CN102469672A

CN102469672A - 荧光灯管的定时定频预热式安定器电路

Info

Publication number: CN102469672A
Application number: CN2010105329996A
Authority: CN
Inventors: 梁锦宏
Original assignee: TIANWANG ELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: TIANWANG ELECTRONICS CO Ltd; Skynet Electronic Co Ltd
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2010-11-04
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-11-04
Also published as: CN102469672B; HK1166579A1

Abstract

一种荧光灯管的定时定频预热式安定器电路，包括它激式功率驱动电路、谐振电路及预热电路，其中该预热电路的作用是在该安定器电路点亮荧光灯管前，对该荧光灯管两端的灯丝进行一定时定频的预热动作；在灯丝的预热期间，该功率驱动电路会产生一高于该谐振电路的谐振频率的输出信号，以避免在该荧光灯管上产生足够点亮灯管的高电压，且该功率驱动电路会控制该预热电路，使其在预热期间，利用其中的灯丝变压器及高频交涟电容器，将该输出信号的电压交涟到该灯丝上，以对该灯丝进行预热；当预热期间届满，该功率驱动电路会中止该预热电路的预热动作，且更换该输出信号的频率至接近于该谐振电路的谐振频率，以使该谐振电路能因振荡出高电压而点亮灯管。

Description

荧光灯管的定时定频预热式安定器电路

技术领域

本发明为一种荧光灯管的定时定频预热式安定器(ballast)电路，能利用一预热电路，在该安定器电路点亮一荧光灯管前，能对该荧光灯管两端的灯丝进行一定时定频的预热动作，以使灯丝能被所产生的众多热电子团团包围，进而有效遏止在灯管点亮时灯丝被氩离子撞击而发生的溅射现象，令灯丝上涂布的电子粉不易耗损。

背景技术

一般荧光灯的发光原理，参阅图1所示，在一玻璃灯管100内形成一密闭空间，且使该密闭空间内填充氩(argon，简称Ar)等惰性气体及微量的汞(mercury，简称Hg)，并在该灯管100内壁上涂布微粒荧光体镀层(Phosphor Layer)，该灯管100的两端分别设有由钨丝构成的灯丝101、102，各该灯丝101、102的一端分别连接至一启动器11(Starter)，其另一端则分别透过一安定器(ballast)14及一切换开关15(Switch)连接至一交流电源16，该启动器11主要由一电容器12及一小型霓虹灯13并联而成，该小型霓虹灯13内充满氖气(neon，简称Ne)，并设有二电极131、132，二电极131、132间在休止期间呈开路状态，其中电极132由双金属片制成，受热后会弯曲变形，且能接触到另一电极131，以形成短路状态，该安定器14是一电感器，用以配合交流电源16及启动器11，控制流经启动器11及灯管100的电流。

复参阅图1所示，当该切换开关15被导通后，小型霓虹灯13的二电极131、132间的氖气会放电发热，进而使该双金属片的电极132受热而弯曲变形，且与该另一电极131接触导通，形成短路状态，使得该小型霓虹灯13的电流能流经该灯丝101、102，并对灯丝101、102进行加热，令该灯丝101、102因升温发热而产生大量热电子，此时，由于启动器11仍呈短路状态，使得灯管100两端并无电压。因该二电极131、132间的短路，使得其间的氖气，因失去电压，而停止放电及发热，导致该双金属片的电极132降温，而脱离与该另一电极131相接触的状态，瞬间切断流经该启动器11、所述灯丝101、102及该安定器14的电流。此时，该安定器(电感器)14因电流的突然中断，乃配合该电容器12，振荡出一高电压，使灯管内氩气游离成氩离子及自由电子，且被外加高压所加速，而撞击散布在灯管内的液态汞，导致汞的气化；汞气被高速电子撞击时，使汞原子内的电子产生能阶的跃迁，而产生紫外线，该紫外线继而撞击管壁内面的荧光粉，而发出可见光，电感器14在灯管100被点亮后，转变成限制灯管电流的一重要元件，因此，亦称的为安定器或镇流器。此为荧光灯发明以来最典型的安定器电路，其点灯的频率为市电交流频率。综上所述，安定器电路主要是依下列步骤，点亮荧光灯管：

