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熒光燈陰極預(yù)熱方式比較:智能PTC熱敏電阻與PTCR

發(fā)布時(shí)間:2011-07-19

中心議題:
  • 熒光燈陰極預(yù)熱方式討論
  • 智能PTC熱敏電阻與PTCR的比較
解決方案:
  • 采用智能型PTC熱敏電阻

1.前言


目前的熒光燈絕大多數(shù)為陰極預(yù)熱式產(chǎn)品。人們?yōu)榱颂岣邿晒鉄艄艿墓庑Р⒀娱L(zhǎng)其使用壽命,在配套電器方面作了大量深入的研究工作,包括鎮(zhèn)流器線路拓?fù)涞倪x擇和陰極預(yù)熱方式的選擇等。以期電子器件與對(duì)應(yīng)的熒光燈管相匹配,達(dá)到充分發(fā)揮熒光燈管的光效和使照明環(huán)境更舒適更節(jié)能的效果。本文參照熒光燈IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)GB標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于陰極預(yù)熱起動(dòng)的要求,對(duì)常見的陰極預(yù)熱方式進(jìn)行了分析,認(rèn)為采用智能熱敏電阻是熒光燈陰極預(yù)熱啟動(dòng)的最佳方案。

2.陰極預(yù)熱的目的

陰極預(yù)熱式熒光燈的電極是一個(gè)極為重要的零件。熒光燈使用時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于電極的壽命。對(duì)交流電源來(lái)說(shuō),該電極既是陰極又是陽(yáng)極。電極上涂有碳酸鋇、碳酸鍶和碳酸鈣為主的電子發(fā)射材料。這些材料只有當(dāng)陰極的工作溫度在900℃~1000℃時(shí)才能充分發(fā)射電子。另一方面,陰極通過預(yù)熱放出大量電子,使燈的啟動(dòng)電壓降低,通常降低到陰極未預(yù)熱啟動(dòng)電壓的二分之一到三分之一。電壓的降低減少了相關(guān)電子元器件所承受的電應(yīng)力,從而降低了整燈的故障率,延長(zhǎng)了使用壽命。為此,陰極預(yù)熱納入了IEC和我國(guó)GB標(biāo)準(zhǔn),明確規(guī)定此類熒光燈在點(diǎn)亮前必須經(jīng)過陰極預(yù)熱,并對(duì)各種型號(hào)規(guī)格熒光燈的預(yù)熱時(shí)間和預(yù)熱電流參數(shù)提出了要求。

圖1電子鎮(zhèn)流器簡(jiǎn)化電路圖

3.陰極預(yù)熱啟動(dòng)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

以往,熒光燈多采用電感式工頻鎮(zhèn)流器。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,電子鎮(zhèn)流器以其體積小、重量輕、功耗少、無(wú)頻閃、無(wú)噪音、光效高等優(yōu)點(diǎn),逐步取代電感式鎮(zhèn)流器已成為必然趨勢(shì)。在電子鎮(zhèn)流器發(fā)展過程中,陰極預(yù)熱問題一直是電子鎮(zhèn)流器技術(shù)研究的重點(diǎn)之一。

電子鎮(zhèn)流器的啟動(dòng)電壓是由限流電感L和啟動(dòng)電容C1組成的L-C1串聯(lián)諧振電路在C1兩端產(chǎn)生的諧振電壓。簡(jiǎn)化電路如圖1所示。L-C1的品質(zhì)因數(shù)Q=1/ωC1R=ωL/R,式中R為L(zhǎng)-C1回路的損耗電阻,ω為L(zhǎng)-C1回路的工作角頻率。在L-C1回路對(duì)高頻振蕩電路的輸出電壓V1諧振時(shí),限流電感L或C1上的電壓VR=QV1。合理設(shè)計(jì)限流電感L和電容C1的參數(shù),可使C1上的諧振電壓VR達(dá)到使燈管點(diǎn)亮的值。陰極不進(jìn)行預(yù)熱的電路,電源一接通燈即點(diǎn)亮,這對(duì)陰極損傷很厲害,會(huì)使燈管根部很快變黑,使燈管壽命變短。
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為解決熒光燈陰極預(yù)熱問題,人們利用了正溫度系數(shù)熱敏電阻(以下簡(jiǎn)稱PTCR)。其溫阻特性曲線如圖2所示。曲線中的TB點(diǎn)是PTCR的開關(guān)溫度(阻值增大到最小值兩倍時(shí)的溫度)。PTCR的體溫高于TB點(diǎn)后,隨著溫度的升高,PTCR的電阻就會(huì)驟變到很高的值,利用PTCR的這一特性設(shè)計(jì)的預(yù)熱啟動(dòng)電路如圖3所示。當(dāng)電路接通的瞬間,高頻電源的輸出電壓V0加到燈管兩端,見圖4,此時(shí),由于熱敏電阻PTCR對(duì)諧振回路構(gòu)成分流,使回路的Q值很低,燈管兩端不能形成高壓,也就不能點(diǎn)亮燈管。同時(shí),高頻電流通過電感L燈絲Rf和熱敏電阻PTCR,對(duì)陰極進(jìn)行預(yù)熱,經(jīng)過t1(GB規(guī)定大于0.4秒)的時(shí)間后,PTCR因通過電流,體溫升高,電阻值迅速增大,減弱了對(duì)諧振回路的分流。當(dāng)阻值增大到一定值時(shí),諧振回路起振,諧振電壓幅值V2增大到把燈管點(diǎn)亮。燈管點(diǎn)亮?xí)r(t2),燈管呈現(xiàn)負(fù)阻特性,即燈管電流增大,燈管兩端電壓V3降到額定的工作電壓值,預(yù)熱啟動(dòng)過程結(jié)束,燈管轉(zhuǎn)入正常工作。


