中心議題:

• 熒光燈陰極預(yù)熱方式討論
• 智能PTC熱敏電阻與PTCR的比較

解決方案:

• 采用智能型PTC熱敏電阻

1.前言

目前的熒光燈絕大多數(shù)為陰極預(yù)熱式產(chǎn)品。人們?yōu)榱颂岣邿晒鉄艄艿墓庑Р⒀娱L(zhǎng)其使用壽命，在配套電器方面作了大量深入的研究工作，包括鎮(zhèn)流器線路拓?fù)涞倪x擇和陰極預(yù)熱方式的選擇等。以期電子器件與對(duì)應(yīng)的熒光燈管相匹配，達(dá)到充分發(fā)揮熒光燈管的光效和使照明環(huán)境更舒適更節(jié)能的效果。本文參照熒光燈IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)GB標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于陰極預(yù)熱起動(dòng)的要求，對(duì)常見的陰極預(yù)熱方式進(jìn)行了分析，認(rèn)為采用智能熱敏電阻是熒光燈陰極預(yù)熱啟動(dòng)的最佳方案。

2.陰極預(yù)熱的目的

陰極預(yù)熱式熒光燈的電極是一個(gè)極為重要的零件。熒光燈使用時(shí)間的長(zhǎng)短主要取決于電極的壽命。對(duì)交流電源來(lái)說(shuō)，該電極既是陰極又是陽(yáng)極。電極上涂有碳酸鋇、碳酸鍶和碳酸鈣為主的電子發(fā)射材料。這些材料只有當(dāng)陰極的工作溫度在900℃～1000℃時(shí)才能充分發(fā)射電子。另一方面，陰極通過(guò)預(yù)熱放出大量電子，使燈的啟動(dòng)電壓降低，通常降低到陰極未預(yù)熱啟動(dòng)電壓的二分之一到三分之一。電壓的降低減少了相關(guān)電子元器件所承受的電應(yīng)力，從而降低了整燈的故障率，延長(zhǎng)了使用壽命。為此，陰極預(yù)熱納入了IEC和我國(guó)GB標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定此類熒光燈在點(diǎn)亮前必須經(jīng)過(guò)陰極預(yù)熱，并對(duì)各種型號(hào)規(guī)格熒光燈的預(yù)熱時(shí)間和預(yù)熱電流參數(shù)提出了要求。

3.陰極預(yù)熱啟動(dòng)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

以往，熒光燈多采用電感式工頻鎮(zhèn)流器。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子鎮(zhèn)流器以其體積小、重量輕、功耗少、無(wú)頻閃、無(wú)噪音、光效高等優(yōu)點(diǎn)，逐步取代電感式鎮(zhèn)流器已成為必然趨勢(shì)。在電子鎮(zhèn)流器發(fā)展過(guò)程中，陰極預(yù)熱問(wèn)題一直是電子鎮(zhèn)流器技術(shù)研究的重點(diǎn)之一。

電子鎮(zhèn)流器的啟動(dòng)電壓是由限流電感L和啟動(dòng)電容C1組成的L-C1串聯(lián)諧振電路在C1兩端產(chǎn)生的諧振電壓。簡(jiǎn)化電路如圖1所示。L-C1的品質(zhì)因數(shù)Q=1/ωC1R=ωL/R，式中R為L(zhǎng)-C1回路的損耗電阻，ω為L(zhǎng)-C1回路的工作角頻率。在L-C1回路對(duì)高頻振蕩電路的輸出電壓V1諧振時(shí)，限流電感L或C1上的電壓VR=QV1。合理設(shè)計(jì)限流電感L和電容C1的參數(shù)，可使C1上的諧振電壓VR達(dá)到使燈管點(diǎn)亮的值。陰極不進(jìn)行預(yù)熱的電路，電源一接通燈即點(diǎn)亮，這對(duì)陰極損傷很厲害，會(huì)使燈管根部很快變黑，使燈管壽命變短。
[page]
為解決熒光燈陰極預(yù)熱問(wèn)題，人們利用了正溫度系數(shù)熱敏電阻（以下簡(jiǎn)稱PTCR）。其溫阻特性曲線如圖2所示。曲線中的TB點(diǎn)是PTCR的開關(guān)溫度（阻值增大到最小值兩倍時(shí)的溫度）。PTCR的體溫高于TB點(diǎn)后，隨著溫度的升高，PTCR的電阻就會(huì)驟變到很高的值，利用PTCR的這一特性設(shè)計(jì)的預(yù)熱啟動(dòng)電路如圖3所示。當(dāng)電路接通的瞬間，高頻電源的輸出電壓V0加到燈管兩端，見圖4，此時(shí)，由于熱敏電阻PTCR對(duì)諧振回路構(gòu)成分流，使回路的Q值很低，燈管兩端不能形成高壓，也就不能點(diǎn)亮燈管。同時(shí)，高頻電流通過(guò)電感L燈絲Rf和熱敏電阻PTCR，對(duì)陰極進(jìn)行預(yù)熱，經(jīng)過(guò)t1（GB規(guī)定大于0.4秒）的時(shí)間后，PTCR因通過(guò)電流，體溫升高，電阻值迅速增大，減弱了對(duì)諧振回路的分流。當(dāng)阻值增大到一定值時(shí)，諧振回路起振，諧振電壓幅值V2增大到把燈管點(diǎn)亮。燈管點(diǎn)亮?xí)r（t2），燈管呈現(xiàn)負(fù)阻特性，即燈管電流增大，燈管兩端電壓V3降到額定的工作電壓值，預(yù)熱啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束，燈管轉(zhuǎn)入正常工作。

