2-1 複金屬燈發光特性
早期 HID 燈管內填充之氣體大部分為汞蒸氣，其應用場合大部份為球場以及路燈等 大範圍面積之照明，但其演色性與光衰等問題嚴重。為了滿足演色性以及各種場合色溫 的需求，於是在高壓汞燈燈管內添加各種金屬(鈉、鉈等)鹵化物並減少汞之含量，使演 色性及發光效率有了大幅度的改進，圖 2.1 為複金屬燈的架構圖[25]。複金屬燈的結構 與金屬蒸氣放電燈(如汞燈、鈉燈等)類似，除在發光管內填充汞和稀有氣體外，還有發 光金屬鹵化物(以碘化物為主)。發光金屬採用鹵化物的形式有下列兩個主要特性:
1.由於大多數金屬的蒸氣壓很低，在燈管工作溫度下，金屬原子的濃度過低，無法產生 有效的輻射。而金屬鹵化物的蒸氣壓一般都比金屬的蒸氣壓高，這樣才能使電弧管中金 屬原子的濃度達到產生有效輻射的標準。
2.在高溫下，除了金屬氟化物之外，其他金屬鹵化物都不和石英玻璃與電極發生明顯的 化學反應，可以避免燈泡外殼老化以致損毀，又因為添加了多種金屬鹵化物，所以此種 類型之 HID 燈被命名為複金屬燈。
複金屬燈之所以演色性高，是因為內部多種金屬鹵化物使其放電時發出來的光，遍 佈於可見光譜的範圍內，平均演色性可達60~96 Ra。選擇適當之管內填充氣體，可使輻 射集中於所需要的波長，由於氣體放電輻射的波長範圍有選擇性，使得複金屬燈色彩呈 現多樣化，其發光效率也能有所調整，而達到較高的發光效率。複金屬燈發光效率可達 95 lm/W，是氣體放電燈管中，屬於發光效率較高的類型。而複金屬燈光譜與各種人造 光源相較之下，光譜最接近太陽光，所以也是人的眼睛感覺最為舒適的光線。圖2.2為太 陽光譜與各人造光源光譜比較[26]，從這些光譜的分佈，可以發現複金屬燈的光譜比較 連續且均勻地分佈在整個可見光範圍，且較接近太陽光的光源，所以複金屬燈較其他光 源有較佳的演色性。
燈頭
插銷 吸氣器
導線
外管壁
發光管 填充氣體
圖 2.1 複金屬燈架構圖
(a)太陽光光譜 (b) 複金屬燈光譜
(c) 日光燈光譜 (d)白熾燈光譜
(e)低壓鈉燈光譜
圖 2.2 太陽光譜與各人造光源光譜比較[26]
2-1-1 弧光放電
複金屬燈發光原理主要為氣體放電，而所謂氣體放電就是指電流通過氣體媒質時所 產生的放電現象。複金屬燈工作時，燈管內存有大量電子、正離子等帶電粒子，這些粒 子在電場作用下形成電流。而複金屬燈發光的基本過程可分為三個階段的物理機制[27]：
(1)自由電子由外加電場加速形成電子流；(2)運動中的電子與氣體原子相碰撞時，電子 的動能轉交給高能階的電子使其激發；(3)當受刺激電子返回基態時，所吸收的能量以輻 射發光的形式釋放出來。自由電子不斷被外加電場加速，而上述之過程則不斷重複地發 生於燈管中。
2-1-2 金屬鹵化物循環
在複金屬燈燈管內，由於管壁和電弧中心溫度相差很大，金屬鹵化物會產生分解與 再複合的循環過程。在管壁的工作溫度下，金屬鹵化物大量蒸發後因產生濃度梯度而向 電弧中心擴散，電弧中心的高溫區域(約 4000K∼6000K)金屬鹵化物分子分解為金屬原子 和鹵素原子。其中金屬原子參與放電，並產生輻射；鹵素原子則獲得自由電子，形成負 離子。由於電弧中心金屬原子和鹵素原子的濃度較高，它們又向管壁擴散，在接近管壁 的低溫區域又重新複合成金屬鹵化物分子。如此不斷地循環，而電弧中心也不斷地有足 夠濃度的金屬原子，作為輻射發光之用。
2-2 複金屬燈啟動特性
複金屬燈從啟動到穩定發光工作要歷經電壓崩潰、輝光放電、輝光轉弧光及熱平衡 等四個階段[28,29]，如圖2.3所示。
1.電壓崩潰：當加於燈管電極兩端電壓大於燈管的崩潰電壓時，此時，燈管內惰性氣體 發生電離現象，燈管電壓迅速下降。由於外加的電壓仍大於燈管的額定工作電壓，燈管 內開始有放電電流產生，而崩潰電壓的大小取決於燈管內填充之氣體種類、電極之組成 與燈管的構造。
2.輝光放電：在續弧階段，燈管電壓快速下降，電流快速上升，此階段歷時相當短暫，
隨即進入輝光轉弧光階段。
3.輝光轉弧光：在此階段燈管電壓小於額定工作電壓，燈管電流大於額定工作電流，隨 著燈管工作溫度的上升，燈管電壓逐漸增加而燈管電流則逐漸減少，燈管的等效電阻會 慢慢變大，經過約數十秒鐘的時間，燈管電壓與電流逐漸趨於穩定。
4.熱平衡：燈管進入此階段時，燈管電極間的弧光趨於穩定。此外，燈管等效電阻與燈 管電壓、電流幾乎不會變化，此時燈管為進入穩態工作狀態。
高 壓 崩 潰 與 輝 光 放 電
輝光轉弧光
熱平衡階段 燈管電壓
燈管電流
圖2.3 複金屬燈啟動至穩態過程示意圖[29]
2-3 音頻共振與解決方法
