節能燈微功耗預熱電路的設計

一、前言

節能燈(自鎮流熒光燈)市場上普遍存在著產品質量不穩定、開關次數少、使用壽命短等一些重大缺陷，市場上大量節能燈的報廢造成資源浪費，環境污染，有悖國家倡導的綠色照明。隨著全球節能減排和保護環境的呼聲日益高漲，歐盟新一代的法規ErP(《用能產品生態環境設計指令》)，對節能燈提出了嚴格的質量要求，其中開關試驗要達到3萬次，我們國家也正在積極修訂相關標準，同樣對開關次數提出了不同以往的高要求。因此從業者必須及時作出調整，提升技術能力，以應對這一變化趨勢。影響節能燈壽命的因素有許多，大多涉及到主電路的設計，元器件質量，燈管質量，以及電子鎮流器與燈管的匹配等一些因素。而設計有理想預熱啟動的節能燈無疑是延長壽命的最好方法之一。

二、預熱啟動對于節能燈的意義

1.有效延長燈管使用壽命

對于熱陰極熒光燈而言，所謂預熱啟動是指燈陰極被加熱至熱電子發射溫度后燈才觸發啟動。它要滿足以下要求：

(1)在燈陰極達到電子發射狀態之前，燈兩端之間或燈與啟動輔助裝置之間的開路電壓應保持在低于導致陰極受損害的燈輝光放電的水平；

(2)在陰極達到發射狀態之后，開路電壓應足夠高，可使燈迅速啟動而無須重復多次才能啟動；

(3)在陰極的發射狀態，若開路電壓需升高后才能使燈啟動，則開路電壓從低到高的轉變過程中，必須在陰極仍處于熱電子發射溫度期間完成；

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

相反無預熱啟動會造成節能燈管端部過早發黑而損壞，究其原因是燈在冷啟動以前，陰極周圍的空間電荷非常稀薄，一旦進行冷啟動，燈就要承受一段輝光放電時間，輝光放電時間越長，燈陰極發射物質濺射就越嚴重，從而使燈早期發黑，壽命降低。因此為了盡量減小輝光放電電流的破壞性，必須確保提供的開路電流為最小值，輝光放電時間不超過100毫秒。

用泰克數字示波器DPO4304對筆者設計的預熱節能燈做測試，有預熱啟動的節能燈輝光放電時間極短，而對市場上買來的非預熱啟動節能燈做測試，可以看出輝光放電大大超出了100毫秒。測試波形圖如圖1、2所示。

2.有效增強電子鎮流器的可靠性

無預熱電子節能燈在啟動時產生的電流、電壓沖擊對電子鎮流器可靠性產生嚴重影響。通過示波器分別對有預熱和非預熱兩種節能燈做測試對比，其中對功率三極管集電極電流的測試中可以明顯看出，有預熱的節能燈功率三極管發射極啟動沖擊電流遠小于沒有預熱的，這顯然大大提高了三極管的可靠性，三極管集電極電流測試波形圖如圖3、4所示。

綜上兩點可見，帶有理想預熱的電子節能燈對于延長燈管壽命，提高產品可靠性具有重大意義。

三、預熱電路的設計

常見的預熱方式有PTC熱敏電阻、芯片控制預熱。前者預熱效果不理想，且可靠性不高，后者成本高。現筆者介紹一種成本低廉的開關型預熱電路。預熱效果理想，功耗極低。其原理框圖如圖5所示。

從圖5可知，預熱電路由三部分組成，一是高頻耦合電源；二是控制開關的預熱裝置；三是并在熒光燈管兩端的開關K3

其中預熱控制裝置是有源網絡，可以調節預熱時間，高頻耦合電源提供預熱裝置能量。當電子鎮流器接通電源時，預熱控制裝置輸出促使開關K3關閉，燈絲開始預熱，同時預熱計時，預熱時間到達，開關斷開，預熱結束，此時，諧振電容C2上產生諧振高壓觸發點燃燈管。

