绿色照明中国节能产业跨世纪的战略11261.pdf

一、绿色照明中国节能产业跨世纪的战略 绿色照明 是指通过科学的照明设计，采用高效节电照明产品，达到节电、保护照明环境和提高照明质量的统称；是国际发展趋势和国家现代化的标志；我国已将“绿色照明工程”列为重点推广项目和节能产业跨世纪战略；绿色照明是系统工程 绿色照明是照明节电、减少对环境污染、保护生态平衡的系统工程。实施“绿色照明”包括：推广使用高效节能电光源，如细管径荧光灯、电子节能灯等；推广使用高性价比节电照明电器附件，如电子镇流器、调光装置、智能照明控制设备、光控开关等；采用高效节能灯具，提高灯饰透光率、反射率等；控制生产和使用中产生的污染，包括汞、稀土元素，以及灯、灯具高频工作产生的电磁干扰等；采用先进照明设计，合理选用高效节能产品，营造现代照明环境和光文化；组织制定有关政策、法规、标准，培育技术和市场，促进推广应用等；绿色照明产品 泛指能创造绿色照明环境的产品，包括新型、高效、节能电光源和配套照明电器附件、灯具及控制器等；“中国绿色照明工程”现阶段重点发展和推广应用的绿色照明产品包括：光效高、光色好、寿命长、安全和性能稳定的节能电光源，如细管径荧光灯、紧凑型荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯及其它新型光源等；自耗小、省电，对环境、人体无污染和影响的照明电器附件，包括电子镇流器、节能型电感镇流器、电子变压器等；光能利用率高，安全、可靠，美观、适用的照明灯具；传输效率高，电能损耗小，使用安全可靠的配线器材，各种调光装置，感应、光控开关和遥控等控制器具；集光、电、IT 技术于一体的智能照明系统；绿色照明，功在当代、利在千秋 缓解电力供需矛盾。目前，我国照明用电 1500 亿度（占总发电量 10%），约相当长江三峡电站年发 电量的 2 倍，缺电和照明落后成为制约经济发展的瓶颈；实施“中国绿色照明工程”，可节电 300 亿度，节约原煤 1500 亿吨，减少污染、保护环境；推动产业结构调整和技术进步；产生巨大的社会经济效益；11W 电子节能灯替代 60W 白炽灯可节电 48W，按 4 小时/天使用计算，年节电 71 度，全国替换 2 亿只，年可节电 142 亿度；全国家庭亿户（含农村 2 亿户），照明仍以白炽灯为主体，加上企事业、公用设施用白炽灯，数量可观。若全部改用电子节能灯，年可节电 938 亿度，超过长江三峡总发电量，是葛洲坝水电站年发电量的 5 倍；全球“绿色照明”新发展 美国九十年代初首先推出“绿色照明计划”，随着全球绿色环保运动的兴起，已在各国推广，并有新发展：美国正在开展旨在降低生产、销售成本和扩大市场容量的“能源之星”活动和“大宗采购计划”；欧盟各国在开展电力需求管理活动（DSM）基础上，将“绿色照明计划”扩展到私人公司或团体；中国等发展中国家正逐步实施“绿色照明计划”。近年环绕提高产品技术、质量水平，提高节电产品认识和建立持续、高效照明产品市场三大主题工作；全球“绿色照明”运动呈现三大特点：美国“绿色照明”成功经验和“能源之星”活动是全球“绿色照明”活动的典范；组织“大宗采购计划”是推广“绿色照明”的有效方法；建立非补贴、可持续化高效照明产品市场是各国发展的目标；二、绿色照明新一族节能电光源 照明电光源的发展 电光源是当今照明的主体,自 1879 年白炽灯问世以来,发展经历了三代:第一代 热辐射光源 利用钨丝发热而发光。代表产品为白炽灯和 60 年代开发的卤钨灯；优点：结构简单、光色好、发光柔和稳定、成本低，使用方便；缺点：光效低、耗电大、寿命短，逐步为节能电光源取代；第二代 气体放电光源 三十年代起开发，较白炽灯发光机理不同（辉光放电），发光效率有质的飞跃。代表产品：荧光灯（1938 年问世），光效高白炽灯 5 倍，作一般照明；低压钠灯，光效高白炽灯十几倍，光色单一（黄光），只能作道路、隧道照明；高压气体放电光源（高压汞灯、大功率氙灯等），功率大、光效高，用作场馆和泛光照明；表 21 照明电光源发展简况 类 别 灯 种 开 发 年 代 光效（Lm/w）平均寿命（小时）优 缺 点 应 用 第一代 热辐射 光 源 白炽灯 1879 934 500 1000 光线柔和、稳定，成本 低；光效低、寿命短 室内外 卤钨灯 6070 2050 第二代 气体放电 光源 荧光灯 1938 4050 5000 光效较高、显色性提高 室内 低压钠灯 3040 54144 