CN102933009A - 能在荧光灯管寿终或夭折前自我保护的电子式安定器 - Google Patents

Abstract

一种能在荧光灯管寿终或夭折前自我保护的电子式安定器，包括控制电路、二功率开关、直流隔离电容、谐振电路、电压检知电路及整流滤波电路；控制电路与功率开关相连，以控制功率开关的切换；功率开关经过直流隔离电容与谐振电路相连；谐振电路包括谐振电感器及谐振电容器，谐振电感器串联在功率开关与荧光灯管的一灯丝间，谐振电容器与电压检知电路串联后并联至荧光灯管的二灯丝间；电压检知电路检测荧光灯管上等比例的交流电压且将交流电压传送至整流滤波电路；整流滤波电路将交流电压转换成直流电压且将直流电压传送至控制电路的输入端；控制电路内的比较器在判断出直流电压位准超过容忍电压位准时产生中断控制信号，使得控制电路立即停止运作。

Description

能在荧光灯管寿终或夭折前自我保护的电子式安定器

技术领域

随着材料科学及制造技术的逐渐进步，业界由荧光灯管的研究中发现，荧光灯管的管径越细，其发光效率将越高。据此，荧光灯管的粗细已从最早的T12(管径38.4mm)一路减为T8(管径25.6mm)，直到现今蔚为主流的T5(16mm)管径，甚至，T4、T3、T2等用于紧凑型(Compact)用途的细管径，如：市售细管径的U形、螺旋形等省电灯泡，其管径除已越来越细外，且已逐渐取代以钨丝为发光体的白炽灯泡。

然而，由于荧光灯管终究会因汞耗尽、灯管漏气、灯丝老化或灯丝断裂等因素，而寿终正寝或夭折，同时，尚会导致下列两种可能的状况：

(一)造成电子式安定器立即烧毁的状况；

(二)因灯丝老化或制造瑕疵，造成灯丝偶然在断裂处引起跳火且引起电弧，此时，由于电子式安定器还在持续工作，故荧光灯管两端会因持续的电弧而引发高热，此高热会将T5以下的细玻璃灯管烧红，甚至，造成引燃灯头塑件的意外。对于T8以上粗管径者而言，虽因其灯丝距离灯管较远，散热也较好，这种现象以前未曾被发现与关注，因此在国际荧光灯电子安定器的安全规范中，亦未对其可能造成的危险及问题列入安规的审查范围，直到近年，例如：IEC 61347-2-3安全规范在2004年改版时，才在其第17节中加入寿终(End of Life)的相关测试，而UL1993安全规范则在2009年才加入此项规范。

本发明为能在荧光灯管寿终或夭折前，无论是导因于荧光灯管的汞耗尽、灯管漏气、灯丝老化、灯丝断裂或整流效应等任何一种状况，都能立即迫使电子式安定器停止工作，而不产生任何危险，且不造成除灯管以外的任何零件及电路的损坏，故，使用本发明的电子式安定器，在荧光灯管寿终或夭折后，只要换上新的灯管，即能继续正常点灯，因此，本发明除能免除电器废弃物的发生，减少对环境的污染外，尚能符合上述的国际安全规范。

背景技术

近年来，业界为了节省成本，各厂家所使用的荧光灯管的电子式安定器(Electronic Ballast)几乎是大同小异，且已普遍地被使用在各式荧光灯管的灯具及省电灯泡上。

电子式安定器的电路发展至今，其能量传送的基本架构大多为半桥谐振电路，在控制上分自激与它激两类，其它电路看起来差异不大，图1所示为美商GE公司爱迪生21W节能灯的电路，图2所示为荷商PHILIPS公司还在贩卖中的HELIX 23W的节能灯电路，二者均属自激震荡式电路，图3所示为美商IR公司用于推广其控制IC(IR2520D)于节能灯的电路(参考InternationalRectifier公司的Application Note AN1066)，属于它激式震荡电路。

