CN100415065C - 发光器启动的方法与发光设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发光器启动的方法与发光设备，它利用冷阴极发光器本身在不同的电压输出频率下的不同光效率，利用光效率较差的电压输出频率下发光器本身所产生的热来达到灯管快速温热，经温热后，再供应发光器一个光效率最高的电压输出频率；其中，可运用扫描器当中的特殊应用集成电路(ASIC)上的接脚，输出不同频率的脉冲波；而发光设备则可依据启动方法来设计，它包含：一发光器、一脉冲波输出单元、一驱动单元与一电源供应单元，通过驱动单元驱动脉冲波输出单元的脉冲波输出，即可让电源供应单元输出温热时期所需的频率与工作时期所需的频率至发光器。

Description

发光器启动的方法与发光设备

技术领域

本发明涉及一种发光器启动的方法与发光设备，特别是指一种应用于冷阴极萤光灯的激活，运用冷阴极萤光灯不同频率下的热、光转换效应的萤光灯启动的方法与发光设备。

背景技术

扫描器(scanner)在操作时，都需要光源来照射待扫描的文件，好让扫描器中的CCD(电荷耦合组件)能取得扫描文件的图像数据。由此观点，光源的品质是扫描器扫描品质优劣的基础。于是，众家扫描器厂商无不着重于扫描器光源的设计与研究。

此外，由于扫描器的体积考虑，所以，扫描器的光源要尽量微小，于是，大部分的扫描器厂商均采用冷阴极萤光灯(Cold CathodeFluorescent Lamp，CCFL)。采用冷阴极萤光灯时，为了顾及光源品质，必须在扫描器操作前等到冷阴极萤光灯到达一定的温度，才让扫描器开始运作，如此，萤光灯所发出的光源才会稳定。所以，一般扫描器在开机时必须耗去一些让冷阴极萤光灯足够热的温热时间，经过温热后的冷阴极萤光灯才能稳定地发光。

除了如此的考虑，还必须顾及冷阴极萤光灯的寿命问题。如果要让冷阴极萤光灯的寿命较长，就必须让其温热时间延长，这也是为何目前许多扫描器的冷阴极萤光灯的温热时间约在三分钟左右的主要原因。不过，由于消费者对于扫描器温热时间太长多有抱怨，于是扫描器制作厂商就倾向降低温热时间，以消除消费者的不满。

于是，惠普(HP)开发出一套冷阴极萤光灯的快速温热法，其专利为美国专利第5,907,742号专利，它采用双输入电压的控制方式。在温热期间，采用较高的输入电压(12伏特)，在温热过后，再采用较低的输入电压(约8伏特)。HP的做法，可让冷阴极萤光灯的温热时间降低到10～30秒左右。不过，HP的做法是通过一开始的较高电压来达到快速温热的目的，亦即，让冷阴极萤光灯在温热期间承受较高的电流以快速温热。此举会导致冷阴极萤光灯的寿命降低，请参考下述说明。

请参考图1所示，它说明了在不同电流下的冷阴极萤光灯的寿命曲线，在较高电流下，其寿命显然低了许多。以持续在5mA(毫安)与10mA(毫安)点亮15000小时为例，10mA下的灯管寿命比5mA的灯管寿命减少约10％。此为HP发明专利的第一项问题。其次，为了要达到两种不同的输入电压(温热期与工作期)，HP采用脉宽调制(Pulse Width Modulation，以下简称PWM)控制电路来控制输入电压，在电路设计上较为复杂。最后，HP运用点灯器(Inverter)内建的频率振荡器，其振荡频率在不同电压及温度下会飘移不定，约在35～45千赫芝(kHz)之间，如此，将会有发光不稳定的情形发生，进而影响扫描品质。

另外一种快速温热的方法为：在冷阴极萤光灯管外加装电热丝。此种将电热丝缠绕于冷阴极萤光灯管外的做法，利用灯管外的电热丝的热度，强迫灯管温度上升以达到快速温热的目的。此种做法，虽同样可达到快速温热的目的，不过，由于必须在灯管外加装电热丝。所以，在制程上增加了一些步骤；其次，增加电热丝也会增加额外的费用，包括设备费与耗电成本；其中，最严重的问题在于，位于灯管外的电热丝，会造成光线的阻隔，进而让冷阴极萤光灯的光度不均匀，影响扫描的品质。