色单一、显色性差 道路、隧道 高压汞灯 大功率氙灯 5060 4050 室内、泛光照明 第三代 细管径荧光灯（T8、T5）7095 50105 5000 20000 三基色、体积小、寿命 长；功率小；室内 紧凑型荧光灯 70 末 高压钠灯 6680 55140 显色性好（60）、光 色多、光效高；寿命长 道路、场馆 照明工程 金属卤化物灯 6090 80125 新光源 耦合放电 高频无极灯 90 5565 40000 光效高、显色性好、寿 命长；功率小；室内外 螺旋一体灯 10000 陶瓷金卤灯 光效高、光性能稳定；介质放电 紫外光源 90 末 6000 12000 光效高、性能稳定；研制中 表面放电 平面荧光灯 27 光均匀、无汞、低温性 能好；光效低 微波放电 微波金卤灯 90 末 80110 30000 启动快、光稳定、寿命 长；功率低、成本高；微波准分子灯 微波硫灯 光效高、寿命长；结构复杂、成本高；第三代 节能气体放电光源 六十至七十年代起开发，代表产品：细管径荧光灯（T8、T5）紧凑型荧光灯（电子节能灯）两类灯较普通荧光灯光效高（从 4050Lm/W 提高到 80Lm/W）、显色性好、寿命长、且结构紧凑、通用性好，已成为室内照明主体；高强度气体放电光源（HID），如高压钠灯（HPS）、金属卤化物灯（MH），六十年代研制、八十年代形成规模生产。较高压汞灯光效高（1倍），显色性好（Ra60），寿命 6000 小时以上，广泛用于道路、场馆、大型照明工程等。八十至九十年代已开发出一批新型节能气体光源，包括：无汞荧光灯 高频无极荧光灯 平面荧光灯 高显色性高压钠灯 陶瓷金属卤化物灯 微波硫灯 表 22 主要灯种性能比较 灯 种 功率（W）光效（Lm/W）显色指数（Ra）平均寿命（小时）频闪效应 表面亮度 白炽灯 51000 934 90100 5001000 不明显 大 普通荧光灯 3125 4050 60 20005000 明显 小 紧凑型荧光灯(电子节能灯)326 50105 60 60008000 无 小 HID 灯（HPS、MH）351000 55140 6090 20000 不明显 大 表 23 主要灯种节电效果比较 灯 种 替代光源 节电比例（%）使用、替代情况 备 注 T12 荧光灯 白炽灯 7073 室内外照明，无条件替代 粗管径 T8 荧光灯 T12 荧光灯 1020 室内照明，逐步替代 细管径 T5 荧光灯 T8 荧光灯 2030 同 上 细管径 紧凑型荧光灯 白炽灯 7083 室内照明（调光要求除外）电子节能灯 高压钠灯（HPS）高压汞灯 5660 道路、场馆，逐步替代 金属卤化物灯（MH）高压汞灯 4246 商场、宾馆，逐步替代 节能电光源 泛指光效高或节电效率高的光源，主要为第三代节能光源和新光源。2.2.1 细管径荧光灯 针对普通 T12（38）荧光灯耗材、发光效率低等缺点，七十年代末飞利浦公司开发出 T8（26）细管径荧光灯，目前已逐步替代 T12 管。T8 荧光灯较 T12 灯有以下优点：节电，在光通量相同条件下 T8 节电约 10%20%，光效（70Lm/W）提高 15%；节材约 30%；表面亮度提高约 20%；附加成本（仓储、运费等）降低 50%；与 T8 管脚、长度相同，易互换；我国 T8 管产量已突破 2000 万只，主要厂家飞东照明公司、佛山照明公司、北京松下显像管公司等；表 24 管型荧光灯分类及尺寸 灯功率 20 30 36 40 65 80 85 125 长 度（m）直 径（mm）T5(16)T8(26)T10(32)T12(38)发光颜色 日光色(RR)暖白色(RN)冷白色(RL)等 表 25 T8 荧光灯主要参数 类 型 功率(W)长度(mm)光通量(Lm)光效(Lm/W)寿命(h)经济型(普通荧光粉)18 600 1050 58 8000 36 1200 2500 69 8000 豪华型(三基色荧光粉)18 600 1500 83 16000 36 1200 3350 93 16000 九五年,飞利浦、美国 GE 公司相继生产 T5 荧光灯（16mm），比 T8 灯节电 20%30%；具有管电流一致性好、管压降高等特点，光效可达 106Lm/W、寿命 16000 小时，我国上海真空电子器件公司已开发生产；九六年，日本东芝公司推出 T5 环形荧光灯，光通量提高倍，并注重改善显色指数(高显色性 Ra 可达8595)；表 26 常用细管径荧光灯 产 品 管径（mm）功率（W）替代产品 备 注 T8(略新)26 36 T12/40W 北美已结束 欧洲已开始 18 36 T12/20W T8(较新)26 32 T8/36W 北美已开始 T5(最新)16 28 T8/36W 将开始 16 14 T8/18W 2.2.2 紧凑型荧光灯(CFL)俗称电子节能灯。