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介绍几种照明电器检测装置

2011-06-13  省电师
介绍几种照明电器检测装置

俞安琪  裘继红
国家电光源质量监督检验中心(上海).国家灯具质量监督检验中心
上海时代之光照明电器检测有限公司

摘 要:照明电器的发展及创新使现场照明的设计师们有了更多的选择机会,也能达到更好的照明效果,同时也大幅提高了照明电器的综合能效。但是,每一种产品的发展和创新给人们带来的不光全是优点, 有时也会带来一些缺点甚至是一些存在明显隐患的缺陷。基于此,照明电器产品的标准也随之不断地修改、充实和完善。一些照明电器的新的检测要求及检测装置也应运而生。作者重点介绍了触发器高压脉冲检测装置、 带整体式启动装置的灯用的镇流器脉冲试验装置及荧光灯电子镇流器局部整流效应检测装置,供业内人士参考。

关键词:高压脉冲  整体式启动装置  局部整流  检测装置

Yu  Anqi  Qiu  Jihong
China National Light Source Quality Supervision Testing Centre (Shanghai),
China National Lighting Fitting Quality Supervision Testing Centre,
Shanghai Alpha Lighting Equipment Testing Ltd. 


 
abstract: The development and innovation of lighting equipments not only helps designers of illuminating on the scene have more choices, achieve better lighting effects, but also substantially increase the comprehensive energy efficiency of lighting equipments. However, development and innovation of every kind of product not only to bring all the advantages, sometimes even to bring some shortcomings there are some obvious shortcomings of the hidden dangers. Based on this, the standards of lighting electrical products also will be continuously modified, enriched and improved. Some new testing requirements and devices of lighting equipments have come into being. The author mainly introduces the test devices for high-voltage pulse of ignitor, testing devices for pulse of ballests for lamps with overall activating devices and testing devices for the partial rectification of pulse of electronic ballast for fluorescent lamps, for reference.
 
Key words: high-voltage pulse, overall activating devices, partial rectification, testing devices
 
  引言

  随着照明电器产品的不断发展,照明电器的种类和功能也变得越来越丰富。照明电器的发展及创新使现场照明的设计师们有了更多的选择机会, 也能达到更好的照明效果,同时也大幅提高了照明电器的综合能效。但是,每一种产品的发展和创新给人们带来的不光全是优点, 有时也会带来一些缺点甚至是一些存在明显隐患的缺陷。基于此,照明电器产品的标准也随之不断地修改、充实和完善。一些照明电器的新的检测要求及检测装置也应运而生。

  由于一些照明电器检测装置使用上的不广泛性和功能上的特殊性, 所以往往没有现成的装置可买,并且有些看似简单的东西确隐含着较高的技术难点。下面介绍几种已试制成功并能可靠使用的且能满足 IEC 标准和国标的检测装置,供业内同行们共享。

  一、 触发器高压脉冲检测装置

  业内人士往往都认为,测量触发器的高压脉冲应采用示波器,目前业内人士实际在测量高压脉冲时, 也往往会采用高压探头加数字存储示波器的方式。 但是,采用示波器存在如下缺陷:

  1、 当触发器采用半机械式或振子式电路时 (此类电路的最高脉冲电压>5KV,所以带时控) ,由于机械触点断开的速率以及断开瞬间电流的不同,会使输出脉冲的离散性很大,此时示波器往往无法准确测量到高压脉冲的实际峰值,即使起用高级示波器的最大峰值保留功能,因为触发器产生脉冲的时间有限,所以也往往不能准确地测量出触发脉冲的幅值。

  2、用示波器测量高压脉冲时,示波器所用电源或触发器所用电源必需有一个采用隔离变压器,否则往往会因为不能准确判断触发脉冲极性而损坏示波器。即使是这样,当触发脉冲在5KV~20KV水平时,还是有可能把示波器应用程序冲乱或损坏示波器。示波器一般仅适用于脉冲电压≤5KV 的电子触发器的脉冲电压测量, GB19510.2/IEC61347-2-1标准中首推的高压脉冲测量方法是高压整流积分电路加静电高压表,这一电路看似简单,但在实际制作时如不注意整流管、高压电容以及放电开关的爬电距离、电器间隙以及耐压强度,就不能成功。制造完好的高压脉冲测量装置配上性能良好的静电高压表能可靠测量≤15KV的各种高压脉冲,并能保证测量精度在±1%以内。

