关于电影照明中镝灯_hmi_工作原理研究及克服频闪的对策

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1、关于电影照明中镝灯( HMI)工作原理研究及克服频闪的对策( 下)北京电影制片厂 夏 滨三、 为了得到良好的照明效果, 灯管的制造需满足表 2的技术指标 由表 2我们可以看出国际上通用的功率, 灯管共有三个电压: 1) 电源输入电压, 不得低于某一值。需要说明 的是 4KW 灯, 电源 电压为 220V, 内部有一个升压变压器升到 380V, 供给电抗器使用。这主要是因为 4KW 以下灯泡导电形式是一致的; 电极与支撑体为一体, 导电能力较弱。而 6KW 以上导电体为单一电缆, 导电能 力增强, 所以 4KW 灯泡的工作电压需提高, 以减小电流。2) 灯泡两端的工作电压各有不同, 一般低于输入

2、电压一倍。 3) 触发电压的分档也是有 规律的, 由此可以看到电极间隙的设计和最低着火电压的选取都是比较成熟的。表 2HMI电源最低电压 灯泡工作电压电流(A)功率(W)触发电压(KV)工作角度寿命( 小时)125W198801. 712520任意150200W198803. 120025 15300250W198505. 425020 45250575W19895757525任意7501. 2KW198100141. 2KW35任意7502. 5KW19811525. 62. 5KW45 305004KW342200244KW65 155006KW198123556KW65 1535012K

3、W2161606512KW65 15250普通镝灯线路的设计随着技术的进步、 铁磁材料导磁率的提高逐步使体积重量下降; 而各厂 家大同小异( 见图 14) 。镇流器是镝灯的重要组成部分, 其作用: 1) 起弧时, 提供一个电阻避免电源短路并有效地延长电极和灯泡的寿命; 2) 消除电网中微小的波 动; 3) 在灯泡整个寿命期间使电压与电流维持恒定的关系( 随着灯泡的老化和电极的烧蚀, 间隙 增大, 造成电流减小, 电压增高) ; 4) 降低灯管电压, 限制灯泡的电流; 5) 使灯泡电弧稳定地燃烧。 镇流器的设计比较简单, 灯泡的工作电压、电流、 频率都是已知的, 选用磁密转高的铁芯即 可如常规方

4、法计算。为了提高整个灯具的功率因数, 一般加上C2 以提高 Cos? 值。整个镇流器功率损耗小于 总输入功率的 5%。镇流器消耗功率一般可用如下公式计算:W镇= K ( V镇?I镇)2 3其中, K= 0. 37, W镇是镇流器消耗的有效功率W, V镇I镇是镇流器的视在功率( VA) 。前面分析过, 当电源电压在镇流器情况下,超前灯管电流 90 。图 15 显示表明, 当灯管电流 等于零时, 电源电压通过镇流器全部加在灯管两端, 只要这个电压大于Vp, 就可以使灯管熄灭时间为零。29影视技术 2000 年第 10 期 总字第 267期 应用技术研究数 学计 算 可 以证 明,灯管电压有效值 电

5、源电压有效值0. 76时, 就可以使灯管熄灭时间为零。 所以, 我们通过表 2 看到灯管电压均满足这个常数。L. 灯泡 Z.升压线圈( 触发器、 启动器) T. 触发开关D. 电抗器( 电感、 镇流器) C1. 为点火触发电容C2. 补偿电容( 提高 ) S. 总开关图 14V. 电源电压 Vp. 灯管电压I. 灯管电源图 15 从图 14 可以看出, 触发器是一个重要部件。触发器有许多种形式, 但基本功能只有一个: 产 生高压使灯泡点燃。触发器可以分成许多种: 1) 变压器火花型;2) 直流供电的振子火花型; 3) 交流供电的振子火花型; 4) 晶体管火花型; 5) 继电器火花型。B1. 高