具有光效高（是普泡 4-5 倍）、节电明显、寿命长（是普泡 5-8 倍）、体积小、使用方便等优点；79 年，飞利浦最先推出 SL 型灯。我国 82 年开始研制，99 年产量亿只（占世界总产量 35%），但质量参差不齐，寿命一般为 30005000 小时（国外 10000 小时）；CFL 分整体式（一体灯）和分离式两类。发展方向是一体灯，原因：互换性好，有 H、U、D 等不同紧凑型，尺寸形状接近白炽灯，且发光面积大；采用稀土三基色荧光粉及涂敷新工艺，提高光效、降低色温；内置电子镇流器，省电、启动快、无频闪躁声，使用方便；表 27 CFL 替代普灯节电效果 CFL 替代普泡 光通量（Lm）单灯节电（W/只）单灯年节电（度/年.只）9W 替代 40W 400 31 11W 替代 60W 600 49 15W 替代 75W 900 60 90 20W 替代 100W 1200 80 120 为提高灯功率,95 年美国 GE 公司生产出螺旋一体灯(13-48W),在保证紧凑尺寸和配光曲线同时,光效提高到 60-70Lm/W(是白炽灯 7-8 倍),寿命 1 万小时以上;图 21 插入式螺旋一体灯 2.2.3 高压钠灯(HPS)属高强度气体放电光源(HID),在光效、显色性和寿命方面有明显优势（表 2-3），另具透雾力强和不诱虫等特点，已广泛用于道路、场馆等照明；主要品种 A 普通型光效高、寿命长，但显色性较差，适合一般道路、场馆等照明；B 替代型可直接替代高压汞灯，满足照度同时功率略有下降；C 舒适型显色性好，可扩展室内外重要场合照明；D 高光效型改进光电管结构并填充高压氙气，光效高达 140Lm/W，是理想电光源；E 高显色性白色高压钠灯，高显色指数（80），适合高要求照明场合使用；F 农艺型有特殊光色，适合农艺栽培照明；2.2.4 金属卤化物灯(MH)60 年代初,钠-铊-铟金卤灯问世,最大优点是光色好(Ra=65-90)、光效可达 130Lm/W，平均寿命 12万小时。九十年代技术日趋成熟，正逐步替代卤钨灯、高压汞灯和高压钠灯，是发展广阔的新光源；主要类别：稀土金卤灯、光谱型金卤灯（钠-铊-铟系列）、连续辐射型金卤灯和单色性金卤灯等；我国八十年代末生产，目前年产量已达 200 万只，主要厂家：上海亚明灯泡厂、浙江阳光集团等；表 28 主要气体放电光源性能比较 性 能 高压汞灯 高压钠灯 金卤灯 光效（Lm/W）250W 51 121 80 400W 55 132 95 1000W 60 147 112 显色性（Ra）2040 3065 6590 荧光灯产品的技术发展 2.3.1 发展主题 保护环境.从三方面入手:提高光效、减少能耗；减少用汞量、开发无汞荧光灯；采用低铅或无铅玻璃，推广应用水涂粉工艺技术等；节约能源.包括：提高光效，改善显色性；开发新型点灯附件（如电子镇流器、智能控制系统）、提高节电效果；提高生产工艺、设备水平，降低生产能耗；满足市场、用户要求 开发不同光色、不同显色性能和不同形状荧光灯；2.3.2 技术发展趋势 环绕提高光效、光色、寿命三大主题和以下课题进行：研究低压气体高频放电特性，包括惰性气体-汞高频放电特性，并从灯及电子镇流器方面改进；控制汞量，采用汞齐、涂敷保护膜，改善荧光粉表面特性；开发无汞荧光灯，包括研究准分子等离子特性，开发光子激发荧光粉等；研究应用 Al2O3等保护膜及涂敷工艺，提高光通维持率；研究应用高频无极灯，降低干扰、提高光效；改善电子镇流器性能，实现对荧光灯可调光功能，适应智能照明系统应用；研究荧光灯光谱特性、显色性能等，开发适应各种需要的特种荧光灯；当今，应特别重视高频无极荧光灯、平面荧光灯、无汞荧光灯等产品的开发；HID 灯的技术发展 为使 HID 灯（特别是 MH）向室内照明发展，HID 灯正向灯功率大型或小型化、光色稳定性（低色温）好、高显色性和超长寿命方向发展；主要研究课题：发光机理，包括高温热化学反应、高频高压启动和声共振现象等；新材料，主要是放电管管壁（如半透明陶瓷管）及电极材料；配套电器附件，重点是一体式电子镇流器。