  随着照明电器功能的不断扩大,各种特殊场合的照明灯具也大量出现(例如大型运动场,广场用高强度气体放电灯照明热态瞬时启动灯具) 。由于高强度气体放电灯的特点,当其正常工作时突然断电息弧后,如果再给灯通电,在5~10分钟内这一状态的灯一般情况下是不会再启动形成气体放电的。 但是在大型运动场、广场开展比赛和集会时,往往聚集了上万到几万的人群,在这一状态下如果因突发原因发生断电或瞬时断电都会造成高强度气体放电灯的息弧,一般在10~20 分钟内不恢复照明,必然引起人群的混乱并导致人身伤害事故。对于普通灯具,在断电后即使立刻接通备用电源,由于此时高强度气体放电灯电弧管内的气压很高而不能被触发,必须采用特高输出电压(50kV~100kV)才能在1s~3s 内使高强度气体放电灯瞬时启动并且恢复照明。对于 5kV 以下的高压脉冲,已有的检测方法一般采用示波器带高压探头的方法或整流积分电路加静电高压表的方法, 对于10kV~20kV的脉冲电压一般也采用整流积分电路加静电电压表的方法,但此时对整流积分电路的耐高压要求比较高,电路结构上所有不慎都将会造成检测电路的损坏或发生峰值电压瞬间放电击穿而使检测结果严重失真。 对于 20kV~100kV 的脉冲电压,上述两种方法都不能采用,只能采用真空条件下
测量高压放电的距离来测定脉冲电压的幅度, 所以真空条件下测量高压放电的距离来测定脉冲电压的方法是对整流积分电路加静电电压表的脉冲电压测量方法的补充和拓展。

  二、带整体式启动装置的灯用的镇流器脉冲试验装置

  本脉冲电压试验装置是专为IEC61347-2-8和IEC61347-2-9标准中第15章试验要求而设计制造的, 它能完全满足带整体式启动装置的灯用的镇流器的高压脉冲试验。该装置的工作和检测原理如下:

  1、试验前准备

  ⑴取一个未经过预处理的受试镇流器,用毫欧计测量其直流电阻,并记录下其直流电阻值RL。
  ⑵把外接电阻 R2 的阻值调整到 RL的 20~25 倍之间,并连接到本装置的J1和J2接线柱上。
  ⑶在本装置的J3 和J6 接线柱上连接一个未经过预处理的受试镇流器,在J7 和J8 接线柱上连接上静电高压表。
  注:静电高压表的测量范围:0-6kV,最大偏转度时的电容<15pF,精度 1级或更高级。
  ⑷在 J3 和J4 接线柱上,插上与镇流器上所标脉冲电压最接近的、小于或等于该
脉冲电压的压敏电阻模块。
  例如:镇流器上标称脉冲电压4.2kV,可选4 kV的压敏电阻模块。
  J5 和J6 暂时不连接任何压敏电阻。
  ⑸把本装置的输入电源插头,插到交流稳压电源上(电源稳定度≤0.5%) 。

  2、脉冲电压调整

  ⑴把调整器调到零(逆时针旋到底) ,开启本装置的电源开关 K1,此时直流电流表以及两个HB48智能双数显计测器的数码管应都亮。
  ⑵按附录的要求设定好两个HB48智能双数显计测器。
  注:本装置出厂前已设定后,只要没有发生错误设置,就会保持这一设定。
  ⑶合上开关K2,按下左边的HB48面板上的 (复位)按键,两个计测器开始工作(左边计测器按3S开,3S关的周期连续工作,右边的计测器按左边的计测器每断开一次记录一个脉冲数) 。
  ⑷缓慢(顺时针)调高调压器的输出电压,此时直流电流表的数值将从小到大变化,静电高压表显示的高压也逐渐变大。一直调到静电高压表的显示值是镇流器上脉冲电压标称值的1.15倍~1.2倍。
  注:脉冲电压不宜调得太高,否则容易损坏插入的压敏电阻。
  ⑸在 J5 和 J6 接线柱上接上低击穿电压的压敏电阻(该击穿电压值是镇流器上标称的脉冲电压值与插入的压敏电阻模块击穿电压值之差) 。
  例如:镇流器上标称的脉冲电压为4.2kV,选插的压敏电阻模块是4 kV,所以接入的低击穿电压的压敏电阻的击穿电压是0.2 kV。
  ⑹低击穿电压的压敏电阻接入后, 静电高压表的显示值将达到镇流器标称的脉冲电压值,若有小的差异,可调整调压器或低击穿电压的压敏电阻来调整。
  ⑺记录下此时的直流电流表显示的电流值。
  ⑻断开K2。

