一種新穎照明方式所需的匹配光源概述

1、一種新穎照明方式所需的匹配光源成都電子技術支持工程師： 鄭國全綿陽久碩磁材高級工程師： 龐金榮一、概述目前不管是在家庭、商場、會場、辦公區(qū)、賓館，一些人喜歡在頂部上方安裝數(shù) 量龐大的桶燈，桶燈里面裝配有小型節(jié)能燈。由于這種桶燈相互之間距離較近，不到 0.5米就設置一個，人們抬頭晃眼一望，就如看到房頂上似漫天繁星一般，所以形象的 把這種照明方式稱之為“滿天星”這種照明方式正在到處流行，它代表了一種生活方式， 一種時尚，也預示著一種未來的照明理念。“滿天星”照明方式的好處是：光線照射比較均勻，人眼非常舒適，比起獨自一盞大 功率照明燈來既好看又不會對人眼造成刺激傷害，整個光照場所給人溫馨、甜蜜、陶

2、醉并極其舒適的感覺。二、“滿天星”的匹配光源現(xiàn)在桶燈的光源大多是選擇小瓦數(shù)的細管徑螺旋節(jié)能燈，相較原來使用白熾燈、 氖燈，現(xiàn)在選用細管徑螺旋節(jié)能燈無疑是一個巨大的進步。但是節(jié)能燈還不是這種照 明方式所需光源的最佳選擇，一種非常適宜“滿天星”照明方式的匹配光源-新型的柱狀 一體化高頻無極燈被研制成功，它將取代這種細管徑的螺旋節(jié)能燈，成為這種照明方 式所需的最適宜的匹配光源。三、新型光源的優(yōu)勢新型的柱狀一體化高頻無極燈比起細管徑的螺旋節(jié)能燈來，有哪些優(yōu)點呢？ 壽命更長。在很多地方，因為屋頂比較高，每次維修調換燈管都是一個非常艱 難的工作，所以光源使用壽命的延長對減少人工維修成本至關重要。一般而言，

3、節(jié)能燈的使用壽命很難超過3000小時，在桶燈內工作更是不利于節(jié)能燈的壽命。 而新研發(fā) 的這種新型的柱狀一體化高頻無極燈輕而易舉的能達到20000小時以上。 更加節(jié)能。新型的柱狀一體化高頻無極燈因為光效能夠達到80lm/W以上，所以節(jié)能效果更加明顯。細管徑的螺旋節(jié)能燈受限于它的結構和加工工藝因素，光效都在60lm/W內。實際照度測試證明：一只10W的新型柱狀一體化高頻無極燈其照度與 15W20W的細管徑螺旋節(jié)能燈的照度相當。 光衰小。由于新型的柱狀一體化高頻無極燈內部沒有燈絲電極，它不會像節(jié)能 燈一樣，管內燈絲在點亮時會發(fā)生濺射脫落而污染熒光粉，造成節(jié)能燈的黑管黑頭， 快速的使節(jié)能燈出現(xiàn)光衰過早

4、的被終結壽命。根據(jù)嚴格的壽命試驗測定，無極燈能夠 在工作20000小時以后，仍然能良好的保持 85%以上的光照度。 具有更強的適用性。5W20W的新型柱狀一體化高頻無極燈燈體外徑是 22mm，很纖細，外形特別美觀。25W45W的新型柱狀一體化高頻無極燈燈體外徑也僅是35mm，非常適合在桶燈中使用；其外形如圖1所示，這就是新型柱狀一體化 高頻無極燈的外形圖。圖1中最上面是E27的螺口接頭，便于與220V的市電連接； 塑膠件內部是安裝電子元器件的地方，塑膠件的最上方有6個散熱孔，便于燈管和電路上產生的熱量向外散發(fā)。塑膠件的外表面上噴涂有導電漆，有利于改善整燈的EMC指標。燈體外徑22mm，長度是8