包括解决：承受高压/大电流冲击、降低温升、二次热启动和高频声频共振四大技术难题；开发新系列品种，重点是陶瓷金卤灯、车用小功率金卤灯等；三、电子镇流器绿色照明新一代产品 电子镇流器基础 3.1.1 电感镇流器 1.管型荧光灯是气体放电灯，传统使用必须有“启辉器”和“镇流器”：启辉器：并接灯管两端。通电后，能产生高电压，迫使灯管“放电”导通发光，是荧光灯正常工作的启动器；镇流器：与灯管串联。能自动限制启动电流的增大（灯管负阻效应），使灯管获得稳定的灯电压、灯电流，是荧光灯正常工作的镇流装置；2.荧光灯的启动电压、灯电压、灯电流与灯管类别有关，使用启辉器和镇流器必须与之匹配，否则影响灯管寿命，甚至不能工作；3.电感镇流器（又称铁磁式镇流器）用铁芯和漆包线绕制。结构简单、成本低，但自耗大（40W 镇流器实际功耗 48W），易产生“热”和噪声，还因低频工作产生 100120HZ 频闪，且体积大、重量重；3.1.2 电子镇流器 电子镇流器是将工频(50HZ/60HZ)交流电变换为较高频率的交流电，并能使一个或几个荧光灯正常 启动和稳定工作的变换器（国外称安定器）。1.基本原理：用电子元器件组成高频变换电路。先将照明交流电源整流变成直流电，再由“逆变器”变为高频交流电，由振荡电路产生 2050KHZ 的高频电压去启动和点亮荧光灯，经调整可正确与灯匹配，满足不同功率灯管的启动电压、灯电压和灯电流，达到正常工作。2.优点电子镇流器较电感镇流器有以下优点:(1)节电省钱 比同规格电感镇流器节电 2530%,原因:高频工作,提高灯发光效率。图 31 曲线表明：光效随工作频率（50HZ50KHZ）提高而增加，同光照度下电子镇流器输入功率降低；自身功耗低，约为灯功率的 5%（较电感镇流器降低 15%）；多管驱动和高功率的电子镇流器节电 效果更显着；线路功率因数提高（由电感镇流器的提高到以上）,电网利用率相应提高,实现间接节能;发光效率高,产生热能小,空调房等用电量相应减少；功率因数高，输入电流减少，电力配线安装要求及 成本降低；不需启辉器，省去更换时间和费用；（2）无频闪，发光柔和，有益保护视力；（3）启动快，不出现反复起辉、闪烁现象；有预热启动 功能，大大延长灯管寿命；（4）工作宁静，无噪声，提高照明环境质量；（5）可用市电和直流电源供电，低压（150V）下能启动，允许电压波动范围宽（1015%）；图 31 荧光灯光效频率变化曲线 （6）采用调频、脉宽调制（PWM）、光接收等技术，容易 实现对荧光灯调光和光控智能开关；（7）具异常状态（灯开路、短路、过载等）保护功能，延长镇流器寿命；（8）体积小、重量轻，安装使用方便；表 31 电子镇流器与电感镇流器性能比较（40W）项 目 电 感 镇 流 器 电 子 镇 流 器 光照质量 工作频率 50HZ，有严重频闪 电感线圈镇流，噪声大 有害视觉 工作频率20KHZ，无频闪 电子器件镇流，无噪声 光照质量改善，保护视力 启动 工作 条件 环境温度 -5+50-10+50 电网电压 低于 180V 不能正常启动 低至 150V 仍能正常启动、工作，但光通量降低 工作温度 最高达+120，影响室内温度 自身温升大，易发生火灾?+50左右 有过热控制、保护措施 电 能 消 耗 线路电流（A）有功损耗（W）49 42（节电 14%）无功损耗（W）电网有 50%无功损耗 电网有 3%无功损耗?无功节电 45%以上 后期维护 低压或低温时，不能一次启动，多次启动易损坏灯阴极，缩短灯 管寿命 启辉器寿命短，需经常更换 频繁维修，易损坏灯具 具预热功能，一次启动，可延长 灯管寿命 无需更换启辉器 具异常状态保护功能，延长镇流器 寿命 电子镇流器的发展 1978 年，飞利浦公司率先研制出电子镇流器。随着光源技术的进步和开发应用，电子镇流器已经历五代发展：第一代：普通（简单）型电子镇流器 七十年代末生产，是低频向高频过渡的产品。多半采用简单电子线路，功能单一，缺乏可靠性和对电网影响考虑。电器性能差：功能因数小于，电流谐波含量高达 130%。无预热启动和异常保护功能，严重影响灯管和镇流器寿命，并对电视机等有严重干扰，已不再生产使用；第二代：无源滤波“高功率因数电子镇流器”在第一代基础上，按 IEC 标准和国标 GB15143/15144 生产。采用无源滤波技术和功率因数校正电路（PFC），提高功率因数（）、抑制谐波含量（THD30%），并设计预热启动、异常状态保护等功能，使镇流器性能和可靠性有较大改善，加上电路简单，成本较低，有较强市场竞争力。