日光灯用镇流器的输出特性曲线
2010-02-23 10:42:48
来源：《磁性元件与电源》2010年2月刊
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1 前言
为点亮日光灯必须要有镇流器。与白炽灯泡不同，日光灯是需要对发光管内产生的放电电流进行控制的，因此，镇流器不可缺少。可以说镇流器起到了为日光灯提供所要求功率的电力控制装置的作用。一般，设计这样的一种电力控制装置时，除输入功率特性、电力容量、频率等各项以外，输出特性曲线也很重要。本文对《先进照明技术》中有关日光灯用磁回路式镇流器和电子式镇流器的输出特性曲线予以介绍。
2 输出特性曲线
镇流器是介于交流电源与作为负荷的日光灯之间的一种电力控制装置。设计这样电力控制装置时，确定输出特性曲线非常重要。因为是否对负荷（日光灯）能提供所要求的功率，这要取决于电力控制装置（镇流器）的输出特性曲线。而且，不管负荷什么原因发生了变化，若掌握输出特性曲线，则可预测负荷的动态。在此，为了理解所谓输出特性曲线是怎么回事，首先说明其有关测定方法。
为了绘制输出特性曲线，图1展示了测定电力控制装置输出特性的一般电路图。作为模拟电力控制装置的负荷，设置一可变电阻并进行操作，在可变电阻从0到∞Ω范围内变化时，测定输出电流与输出电压值。根据所得的测定值，例如将横轴代表输出电流，纵轴代表输出电压，绘制成的图形即为输出特性曲线。图2所示为镇流器输出特性曲线之一例。可变电阻0Ω时，与横轴的交点为短路电流（二次短路电流）；随着电阻值的增加，沿输出特性曲线移动，当可变电阻值为∞时与纵轴的交点，即为开路电压（空载二次电压）。在这一输出特性曲线上，必然存在额定负荷下的工作点。
3 磁回路式镇流器的输出特性曲线
作为日光灯用镇流器，最初使用的是磁回路式镇流器。本节仅对这种镇流器输出特性曲线的绘制予以说明。图3所示为最早采用的单纯扼流圈式镇流器的电路结构图。一旦接入电源，起辉器放电，从电源流过日光灯灯丝的预热电流。不一会，起辉器的双金属片冷却，接点断开。因流过扼流圈的电流实然遮断而产生冲击电压启动日光灯。日光灯点亮以后，由扼流圈电感值决定的电流，保持着日光灯的稳定照明。
令点亮后的日光灯阻抗作为电阻，此时的等值电路如图4所示。图中VAC为交流电源电压；L为扼流圈的电感；R是日光灯的等值负荷电阻。下面，为得到输出特性曲线，应求出交流回路的阻抗。扼流圈的电感L与灯的等值负荷电阻R串联的阻抗ZLR表示如下：
ZLR=R+jωL (1)
式中，j—虚数单位(j 2=-1)， ω—角频率(ω=2πf )，f—频率。由此，输出电压与输出电流可由下式表示：
(2)
(3)
利用式(2)与式(3)，计算出IR和VR值。图5所示为求得输出特性曲线之一例。图中展示的是在交流电源电压有效值200V、电源频率50Hz情况下，扼流圈电感值改变时的输出特性曲线。对于扼流圈式镇流器场合，开路电压（空载二次电压）等于电源电压200V；短路电流（二次短路电流）由扼流圈的电感值确定。此外，日光灯点亮时的工作点，由点灯时灯的电压~电流特性与镇流器的输出特性曲线的交点表示。为有利于理解工作点，图6绘制了镇流器的输出特性曲线与相当于直管形40W日光灯的电压~电流特性。
4 电子镇流器的输出特性曲线
下面，阐述电子镇流器的输出特性曲线，图7所示为电子镇流器的组成结构图。通过整流平波电路将交流电压变换成直流电压后，逆变器电路中则将直流电压变换成高频电压而使日光灯点亮。逆变器电路有各种各样的类型。这里，以通常广泛采用的LC串联谐振回路作为逆变器电路的实例，来求取输出特性曲线。利用典型L串联谐振电路的半桥逆变器电路示于图8。由整流平波电路供给的直流电压VDC，接到串联的2个三极晶体管（Q1、Q2），由于反复操作Q1、Q2的交替通、断，将提供高频的电压给包含日光灯在内的LC串联谐振回路。逆变器电路中，利用LC谐振回路能容易控制输出电压。例如，通过工作频率的切换，就可获得适应于热、起动、照明等各个工况的输出特性曲线。
