日光灯的调光技术
2010-03-12 15:56:55
来源：《磁性元件与电源》2010年3月刊
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1 前言
照明的节能化有几种方法，例如，因照明而获得必需的亮度，可是，如何减少所消耗的能量呢？这就涉及一种照明节能的方法。也即，提高光源的发光效率（光的输 出功率与向光源输入功率之比）和提高点灯回路的电路效率（输出功率与输入电路功率之比）的照明技术。这是直接关系到光源与点灯回路设计的问题，同时，也是在必要的范围内仅提供所必须照度的方法。根据照明使用的情况（场所、位置、时间等）来实现照度的改变。通过削减不需要的照度，以降低电力的消耗。故此与节能化密切相关。这样的调光是照明节能化技术之一。本文，特别对有关高频点灯的日光灯调光技术予以介绍。
2 如何实现调光？
图1所示为高频点灯的基本电路，由高频电源、限流元件、电容器、日光灯所组成。高频电源适用于50-150kHz，限流元件旨在限制灯的电流。高频点灯时通常采用扼流线圈，电容器与扼流线圈组合，构成谐振电路。流过灯丝的预热电流，紧接着，在日光灯的两端产生高电压、使灯起动。因此，采用图1的高频点灯电路，怎样才能对日光灯进行调光，最终改变光的输出呢？图2为对应图1、如何具体构成高频电源部分的一个实例。与直流电源Vdc并联连接2个晶体管Q1和Q2，通过控制电路中的控制信号，Q1和Q2由高频率反复地交替通、断。图2(a)所示，产生与开关频率相同频率的矩形波电压。图中所示的这一高频矩形波电压，重复显示O(v)与Vdc(v)的电压值。该电压由隔直（流）电容器Cs，除去直流成分。作为图2(b)所示的电压值+Vdc/2(v)、-Vdc/2(v)，为反复变换正负方向的交流电压。日光灯的两端，通过电感Lr和电容Cr的滤波作用，滤出谐波成分而出现正弦波的电压（图2(c)）。若能改变这一电压的话，即可改变进入日光灯的能量，也就可以实现调光。
那么，在这一图2的电路中，为了改变输入日光灯的能量，可以调整（可控制）的因素是什么呢？是直流电源的电压值Vdc，晶体管Q1与Q2的开关频率f以及Q1与Q2的通/断比率三个因素。下面，对便于操作的藉Vdc调光和藉频率f调光两种方法予以说明
2.1 利用直流电源的电压值(Vdc)的调光方法
图3所示为改变直流电压Vdc时点灯电路的输出电流与输出电压的关系曲线（以下简称“输出特性曲线”）。图中同时标示了日光灯的电流～电压特性（以下简称“灯的特性”）。输出特性曲线显示出：在直流电压Vdc增加的方向，输出电流与输出电压趋向增大；在直流电压Vdc减小的方向，输出电流与输出电压趋向减小。此时，输出特性曲线与灯的特性的交点，即为日光灯的工作点。总之，图3中直流电压Vdc降低时，工作点由●→▲→◆移动，输出电流减小，能进行调光。
基于这一考虑方法，从外部输入调光信号，为控制所要求光输出的控制框图如图4所示。把关系到所需光输出的信号作为调光信号，输入至Vdc控制电路。按照灯的箭头方向，检测出灯电流和灯功率等灯的光输出相关量值，并将这些检测值输入到Vdc控制电路。在Vdc控制电路中，将检测的灯电流和灯功率与调光信号比较，当这些达到一致时的直流电压Vdc，并通过对Vdc的改变，从而能控制所要求的光输出。
2.2 利用Q1与Q2的开关频率f的调光方法
这是利用电感Lr和电容Cr谐振特性的调光方法，也是最佳的调光方法。一旦改变晶体管Q1和Q2的开关频率f，显示在图2(a)、(b)和(c)的高频电压的频率也变化。开关频率f变化时，图2点灯电路的输出特性曲线如图5所示。图中还同时标示了日光灯的灯特性。从输出特性曲线上看到：开关频率降低是在负荷电流增加的方向；开关频率升高是朝负荷电流减小的方向。此时，输出特性曲线与灯特性的交点、即为日光灯的工作点。总之，图5中开关频率f升高时，工作点由●→▲→◆方向移动，输出电流减小，能够实现调光。