圖2 PTCR溫阻曲線圖
 

圖3 PTCR預(yù)熱啟動(dòng)電路
 

圖4 PTCR預(yù)熱啟動(dòng)過程圖
 

圖5 PTCR的電壓效應(yīng)
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問題在于燈管正常工作后,熱敏電阻PTCR始終處于熱動(dòng)平衡狀態(tài),這是因?yàn)闊崦綦娮璨荒芡耆钄鄬?duì)燈陰極的分流,熱敏電阻體溫的高低影響著通過電流的大小。通過電流的大小又影響到熱敏電阻體溫的變化。具體地講,當(dāng)PTCR呈現(xiàn)高阻狀態(tài)時(shí),電流減小,PTCR體溫隨之降低,阻值便減小,又導(dǎo)致流過PTCR的電流增大,如此循環(huán)使熱敏電阻始終處于變化狀態(tài)之中。這種狀態(tài)有如下危害:

⑴ PTCR在預(yù)熱啟動(dòng)電路中始終有功耗,一般為總功率的4%。使電子鎮(zhèn)流器或電子節(jié)能燈的流明系數(shù)降低。經(jīng)測(cè)試,40W熒光燈電子鎮(zhèn)流器PTCR的功耗大于1.6W,18W電子節(jié)能燈PTCR的功耗在0.8W左右。按每瓦功率發(fā)出光通量50流明計(jì),40W和18W的電子鎮(zhèn)流器因此而分別損失70和40流明。

⑵ PTCR的功耗產(chǎn)生的熱量使緊湊型熒光燈和電子鎮(zhèn)流器殼內(nèi)的溫度升高,會(huì)造成其它電子元件特別是晶體管和電解電容器損壞,使故障率上升。

⑶ 熒光燈點(diǎn)亮后,燈絲回路因PTCR的存在,始終有電流通過燈絲,由此而形成發(fā)射電流,縮短了陰極的使用壽命。

⑷ 預(yù)熱電路中的PTCR在燈管點(diǎn)亮后,仍處于80℃以上的高溫環(huán)境下,易造成PTCR晶界電阻性能的蛻化,使溫阻系數(shù)改變,預(yù)熱時(shí)間變長(zhǎng)。蛻化嚴(yán)重時(shí)啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生的沖擊電流會(huì)燒壞功率管。如果陰極長(zhǎng)時(shí)間處在預(yù)熱啟動(dòng)狀態(tài),最終將會(huì)損壞燈管和電子鎮(zhèn)流器。

⑸ PTCR最難滿足耐高壓這一指標(biāo)。當(dāng)PTCR并聯(lián)于燈管兩端時(shí),要承受較大的開路電壓(一般為1000V左右),這時(shí)PTCR的溫阻曲線在高于開關(guān)溫度以后,上升遲緩,如圖5所示。另外,當(dāng)高頻電流經(jīng)過PTCR時(shí),也會(huì)使其溫阻特性曲線在高于開關(guān)溫度TB后上升遲緩,如圖6所示。這些都會(huì)使PTCR對(duì)燈絲的預(yù)熱性能變差。

另外,我們測(cè)試證明PTCR呈現(xiàn)有相當(dāng)?shù)碾娙萘?。在頻率較高的線路中,使用PTCR與啟動(dòng)電容C1并聯(lián),會(huì)直接破壞鎮(zhèn)流器的輸出特性。特別是T5型熒光燈,一般要求電子鎮(zhèn)流器的工作頻率在50kHz以上,對(duì)其輸出特性影響更嚴(yán)重。