5、0mm長。發(fā)射電磁波的耦合器固定在燈體之中。對比球形無極燈，它的最小泡體外徑都在56mm以上，如圖2所示，這樣大的尺寸 無法安裝進一些桶燈燈具內，當然就限制了球泡型無極燈的使用場合。圖1、新型柱狀一體化無極燈的外形圖2、球泡型和柱狀無極燈的外形對比。 更好的電氣性能和更高的技術指標。采用最新的設計理念和最新性能優(yōu)異的新 型元器件以及獨創(chuàng)性的外觀設計，能有效阻斷 2.65MHz電磁波通過輻射、傳導產生的 對外電磁干擾，同時能降低整燈的溫度，可使無極燈穩(wěn)定長久的運行工作，真正實現(xiàn) 我們一直在追求的高節(jié)能長壽命照明燈夢想。 較低的銷售價格。為了和細管徑的螺旋節(jié)能燈進行PK，有意對新型柱狀一體化高頻無

6、極燈實行低利潤策略，用良好的質量、低廉的售價來爭奪這個廣闊的市場，要 求這二者在相同燈功率時，價格差不超過20元，如果幻想謀取單件的高額利潤最后結 果就是在這個極有前途的市場上毀掉自已。為此采取了一些特別措施：1 ）對燈內每一個元器件及粘劑進行篩選分析，選用更合適更廉價的替代物或者取消掉。比如：不 用硅橡膠做粘接劑，成本至少可以節(jié)省0.64.9元；2）建立自己的銷售渠道；3）依靠大批量和高效率的產業(yè)化生產，盡量多的采用機械化、標準化、專業(yè)化的生產方 式降低生產成本提高工效；4）摒棄已經(jīng)過時陳舊的認識，用全新的理論來重新指導一體化高頻無極燈的設計工作。例如用新型優(yōu)異的磁材來替代輸出扼流圈一直采用

7、 的鐵粉芯磁材，不但能降低一半的扼流圈采購成本，也使電路的電氣性能得到提升；用單面印制電路板不用雙面孔化印制電路板，這使得成本有 1.3元的降低。 5）關 鍵的功率器件一場效應管，選用4N60、252封裝的，理由是：252封裝可直接焊接在印制板銅箔上，散熱性能好；252封裝比較小巧，有益于整燈的小型化；4N60適合多 個不同燈功率使用，便于采購備貨；252封裝比TO-220F的要便宜0.1元/支。 具備更好的運行穩(wěn)定性和可靠性。新型柱狀一體化高頻無極燈的外形呈現(xiàn)圓柱 狀，采用2.65MHz的工作頻率，目前這個工作頻率的電路比較成熟，是經(jīng)國際電工組 織批準的且也是符合我國國家標準的專用無極燈工作

8、頻率。為了最大程度發(fā)揮無極燈 優(yōu)勢，還在積極籌備生產更高工作頻率的新型柱狀一體化射頻無極燈。下面展示的是 一根試制的玻管樣品，22mm*90mm ,中間是12mm的全空管，為了能夠看得清楚， 玻管的內壁沒有噴涂熒光粉。為什么采用這種形狀的玻管來做照明燈？道理很簡單： 就是為了提高光源的光效，增強燈管的散熱能力。新型柱狀一體化無極燈的玻殼如下面圖 3所示：四、新型柱狀一體化無極燈結構特點分析怎么來獲得高光效并提高燈管的散熱能力呢？我們采取了幾個重要措施: 用柱形燈管，如下面圖4所示:一從圖中可以看到，對右側的新型柱狀一體化高頻無極燈來說，它的燈管外形是圓 柱形的，中間是空管上下通透，內設置有磁管

9、和線圈構成的發(fā)射天線，一些人稱它為 耦合器.這個發(fā)射天線的特點是和外管壁平行貼近，發(fā)射天線發(fā)射出來的電磁波，能夠立 即激勵汞齊（金屬汞）產生273.5nm的紫外光，這些紫外光也會以最短的路徑與外管 壁上的熒光粉結合，生成可見光。而左側球泡型無極燈可以看到，耦合器離外管壁的 距離較遠且為不均等，紫外光產生了以后，有些光子就可能無法立即和外管壁上的熒 光粉結合發(fā)生反應，紫外光子如果不能在一個限定的時間內和熒光粉結合，紫外光就 會自行湮滅，這些紫外光也就被白白浪費掉了。 以左側球泡型無極燈為例，發(fā)射電磁波的耦合器是被安置在半通的凹腔之 中，這里會產生大量的熱量，這些熱量是怎么產生來的？來自兩方面：a