一、对荧光灯管两端的灯丝进行预热；

二、产生高电压，让荧光灯管内的氩气游离；及

三、点亮荧光灯管后，安定或限制荧光灯管内的灯管电流。

当电子时代来临后，业者发现以数十千的频率来点亮荧光灯管，能有效提高荧光灯管的发光效率，因此，近年来，业界乃陆续开发设计出各式荧光灯的电子式安定器(ElectronicBallast)电路，且已普遍地将其使用在荧光灯及其灯具上，至此，以硅钢片为主的电磁式安定器(Magnetic Ballast)电路，乃因其体积较大、重量较重，且启动器的寿命较短等缺点，遂逐渐被电子式安定器电路所取代。

电子式安定器电路当然也得遵循上述的点灯步骤，然而因灯丝预热的方法不同，过与不及都会影响灯管的寿命，以下是几种常见的方法及其缺点：

1、PTC预热式电子安定器：参阅图2所示，其基本架构是半桥LC谐振电路，其中的一正温度系数电阻R_PTC(Positive Temperature Coefficient Resistor，简称PTC)与一谐振电容器C_r相接成并联；PTC的特性是在常温下其电阻值可在数欧姆内，当电流通过使其发热后，PTC的电阻值可突然升高到数百万(Mega)欧姆；业者乃利用PTC的前述特性，使安定器于开机时，能利用PTC的低电阻值，而有较大的电流先流过灯管100两端的灯丝，对灯丝加热，此时，由于PTC也逐渐被加热到突然变成数百万欧姆，而形同开路状态，在此一过程中，LC谐振电路(由谐振电感器L_r及谐振电容器C_r所构成)也逐步升高其振荡电压，终至在谐振电容器C_r上产生一足够让氩气游离的高电压而点亮灯管100。然而，由于PTC的量产特性并不一致，常会使灯丝在预热不足的情形下点灯，而让氩离子有很多机会去撞击灯丝，进而导致灯丝逐渐受损至断开，故，一般PTC预热式电子安定器仅能使荧光灯管100维持在约5000次左右的点灯寿命；再者，由于PTC元件长期处于高温状态(100～130℃)，其所造成的电能耗损至少约0.5瓦到1瓦之间，此亦大幅降低了PTC预热式电子安定器的整体效能。

2、变频预热式电子启动器：参阅图3所示，其基本架构仍是半桥LC谐振电路，其中一谐振电容器C_r及一谐振电感器L_r构成了一谐振电路，其预热方式为由一扫频驱动电路110产生一由高往低的扫频信号，来驱动半桥LC谐振电路，市面上专为此方式设计的IC相当多，如：Philips UBA2021、International Rectifier IR 2156等；其预热与启动原理为：刚开机时，该扫频驱动电路110会产生一高于由该谐振电路的谐振频率的驱动信号，让流过谐振电容器C_r的电流能预热灯丝，此时，由于该谐振电容器C_r上的电压尚不足以点亮灯管100，故当该扫频驱动电路110所产生的驱动信号的频率逐渐朝该谐振电路的谐振频率靠近时，流过该谐振电容器C_r的灯丝电流会逐渐变小，该谐振电容器C_r上的电压则会越来越高，终致点亮灯管100；然而，此一设计思维却存在一盲点，即在预热灯丝时，灯丝所产生的热电子并未累积在灯丝外围，反之，会因该谐振电容器C_r上的交流电压逐渐升高而被驱散在灯管100中，极易在预热期间，灯管100尚未被点亮，即已在灯管100上测量到电弧放电电流(glow current)，参阅图4所示，电弧放电电流即氩离子撞击灯丝而生成的电流，而使灯丝上涂布的电子粉损耗，因此，在设计上是很难拿捏，较好的方法是让高频的时间停留久一点，如：FAIRCHILD编号为FAN7710V的控制IC，但依欧盟(EC)No244/2009的规定，灯管100需在一秒以内点燃，FAN7710V是否能办得到，对设计者而言，实为一大挑战。

