应用方面，汞灯仍有一定市场。
2.1 HID灯的结构及其特点
三种不同类型的HID灯内部结构如图1所示，尽管汞灯、HPS灯和金卤灯在结构上有区别，但共同点是都含有灯底座（基座）、玻璃外壳、悬浮架、电极、弧光管和金属支撑框。由于金卤灯是从汞灯派生的新星型电光源，故在结构上二者非常相类似。三种灯的区别就是玻壳涂料、电极、弧光管尺寸和管内填充的惰性气体等不同，因而具有不同的特点。
汞灯和金卤灯有两种电极，一种是启动电极，另一种是工作电极 。两种电极相距很近，目的是加速惰性气体的电离。启动电极与由石英晶体或多晶铝制成的放电管相连，弧光管内的弧光放电使电能转化为电磁辐射。在其中的一个启动电极上串连一个电阻器，用作限制启动电流。当工作电极（主电极）进入正常状态后，启动电极的电阻比工作时电极大得多。因而不再起作用。HPS灯的弧光管直径很小，不必用启动电极点火。
HPS灯中的惰性气体为氙气，由于氙气的击穿电压较高，故要求点火电路必须能提供足够高的电压。汞灯中的惰性气体一般为氩气，而外壳与弧光管之间充有氮气。
HID灯放电管内壳材料必须能承受13000K高温，且不受灯内水银、卤、钠等金属的腐蚀。汞灯内壳材料多采用可荣性硼酸盐层的二氧化硅苏打石灰玻璃或石英，金卤灯则采用陶瓷，钠灯多采用多晶铝材料。HID灯外玻壳通常用透明度非常高的硅酸硼玻璃形成，并在其内墙壁涂有磷粉，用作将紫外线转化为可见光，并改善灯光颜色。波长在200~6000mm之间的光可穿过铝或内壳材料，而其它波长的光被内壳吸收转化为热。可见光波长为380~770nm，虽然紫外线是不可见光，但是通过磷把其中一部分转化为可见光。不同电光源光效对比排列图，如图2所示。
汞灯光光效大多为40~55Lm/W，显色指数为40~45，输出功率高达400W，安装费用低。因其效率高于白炽灯，最初广泛用于工业及商业室外照明。金卤灯光色接近于白炽灯，光效远高于汞灯和荧光灯，达80~125Lm/W。由于金卤灯中卤盐（如碘化钠、铟、铊、钪）在汽化中可使金属原子充分集中，与汞灯比较，在红色和黄色区内光谱色线将增加，光色较好，主要用于商场、宾馆酒楼、展览中心等室内照明，缺点是发出强烈的黄光，使人无法分辨颜色。高压钠灯的效率达30％以上，光效高达130Lm/W，是继白炽灯、高压汞灯之后的第三代表性节能新光源，可广泛用于道路、码头、铁路、机场、矿山、厂房、车库、广场、体育馆等室外的照明。
3 HID灯的启动特性
HID灯工作可以分为三个阶段：
①电极释放出自由电子，电子在外加电场中加速;
②自由电子的动能转化为气体原子的激发能；
③激发能转换为光。
图3所示为放电灯伏----安特性曲线。
放电灯的启动过程就是通过点火产生弧光并即时使之稳定的过程。为使镇流器设计更合理，有必要了解从点火到转入正常工作的各个步骤：
第一步：点火
灯加电后，灯中填充的氩气或氙气必须从初始的非导电状态激励到导电状态，HID灯才能点亮，该过程称为点火。完成点火的条件必须在放电灯的两个电极之间施加足够高的电压。
第二步：盖格区
当两电极之间的电压逐渐升高时，则产生断续微电流。由于电流密度较小，不能达到所要求的放电状态。要进入放电状态，还必须增加两极间电压以增大极间电流。盖格子区亦称为早期辉光状态。
第三步：离子雪崩（汤森德放电）
在汤森德放电开始时，两极间有电流通过，但是，弧光放电仍是断续的。经过一段时间（约1S）后，灯管中产生微弱的辉光，比正常灯光暗得多。
第四步：电流击穿——弧光