  3、试验

  ⑴从试验装置上取下供调整脉冲电压的镇流器, 把经过潮态试验和加热试验预处理的各3个样品逐一接入到J3 和J6 的接线柱上。
  ⑵同时按下两个计测器面板上的 (复位)按键,并同时合上 K2 开关,试验
开始(必要时可微调调压器,使脉冲电压达到标称值) 。
  注:在试验过程中,如发生静电高压表示值升高,一般是压敏电阻开路,如静电高压表示值突然降低,但直流电流表示值正常或略偏高,一般是镇流器发生绕组内部的匝间或层间短路,说明该镇流器试验失败。
  ⑶当右边的 HB48 计数达到 600 次后(约 1 小时) ,装置自动停止试验,此时左边的HB48计测器停止工作。
  ⑷在 J3 和J6 接线柱上换上另一个经过预处理的样品,重复执行上述⑵~⑶的步骤,完成另一个样品的试验。

  三、荧光灯电子镇流器局部整流效应检测装置

  在电子镇流器与荧光灯配合工作时,当灯因为某一阴极发射电子能力的不足造成流过灯的两个半周电流不一致, 从而使灯管成为电子整流二极管的现象称之为整流效应, 以往的整流效应的异常状态试验都是用串入晶体整流二极管的方法来模拟灯的完全整流效应的, 并且认为只要通过了完全的整流效应的异常状态试验就说明电子镇流器具有这一异常状态的保护功能。 但随着照明行业的发展以及灯的控制装置的发展,发现在灯发生整流效应异常状态时,不仅电子镇流器应具备自身的保护功能,而且还应保护灯管在这一状态下不发生局部爆裂、熔化和破碎跌落现象,尤其是 T5 和 T4 等细管径灯的大量涌现,使这一问题的重要性显得更为突出, IEC61347-2-3标准的最新修订件和正在制定的国标正是针对这一情况增加了新的考核要求。

  局部整流效应---是指灯尚能工作, 但灯2个阴极中有一个已局部去激活或损坏, (所谓的局部整流效应) 。在现阶段,一般电子镇流器都已具有异常状态的保护电路,当灯在发生灯不启动(对瞬时启动电子镇流器是开路状态)或完全的整流效应发生时,其内部的保护电路一般都能自动进入保护状态,从而避免了灯和镇流器的各种安全故障的发生。但实际使用中,当灯的寿命将终止时,往往是某一阴极的电子发射量不足而另一个阴极则还处于正常状态, 灯有一个灯电流从开始出现不对称发展到最后的只有半波电流的发展过程, 在这一发展过程中如果灯电流中的单向脉动直流分量所造成的电子镇流器超载现象不足以使电子镇流器内的保护电路动作, (电子镇流器内的保护电路如果灵敏度太高,一般会使灯在低温启动时尚未能启动就转入保护状态,使灯不能转入正常工作状态) ,并且由于电子镇流器设计和制造技术的进步,一般超负载的能力都较好,在这些因素的影响下, 使电子镇流器因整流效应所造成的超功率输出能量有很大部分作用在已具有整流效应的灯管上,这一能量由于集中作用在体积很小的灯的阴极上,所以会使灯的阴极导丝以及喇叭口状玻璃烧坏,灯头温升上升使灯座软化变形,严重时甚至会发生灯的玻管壁因骤热而发生开裂, 上述两种现象都可能使灯管跌落发生伤人的现象。目前已有多起这类的原因所造成的质量事故,IEC61347-2-3标准正是基于这一事实才提出新的修订稿的。 这种局部整流效应按标准要求可根据电子镇流器不同的电原理图以及与灯配合所表现的局部整流效应的现象, 用下述三种方法中的适用的一个方法来检验其合格性。

