无电极荧光灯调光技术及其应用

前言

     无电极荧光灯以其无电极运行的显著特点获得长寿命,高性价比等优点,其市场规模和应用领域正逐步扩大,已经成为一种长寿,节能,高光效的光源产品为市场所接纳。在全社会节能减排的大背景下,本文就无极灯荧光灯的进一步节能的可能性,以及采用的方式和性能进行分析,讨论各种调光方式的优缺点,促使可调光无电极荧光灯系统的进一步应用,为节能减排尽一份力。

无电极荧光灯在实际的工程应用中(如道路照明,隧道照明,室内补光照明 等)都提出调光的节能要求,能使灯的光输出降到50%,甚至20%,这样可以节能50%-80%的能源,如隧道照明在夜晚时分,以及阴雨天气,由于隧道外的照度的降低,隧道内的照度也可以降低,并不影响司机的视线。再如道路照明进入下半夜,由于车辆和行人稀少,照度也可以降低,来实现节能。

传统的HID灯的光源的发光效率,色温,显色性是建立在特定额定功率条件下的,即电弧管内要保持相应的高温,高压,而这些条件在降功率调光时都无法满足,故HID灯调光时光源的光效降低,色温和显色指标都大大降低。并不适合于调光场合使用。

但无极灯与传统的有电极的放电灯不同,由于工作于低气压状态,降功率调光运行时, 输出光的性质(光效,色温,显色性)基本保持一致。若调光时与全功率点灯时的光效对比,光效大幅下降,则调光的节能意义并不大。因为调光节能是以光源光效的降低为代价,并不是真正意义上的节能。无电极荧光灯的优良的调光特性是传统的HID灯无法比拟的。

 

1.无电极荧光灯调光的可性能

首先让我们来了解无电极荧光灯的工作特性,以及他们对调光的影响。无极灯以电磁感应的方式来传递电能,主要有两种工作模式,分别为感应耦合放电(H放电)该方式灯功率是通过磁耦合来传递功率的,以及容性耦合放电(E 放电)该方式灯功率是通过电场耦合来传递功率的

   触发启动点亮过程:该过程由于等离子电弧放电还未建立,主要以功率耦合线圈和灯泡之间的分布电容来完成容性耦合放电(E 放电),并配合感应耦合放电(H放电)完成从容性耦合放电(E 放电)到感应耦合放电(H放电)的转换,将灯点亮。

正常点灯阶段:主要是感应耦合放电(H放电)为主,此时由等离子体形成的放电电流环可以看作变压器的副边的一匝,从原边绕组获取点灯功率。其耦合效率较高。

无极灯的光效与耦合效率和以及磁芯损耗密切相关,磁芯损耗除了挑选高频特性好的磁芯材料外,重要的是如何降低运行时的每匝电压值,由于磁芯的功率损耗与每匝的电压值的平方成正比,等离子体放电环路的电弧电压值对损耗影响很大,如JK  ST400W 的放电电压大约405010安。故如何控制调光时还能保持较低的放电电压,依据磁芯损耗与每匝电压值平方成正比的推算,当灯管放电的电弧电压上升到1.5倍时,磁芯损耗为2.25倍。这是选择调光方式必须考虑的问题。

随着调光输入功率的下降,等离子体的溶度逐渐减小,表现为放电电流减小,等效放电电压升高,等离子体的放电功率也下降,当放电下降到从感应耦合放电(H放电)转换为容性耦合放电(E 放电)的跳变 时即为调光的下限,因为此时功率耦合的效率已经大大降低。已失去了调光节能的意义。

如何选择调光执行方式(调压,调频,占空比等),在不增加耦合磁芯的损耗的条件下,完成调光,成为调光方式性能评价的重要指标。

另:汞蒸汽压的控制(即汞齐的温度控制)对灯的光效和调光性能也是至关总要的。这对具有调光功能的灯具设计也提出要求,即如何确保调光状态下的汞齐温度,保证等离子体的放电的效率。

2.无电极荧光灯的调光方式

无电极荧光灯的调光方式可分为两部份,一是如何传递调光信号,即告诉镇流器的控制电路需要点灯的功率百分比,以及开关灯等信号。二是调光的执行方式即采用何种方式来调光(半桥输出级总线电压调压调光,半桥输出级调频调光,半桥输出级工作周期占空比调光等)以下就这两部分的内容做一分析说明:

其一:为调光型号的传递部分(接口部分电路)

*采用010vdc传统方式的传递调光信号

*采用DALI(数字可寻址灯光接口Digital Addressable Lighting Interface

*采用remote遥控调光 315MHZ(采用Rolling Code 滚动码控制器实现的遥控调光)

*采用 timer 定时器调光(灯具内置定时器调光,多用于道路照明)

*采用移动传感器motion sensor 调光(用于仓库,车库等场合)

*采用电力线载波传递调光信号。等等

    2.1 采用( 0-10V) 模拟信号传递调光控制信号的接口

采用( 0-10V) 模拟信号传递调光控制信号的方式是传统的调光控制结构,结构简单,费用较低,且有通用的调光控制器可供选用。各大公司的调光控制器都含有该方式,其特点如下:

