荧光灯常用灯丝预热技术介绍及电路设计

 摘要：电子镇流器由于具有节能，发光无频闪和易于实现联网控制（如IEC929附录E的有关要求）等一系列优点，而得到了广泛的应用。荧光灯如采用适当的灯丝预热方法，对提高荧光灯的寿命有非常重要的作用。介绍了几种常用的荧光灯灯丝预热方法及特点。

关键词：荧光灯；灯丝电流预热型；灯丝电压预热型

1    常用照明方法与特点

    常用的电光源主要有热致发光光源，气体放电发光光源，固体发光光源等三类。

    热致发光光源如白炽灯，它利用斯涅藩－波尔兹曼定律，即物体温度越高，它幅射出的能量越大。这可用式（1）表示。

    E=μ×ξ×T⁴（1）

式中：E为物体在温度T时单位面积和单位时间内的红外幅射总能量；

            μ为斯涅藩－波尔兹曼常数（μ=5.6697×10^－12W/cm²·K⁴），

            ξ为比幅射率，即物体表面幅射本领与黑体幅射本领之比值；

      T为物体的绝对温度。

    利用热致发光原理制成的电光源制作简单，成本低，但是发光效率低，只有11％左右，而其余的能量则以热的形式消耗掉（红外、热能消耗分别占69％及20％）。

    固体发光光源，如发光二极管、等离子体发光器件等，尽管它们的发光效率高，但目前还不能做到大功率（如上百瓦），所以，固体发光器件要进入大规模实用阶段还有一段距离。

    气体放电发光器件，如荧光灯（Florescent）、金卤灯（Hilide）、高强度放电灯（HID）等，它们的发光效率为普通白炽灯的几倍。由于气体放电灯的功率可以做得较大（上千瓦），发光效率又高，是一种绿色照明光源。其中，荧光灯是一种充有氩气的低气压汞气体放电灯，发光效率和寿命都比白炽灯高。荧光灯发光效率约23％，红外、热能占总耗能的36％及41％。荧光灯发光均匀、亮度适中、光色柔和，是理想的室内照明灯，在照明中得到了广泛的应用。荧光灯是通过引燃灯管内稀薄汞蒸汽进行弧光放电，汞离子受激产生紫外线，激发灯管内壁涂层荧光粉发出可见光。但是由于荧光灯工作的负阻特性，在使用时须配用镇流器件。

2    有关荧光灯的灯丝预热

    国际电工委员会标准IEC929和我国的专业标准ZBK74012－90，都有关于电子镇流器在“正常情况下使用时，应使灯启动，但不对灯性能造成损害”；“施加阴极预热电压的最短时间应不少于0.4s”和“开路电压的波峰系数不得超过1.8；在最低预热期间，不得产生即使是极窄的、不影响有效值的电压峰值”等规定。

    预热启动是指在灯阴极被加热至热电子发射温度后才触发灯。通常采用控制阴极电流进行预热或控制阴极电压进行预热的方式。无论采用哪种方式启动，都应满足下列要求：

    1）在灯阴极达到电子发射状态之前，灯两端之间或灯与启动辅助装置之间的开路电压应保持在低于导致阴极受损害的辉光放电的水平；

    2）在阴极达到发射状态之后，开路电压应足够高，可使灯迅速启动而无须重复多次才能启动；

    3）在阴极已处于发射状态，若开路电压须升高后才能使灯启动，则开路电压从低到高的转变过程中，必须在阴极仍处于热电子发射温度期间完成；

    4）在阴极预热阶段，预热电流或预热电压不得过大或过高而使阴极上发射物质因过热而受到损害。

    灯阴极预热启动可分为以下两种情况。

2.1    采用控制灯阴极电流进行的灯丝预热

2.1.1    有效预热电流和发射时间（t_e）

    为使某一类型阴极达到最低发射温度所需的热量，可用时间、电流和由该类阴极的物理特性所决定的一个常数来表示。这种关系可由式（2）表示。

    t_e=（2）

式中：t_e为达到发射状态的时间，≥0.4s^（1）；

      a为特定类型阴极的常数；

      i_k为获得t_e所需的最小灯丝有效预热电流（A）；

      i_m为达到发射状态所需的灯丝最小电流绝对值（A）^（2）；

    注：（1）达到发射状态的预热时间<0.4s通常是不可取的，实践证明在此时间内不总是可以使阴极灯丝达到充分预热。

    （2）此值是假定从冷态开始施加灯丝预热电流的时间足够长（如≥30s）的情况。

2.1.2    有效预热电流的最大值

    可以在短时间（t≤0.4s）内施加较大的灯丝有效预热电流而又不损坏阴极，但超过0.4s后，随着时间的延长，此电流值应逐步减小，直至达到2s或更长时间，此值不得明显地超过50Hz时用辉光启动器启动的数值。

