- 熒光燈陰極預熱方式討論
- 智能PTC熱敏電阻與PTCR的比較
- 采用智能型PTC熱敏電阻
1.前言
目前的熒光燈絕大多數為陰極預熱式產品。人們為了提高熒光燈管的光效并延長其使用壽命，在配套電器方面作了大量深入的研究工作，包括鎮流器線路拓撲的選擇和陰極預熱方式的選擇等。以期電子器件與對應的熒光燈管相匹配，達到充分發揮熒光燈管的光效和使照明環境更舒適更節能的效果。本文參照熒光燈IEC標準和我國GB標準中關于陰極預熱起動的要求，對常見的陰極預熱方式進行了分析，認為采用智能熱敏電阻是熒光燈陰極預熱啟動的最佳方案。
2.陰極預熱的目的
陰極預熱式熒光燈的電極是一個極為重要的零件。熒光燈使用時間的長短主要取決于電極的壽命。對交流電源來說，該電極既是陰極又是陽極。電極上涂有碳酸鋇、碳酸鍶和碳酸鈣為主的電子發射材料。這些材料只有當陰極的工作溫度在900℃～1000℃時才能充分發射電子。另一方面，陰極通過預熱放出大量電子，使燈的啟動電壓降低，通常降低到陰極未預熱啟動電壓的二分之一到三分之一。電壓的降低減少了相關電子元器件所承受的電應力，從而降低了整燈的故障率，延長了使用壽命。為此，陰極預熱納入了IEC和我國GB標準，明確規定此類熒光燈在點亮前必須經過陰極預熱，并對各種型號規格熒光燈的預熱時間和預熱電流參數提出了要求。
圖1電子鎮流器簡化電路圖
3.陰極預熱啟動技術的發展狀況
以往，熒光燈多采用電感式工頻鎮流器。隨著電子技術的發展，電子鎮流器以其體積小、重量輕、功耗少、無頻閃、無噪音、光效高等優點，逐步取代電感式鎮流器已成為必然趨勢。在電子鎮流器發展過程中，陰極預熱問題一直是電子鎮流器技術研究的重點之一。
電子鎮流器的啟動電壓是由限流電感L和啟動電容C1組成的L-C1串聯諧振電路在C1兩端產生的諧振電壓。簡化電路如圖1所示。L-C1的品質因數Q=1/ωC1R=ωL/R，式中R為L-C1回路的損耗電阻，ω為L-C1回路的工作角頻率。在L-C1回路對高頻振蕩電路的輸出電壓V1諧振時，限流電感L或C1上的電壓VR=QV1。合理設計限流電感L和電容C1的參數，可使C1上的諧振電壓VR達到使燈管點亮的值。陰極不進行預熱的電路，電源一接通燈即點亮，這對陰極損傷很厲害，會使燈管根部很快變黑，使燈管壽命變短。
[page]
為解決熒光燈陰極預熱問題，人們利用了正溫度系數熱敏電阻（以下簡稱PTCR）。其溫阻特性曲線如圖2所示。曲線中的TB點是PTCR的開關溫度（阻值增大到最小值兩倍時的溫度）。PTCR的體溫高于TB點后，隨著溫度的升高，PTCR的電阻就會驟變到很高的值，利用PTCR的這一特性設計的預熱啟動電路如圖3所示。當電路接通的瞬間，高頻電源的輸出電壓V0加到燈管兩端，見圖4，此時，由于熱敏電阻PTCR對諧振回路構成分流，使回路的Q值很低，燈管兩端不能形成高壓，也就不能點亮燈管。同時，高頻電流通過電感L燈絲Rf和熱敏電阻PTCR，對陰極進行預熱，經過t1（GB規定大于0.4秒）的時間后，PTCR因通過電流，體溫升高，電阻值迅速增大，減弱了對諧振回路的分流。當阻值增大到一定值時，諧振回路起振，諧振電壓幅值V2增大到把燈管點亮。燈管點亮時（t2），燈管呈現負阻特性，即燈管電流增大，燈管兩端電壓V3降到額定的工作電壓值，預熱啟動過程結束，燈管轉入正常工作。
圖2 PTCR溫阻曲線圖
圖3 PTCR預熱啟動電路
圖4 PTCR預熱啟動過程圖
圖5 PTCR的電壓效應
問題在于燈管正常工作后，熱敏電阻PTCR始終處于熱動平衡狀態，這是因為熱敏電阻不能完全阻斷對燈陰極的分流，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PTCR呈現高阻狀態時，電流減小，PTCR體溫隨之降低，阻值便減小，又導致流過PTCR的電流增大，如此循環使熱敏電阻始終處于變化狀態之中。這種狀態有如下危害：