 JK无电极荧光灯调光技术及其应用-1-11.jpg

调光控制电压(V


 

 

 

 

调光控制线为两芯线,带23KV的隔离,安全可靠。010VDC的控制电压可以完成无电极荧光灯输入功率的连续变化,输入功率可以调低至20%。灯具电子镇流器内带有一单片机完成智能控制工作可以记忆断电前的调光值,也可以控制调光时延,即不论外部调光器置于任何调光电压,都能确保可靠开灯,并转入设定的调光功率工作。DC控制电压为灌电源负载,且每台电流小于0.5mA.单台调光控制器可以同时控制50100台的灯具,方便实现集中控制。

 

2.2  采用DALI(数字可寻址灯光接口Digital Addressable Lighting Interface

DALI(数字可寻址灯光接口Digital Addressable Lighting Interface)。DALI协议构成的控制网络具有,控制线简单(无需分回路布线,无需区分极性);可以点对点控制,也可对组控制;一个控制器在任何 时候均可以同时独立控制所以个体单元;随时取得控制单元的状态信息(灯故障-哪一个组-哪个单位);自动搜索控制器及单元执行器件;将一些独立的单元构成 组(回路)方法非常简单;所有的个体单元可以在某一时刻自动的选择一个场景或全部自动进入调光模式;系统可以智能的分配和管理组及单元的地址和场景;调光 的速度可以根据实际需要自动调整;个体单元的类型可以自动识别;无需另加开关来控制受控单元的ON/OFF所带来的整个系统的微功耗.0-10V的灯光 控制系统相比具有功能更强,成本更低等优点。对于一般的用途选用命令的子集已能完成所需的控制。下表为JK实际使用的DALI命令子集:

 

JK    无极灯 灯具  有效 DALI 命令列表 (下表AAAAAA 的范围为063

 

Address

Command / Data

 Command Name

命令附加说明

SLAVE 返回值

单元命令

0AAAAAA0

00XXXXXX

DIRECT ARC POWER CONTROL

单元功率控制(00XXXXXX,有效设定范围为30H 100        0EH 30%

00001011

0AAAAAA1

00000000

OFF

单元关灯

00000000

0AAAAAA1

00001000

ON

单元开灯

00001000

0AAAAAA1

10100000

QUERY ACTUAL LEVEL

单元查询整流器状态

为灯具点灯功率(00XXXXXX,有效范围为30H 100     0EH 30%

广播命令

11111111

00000000

BROADCAST OFF

广播关灯 (关闭所有灯)

No

11111111

00001000

BROADCAST ON

广播开灯 (开启所有灯)

No

11111110

00XXXXXX

BROADCAST DIM

 广播设置灯具亮度命令 00XXXXXX,有效设定范围为30H 100 0EH 30%

No

单元地址修改命令

1011 0111

 0AAA AAA1

Program Short Address

修改单元地址命令  (仅当灯具外部接插件短接时有效)

No

 

2.3采用遥控调光remoteRolling Code 滚动码控制器实现的遥控调光):

采用315MHZ遥控调光(采用Rolling Code 滚动码控制器实现的遥控调光)该方法是利用了与汽车遥控门锁相类似的方式传递调光控制信号,JK无极灯系统的遥控调光采用4个功能键完成开灯,关灯,调亮,调暗 4种基本功能。

每台灯具可以设置独立的单元地址,可以实现控制器与被控灯具的11,以及1对多的控制。

 

2.4采用 timer 定时器调光(灯具内置定时器调光,多用于道路照明)

   采用延时型定时器来完成定时降功率,如今单片机技术的成熟和成本的大幅降低,已完全具备用来完成这一工作,上电点灯一段时间后自动降功率至50%,且延时时间和降功率点灯时间可以由用户自行设定,在城市道路照明应用可以获得良好的节能效果。

 

2,5采用移动传感器motion sensor 调光(用于仓库,车库等场合)

采用移动传感器motion sensor 调光,一般采用传感器内的开关信号进行控制,来完成单点调光(100%――50%)(用于仓库,车库等场合)

其他可用的信号传递方式如:电力线载波通信,Zigbee 无线通信 等,都可用来完成调光信号的传递。

3.调光的执行部分

完成如何传递调光信号,仅告诉电子镇流器的需要点灯的功率百分比,以及开关灯等信号。至于如何实现调光还要依赖于调光的执行部分。

调光的执行方式即采用何种方式来调光(如半桥输出级总线电压调压调光,半桥输出级调频调光,半桥输出级工作周期占空比调光等)以下就这部分的内容做一分析说明:

 

3.1 半桥输出级总线 DC电压调节方式调光:

   无电极荧光灯的电子镇流器(也可以称为高频发生器)的输出级电路一般采用半桥拓扑,采用调整半桥的供电电压来调整灯的功率。

 

JK无电极荧光灯调光技术及其应用-1.jpg

 

