便携式低压钠灯电子镇流器设计

陶威，潘忠泉，杨欣欣，李昕，董俊伟

（山东非金属材料研究所，济南 250000）

低压钠灯是一种高效的气体放电光源，在光学计量、实验室照明等方面具有广阔的应用前景[1]。在光学计量方面，实验室用波长标准器具有传递计量标准、统一光谱量值的重要任务[2]；在照明应用方面，低压钠灯产生的辐射光谱波长与人眼视见函数光谱曲线峰值接近，因此在多种场合下被视作一种发光效率极高的照明光源[3]，同时，凭借于10 000 h的使用寿命和相对较低的功耗，低压钠灯被视为一种典型的绿色照明方式，成为节约化石能源、保护自然环境的重要措施[4‒5]。作为典型的气体放电灯，低压钠灯工作时需要附加镇流电路进行驱动，现有的低压钠灯镇流器在质量和性能方面无法满足低压钠灯广泛使用的需求[6]，因此，需要研制一种输出稳定、功耗低的便携式低压钠灯电子镇流器。

1 低压钠灯伏安特性分析

低压钠灯作为气体放电光源，其原理是依靠钠蒸气放电产生可见光，实现电到光的转换[7‒8]。钠灯启动时，电极两端产生电弧，电弧产生的高温使钠元素蒸发为气体状态；同时阴极发射的电子向阳极运动，撞击放电物质，使钠原子获得能量产生电离激发，最后恢复稳定状态，在这一循环过程中，多余的能量转化为光辐射[9]。作为高强度气体放电灯，单独加压的钠灯工作状态并不稳定，在电路中呈现负阻特性。

如图1 所示，低压钠灯启辉时，工作曲线a 呈负伏安特性，基于电路瞬时动态特性分析，随着工作电流的增加，会在电路中产生一个与原电压同向的过剩电压，使电流继续增加直至过载；同理，工作电流减小时，会在电路中产生一个与原电压反向的欠缺电压，使电流持续减小直至钠灯熄灭[10]，因此，需要在低压钠灯工作电路中串联一个正伏安特性曲线的镇流电路，补偿低压钠灯负伏安特性，使整个电路呈现正伏安特性并增加工作曲线的线性度。

图1 低压钠灯伏安特性曲线

2 典型镇流器对比

2.1 电感镇流器

电感镇流器主要由两部分组成，一部分是用硅钢片叠加而成的铁芯，一部分是由漆包线绕制而成的线圈，其物理性质决定电感镇流器具有成本低廉、可靠性高的优点。随着气体放电灯(如钠灯等)技术的进步，电感镇流器体积大、功耗高以及工作时伴随噪声的缺点，导致现有电感镇流器与新型气体放电灯的性能指标不相匹配。

2.2 单一电子镇流器

单一电子镇流器由具备基本镇流功能的简单元器件构成，能在电路稳态下实现低压钠灯等气体放电灯的启辉和持续工作，但不具备电路异常保护功能，功率因数低，功耗高，无法广泛应用于持续变换的交流电路。

2.3 无源滤波高功率因数电子镇流器

在单一电子镇流器的基础上，加入无源功率因数校正电路，用于低压钠灯工作状态下的过功率保护(OPP)，在提升低压钠灯电子镇流器的可靠性及电性能的基础上有效降低成本。其缺点是配备无源滤波高功率因数电子镇流器的低压钠灯电流波峰系数高于GB/T 15144—1994 规定的标准值1.7，使得灯的使用寿命降低，抗电磁干扰能力差。

综上，应在现有电子镇流器的基础上，设计带有电磁滤波、功率控制及频率固定功能的新型电子镇流器，并充分考虑镇流器各电路环节的适配性，在提升电学性能的同时保证镇流器的便携性能。