6、压变压器 B2. 脉冲变压器 C1. 谐振电容C2. 抗干扰电容 C3. 高频旁路电容SG. 火花放电间隙 K. 触发按钮 L. 限流电感图 16目前国外产品多数用变压器火花型触发器 ( 见图 16) , 其结构简单可靠, 以图 16 和图 17 相比较, 几乎完全相同。我们认真分析其中一个即可了解其它品种( 见图 16) 。B1的付边产生一个5000V 的高压, 给 L1、 C1、 SG 振荡回路以能量。B2是脉冲变压器, 把高频振荡电压升高至一定幅值而使 Lp 灯管击穿。 B1付边的交流高压给C1充电, C1两端电位差高使 SG 火花隙两极电场加 强, 并电离产生火花。火花放电时发生的电流

7、是交变的, 即电流方向大小起周期变化, 而且电流强度是一个周期一个周期逐渐衰减到零的。于 是, 在火花隙里就有许多周期交换方向的放电,在放电的一瞬回路中就有高频振荡电流产生。 如此反复, 其振荡频率 fo=1 2?LC, 改变间隙 d值, 即可起到限幅作用, 也可调整振荡频率( 见图18) 。 当然, 为了防止电极在高压作用下产生电极溅散, 缩短灯的寿命, 在保证能启动的前提下, 应尽可能选择较低的变频高压, 振荡频率在 500Hz 为宜。电压的高低按灯管击穿电压用 B2 原付边匝数比反推过来即可。图 17火花隙间距 d 与输出波形( 电压、 频率)的关系图 18四、 交流镝灯频闪的产生交流镝

8、灯由于灯管电弧特性和普通镇流器的特点决定了这种灯具在拍摄时, 一旦摄影机叶 子板角度和电源频率、 拍摄格数配合不好, 就会30影视技术 2000 年第 10 期 总字第 267期 应用技术研究在胶片上出现闪烁或部分黑幅。镝灯电流、 电压与光输出的关系图 19图 19 显示了光输出与电源之间的关系。由于电感的影响使电压产生了畸变, 而光与电流是同步的, 光输出的频率是电源频率的两倍, 光输 出随时间的变化称为闪烁效应。 影视界称之为频闪。其闪烁系数定义为:F =Imax- Imin Imax+ Imin 100%由表 3 可见, 由于各种灯结构上的差异, 其F 值也不相同, 镝灯 F 值很低对胶

9、片曝光是很不利的。图 21 目前通用的电子阻抗框图表 3 F 值的比较灯种F%高压汞灯75钠铟卤化物灯38镝灯17图 20实践证明, 电源频率为 50Hz, 摄影机格数为 25 格/ 秒, 每个画格则有两个完整的光脉冲, 叶 子板角度可任意开; 而通常为电源 50Hz 而拍摄 速度是 24 格/ 秒, 那么选择 172. 8 开角的叶子 板, 积累允误也很小, 是不会发生闪烁的。 这三者之间应满足: 叶子板角度= 拍摄频率 360 电源频率, 误差在 3%是允许的。如以较低的摄影频率或较宽的叶子板开角 来拍摄, 则每格曝光用两次以上的光脉冲; 反之, 如以较高的摄影频率或较小的叶子板开角, 则

10、每 格要少于 2 个光脉冲; 如果频率正好被每秒格数 整除, 则可以用任意叶子板角度。 五、 克服频闪的办法 鉴于普通交流镝灯的频闪是由闪烁系数过 低造成的。 因为灯管发光频闪越低越难以保证不 发生频闪, 所以对策通常有如下三种: 1) 用直流供电给直流镝灯。 但因为前述的原 因已逐渐不用此法; 2) 用三相交流电供给三路交流镝灯照同一 个景物, 利用三相之间 120 相位差减弱单相灯 具的闪烁。但实际难以操作; 3) 用电子技术使交流正弦波改成方波, 并可 提高频率。 用电子阻抗是国际上通用的方法。 由于电子 技术的迅速发展, 使得电子阻抗可以将频率做得 很高, 而波形的矩形度也可做得很好。

11、这样在每 个画幅内有较多的连续的方波光脉冲, 而方波与 方波之间由于矩形度好而间隙被认为小到可以 忽略的情况, 此时光输出是一条波动很小的直 线。 实践证明, 当供给灯泡电源方波的频率在 200Hz 以上时, 会使灯泡发生可以听到的尖叫。 我认为是金属原子的振荡, 而频率再高, 噪音会 移出人的听觉范围, 并会引起电子阻抗成本的增 加, 且就最终目的而言, 也似乎不必要。为此, 生 产者多追求波的矩形度, 使原正弦波的上升下降 时间缩短; 再就是提高 23 倍的频率, 即可满足 高速拍摄情况下有足够多的光脉冲, 而积累误差 又可忽略不计, 同时不致引起制做成本的增加。交流电通过大功率全波整流加

