熒光燈常用燈絲預(yù)熱技術(shù)介紹及電路設(shè)計(jì)

 摘要：電子鎮(zhèn)流器由于具有節(jié)能，發(fā)光無頻閃和易于實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)控制（如IEC929附錄E的有關(guān)要求）等一系列優(yōu)點(diǎn)，而得到了廣泛的應(yīng)用。熒光燈如采用適當(dāng)?shù)臒艚z預(yù)熱方法，對(duì)提高熒光燈的壽命有非常重要的作用。介紹了幾種常用的熒光燈燈絲預(yù)熱方法及特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：熒光燈；燈絲電流預(yù)熱型；燈絲電壓預(yù)熱型

1    常用照明方法與特點(diǎn)

    常用的電光源主要有熱致發(fā)光光源，氣體放電發(fā)光光源，固體發(fā)光光源等三類。

    熱致發(fā)光光源如白熾燈，它利用斯涅藩－波爾茲曼定律，即物體溫度越高，它幅射出的能量越大。這可用式（1）表示。

    E=μ×ξ×T⁴（1）

式中：E為物體在溫度T時(shí)單位面積和單位時(shí)間內(nèi)的紅外幅射總能量；

            μ為斯涅藩－波爾茲曼常數(shù)（μ=5.6697×10^－12W/cm²·K⁴），

            ξ為比幅射率，即物體表面幅射本領(lǐng)與黑體幅射本領(lǐng)之比值；

      T為物體的絕對(duì)溫度。

    利用熱致發(fā)光原理制成的電光源制作簡(jiǎn)單，成本低，但是發(fā)光效率低，只有11％左右，而其余的能量則以熱的形式消耗掉（紅外、熱能消耗分別占69％及20％）。

    固體發(fā)光光源，如發(fā)光二極管、等離子體發(fā)光器件等，盡管它們的發(fā)光效率高，但目前還不能做到大功率（如上百瓦），所以，固體發(fā)光器件要進(jìn)入大規(guī)模實(shí)用階段還有一段距離。

    氣體放電發(fā)光器件，如熒光燈（Florescent）、金鹵燈（Hilide）、高強(qiáng)度放電燈（HID）等，它們的發(fā)光效率為普通白熾燈的幾倍。由于氣體放電燈的功率可以做得較大（上千瓦），發(fā)光效率又高，是一種綠色照明光源。其中，熒光燈是一種充有氬氣的低氣壓汞氣體放電燈，發(fā)光效率和壽命都比白熾燈高。熒光燈發(fā)光效率約23％，紅外、熱能占總耗能的36％及41％。熒光燈發(fā)光均勻、亮度適中、光色柔和，是理想的室內(nèi)照明燈，在照明中得到了廣泛的應(yīng)用。熒光燈是通過引燃燈管內(nèi)稀薄汞蒸汽進(jìn)行弧光放電，汞離子受激產(chǎn)生紫外線，激發(fā)燈管內(nèi)壁涂層熒光粉發(fā)出可見光。但是由于熒光燈工作的負(fù)阻特性，在使用時(shí)須配用鎮(zhèn)流器件。

2    有關(guān)熒光燈的燈絲預(yù)熱

    國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC929和我國(guó)的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZBK74012－90，都有關(guān)于電子鎮(zhèn)流器在“正常情況下使用時(shí)，應(yīng)使燈啟動(dòng)，但不對(duì)燈性能造成損害”；“施加陰極預(yù)熱電壓的最短時(shí)間應(yīng)不少于0.4s”和“開路電壓的波峰系數(shù)不得超過1.8；在最低預(yù)熱期間，不得產(chǎn)生即使是極窄的、不影響有效值的電壓峰值”等規(guī)定。

    預(yù)熱啟動(dòng)是指在燈陰極被加熱至熱電子發(fā)射溫度后才觸發(fā)燈。通常采用控制陰極電流進(jìn)行預(yù)熱或控制陰極電壓進(jìn)行預(yù)熱的方式。無論采用哪種方式啟動(dòng)，都應(yīng)滿足下列要求：

    1）在燈陰極達(dá)到電子發(fā)射狀態(tài)之前，燈兩端之間或燈與啟動(dòng)輔助裝置之間的開路電壓應(yīng)保持在低于導(dǎo)致陰極受損害的輝光放電的水平；

    2）在陰極達(dá)到發(fā)射狀態(tài)之后，開路電壓應(yīng)足夠高，可使燈迅速啟動(dòng)而無須重復(fù)多次才能啟動(dòng)；

    3）在陰極已處于發(fā)射狀態(tài)，若開路電壓須升高后才能使燈啟動(dòng)，則開路電壓從低到高的轉(zhuǎn)變過程中，必須在陰極仍處于熱電子發(fā)射溫度期間完成；

