日光灯原理

淺談日光燈傳統啟動器與可調光電子安定器
陳淑華 第 一 章 ? 緒 論

摘要 隨著經濟快速成長,科技不斷發達,人民生活水準普遍提高,使得照明用電 量與日遽增。然而在資源有限、新能源有開發不易的情況下,為應付日漸增加之 用電量,節約能源自然成了解決問題的途徑之ㄧ。而為提高照明效率以節省能 源,除了開發光源體、改善燈具設計外,就是電子控制電路的改進了。 由於低壓氣體放電螢光燈(俗稱日光燈)比傳統白熾燈的發光效率要高,所以 成為一般家庭、辦公室及大樓等的主要照明,然而螢光燈必須配合安定器才能正 常使用,安定器的主要功能為提供足以點亮燈管的電壓,並且在燈管點亮後穩定 燈管電流,以避免產生過大的電流而燒毀燈具。傳統的電磁式安定器,雖然構造 簡單、成本低且又耐用,但是電磁式安定器是一顆大電感,電感消耗虛功所以有 效率差、啟動慢、燈光閃爍的缺點,而且重又有噪音。 為改善傳統電磁式安定器的缺點,已全面提升照明品質,各先進國家乃致力 於電子式安定器的研究發展。電子式安定器(electronic ballast)係以高頻諧振點 燈,能於瞬間點亮燈管,且高頻交變的電源會使得燈管正柱區內之離子密度來不 及跟上電流的變化,加上螢光質具有殘光性,因此使用電子式安定器驅動之螢光 燈閃爍度極低,而不同於傳統電磁式安定器,因光輸出隨燈管電流的起伏每秒有 120 次的週期變化,產生明顯的閃爍現象。此外,電子式安定器功因大大地提高, 不僅降低了電源的設備容量,而且可減少諧波的干擾。

第 二 章 簡 介 本報告可調光電子安定器的製作目的是適用於需要調整亮度明暗的場所,譬 如使用單槍或投影機照明設備需關閉或變暗,或是在暗房沖洗照片時,使用可調 整亮度的日光燈是相當方便地,因此對於上課或工作上可相對地提高效率。 為了改善傳統電磁式安定器的缺點,採用另一種新方法,即運用直流電源來 點燈。電源在無載的情況下,輸出的高電壓將可用來啟動燈管,而在燈管點亮後, 採用半橋式高頻振盪電路,及單晶片數位式精確控制振盪頻率,以改變日光燈輸 出亮度,達到調光的功能,並且利用 UC3854N 積體電路作為主控制電路並配合 電阻、電容的設計達到控制、補償及驅動的功能。

本報告可調光電子安定器的功能有: (1) 日光燈瞬時啟動。 (2) 可分五段調整日光燈亮度。 (3) 功率因數修正。 (4) 採用按鍵數位式控制,非旋鈕類比式控制。 (5) LED 顯示目前日光燈亮度比例。 (6) 日光燈重置(RESET)按鍵。 本報告可調光電子安定器之優點有: (1) 一秒鐘內立即啟動,啟動不閃爍。 (2) 依環境調整螢光燈亮度。 (3) 功率因數為 0.92,減少虛工的浪費。 (4) 免用啟動器,節省以後更換啟動器及維修的費用。 (5) 免用傳統電磁式安定器,所以重量輕。 (6) 如果螢光燈故障時,電路會呈現斷路狀態,如此可節省能源的消耗,並減少 辦公環境的干擾,更換新燈管則自動恢復正常。 (7) 輻射電波干擾小,適用在任何 OA 辦公室。 (8) 燈管不閃爍(No Stroboscopic effect),因為採用高頻率 40KHZ 至 90KHZ, 相對於傳統電磁安定器的頻率為 60HZ。 第 三 章 ? 理 論

傳統電磁式安定器 在製作電子安定器的前提就應該先了解傳統電磁安定器的動作原理。如圖 3.1 中傳統電磁安定器是以漆包線繞製於矽鋼片鐵心磁路上,構成一鐵心抗流線 圈,當電流功過線圈時因阻抗關係,會使線圈兩端產生一壓降,電流愈大,電壓 降便愈大,因此安定器與燈管串聯時,便可限制通過燈管的電流於某一定值;再 配合啟動器就可以點亮螢光燈,啟動器只是一顆氖燈及一顆電容串聯而成;而日 光燈其構造兩端為鎢絲,燈管中充滿汞蒸氣。