  ⑴不对称脉冲试验检测装置

  (模拟灯一会儿产生不对称弧光放电,一会儿产生半波弧光放电和/或半波辉光放电的现象) 

  选用标准附录K所列出的元件,按图9-1连接起来。

  该装置的工作和检测原理如下:

  为了能使灯的阴极电流仍按正常工作的状态通过,但又能准确检测灯气体放电的不对称脉冲所造成的功率, 所以在灯的一个阴极与电子镇流器之间加入了一个 1:1 的高频变压器。工作时,灯的阴极电流能通过变压器耦合而加到灯的左边阴极上。而灯的电弧电流可通过开关 S1 模拟正常工作或通过 S2 接入模拟的局部整流不对称脉冲电路。 (虚线以下电路) 。

  由时基集成电路 LM555 组成的脉冲发生器,当开关S4 闭合时,由于R4 和R6并联,电阻值减小,脉冲发生器的周期(LM555的3脚输出电平)为3ms高电位,3ms低电位,由此使绝缘场效应管 Q1也发生3ms 导通和3ms 截止的开关现象。当开关 S4 开路时,只有 R4 提供电流通路,从而使 LM555 的3 脚输出高电位的时间延长到 27ms,而由于 C3 被充电到阈值电压后,放电的时间常数仍没变,因此 LM555 的 3 脚低电平的维持时间仍为 3ms,场效应管Q1的导通和截止时间也随这一变化而变化。

  开始检测时,把开关S1和S4闭合,S2调到 A 位置。其中S2是为了模拟灯整流效应两种都有可能发生的整流情况而设置的, 因此在试验时要在 A和 B两个状态都进行试验。S4尽管闭合了,但由于提供LM555工作的电源(9V电池)没有被 S3 接通所以此时时基电路不工作,Q1 也处于截止状态。S1的接通给灯的电弧电流(气体放电电流)提供了通路,此时电子镇流器输入端接通工频电源后,电子镇流器和灯都能正常工作,按标准规定,在这一状态下灯工作5分钟(预热)

  将开关S3闭合,9V电池将向LM555提供工作电源。将开关S1开路此时灯的电弧电流中,半周可通过二极管 D1 提供的通路正常导通,另半周通过二极管 D2 后分为两支回路,其中 a 回路是通常回路,这一回路由于三个电阻的阻值较大,所以通过的电流I1很小,模拟灯的一个阴极发射不足,这一半波电流使灯处于辉光放电状态。其中 b 回路是一个脉冲导通电路,当 Q1 不导通时, (在关断的3ms内) b回路在源极和漏极间的电压超过直流800V时,4 个齐纳二极管接通,这一方面保护了场效应管、防止源极和漏极间击穿,另一方面齐纳二极管的导通也使 b回路产生一个脉冲导通电流I2,这一电流受4个齐纳二极管的反向击穿电压左右,所以不可能产生明显的脉冲电流。

  实际检测时,因为每个电子镇流器的性能不同所以产生的半波开路电压也不同,也可能不发生齐纳二极管在Q1截止时的击穿导通现象。 前面讲过,由于S4的闭合再加上S3的闭合,时基电路LM555得到9V的工作电源后开始按 3ms 的周期反转,即 LM555 输出端 3 脚 3ms 高电位,此时使 b回路电流骤增(因为 b回路的 R2A和R2B阻值很小,Q1导通后饱和压降也很小,因此b回路的脉冲浪涌电流较大) ,但3ms 后LM555反转,输出端 3 脚为低电平,使 Q1 转入截止。此时 b 回路的脉冲浪涌电流消失,在这一状态下试验 15 秒,然后把 S4 断开,此时 Q1 按 27ms 导通,3ms 截止的周期再工作15秒。 在Q1导通的两种状态分别测量a和b回路的平均总功率。这一平均总功率对 T4 灯来说应≤5.0W,对 T5 灯来说应≤7.5W,否则认为不合格。