圖6 PTCR的頻率效應(yīng)
 
圖7 氧化鋅壓敏電阻伏安特性
 
盡管采用PTCR對(duì)陰極進(jìn)行預(yù)熱的方式存在著上述缺點(diǎn),但目前照明行業(yè)生產(chǎn)的電子鎮(zhèn)流器,凡具備預(yù)熱功能的,絕大多數(shù)仍著采用PTCR預(yù)熱方式,在緊湊型電子節(jié)能燈中,幾乎全部采用PTCR作為預(yù)熱啟動(dòng)元件。雖然在陰極預(yù)熱方式上存在許多其它的預(yù)熱電路和器件,并有不少專利,但或者因其電路復(fù)雜、成本高,或者因其有機(jī)械觸點(diǎn)可靠性差、壽命難以保證等原因,而未能推廣采用。因此在PTCR預(yù)熱啟動(dòng)的基礎(chǔ)上,改進(jìn)預(yù)熱元件的性能,使其既能實(shí)現(xiàn)預(yù)熱啟動(dòng)的要求,又能在燈管點(diǎn)亮后,自動(dòng)關(guān)斷預(yù)熱電路,就成為眾多照明器件廠家進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)的目標(biāo)。
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4.新型熒光燈陰極預(yù)熱啟動(dòng)元件——智能型PTC熱敏電阻

在對(duì)熒光燈陰極預(yù)熱技術(shù)進(jìn)行了充分研究的基礎(chǔ)上,從理論上突破了對(duì)敏感材料應(yīng)用方面的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí),巧妙地利用了敏感材料的固有特性和一般氣體放電燈的負(fù)阻特性,我們研制成功了既能滿足熒光燈燈絲預(yù)熱要求,又能自動(dòng)關(guān)斷的智能元件。

其實(shí)施方案是:把具有適當(dāng)阻值及開關(guān)溫度TB的PTC延遲型熱敏電阻同具有適當(dāng)?shù)膲好綦妷篣1mA(在此電壓下壓敏電阻Rz的通流為1mA)和通流量的壓敏電阻Rz進(jìn)行串聯(lián)復(fù)合,使成為智能電阻Ri,用以取代電子鎮(zhèn)流器及電子節(jié)能燈中的普通熱敏電阻PTCR。PTCR的溫阻特性已示于圖2,氧化鋅壓敏電阻的伏安特性,如圖7所示。從圖7可看出,氧化鋅壓敏電阻是對(duì)電壓非常敏感的器件,其通流值隨所施加的電壓值的增大而急劇增大,把PTCR和壓敏電阻Rz串聯(lián)復(fù)合成智能電阻Ri,接在電子鎮(zhèn)流器的燈絲預(yù)熱回路中(如圖3所示,去掉普通的PTCR,代之以Ri即可),其作用過程如下:當(dāng)接通電源瞬間,電子鎮(zhèn)流器的開路輸出電壓(一般為1000VP-P左右),使壓敏電阻Rz導(dǎo)通。適當(dāng)選擇U1mA,使導(dǎo)通電流等于該燈管的燈絲預(yù)熱電流)燈絲電流經(jīng)Ri流過。適當(dāng)?shù)剡x擇PTCR阻值、體積及開關(guān)溫度TB,使在0.4s(1s達(dá)到此開關(guān)溫度后,Ri中的PTCR阻值驟增至高阻狀態(tài)。這樣,一方面限制了壓敏電阻的通流量,一方面使Ri=Rz+PTCR支路近于開路,這時(shí)由L和C1構(gòu)成的串聯(lián)諧振回路(見圖3)起振,諧振電壓U2(見圖4)增大到把燈管點(diǎn)亮,燈點(diǎn)亮后呈負(fù)阻特性,燈管兩端電壓下降到燈管正常工作電壓,此燈管工作電壓一般遠(yuǎn)低于所選定的壓敏電阻的壓敏電壓U1mA,所以,燈點(diǎn)亮后,Rz自行關(guān)斷。Ri=Rz+PTCR處于“休閑狀態(tài)”。

可見,該智能型PTC熱敏電阻是利用PTC熱敏電阻的延遲特性來(lái)完成燈絲預(yù)熱時(shí)間和PTC熱敏電阻的限流特性來(lái)保護(hù)壓敏電阻Rz不至于“過荷”而燒壞;又利用壓敏電阻Rz的壓敏電壓U1mA特性和熒光燈管的負(fù)阻特性滿足預(yù)熱電流并關(guān)斷預(yù)熱回路。這樣Rz與PTCR的串聯(lián)復(fù)合體-智能熱敏電阻Ri,就能完成熒光燈燈絲預(yù)熱及"關(guān)斷”功能。使用智能熱敏電阻Ri,不需要改變?cè)娮渔?zhèn)流器的電路參數(shù),只需用相應(yīng)規(guī)格的智能熱敏電阻Rpi替換PTCR即可。使用中,接通電源,智能熱敏電阻就通過電流對(duì)燈絲進(jìn)行預(yù)熱,在燈管點(diǎn)亮后,智能熱敏電阻近于開路狀態(tài),關(guān)斷了預(yù)熱回路,自身功耗近于零,相當(dāng)于一個(gè)無(wú)觸點(diǎn)的自動(dòng)開關(guān)。