⑴ PTCR在預熱啟動電路中始終有功耗，一般為總功率的4％。使電子鎮流器或電子節能燈的流明系數降低。經測試，40W熒光燈電子鎮流器PTCR的功耗大于1.6W，18W電子節能燈PTCR的功耗在0.8W左右。按每瓦功率發出光通量50流明計，40W和18W的電子鎮流器因此而分別損失70和40流明。
⑵ PTCR的功耗產生的熱量使緊湊型熒光燈和電子鎮流器殼內的溫度升高，會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，由此而形成發射電流，縮短了陰極的使用壽命。
⑷ 預熱電路中的PTCR在燈管點亮后，仍處于80℃以上的高溫環境下，易造成PTCR晶界電阻性能的蛻化，使溫阻系數改變，預熱時間變長。蛻化嚴重時啟動瞬間產生的沖擊電流會燒壞功率管。如果陰極長時間處在預熱啟動狀態，最終將會損壞燈管和電子鎮流器。
⑸ PTCR最難滿足耐高壓這一指標。當PTCR并聯于燈管兩端時，要承受較大的開路電壓（一般為1000V左右），這時PTCR的溫阻曲線在高于開關溫度以后，上升遲緩，如圖5所示。另外，當高頻電流經過PTCR時，也會使其溫阻特性曲線在高于開關溫度TB后上升遲緩，如圖6所示。這些都會使PTCR對燈絲的預熱性能變差。
另外，我們測試證明PTCR呈現有相當的電容量。在頻率較高的線路中，使用PTCR與啟動電容C1并聯，會直接破壞鎮流器的輸出特性。特別是T5型熒光燈，一般要求電子鎮流器的工作頻率在50kHz以上，對其輸出特性影響更嚴重。
圖6 PTCR的頻率效應
圖7 氧化鋅壓敏電阻伏安特性
盡管采用PTCR對陰極進行預熱的方式存在著上述缺點，但目前照明行業生產的電子鎮流器，凡具備預熱功能的，絕大多數仍著采用PTCR預熱方式，在緊湊型電子節能燈中，幾乎全部采用PTCR作為預熱啟動元件。雖然在陰極預熱方式上存在許多其它的預熱電路和器件，并有不少專利，但或者因其電路復雜、成本高，或者因其有機械觸點可靠性差、壽命難以保證等原因，而未能推廣采用。因此在PTCR預熱啟動的基礎上，改進預熱元件的性能，使其既能實現預熱啟動的要求，又能在燈管點亮后，自動關斷預熱電路，就成為眾多照明器件廠家進行技術攻關的目標。[page]
4.新型熒光燈陰極預熱啟動元件——智能型PTC熱敏電阻
在對熒光燈陰極預熱技術進行了充分研究的基礎上，從理論上突破了對敏感材料應用方面的傳統認識，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阻特性，我們研制成功了既能滿足熒光燈燈絲預熱要求，又能自動關斷的智能元件。
其實施方案是：把具有適當阻值及開關溫度TB的PTC延遲型熱敏電阻同具有適當的壓敏電壓U1mA（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進行串聯復合，使成為智能電阻Ri，用以取代電子鎮流器及電子節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串聯復合成智能電阻Ri，接在電子鎮流器的燈絲預熱回路中（如圖3所示，去掉普通的PTCR，代之以Ri即可），其作用過程如下：當接通電源瞬間，電子鎮流器的開路輸出電壓（一般為1000VP-P左右），使壓敏電阻Rz導通。適當選擇U1mA,使導通電流等于該燈管的燈絲預熱電流）燈絲電流經Ri流過。適當地選擇PTCR阻值、體積及開關溫度TB，使在0.4s(1s達到此開關溫度后，Ri中的PTCR阻值驟增至高阻狀態。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，這時由L和C1構成的串聯諧振回路（見圖3）起振，諧振電壓U2（見圖4）增大到把燈管點亮，燈點亮后呈負阻特性，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低于所選定的壓敏電阻的壓敏電壓U1mA，所以，燈點亮后，Rz自行關斷。Ri=Rz＋PTCR處于“休閑狀態”。
