3 照明节能原理及一般电路构成

　　3 .1 照明电源的节能原理

　　3.1.1 节能电源设计的理论根据

　　由上面的讨论可以看出，节能应该是第一位的。只要实现了节能效果，其它问题就迎刃而解。图3示出了两种灯具照度、功耗、寿命与电压的关系曲线。(a)是作为热辐射光源的白炽灯， (b)是属于气体放电光源的荧光灯。纵轴是功耗和照度的百分数以及寿命时间，横轴是施加在灯两端的工作电压

　　
　　图3 两种灯具照度、功耗、寿命与电压的关系曲线

　　百分比。由图中可以看出，当施加在灯上的电压为额定值的90%-100%时，照度变化并不明显，但随着功耗的增加，寿命却急剧下降。电压在93%以下时，功耗明显减小，白炽灯的照度基本不变，气体灯略有减小，但寿命要长得多。节能电源就根据这个原理来控制灯两端的电压，如图4所示，将灯的工作点控制在正常工作点a的下方b，但又在靠近转折点的c以上，这样做的目的是防止由于突然的因素而导致灯瞬间熄灭，这将使在几分钟“再启动时间”的间隔内一片黑暗。

　　3 .2 照明节能电源的构成要求

　　根据上面的讨论，节能电源必须具备三个主要功能：正常启动、工作时稳压和无间隙调压。图4就是节能调整的理论示意曲线。

　
　　图4 节能调整理论示意曲线

　　1)气体放电灯的启动

　　气体放电灯的正常启动是指灯在点亮之前，一直是市电直接供电。气体放电灯经预热后在额定电压Uin下起辉，起辉后节能电源才开始将电压调整到所要求的工作点，如图中对应b点的电压ULb和电流Iob。这时就有一部分多余的电压DU=- Uin -ULb不被气体放电灯利用，换言之，气体放电灯起辉后的工作电压要比市电电源的额定电压低得多。而多余的那部分电压能量就消耗到无用的地方去了，如果能把这部分能量节约下来，就达到了节能的目的。因此，节能调整就是对这部分能量而言。

　　2)稳压

　　稳压的目的在于稳定灯的功耗，延长它的使用寿命。图中b点就是正常工作点，当输入电压变动时，调压机构应调整加到灯亮端的电压既不能低于对应c点的电压ULc和电流Ioc，又不能高于对应a点的电压和电流。这个电压和电流的范围值是根据实际情况认为设定的，超出这个范围就有耗能大或熄灯的危险。调整电压稳压的执行机构有很多，性能最好的方法莫过于晶体管化的交流稳压器。但一般的交流稳压器无对应的调整功能，本来设备本身价格就高，再加上这些附加功能，造价就会更高;而且目前性能良好的上百千伏安的交流稳压器本来就少见，再加上这些环节就更困难。因此，照明节能电源是另一种性质的电源，所以它的调压方式也有所不同，但无论如何也应该是基本无间隙调压。 因为气体放电灯有一个特性，如图4所示，当输入电压低于ULc时，如果再低一点，灯就会熄灭。熄灭后的灯即使在额定电压下也需在3min后重新起辉。

　　3 .3 照明节能电源的一般调整电路

　　3.3.1 固定降压法

　　从上面的讨论可以看出，降低照明装置的输入电压就可以节能。如图5所示就是这种方法的电原

　　图5 固定降压法电原理图

　　理图。可以看出这种方法简单且投资少，只要有一个降压变压器就可以了。这种方法适合于市电电压一直很高而且比较稳定的场合，比如电厂和变电站或附近区域。只要保证灯具的起辉电压就可以了。它的

　　缺点是仅适于电压高且稳定的环境，一旦遇到市电下降情况，就会导致部分或全部灯有熄灭的危险;而且输入输出不隔离，不能解决起辉电压不一致的问题。这种方案有的地方也正在使用，比如有的高尔夫球场已应用多时。

　　3.3.2 一档自动降压法

　　鉴于上述结构的不足之处，于是就增加了一个继电器，如图6所示。这种方法是，在开始为灯具送电时，用的是市电电压。当气体放电灯在预热启动点亮后，转换开关就由市电电压将灯切换到低值的绕组抽头上，使点亮的灯工作在低压区。如果测量电路得当，还可以在市电电压降低时使灯又被切换到市电电压上。比前者的照明可靠性程度提高了。

　　图6 一档自动降压法电原理图

　　这种方法的缺点仍然是输入输出不隔离，不能解决起辉电压不一致的问题。另外，一般不易做到大功率。因为，在大功率时，一般的继电器由于其容量小就不能满足要求，必须改用接触器，而接触器的转换时间较长，有可能导致灯光熄灭。这种方法在有的小隧道中有使用，有一定的效果。

　　3.3.3 “无间隙调压”--多档电子调压法

　　这里将“无间隙调压”这个词加上了一个引号，意思是说不一定非无间隙调压不可，因为在调压时放电灯的启动器电感还储存着一部分能量，在它的作用下可维持灯电压暂时不变，如果这部分能量能坚持到下一个调整电平出现时，就达到了不熄灯的目的。

