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1、节能灯用智能型 PTC 热敏电阻1.前言目前的荧光灯绝大多数为阴极预热式产品。人们为了提高荧光灯管的光效并延长其使用寿命，在配套电器方面作了大量深入的研究工作，包括镇流器线路拓扑的选择和阴极预热方式的选择等。以期电子器件与对应的荧光灯管相匹配，达到充分发挥荧光灯管的光效和使照明环境更舒适更节能的效果。本文参照荧光灯 IEC 标准和我国 GB 标准中关于阴极预热起动的要求，对常见的阴极预热方式进行了分析，认为采用智能热敏电阻是荧光灯阴极预热启动的最佳方案。2.阴极预热的目的阴极预热式荧光灯的电极是一个极为重要的零件。荧光灯使用时间的长短主要取决于电极的寿命。对交流电源来说，该电极既是阴极又是阳极
2、。电极上涂有碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙为主的电子发射材料。这些材料只有当阴极的工作温度在 9001000 时才能充分发射电子。另一方面，阴极通过预热放出大量电子，使灯的启动电压降低，通常降低到阴极未预热启动电压的二分之一到三分之一。电压的降低减少了相关电子元器件所承受的电应力，从而降低了整灯的故障率，延长了使用寿命。为此，阴极预热纳入了 IEC和我国 GB 标准，明确规定此类荧光灯在点亮前必须经过阴极预热，并对各种型号规格荧光灯的预热时间和预热电流参数提出了要求。图 1 电子镇流器简化电路图3.阴极预热启动技术的发展状况以往，荧光灯多采用电感式工频镇流器。随着电子技术的发展，电子镇流器以其体积小、
3、重量轻、功耗少、无频闪、无噪音、光效高等优点，逐步取代电感式镇流器已成为必然趋势。在电子镇流器发展过程中，阴极预热问题一直是电子镇流器技术研究的重点之一。电子镇流器的启动电压是由限流电感 L 和启动电容 C1 组成的 LC1 串联谐振电路在 C1 两端产生的谐振电压。简化电路如图 1 所示。LC1 的品质因数 Q=1/C1R=L/R，式中 R 为 LC1 回路的损耗电阻， 为 LC1 回路的工作角频率。在 LC1 回路对高频振荡电路的输出电压 V1 谐振时，限流电感 L 或 C1 上的电压 VR=QV1。合理设计限流电感 L 和电容 C1 的参数，可使C1 上的谐振电压 VR 达到使灯管点亮的
4、值。阴极不进行预热的电路，电源一接通灯即点亮，这对阴极损伤很厉害，会使灯管根部很快变黑，使灯管寿命变短。为解决荧光灯阴极预热问题，人们利用了正温度系数热敏电阻（以下简称PTCR）。其温阻特性曲线如图 2 所示。曲线中的 TB 点是 PTCR 的开关温度（阻值增大到最小值两倍时的温度）。PTCR 的体温高于 TB 点后，随着温度的升高，PTCR 的电阻就会骤变到很高的值，利用 PTCR 的这一特性设计的预热启动电路如图 3 所示。当电路接通的瞬间，高频电源的输出电压 V0 加到灯管两端，见图 4，此时，由于热敏电阻 PTCR 对谐振回路构成分流，使回路的Q 值很低，灯管两端不能形成高压，也就不能
5、点亮灯管。同时，高频电流通过电感 L 灯丝 Rf 和热敏电阻 PTCR，对阴极进行预热，经过 t1（GB 规定大于0.4 秒）的时间后，PTCR 因通过电流，体温升高，电阻值迅速增大，减弱了对谐振回路的分流。当阻值增大到一定值时，谐振回路起振，谐振电压幅值 V2增大到把灯管点亮。灯管点亮时（t2），灯管呈现负阻特性，即灯管电流增大，灯管两端电压 V3 降到额定的工作电压值，预热启动过程结束，灯管转入正常工作。图 2PTCR 温阻曲线图图 3PTCR 预热启动电路 图 4PTCR 预热启动过程图图 5PTCR 的电压效应问题在于灯管正常工作后，热敏电阻 PTCR 始终处于热动平衡状态，这是因为热