同时，可作如下考虑：点灯回路的构成元件中，限流元件使用了扼流线圈（电感Lr），这是频率与阻抗同时变化的元件。Lr的阻抗 Zlr=2πf·Lr也即，具有比例于f的阻抗增减特性。如图1所示，从高频电源到日光灯，电流经限流元件流通。提高频率时，限流元件的阻抗增大，流入日光灯的电流减少，故可减少光输出；相反，降低频率时限流元件的阻抗减小，流入日光灯的电流增加，能增大光的输出。
下面说明用频率f进行调光的方法。为了由调光信号得到所需的光输出，图6所示为控制框图的实例。与灯电流等光输出相关参数的检测值和调光信号一起送入误差放大器。误差放大器具有将2个输入信号之差幅值放大的功能。（电阻R1和R2，电容C1，接于误差放大器）。误差放大器的输出进入VCO（电压控制型振荡器）。VCO是按照输入电压信号确定振荡频率的振荡器。调光信号与灯电流检测值相等时，误差放大器则输出基准电压。VCO输入基准电压后，以与此相应的频率振荡。因此，在调光信号大的场合，误差放大器输出比基准电压高的电压，这意味着不能得到所需的光输出。VCO的作用必须是：要增加灯电流，就要降低频率；相反，在调光信号小的场合，则以提高频率的VCO结构才行。通过这样构筑的反馈系统，就可形成按照频率的调光控制系统。
这一利用频率的调光方式是最佳方式。其理由是，与上述藉助直流电压Vdc方式对比，有以下两个特点：(1)直流电压Vdc是一定值，无必要采用耐高压的元件（晶体管Q1与Q2）；(2)容易提高点灯电路的开路电压，藉助灯电流的减小，即使灯电压升高，也能维持灯的照明。
3 调光技术中的研究课题
下面叙述实现调光技术的有关课题。
3.1 灯光的闪烁
如上节所述，无论用哪种方法，灯电流一旦减少，就存在灯的闪烁问题。灯管内的放电现象会因为点灯回路及反馈系统不能稳定而导致灯的闪烁。图6中误差放大器，是决定控制系统整个特性的重要因素。控制增益（控制强度）和控制速度等，由误差放大器周边的电阻R1与R2、电容C1决定。图6 的检测信号（灯电流）与目标信号（调光信号）相等时，控制灯的点灯频率（与开关频率相同）；而检测信号与目标信号不等时，怎样改变频率使其变成相等呢？这取决于控制增益和控制速度。控制增益和控制速度是稳定调光控制的重要设计因素。
3.2 灯光的熄灭问题
图7所示为相对于周围温度的灯特性。一旦灯电流减少，灯电压即上升。这一现象受灯周围温度的影响很大。当温度低于图7所示的室温（25度附近），灯的电流减小时，灯电压急剧上升。此时，若不能充分提高点灯回路的输出电压，一方面灯会产生闪烁，一方面又不能保持照明，立刻熄灭。因此，在灯电流减小时，必须有确保足够输出电压的电路结构，以及电路常数的设定方法与控制方法。
3.3 移动条纹的产生
移动条纹也称为条痕(striation)，是灯管内放电的不稳定现象之一。在灯的表面出现明暗相间的条纹形式，并沿灯的长轴方向移动。尤其当灯的周围温度低且使用小直径的日光灯时容易发生。为了抑制此现象，已知有采用将灯电流的直流成分叠加的方法。一旦出现移动条纹，不仅灯的照明质量劣化，而且导致用户的不适感，这是必须避免的。
4 结束语
节能，作为地球环境保护的一个环节，意义重大。照明的节能技术（包括调光技术），也是其中之一。本文对有关调光技术，简单综述了调光原理、类型，并列举了具体的调光方法实例。
参考文献
[1] 高桥雄治，荧光ランプの调光技术，（日）照明学会誌 第92卷第1号（2008）