  值得指出的是,由于 b回路是间隔性导通的,因此测量的电流 I 和电压U是呈周期性变化的,其电流和电压的乘积值(功率值)也是周期性变化的,所以测量时除了本装置外,还应该采用具有两个通道的数字存贮示波器,用两个通道分别同时测量电流I  和电压U的值, 并且每次测量周期 (采样时间)应≥1s,取测量的平均值后就可以判别产品的合格性。 (由于a和 b回路都属于电阻性负载,所以可取电流I和电压U的乘积来得出功率,并且由于电流中有很大的脉动直流,因此测电流探头或取样电路应该用直流) 。

  完成上述测量后,再把开关S1 和S4 闭合,但把S2 调到 B位置,模拟灯的另一头阴极的局部整流效应情况,再按上述步骤进行测量。在 A 和 B  位置测量时都不允许所测的平均功率值超过规定值。

  ⑵.不对称功率试验检测装置

  (模拟灯管连续放电并缓慢地产生局部整流效应且逐渐加深的现象) 

  按图 9-2 连接好试验线路。这一电路与以前的整流效应试验线路几乎没有区别,只是在整流二极管D1 或D2 上并联了一个可调电阻R1,并且在R1 上加有测量功率的功率表(或二通道数字存贮示波器) 。该装置的模拟性及检测原理如下: 

  开始试验时,开关 S1 调到 A 位置,可变电阻 R1(检测装置中用电阻箱代替)调到最 0 欧,这时由于二极管 D2 被 R1所短接,电路无整流情况发生,在这一装态下接通电子镇流器的输入电源、点亮灯,并使灯持续加热5分钟。

  在 15 秒内迅速把 R1 的的电阻值快速升高,此时灯从右向左方向的电弧电流可通过 D2 顺利导通,而灯从左向右的电弧电流必须通过 R1 的即时值再导通,从而模拟了通过灯的电弧电流不对称的局部整流现象。随着R1 阻值的升高,这种不对称电流的脉动成分越来越大,所以R1 阻值的变化模拟了灯局部整流效应的逐步加深的过程。但是,由于电子镇流器电路以及元件设计的多样性,使得局部整流效应所造成的发热功率(作用
在 R1 上的电功率)并不一定是在 R1 调得越大时其耗散功率也越大。所以试验要求对T4灯管在15秒内调整R1 阻值使R1 耗散功率达到10W,如果是 T5 灯管则使 R1 耗散功率达到 15W,此时停止调整 R1 的阻值,在这一状态下等待15秒, 如果在15秒内R1的耗散功率下降到Pmax以下,(对T4灯≤5.0W, 对T5灯≤7.5W) 认为试验合格, 如超出规定的Pmax,认为试验不合格。

  由于电子镇流器电路和设计的多样性,可能在调整R1 的过程中,R1 上的耗散功率达不到(T4 灯)10W 或(T5 灯)15W 的数值,此时应把 R1调整到R1 耗散功率最大值的位置,在这一位置上等待30秒,如果在30秒内 R1 的耗散功率下降到 Pmax 以下,认为试验合格,反之则认为试验不合格。

  如果在调整 R1 的过程中,R1 上的耗散功率尚未达到对 T4 灯 10W、对T5灯15W的水平,镇流器的异常保护电路动作了,则还是应该把R1 回调到R1 上的耗散功率最大的位置,并在这一状态下等待30秒。在30秒内R1 的耗散功率下降到Pmax以下,认为试验合格,反之则认为试验不合格。

