單向觸發二極管(UNI-DIAC)在自鎮流熒光燈中的應用

保愛林 鄧愛民 陳建偉

(1.紹興旭昌科技企業有限公司，浙江紹興 312000;2.浙江創事達微電子有限公司，浙江麗水 323000)

1 引言

由于成本低廉，自鎮流熒光燈電子鎮流器絕大部分由分立器件組成。組成鎮流器的核心部件DCAC逆變器基本上由半橋式和推挽式兩種拓撲結構。在半橋式逆變器中功率晶體管所承受的電壓只有推挽逆變器中所承受的電壓的44%～64%，因此在采用220V及以上的工頻市電的國家幾乎全部在小功率自鎮流熒光燈和工業應用的熒光燈中采用了半橋式電路拓撲結構［1］。這種電路結構需要一個專門的啟動網絡，其中起核心作用的是在Ⅰ、Ⅲ象限具有對稱的負阻電特性的雙向觸發二極管［2］，一般為DB3。實際上在自鎮流熒光燈的啟動過程中只用到觸發二極管的一個象限的電特性。因此其對稱的電特性并不是啟動網絡所要求的。當觸發二極管只在一個象限內具有符合啟動網絡要求的電特性時也應做到與雙向觸發二極管無差別地啟動。這樣的觸發二極管稱為單向觸發二極管。

2 觸發二極管的電特性

雙向觸發二極管 (DIAC)實際上為基區開路、發射區、集電區雜質對稱分布的三極管。其基區雜質為均勻分布，發射區、集電區的雜質由擴散形成非均勻分布。結構上的對稱導致了Ⅰ、Ⅲ象限電特性的對稱。以Ⅰ象限的Ⅰ-Ⅴ特性為例:當電壓超過反偏結的擊穿電壓時，Ⅰ-Ⅴ特性迅速進入負阻區，一般情況下負阻區的電壓范圍約為擊穿電壓的1/5～1/3，如圖1所示。

圖1 DIAC的I-V特性Fig.1 Voltage-current characteristic curve of DIAC

單向觸發管 (Unidirectional DIAC、Uni-DIAC)也相當于一個基區開路的三極管，集電區雜質為均勻分布，基區、發射區雜質均由擴散形成非均勻分布。如果將集電結反偏、發射結正偏時的Ⅰ-Ⅴ特性定義為Ⅰ象限的Ⅰ-Ⅴ特性，則該特性與雙向觸發管的Ⅰ或Ⅲ象限的電特性完全相同;當集電結正偏、發射結反偏時，單向觸發管的Ⅰ-Ⅴ特性 (Ⅲ象限的電特性)為一正偏結與一低壓反偏結的串聯，類似于一個低壓二極管的反向電特性。擊穿電壓約為8～10V。因此，Ⅲ象限的電特性不能用于半橋逆變器的啟動，如圖2所示。

與雙向觸發管相比較，單向觸發二極管具有明顯的優點:(1)簡化了芯片的鈍化工藝，單向觸發二極管只用單一臺面即可完成對發射結、集電結的鈍化，而雙向觸發管必須在芯片的兩面分別形成臺面才能完成鈍化;(2)封裝的適應性更好，單向觸發二極管芯片的厚度可根據封裝的要求來控制，而雙向臺面觸發二極管的芯片厚度一般最大為0.16毫米，只適合軸向玻璃管封裝。

圖2 Uni-DIAC的I-V特性Fig.2 Voltage-current characteristic curve of Uni-DIAC

3 啟動時DIAC或Uni-DIAC的工作狀態

采用半橋式電路拓撲結構的自鎮流熒光燈的啟動過程由圖3中虛線框內的啟動網絡［3］來完成。啟動網絡中的觸發二極管D4可選雙向觸發二極管(DIAC)、也可選單向觸發二極管 (Uni-DIAC)，如果按圖3中的極性連接Uni-DIAC，則二者具有相同的觸發功能。圖3中D4所代表的兩個觸發二極管只是為了分析問題。實際電路中只用其一。

圖3 利用DIAC或Uni-DIAC觸發的半橋逆變器電路Fig.3 The circuit of the half-bridge inverter by using DIAC or Uni-DIAC trigger

現假定選擇DIAC，如圖3所示，當電源接通時，將通過R1對C1充電，當C1上的電壓達到D4的擊穿電壓 (約32V)時，D4擊穿并迅速經過負阻區返回到導通電壓VF。電容C1上的電壓UC1不能突變，所以DIAC降低的那部分電壓ΔV全部加到了R4、Q2的BE上，為BE提供了偏置電壓。同時，電容C1上的儲存電荷通過DIAC、R4為Q2的基極提供了強大的注入電流。只要C1通過DIAC、R4、Q2的BE放電的時間常數不小于Q2的上升時間(典型值為500nS)，Q2將迅速導通并進入飽和。此時C1上的電荷將通過D1、Q2的CE基本全部釋放。C1上的電壓降為Q2的飽和壓降、D1的正向壓降之和;其值稍大于1V，當Q1、Q2的發射極接有反饋電阻時，C1上的電壓還會高一些。

放電后，電容C1上的電壓UC1遠小于DIAC的導通電壓VF，所以DIAC或Uni-DIAC關斷。

4 穩態工作時DIAC或Uni-DIAC的工作狀態

Q2導通后，振蕩已經建立，其后通過可飽和變壓器T1的次級線圈T1b、T1c為Q1、Q2的基極提供正反饋使Q1、Q2輪流導通并維持振蕩。Q1、Q2導通時的電流輪流通過變壓器初級線圈T1a、電感Lp、燈管、C1或C2以維持熒光燈的穩定工作［4］。