发生电流击穿后，弧光放电电流变为连续。此阶段放电灯两端电压比较稳定，但放电电流可能增加了几个数量级。从汤森德放电到电流击穿的转换过程就是从辉光到弧光的转化过程。
第五步：电压击穿
随着电流的不断增加，放电灯两端电压将急剧下降，该现象称为电压击穿。
第六步：亚辉光放电
电压击穿后，HID灯开始亚辉光放电，呈现负阻特征。随着电流的增加，灯电压反而下降。此时HID灯可等效为两个背对背的齐纳二级管与一个电阻的串联，齐纳二级管的电压约等于放电灯工作电压。当电压升高到可以击穿 齐纳二级管时，才会产生弧光。镇流器必须能适应这一现象。
在放电灯启动过程中，如果放电灯的功率超过额定值，放电灯就会进入异常辉光放电状态，呈现正电阻特性，电压随电流增加而升高，放电灯温升加剧，将会大大地缩短灯的使用寿命。因此，镇流器设计应能避免这种情况出现。
HID灯在出现故障或在有意中断工作后，再重新启动，只要HID灯尚未冷却就进行热点火，则需要比冷态情况下要高得多的点火电压。在灯未充分冷却后点火是比较困难的。
4 HID灯对电子镇流器的要求
由于HID灯结构及其工作原理与荧光灯并不完全相同，所以用普通的电子镇流器即使去点燃相同功率的HID灯并不适合，根据HID 灯的结构特点，对电子镇流器提出有以下几点具体要求：
1.能够输出足够大的功率。目前我们经常用的荧光灯的一般电子镇流器大多数的功率为40-80W，而HID灯功率往往在数百瓦，甚至高达千瓦以上，所以这就对HID镇流器的晶体管耐压要有非常高的要求。
2能提供足够高的触发电压。如HPS的触发电压在2-4KV，比荧光灯的高3~5倍，产生2KV以上高压并不是很困难，但要求在灯启动过程中不得对灯和镇流器中的元器件产生损坏及使用寿命。
3.能消除“声共振”现象。HID灯在高频电源供电的情况下，会出现放电电弧不稳定的现象，轻则使灯光抖动，重则烧毁灯管。这种“声共振(也称音频共振)现象是令人烦恼的。 电源不稳往往引起熄弧，随电压升高电流急剧增大，最终会导致镇流器和灯两败俱伤。
4.能连续长时间点燃，在恶劣的环境条件下可以正常运行。像HPS灯主要作用室外的照明，在露天场合下，冬季温度低至-20℃并不罕见，而夏季温度高达40℃的情况下屡见不鲜。与此同时，HPS灯往往要持续点燃10小时左右。因此，要求HID灯电子镇流器必须能耐高温、耐低温、防风沙、防雨淋，同时还要供电突然中断又立即恢复时能正常工作。
5.在HID灯出现故障或烧毁时，镇流器不应损坏。为此要求镇流器具有完善的保护功能。
6.鉴于HID灯功率比较大，要求电子镇流器对输入电流谐波、射频干扰和电磁辐射具有足够高的抑制能力。
5 HID灯电子镇流器组成部分
对于70W以下的HID 灯电子镇流器其结构与普通荧光灯的电子镇流器大体相同，只是启动电路稍有差异，对于功率在100W~1000WHID灯的电子镇流器不是采用自激式振荡电路，而是采用它激式高频变换电路，在它激式中用作开关功率的晶体管其驱动信号由专门的脉冲振荡电路及驱动电路提供，图4为HID灯电子镇流器的组成方框图，在这里不再讲述。
从HID灯对电子镇流器的上述这些要求可以看出，开发HID等电子镇流器的难度远远高于普通荧光灯交流电子镇流器。尽管国内有很多单位都在开发HID灯电子镇流器，但真正能够进入实用阶段的相对比荧光灯要少一些。事实上，HID灯电子镇流器属于高科技产品，价格方面比普通荧光灯稍要高些，但它符合环保节能，使用效率与寿命都能大大的提高。
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