  断开电子镇流器的输入电源,把开关S1 调整到B位置,继续上述试验,判断方法类同。镇流器只有通过上述的试验才认为合格。

  对于多灯的电子镇流器,应在每一灯上模拟上述情况对电子镇流器加以试验。对于同一型号但不同规格(不同功率值)的电子镇流器,应对每一规格进行上述试验。

  对瞬时启动镇流器,可把电路中 DF 短接作为电子镇流器的一个输出极连接点,取G点作为电子镇流器的另一个输出极连接点。

  从上述分析可知,这一试验电路适用于在整流效应异常状态时具有较稳定的异常工作状态的电子镇流器。

  ⑶灯丝开路试验

  由于电子镇流器的电路和设计不同,有些电子镇流器在灯的一头灯丝断路时(例如灯丝上并有二极管)也会使灯形成气体放电,但由于是电流很小的气体放电,即灯处于辉光放电状态,灯的阴极电压降很大,此时仅管流过阴极的放电电流很小,但很大的阴极压降与电流的乘积(作用在阴极上的功率)仍很大。又因为照明用的荧光灯阴极都是按弧光放电设计的,当灯阴极处于高电压降辉光放电状态时,阴极会很快升温并且产生很高的温度,这一温度通过灯头传导给灯座后,会使热试验完全合格的注塑灯座软化或熔化(严重的热变形) ,甚至发生灯的玻璃管壁或固定阴极导丝的喇叭口状玻璃熔化,这些原因会导致灯管的跌落伤人事故。这第三种局部整流效应的试验方法就是针对这一新出现的危及使用安全的现象而制订的。

  该装置的模拟性及检测原理如下:

  按电子镇流器正常使用方式连接好电路, 用高频电流探头分别测量电子镇流器连接到灯4根引线的电流,对于灯的其中一端(1) ,其引出线有一根的电流会大于灯的电弧电流,标为LLH(1) ,另一根引出线的电流会小于灯的电弧电流,标为 LLL(1) 。用相同的方式标出灯的另一端(2)的两根引出线,分别为LLH(2)和LLL(2) 。

  按图9-3a连接好电路,并按标准的 A程序,把开关S调到 1的位置,接通电子镇流器的输入电源,点亮灯并让它工作5分钟。

  把高频电流探头尽可能放在靠近灯头的位置,把开关S调到2的位置,并等待30秒, 此时测量的灯气体放电电流应做到, 对T4灯, Imax≤1MA,对T5灯,Imax≤1.5MA。如果灯电流有脉动现象,则电流的检测应取一个包括断开时间在内的完整的脉冲周期,再积分计算出有效值电流。如果所测电流大于上述规定值,则应再按B程序进行试验。  如果所测电流小于等于上述规定值,再按时图 9-3b连接的电路,对电子镇流器可能遇到的另一灯电极出现断丝并伴有辉光放电的情况进行模拟并试验。两种状态试验的电流都小于等于规定值,则试验合格。

  如果大于规定值,则有两种可能,一种是灯的断丝后的电弧电流中有较大成份的弧光放电电流,这一电流虽然较大,但灯阴极电压降并不大,也不会出现上述的危及安全的现象。另一种情况是电弧电流超出后,断丝头的阴极电压降很大,这就会出现上述的危及安全的现象。要进行正确判别,应按B程序试验后才能判别。

  B程序执行前按图9-3c所示, 在灯的中间用总宽度为4cm的铜箔包住灯管,并在铜箔与模拟断丝灯的一端中的较大电流电极(LLH)间连接上一个1MΩ的电阻。它是通过电容性感应原理来测量断丝后的灯的一端引出线与灯的 1/2 长度处之间的感应电压降是否超过规定值的方法来验证电子镇流器在这一状态下是否会危及使用安全。 应注意对双端荧光灯或灯的中间部位有长于 4cm 的直线部位的单端荧光灯,用 4cm宽的铜箔包在灯管的中间部位。 对灯的中间部位刚好是弯曲部位的单端荧光灯,用2 个2cm宽的铜箔分别包在灯管靠近中间弯曲部位的地方,把这2个2cm宽的铜箔连接在一起,再接入测量回路。

  按图9-3c1连接好检测线路后, 把开关S调到1位置 (正常工作状态) ,接通电子镇流器电源,使灯工作5分钟。

  把开关 S 调到 2 位置,等待 30 秒,然后用数字记忆示波器测量 1MΩ电阻上的有效电压值,如果这一电压存在脉动,应以包括断开时间的一个完整的脉冲周期来计算该有效电压值。

  所测得的有效值电压应不超过灯的额定电压的25%, 如超出则判为不合格。

  按图 9-3c2 连接好检测线路,仍按上述步骤测量电子镇流器另一组输出导线的整流效应,如测量的有效值电压不大于25%灯的额定电压,则判为合格,反之则判为不合格。

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