顯然在以上穩定工作狀態下，無論DIAC在哪個方向再導通或工作于擊穿電壓附近都會影響Q2的偏置，從而破壞振蕩。

在穩態，觸發二極管會周期性地經歷正向 (第一象限)、反向 (第三象限)兩種低電壓工作狀態。顯然，無論DIAC還是Uni-DIAC均無需討論其正向工作狀態。因為其擊穿電壓較高 (約32V)，對目前所有的穩態工作中的半橋逆變器來說它都是截止的。而對于DIAC來說反向工作狀態也是截止的。

對于Uni-DIAC，由于其反向擊穿電壓 (見圖2中的第三象限)只有8～10V，顯然在穩定工作狀態下應當考察在它的反向工作期間是否會承受接近于其擊穿電壓的工作電壓。

觸發二極管的反向電壓為:

VD4=Ub2－Uc1

式中 Ub2、Uc1——Q2的基極電壓和 C1對地的電壓。

在Q2由截止向飽和的轉換過程中T1的次級線圈T1c提供給Q2的基極電壓由負變為正，電流到達一定幅度后，電壓將基本不再變化，此時發射結類似一個導通二極管。其導通電壓接近1V，如果發射極接有反饋電阻，基極電壓還應加上電阻上的電壓。即使如此Ub2一般也不會超過2V。

在Q2導通后C1仍通過D1、Q2的CE對地放電，放電的時間常數非常小，僅由D1的正向阻抗、Q2的飽和阻抗決定。實際上僅在Q2導通的瞬間C1就完成了放電。因為本來就只充了少量的電荷。

放電后C1上的電壓變為D1在小電流下的正向壓降與Q2的飽和壓降之和并在Q2飽和期間維持。其值小于1V。當Q2由飽和轉向截止時C1又開始充電，假定半橋的振蕩頻率為40KHz，且導通、截止的時間各半個周期，則截止時間為12.5微秒，即C1只有12.5微秒的充電時間。而如圖3所示的典型的充電時間常數為73mS，以這樣慢的速度及這么短的時間對C1充電幾乎不能使C1的電壓有明顯的變化。因此C1上的電壓基本維持在1V以下。那么應有:

VD4=Ub2(≈1V)－Uc1(＜1V)≈0V

這一電壓遠小于Uni-DIAC的反向擊穿電壓。因此當用Uni-DIAC直接替換DIAC時無論其工作在正向還是反向都不存在再次導通從而干擾半橋的穩定工作狀態的問題。

一個使用Uni-DIAC啟動的11W雙U型自鎮流熒光燈的穩態實測的波形見圖4，該圖的縱坐標為1V/格;橫坐標為5μS/格。圖4只顯示了兩個周期的波形，周期為23.4μS，其中，波形①為Ub2;波形②為Uc1;波形③為VD4(=Ub2－Uc1)。

圖4 一個實際自鎮流熒光燈的Uc1、Ub2、VD4波形Fig.4 The Uc1、Ub2、VD4waveform of self-ballasted lamp by using Uni-DIAC

5 對自鎮流熒光燈的連續啟動實驗

采用以下方法考察Uni-DIAC與DIAC是否具有一致的啟動性能，用電子開關控制自鎮流熒光燈的電源開閉，電源接通后如果光感應器感應到燈光即視為啟動成功并計數，接通3秒鐘后斷開電源，12秒后重新啟動、計數。如此反復。

采用市售的某品牌的23W3U自鎮流熒光燈，將3盞樣品的DIAC引出;將另外3盞樣品的DIAC引出并更換為Uni-DIAC，將六盞燈在室溫下安裝，將其DIAC中的一支和Uni-DIAC中的一支分別置于室溫、120℃、－20℃下;如果燈管失效，換上其他未參與實驗的同型號樣品的燈管繼續試驗并連續計數。實驗結果見表1。

表1 Uni-DIAC與DIAC的啟動對比試驗結果Table 1 The comparison of test results for Uni-DIAC and DIAC

由表1可知燈管的壽命遠低于鎮流器的壽命，Uni-DIAC與DIAC在啟動能力上并無區別，一個有趣的現象是在高溫下Uni-DIAC與DIAC的啟動次數明顯的多。

6 結論

由于Uni-DIAC與DIAC均可滿足對采用半橋逆變器拓撲結構的自鎮流熒光燈的啟動，因此二者可直接互換，且前者簡化了制造工藝應更具有成本優勢。但在使用Uni-DIAC時應注意極性。

目前Uni-DIAC已經在自鎮流熒光燈φ9 D42 3T上成功應用。在其他型號的自鎮流熒光燈中的應用正在推廣中。

［1］Micha3l Bairanzade.AN1543/D:Electronic Lamp Ballast Design［M］:3 ～4.http://www.onsemi.cn/pub_link/Collateral/AN1543～D.PDF.

［2］MOTOROLA INC 1986.AN964:Trigger Design Ideas for Diac Replacements［M］:1.

［3］毛興武，祝大衛.新型電子鎮流器電路原理與設計［M］.北京:人民郵電出版社，2007:58～60.

［4］ Michael Bairanzade.AN1601/D:Efficient Safety Circuit for Electronic Ballast［M］:2.