對於使用電子式安定器驅動的複金屬燈而言，由於燈管工作於高頻，經常會發生音 頻共振（Acoustic resonance）的問題。音頻共振的原因是調變燈管放電電流而使燈管輸 入 功 率 呈 週 期 性 ， 導 致 燈 管 內 的 氣 體 壓 力 波 動 。 當 輸 入 頻 率 和 燈 管 特 徵 頻 率
（Eigen-frequency）成為特定的關聯性，且此頻率的能量超過一個特定的臨界值，燈管 內將形成駐波（Standing wave），引起音頻共振。複金屬燈的音頻共振會發生在某些的 特定頻帶，圖 2.4 顯示某盞 70 W 複金屬燈工作頻率與音頻共振的關係[30]。如圖所示，
複金屬燈是否會引發音頻共振現象取決於其工作頻率，有些頻率會有音頻共振現象，有 些則不會；有些頻率引發嚴重的音頻共振，有些只有輕微的音頻共振。音頻共振會引起 燈管各種不同的現象[31,32]，例如：弧光不安定、色溫變化、光輸出變動，嚴重時會震
斷弧光而熄滅，甚至導致電弧管爆裂，如圖 2.5 所示。圖 2.6(a)為實際複金屬燈在無音 頻共振下，其燈管弧光為一直線，而圖 2.6(b)為音頻共振時弧光放電的情形，此時弧光 會產生扭曲變形[33]。有鑑於此，降低或甚至消除複金屬燈的音頻共振，已經成為目前 設計電子安定器的主流方向之一。
預測音頻 共振之頻率
實測嚴重 之音頻共振
實測輕微 之音頻共振
實測沒有 音頻共振
圖 2.4 70W 複金屬燈工作頻率與音頻共振的關係[30]
(a) 燈管爆裂之一 (b) 燈管爆裂之二 圖 2.5 嚴重音頻時爆裂之燈管實體圖
(a) 穩定弧光 (b) 擾動弧光 圖 2.6 實際燈管弧光狀態示意圖
一般而言，HID燈發生音頻共振的特徵頻率，可由燈管管壁幾何形狀加以計算預測。
但即便如此，燈管的廠牌、管壁的幾何形狀、材料以及燈管使用時數等等眾多因素，將 影響到HID燈管發生音頻共振之頻率，使得每支HID燈管發生的音頻共振難以預測，也 無法以單一樣本的計算數據來以偏概全，套用至所有燈管，而目前解決HID燈管音頻共 振之方式，大多以避開音頻共振之頻帶為主，而避開音頻共振的方法有很多種，茲分述 如下：
1. 低頻弦波驅動方式：[24,34,35]
此種方式為傳統電磁耦合式複金屬燈安定器最常見的方法。安定器操作在市電頻率 (60Hz)，所以自然無音頻共振的問題。但安定器卻也有磁性元件體積龐大、重量重、效 率低等缺點。
2. 超高頻弦波驅動方式：[36,37]
將燈管工作頻率操作在比音頻共振頻域高很多的頻率(如1MHz以上)，此時工作頻率 遠大於音頻共振頻率，燈管自然不會發生音頻共振。然而，操作在如此高的頻率，將會 因為切換損失而降低電路的效率，且工作於此規格之功率開關元件也不易取得，加上超 高頻時電磁干擾嚴重，反而增加了電子安定器電路設計上的困難度。
3. 定頻弦波驅動方式：[38]
操作於特定頻帶，將燈管頻率操作在沒有音頻共振的頻帶，即可避免音頻共振的問 題。然而，無音頻共振現象頻帶往往過於狹窄，且音頻共振發生頻帶會因燈管的不同而 有所改變，所設計之安定器便無法符合不同燈管的需求，且無法採用變頻調光。
4. 頻率穿梭：[39]
雖然燈管在某些頻率範圍內可能產生音頻共振，但是若將工作頻率選在某兩個頻率
之間來回穿梭，使燈管電弧來不及變化，也讓音頻共振現象不會發生。當然，前提是要 選對穿梭的頻率、範圍和中心頻率，但如此設計必然增加安定器電路的複雜度。
5. 使用展頻技術：[40]
所謂展頻技術即假設電路架構工作頻率操作在單一頻帶，能量就會集中於此頻率，
如果加入展頻技術，就會使能量分散，解決音頻共振問題。但此技術使用的信號產生器 均相當複雜且昂貴，不適合做商業用途。
6. 低頻方波驅動方式：[28,41,42]
此種驅動方式因為在每個工作週期中沒有瞬時功率的變化，所以不會激發音頻共 振。這種電路設計通常採用全橋或半橋換流器，目前在複金屬燈驅動器的相關文獻中，
絕大部分使用低頻(數百Hz)的方波電壓來解決音頻共振的問題。由於複金屬燈點亮後可 以視為一純電阻，所以流過燈管的電流和燈管電壓為同相位，利用燈管無瞬時的功率變 化來解決音頻共振的問題，本論文即採用此方法。
2-4 傳統電子式安定器架構探討 格。所以，必需在第一級的功因修正電路後，再加入一級降壓轉換器(Buck converter)來 降低直流電壓，並可額外加入燈管電壓/電流的控制功能，最後一級為半橋或全橋換流
Lboost
Sboost
全橋換流器 電壓/電流控制
Full-bridge inverter 功因修正
Boost converter
Sbuck
Lbuck
Buck converter
HID Lamp
圖 2.8 三級架構電子安定器電路圖(升壓型+降壓型+全橋換流器)
另一種三級式電子安定器架構方塊如圖2.9所示，其主要由降壓型轉換器、返馳式轉
另一種三級式電子安定器架構方塊如圖2.9所示，其主要由降壓型轉換器、返馳式轉