在電子鎮(zhèn)流器或電子節(jié)能燈上使用智能熱敏電阻有如下特點(diǎn)和優(yōu)越性


(1) 完全可以按各種規(guī)格的熒光燈預(yù)熱電流的要求,在0.4s~2s的時(shí)間里,使燈絲達(dá)到預(yù)熱要求。如菲利浦照明電子(上海)公司對(duì)燈絲的預(yù)熱效果,是用燈絲的熱態(tài)與冷態(tài)電阻之比描述的。他們測(cè)試了智能熱敏電阻的預(yù)熱效果,熱態(tài)電阻與冷態(tài)電阻與之比在4~5之間,完全符合其預(yù)熱要求。又如上海浦東某獨(dú)資照明公司在26W電子節(jié)能燈上使用智能熱敏電阻,各項(xiàng)參數(shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求

(2) 智能熱敏電阻在熒光燈管點(diǎn)亮后,功耗幾乎為零,與PTCR相比,相應(yīng)提高光通量(40~80)流明。同時(shí)可使電子鎮(zhèn)流器或電子節(jié)能燈殼體內(nèi)溫度降低,在18W電子節(jié)能燈殼內(nèi)溫度降低(3~5)℃,從而降低了晶體管及電解電容器的熱損壞率,提高了整燈的可靠性。

(3) 智能熱敏電阻在燈管點(diǎn)亮后,關(guān)斷了預(yù)熱回路的電流,這不僅防止了自身性能的蛻化,也減少了燈絲的熱發(fā)射,延長(zhǎng)了燈管的使用壽命,如威海北洋集團(tuán)燈管廠在18W電子節(jié)能燈上使用智能熱敏電阻,通斷10萬(wàn)次之后,解剖觀察陰極,大部分電子粉顏色為白色,陰極損耗正常,北洋照明電器公司進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后認(rèn)為:在相同條件下,智能熱敏電阻與PTCR相比,燈管發(fā)黑的程度要輕得多,只有PTCR的一半左右,他們的結(jié)論是:采用智能熱敏電阻預(yù)熱啟動(dòng),可延長(zhǎng)燈管壽命。

(4) 智能熱敏電阻由于其結(jié)構(gòu)上的原因,能充分適應(yīng)電子鎮(zhèn)流器和電子節(jié)能燈產(chǎn)生的高頻高壓的作用條件。經(jīng)過10000次的模擬開關(guān)試驗(yàn)后,智能熱敏電阻的預(yù)熱啟動(dòng)特性基本不變。對(duì)于燈管老化、燈陰極失去激活、不易啟動(dòng)的情況,電子鎮(zhèn)流器輸出呈開路狀態(tài),其開路電壓一般在10000V(GB標(biāo)準(zhǔn)要求小于1500V),此時(shí),智能熱敏電阻仍能承受5s(標(biāo)準(zhǔn)要求鎮(zhèn)流器元件能耐異常狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間為5s)的高頻高壓,經(jīng)過200次的異常狀態(tài)試驗(yàn),預(yù)熱啟動(dòng)特性變化不顯著。(一般電子鎮(zhèn)流器均有異常狀態(tài)保護(hù)電路,當(dāng)燈管老化、燈不易啟動(dòng)、輸出端出現(xiàn)高壓、大電流時(shí),保護(hù)電路一般會(huì)在2s內(nèi)動(dòng)作,因此,智能熱敏電阻所承受的高頻高壓時(shí)間一般只有2s左右,不會(huì)到5s,其安全裕度是足夠充分的。

(5) 智能熱敏電阻自身呈現(xiàn)的電容值很小,對(duì)電子鎮(zhèn)流器的輸出特性沒有影響。

總結(jié):
總之,節(jié)能燈用智能型PTC熱敏電阻以其獨(dú)有的自動(dòng)通斷性能,克服了PTC在熒光燈陰極預(yù)熱問題上存在的缺點(diǎn),而且性能價(jià)格比也比較優(yōu)越,使用安全可靠,是電子鎮(zhèn)流器和電子節(jié)能燈比較理想的預(yù)熱元件。
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