所以，目前的冷阴极萤光灯快速温热法均有其限制以及问题点。于是，如何能让冷阴极萤光灯既能达到快速温热，又能延长达到寿命，最重要的，能够发出稳定的光源，成为冷阴极萤光灯在扫描器的应用上极为重要的研究课题。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种由检测发光器的频率光效率的响应曲线，以决定该发光器的一最佳发光频率，最佳温度频率及温热时间；由一双频率控制单元，控制该固定电压源的输出频率，在操作该发光器时，供应该发光器最佳温热频率的固定电压源；经过该温热时间后，该双频率控制单元供应该发光器最佳发光频率的固定电压源以及由发光器、晶体振荡器、脉冲波输出单元和电源供应单元所组成的发光器启动的方法及发光设备，它可使发光器本身在不同频率下的不同光效率快速温热，并能发出稳定的光源，从而解决了现有技术所存在的问题。

本发明所采用的技术方案在于：运用一固定电压源以作为该发光器的电压源，其特征在于，包含下列步骤：运用扫描器中的特殊应用集成电路(ASIC，Application Specific Integraled Circuits)上的接脚：

a)测量该发光器的频率与光效率响应曲线，以决定该发光器的一最佳发光频率、一最佳温热频率与一温热时间；

b)提供一双频率控制单元，以控制该固定电压源的输出频率，在操作该发光器时，供应该发光器最佳温热频率的固定电压源；及

c)经过该温热时间后，该双频率控制单元供应发光器该最佳发光频率的固定电压源。

此外，实现上述操作所使用的发光设备，它包括有：

一用以接收一输出电压以发送一光源的发光器；

一用以产生一振荡频率的脉冲波的晶体振荡器；

一用以调整该振荡频率的脉冲波以产生一最佳温热频率与一最佳发光频率的脉冲波的脉冲波输出单元；及

一电源供应单元，它与该脉冲波输出单元及该发光器相连接，用以接收该脉冲波输出单元的该最佳温热频率或该最佳发光频率的脉冲波以产生一最佳温热频率的供电电压或一最佳发光频率的供电电压，以作为该发光器的输出电压。

本发明的优点在于：

运用本发明发光器启动的方法与发光设备，可在线路简单且仅需一个固定的输入电压的条件下，只需通过控制脉冲波源的脉冲波频率，即可达到发光器快速温热的效果，温热时间最快可达5秒钟。

本发明发光器启动方法与发光设备，由于线路简单，可达到节省制造成本的效果；也由于其启动电流较小(约8毫安(mA))，并且，正常工作时温度较低，可增加发光器管的寿命。

此外，利用本发明发光器启动的方法与发光设备，可与CCD的曝光时间完全同步(8毫秒，125Hz)，且不受频率飘移的影响。

附图说明

图1为在摄氏25度下，相同灯管不同电流下的灯管寿命曲线图；

图2为长250毫米、外径2.6毫米的冷阴极萤光灯在以60kHz为参考频率下的发光效率曲线图；

图3为本发明的发光设备功能方块图；

图4为本发明的供电频率曲线图；及

图5为本发明的电源供应单元的电路图。

具体实施方式

现在结合上述各附图来进一步说明本发明的较佳具体实施例。本发明的实施例是采用长度250毫米、外径长2.6毫米的冷阴极萤光灯作为发光器。图2所示的是该冷阴极萤光灯在以60千赫芝(kHz)为参考频率下的发光效率曲线图，其中，η为发光效率。由图2可发现，在供电频率为60kHz时冷阴极萤光灯的发光效率最高，30kHz时只有60kHz时的百分的五十三(53％)。高于60kHz的频率的脉冲波，同样也让冷阴极萤光灯的发光效率较低，频率越高发光效率越低。

现假设冷阴极萤光灯的电阻为Rl，在额定电流的条件下，比方I毫安(mA)，其耗能为I×I×Rl。依据能量不灭定理，此I×I×Rl的耗能会转换为两种能量形式，一种为光，另一种为热。所以，在不同供电频率下的冷阴极萤光灯，其所消耗的能量不是光较多、热较少，就是光较少、热较多。

本发明运用扫描器的特殊集成电路(Application SpecificIntegrated Circuits，ASIC)上的接脚，即利用上述的供电频率不同下所产生的不同的光热转换效应，来达到快速温热冷阴极萤光灯的目的。并且，可以在固定的额定电流下，例如，5毫安(mA)以下，即可快速温热灯管，而不需以大电流来快速温热，可增加灯管寿命。

所以，只要事先检测固定灯管长度与外径尺寸的冷阴极萤光灯，它在不同的供电频率的光、热效应曲线图，即可找出一个最佳发光频率与最佳温热频率。在灯管温热期间，以最佳温热频率下的供电，即可让灯管在短时间内温热；在最佳发光频率下的供电，即可让灯管达到最佳的发光效率，进而让扫描器能够获得最佳的稳定光源。至于温热的时间，则可依据能量转换值来计算获得。