据上所述，如何设计出一种安定器电路，能在对灯丝进行预热时，几乎不在灯管上施加电压，且在点亮荧光灯管前，能让灯丝因预热而被所产生的热电子团团围住，以在荧光灯管被点亮时，有效阻挡灯丝遭到氩离子的撞击，进而确保灯丝上涂布的电子粉不易散失，大幅提升荧光灯管的使用寿命，即为本发明的课题。

发明内容

本发明提供一种荧光灯管的定时定频预热式安定器电路，该安定器电路以半桥LC谐振电路为主架构，包括一它激式功率驱动电路、一谐振电路及一预热电路，其中该预热电路的作用是在该安定器电路点亮一荧光灯管前，能对该荧光灯管两端的灯丝进行一定时定频的预热动作；在灯丝的预热期间，该功率驱动电路会产生一远高于该谐振电路的谐振频率的输出信号，以避免在该荧光灯管上产生足够点亮灯管的高电压，且该功率驱动电路会控制该预热电路，使该预热电路能在预热期间，利用其中的一灯丝变压器及一高频交涟电容器，将该输出信号的电压交涟到该灯丝上，以对该灯丝进行预热；当预热期间届满，该功率驱动电路会中止该预热电路的预热动作，且更换该输出信号的频率至接近于该谐振电路的谐振频率，以使该谐振电路能因振荡出高电压而点亮灯管。

本发明的主要目的，是该预热电路能在该荧光灯管被点亮前，先对灯丝进行预热，且提供给灯丝的一预热电流，仅会使荧光灯管产生极低的灯管电压，当该预热电流对灯丝预热达一设定的预热期间后，该安定器电路会再提供一足够的高电压予灯管，以迅速点亮灯管，此时，由于灯丝已被预热期间所产生的众多热电子团团围住，故能有效遏止在荧光灯管点亮时灯丝被氩离子撞击而发生的溅射现象，大幅减少灯丝上涂布的电子粉的耗损，使荧光灯管内邻近二灯丝端的部位，在经过数万次以上的点灭后，亦不致发黑，大幅提高了荧光灯管被点亮的次数及其使用寿命。

本发明的另一目的，是该预热电流及预热时间均能依该安定器电路的设计需求而被调整，故能确保灯丝在预热期间已被所产生的众多热电子团团围住，进而确保在该安定器电路提供足够的高电压，迅速点亮灯管时，荧光灯管内游离的氩离子会因众多热电子的阻隔，而不致撞击灯丝。由于，无氩离子撞击灯丝的喷溅效应(Sputter Effect)，故在预热期间及点亮灯管的瞬间，均不会在灯管上测量到电弧放电电流，且经实际实验，本发明的安定器电路在点亮荧光灯管高达50万次以上，也不见荧光灯管的灯头发黑现象。