[page]
問(wèn)題在于燈管正常工作后，熱敏電阻PTCR始終處于熱動(dòng)平衡狀態(tài)，這是因?yàn)闊崦綦娮璨荒芡耆钄鄬?duì)燈陰極的分流，熱敏電阻體溫的高低影響著通過(guò)電流的大小。通過(guò)電流的大小又影響到熱敏電阻體溫的變化。具體地講，當(dāng)PTCR呈現(xiàn)高阻狀態(tài)時(shí)，電流減小，PTCR體溫隨之降低，阻值便減小，又導(dǎo)致流過(guò)PTCR的電流增大，如此循環(huán)使熱敏電阻始終處于變化狀態(tài)之中。這種狀態(tài)有如下危害：

⑴ PTCR在預(yù)熱啟動(dòng)電路中始終有功耗，一般為總功率的4％。使電子鎮(zhèn)流器或電子節(jié)能燈的流明系數(shù)降低。經(jīng)測(cè)試，40W熒光燈電子鎮(zhèn)流器PTCR的功耗大于1.6W，18W電子節(jié)能燈PTCR的功耗在0.8W左右。按每瓦功率發(fā)出光通量50流明計(jì)，40W和18W的電子鎮(zhèn)流器因此而分別損失70和40流明。

⑵ PTCR的功耗產(chǎn)生的熱量使緊湊型熒光燈和電子鎮(zhèn)流器殼內(nèi)的溫度升高，會(huì)造成其它電子元件特別是晶體管和電解電容器損壞，使故障率上升。

⑶ 熒光燈點(diǎn)亮后，燈絲回路因PTCR的存在，始終有電流通過(guò)燈絲，由此而形成發(fā)射電流，縮短了陰極的使用壽命。

⑷ 預(yù)熱電路中的PTCR在燈管點(diǎn)亮后，仍處于80℃以上的高溫環(huán)境下，易造成PTCR晶界電阻性能的蛻化，使溫阻系數(shù)改變，預(yù)熱時(shí)間變長(zhǎng)。蛻化嚴(yán)重時(shí)啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生的沖擊電流會(huì)燒壞功率管。如果陰極長(zhǎng)時(shí)間處在預(yù)熱啟動(dòng)狀態(tài)，最終將會(huì)損壞燈管和電子鎮(zhèn)流器。

⑸ PTCR最難滿足耐高壓這一指標(biāo)。當(dāng)PTCR并聯(lián)于燈管兩端時(shí)，要承受較大的開路電壓（一般為1000V左右），這時(shí)PTCR的溫阻曲線在高于開關(guān)溫度以后，上升遲緩，如圖5所示。另外，當(dāng)高頻電流經(jīng)過(guò)PTCR時(shí)，也會(huì)使其溫阻特性曲線在高于開關(guān)溫度TB后上升遲緩，如圖6所示。這些都會(huì)使PTCR對(duì)燈絲的預(yù)熱性能變差。

