无极荧光灯研究进展[2]

　　三、无极荧光灯的基本原理

　　(一)无极荧光灯的等效变压器模型

　　由Piejak R B和Godyak V A等人提出的变压器模型是研究无极荧光灯的一个重要方法。该模型把放电看成是仅有一匝线圈的次级侧，这样可把系统等效成互感电路，以简化分析。但上述模型是在高频下(几兆赫兹)成立，2004年Eugen Statnic将变压器模型的应用范围推广到了几百千赫兹。通过测量初级侧的电压、电流等参数，利用变压器模型逐步求出次级侧的相关参数，进而导出系统的等效阻抗和感抗;然后通过测量值直接求出系统的等效感抗和感抗，并和模型得到的结果进行对比，从而验证模型的正确性。实验采用磁芯外置的矩形无极荧光灯，工作频率为250kHZ。根据变压器模型，等效电路见图4。

　　图4 无极灯等效电路

　　图5 不同功率下无极灯的等效阻抗

　　图中V1、I1表示初级侧电压和电流，Ls1表示漏电感，R0表示线圈电阻，L0为线圈电感，V2’、I2’分别为次级侧电压、电流折合到电路中的等效参量，即V2’=NV2, I2’=I2/N, 同理，Z2’即为次级侧折合阻抗，Z2’=N2Z2，N为线圈匝数。根据模型求出的整个电路的等效阻抗为Req,等效感抗为Xeq;而通过初级侧V1、I1以及二者的相位Φ求出的等效阻抗为Req*，等效感抗为Xeq*，其中，

(1)

　　实验得到了不同功率下的等效阻抗，结果见图5。

　　从图可以知道，模型求出的等效阻抗(Req，Xeq)和通过初级侧直接计算出的阻抗(Req*，Xeq*)吻合得非常一致，说明了变压器模型推广到低频段(几百千赫兹)的正确性。Eugene等人还把变压器模型推广到了内置式无极荧光灯，其灯泡的示意图见图6：

　　图6 内置式无极灯结构简图

　　如果测出线圈及铁芯上的功率损耗，就可以利用模型求出耦合系数k。对于内置式无极荧光灯，由于无法直接测量次级侧等离子体的电流、电压等参量，因此该模型对于求解能量耦合效率，了解放电情况有很大的帮助。

　　(二) 无极荧光灯调光

　　无极荧光灯的调光目前是一个研究热点。普通无极荧光灯电子镇流器的原理图见图7，一般通过改变VDC实现调压，改变两个MOS管交替导通的频率实现变频。

　　图7 普通无极灯电子镇流器原理图

　　Tae-Eun Jang最近研究了通过调压和变频两种方式实现无极荧光灯调光时，光源的光电特性变化情况。实验采用100W ENDURA型无极荧光灯，发现采用调压方式，灯功率随电压增加近似线性增大;而采用变频方式，灯功率随频率非线性变化(如图8所示)。因此，当严格要求调光过程中功率线性变化的情况下，宜采取调压方式。但是，采用调压法调光时，调压范围和稳定性都受到了芯片的限制，而且系统的稳定性也不如调频法。

　　图8 两种调光方式的比较

　　三、无极荧光灯的最新进展

　　(一)线圈绕置式无极荧光灯

　　Oleg Popov提出了一种新型无极荧光灯。他指出，在1-15MHZ的工作频率下，内置式无极荧光灯可以不用铁芯，而采用直接缠绕线圈的方式。这样做可以消除铁芯的功率损耗，从而提高放电效率。

　　实验所用灯泡和图6相似，内充Ar、Kr混合气体，利用变压器模型研究了不同的线圈匝数，不同放电频率、放电功率下等离子体等效参数。实验首先研究了灯的启动特性，发现启动电压基本不随频率变化;启动电流随频率的增大而减小。当灯正常工作时，测量了放电功率为60W时，光效随频率的变化情况，见图9。由图可知，如果选择合适的工作频率，合适的线圈匝数，线圈绕置式无极荧光灯可以达到很高的光效。例如，当线圈匝数N=6，f=10MHz时，光效为88lm/W。这甚至超过了相同功率下有铁芯的无极荧光灯的放电效率。

　　图9 光效与能量转化效率随频率变化关系