为能更清楚地表达本发明的技术手段及运作过程，兹配合附图举一较佳实施例，说明如下：

附图说明

图1是现有荧光灯的安定器电路的架构示意图；

图2是现有预热式电子启动器的电路架构示意图；

图3是现有变频预热式电子启动器的电路架构示意图；

图4是图3所示现有变频预热式电子启动器的灯丝电流、灯管电流及灯管电压的波型示意图；

图5是本发明的安定器电路的第一实施例示意图；

图6是谐振电压的峰值与谐振频率的关系示意图；

图7是本发明的安定器电路在预热期间的第一及二绕组L₁、L₂上的预热电流、灯管电流、灯管电压及第三输出信号的波型示意图；

图8是本发明的安定器电路在点亮期间的第一及二绕组L₁、L₂上的预热电流、灯管电流、灯管电压及第三输出信号的波型示意图；

图9是本发明的安定器电路的第二实施例示意图；及

图10是本发明的安定器电路的第三实施例示意图。

附图标号：

控制电路 ............10

荧光灯管 ............20

第一灯丝 ............201

第二灯丝 ............202

高频交涟电容器 ............C_a

隔离电容器 ............C_b

谐振电容器 ............C_r

第一绕组 ............L₁

第二绕组 ............L₂

第三绕组 ............L₃

谐振电感器 ............L_r

第一半导体开关 ............Q₁

第二半导体开关 ............Q₂

第三半导体开关 ............Q₃

供电端 ............V_in

具体实施方式

本发明是一种荧光灯管的定时定频预热式安定器电路，参阅图5所示，该荧光灯管20的两端分别设有一第一灯丝201及一第二灯丝202，该安定器电路包括一它激式功率驱动电路、一谐振电路及一预热电路，其中该它激式功率驱动电路是由一控制电路10、一第一半导体开关Q₁、一第二半导体开关Q₂及一第三半导体开关Q₃所构成，该谐振电路是由一谐振电容器C_r及一谐振电感器L_r所构成，该预热电路则是由一灯丝变压器及一高频交涟电容器C_a所构成。

复参阅图5所示，该控制电路10至少能产生三个输出信号，其中第一及第二输出信号是频率相同但波形交错的电压信号，第三输出信号是一时序信号，用以设定的一预热期间；该第一半导体开关Q₁是一功率金属氧化半导体场效晶体管(PowerMetal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，以下简称Power MOSFET)，该第一半导体开关Q₁的栅极能接收该第一输出信号，使得该第一半导体开关Q₁能根据该第一输出信号进行切换，该第一半导体开关Q₁的漏极与一供电端V_in的正极相连接；该第二半导体开关Q₂亦是一Power MOSFET，该第二半导体开关Q₂的栅极能接收该第二输出信号，使得该第二半导体开关Q₂能根据该第二输出信号进行切换，该第二半导体开关Q₂的漏极与该第一半导体开关Q₁的源极相连接，该第二半导体开关Q₂的源极则与该供电端V_in的负极相连接，该第三半导体开关Q₃亦是一电源金属氧化物半导体场效晶体管(Power MOSFET)，且在该预热期间，该第三半导体开关Q₃的栅极能接收该第三输出信号，使得该第三半导体开关Q₃能根据该第三输出信号被导通，该第三半导体开关Q₃的源极是与该供电端V_in的负极相连接；该灯丝变压器是由三个绕组L₁、L₂、L₃所构成，其中第一绕组L₁的两端分别与该第一灯丝201的两端相连接，第二绕组L₂的两端分别与该第二灯丝202的两端相连接，第三绕组L₃的一端与该第三半导体开关Q₃的漏极相连接；该谐振电容器C_r的两端分别连接至该第一绕组L₁及第二绕组L₂；该谐振电感器L_r连接在该第一半导体开关Q₁及第二半导体开关Q₂间相连接的线路及该谐振电容器C_r之间，当该控制电路10产生一较该谐振电路的谐振频率为高的该第一及第二输出信号时，该谐振电路会在该谐振电容器C_r上响应出一无法点亮灯管的极低电压，反之，当该控制电路10产生一较接近该谐振电路的谐振频率的该第一及第二输出信号时，该谐振电路则会在该谐振电容器C_r上响应出一能立刻点亮灯管的高电压；该高频交涟电容器C_a的一端连接至该第一半导体开关Q₁及第二半导体开关Q₂间相连接的线路及该谐振电感器L_r之间，另一端则连接到该第三绕组L₃的另一端。

复参阅图5所示，当该安定器电路被启动时，该控制电路10会对该第三半导体开关Q₃送出该第三输出信号，使该第三半导体开关Q₃能根据该第三输出信号，导通一设定的预热期间，同时，该控制电路10会对该第一及二半导体开关Q₁、Q₂分别送出高于该谐振电路的谐振频率的该第一及第二输出信号，使得该高频交涟电容器C_a能将该第一及第二输出信号的电压交涟到该灯丝变压器的该第三绕组L₃上，进而使该第一绕组L₁及第二绕组L₂获得预热灯丝201、202所需的电压；当该预热期间届满，该控制电路10会立即关闭该第三半导体开关Q₃，使得该灯丝变压器因失去通路而无法再取得预热电压，灯丝201、202亦被停止加热，此时，该控制电路10会对该第一及二半导体开关Q₁、Q₂分别送出接近于该谐振电路的谐振频率的该第一及第二输出信号，且透过该第一及二半导体开关Q₁、Q₂的切换，让该谐振电路进入谐振状态，而在该谐振电容器C_r上振荡出一足以点亮灯管的高电压，以点亮该灯管20。