从上述说明可知，本发明可通过控制灯管温热时间T的供电频率在最佳温热频率，并于灯管工作时期供给的供电频率为最佳发光频率，即可让灯管于相当短的时间，利用灯管本身所发出的热来自我温热。

以下，将说明本发明如何达到产生稳定的供电电源，以及，如何控制供电电源于不同时段(温热时期与工作时期)的供电频率。

首先，要获得稳定的供电电源，可通过控制输入电源的输出方式获得。而供电电源所需的脉冲波源，可从扫描器上的ASIC的接脚获得。由于ASIC的频率产生是由一晶体振荡器(crystal oscillator)提供，而非一般的RC或RL电路所产生，所以，其所产生的振荡频率相当稳定，不会有频率飘移的现象。于是，结合稳定的电压源(固定电压)以及脉冲波源，即能达到产生供电电源的目的，亦即，可获得一个最佳温热频率的供电电源以及一个最佳发光频率的供电电源。

其次，依据上述光、热能转换的计算结果，可得出在最佳温热频率下的冷阴极萤光灯，需要的温热时间为T。只要在温热时间T中供给最佳温热频率的脉冲波，T时间过后供应最佳发光频率的脉冲波。在操作上，只要在驱动程序(driver)设定所需的温热时间T，以及控制ASIC的接脚输出为温热时间T时为最佳温热频率输出，T时间后为最佳发光频率输出。

接着，请参考图3所示，为本发明的发光设备功能方块图，其依据上述的工作原理设计，包含了：晶体振荡器10、脉冲波输出单元(ASIC)20、电源供应单元30以及冷阴极萤光灯40。其中，晶体振荡器10提供一稳定的振荡频率(MHz)，脉冲波输出单元20则将该振荡频率降频以产生本发明所需要的最佳温热脉冲波(kHz)与最佳工作脉冲波(kHz)；电源供应单元30则依据脉冲波输出单元20所输入的最佳温热脉冲波或最佳工作脉冲波，切换其中的电源输出，以让冷阴极萤光灯40于最佳温热频率的供电电源的供给下快速地发热(同时发出较少量的光)，于最佳发光频率发光(同时发出较少量的热)。

所以，电源供应单元30事实上包含了一个电压供电单元、一个切换开关和一个变压器。其中，电压供电单元为12伏特(V)交流电压输入。通过接收脉冲波输出单元20所产生的脉冲波，来控制切换开关的切换，让电压供电单元与变压器的连接或开或关，通过变压器的输出，即可形成一个具有与脉冲波源频率同步的供电电压；并且，经过变压器调升的电压，可作为驱动冷阴极萤光灯40的激活电压。

于是，只要使用者按下扫描器操作键时，也就是，送出一个扫描指令，脉冲波输出单元20(ASIC)接收到此扫描指令时，即输出事先设定的最佳温热频率，并开始计时T；经过T时间后，即输出事先设定的最佳发光频率。以图2为例，曲线图当中，60kHz时的发光效率最高，所以，可设定60kHz为最佳发光频率，至于最佳温热频率，则可以设定为30kHz，其为60kHz的一半。或者，也可以设定最佳发光频率为60kHz，而最佳温热频率为90kHz，以下将进一步说明。

请参考图4所示，为本发明的供电频率曲线图。从此曲线图可知，只要将脉冲波源，亦即，图3中的脉冲波输出单元20，在扫描器温热时间T时段，供应30kHz的脉冲波，此后，供应60kHz的脉冲波，即可达到快速温热的目的。

最后，请参考图5所示，为本发明电源供应单元30的电路图，通过本图将可清楚说明本发明如何产生供电电源。

如图5所示，脉冲波源(也就是ASIC)50的输出连接至H端点，并与电阻R1、晶体管Q1的基极连接的端点C相连接，并与线圈NB的一端相接；R1的另一端点A则与电源的输入电压Vin相接，此端并作为线圈NP1、NP2的共同输入端点I，以及电阻R2的连接端点B。线圈NB的另一端则与晶体管Q2的基极以及电阻R2的另一端相接于端点D。晶体管Q1与晶体管Q2的射极则共同连接至端点E，并与接地端GND相连接。晶体管Q1的集电极则通过端点F连接至线圈NP1的另一端，晶体管Q2的集电极则通过端点G连接至线圈NP2的另一端，两者与电容C1并联于端点F与端点G。输出端的线圈NS则串联一个电容C2，冷阴极发光器则以电阻R1来代表。

