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为了降耗节能,用荧光灯、LED或HID替代白炽灯的工作正在全世界范围内进行,并取得了巨大进展。电子变压器已用来驱动低电压卤素灯,用于荧光灯的磁性镇流器已经被电子镇流器所取代,而LED已经使用高效的开关电源。其中,替换50/60Hz铁芯变压器或镇流器的主要原因是为了提升效率。不过,新型电子镇流器虽能带来更高的性能和更小的质量或体积,但价格仍偏贵。
从LED的发光机理可以估算其理论光效,众所周知LED是利用载流子复合而发光的,载流子复合时其势能全部转化为光能,单就这一过程而言其内量子效率为100%。但是载流子在介质中与晶格碰撞而损失的能量、复合时载流子所携带的动能,以及为克服外电路电阻而消耗的电能均不可能转化为光能。考虑到各种附加能耗、载流子复合的实际内量子效率不会超过90%。
载流子复合时产生的光子有50%的几率为外向辐射,这50%的光子中一部分与晶格碰撞并为晶格吸收转化为热能。部分光子传输时在不同介质交界面处会反射回原介质并被吸收,此外作为输出窗的外电极的金属网膜或透明导电膜也将使部分光子反射并被吸收,这些过程都会降低LED的量子提取率,设这部分光子的量子提取率为80%。
载流子复合时产生的光子中有50%的几率为内向辐射,这部分光子在到达兼作反射镜的底层导电膜时将部分反射转化为外向输出光,然而此部分光子在向内或向外传输过程中将与晶格碰撞并被部分吸收,而在经过不同介质交界面时也将部分反射或折射回原介质最终被吸收。基底反射镜的反射效率和上述过程的限制而使得内向辐射的光子转化为输出光的量子提取率不会超过40%。
根据以上分析可以估算出LED总的电光转换效率约为54%,这是非常理想的情况下的估计结果。制造工艺中的任何疏漏、材料上的任何缺陷均将造成其能量转换效率的下降。与可见光转换效率不足5%的白炽灯相比,甚至与当前转换效率最高的高压钠灯、陶瓷金卤灯相比(电光转换效率约为30%)也是非常高的,这正是LED有十分诱人前景的原因所在。
电子镇流器的优点
电子镇流器的一个主要优点是其有很高的频率(一般为30～60kHz)。由于此高频率,离子的重组合不会发生,灯泡的效率会增加10%(相比于工作在50/60Hz时)。此外,电子镇流器本身的设计效率要高于90%,当同FL一起工作时,能轻易节省30%的能量。
电子镇流器的另一个特点是能“完美”地预热灯丝,使得灯泡的寿命完全不会依赖开关周期的次数,并能不闪烁地启动和工作,在不同输入电压下保持恒定亮度和具有高功率因子。最后,对应急照明尤其重要的是,电子镇流器能工作在直流输入电压下,即可采用电池供电。
功率因数校正
按照电流国际标准要求,如果照明设备的功率超过25W,就必须使用功率因数校正。这里有两个原因:一个是白炽灯泡的特性像一个电阻,也就是说电压和电阻是同相的。二是照明只消耗了总功率的10%～12%,一天要工作几小时,相比于其他设备是相当长了。因此,如果照明电器没有进行功率因数校正,就会导致电源网络上的大量额外损失。
因为多数设备的总功耗都在150W以下,所以临界模式PFC是最经济的解决方案。在这个模式下,通过控制电感的峰值电流,电流峰值就能同整流后的输入电压成比例。在空闲时间,电感电流回落到零,也就是电感的退磁会启动下个开关周期。很容易看到电感的平均电流同输入电压成比例,这就是预期的结果。这里还有两种不同的方法来控制电感的峰值电流。在FAN7527的电流模式下,整流后的线电压会感应出参考电流,其能设定峰值电流的实际值。而在FAN7529的电压或恒定工作时间模式下,开关设备的工作时间在一个或多个线性半周期中是保持恒定的。保持工作时间恒定,峰值开关电流又再次同输入电压成比例,并能从基本的微分式dI/dt =V/L中解出来。这两种模式的共同点是输出电压的感应和稳压。