　　1) 静态开关抽头调节式电源电路

　　只有用可控硅之类的半导体器件构成的静态开关才有可能实现无间隙调压，如图7所示就是一种静态开关抽头调节式电源电路。在这个电路中，每一个变压器输出抽头对应一个静态开关。从理论上说，比如原来的工作电压为U2，静态开关S2开通，当输入电压降低

　　图7 静态开关抽头调节式电源电路

　　到一定值时，就需将电压由U2 上升到U1。如何切换呢？为了防止两只静态开关的共同导通和切换的无间隙，一般都采取电流过0 触发发。但由于具有大电感量的镇流器的存在，使电压和电流波形不能同时过0，它们之间有一个很大的相位差q ，如图8 所示。根据上面的例子，如果电流过0时切换，即触发静态开关S1，同时撤消S2的触发信号，但由于可控硅的关断时间有一个拖尾(约30ms)，因此，在S2 还没来的及关断时，就在压差DU = U1- U2 的作用下与S1 形成回路，由于回路电阻接近于0，所以电流非常大，以致将静态开关烧毁。如果等到S2完全截止后再触发S1，这个时间又不易控制，所以至今这种方案尚未成功地推出。

　　图8 电感性负载端的电压电流关系图

　　这种方法的优点是自动化程度高、调节精度高、速度快;缺点是电路复杂、静态开关容易烧毁、输入输出不隔离、不能解决起辉电压不一致的问题。

　　2) 用接触器作为执行开关的电路

　　单元在LUX-III上获得了成功，即在图4-5的静态开关位置上用接触器代替，这倒是消除了共同导通的危险，但由于接触器的动作时间太长，加长了切换的间隔时间，如不采取特殊措施，甚至有可能导致灯灭。一般说，任何事情都不是绝对的，气体灯也并不是一定需要无间隙切换，如上所述，因为气体灯也有一定的惯性时间，只要切换时间小于它的惯性，就不会使灯熄灭。小功率接触器的动作时间虽然短一些，但由于小功率气体灯的惯性也小，所以也无法适应。但可以用一种称为填充式切换的方法来弥补，图9示出了使用这种方法的时间关系图。

　　图9 填充式切换时间关系图

　　由图中可以看出，假如用接触器由U2 切换到U1 的时间为t，而这个时间有可能导致气体灯熄灭。为了解决这个问题，可以这样作：在对应U2 的接触器断开后而对应U1 的接触器尚未闭合前，有一个填补接触器将一个固定电压U0适时地填入这个时间空间。时间要这样控制：这个电压的宽度一定要小于由U2 切换到U1 的时间t。这样一来就实现了对气体灯而言的无间隙切换。这个技术难点的解决就赋予了照明节能电源一定的生命力。

　　*出电压的精度

　　根据现场工作电压的状况不同，就需要选择不同的精度。由图4的节能调整理论曲线可以看出，如果不需要将节能效果限制的太精确，就将工作电选在a点，在这里允许电压变动的范围要大一些;如果需要将节能效果限制在一定的精确度之内，就将工作电选在c点，由于靠近了灯的起辉/熄灭转折点，电压的精度就必须非常高，否则，电压稍有变动，就会导致灯熄灭。

　　因此，作为智能化程度比较高的电源来说，精度应当是可调的。为此目的，电源变压器的抽头就不应该是平均分配的。各接触器的动作也不是简单的顺序串联工作，换言之，是在软件的控制下组合工作的，其最高精度范围可作到1V。

　　*工作模式

　　比如LUX-III就有三个工作模式：恒压式、分段式和和外控调光式。

　　j 恒压式 这是用得最多的一种方式。根据灯具的和电网电压的情况，将当前灯的工作电压式定在某一值，比如将40W荧光灯的工作电压设置在180V，并由机器记忆下来。就意味着所有被该电源供电的荧光灯启动后，其输入电压就被稳定在180左右。这个设置在被人为更改前，就一直稳定在这个状态。

　　k 分段式 这种方式的特点是，它将一天24h划分为6个时段，根据用户对一天中对灯光的要求情况来设置工作电压，以控制每个时段的不同亮度。比如一个采用日光灯一天24h照明的大商场，在业务繁忙的时段，可将工作电压调整到190V~200V，业务轻闲时(比如22点以后)，就可将电压调整到180V以下。6个时段的时间长度不一定一样，电压和时间可视实际情况而定。

　　③外控调光式 可通过电源上的预留接口，将一只光传感器(光敏电阻)引导所需的地方，这是灯光的亮度就可以按照光敏电阻的反馈信号进行调整。

　　3)接触器作为执行开关电路不足

　　接触器调压法虽然解决了前几种的一些不足之处，但也带来了一些不足：

　　*控制电路复杂。 为了解决大功率接触器转换时间长的问题，引入了填充电压进行补偿，为了使调压精度高，就将抽头按1V，2V，4V，8V，16V和32V等排列，这就导致了控制电路的复杂化。

　　*设备笨重。 为了使调压精度高，按照抽头的排列典雅和填充电压一共采用了7只接触器。笨重的变压器加上笨重的接触器，设备的体积重量都很大。从而也提高了造价。

　　*工作时噪声大。接触器做变压器抽头转换时响声很大，干扰环境。

　　*输入输出干扰不隔离。

　　*输入功率因数不高。

　　*不能解决气体放电灯起辉电压不一致的问题。