    上述要求的图解如图1和图2所示。

图1    控制电流进行预热的镇流器对阴极预热电流的要求

(a)    开路电压提高后即将预热电流除去的镇流器

（b）    开路电压过渡时间>100ms的镇流器
 

图2    控制电流进行预热的镇流器对开路电压的要求

2.1.3    开路电压和转换时间t_s

    在灯的启动过程中，当开路电压在t_e时被提高，而阴极预热过程在t_e时结束（预热电流中断）的情况下，开路电压的转换时间t_s应≤100ms（如图2所示）。

    在开路电压的转换时间内阴极始终保持发射状态的情况下，转换时间t_s可以>100ms。

    由于灯阴极在预热时间达到t_e时被加热到发射状态，因此，在灯启动过渡阶段有效预热电流不得降低到绝对最小值（i_m）以下，以确保灯阴极处于发射状态。

    有一些类型的灯规定，在达到t_e之前的开路电压最大值高于或等于达到t_e之后的开路电压的最小值，因此，为这类灯设计的镇流器无须为了使灯可靠启动而提高开路电压。

2.2    采用控制灯阴极电压进行预热的镇流器

2.2.1    方均根电压和施加电压的时间

    当阴极电压超过3.0V（低电阻阴极）或6.0V（高电阻阴极），且电压施加的时间≥0.4s时，即可达到阴极发射温度。

    为了防止阴极温度过高，应规定施加电压的最大值。当施加电压大于10V时，所有阴极两端都会出现横向弧光放电。

2.2.2    开路电压

    在达到阴极热电子发射之前，如灯的开路电压低于可进行冷启动的值，则允许同时施加阴极预热电压和灯电压。虽然电子镇流器可以提供多种电压控制方式，但均应遵守在达到热启动之前将灯电压保持在灯冷启动水平以下的原则。

    灯丝最大有效预热电流在预热过程中的任何时刻，不得超过规定的最大值，预热时间≥0.4s。

2.2.3    对镇流器的要求

    镇流器应向灯提供所需阴极预热电压、阴极工作电压和灯启动电压。

    镇流器应按规定值向灯提供启动电压。启动电压可与阴极预热电压同时施加，也可在0.4s间隔后上升至该项值。但在0.4s之前施加的任何电压必须低于可导致灯启动的电压水平。

    一个性能良好的电子镇流器的预热、点火和荧光灯工作与电子镇流器工作频率变化之间的变化规律如图3所示。电子镇流器的预热、点火和荧光灯工作与工作频率变化关系曲线图如图4所示。

图3    灯工作过程灯电压和灯工作频率变化曲线

图4    电子镇流器的预热、点火和荧光灯工作与工作频率变化关系曲线

3    几种常用荧光灯的灯丝预热方法与特点

3.1    单灯灯丝电流预热型

    单灯灯丝电流预热型电路结构如图5所示。在这种灯丝预热电路中，利用在电路预热期间通过灯丝与启动电容之间的电流实现灯丝预热。具有电路简单，易于实现的特点，实际应用得较多。

图5    单灯灯丝电流预热型

3．2    单灯灯丝电压预热型

    单灯灯丝电压预热型电路结构如图6所示。在这种灯丝预热电路中，利用和镇流电感（L）绕在一起的两个灯丝绕组上的电压实现灯丝预热。特点是在灯的整个工作过程中，灯丝都有电压施加于灯丝两端。

图6    单灯灯丝电压预热型

3．3    双灯串联灯丝电压预热型

    双灯串联灯丝电压预热型电路结构如图7所示。在这种灯丝预热电路中，利用和镇流电感绕在一起的三个灯丝绕组（L）上的电压实现灯丝预热。特点是在灯的整个工作过程中，灯丝都有电压施加于灯丝两端，并且通过中间的灯丝绕组（L）的电流应为上、下两个灯丝绕组（L）的灯丝电流两倍。

图7    双灯串联灯丝电压预热型

3．4    双灯串联灯丝电流预热型

    双灯串联灯丝电流预热型电路结构如图8所示。在这种灯丝预热电路中，利用和镇流电容串在一起的一个灯丝变压器（T₂）上的次级电压实现灯丝预热。

图8    双灯串联灯丝电流预热型

3．5    双灯并联灯丝电流预热型

    双灯并联灯丝电流预热型电路如图9所示。电路工作原理与单灯灯丝电流预热电路相同。

图9    双灯并联灯丝电流预热型

3．6    双灯并联平衡变压器灯丝预热型

    双灯并联平衡变压器灯丝预热型电路结构如图10所示。电路中利用一个平衡变压器（T）来实现灯丝的预热。电路工作原理与单灯灯丝电压预热型电路相同。电路特点是由于电路中的平衡变压器可使两只灯的工作电流一致。

图10    双灯并联平衡变压器灯丝预热型

3．7    双灯并联灯丝电压预热型

    双灯并联灯丝电压预热型电路如图11所示。电路工作原理同单灯灯丝电压预热电路。

图11    双灯并联灯丝电压预热型

4    结语

    本文主要讨论了荧光灯的预热，有关预热的主要技术要求和几种主要的灯丝预热电路及特点，由于荧光灯的灯丝预热对提高荧光的寿命有重要的作用，所以本文有一定的实用意义。