12、到调压电路 中, 由电流测量所反馈的信号通过脉宽发生器PWM 进行调整, 使供给 H 输出电路的输入电压31影视技术 2000 年第 10 期 总字第 267期 应用技术研究在一个可控的合适范围内。 方波发生器产生一个频率可调的正负方波, 其方波的矩形度要求很 高, 以触发 H 型输出桥。触发 H 桥的 IC 要保证 有足够的死区间隔, 以防止正负方波上升和下降 沿重合, 以致使功率输出的 H 桥发生短路。 H 型 输出桥是由 2 只 IGBT 的 4 个元件构成的, 这是 本线路的核心。H 桥产生大功率的正负方波以 推动镝灯泡燃弧。成熟的电子技术使得要想得到某一结果可 以有许多的方案来完成:

13、 典型的开关电源、 全波 整流及 PWM 电路、 方波发生器都可以由定型完 整的IC 集成电路来完成。 功率推动部分是完成方波电源点燃灯管而 不会频闪的关键。图 23绝大多数生 产 者 选用 IGBT 作为功率元件是 有道理的。IGBT 又称为绝缘栅双 极晶体管, 是目前 电力电子器件中 功率频率乘积指 数最高的器件, 其 符号如图 22, 特 性见图 23。它是 一种既可控制开 通, 又可控制关断 的绝缘栅。 由特性 曲线可知, 对于已在导通状态下的 IGBT 如果想 令其转入关断状态, 只须栅板 VG= 0 即可。而 且, IGBT 有优良的通态, 电流密度高, 正反向阻 断力强, 所以可

14、以得到矩形度很高的方波, 而且 有卓越的高温通态特性。试验证明, 在散热器温 度近 200 C 时也能正常工作, 非常适合电影拍摄 的恶劣条件。 图 24、 图 25 是反映 H 桥电路的基本形态和 各点的波形图。当 Q1、 Q2的 G 极 上 加一 个正 方 波, 而 Q3Q4G 上无电位时, Q1, Q2导通, 有 IQ1经过 Lp 通过Q2到负端, Q3Q4截止。此时, 灯泡 Lp 上流 过的矩形波 I 引起电弧, 瞬时 Q1Q2的 G 上无电 位而 Q1Q2截止, IQ1= 0。并在 2ns 以后, 另一个 方形使Q3Q4开通, 有 IQ3= IQ4的电流流过灯泡 Lp, 产生一个与前

15、一个方波方向相反的电流, 并 使灯泡燃弧。 由于灯泡电极间有一个正负大小相等转换间隙十分短的方波, 而使燃弧看起来是很 连续的。 其实, 方波的矩形度越好, 对于频率的要 求就显得越不那么重要了。但实际上, 由于各种 因素的影响, 如灯头线、 分布电感电容的影响, 方 波不太可能做得那么标准。 所以一般用提高一些 频率做为一些补偿, 以综合的优势达到无频闪的 目的。图 24在这个电路 中, 避免误动作是 关键, 这需要选择 很好的 IGBT 的专用推动芯片, 一 般会有许多种可 供 选 择。美 国 IR2110 是比较好 的芯片, 其正负方 波的死区时间在 2ns 级, 理论上是绝对可以避免发生 H 桥短路。但由于灯泡的负阻特性带来的不稳定性, 及电源 的波动等, 还是使 IGBT 常常烧毁。所以在实际 电路中, 加了很多小电路和元件, 以减少难以把 握因素带来的破坏。图 25随着电子技术的进步, 免维护、 高可靠的电 子阻抗一定会越做越好, 以取代笨重的镇流器。 当然, 灯泡理论的突破将会引起气体燃弧灯泡的巨大革命, 完全抛掉阻抗会成为可能。 目前, 电光 源界正在致力于研制生产正伏安特性的电弧光 源, 这将成为无镇流器气体光源。相信不远的将 来, 一定能成功!32影视技术 2000 年第 10 期 总字第 267期 应用技术研究