節能可調光螺旋形CCFL球泡燈驅動電路的研制

南京化工職業技術學院自控系 馮 薇

我國是能源資源嚴重短缺的國家，新《節約能源法》使節約資源成為我國基本國策，“十二五”期間節能減排大范圍展開，成為全社會參與的國事、大事。其中，照明節電具有重要意義。綠色照明的兩大要點：一是節能，二是環保。CCFL是一種新型的氣體放電燈，完全符合綠色照明的這兩個要求。由于其壽命長、價格適中、色彩豐富、便于實現連續調光，越來越廣泛應用于住宅照明、養殖業大棚照明等領域。

1.CCFL的特點和發展趨勢

冷陰極熒光燈（Cold Cathode Fluorescent Lamp，簡稱CCFL）它具有色彩豐富、燈管體積小、重量輕、結構簡單、低溫時快速啟動、表面溫升小、亮度高、功效高、易加工成各種形狀（直管形、L形、U型、環形等）、使用壽命長、顯色性好、發光均勻等優點。CCFL同樣的流明，耗電僅是白熾燈的10%一20%左右；與日光燈相比，光效略低，但壽命是日光燈的四至五倍，且燈管內的汞含量極低或徹底無汞，避免了汞蒸氣的污染問題；與LED相比，顯色性能好、無眩光，價格便宜。可見CCFL是一種高效、節能、環保的綠色光源，符合未來照明的發展趨勢。

相比其它常用燈具，CCFL參數如表1。

CCFL過往常用于液晶屏背光源，由于體積小，燈管直徑僅有3-4mm，可隨意彎曲，壽命長，成本低，便于調光的特性，目前國際上主要有兩大發展方向，一是以美國TCP公司為代表，自2006年起將CCFL螺旋調光燈廣泛應用于家用照明和高檔商業照明，直接替代可調光白熾燈具；二是以日本、德國為代表，利用CCFL調光特性、色溫豐富、成本低的特點，廣泛應用于綠色大棚、育種和家禽養殖領域，在不同的育種期或家禽生產期，不同的時間段進行調光，取得了大量成果。

冷陰極熒光燈與普通熒光燈類似，也具有負阻特性，典型的CCFL伏安特性曲線如圖1所示。曲線分為啟動階段和工作階段。在啟動階段，即供電電壓小于啟動電壓Vstart（不同的燈管，Vstart不同，一般為800一1200V）時，燈管內的電流大小隨電壓的增大而增大。在工作階段，即外加電壓達到了燈的啟動電壓Vstart，燈則導通，兩端電壓立即降低，燈電流增大，呈現負阻特性。由于外接鎮流器的限流作用，使燈電流穩定在額定值，并且燈兩端的導通電壓降（Vcon）也基本保持不變。燈的使用時間越長，環境溫度越低，啟動電壓就越高；同一類型的產品，隨著燈的直徑的降低或者長度的增加，啟動電壓就越高；燈的直徑越小，表面亮度就越強。對于不同的工作電流，其在特定頻率時均為發光亮度最大。

螺旋型冷陰極熒光燈是直管CCFL的技術延伸，如圖2所示：在螺旋燈管外配以球泡玻璃外殼，燈頭處加裝小巧的電子驅動器，光源可和普通白熾燈泡直接互換使用。

表1 多種燈具比較

圖1 燈管伏安特性曲線

圖2 螺旋型冷陰極熒光燈外形圖

2.設計指標

本文設計一款可與白熾燈泡直接替換的螺口節能可調光螺旋形CCFL球泡燈，采用E27燈頭，冷陰極熒光燈管長度為1020mm，單螺旋繞制8圈半，燈管內徑為3mm，設計指標要求額定功率為9W，光效≥40Lm/W，功率因數，效率η≥0.92，壽命達到30000h。