10、、耦合器磁性材料的損耗發(fā)熱，損耗越大熱量越多；b、是凹腔泡體壁內熒光粉在發(fā)熱。熒光粉在發(fā)光的 同時必然伴隨著發(fā)熱，問題是球泡型無極燈凹腔體內熒光粉的發(fā)光發(fā)熱是既無必要又 在壞事。它發(fā)射的光線被封閉在凹腔內多數(shù)是白白被浪費掉，而產生的熱量卻是在危 害整個燈系統(tǒng)，也消耗了我們寶貴的電磁波功率拉低了光效指標。麻煩的是還不能去 掉凹腔體內的熒光粉，試驗證明，去掉這一層熒光粉后，測試光效反而更低。確實讓 人很奇怪。通過仔細觀察分析后發(fā)現(xiàn)，這層熒光粉在這里起到了一個特殊的作用，就 是阻擋和反射由無極燈泡面產生的光線和泡體內金屬汞激勵出的紫外光線。如果沒有 凹腔內壁這層熒光粉的反射阻擋作用，泡體內產生的紫外

11、光線和凹腔內壁上產生的可 見光線會在整個泡體內雜亂散射，紫外光線時間稍長則會自行湮滅，光效的損失更大。 無極燈系統(tǒng)非常忌諱高熱，這是因為它使用了磁性材料，磁材具有一個重要的物理特 性-居里效應：當磁材的溫度上升到一個特定的溫度點時，磁材會突然的失去磁性，這 個點就叫居里溫度點。每個磁材都有自己的居里溫度點，很多系統(tǒng)是不允許磁材溫度 超過居里溫度點的，因為那會帶來安全問題。在無極燈系統(tǒng)，為了降低磁材的溫度， 我們不得不采用大量貴重的有色金屬來給磁材導熱散熱，以保證它的溫度不會達到居 里點，這就使無極燈的成本上漲了不少。所以如何低成本的減少燈系統(tǒng)的熱量是無極 燈技術中最需要高度關注的要點之一。 作

12、為對照方，圖中右側的新型柱狀一體化高頻無極燈的中間空腔不似球泡型 無極燈那樣是盲通形狀，而是直管全通的，這就有利腔體內耦合器的通風散熱。同時， 在這個直通的內腔體上，一個重要的熱源沒有了：是因為內腔體的內側面上沒有噴涂 熒光粉。在內腔體的外側，除了發(fā)射線圈那一截，其它部分都緊貼上一層錫箔紙。這 一層錫箔紙在這里能夠起到4個作用：a、反射紫外光線，讓玻管內產生的紫外光全部 去向玻殼內壁上的熒光粉，以便紫外光和熒光粉充分反應后盡可能多的生成可見光； b、 反射玻殼內壁上熒光粉生成的可見光使它能更多更快的透過玻殼出去，以此提高燈管 的光通量，當然也就能提高燈管的光效；c、反射耦合器發(fā)射的電磁波，使它

13、能量更加 集中的去激勵汞離子產生更多的紫外光， 又有利于EMI電磁兼容指標；d、有利于內腔 體處熱量的吸收散發(fā)。 特殊制作的鐵氧體磁材：在這里使用的鐵氧體磁材除材料是新型的，形狀也 是有考究的。我們特別使用管狀，管狀磁材的內管道就形成了通風散熱的通道，對改善 燈系統(tǒng)的散熱是好處多多。眾所周知：對流散熱的效率要高于傳導散熱的效率，傳導 散熱需要用到大量的貴金屬材料，對流散熱基本上不需要成本。直通的燈管內腔體在 這里巧妙應用了“物理學”中的一個著名現(xiàn)象：煙囪效應，首先使燈管的腔體內部形成直 通形狀也就使空氣對流有了通道，燈管工作以后在通道內就有了溫差，這個溫差越大 加之較為狹窄的通道，形成的煙囪效

