北方工业大学电气与控制工程学院电气工程系 北京 100041
摘要：电子镇流器在实际使用中，由于接线错误，误操作，或者灯管老化、损坏等一系列问题，可能引起镇流器或系统的设备损坏，甚至出现点击，着火，影响财产的损失和人身的安全。如灯管爆裂，镇流器损坏，必须采取有效的保护措施来避免。本文先简单介绍了镇流器使用过程中容易出现的一些问题，并且分析其原理，以及行业标准对应的要求。根据此要求，提出了通过一个主要器件电流互感器就实现了各种保护信号的采集、判别，同时设计和仿真了一个适用范围广，简单有效的克服这些后果的电路模型，具有简易、成本低的优点，并且通过具体实验，验证了可行性和可靠性。
关键词：电子镇流器；气体放电灯（荧光灯，HPS，HID）；保护
引言
当今，由于绿色照明和节能的要求，大量气体放电灯如荧光灯，HPS，HID灯被广泛的应用。它们具有可光输出高、寿命长、光衰小、可选择性光谱等优点，广泛应用照明、工业消毒、医疗美容、植物栽培等各个领域。这些灯管通常需要一个附加的电源作为中间能量转换部件，这就是电子镇流器。
在实际使用过程中，由于操作不规范，灯管老化或者已损坏，或者镇流器与灯管不匹配，那么上电后，假如镇流器不能提供实时的保护，就有可能烧毁灯管、镇流器，乃至影响到整个系统，甚至引起火灾，危害生命。无论是荧光灯，MH，PS等低高压放电灯，各种灯的标准和镇流器标准都有相关规范和要求，例如荧光灯的GB 19510.4-2009，ICE61347-2-3，UL936等都做出了明确的要求。
1.常见使用问题说明
1.1 灯丝开路
具体现象为灯管灯丝可以已经断了，或者未正确接灯管，或使用过程中，灯头掉了，结果都一样。
1.2 点不亮灯
由于灯管漏气，或预热不够，造成灯管点不亮。
1.3 灯灭保护
由于灯管老化，或使用过程中出现灯管破碎，或连线松动，灯管熄灭。
1.4 整流效应
在灯管使用寿命的后期或使用了非正常匹配的镇流器时，灯头可能严重发黑，某一电极的电子粉减少，电子发射能力不足，造成灯管两个半周期内电流不一致，从而使灯管成为电子整流二极管的现象，这种现象称之为整流效应。严重的整流效应会影响整个系统的安全，如灯管爆裂，镇流器损坏，必须采取有效的保护措施来避免。
2.设计一种多功能保护电路
2.1 电子镇流器的后级的常用半桥拓扑结构和工作原理
现在市面上大部分1KW以下都采用半桥输出谐振电路，如下图1蓝色实线框内所示：
简要说明下工作过程：CBUCK提供直流输入电压DC，QH，QL为开关管，轮流对称导通。CS叫做隔直电容，电压平均值为输入电压的一半。预热时，灯管相当于开路，阻抗无限大，电流流过L，CS，灯管灯丝，CP形成回路，而预热频率偏离L与CP的谐振频率较远，没有高压能使灯管击穿；但预热完后，频率会向谐振频率偏移，有当这个频率到达镇流电感L与CP的谐振频率左右时，产生高压，点燃灯管。点燃灯管后，灯管阻抗非常小，CS阻抗非常大，相比灯管通常可忽略不计。此后灯管电流主要受电感L的感抗大小限制，频率越高，输出电流越小。
通常上述1中提到每一种保护都需要单独设计一个模块电路，分别采集，比较，去执行保护，需要的元器件多，成本高，调试麻烦，特别是一些空间有限的板子，很难放下去。
2.2 设计一种新的保护信号采集方法
本文通过一个电流互感器（对于某些应用场合可能本来就需要采集灯管电流），附加一些电路即可实现集采集电流，和各种保护功能与一体。一种采用电流互感器的保护信号采集和放大、比较原理图，如上图1红色虚线框所示。
把电流互感器串入电路，两个副边绕组分别半波整流，转换为电压。原理计算过程是，假设输出电流为I，I通过1：100的电流互感器缩小100倍，但再次通过100欧电阻R1/3放大100倍，然后滤波，变为一个直流的平均值Io（对应上图IL+，IL-）。因此Io跟交流的I的平均值大小基本一样。选VI+为检测开路和异常灯灭功能用，与Vopen，Veof比较，执行上述功能，这两组运放接成比较器方式；另外VI+，VI-为另两组运放的输入端，各自相反连接，两者差值经过放大，只要有一个大于另外一个电压超过ZD，即保护。
当正常工作时，需要灯电流的大概值时，只需VI+与VI-一个就行，然后通过运放，放大两倍就行。
Vopen 为设置的检测灯丝开路时的最小电压。
Veof 为设置的检测灯管异常熄灭或点不亮时的最大电压。
ZD二极管对应的电压Vz为设置的检测灯管发生整流效应时的最大电压。
2.3 其他说明要点
上述图中，LM2902是采用单极正向电压工作方式，假如采用正负双极性供电的运放，VI+，VI-只需用一组运放就行，放大差值后，大于ZD值保护，或者小于-ZD值保护；同时另外一组运放对两路VI+，VI- 进行相加运算，输出结果即为输出电流对应值。
对于瞬起型的二线输出镇流器器，则没有灯丝开路这一保护功能，Vopen这路可以不用；
对于带有CPU的微控制器电路，可以直接采集VIP+，VIP-，VI+，VI-的数据，在内部执行比较，加减运算，根据数据结果去调节控制主电路的频率或电压，或执行保护，关掉镇流器，灵活性更强。
3.仿真与实验
用MULTISIM建立如下仿真原理图：
正常工作时，两个支路电压相同（1.03/1.02V），基本等于灯输出电流（2.27A）一半。
灯丝开路或拔掉灯管时，电流显示为0，小于Vopen，保护.
点不亮灯或灯熄灭：灯管等效阻抗变大，灯电流急剧升高。三个数据基本都翻倍，大于Veof，保护。
当灯管出现整流效应：输出电流正反方向峰值和面积都不相等，VI+，VI-相差1.3倍，大于Vz，保护。而各自的峰值数据VIP+，VIP-大小差异更大。
最后，设计了一个320W/2A的电子镇流器，经过实验，把VI+，VI-按照上述原理搭建运放电路，能及时，很好的实现保护。
4 结论：
本来首先介绍了气体放电灯电子镇流器使用时一般会出现的各种异常状态现象，为了保护好镇流器或灯管，提出了一种简洁的采集各种异常信号的方法，即主要通过一个电流互感器就可以实现全方面的保护信号的采集。并且通过仿真和实验，验证了方法的可行性。此方法适用于大部分2线或4线连接的电子镇流器，根据各种电路结构原理，只要稍微变通文中变压器的绕制方法或位置即可。
参考文献：
[1]陈传虞 《电子节能灯与电子镇流器》.人民邮电出版 社，第一版 2004.8
[2]路秋生.《高频交流电子镇流技术与应用）.人民邮电出版社，第一版 2004.4
[3] P.Flesch，M.Neiger.Investigations on the influence of pressure，current and electrode gap in high-pressure mercury lamps [J].Phys.D，Appl.Phys.2005，38（20）3792-3803
论文作者:章建军,刘小刚
论文发表刊物:《基层建设》2015年24期供稿
论文发表时间:2016/3/24
标签：灯管论文; 镇流器论文; 电压论文; 灯丝论文; 电路论文; 电流论文; 开路论文; 《基层建设》2015年24期供稿论文;