然后，为了求得输出特性曲线，考虑到图8虚线包围部分的等值电路，逆变器回路的等值电路如图9所示。图中VHF为输入到LC谐振电路的高频电压源。L和C分别为LC谐振电路的电感和电容。R是日光灯的等值负荷电阻。为便于说明起见，令高频电压源VHF为正弦波，求出交流电路的阻抗。从高频电压源VHF到负荷侧的阻抗，以Z表示
Z=jωl+ZCR (4)
式中ZCR-C和R的并联阻抗，由式(5)表示
(5)
故输出电压VR和输出电流IR，由下式求值：
(6)
(7)
可是，在上节所述磁回路式镇流器场合下，工作频率已确定为50Hz或60Hz，而且有逆变器回路的电子镇流器场合，是可任意设定工作频率的，因此，利用LC谐振回路，能控制输出电压VR。图10为改变负荷电阻R情况下，按式(6)求得输出电压VR的频率特性曲线组。高频电压源VHF300V，LC谐振回路的谐振频率f0约为40kHz。由于工作频率的改变，输出电压变化。输出电压的变化随负荷电阻的增加而增大，尤其在谐振频率附近，其变化量急剧增大。特点是能输出比供给高频电压源300V更高的电压，无起动装置，通过频率的变换可简易地获得起动日光灯所必需的高电压。
图11为由式(6)和式(7)求出电子镇流器输出特性的例子。实例中高频电压源300V，负荷为高频点灯专用型日光灯（相当于FHF32）。采用了二灯串联点灯的电子镇流器。图11绘出的三条输出特性曲线，分别表示预热、起动、点灯各种模式。图中还加了一条日光灯的电压～电流特性曲线。预热工况下，频率增大而输出电压下降，未起动日光灯仅对灯丝进行预热。接着，频率降低，产生高的输出电压（开路电压）起动日光灯。然后达到所要求的灯电流时切换至点灯的频率。还可以将电路设计成起动与点灯的频率相同。而且还能考虑到电子镇流器的点灯频率、日光灯
为点亮日光灯必须要有镇流器。与白炽灯泡不同，日光灯是需要对发光管内产生的放电电流进行控制的，因此，镇流器不可缺少。可以说镇流器起到了为日光灯提供所要求功率的电力控制装置的作用。一般，设计这样的一种电力控制装置时，除输入功率特性、电力容量、频率等各项以外，输出特性曲线也很重要。本文对《先进照明技术》中有关日光灯用磁回路式镇流器和电子式镇流器的输出特性曲线予以介绍。
2 输出特性曲线
镇流器是介于交流电源与作为负荷的日光灯之间的一种电力控制装置。设计这样电力控制装置时，确定输出特性曲线非常重要。因为是否对负荷（日光灯）能提供所要求的功率，这要取决于电力控制装置（镇流器）的输出特性曲线。而且，不管负荷什么原因发生了变化，若掌握输出特性曲线，则可预测负荷的动态。在此，为了理解所谓输出特性曲线是怎么回事，首先说明其有关测定方法。
为了绘制输出特性曲线，图1展示了测定电力控制装置输出特性的一般电路图。作为模拟电力控制装置的负荷，设置一可变电阻并进行操作，在可变电阻从0到∞Ω范围内变化时，测定输出电流与输出电压值。根据所得的测定值，例如将横轴代表输出电流，纵轴代表输出电压，绘制成的图形即为输出特性曲线。图2所示为镇流器输出特性曲线之一例。可变电阻0Ω时，与横轴的交点为短路电流（二次短路电流）；随着电阻值的增加，沿输出特性曲线移动，当可变电阻值为∞时与纵轴的交点，即为开路电压（空载二次电压）。在这一输出特性曲线上，必然存在额定负荷下的工作点。
3 磁回路式镇流器的输出特性曲线
作为日光灯用镇流器，最初使用的是磁回路式镇流器。本节仅对这种镇流器输出特性曲线的绘制予以说明。图3所示为最早采用的单纯扼流圈式镇流器的电路结构图。一旦接入电源，起辉器放电，从电源流过日光灯灯丝的预热电流。不一会，起辉器的双金属片冷却，接点断开。因流过扼流圈的电流实然遮断而产生冲击电压启动日光灯。日光灯点亮以后，由扼流圈电感值决定的电流，保持着日光灯的稳定照明。