3 低压钠灯电子镇流器的设计

低压钠灯电子镇流器由电路及机械壳体两部分组成，电路设计保证镇流器的电参数，机械壳体保障镇流器机械强度及环境适应性。

3.1 低压钠灯电子镇流器电路设计

为保证低压钠灯在市电工频环境下稳定运行，应在镇流电路中设计电磁滤波、功率因数校正与恒功率控制、LC谐振以及反馈控制模块。低压钠灯电子镇流器工作流程如图2所示。其中反馈控制模块的功能主要为调节电磁滤波、功率因数校正及恒功率控制以及LC 谐振电路的关键电气参数，以便于镇流器能够在多环境、多场景下使用。此处采用工业设计中最为常用的PI反馈控制，并将算法嵌入系统控制芯片，以完善硬件系统的设计[11]。

图2 便携式低压钠灯电子镇流器工作流程图

低压钠灯电子镇流器供电电路中存在的电磁干扰，主要是指高次谐波反馈回输入端造成的传导干扰[12‒13]，因此需要加入电磁滤波电路进行电磁信号传导干扰抑制。为保证电路简单可靠，设计π 型电磁滤波电路作为交流输入的第一环节。电磁滤波电路图如图3所示。

图3 电磁滤波电路

功率因数校正及恒功率控制模块基于功率因数控制芯片，利用场效应管的切换，使输入电流与电压波形一致，电路获得高功率因数，稳定输出电压。此时，只要保证输入端的平均电流为稳定值，就能保证钠灯灯管端的输出功率为恒定值[14‒15]。功率因数校正及恒功率控制电路图如图4所示。

图4 功率因数校正及恒功率控制电路

LC谐振电路由L4、C10构成LC谐振环(如图5所示)，将输出频率固定为f=。

图5 LC谐振电路

3.2 低压钠灯电子镇流器机械壳体设计

为提高低压钠灯电子镇流器便携性，在电路板设计的基础上，进行镇流器机械框架设计。镇流器机械框架采用分体式设计，自上而下共包含灯座、顶板、侧板及底板四个部分，各部分之间用十字槽圆柱头螺丝紧固。镇流器机械框架如图6所示。

图6 镇流器机械框架

4 试验验证

根据以上功能电路及机械外壳设计方案，完成样机制造，并进行性能测试。采用GP20NA-1 型低压钠灯作为输出对象进行试验验证。在钠灯点亮后正常工作条件下，使用UTD2102CEX 型示波器以1KHz 采样率进行镇流器输出电压和电流的采集，采集时间为60 s，所得输出电压、电流数据分别如图7 和图8 所示。由图7 和图8 曲线可知，所设计镇流器的输出电压范围为13.768～13.818 V，均值为13.785 V，误差标准差为0.02 V，在试验时间内，电压输出稳定。镇流器输出电流范围为1.388～1.426 A，均值为1.407 A，误差标准差为0.01 A，电流输出稳定。根据以上结果，镇流器功率不大于20 W，在实际使用环境中的功率波动不超过0.001 W，能够有效保证低压钠灯光谱的辐射强度稳定性。

图7 低压钠灯电子镇流器输出电压

图8 低压钠灯电子镇流器输出电流

在此工作条件下，进行低压钠灯光谱测试，光谱曲线如图9所示。由图9可知，低压钠灯辐射光谱稳定于589.3 nm，实现了预期的技术目标。

图9 低压钠灯光谱曲线

5 结语

在分析低压钠灯伏安特性曲线的基础上，提出低压钠灯电子镇流器设计要求，以保证便携式低压钠灯电子镇流器具备小型化、便携式的典型特征，设计电磁滤波电路、功率因数校正及恒功率控制电路、LC 谐振电路以及配套反馈控制电路实现低压钠灯高性能、低功耗稳定工作。在低压钠灯电子镇流器工作状态下进行试验验证，结果表明，设计的低压钠灯电子镇流器工作状态稳定，性能可靠，符合实验室光学计量及绿色照明技术要求。