另外，我們測(cè)試證明PTCR呈現(xiàn)有相當(dāng)?shù)碾娙萘?。在頻率較高的線路中，使用PTCR與啟動(dòng)電容C1并聯(lián)，會(huì)直接破壞鎮(zhèn)流器的輸出特性。特別是T5型熒光燈，一般要求電子鎮(zhèn)流器的工作頻率在50kHz以上，對(duì)其輸出特性影響更嚴(yán)重。 盡管采用PTCR對(duì)陰極進(jìn)行預(yù)熱的方式存在著上述缺點(diǎn)，但目前照明行業(yè)生產(chǎn)的電子鎮(zhèn)流器，凡具備預(yù)熱功能的，絕大多數(shù)仍著采用PTCR預(yù)熱方式，在緊湊型電子節(jié)能燈中，幾乎全部采用PTCR作為預(yù)熱啟動(dòng)元件。雖然在陰極預(yù)熱方式上存在許多其它的預(yù)熱電路和器件，并有不少專利，但或者因其電路復(fù)雜、成本高，或者因其有機(jī)械觸點(diǎn)可靠性差、壽命難以保證等原因，而未能推廣采用。因此在PTCR預(yù)熱啟動(dòng)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)預(yù)熱元件的性能，使其既能實(shí)現(xiàn)預(yù)熱啟動(dòng)的要求，又能在燈管點(diǎn)亮后，自動(dòng)關(guān)斷預(yù)熱電路，就成為眾多照明器件廠家進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)的目標(biāo)。
[page]
4.新型熒光燈陰極預(yù)熱啟動(dòng)元件——智能型PTC熱敏電阻

在對(duì)熒光燈陰極預(yù)熱技術(shù)進(jìn)行了充分研究的基礎(chǔ)上，從理論上突破了對(duì)敏感材料應(yīng)用方面的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，巧妙地利用了敏感材料的固有特性和一般氣體放電燈的負(fù)阻特性，我們研制成功了既能滿足熒光燈燈絲預(yù)熱要求，又能自動(dòng)關(guān)斷的智能元件。

其實(shí)施方案是：把具有適當(dāng)阻值及開關(guān)溫度TB的PTC延遲型熱敏電阻同具有適當(dāng)?shù)膲好綦妷篣1mA（在此電壓下壓敏電阻Rz的通流為1mA）和通流量的壓敏電阻Rz進(jìn)行串聯(lián)復(fù)合，使成為智能電阻Ri，用以取代電子鎮(zhèn)流器及電子節(jié)能燈中的普通熱敏電阻PTCR。PTCR的溫阻特性已示于圖2，氧化鋅壓敏電阻的伏安特性，如圖7所示。從圖7可看出，氧化鋅壓敏電阻是對(duì)電壓非常敏感的器件，其通流值隨所施加的電壓值的增大而急劇增大，把PTCR和壓敏電阻Rz串聯(lián)復(fù)合成智能電阻Ri，接在電子鎮(zhèn)流器的燈絲預(yù)熱回路中（如圖3所示，去掉普通的PTCR，代之以Ri即可），其作用過(guò)程如下：當(dāng)接通電源瞬間，電子鎮(zhèn)流器的開路輸出電壓（一般為1000VP-P左右），使壓敏電阻Rz導(dǎo)通。適當(dāng)選擇U1mA,使導(dǎo)通電流等于該燈管的燈絲預(yù)熱電流）燈絲電流經(jīng)Ri流過(guò)。適當(dāng)?shù)剡x擇PTCR阻值、體積及開關(guān)溫度TB，使在0.4s(1s達(dá)到此開關(guān)溫度后，Ri中的PTCR阻值驟增至高阻狀態(tài)。這樣，一方面限制了壓敏電阻的通流量，一方面使Ri=Rz＋PTCR支路近于開路，這時(shí)由L和C1構(gòu)成的串聯(lián)諧振回路（見圖3）起振，諧振電壓U2（見圖4）增大到把燈管點(diǎn)亮，燈點(diǎn)亮后呈負(fù)阻特性，燈管兩端電壓下降到燈管正常工作電壓，此燈管工作電壓一般遠(yuǎn)低于所選定的壓敏電阻的壓敏電壓U1mA，所以，燈點(diǎn)亮后，Rz自行關(guān)斷。Ri=Rz＋PTCR處于“休閑狀態(tài)”。

可見，該智能型PTC熱敏電阻是利用PTC熱敏電阻的延遲特性來(lái)完成燈絲預(yù)熱時(shí)間和PTC熱敏電阻的限流特性來(lái)保護(hù)壓敏電阻Rz不至于“過(guò)荷”而燒壞；又利用壓敏電阻Rz的壓敏電壓U1mA特性和熒光燈管的負(fù)阻特性滿足預(yù)熱電流并關(guān)斷預(yù)熱回路。這樣Rz與PTCR的串聯(lián)復(fù)合體－智能熱敏電阻Ri，就能完成熒光燈燈絲預(yù)熱及"關(guān)斷”功能。使用智能熱敏電阻Ri，不需要改變?cè)娮渔?zhèn)流器的電路參數(shù)，只需用相應(yīng)規(guī)格的智能熱敏電阻Rpi替換PTCR即可。使用中，接通電源，智能熱敏電阻就通過(guò)電流對(duì)燈絲進(jìn)行預(yù)熱，在燈管點(diǎn)亮后，智能熱敏電阻近于開路狀態(tài)，關(guān)斷了預(yù)熱回路，自身功耗近于零，相當(dāng)于一個(gè)無(wú)觸點(diǎn)的自動(dòng)開關(guān)。