由谐振电压的峰值与谐振频率的关系图可知，参阅图6所示，当该控制电路10所产生的该第一及二输出信号的频率愈高(如：2f_r，f_r为该谐振电路的谐振频率)时，该谐振电容器C_r上电压峰值V_p即愈低，因此，该灯管20即越不容易被点亮，然而，由于高频率的该第一及二输出信号能透过该高频交涟电容器C_a的交涟作用，使该第一及二输出信号的电压交涟到该第一绕组L₁及第二绕组L₂，故能确保该第一绕组L₁及第二绕组L₂获得预热灯丝201、202所需的电压，此亦为本发明的基本原理。

发明人使用本发明的安定器电路，点亮一荧光灯管，并对该第一及二绕组L₁、L₂上的预热电流(pre-heat Current)、灯管电流(Lamp Current)、灯管电压(Lamp Voltage)及该第三半导体开关Q₃栅极的第三输出信号等波型进行量测后，由图7所示预热期间的该第一及二绕组L₁、L₂上的预热电流、灯管电流、灯管电压及第三输出信号的波型示意图可知，在该预热期间，该控制电路10会对该第三半导体开关Q₃的栅极施加该第三输出信号，使该第三半导体开关Q₃维持在导通状态，此时，该第一及二绕组L₁、L₂会分别产生预热电流，对该第一及二灯丝201、202进行预热，且灯管电流几乎为零；其次，由图8所示点亮瞬间的该第一及二绕组L₁、L₂上的预热电流、灯管电流、灯管电压及该第三输出信号的波型示意图可知，在安定器电路完成对第一及二灯丝201、202预热后，该控制电路10会停止产生该第三输出信号，使该第三半导体开关Q₃维持在截止状态，此时，灯管电压的波形呈阶段上升，直到该荧光灯管20被点亮为止，当该荧光灯管20被点亮后，该灯管电流及灯管电压随即呈现稳定状态。据此，本发明的安定器电路显然能使点亮该荧光灯管20的电弧放电电流(glow current)大幅减小，有效防止启动瞬间该荧光灯管20内所产生的大量氩离子，撞击该第一灯丝201及第二灯丝202上涂布的电子粉，而免除了喷溅作用，使得荧光灯管20能在经过数万次以上的点灭后，其内邻近该第一灯丝201及第二灯丝202端的部位，仍维持如新，几乎完全无黑头的现象，显见本发明确实能大幅提高荧光灯管被点亮的次数及其使用寿命。

在此需特别声明的是，以上所述的半导体开关，仅为本发明在前述较佳实施例中所使用的一常用元件，本发明在实际施作时，并不局限于此，亦可视实际需要，以其它功率开关取代该半导体开关，该功率开关包括继电器(relay)、其它半导体开关或晶体管等，只要该功率开关能接受该控制电路10产生的输出信号，且据以进行切换，皆为本发明在此所称的功率开关。此外，图5仅为本发明的安定器电路的简化示意图，在实施本发明时，亦可依据实际需要，变更安定器电路的设计，复参阅图5所示，如：在该谐振电路与该第一半导体开关Q₁间增设一隔离电容器C_b，或如图9所示本发明的第二个具体实施例，将该谐振电容器C_r并联至该灯管20两端灯丝201及202的左侧，或如图10所示本发明的第三个具体实施例，将该谐振电容器C_r的两端分别连接至该第一绕组L₁及第二绕组L₂的中央位置，以使该谐振电路能根据该第一及二半导体开关Q₁、Q₂的切换，而在该第一及二灯丝201、202上产生均匀匹配的灯丝电流；在此需特别一提者，以上所述，仅为本发明的若干较佳实施例，本发明的构造特征并不局限于此，任何本领域技术人员在本发明领域内，可轻易思及的变化或修饰，如在以上所述安定器电路的基本电路架构中，增加其它电路或元件，期在本发明所述的功能外，增加其它功能，皆应涵盖在以下本案的权利要求内。