14、應就越強烈，對流散熱的效果就更好。 特別設計制作的高頻電源電路：電路設計極具特色，所有元件共24個是目前為止國內市場上在銷售的大小無極燈電源電路使用器件最少的一款，但是電氣指標經(jīng)嚴 格測試證明屬優(yōu)秀之列，后面我們將用專門章節(jié)對電路進行介紹。特別要提到的是， 所有國內市場上小于40W的無極燈，在其輸入端都是無一例外的省卻了抗 EMI濾波器, 這是有問題的。我們知道，電磁波的干擾通路有兩條，一條是輻射干擾，一條是傳導 干擾，隨著工作頻率的提高，這兩種干擾會越來越厲害，這些燈都沒有采取任何抗兩 種干擾的措施，這樣的產品不符合國家技術標準要求，嚴格講都是不合格產品。技術討論：QQ : 89345401

15、2 電話郵箱： 五、至關重要的鐵氧體磁材在新型柱狀一體化高頻無極燈的研制過程中，因為使用的是2.65MHz的工作頻率, 這個頻率在射頻段是較低的，所以必須要應用到鐵氧體磁材，該頻率波長為113米，如果不用鐵氧體磁材，發(fā)射線圈會因為長度過長根本無法裝進燈內，同時線太長造成 線圈的電阻值較高，電磁波功率在上面損耗過大整燈就不能正常工作。故鐵氧體磁材 的研制在這次整燈開發(fā)工作中占據(jù)了非常重要的地位。試驗和各種測試數(shù)據(jù)告訴我們：在這種頻率下工作的無極燈必須要使用功率鐵氧體磁材，而磁材的性能就決定了無極 燈整燈性能的優(yōu)劣。對鐵氧體功率磁材的技術

16、指標提出了明確要求：a、磁材的功耗盡可能小，磁材的電阻率p要盡可能高；b、 磁材的居里溫度點越高越好，磁材的飽和磁通密度Bs要高；c、磁材的功耗、電感量應具有負溫度系數(shù)；d、磁材的磁導率希望盡可能高；磁材選用鎳鋅鐵氧體作為基材，磁材內滲入不同的添加劑就可以讓磁材在保持它 基本特性不變情況下具有不同的電氣性能，其中一種新型磁材頻率變化特性如圖在工作頻率2.4MHz以下，電流是呈現(xiàn)不斷上升狀態(tài)，在 2.4MHz以后，磁材的 電流卻呈現(xiàn)下降趨勢，在2.65MHz工作頻率的條件下這個特性正是我們需要的。這種 磁材具有很好的電感量、功耗的負溫度特性，現(xiàn)在的曲線特性已經(jīng)能夠滿足我們的使 用要求。類似幾種新

17、型磁材的特性都有我國唯一具有獨立權威性的磁材檢測機構：信息產 業(yè)部磁性產品質量監(jiān)督檢驗中心所出具的檢測報告。這里因受篇幅限制，僅列出其中 的一張圖7供參考，需要的可以自己到四川省綿陽久碩磁材科技公司網(wǎng)站查詢。編號卻旳4報昔取送時何;產品呂稱型號規(guī)格 栓港類別 生產單位類托單位縮陽久幀屈材號1撞/嚴盤呵檢驗報告財9M|Qx薛六、電路特點新型柱狀一體化高頻無極燈的電路具有哪些特點呢？1、無源PFC電路為什么需要功率因數(shù)校正（PFC）？無極燈高頻電源是通過整流電路與市電網(wǎng)絡相連接，圖8即是基本整流電路，它的輸入是由橋式整流器和濾波電容器構成。由于大容量濾波電容器的存在，使 得整流二極管的導通角變得很

18、窄，僅在交流輸入電壓的峰值才能導通，如圖9所示。這種電源的功率因數(shù)僅 0.5 ,如果這種電源大量使用， 會對電網(wǎng)造成極大危害。 那么形成這種情況的原因有專門討論，這里不做贅述。VI亠lp.4QVC1TAEM匸圖8.仝液幣流施刖電爪波形圖9.為了提高功率因數(shù)并限制諧波電流對電網(wǎng)的污染，我們有必要在電網(wǎng)和負載之間 插入校正環(huán)節(jié)，使電網(wǎng)和負載二者有效得以隔離。這個環(huán)節(jié)就是功率因數(shù)校正電路。 像高頻無極一體燈功率比較小，考慮到成本等因素最終決定在燈的電源電路中應用無 源填谷式（也有稱為逐流式）PFC網(wǎng)絡。改進型無源填谷式PFC電路an*EM其電路原理如圖10所示。D6-w負載圖10無源PFC是通過一些