在電子鎮(zhèn)流器或電子節(jié)能燈上使用智能熱敏電阻有如下特點(diǎn)和優(yōu)越性

（1） 完全可以按各種規(guī)格的熒光燈預(yù)熱電流的要求，在0.4s～2s的時(shí)間里，使燈絲達(dá)到預(yù)熱要求。如菲利浦照明電子（上海）公司對(duì)燈絲的預(yù)熱效果，是用燈絲的熱態(tài)與冷態(tài)電阻之比描述的。他們測(cè)試了智能熱敏電阻的預(yù)熱效果，熱態(tài)電阻與冷態(tài)電阻與之比在4～5之間，完全符合其預(yù)熱要求。又如上海浦東某獨(dú)資照明公司在26W電子節(jié)能燈上使用智能熱敏電阻，各項(xiàng)參數(shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求

（2） 智能熱敏電阻在熒光燈管點(diǎn)亮后，功耗幾乎為零，與PTCR相比，相應(yīng)提高光通量(40～80)流明。同時(shí)可使電子鎮(zhèn)流器或電子節(jié)能燈殼體內(nèi)溫度降低，在18W電子節(jié)能燈殼內(nèi)溫度降低(3～5)℃，從而降低了晶體管及電解電容器的熱損壞率，提高了整燈的可靠性。

（3） 智能熱敏電阻在燈管點(diǎn)亮后，關(guān)斷了預(yù)熱回路的電流，這不僅防止了自身性能的蛻化，也減少了燈絲的熱發(fā)射，延長(zhǎng)了燈管的使用壽命，如威海北洋集團(tuán)燈管廠在18W電子節(jié)能燈上使用智能熱敏電阻，通斷10萬(wàn)次之后，解剖觀察陰極，大部分電子粉顏色為白色，陰極損耗正常，北洋照明電器公司進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后認(rèn)為：在相同條件下，智能熱敏電阻與PTCR相比，燈管發(fā)黑的程度要輕得多，只有PTCR的一半左右，他們的結(jié)論是：采用智能熱敏電阻預(yù)熱啟動(dòng)，可延長(zhǎng)燈管壽命。

（4） 智能熱敏電阻由于其結(jié)構(gòu)上的原因，能充分適應(yīng)電子鎮(zhèn)流器和電子節(jié)能燈產(chǎn)生的高頻高壓的作用條件。經(jīng)過(guò)10000次的模擬開關(guān)試驗(yàn)后，智能熱敏電阻的預(yù)熱啟動(dòng)特性基本不變。對(duì)于燈管老化、燈陰極失去激活、不易啟動(dòng)的情況，電子鎮(zhèn)流器輸出呈開路狀態(tài)，其開路電壓一般在10000V(GB標(biāo)準(zhǔn)要求小于1500V），此時(shí)，智能熱敏電阻仍能承受5s（標(biāo)準(zhǔn)要求鎮(zhèn)流器元件能耐異常狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間為5s）的高頻高壓，經(jīng)過(guò)200次的異常狀態(tài)試驗(yàn)，預(yù)熱啟動(dòng)特性變化不顯著。（一般電子鎮(zhèn)流器均有異常狀態(tài)保護(hù)電路，當(dāng)燈管老化、燈不易啟動(dòng)、輸出端出現(xiàn)高壓、大電流時(shí)，保護(hù)電路一般會(huì)在2s內(nèi)動(dòng)作，因此，智能熱敏電阻所承受的高頻高壓時(shí)間一般只有2s左右，不會(huì)到5s，其安全裕度是足夠充分的。

（5） 智能熱敏電阻自身呈現(xiàn)的電容值很小，對(duì)電子鎮(zhèn)流器的輸出特性沒有影響。

總結(jié)：
總之，節(jié)能燈用智能型PTC熱敏電阻以其獨(dú)有的自動(dòng)通斷性能，克服了PTC在熒光燈陰極預(yù)熱問(wèn)題上存在的缺點(diǎn)，而且性能價(jià)格比也比較優(yōu)越，使用安全可靠，是電子鎮(zhèn)流器和電子節(jié)能燈比較理想的預(yù)熱元件。