    4）在陰極預(yù)熱階段，預(yù)熱電流或預(yù)熱電壓不得過大或過高而使陰極上發(fā)射物質(zhì)因過熱而受到損害。

    燈陰極預(yù)熱啟動(dòng)可分為以下兩種情況。

2.1    采用控制燈陰極電流進(jìn)行的燈絲預(yù)熱

2.1.1    有效預(yù)熱電流和發(fā)射時(shí)間（t_e）

    為使某一類型陰極達(dá)到最低發(fā)射溫度所需的熱量，可用時(shí)間、電流和由該類陰極的物理特性所決定的一個(gè)常數(shù)來表示。這種關(guān)系可由式（2）表示。

    t_e=（2）

式中：t_e為達(dá)到發(fā)射狀態(tài)的時(shí)間，≥0.4s^（1）；

      a為特定類型陰極的常數(shù)；

      i_k為獲得t_e所需的最小燈絲有效預(yù)熱電流（A）；

      i_m為達(dá)到發(fā)射狀態(tài)所需的燈絲最小電流絕對(duì)值（A）^（2）；

    注：（1）達(dá)到發(fā)射狀態(tài)的預(yù)熱時(shí)間<0.4s通常是不可取的，實(shí)踐證明在此時(shí)間內(nèi)不總是可以使陰極燈絲達(dá)到充分預(yù)熱。

    （2）此值是假定從冷態(tài)開始施加燈絲預(yù)熱電流的時(shí)間足夠長(zhǎng)（如≥30s）的情況。

2.1.2    有效預(yù)熱電流的最大值

    可以在短時(shí)間（t≤0.4s）內(nèi)施加較大的燈絲有效預(yù)熱電流而又不損壞陰極，但超過0.4s后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，此電流值應(yīng)逐步減小，直至達(dá)到2s或更長(zhǎng)時(shí)間，此值不得明顯地超過50Hz時(shí)用輝光啟動(dòng)器啟動(dòng)的數(shù)值。

    上述要求的圖解如圖1和圖2所示。

圖1    控制電流進(jìn)行預(yù)熱的鎮(zhèn)流器對(duì)陰極預(yù)熱電流的要求

(a)    開路電壓提高后即將預(yù)熱電流除去的鎮(zhèn)流器

（b）    開路電壓過渡時(shí)間>100ms的鎮(zhèn)流器
 

圖2    控制電流進(jìn)行預(yù)熱的鎮(zhèn)流器對(duì)開路電壓的要求

2.1.3    開路電壓和轉(zhuǎn)換時(shí)間t_s

    在燈的啟動(dòng)過程中，當(dāng)開路電壓在t_e時(shí)被提高，而陰極預(yù)熱過程在t_e時(shí)結(jié)束（預(yù)熱電流中斷）的情況下，開路電壓的轉(zhuǎn)換時(shí)間t_s應(yīng)≤100ms（如圖2所示）。

    在開路電壓的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)陰極始終保持發(fā)射狀態(tài)的情況下，轉(zhuǎn)換時(shí)間t_s可以>100ms。

    由于燈陰極在預(yù)熱時(shí)間達(dá)到t_e時(shí)被加熱到發(fā)射狀態(tài)，因此，在燈啟動(dòng)過渡階段有效預(yù)熱電流不得降低到絕對(duì)最小值（i_m）以下，以確保燈陰極處于發(fā)射狀態(tài)。

    有一些類型的燈規(guī)定，在達(dá)到t_e之前的開路電壓最大值高于或等于達(dá)到t_e之后的開路電壓的最小值，因此，為這類燈設(shè)計(jì)的鎮(zhèn)流器無須為了使燈可靠啟動(dòng)而提高開路電壓。

2.2    采用控制燈陰極電壓進(jìn)行預(yù)熱的鎮(zhèn)流器

2.2.1    方均根電壓和施加電壓的時(shí)間

    當(dāng)陰極電壓超過3.0V（低電阻陰極）或6.0V（高電阻陰極），且電壓施加的時(shí)間≥0.4s時(shí)，即可達(dá)到陰極發(fā)射溫度。

    為了防止陰極溫度過高，應(yīng)規(guī)定施加電壓的最大值。當(dāng)施加電壓大于10V時(shí)，所有陰極兩端都會(huì)出現(xiàn)橫向弧光放電。

2.2.2    開路電壓

    在達(dá)到陰極熱電子發(fā)射之前，如燈的開路電壓低于可進(jìn)行冷啟動(dòng)的值，則允許同時(shí)施加陰極預(yù)熱電壓和燈電壓。雖然電子鎮(zhèn)流器可以提供多種電壓控制方式，但均應(yīng)遵守在達(dá)到熱啟動(dòng)之前將燈電壓保持在燈冷啟動(dòng)水平以下的原則。