傳統電磁安定器的動作原理大致可分為下列四項:(如圖 3.1 及圖 3.2 ) 啟動器 電感 感 日 光 燈

鎢 絲

氖 燈 電 容 容 容

AC 110V 60HZ

圖 3.1 V

傳統電磁安定器

A

B t

圖 3.2 交流電源

(1) 當送出交流電時,因螢光燈屬於冷燈,燈管電阻無窮大,大電流就流向阻抗 比較小的啟動器,因此氖燈會先亮一下子與電容形成崩潰,此時電流流過燈 管兩端的鎢絲,鎢絲因此被加熱,這段時間為 0 至 A 的時間。 (2) 當時間在 A 時即電源電壓為零伏,由於日光燈此時已為熱燈,使得燈管內電 阻相當小 此時啟動器部分停止崩潰,接著時間 A 至時間 B 螢光燈點燈成功, , 並且時間 B 以後螢光燈兩端的壓降大約只有 61 伏特左右(20W 螢光燈),使 啟動器不再崩潰,從此之後日光燈正常工作維持一定亮度,直到電源關閉日

光燈熄滅。 (3) 在時間 A 至時間 B,傳統電磁安定器(電感)兩端感應電壓為 110 伏,再加上 電源 110 伏,其螢光燈兩端總電壓降為 220 伏,所以螢光燈需要大電壓才能 啟動。 (4) 在時間 B 之後,傳統電磁安定器(電感)扮演著恆流的重要角色,所以螢光燈 一直維持著固定的亮度。 氣體放電之基本原理 低壓氣體放電螢光燈(俗稱日光燈),其特性為非線性負載,因此以下為低壓 氣體放電螢光燈的基本放電源理及結構分析。 ? 氣體原子的原子核周圍的電子,分別處在一系列不同的橢圓軌道上。一定的 軌道和一定的能量相對應,軌道半徑愈大,電子的位能愈大。按量子論的觀點, 原子的能量只能取一系列離散的值,允許電子存在的各個能量狀態稱為原子的能 階。在研究原子的電離、激發與發光等物理過程中,通常都只考慮原子的價電子 參與變化。由於原子中各層電子具有儘可能地在最低能階上存在的趨勢,因此各 個電子當然不能具有同樣的能量。 通常離原子核越接近的電子能量愈低,它和核的結合也愈穩;愈在外層的電子與 核的結合力愈小,特別是最外層的價電子往往可以吸收一定的能量而改變其在原 子殼層模型中的運動軌道,這樣一來,這個電子的能力就可能由最低能階 OG(如 圖 3.3)升高到次高的能階 A。或者是它再吸收一定的能量;則可繼續升高到更高 的能階 B。如果這個價電子一次獲得較大的能量,它可以由 OG 能階直接躍遷到 能階 B,甚或脫離原子核的束縛而成為自由電子。

V
V1

C

En

B A G

Vr 0

Em

圖 3.3 原子能階示意圖

價電子所需的能階 OG 稱為基本能階 基本能階以上的所有能階稱為激發能 , 階。 對於氣體放電發光來說,不管以何種方式(熱、電場、放射性物質、高能帶 電粒子),使原子獲得一定能量而從基態 OG 離開,激發到更高能量的能階時, 我們就可說這個原子被激發了。同時這個原子就被稱作激原子。 受激能階的產生發生於: (a) 原子與相當快的電子碰撞。 (b) 原子間的互相碰撞。 (c) 處於基態或較低激發態的原子吸收一個量子。 (d) 受激原子原來的受激能階消失,形成一個較低的受激能階,與此同時發 射一個量子。 (e) 電子與正離子復合。 受激能階的消失過程是: (a) 躍遷到較低能階(它可以是基態)發射一個量子。 (b) 吸收一個量子隨之躍遷到較高能階(產生一高的受激能階)。 (c) 與電子碰撞,產生一個較高的受激能階和較慢的電子(累積激發)或產生 一個較低受激能階(包括基態)和較高速率的電子。 我們之所以指出原子的能階產生與消失過程,是因為研究原子發光時,原子 的輻射發光是大量原子的相應能階間躍遷的結果。 氣體放電過程中,氣體原子會獲得一定能量而從基態離開,其發到更高能量 狀態的能階,處於高能態的氣體原子是極不穩定的,它會在 10-7~10-8 秒內放出 它所獲得的能量,而返回到正常的狀態。它所放出的能量就以光子的形式而輻射 出來。