 

   从上述图表可以看出,以半桥输出级总线 DC电压调节方式调光的效果还较理想,DC总线电压从441V下调至146V,可以获得系统功率从100% 下降到44.4%的调光效果,且功率耦合器的磁芯损耗的增还能控制在1.5的平方2.25倍内,光效每瓦流明还能基本保持不变。但电路控制结构较复杂,如单独增加的BUCK控制降压级,或采用降压和PFC结合的变换级,如SEPIC等。

 

3.2半桥输出级工作频率调节方式调光:

   该方式与3.1提到的电路结构相同,其输出级电路也采用半桥拓扑,所不同的是采用调整半桥的工作频率来调整无电极荧光灯的功率。通过调整工作频率来控制限流电感(CHOKE)的感抗 ωL,进而实现调光。该方式电路简单,易于实现,但存在频率较大范围变化时半桥MOFET的软开关较难实现,且输出级的谐振参数不易适应频率的改变。

 

3.3工作周期PWM占空比变化的调光方式

该方式与3.1提到的电路结构相同,其输出级电路也采用半桥拓扑,所不同的是采用调整半桥的间断工作的占空比来调整无电极荧光灯的功率。例如以1ms为控制周期半桥电路0.5ms工作 0.5ms停止,即可获得50%的调光。

JK无电极荧光灯调光技术及其应用-3.jpg

 

1KHZ斩波(CHOP MODE)调光方式,工作的灯两端的电压基本保持不变,以1ms为单位仅40us为高电压,磁芯由于调光而引起的损耗的增加并不大,故调光效率较高。

4.  JK ST400W 无极灯调光性能介绍

  无极灯调光工作时的电学性能说明见下表:


JK无电极荧光灯调光技术及其应用-4.jpg

 

 

 

 

JK ST400W  调光 电性能,光学性能 见下表:

Dim input

输入功率调光%

电源输入功率变化的百分比

电源输入功率

光通量

系统光效率

相关色温

显色指数

(DCV)

%

W

Lm

Lm/W

(K)

(CRI)

1.5

23.2

23.2

97.6

5803

59.5

4885

81.8

2

26.9

26.9

113.5

7135

62.9

4906

81.4

2.4

30.5

30.5

128.5

8598

66.9

4930

81.1

3

37.4

37.4

157.6

11424

72.5

4955

80.2

3.5

42.8

42.8

180.3

13516

75.0

4995

80.2

4

47.4

47.4

200.0

15304

76.5

5000

80.1

4.5

53.5

53.5

225.6

17552

77.8

5010

80.0

5

60.7

60.7

256.0

20318

79.4

5033

79.4

5.5

66.2

66.2

279.2

22492

80.6

5043

79.1

6

72.0

72.0

303.4

24586

81.0

5041

78.9

6.5

77.7

77.7

327.5

26730

81.6

5041

78.9

7

83.3

83.3

351.1

28905

82.3

5042

78.7

7.5

88.7

88.7

373.8

30797

82.4

5048

78.5

8.1

95.4

95.4

402.1

33268

82.7

5054

78.4

8.5

99.8

99.8

420.8

34889

82.9

5055

78.3

8.7

99.9

99.9

421.0

35766

85.0

5048

78.3

9

100.0

100.0

421.3

36307

86.2

5055

78.2

10

100.0

100.0

421.5

36195

85.9

5054

78.0

 

从以上图表可以看出无电极荧光灯的调光性能已经满足调光状态下,光效基本不变,色温和显色指数也仅仅发生了很少的改变,确能满足应用需求。

 

5DALI 调光接口及隧道照明应用实例

    位于福建省福州市至泉州的雷打石隧道总长近1KM,布置了近354套无电极荧光灯作为隧道照明,分为入口段,过渡1,过渡2,基本段,出口段

JK TL8-400E WJY400

48

JK TL8-250E  WJY250

70

JK TL8-200E  WJY200

61

JK TL8-150E  WJY150

175

 

系统采用两级控制,上层以光纤通信并采用100Base总线,下层采用DALI总线进行调光控制,使用隧道外探头进行洞外亮度检测,采用预置的算法进行隧道内的调光,经两年的运行证明以达到了,节能30%的设计要求。

 JK无电极荧光灯调光技术及其应用-5.jpg

 

 

 

6.结语:

   本文就无电极荧光灯的各种调光接口以及调光控制方式的特性进行分析对比,以图表实例介绍了各种调光方式的特性,以其加深对无电极荧光灯调光特性的认识。并使之能普及应用。通过本文的分析可以证实无电极荧光灯的优良的调光特性是传统的HID灯所无法比拟的。

 

 

附:福建源光亚明电器有限公司介绍:

创立于1984年的源光亚明,主要业务是研发创新光源及其配套电器。在无极灯照明领域,源光亚明成果卓著,成为集无极灯产品研发、生产制造、销售、服务为一体的领军企业,产品涵盖工业照明、商业照明、道路照明、隧道照明、户外照明、公共场所照明等多个领域。

 

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