缺点是灯电流波峰系数 CCF 超过标准（），对灯管寿命不利。此外，抗电磁干扰（EMI）差，易引起线路干扰；第三代：有源滤波“高性能电子镇流器”为克服电子镇流器电流谐波含量大而对电网污染（称“银网痼疾”），国外九三年开发出有功率因数补偿功能的高性能电子镇流器。采用有源滤波单端脉宽调制（PWM）技术，抑制电流波形失真，实现了高性能：功率因素，THD10%，CCF。同时，采用预热软启动、零电压开关（谐波逆变）、电磁兼容（EMC）等新技术，使性能、可靠性进一步提高。缺点：电路较复杂，成本及生产工艺难度相对提高。但多管驱动镇流器（如 240W 以上）多半采用此技术，成本相对下降。第四代：高性价比电子镇流器 九十年代起开发。特点是采用集成技术，省去振荡电路和磁环等，将部分元器件制成专用集成电路（ASIC）或混合厚膜电路，并采用有源谐振电路使逆变器线路简化，同时，广泛采用表面贴装器件（SMD）和技术（SMT），大大提高产品性价比和可靠性，是镇流器发展的主流；第五代：特种电子镇流器 九十年代中、末期，根据市场需要，相继开发出可调光、光控电子镇流器，并在高强度气体放电灯（HID）电子镇流器研制中取得进展。电子镇流器在气体放电灯自镇流荧光灯中几乎全部取代了电感式镇流器；表 32 电子镇流器种类及特点 类 别 性 能 优 缺 点 应 用 功率因数（）谐波含量(THD）灯电流波峰比（CCF）第一代 普通型 130%线路简单、成本低、有节电功能；性能差、功率单一；小功率、电压波 动小；已逐步淘汰；第二代 高功率因数 30%约 无源滤波，PFC 电路 有预热、异常保护功 能；性价比较高 中功率 广泛应用 第三代 高性能 10%有源滤波，PWM 电路 高性能、功能齐全 性价比适中 中功率以上 电压波动范围大 多管驱动 第四代 高性价比 10%集成技术（ASIC）和 厚膜电路 应用 SMD(SMT 技术)性价比高 推广应用 第五代 特种型 10%可调光、光控开关 HID 灯电子镇流器 已开发应用 我国电子镇流器开发生产已有十几年历史，产品总体水平在第二、第三代，现状大体如表 3-3；表 3-3 国产电子镇流器现状 项目 类别 预热 启动 异常 保护 电磁 兼容 THD CCF 可靠性 销 价(元/只)性价比 应 用 普通改进型 不定 不定 无 50%约 低 约 20 低 销量下降 无源 H 级 有 有 不定 约 30%一般 约 30 一般 销量大 无源高性能（L 级）有 有 有 15%高 约 40 高 销量大 有源滤波 有 有 有 10%高 50 以上 一般 高要求、多管驱动 电子镇流器的质量要求 3.3.1 IEC 和国家标准要求 电子镇流器已列入国际电工委员会(IEC)CB 公报和中国电工产品认证委员会(CCEE)认证范围；认证依据：根据 IEC928/929-90 制订的国家标准：GB1514394管形荧光灯用交流电子镇流器一般要求和安全要求 GB/T1514494管形荧光灯用交流电子镇流器的性能要求 国家标准 主要要求列表 3-4：表 3-4 国标对电子镇流器的主要技术要求 一、GB15143 条款 标 准 技 术 要 求 备 注 8.接地装置 分保护、功能、及外壳（或底版）接地。接地端子应符合 IEC598-1(14/15)规定，电连接应锁紧，防止松动；12.防湿及绝缘 潮热试验(湿度 91-95%,2030)48 小时后，测试输入和输出端连接的整 体和金属零件（DC500V/1 分钟），绝缘电阻2M 13.介电强度 潮湿试验后，在上述部件间加 AC1500V/1 分钟，不发生闪络或击穿 14.异常现象 在灯开路、一个阴极坏、灯不激活、灯一个阴极激活、启动开关短路 5 种 异常条件下，镇流器在额定电压10%下工作不损坏 故障状态 在以下情况下，镇流器不损坏和出现易燃气体：a.间距小于标准规定的配电距离和电气间隙跨接短路；b.半导体器件跨接短路或开路；c.绝缘层跨接短路；d.电解电容两端短路；二、GB/T15144 线路功率 额定电压下工作，线路功率不大于标准值的 110%；功率因数 额定电压和频率下工作，线路功率因数与标准值不得相差；电流波形 灯电流波峰比 额定电压稳定工作后，电流谐波含量应符合表规定 见表 3-5 额定电压稳定工作后，灯电流波峰比 异常状态 在倍额定电压下，断开灯和灯不启动各工作 1 小时，镇流器不损坏 耐久性 经下列试验，恢复室温后仍能正常启动，并工作 15 分钟：a.