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完成燈絲預熱時間和PTC熱敏電阻的限流特性來保護壓敏電阻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阻特性滿足預熱電流并關斷預熱回路。這樣Rz與PTCR的串聯復合體－智能熱敏電阻Ri，就能完成熒光燈燈絲預熱及"關斷”功能。使用智能熱敏電阻Ri，不需要改變原電子鎮流器的電路參數，只需用相應規格的智能熱敏電阻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燈絲進行預熱，在燈管點亮后，智能熱敏電阻近于開路狀態，關斷了預熱回路，自身功耗近于零，相當于一個無觸點的自動開關。
在電子鎮流器或電子節能燈上使用智能熱敏電阻有如下特點和優越性
（1） 完全可以按各種規格的熒光燈預熱電流的要求，在0.4s～2s的時間里，使燈絲達到預熱要求。如菲利浦照明電子（上海）公司對燈絲的預熱效果，是用燈絲的熱態與冷態電阻之比描述的。他們測試了智能熱敏電阻的預熱效果，熱態電阻與冷態電阻與之比在4～5之間，完全符合其預熱要求。又如上海浦東某獨資照明公司在26W電子節能燈上使用智能熱敏電阻，各項參數均符合標準要求
（2） 智能熱敏電阻在熒光燈管點亮后，功耗幾乎為零，與PTCR相比，相應提高光通量(40～80)流明。同時可使電子鎮流器或電子節能燈殼體內溫度降低，在18W電子節能燈殼內溫度降低(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亮后，關斷了預熱回路的電流，這不僅防止了自身性能的蛻化，也減少了燈絲的熱發射，延長了燈管的使用壽命，如威海北洋集團燈管廠在18W電子節能燈上使用智能熱敏電阻，通斷10萬次之后，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行實驗后認為：在相同條件下，智能熱敏電阻與PTCR相比，燈管發黑的程度要輕得多，只有PTCR的一半左右，他們的結論是：采用智能熱敏電阻預熱啟動，可延長燈管壽命。
（4） 智能熱敏電阻由于其結構上的原因，能充分適應電子鎮流器和電子節能燈產生的高頻高壓的作用條件。經過10000次的模擬開關試驗后，智能熱敏電阻的預熱啟動特性基本不變。對于燈管老化、燈陰極失去激活、不易啟動的情況，電子鎮流器輸出呈開路狀態，其開路電壓一般在10000V(GB標準要求小于1500V），此時，智能熱敏電阻仍能承受5s（標準要求鎮流器元件能耐異常狀態的持續時間為5s）的高頻高壓，經過200次的異常狀態試驗，預熱啟動特性變化不顯著。（一般電子鎮流器均有異常狀態保護電路，當燈管老化、燈不易啟動、輸出端出現高壓、大電流時，保護電路一般會在2s內動作，因此，智能熱敏電阻所承受的高頻高壓時間一般只有2s左右，不會到5s，其安全裕度是足夠充分的。
（5） 智能熱敏電阻自身呈現的電容值很小，對電子鎮流器的輸出特性沒有影響。
總結：
總之，節能燈用智能型PTC熱敏電阻以其獨有的自動通斷性能，克服了PTC在熒光燈陰極預熱問題上存在的缺點，而且性能價格比也比較優越，使用安全可靠，是電子鎮流器和電子節能燈比較理想的預熱元件。
