熒光燈常用燈絲預(yù)熱技術(shù)介紹及電路設(shè)計
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，而得到了廣泛的應(yīng)用。熒光燈如采用適當?shù)臒艚z預(yù)熱方法，對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。 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 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時單位面積和單位時間內(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為物體的絕對溫度。 利用熱致發(fā)光原理制成的電光源制作簡單，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)光器件要進入大規(guī)模實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阻特性，在使用時須配用鎮(zhèn)流器件。 2 有關(guān)熒光燈的燈絲預(yù)熱 國際電工委員會標準IEC929和我國的專業(yè)標準ZBK74012－90，都有關(guān)于電子鎮(zhèn)流器在“正常情況下使用時，應(yīng)使燈啟動，但不對燈性能造成損害”；“施加陰極預(yù)熱電壓的最短時間應(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行預(yù)熱或控制陰極電壓進行預(yù)熱的方式。無論采用哪種方式啟動，都應(yīng)滿足下列要求： 1）在燈陰極達到電子發(fā)射狀態(tài)之前，燈兩端之間或燈與啟動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，可使燈迅速啟動而無須重復(fù)多次才能啟動； 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，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)熱啟動可分為以下兩種情況。 2.1 采用控制燈陰極電流進行的燈絲預(yù)熱 2.1.1 有效預(yù)熱電流和發(fā)射時間（te） 為使某一類型陰極達到最低發(fā)射溫度所需的熱量，可用時間、電流和由該類陰極的物理特性所決定的一個常數(shù)來表示。這種關(guān)系可由式（2）表示。 te=（2） 式中：te為達到發(fā)射狀態(tài)的時間，≥0.4s（1）； a為特定類型陰極的常數(shù)； ik為獲得te所需的最小燈絲有效預(yù)熱電流（A）； im為達到發(fā)射狀態(tài)所需的燈絲最小電流絕對值（A）（2）； 注：（1）達到發(fā)射狀態(tài)的預(yù)熱時間<0.4s通常是不可取的，實踐證明在此時間內(nèi)不總是可以使陰極燈絲達到充分預(yù)熱。 （2）此值是假定從冷態(tài)開始施加燈絲預(yù)熱電流的時間足夠長（如≥30s）的情況。 2.1.2 有效預(yù)熱電流的最大值 可以在短時間（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，隨著時間的延長，此電流值應(yīng)逐步減小，直至達到2s或更長時間，此值不得明顯地超過50Hz時用輝光啟動器啟動的數(shù)值。 上述要求的圖解如圖1和圖2所示。 圖1 控制電流進行預(yù)熱的鎮(zhèn)流器對陰極預(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） 開路電壓過渡時間>100ms的鎮(zhèn)流器
圖2 控制電流進行預(yù)熱的鎮(zhèn)流器對開路電壓的要求
2.1.3 開路電壓和轉(zhuǎn)換時間ts
在燈的啟動過程中，當開路電壓在te時被提高，而陰極預(yù)熱過程在te時結(jié)束（預(yù)熱電流中斷）的情況下，開路電壓的轉(zhuǎn)換時間ts應(yīng)≤100ms（如圖2所示）。
在開路電壓的轉(zhuǎn)換時間內(nèi)陰極始終保持發(fā)射狀態(tài)的情況下，轉(zhuǎn)換時間ts可以>100ms。
由于燈陰極在預(yù)熱時間達到te時被加熱到發(fā)射狀態(tài)，因此，在燈啟動過渡階段有效預(yù)熱電流不得降低到絕對最小值（im）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，在達到te之前的開路電壓最大值高于或等于達到te之后的開路電壓的最小值，因此，為這類燈設(shè)計的鎮(zhèn)流器無須為了使燈可靠啟動而提高開路電壓。
2.2 采用控制燈陰極電壓進行預(yù)熱的鎮(zhèn)流器
2.2.1 方均根電壓和施加電壓的時間
當陰極電壓超過3.0V（低電阻陰極）或6.0V（高電阻陰極），且電壓施加的時間≥0.4s時，即可達到陰極發(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。當施加電壓大于10V時，所有陰極兩端都會出現(xiàn)橫向弧光放電。
2.2.2 開路電壓
在達到陰極熱電子發(fā)射之前，如燈的開路電壓低于可進行冷啟動的值，則允許同時施加陰極預(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)遵守在達到熱啟動之前將燈電壓保持在燈冷啟動水平以下的原則。
燈絲最大有效預(yù)熱電流在預(yù)熱過程中的任何時刻，不得超過規(guī)定的最大值，預(yù)熱時間≥0.4s。
2.2.3 對鎮(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電壓。
鎮(zhèn)流器應(yīng)按規(guī)定值向燈提供啟動電壓。啟動電壓可與陰極預(yù)熱電壓同時施加，也可在0.4s間隔后上升至該項值。但在0.4s之前施加的任何電壓必須低于可導(dǎo)致燈啟動的電壓水平。
一個性能良好的電子鎮(zhèn)流器的預(yù)熱、點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
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電容之間的電流實現(xiàn)燈絲預(yù)熱。具有電路簡單，易于實現(xiàn)的特點，實際應(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）繞在一起的兩個燈絲繞組上的電壓實現(xiàn)燈絲預(yù)熱。特點是在燈的整個工作過程中，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燈絲繞組（L）上的電壓實現(xiàn)燈絲預(yù)熱。特點是在燈的整個工作過程中，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燈絲變壓器（T2）上的次級電壓實現(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。電路中利用一個平衡變壓器（T）來實現(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，由于熒光燈的燈絲預(yù)熱對提高熒光的壽命有重要的作用，所以本文有一定的實用意義。
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