低温(1 小时)高温(1 小时)，交替 5 周期 次开关(开关各 30 秒)c.在额定电压和 Tc（外壳最高温度）下工作 200 小时 环境温度试验 在额定电压、+50下工作 4 小时，外壳温度小于 Tc 表 3-5 部分参数各国标准比较 参数 GB IEC DIN(德国)JIS(日本)ANSI(澳大利亚)CCF THD(%)2 3 5 7 9 11n 5 30 7 4 3 2 5 30 7 4 3 2 5 25(/7 4 3 5 30 三次谐波倍频波 均方根和:30 其它11 单次谐波:7 3.3.2 高性能电子镇流器的特点和要求 只有高性能的电子镇流器才能保证使用安全、可靠，其特点、要求包括：1.高功率因数(国标“L”级要求；2.低谐波含量（THD15%）；3.灯电流波峰系数低（CCF）;4.采用低压预热启动，时间 5.有异常状态(灯开路、过载、不启动、整流效应等)保护功能；6.良好的电磁兼容性，在 9KHZ30MHZ 内符合国际 EMC 和美国 FCC 标准；7.有可靠安全保证，符合安规设计标准；电子镇流器电路 3.4.1 组成及工作原理 1.组成 电子镇流器核心高频变换电路,组成框图见图 3-2 2.工作原理(1)AC/DC 变换-由全桥整流器等完成。整流前，经电磁干扰（EMI）滤波器 滤波（含射频干扰 RFI）由电感 L 和电容 C 组成；阻止镇流器产生的高次谐波反馈到 输入电网，抑制对电网污染和对设备的干扰；图 3-2 电子镇流器组成框图 阻止电网谐波干扰进入镇流器；DC 滤波前，设置功率因数校正（PFC）升压电路，作用：减少电流谐波畸变，提高功率因数 （2）DC/AC 逆变器-将直流电压变换为高频电压 由双极或 MOSFET 等功率晶体管完成；工作频率 2050KHZ；输出波形由电路结构半桥式或推换式决定；（3）输出网络-采用 LC 串联谐振（自激）电路或它激电路 高频谐振使启动电容产生高压脉冲将灯点燃；启动后电感起限流作用；（4）辅助电路用以提高安全、可靠性，解决电路灯匹配工作，包括：预热启动电路 异常状态保护电路 高频反馈及控制电路 3.4.2 基本电路简介 1.输入电路-EMI 滤波器及保护电路(1)EMI 滤波器用以抑制 EMI/RFI。有 T 型（两个电感、一个电容）、型（一个电感、两个电容）、双型（同一磁芯对称两个电感、两个电容）等，常用结构：双复式混合型（图 3-3）：用于差模共模方式 EMI/RFI 抑制。此时，应保证滤波器（L1=L2，C1=C2、C3=C4），谐振频率远低于镇流器工作频率；图 3-3 EMI 滤波器电路 图 3-4 改进型 EMI 滤波器 改进型：插入 C3、C4（图 3-4），用以进一步降低 RFI；（2）输入保护电路-包括过流/过压保护（图 3-5）过流保护：串接 FU 保险丝（12A），作过流保护；串接 NTC 热敏电阻（RT），抑制接通电源瞬间浪涌电流，电阻温度系数 16102/；过压保护：并接氧化锌压敏电阻 RV，作过压保护。当输入出现高压尖峰脉冲或错相接入 380V 电压时，RV 由高阻变为低阻（大电流），完成电压吸收、削波和限幅，达到安全值；或烧断 FU，保护电路受损；并接双极瞬态电压抑制器（TVS）。由特种二极管组成（响应时间 10 秒），出现高压时，能迅速由高阻变为低阻，达到钳压于安全值（小于过压保护值）；图 3-5 输入保护电路 图 3-7 倍压整流滤波电路 图 3-6 桥式整流滤波电路 2.整流滤波电路（1）桥式整流滤波电路（图 3-6）Vc1 输出波动小的直流电压，VDC=Vc1=310V 输入电流 IAC波形出现严重畸变（尖峰脉冲）。电流谐波含量高，线路功率因数低（）；原因：整流二极管正反向工作特性，使导通角远小于 180；解决措施：采用 PFC 电路；（2）倍压整流滤波电路 适合 22V/110V 电压工作，由开关 SW1 实现；110V 工作时，VD1、VD2和 C1、C2（C1=C2）组成倍压整流滤波电路。此时 R1=R2（均压电阻），VDC=VC1+VC2=2110 =311V；220V 工作时，同（1）；3.谐振电路 2（1）电压反馈半桥式电路简单、成本低，适用 30W 以下电子节能灯；-用于管形或环形荧光灯时，需附加保护电路；（2）电流反馈半桥式-启动电路原理同（1），变压器 T1 输出启动高压（图 3-8）；（3）推挽式 -电路振荡由 C1和 T1实现；S1、S2作灯丝预热；S3产生启动高压（图 3-9）；-优点：启动电压近似正弦波，具灯开路、短路保护功能；有预热功能；-用于大功率镇流器；图 3-8 电流反馈半桥式谐振电路 图 3-9 推挽式谐振电路 4.