3.電路設計

由于CCFL的負阻特性，當燈電流上升時，燈管的工作電壓下降，但是供電電壓不會下降，所以要使燈管正常工作，應配以鎮流元件（鎮流器），用以限制和穩定燈電流。常用的鎮流方法有：電阻鎮流、電感鎮流、電容鎮流、電子鎮流。因為電子鎮流器效率高、體積小、無閃爍、無噪聲，便于智能控制，所以目前都基本采用電子鎮流的方式。普通的電子鎮流器由整流橋、儲能電容、逆變電路、諧振電路組成，將低頻的交流電通過整流轉變為直流電，再經過逆變器變換為較高頻率的交流電，由高頻能量來驅動一只或幾只燈管，使之啟輝點亮并正常工作。

3.1 拓撲結構選擇

圖3 電路結構圖

電子鎮流器常用的拓撲結構主要有Royer拓撲、半橋拓撲、全橋拓撲、推挽拓撲。本設計選擇半橋拓撲結構，因為半橋電路結構簡單、高效、成本低，效率居中，特別適合于尺寸小巧、價格便宜的球泡燈使用。

3.2 調光方式選擇

主要的調光策略有電位器調光、模擬調光、數字調光。由于本設計要實現與白熾燈的直接替換。現有的調光白熾燈大多數采用可控硅調光器，該調光器一般置于開關面板中。可控硅調光機理屬于模擬調光，鎮流器電路輸入電壓為缺角的正弦波，通過改變可控硅的觸發角，移相控制燈管電流的有效值而達到調光的目的。燈管等效電阻大使得寄生電容所造成的溫度計效應明顯，會使燈管亮度不均勻，出現閃爍，調光范圍受限于最小操作電流，所以要增加相位補償電路。

3.3 電路結構設計

表2 T1規格數據表

本設計驅動電路由EMC控制電路、整流濾波電路、啟動電路、高頻振蕩電路、相位補償反饋電路、光輸出電路等組成，電路結構見圖3，電路原理圖見圖4。

從圖4中可以看出，C2、C6、C7、R3、R4、R5構成啟動電路；Q1、Q2、C3、C4、L4、T1構成高頻振蕩電路。D2、D4、C5、R6構成相位補償反饋電路，由T2第3個反饋繞組提供反饋量，通過D2對C5進行充電，當低輸入電壓時，C5通過D4放電，消除在可控硅小導通角時燈光閃爍的問題。

圖4 電路原理圖

表3 T1規格數據表

圖5 性能波形測試結果

3.4 變壓器選擇

根據計算和實際試驗，最后確定變壓器T1、T2選用選擇EE型磁芯，T1為EE10，T2為EE19，磁芯材料選擇國產的目前應用最為廣泛的中高頻段（100～500kHz）的優質材料LP3型Mn-Zn鐵氧體。T1、T2具體繞制規格見表2、表3。

4.測試結果

使用遠方CCFL測試儀對整燈進行測試的結果如圖5所示。結果顯示實際的電參數完全滿足設計要求。整燈經受住10000次開關試驗，全部8圈半燈管可以連續從1圈到8圈逐步點亮和關滅，調光過程中燈光變化均勻，沒有閃爍，且經過老化后，合格率可以達到95%。

5.結論

本文介紹了一種新型9W的可調光CCFL球泡燈，它可以直接替代白熾燈，很好地配合傳統可控硅調光器一起使用。批量生產時整燈電子鎮流器材料成本約7元，加上燈管、燈罩、燈頭等整燈原材料成本約14元。實際使用過程中壽命大都能達到3萬小時。相對于白熾燈更節能環保，相對于普通節能燈能實現可靠調光，相對于LED燈便宜許多。加之10%～100%的大調光范圍使它在節能方面可以發揮發揮很大的優勢。因此隨著國家綠色照明工程的實施，CCFL將有望進入普通家庭，逐步取代現有的白熾燈、日光燈、節能燈等用于普通照明領域。

[1]王海林.冷陰極熒光燈電子鎮流器的分析與設計[D].大連:大連理工大學,2007.

[2]黃陸建.CCFL仿真及驅動電路的研究[D].南京:南京航空航天大學,2007.

[3]王元慶.CCFL的亮度特性及其驅動電路[J].液晶與顯示,2004(3):202-206.

[4]廈門海萊照明有限公司.冷陰極調光燈[P].中國專利,200920137942.9,2010-02-10.