對圖 3.4 示意原子受激光輻射過程再作一簡單的解釋:這種過程最為簡單的 表示如圖所示。

光子

(A)

(B) 圖 3.4 受激原子的光輻射過程

(C)

(a) 圖中所示出的是由原子核和一個在穩定軌道上運行的電子所組成的原 子。 (b) 這個原子可能由於其它粒子所碰撞成高能射線成光子輻射被激發,因而 價電子運動到能階較高的軌道上去了,如圖所示 (c) 但由於受激後的原子是極其不穩定的,它會自動地放出所獲得能量而恢 復到正常狀態,如圖所示。在這一過程中,多於能量將輻射出來而成為 一個光子,整個過程就被稱為輻射自發發射。這一過程中所發出光的頻 率和二能態之差△E 有關係,可由普朗克(Planck)關係式給出: △ E=EA-EOG=h?c/λ=hv 或 △ E=EB-EOG=h?c/λ=hv 其中,△E 是兩個能階間的能量差,h 是普朗克常數(=6.626×10-34 焦耳.秒),c 是光速,λ是光波長,v 是頻率。 因為能量狀態 EA、EB 是離散的,能量差△E 也只能有離散的值,光頻率所 以也具有離散的值。這就是說知道電子躍遷前後的激發電位 V1 和 V2(因為△E= e△v),就可根據上式求得光波長。

?

氣體放電流程 氣體放電發光的流程可由圖 3.5 說明。 宇宙射線或陰極光電發射產生電子

電子在電場中加速

產生雪崩

自持放電

電子撞上氣體原子

電離

激發

彈性碰撞

受激原子返回基態輻射發光

圖 3.5 氣體放電發光流程 配合圖 3.1 電路示意,有助於說明圖 3.5 的放電發光流程:將圖 3.1 的電壓源由 零開始逐漸往上加,放電管內由於受到宇宙射線的影響,陰極會因光電效應而產 生電子,此一電子扮演著導電載子的角色。此時的電流只有 10-20~10-14A。若是 施加的電源繼續增加,產生電場 E=V/D 的增加,將會加大電子的動能,電子與 管中的氣體原子碰撞,將會開始造成原子的電離,此一現象的持續,將使自由電 子成倍數增加,如雪崩一般。原子被電離後失去自由電子,留下帶正電的陽離子, 隨著電場的方向飛向陰極。當外加的電壓繼續增加,笨重的陽離子所攜的動能亦 一直增加,撞擊陰極的力道逐漸加強,在超過一臨界能量時,會使陰極產生二次 電子,使放電管進入自持放電狀態,有大量的電流導通。 這大量的電子由於受到電場的加速,將不斷的與氣體原子碰撞,依碰撞程度 的大小,可分為下列三種情形:

(a) 彈性碰撞:由於電子的質量遠小於原子,因此發生彈性碰撞後,只有飛行方 向的改變而已。 (b) 電離:若是電子的動能極大,碰撞後將使原子電離。 (c) 激發:電子動能若是小於原子的電離能,將只能使原子激發。此一受激原子 再返回激態時,多餘的能量將以電磁輻射釋出。 ▓參考資料 1.E. E. Hammer, “High Frequency Characteristics of Fluorescent Lamps up to 500KHz”, J.Illuminating, Eng. Soc. ,pp.52-61 Winter 1987. 2.E. E. Hammer, “Characteristics of Various F40 Fluorescent System at 60Hz and High Frequency”, IEEE Trans. On Ind. App1.,pp.11-16, Jan.1985.

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