预热启动电路（1）必要性 荧光灯属阴极预热启动型电光源；高压冷启动，易损伤灯丝（溅射），出现阴极管壁早期发黑，缩短灯管寿命；预热启动，可降低启动电压（300400V）；（2）理想启动程序及要求 启动前（灯电压辉光放电电压），先给灯丝预热（预热电流、电压不宜过大，以免阴极过热受损），时间大于秒；阴极达到热电子发射温度（1000ktc1160k）后，给灯迅速加高压，使灯迅速启动（不出现多次启动），由辉光放电转为弧光放电；弧光放电后，应切断预热电流，阴极靠热点温度维持热电子发射；多灯驱动时，力求使启动电容与启动电流匹配、平衡；（3）预热启动电路-应同时满足开路电压、预热电流、预热时间三要求：PTC 热敏电阻（图 3-10）-适用 40W 以下：阻值 803000，居里点 60120；低于居里点时，呈低阻导通、预热阴极；高于居里点呈高阻，自动切断电路，使 LC 谐振，将灯启动点燃；优点：体积小，线路简单、成本低；缺点：线路功率增大（自耗约）；降低光通量及流明系数；产生温度至高点引起热辐射；PTC 选用：功率较大，宜选低阻值和尺寸大；预热时间长，宜选居里点高、尺寸大；图 3-10 PTC 组成的预热启动电路 调频技术电路（如 ML4830、IR2155）5.异常状态保护电路 （1）异常状态:指灯开路、短路、过载、不启动等五种（表 3-4）。其中：灯开路谐振电容两端产生持续 700V 以上高压和大谐振电流，易损坏功率管；整流效应指灯管两个阴极发射电子不对称，形成单向导电，使输出电流正、负半周出现失配，形成大电流，易损坏镇流器；灯座引线较长，线间分布电容增大（约 100PF），也会使电路产生振荡，损坏镇流器；（2）保护电路设计原则及要求 保护应快速、准确。使电路停振或切断主电路电源；起控灵敏度适中。过高，影响正常启动；过低，无保护作用或保护范围窄；保护电路起控电压：160V260V；（3）异常状态保护电路 峰值检测型：分别用双极晶体管、MOS-FET、可控硅作控制元件；幅值与相位检测型：由高速电压比较器实现；继电器控制型 6.过电流/过电压保护电路 （1）过电流保护电路方法：APFC 预调整器浪涌电流抑制电路；用分元器件或 PFC 控制电路组成限流电路；用 KA7522 等专用电路组成过流保护电路；（2）过电压保护电路方法 采用图 3-5 压敏电阻 RV 和瞬态电压抑制器 TVS；设计过电压（OVP）停振保护电路（由 LM339 比较器等组成）；采用过电压、切断电源式保护电路（由 LM324 比较器等组成）；7.过热保护电路 （1）热源产生主要为：功率晶体管高频工作 LC 串联谐振电路中电感振流圈 脉冲变压器中磁环 滤波电解电容 （2）解决办法 给功率晶体管加装一定形状和尺寸的铝散热器；给功率晶体管和磁芯加接温度保险丝（作过热保护器），一般为+85；由热敏电阻或 K7522（带过热保护功能）组成过热保护电路；采用过电压切断电源式保护电路（由 LM324 比较器等组成）；3.4.3 电子镇流器无源/有源滤波电路 电子镇流器按工作特性和结构分无源滤波（波动功因式）、有源滤波（主动功因式）两大类，特性、优缺点见表 3-6：表 3-6 无源/有源滤波电路比较 类别 电 路 特 征 性 能 优 点 缺 点 应 用 PF THD CCF 无源 滤波 由二极管、电感、阻容元 件组成滤波、PFC 电路 用 LC 工频串并联谐振电路 校正功率因数、抑制电流 谐波 改进型有预热启动、异常 保护、EMC 功能 20 130%线路简单 成本低 性价比适中 改进型性能 接近有源滤波 电路，性价比 高 电压范围小 无功率因数 补偿 元器件要求 高 EMC 等性能 不完善 可靠性一般 广为应用（电子节 能灯等）有源 滤波 用 IC 及晶体管组成滤波、APFC 电路 采用 PWM、PFM 电路，有功率因数补偿功能 工作频率可达 100KHZ (可达 以上)10%(可达 5%)恒功率、光 输 出 稳定 性能指标高 工作电压宽 电流失真小 多管驱动型 性 价 比高 线路复杂 成本较高 性价比一般 高 可靠、高要求 采用 多 管驱 动使用 3.4.4 现行电子镇流器电路比较（表 3-7）表 3-7 现行电子镇流器电路比较 低功率因数 电 路 逐流电路 H 电感电子 L 有源滤波 L 双泵式 H 高泵式 L 电流波形 PF THD 三次谐波 CCF 效率()耐压Vcc(V)270280 225230 270280 400 225230 300350 综合评电 路 简单、成本较低 抗干扰好 性价比适电压范围宽 性价比高 性价比 较高 价 成本低 可靠性一般 CCF 超标 中 性能指标高 成本高 推广应用 适用电子节 能灯 不宜作荧光 灯镇流器 少量采用 应予淘汰 适量采用 适量采用 宜多管驱动 宜推广应用 宜推广应 用 3.4.5 镇流器电路发展趋势 1.