低价镇流器有多种PFC拓扑,或用高感抗的铁芯扼流圈平滑输入电流,或弃用功率开关和控制器IC而使用电荷泵PFC。在这种拓扑中,半桥结构用来驱动荧光灯和PFC。因为灯泡的电源必须稳压,且没有额外的度数用来控制PFC,所以很难找到合适的L和C来形成良好的功率因数并将灯泡稳定在很宽的输入电压范围内。这就是为什么这种解决方案很便宜,却很少使用的缘故。
灯寿终(EOL)探测
在气体放电中,有个接近阴极的区域,放电电压在此处下降很快,且没有光发出,因此被叫做“阴极势降”。根据电压降和电流,这个区域会产生相当的功率耗散。随着灯泡工作时间的增加,灯丝的发光性会变差,而阴极势降也会增加。结果,接近阴极的功率耗散增大,这个区域也就会变得越来越热。如果灯管的直径很小,它就很容易被加热到熔点。因此,灯管越细,对一种叫EOL特性的检测就变得越来越重要。尤其是对于T5,这个特性是必不可缺的,它已被包含在用于荧光照明的欧洲安全标准中。
通常情况下,FL是在交流模式下工作的,每个灯丝会有50%的时间成为阴极。幸运的是,两个灯丝中的一个会首先丧失发射率,灯泡因而变得不均匀。这样,监控整个灯泡的电压或工作电压/电流的对称性就有可能探测到EOL。
紧凑型荧光灯(CFL)的封闭性检查
CFL包含了一个集成在灯泡中的电子镇流器。因为替代了白炽灯泡,当FL有缺陷时这些镇流器就会被丢弃。这就是为什么一个CFL的电子器件不必要有FL镇流器那样长的寿命。此外,因为空间受限且PFC被弃用,功率也会受限。总之,虽然有同样的基本结构,CFL却使用了与FL镇流器有少许不同的逆变器电路。通常,多数CFL使用一个自振荡半桥来替代控制IC。
新的控制器像FAN7711和集成了功率MOSFET的高电压栅级驱动器FAN7710有助于简化CFL的设计,特别是设计者希望用新的集成控制器来获得额外的性能和安全特性时。
从LED的发光机理可以估算其理论光效,众所周知LED是利用载流子复合而发光的,载流子复合时其势能全部转化为光能,单就这一过程而言其内量子效率为100%。但是载流子在介质中与晶格碰撞而损失的能量、复合时载流子所携带的动能,以及为克服外电路电阻而消耗的电能均不可能转化为光能。考虑到各种附加能耗、载流子复合的实际内量子效率不会超过90%。
载流子复合时产生的光子有50%的几率为外向辐射,这50%的光子中一部分与晶格碰撞并为晶格吸收转化为热能。部分光子传输时在不同介质交界面处会反射回原介质并被吸收,此外作为输出窗的外电极的金属网膜或透明导电膜也将使部分光子反射并被吸收,这些过程都会降低LED的量子提取率,设这部分光子的量子提取率为80%。
载流子复合时产生的光子中有50%的几率为内向辐射,这部分光子在到达兼作反射镜的底层导电膜时将部分反射转化为外向输出光,然而此部分光子在向内或向外传输过程中将与晶格碰撞并被部分吸收,而在经过不同介质交界面时也将部分反射或折射回原介质最终被吸收。基底反射镜的反射效率和上述过程的限制而使得内向辐射的光子转化为输出光的量子提取率不会超过40%。
根据以上分析可以估算出LED总的电光转换效率约为54%,这是非常理想的情况下的估计结果。制造工艺中的任何疏漏、材料上的任何缺陷均将造成其能量转换效率的下降。与可见光转换效率不足5%的白炽灯相比,甚至与当前转换效率最高的高压钠灯、陶瓷金卤灯相比(电光转换效率约为30%)也是非常高的,这正是LED有十分诱人前景的原因所在。