[2] 邓隐北，电子镇流器的调光方法，《灯与照明》2008.NO.1
照明的节能化有几种方法，例如，因照明而获得必需的亮度，可是，如何减少所消耗的能量呢？这就涉及一种照明节能的方法。也即，提高光源的发光效率（光的输 出功率与向光源输入功率之比）和提高点灯回路的电路效率（输出功率与输入电路功率之比）的照明技术。这是直接关系到光源与点灯回路设计的问题，同时，也是在必要的范围内仅提供所必须照度的方法。根据照明使用的情况（场所、位置、时间等）来实现照度的改变。通过削减不需要的照度，以降低电力的消耗。故此与节能化密切相关。这样的调光是照明节能化技术之一。本文，特别对有关高频点灯的日光灯调光技术予以介绍。
2 如何实现调光？
图1所示为高频点灯的基本电路，由高频电源、限流元件、电容器、日光灯所组成。高频电源适用于50-150kHz，限流元件旨在限制灯的电流。高频点灯时通常采用扼流线圈，电容器与扼流线圈组合，构成谐振电路。流过灯丝的预热电流，紧接着，在日光灯的两端产生高电压、使灯起动。因此，采用图1的高频点灯电路，怎样才能对日光灯进行调光，最终改变光的输出呢？图2为对应图1、如何具体构成高频电源部分的一个实例。与直流电源Vdc并联连接2个晶体管Q1和Q2，通过控制电路中的控制信号，Q1和Q2由高频率反复地交替通、断。图2(a)所示，产生与开关频率相同频率的矩形波电压。图中所示的这一高频矩形波电压，重复显示O(v)与Vdc(v)的电压值。该电压由隔直（流）电容器Cs，除去直流成分。作为图2(b)所示的电压值+Vdc/2(v)、-Vdc/2(v)，为反复变换正负方向的交流电压。日光灯的两端，通过电感Lr和电容Cr的滤波作用，滤出谐波成分而出现正弦波的电压（图2(c)）。若能改变这一电压的话，即可改变进入日光灯的能量，也就可以实现调光。
那么，在这一图2的电路中，为了改变输入日光灯的能量，可以调整（可控制）的因素是什么呢？是直流电源的电压值Vdc，晶体管Q1与Q2的开关频率f以及Q1与Q2的通/断比率三个因素。下面，对便于操作的藉Vdc调光和藉频率f调光两种方法予以说明
2.1 利用直流电源的电压值(Vdc)的调光方法
图3所示为改变直流电压Vdc时点灯电路的输出电流与输出电压的关系曲线（以下简称“输出特性曲线”）。图中同时标示了日光灯的电流～电压特性（以下简称“灯的特性”）。输出特性曲线显示出：在直流电压Vdc增加的方向，输出电流与输出电压趋向增大；在直流电压Vdc减小的方向，输出电流与输出电压趋向减小。此时，输出特性曲线与灯的特性的交点，即为日光灯的工作点。总之，图3中直流电压Vdc降低时，工作点由●→▲→◆移动，输出电流减小，能进行调光。
基于这一考虑方法，从外部输入调光信号，为控制所要求光输出的控制框图如图4所示。把关系到所需光输出的信号作为调光信号，输入至Vdc控制电路。按照灯的箭头方向，检测出灯电流和灯功率等灯的光输出相关量值，并将这些检测值输入到Vdc控制电路。在Vdc控制电路中，将检测的灯电流和灯功率与调光信号比较，当这些达到一致时的直流电压Vdc，并通过对Vdc的改变，从而能控制所要求的光输出。
2.2 利用Q1与Q2的开关频率f的调光方法
这是利用电感Lr和电容Cr谐振特性的调光方法，也是最佳的调光方法。一旦改变晶体管Q1和Q2的开关频率f，显示在图2(a)、(b)和(c)的高频电压的频率也变化。开关频率f变化时，图2点灯电路的输出特性曲线如图5所示。图中还同时标示了日光灯的灯特性。从输出特性曲线上看到：开关频率降低是在负荷电流增加的方向；开关频率升高是朝负荷电流减小的方向。此时，输出特性曲线与灯特性的交点、即为日光灯的工作点。总之，图5中开关频率f升高时，工作点由●→▲→◆方向移动，输出电流减小，能够实现调光。