19、無源器件，如電感、電容等的儲能特性來延長整流部分二極 管的導通時間，使流過負載的電流發(fā)生畸變的程度得以減小。電路的特點是采用對電 容“串充并放”即緩充快放模式。這種無源PFC網(wǎng)絡可將電路的功率因數(shù)提高到 0.9以 上，電源總諧波失真度從80%以上降低到30%以下，只是它的電流波峰系數(shù)還比較差， 這種較大波形畸變的電流對有極熒光燈的燈絲損害是相當大的，但是對沒有電極的無 極燈來說不會影響燈的壽命。這種電路結構簡單，不需要大體積笨重的電感器件而易 于實現(xiàn)，對功率較小深受成本壓力的照明燈有著積極意義。2、輸出扼流圈輸出扼流圈在電路中的作用非常重要，是目前無極燈電路中一個塊頭最大，重量 最重的一個器件

20、。輸出扼流圈的磁芯一般都是選用磁粉芯材料，是因為磁粉芯具有2個非常特別的性能：1）特有的多孔結構，就相似于磁體上布滿了眾多的“微氣隙”，因此在工作時不會泄漏磁通量，易于存儲、傳遞功率能量，不容易進入磁飽和狀態(tài)。2）具有咼達300 C的居里溫度點，在過去一般都是 100多居里溫度點的鐵氧體磁材前，這就是一道不得不用它的不可逾越天塹。但是磁粉芯的缺陷也是明顯的：1）它的磁導率較低，一般僅有1000mT多一點，在很多場合使用，不得不多繞制線圈，帶來的 銅損就大；2）它的電阻率極低，必須在它的磁體上要噴涂一層絕緣漆并做烘干處理，額外帶來加工成本不說，還因為其極低的電阻率造成在高頻使用時有較高的功率 損

21、耗，磁芯發(fā)熱嚴重；3）它的原材料成本較低，但是它的用量比較小，物以稀為貴，加上2）的原因，所以磁粉芯磁材售價比鐵氧體磁芯要高很多?，F(xiàn)在嘗試用一款新 型鐵氧體磁材來取代它，這款新型鐵氧體磁材同樣具有多孔結構，而且磁體上分布的“微 氣隙”比磁粉芯還要多，它的飽和磁通密度略高于磁粉芯磁材；它的磁導率在4500mT以上，居里溫度點高達320 C,磁體的電阻率更是比磁粉芯磁體高 10000多倍。原來 的輸出扼流圈磁環(huán)是20*8*11，繞線48T，經(jīng)測試：電感量：18.76田,Q值：20.71。 經(jīng)用新型鐵氧體磁材來取代，磁環(huán)是 13*7*7，繞線30T,經(jīng)測試：電感量：21.26田, Q值：46.86。

22、試用結果是：磁環(huán)溫升很低，電磁波功率在磁材上的損耗很小，此時測 試整燈的技術指標，比對原使用磁粉芯輸出扼流圈得到的各項電氣指標，此時整燈技 術指標很優(yōu)秀，成本也要低不少。3、EMI雙環(huán)電磁抗干擾濾波器什么是EMI雙環(huán)電磁抗干擾濾波器？EMI雙環(huán)電磁抗干擾濾波器主要是用作電路中抗 EMI干擾用，同時具有改善電路 電流波峰系數(shù)的作用。圖11是該濾波器的電原理圖和繞制圖，圖12是它的實物照片。 對新型柱狀一體化高頻無極燈電源電路，由于它的工作頻率相對工頻50Hz來說很高，市電供電線路類似于2.65MHz電磁波的發(fā)射天線，所以防止高頻電磁波對外的傳導干 擾是這個濾波器要完成的主要功能。圖11圖12（2