Claims

1.一种荧光灯管的定时定频预热式安定器电路，分别与一荧光灯管两端的一第一灯丝及一第二灯丝相连接，其特征在于，所述的安定器电路包括：

一控制电路，至少能产生三个输出信号，其中第一及第二输出信号是频率相同但波形交错的电压信号，第三输出信号是一时序信号，用以设定一预热期间；

一第一功率开关，接收所述第一输出信号，且根据所述第一输出信号进行切换，所述第一功率开关的一端与一供电端的正极相连接；

一第二功率开关，接收所述第二输出信号，且根据所述第二输出信号进行切换，所述第二功率开关的一端与所述第一功率开关的另一端相连接，所述第二功率开关的另一端则与所述供电端的负极相连接；

一第三功率开关，接收所述第三输出信号，使得所述第三功率开关能根据所述第三输出信号导通所述预热期间，所述第三功率开关的一端与所述供电端的负极相连接；

一灯丝变压器，由三个绕组所构成，其中一第一绕组的两端分别与所述第一灯丝的两端相连接，一第二绕组的两端分别与所述第二灯丝的两端相连接，一第三绕组的一端与所述第三功率开关的另一端相连接；

一谐振电容器，其两端分别连接至所述第一绕组及第二绕组；

一谐振电感器，连接在所述第一功率开关及第二功率开关间相连接的线路与所述谐振电容器之间，所述谐振电感器与谐振电容器构成一谐振电路，所述谐振电路能根据所述第一功率开关及第二功率开关的切换，而在所述谐振电容器上振荡出一电压；及

一高频交涟电容器，其一端连接至所述第一功率开关及第二功率开关间相连接的线路与所述谐振电感器之间，其另一端连接至所述第三绕组的另一端；

当所述安定器电路被启动时，所述控制电路会对所述第三功率开关送出所述第三输出信号，使所述第三功率开关能根据所述第三输出信号，导通所述预热期间，同时，所述控制电路会对所述第一及二功率开关分别送出高于所述谐振电路的谐振频率的所述第一及第二输出信号，使得所述高频交涟电容器能将所述第一及第二输出信号的电压交涟到所述第三绕组上，进而使所述第一绕组及第二绕组能获得预热所述二灯丝所需的电压；当所述预热期间届满时，所述控制电路会立即关闭所述第三功率开关，使得所述灯丝变压器因失去通路而无法再取得预热电压，以停止对所述二灯丝的加热，此时，所述控制电路会对所述第一及二功率开关分别送出接近于所述谐振电路的谐振频率的所述第一及第二输出信号，且透过所述第一及二功率开关的切换，使所述谐振电路进入谐振状态，而在所述谐振电容器上振荡出一足以点亮灯管的高电压。

2.如权利要求1所述的安定器电路，其特征在于，所述的安定器电路还包括一隔离电容，连接在所述谐振电路器与所述第一功率开关间。

3.如权利要求2所述的安定器电路，其特征在于，所述谐振电容器的两端分别连接至所述第一绕组及第二绕组的中央位置。

4.如权利要求3所述的安定器电路，其特征在于，所述第一、第二及第三功率开关分别为一电源金属氧化物半导体场效晶体管，所述第一功率开关的栅极能接收所述第一输出信号，其漏极与所述供电端的正极相连接；所述第二功率开关的栅极能接收所述第二输出信号，其漏极与所述第一功率开关的源极相连接，其源极则与所述供电端的负极相连接；所述第三功率开关的栅极能接收所述第三输出信号，其漏极与所述第三绕组的另一端相连接，且其源极与所述供电端的负极相连接。