同时，可作如下考虑：点灯回路的构成元件中，限流元件使用了扼流线圈（电感Lr），这是频率与阻抗同时变化的元件。Lr的阻抗 Zlr=2πf·Lr也即，具有比例于f的阻抗增减特性。如图1所示，从高频电源到日光灯，电流经限流元件流通。提高频率时，限流元件的阻抗增大，流入日光灯的电流减少，故可减少光输出；相反，降低频率时限流元件的阻抗减小，流入日光灯的电流增加，能增大光的输出。
下面说明用频率f进行调光的方法。为了由调光信号得到所需的光输出，图6所示为控制框图的实例。与灯电流等光输出相关参数的检测值和调光信号一起送入误差放大器。误差放大器具有将2个输入信号之差幅值放大的功能。（电阻R1和R2，电容C1，接于误差放大器）。误差放大器的输出进入VCO（电压控制型振荡器）。VCO是按照输入电压信号确定振荡频率的振荡器。调光信号与灯电流检测值相等时，误差放大器则输出基准电压。VCO输入基准电压后，以与此相应的频率振荡。因此，在调光信号大的场合，误差放大器输出比基准电压高的电压，这意味着不能得到所需的光输出。VCO的作用必须是：要增加灯电流，就要降低频率；相反，在调光信号小的场合，则以提高频率的VCO结构才行。通过这样构筑的反馈系统，就可形成按照频率的调光控制系统。
这一利用频率的调光方式是最佳方式。其理由是，与上述藉助直流电压Vdc方式对比，有以下两个特点：(1)直流电压Vdc是一定值，无必要采用耐高压的元件（晶体管Q1与Q2）；(2)容易提高点灯电路的开路电压，藉助灯电流的减小，即使灯电压升高，也能维持灯的照明。
3 调光技术中的研究课题
下面叙述实现调光技术的有关课题。
3.1 灯光的闪烁
如上节所述，无论用哪种方法，灯电流一旦减少，就存在灯的闪烁问题。灯管内的放电现象会因为点灯回路及反馈系统不能稳定而导致灯的闪烁。图6中误差放大器，是决定控制系统整个特性的重要因素。控制增益（控制强度）和控制速度等，由误差放大器周边的电阻R1与R2、电容C1决定。图6 的检测信号（灯电流）与目标信号（调光信号）相等时，控制灯的点灯频率（与开关频率相同）；而检测信号与目标信号不等时，怎样改变频率使其变成相等呢？这取决于控制增益和控制速度。控制增益和控制速度是稳定调光控制的重要设计因素。
3.2 灯光的熄灭问题
图7所示为相对于周围温度的灯特性。一旦灯电流减少，灯电压即上升。这一现象受灯周围温度的影响很大。当温度低于图7所示的室温（25度附近），灯的电流减小时，灯电压急剧上升。此时，若不能充分提高点灯回路的输出电压，一方面灯会产生闪烁，一方面又不能保持照明，立刻熄灭。因此，在灯电流减小时，必须有确保足够输出电压的电路结构，以及电路常数的设定方法与控制方法。
3.3 移动条纹的产生
移动条纹也称为条痕(striation)，是灯管内放电的不稳定现象之一。在灯的表面出现明暗相间的条纹形式，并沿灯的长轴方向移动。尤其当灯的周围温度低且使用小直径的日光灯时容易发生。为了抑制此现象，已知有采用将灯电流的直流成分叠加的方法。一旦出现移动条纹，不仅灯的照明质量劣化，而且导致用户的不适感，这是必须避免的。
4 结束语
节能，作为地球环境保护的一个环节，意义重大。照明的节能技术（包括调光技术），也是其中之一。本文对有关调光技术，简单综述了调光原理、类型，并列举了具体的调光方法实例。
参考文献
[1] 高桥雄治，荧光ランプの调光技术，（日）照明学会誌 第92卷第1号（2008）
[2] 邓隐北，电子镇流器的调光方法，《灯与照明》2008.NO.1
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