    燈絲最大有效預(yù)熱電流在預(yù)熱過程中的任何時(shí)刻，不得超過規(guī)定的最大值，預(yù)熱時(shí)間≥0.4s。

2.2.3    對(duì)鎮(zhèn)流器的要求

    鎮(zhèn)流器應(yīng)向燈提供所需陰極預(yù)熱電壓、陰極工作電壓和燈啟動(dòng)電壓。

    鎮(zhèn)流器應(yīng)按規(guī)定值向燈提供啟動(dòng)電壓。啟動(dòng)電壓可與陰極預(yù)熱電壓同時(shí)施加，也可在0.4s間隔后上升至該項(xiàng)值。但在0.4s之前施加的任何電壓必須低于可導(dǎo)致燈啟動(dòng)的電壓水平。

    一個(gè)性能良好的電子鎮(zhèn)流器的預(yù)熱、點(diǎn)火和熒光燈工作與電子鎮(zhèn)流器工作頻率變化之間的變化規(guī)律如圖3所示。電子鎮(zhèn)流器的預(yù)熱、點(diǎn)火和熒光燈工作與工作頻率變化關(guān)系曲線圖如圖4所示。

圖3    燈工作過程燈電壓和燈工作頻率變化曲線

圖4    電子鎮(zhèn)流器的預(yù)熱、點(diǎn)火和熒光燈工作與工作頻率變化關(guān)系曲線

3    幾種常用熒光燈的燈絲預(yù)熱方法與特點(diǎn)

3.1    單燈燈絲電流預(yù)熱型

    單燈燈絲電流預(yù)熱型電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。在這種燈絲預(yù)熱電路中，利用在電路預(yù)熱期間通過燈絲與啟動(dòng)電容之間的電流實(shí)現(xiàn)燈絲預(yù)熱。具有電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用得較多。

圖5    單燈燈絲電流預(yù)熱型

3．2    單燈燈絲電壓預(yù)熱型

    單燈燈絲電壓預(yù)熱型電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。在這種燈絲預(yù)熱電路中，利用和鎮(zhèn)流電感（L）繞在一起的兩個(gè)燈絲繞組上的電壓實(shí)現(xiàn)燈絲預(yù)熱。特點(diǎn)是在燈的整個(gè)工作過程中，燈絲都有電壓施加于燈絲兩端。

圖6    單燈燈絲電壓預(yù)熱型

3．3    雙燈串聯(lián)燈絲電壓預(yù)熱型

    雙燈串聯(lián)燈絲電壓預(yù)熱型電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。在這種燈絲預(yù)熱電路中，利用和鎮(zhèn)流電感繞在一起的三個(gè)燈絲繞組（L）上的電壓實(shí)現(xiàn)燈絲預(yù)熱。特點(diǎn)是在燈的整個(gè)工作過程中，燈絲都有電壓施加于燈絲兩端，并且通過中間的燈絲繞組（L）的電流應(yīng)為上、下兩個(gè)燈絲繞組（L）的燈絲電流兩倍。

圖7    雙燈串聯(lián)燈絲電壓預(yù)熱型

3．4    雙燈串聯(lián)燈絲電流預(yù)熱型

    雙燈串聯(lián)燈絲電流預(yù)熱型電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。在這種燈絲預(yù)熱電路中，利用和鎮(zhèn)流電容串在一起的一個(gè)燈絲變壓器（T₂）上的次級(jí)電壓實(shí)現(xiàn)燈絲預(yù)熱。

圖8    雙燈串聯(lián)燈絲電流預(yù)熱型

3．5    雙燈并聯(lián)燈絲電流預(yù)熱型

    雙燈并聯(lián)燈絲電流預(yù)熱型電路如圖9所示。電路工作原理與單燈燈絲電流預(yù)熱電路相同。

圖9    雙燈并聯(lián)燈絲電流預(yù)熱型

3．6    雙燈并聯(lián)平衡變壓器燈絲預(yù)熱型

    雙燈并聯(lián)平衡變壓器燈絲預(yù)熱型電路結(jié)構(gòu)如圖10所示。電路中利用一個(gè)平衡變壓器（T）來實(shí)現(xiàn)燈絲的預(yù)熱。電路工作原理與單燈燈絲電壓預(yù)熱型電路相同。電路特點(diǎn)是由于電路中的平衡變壓器可使兩只燈的工作電流一致。

圖10    雙燈并聯(lián)平衡變壓器燈絲預(yù)熱型

3．7    雙燈并聯(lián)燈絲電壓預(yù)熱型

    雙燈并聯(lián)燈絲電壓預(yù)熱型電路如圖11所示。電路工作原理同單燈燈絲電壓預(yù)熱電路。

圖11    雙燈并聯(lián)燈絲電壓預(yù)熱型

4    結(jié)語

    本文主要討論了熒光燈的預(yù)熱，有關(guān)預(yù)熱的主要技術(shù)要求和幾種主要的燈絲預(yù)熱電路及特點(diǎn)，由于熒光燈的燈絲預(yù)熱對(duì)提高熒光的壽命有重要的作用，所以本文有一定的實(shí)用意義。