有源滤波趋向新型、简易化。采用单或双 IC 组成 APFC+DC/AC 电路，功能性能指标全面达标；2.无源滤波技术趋向高可靠、高性价比。典型电路有高频反馈、复合半桥型、无源 PFC+DC/AC 型等；3.向小、薄、轻、集成化和多功能发展；T5荧光灯电子镇流器是小、薄、轻型的代表；开发出众多镇流器 ASIC。如，飞利浦公司 UBA2021 电路，工作频率 43KHZ，内含半桥驱动、振荡器、保护及时钟电路，用于 13W 以上 CFL 中；美国 IR 公司在已有 IR2153/2153D、2157 镇流器专用电路基础上，近期又推出单片镇流器专用电路 IR53H（D），采用单列 7 脚封装，内含 APFC、振荡器、保护电路等，可省去 MOSFET 和磁环线圈；已开发出可调光、光控电子镇流器；4.接线灵活，配用灯管实用性强。要求多路（1-4）驱动，接线方便灵活；5.高可靠、长寿命。T5荧光灯镇流器寿命已达 12 万小时；特殊用途（地铁、潜艇照明）要求镇流器可靠性在 3-5 年内不损坏；电子镇流器的设计与生产 3.5.1 技术难点 电子镇流器集光、电、磁等技术于一体，设计重点是性能和可靠性，需着重考虑、解决以下技术问题：1.要有可靠的谐波抑制、灯电流波峰系数控制、功率因数补偿电路的设计，使其符合国家标准；2.合理设计符合标准的预热启动电路，以延长灯管使用寿命；3.不论采用何种晶体管（双极或场效应）作主振荡管，因其高频工作，都会出现过流、过压、过热，严重影响产品性能和可靠性。因此，必须合理、完善设计驱动电路和主振管综合保护电路；4.合理设计出灯不激活整流效应等异常状态时的保护电路，并保持正常工作一致性达到设计要求；5.具备适应电网多变因素的功能，即：既能有效吸收和控制瞬时脉冲高压（10002000V），又不影响主电路正常和连续工作；6.采用有源滤波电路时，还要解决以下设计：（1）确保工作在 100KHZ 下的主开关场效应晶体管（FET）的可靠性；（2）解决冷态启动，尤其当输入端出现接触不良连续打火时电路的可靠性，保证 FET 管和专用电路正常工作；（3）设计能长时间可靠工作在电网高电压，特别是低电压下的电路，确保 FET 管和驱动电路不损坏；（4）解决抑制无线电干扰的滤波电路设计，并符合标准；（5）合理选用磁性元件（电感、磁环），解决其温度特性对镇流器性能、可靠性的影响；7.符合防磁、防火、耐压、安全等标准的合理结构及封装技术；8.在实现全部功能及性能基础上，提高产品整体工作的可靠性、一致性和稳定性；3.5.2 设计依据 1.国家标准管形荧光灯用交流电子镇流器一般要求和安全要求GB15143-94；2.国家标准管形荧光灯用交流电子镇流器的性能要求GB/T15144-94；3.IEC928929，BSEN6092860929，IEC61000，EN55015 标准；3.5.3 解决措施 1.提高设计质量主要措施：(1)提高线路功率因数 采用多级谐波抑制网络、降低谐波失真，提高功率因数；采用二次整流高频反馈调相电路；由 ST6560、6561 等电路组成功率因数补偿电路；（2）降低电流谐波含量 采用调相、功率因数补偿电路；设计 EMI/RFI 滤波电路；（3）控制灯电流波峰系数 CCF 指电流波形峰值与均方根值比；是影响阴极发射能力和发射电流稳定性的重要指标。CCF 大，灯阴极受损大、寿命必然下降；采用高频反馈等电路可将 CCF 控制在以下；（4）过电流/过电压控制 采用过电流/过电压保护电路（见 3.4.2 节介绍）；合理设计驱动电路，使之具有合适的驱动强度；（5）降低温升 合理选择晶体管、电感、磁环等；采用散热器、温度保险器等；用电子绝缘胶灌封，提高整体散热性能；（6）按标准规范设计预热启动及异常状态保护电路；（7）全面采用符合安规要求的设计和材料（具耐热、阻燃性能）；2.生产及质量保证（1）抓好材料采购、质量认定和检验，确保元器件质量。在兼顾材料成本前提下，尽可能采用优质元器件，并