电子镇流器的优点
电子镇流器的一个主要优点是其有很高的频率(一般为30～60kHz)。由于此高频率,离子的重组合不会发生,灯泡的效率会增加10%(相比于工作在50/60Hz时)。此外,电子镇流器本身的设计效率要高于90%,当同FL一起工作时,能轻易节省30%的能量。
电子镇流器的另一个特点是能“完美”地预热灯丝,使得灯泡的寿命完全不会依赖开关周期的次数,并能不闪烁地启动和工作,在不同输入电压下保持恒定亮度和具有高功率因子。最后,对应急照明尤其重要的是,电子镇流器能工作在直流输入电压下,即可采用电池供电。
功率因数校正
按照电流国际标准要求,如果照明设备的功率超过25W,就必须使用功率因数校正。这里有两个原因:一个是白炽灯泡的特性像一个电阻,也就是说电压和电阻是同相的。二是照明只消耗了总功率的10%～12%,一天要工作几小时,相比于其他设备是相当长了。因此,如果照明电器没有进行功率因数校正,就会导致电源网络上的大量额外损失。
因为多数设备的总功耗都在150W以下,所以临界模式PFC是最经济的解决方案。在这个模式下,通过控制电感的峰值电流,电流峰值就能同整流后的输入电压成比例。在空闲时间,电感电流回落到零,也就是电感的退磁会启动下个开关周期。很容易看到电感的平均电流同输入电压成比例,这就是预期的结果。这里还有两种不同的方法来控制电感的峰值电流。在FAN7527的电流模式下,整流后的线电压会感应出参考电流,其能设定峰值电流的实际值。而在FAN7529的电压或恒定工作时间模式下,开关设备的工作时间在一个或多个线性半周期中是保持恒定的。保持工作时间恒定,峰值开关电流又再次同输入电压成比例,并能从基本的微分式dI/dt =V/L中解出来。这两种模式的共同点是输出电压的感应和稳压。
低价镇流器有多种PFC拓扑,或用高感抗的铁芯扼流圈平滑输入电流,或弃用功率开关和控制器IC而使用电荷泵PFC。在这种拓扑中,半桥结构用来驱动荧光灯和PFC。因为灯泡的电源必须稳压,且没有额外的度数用来控制PFC,所以很难找到合适的L和C来形成良好的功率因数并将灯泡稳定在很宽的输入电压范围内。这就是为什么这种解决方案很便宜,却很少使用的缘故。
灯寿终(EOL)探测
在气体放电中,有个接近阴极的区域,放电电压在此处下降很快,且没有光发出,因此被叫做“阴极势降”。根据电压降和电流,这个区域会产生相当的功率耗散。随着灯泡工作时间的增加,灯丝的发光性会变差,而阴极势降也会增加。结果,接近阴极的功率耗散增大,这个区域也就会变得越来越热。如果灯管的直径很小,它就很容易被加热到熔点。因此,灯管越细,对一种叫EOL特性的检测就变得越来越重要。尤其是对于T5,这个特性是必不可缺的,它已被包含在用于荧光照明的欧洲安全标准中。
通常情况下,FL是在交流模式下工作的,每个灯丝会有50%的时间成为阴极。幸运的是,两个灯丝中的一个会首先丧失发射率,灯泡因而变得不均匀。这样,监控整个灯泡的电压或工作电压/电流的对称性就有可能探测到EOL。
紧凑型荧光灯(CFL)的封闭性检查
CFL包含了一个集成在灯泡中的电子镇流器。因为替代了白炽灯泡,当FL有缺陷时这些镇流器就会被丢弃。这就是为什么一个CFL的电子器件不必要有FL镇流器那样长的寿命。此外,因为空间受限且PFC被弃用,功率也会受限。总之,虽然有同样的基本结构,CFL却使用了与FL镇流器有少许不同的逆变器电路。通常,多数CFL使用一个自振荡半桥来替代控制IC。
新的控制器像FAN7711和集成了功率MOSFET的高电压栅级驱动器FAN7710有助于简化CFL的设计,特别是设计者希望用新的集成控制器来获得额外的性能和安全特性时。