从图5可清楚地看出，脉冲波源50的脉冲波输出至晶体管Q1的基极，端点C与端点E之间的电压即随着脉冲波源50的电压而做改变，于是形成晶体管Q1随着脉冲波源50的脉冲波变化而做导通与断路的变化。由于晶体管Q1与晶体管Q2为对称排列，且线圈NP1与线圈NP2的对称排列，所以，当脉冲波源50的输出为高电压电平时，将会破坏此对称性，于是让端点F与端点G两端的电压不同，亦即工作电压Vc将会经过线圈NP1/NP2与线圈NS转换为输出电压Vout；当脉冲波源50的输出为低电压电平时(通常为零)，由于此对称结构，工作电压Vc即为零，此时，输出电压Vout为零。

换句话说，脉冲波源50的脉冲波输入至端点C时，会让晶体管Q1与晶体管Q2成为一个切换开关，让输入电压Vin能转换经过开关的工作电压Vc。于是，Vc经过变压器的转换即可获得与脉冲波源50同步的供电电压的输出电压Vout。此外，电容C2的作用则可让输出电压Vout稳定。

虽然本发明的较佳实施例揭示如上所述，然其并非用以限定本发明，任何熟悉相关技艺的人士，在不脱离本发明精神和范围内，当可作少许的更动与润饰，因此本发明保护范围须视本发明说明书所附的权利要求书保护范围所界定的为准。

Claims (16)

1. 一种发光器启动的方法，它运用一固定电压源以作为该发光器的电压源，其特征在于，包含下列步骤：

a)测量该发光器的频率与光效率响应曲线，以决定该发光器的一最佳发光频率、一最佳温热频率与一温热时间；

b)提供一双频率控制单元，以控制该固定电压源的输出频率成为该最佳温热频率；及

c)经过该温热时间后，该双频率控制单元控制该固定电压源的输出频率成为该最佳发光频率。

2. 如权利要求1所述的发光器启动的方法，其特征在于，所述的发光器，为一冷阴极萤光灯。

3. 如权利要求1所述的发光器启动的方法，其特征在于，所述的最佳发光频率，为在测定频率下光效率为最高时的该电压源的输出频率，该最佳温热频率是依据在测定频率下光效率较低时的该固定电压源的输出频率。

4. 如权利要求3所述的发光器启动的方法，其特征在于，所述的温热时间，是依据该最佳温热频率的光效率，计算出该固定电压源所输出的能量转换为温热该发光器所需热能的时间长。

5. 如权利要求1所述的发光器启动的方法，其特征在于，所述的最佳温热频率为30kHz，该最佳发光频率为60kHz。

6. 如权利要求1所述的发光器启动的方法，其特征在于，所述的固定电压源所需的一脉冲波源是来自一ASIC接脚所输出的脉冲波。

7. 如权利要求1所述的发光器启动的方法，其特征在于，所述的双频率控制单元，是于接获一激活指令后，送出一温热频率控制指令至该固定电压源，该固定电压源即输出该最佳温热频率的电压；经计时该温热时间后，该双频率控制单元则送出一工作频率控制指令至该固定电压源，该电压源即输出该最佳发光频率的固定电压。

8. 一种实现权利要求1方法的发光设备，其特征在于，包含：

一用以接收一输出电压以发送一光源的发光器；

一用以产生一振荡频率的脉冲波的晶体振荡器；

一用以调整该振荡频率的脉冲波以产生一最佳温热频率与一最佳发光频率的脉冲波的脉冲波输出单元；及

一电源供应单元，与该脉冲波输出单元及该发光器相连接。

9. 如权利要求8所述的发光设备，其特征在于，所述的发光器，为一冷阴极萤光灯。

10. 如权利要求8所述的发光设备，其特征在于所述的最佳发光频率，为在测定频率下光效率为最高时的该电源供应单元的输出频率，该最佳温热频率是依据在测定频率下光效率较低时的该电源供应单元的输出频率。

11. 如权利要求8所述的发光设备，其特征在于，所述的最佳温热频率为30kHz，该最佳发光频率为60kHz。

12. 如权利要求8所述的发光设备，其特征在于，所述的脉冲波输出单元，为一特殊应用集成电路ASIC。

13. 如权利要求8所述的发光设备，其特征在于，所述的脉冲波输出单元，于接获一启动指令后，输出该最佳温热频率至该电源供应单元；经计时一温热时间后，该脉冲波输出单元则输出该最佳发光频率至该电源供应单元。

14. 如权利要求13所述的发光设备，其特征在于，所述的温热时间，依据该最佳温热频率的光效率，计算出该电压源的能量转换为温热该发光器所需热能的时间长。

15. 如权利要求8所述的发光设备，其特征在于，所述的电源供应单元，它包含一电压供电单元、一切换开关单元与一变压器，该切换开关受控于该最佳温热频率或该最佳发光频率的脉冲波做开关切换，以切换该电压供电单元与该变压器的连接，形成该工作电压的输出。

16. 如权利要求15所述的发光设备，其特征在于，所述的电压供电单元，为一12V交流电压输入。

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