23、雙環(huán)電磁抗干擾濾波器的工作原理：在開關電源內部，會圍繞開關管、續(xù)流二極管以及高頻變壓器產生大量的電磁干 擾（EMI）雜波，這些電磁干擾雜波會隨著工作頻率的提升變得更加厲害，它會沿兩個 途徑向外進行傳播，即是通過傳導和輻射方式。暫不說輻射抑制，以完成傳導干擾抑 制的雙環(huán)電磁抗干擾濾波器，外面的大環(huán)完成共模抑制功能，里面的小環(huán)完成差模抑 制功能。在輸入導線之間的EMI電壓稱之為差模噪聲。導線對接地端的噪聲稱之為共 模噪聲。對于抑制共模噪聲的電感器，需要在一個磁芯上繞制兩組電流方向相反的導 線，并使用高磁導率的磁芯。相反，對于抑制差模噪聲的電感器，貝S要求磁芯材料在 偏磁場下仍然能夠保持磁導率指標（

24、偏磁場是指含有直流成分的交變磁場）。在一般 高頻開關電源，共模濾波器的磁芯選用錳鋅鐵氧體材料，這是因為一般高頻開關電源 的工作頻率都是小于100KHZ，特別是節(jié)能燈或是LED燈電源，工作頻率一般是40KHZ 內，錳鋅鐵氧體還能夠發(fā)揮它的優(yōu)良性能。但是在1MHz頻率以上使用，錳鋅鐵氧體就顯得力不從心了。有下圖13做說明：澹渡器的理想曲線和新舊磁材實測曲線出較圖13而新型的共差模組合扼流圈利用兩個不同特性的磁芯將共模電感和差模電感巧妙 的組合在一起，來替代分立的共模電感與差模電感，可以使濾波器尺寸得以減小和因 線長帶來的分布參數(shù)的影響大幅降低，電路的技術參數(shù)得到極大的提高。這種復合濾 波器產生的磁

25、通互相疊加，使共模電感量相應增加。而表現(xiàn)出差模電流經(jīng)過共模電感 時情況則相反，磁通互相抵消，因此差模電感量很小，幾乎為零，符合電路理論上共模電感 對于共模電流表現(xiàn)為高阻抗，對差模電流表現(xiàn)為零阻抗的理想濾波電路的要求， 這是- 種完美的抗EMC干擾的新型濾波器。共模扼流圈使用環(huán)形磁芯，適宜于大電流小電感 量的場合。差模扼流圈使用比共模的剛好小一號的環(huán)形磁芯，能夠嵌入共模扼流圈的 磁環(huán)內，如圖12所示。(3MI雙環(huán)電磁抗干擾濾波器磁材特性：共模電感采用干擾抑制專用的鐵氧體材料作為磁芯，差模電感采用的是不易磁飽和的最新研制成功的鐵氧體磁芯。這種新 型鐵氧體磁芯表面的電阻率很高，所以就用不著像鐵粉芯一

26、樣因為體表面的電阻率極 低被迫要在上面噴涂一層絕緣漆，所以制作成本就要低些，更重要的是，不再采用鐵 粉芯而是用鐵氧體磁芯，差模電感的優(yōu)異性能會發(fā)揮得更加淋漓盡致。在前面已經(jīng)較 為詳細的剖析了這種新型鐵氧體磁材的特點和性能，它特別具有的高居里溫度點及功 耗、電感量負溫度特性實在是太奇妙了，很多人還意識不到這種新型磁材研制成功的 重大意義，它在電路上會帶來的許多改變，對電路性能指標向上提高的程度，都將使 人驚奇不已。4、實際的電路原理圖：圖14是實際生產中的一體化高頻無極燈電路圖，其中需要特別指出的是：當電 路剛剛被接入時，需要DB3雙向二極管來做功率管開關振蕩的第一次啟動。當它完成 這個第一次振蕩啟動后，實質上電路就不需要 DB3 了，但是它是掛在電路上的啊？所圖14以電路中的D4這個時候就起作用了，它好像開關一樣，把DB3上面的電壓及時放掉， 讓該電壓不能達到DB3工作所需的數(shù)值，DB3也就在電路中被排除掉了。很多電路中這個D4都是使用1N4007 , 該二極管開關速度很低，用在這里可能會出現(xiàn)問題。因 為整燈工作頻率是2.65MHz，功率管的開關速度很快，1N4007可能跟不上，極可能 會失去放電的時機，DB3上面的電量就有可能沒有被及時放掉而累積，DB3就會因為它的電壓超過工作量值而參合進電路來攪和，這是不允