6、敏电阻不能完全阻断对灯阴极的分流，热敏电阻体温的高低影响着通过电流的大小。通过电流的大小又影响到热敏电阻体温的变化。具体地讲，当PTCR 呈现高阻状态时，电流减小，PTCR 体温随之降低，阻值便减小，又导致流过 PTCR 的电流增大，如此循环使热敏电阻始终处于变化状态之中。这种状态有如下危害：PTCR 在预热启动电路中始终有功耗，一般为总功率的 4。使电子镇流器或电子节能灯的流明系数降低。经测试，40W 荧光灯电子镇流器 PTCR的功耗大于 1.6W，18W 电子节能灯 PTCR 的功耗在 0.8W 左右。按每瓦功率发出光通量 50 流明计，40W 和 18W 的电子镇流器因此而分别损失 70
7、 和40 流明。PTCR 的功耗产生的热量使紧凑型荧光灯和电子镇流器壳内的温度升高，会造成其它电子元件特别是晶体管和电解电容器损坏，使故障率上升。荧光灯点亮后，灯丝回路因 PTCR 的存在，始终有电流通过灯丝，由此而形成发射电流，缩短了阴极的使用寿命。预热电路中的 PTCR 在灯管点亮后，仍处于 80以上的高温环境下，易造成 PTCR 晶界电阻性能的蜕化，使温阻系数改变，预热时间变长。蜕化严重时启动瞬间产生的冲击电流会烧坏功率管。如果阴极长时间处在预热启动状态，最终将会损坏灯管和电子镇流器。 PTCR 最难满足耐高压这一指标。当 PTCR 并联于灯管两端时，要承受较大的开路电压（一般为 100
8、0V 左右），这时 PTCR 的温阻曲线在高于开关温度以后，上升迟缓，如图 5 所示。另外，当高频电流经过 PTCR 时，也会使其温阻特性曲线在高于开关温度 TB 后上升迟缓，如图 6 所示。这些都会使PTCR 对灯丝的预热性能变差。另外，我们测试证明 PTCR 呈现有相当的电容量。在频率较高的线路中，使用 PTCR 与启动电容 C1 并联，会直接破坏镇流器的输出特性。特别是 T5型荧光灯，一般要求电子镇流器的工作频率在 50kHz 以上，对其输出特性影响更严重。图 6PTCR 的频率效应 图 7 氧化锌压敏电阻伏安特性尽管采用 PTCR 对阴极进行预热的方式存在着上述缺点，但目前照明行业生产
9、的电子镇流器，凡具备预热功能的，绝大多数仍着采用 PTCR 预热方式，在紧凑型电子节能灯中，几乎全部采用 PTCR 作为预热启动元件。虽然在阴极预热方式上存在许多其它的预热电路和器件，并有不少专利，但或者因其电路复杂、成本高，或者因其有机械触点可靠性差、寿命难以保证等原因，而未能推广采用。因此在 PTCR 预热启动的基础上，改进预热元件的性能，使其既能实现预热启动的要求，又能在灯管点亮后，自动关断预热电路，就成为众多照明器件厂家进行技术攻关的目标。使用指南1、线路参数不同，使用环境温度不同，延时时间也不同。在特殊环境使用的灯具，如用作冰柜照明等由于环境温度较低建议作环境模拟试验。出口不同地区的
10、灯具，要考虑该地区冬天时的环境温度，如出口到北欧地区的灯具，选用PTCR 时延迟时间不可太长。2、电阻值范围的选择以需要的延迟时间确定，为确保延迟时间一致性，一般为25左右为宜。3、若需延长延时时间，建议对 PTCR:(1)选阻值小一些；（ 2）选体积大一些；（3）选 Tc 高一些。反之亦然。4、大功率灯具冲击电流较大不宜选用小体积 PTCR。5、启动线路为单电容启动的灯具，PTCR 耐压要求较高，最好选 800VAC 以上。6、推荐选用 PTCR 规格（下表为我公司长期试验的结果，用于一般灯具线路，由于各厂家线路有异，选用 PTCR 时以延时 1 秒左右为佳）：节能灯、镇流器功率（W ） 选
11、用 PTC 规格型号 外形尺寸（mm） 居里温度 常温阻值（）35 S 系列 33 50 2K-3K;3K-5K57 L 系列 43 50 500-1K;1-2K711 L 系列 43 75 800-1200;1200-2000913 L 系列 43 75 300-500;500-8001115 A 系列 53 75 800-1200;1.2-2K1520 A 系列 53 75 100-300;300-500;500-8002030 HV 系列 63 75 100-300;300-500;500-8002535 HV 系列 65 75 100-200;200-300;300-5003040 B 系列 83 75 100-300;300-500;500-8004065 BHV 系列 85 75 100-200;200-300;300-500