令点亮后的日光灯阻抗作为电阻，此时的等值电路如图4所示。图中VAC为交流电源电压；L为扼流圈的电感；R是日光灯的等值负荷电阻。下面，为得到输出特性曲线，应求出交流回路的阻抗。扼流圈的电感L与灯的等值负荷电阻R串联的阻抗ZLR表示如下：
ZLR=R+jωL (1)
式中，j—虚数单位(j 2=-1)， ω—角频率(ω=2πf )，f—频率。由此，输出电压与输出电流可由下式表示：
(2)
(3)
利用式(2)与式(3)，计算出IR和VR值。图5所示为求得输出特性曲线之一例。图中展示的是在交流电源电压有效值200V、电源频率50Hz情况下，扼流圈电感值改变时的输出特性曲线。对于扼流圈式镇流器场合，开路电压（空载二次电压）等于电源电压200V；短路电流（二次短路电流）由扼流圈的电感值确定。此外，日光灯点亮时的工作点，由点灯时灯的电压~电流特性与镇流器的输出特性曲线的交点表示。为有利于理解工作点，图6绘制了镇流器的输出特性曲线与相当于直管形40W日光灯的电压~电流特性。
4 电子镇流器的输出特性曲线
下面，阐述电子镇流器的输出特性曲线，图7所示为电子镇流器的组成结构图。通过整流平波电路将交流电压变换成直流电压后，逆变器电路中则将直流电压变换成高频电压而使日光灯点亮。逆变器电路有各种各样的类型。这里，以通常广泛采用的LC串联谐振回路作为逆变器电路的实例，来求取输出特性曲线。利用典型L串联谐振电路的半桥逆变器电路示于图8。由整流平波电路供给的直流电压VDC，接到串联的2个三极晶体管（Q1、Q2），由于反复操作Q1、Q2的交替通、断，将提供高频的电压给包含日光灯在内的LC串联谐振回路。逆变器电路中，利用LC谐振回路能容易控制输出电压。例如，通过工作频率的切换，就可获得适应于热、起动、照明等各个工况的输出特性曲线。
然后，为了求得输出特性曲线，考虑到图8虚线包围部分的等值电路，逆变器回路的等值电路如图9所示。图中VHF为输入到LC谐振电路的高频电压源。L和C分别为LC谐振电路的电感和电容。R是日光灯的等值负荷电阻。为便于说明起见，令高频电压源VHF为正弦波，求出交流电路的阻抗。从高频电压源VHF到负荷侧的阻抗，以Z表示
Z=jωl+ZCR (4)
式中ZCR-C和R的并联阻抗，由式(5)表示
(5)
故输出电压VR和输出电流IR，由下式求值：
(6)
(7)
可是，在上节所述磁回路式镇流器场合下，工作频率已确定为50Hz或60Hz，而且有逆变器回路的电子镇流器场合，是可任意设定工作频率的，因此，利用LC谐振回路，能控制输出电压VR。图10为改变负荷电阻R情况下，按式(6)求得输出电压VR的频率特性曲线组。高频电压源VHF300V，LC谐振回路的谐振频率f0约为40kHz。由于工作频率的改变，输出电压变化。输出电压的变化随负荷电阻的增加而增大，尤其在谐振频率附近，其变化量急剧增大。特点是能输出比供给高频电压源300V更高的电压，无起动装置，通过频率的变换可简易地获得起动日光灯所必需的高电压。
图11为由式(6)和式(7)求出电子镇流器输出特性的例子。实例中高频电压源300V，负荷为高频点灯专用型日光灯（相当于FHF32）。采用了二灯串联点灯的电子镇流器。图11绘出的三条输出特性曲线，分别表示预热、起动、点灯各种模式。图中还加了一条日光灯的电压～电流特性曲线。预热工况下，频率增大而输出电压下降，未起动日光灯仅对灯丝进行预热。接着，频率降低，产生高的输出电压（开路电压）起动日光灯。然后达到所要求的灯电流时切换至点灯的频率。还可以将电路设计成起动与点灯的频率相同。而且还能考虑到电子镇流器的点灯频率、日光灯
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