現針對每部分具體說明如下：

1.高頻耦合電源

在電子鎮流器某些特定的局部電路中，需要提供有較大電流輸出，同時靜態功耗較低的電源，其目的是為了驅動需要較大能量的功率開關。

目前，通常采用下列兩種辦法來解決電路中的電源問題：

一是從工頻電源中采用變壓器來獲得所需電源。其缺點是變壓器體積大，重量重，功耗大，成本高，安裝不方便，實用價值不高。

二是從燈絲回路中直接取電，雖靜態功耗小，但電流輸出也小，驅動能力有限，難以滿足后續電路的需要。

圖1 有預熱輝光放電到弧光放電時間幾乎沒有

圖2 無預熱輝光放電到弧光放電時間

圖3 預熱啟動的三極管集電極電流

圖4 無預熱啟動的三極管集電極電流

圖5 預熱電路原理圖

表1 實驗數據

圖6 耦合電源

圖7 預熱燈絲電流和燈電壓

圖8 節能燈預熱電路

高頻耦合取電技術既能提供較大的電流輸出，靜態功耗較低，又具有體積小巧、重量輕、成本低的優點，較好滿足了各方面的要求。

高頻耦合的實現一般通過阻流電感的一組副繞組獲得。如圖6所示：

從圖6可知，電感副繞組3、4兩端輸出高頻能量，將其整流、濾波、穩壓得到后續控制電路的電源。

2.預熱控制裝置

預熱控制裝置實現預熱時間的調整，以及輸出一定電流驅動預熱開關。上述高頻耦合電源通過整流得到的電源必須自舉后方能提供給預熱控制裝置。具體電路可以分立器件組成，可以集成電路控制。

3.開關的選擇

開關選擇一般可分為繼電器或電子開關。

繼電器作為預熱開關時，在預熱結束后，由于繼電器仍需工作，因此會消耗一定的功率。用電子開關則在預熱結束后，電子開關斷開，電流幾乎為零，功耗極低。因此從電子鎮流器轉換效率提高的意義來講，建議用電子開關為佳。

需要說明的是：1)若并在燈管兩端是電子開關，則不論是三極管還是可控硅，對耐壓有一定要求。2)諧振電容C2可接到燈管前面，實現燈絲斷流，以期使電子鎮流器獲得更高的轉換效率，增加熒光燈流明。但這種接法需要可靠的異常保護電路。

按此預熱電路預熱的電子節能燈啟動時的燈絲電流和燈電壓如圖7所示。

四、節能燈預熱電路的實用電路

由上述原理框圖可以實現節能燈的有效預熱。對于預熱控制裝置這部分電路的實現，可以用集成電路來完成，也可以用分立元件組成。現提供一種簡單的用分立器件組成的預熱控制電路。如圖8所示。

電路工作說明：

節能燈燈絲預熱電路主要由圖8中方框所示的三部分組成。方框一中的電路由接在熒光燈絲上的電子開關Q5及橋堆組成；方框二中的電路是由雙極型晶體管組成的預熱控制電路；方框三中的電路是高頻耦合電源，提供給預熱控制電路。

當節能燈接通電源時，晶體管Q8處于截止狀態，晶體管Q6同時也處于截止，則燈絲電子開關Q5處于導通狀態，燈絲通過電流被加熱，當電容CD6充電到晶體管Q8導通時，則由電路可知，燈絲電子開關Q5截止，預熱結束。此時，節能燈電路正常諧振工作，觸發點燃燈管。

預熱時間可由電阻R20、電容CD6的參數決定。燈絲預熱電流可以在燈絲電子開關中串聯電阻來調節。

五、開關次數對比

現對依據上述預熱電路制作的節能燈與非預熱節能燈的開關次數做一次實驗對比。開關周期為一分鐘。其中開15秒，關45秒。實驗數據如表1所示。

表格數據表明，采用上述預熱電路的節能燈開關次數都超過10萬次以上，而非預熱的節能燈很難突破一萬次。

六、結論

節能燈作為基礎照明光源進入千家萬戶，使用數量非常龐大，通過預熱設計能大大延長節能燈壽命，這有助于提高照明資源的綜合利用效率，減少損耗和浪費，經濟效益和社會效益均很明顯。

[1]路秋生.熒光燈電子鎮流器常用燈絲預熱電路與特點[J].燈與照明,2004(01).