兹针对前述几个电子式安定器的电路工作原理及其问题点进行分析及说明如下。基本上，前述电子式安定器的能量传输架构均是使用一半桥LC串联谐振电路，该半桥LC串联谐振电路包含了一对上下串联的功率开关(其中Q₁称上臂开关、Q₂称下臂开关)、一个直流隔离电容(C_b)、一个谐振电感(L_r)、一个谐振电容(C_r)及所述功率开关的控制电路。以图1及图2所示的电子式安定器为例，二者均属自激电路，一般言，自激电路均必需设有一启动电路，其启动电路是由R₄、R₆、C₈及DA1(是一Diac(diode for alternating current))所组成，自激电路维持振荡的原理为用一容易饱和的磁蕊制成一驱动变压器，用来分别驱动所述功率开关Q₁、Q₂，该驱动变压器尚包含三个绕组(L₂₀、L₂₁、L₂₂)，其中初级绕组L₂₀是串接在一谐振电路上，两个次级绕组L₂1、L₂₂是以相反的极性分别接在功率开关Q₁、Q₂的输入端上，当下臂开关Q₂被启动电路导通后，该驱动变压器的磁通量会在正饱和与负饱和之间驱使所述功率开关Q₁、Q₂交互导通，而使谐振电感L_r与谐振电容C_r组成的一谐振电路振荡起来，当荧光灯管LAMP还没点亮以前，灯管形同开路，而让谐振电容C_r上的电压一次又一次的增高电压，直到荧光灯管LAMP内的氩气被游离，进而导致汞被气化而游离，汞游离所产生的紫外线激发管壁的荧光粉，而发出可见光，此时，荧光灯管LAMP由于汞已气化并游离，其上的电压随之下降，在高频下形同一电阻，电路基本上变成电感及电阻(LR)的来回振荡，其电流大小由驱动变压器的饱和电流来决定，其频率主要由谐振电感L_r与灯管电阻来决定，荧光灯就这样被持续点亮着。

查，图1及图2所示电路的不同点，是图1在灯管上并联有一颗正温度系数的电阻，一般称之为PTC，在常温下它的电阻值在数欧姆之间，在开灯时能透过流经电阻PTC的电流，先对荧光灯管LAMP的灯丝进行预热，当电阻PTC上通过电流而发热后，其电阻值会突然升高到百万欧姆级，此时，在谐振电容Cr上即能振荡出一高电压来点亮荧光灯管，被预热过的灯丝会先发射出热电子以阻挡氩离子的撞击而延长灯丝的寿命，道理虽然是这样，但是不匹配的电阻PTC可能会让氩气不能一次就游离成功，反而使灯丝被更多次的氩离子撞击，而减短寿命，此或许就是图2所示电路没有加上正温度系数的电阻PTC的真正原因，此经实验证明亦是如此。

以图3所示IR公司用于推广其控制IC(IR2520D)于节能灯的电路为例，它是属于它激式震荡电路，其半桥功率开关使用的是Power MOS，标示为MHS的即为上臂开关，标示为MLS的即为下臂开关，标示为LRES的即为谐振电感，标示为CDC的即为平衡电容，标示为CRES的即为谐振电容，而IR2520D即为上下臂半桥控制电路，该上下臂半桥控制电路一开始会先送出比谐振电感LRES与谐振电容CRES的谐振频率还高的频率，然后，频率开始往下扫，在高频时，谐振电感LRES与谐振电容CRES不会谐振起来，此时的电流会流经谐振电容CRES及灯丝，而达成灯丝预热的效果，当频率下扫到谐振电感LRES与谐振电容CRES的谐振频率附近时，谐振电容CRES上便能产生谐振的高电压来游离氩气，点火后，即将驱动频率停在预设的频率上，以点亮灯管，此即图3所示电路的主要工作原理。

然而，无论前述三个电子式安定器的那一个，其电路在荧光灯管老化时都没有预设的自我保护机制，当荧光灯管老化时，灯管电压会持续上升，导致电路无法负荷，终至烧坏一堆零件及相关电路，同时，由于，在所述电子式安定器中，灯管灯丝都被放在谐振电感与谐振电容间的串联位置上，故当灯丝因老化或瑕疵，而突然断裂时，因谐振电感与谐振电容两边的能量会相互拉扯，导致灯丝断裂处很可能出现跳火，进而引发电弧，此时，若控制电路仍持续工作，该电弧所产生的高温极可能烧尽灯丝，甚至，烧毁支撑灯丝的支柱，且让灯头产生高温而引燃灯头外的塑件，酿成火灾意外，直到该电子式安定器的电路被烧毁，电弧才会停止，虽然，引发电弧的机率只有百分之几，然而，一旦引发，则后果不堪设想，且极为危险。至今，业者对于此一问题，几乎都以相对较弱的功率开关来让各式电子式安定器在灯管老化时能提前烧毁，因此，虽然此一权宜措施，能通过灯管寿终测试的机率也很高，惟，若功率开关的设计未如预期般先烧毁，则失火意外的危险性仍然存在于各式电子式安定器中，而无法幸免。

据上所述可知，所述传统且未设有自我保护机制的各式电子安定器，在灯管寿终或夭折发生时，都会以烧毁电路的方式，来结束生命，由于修护不敷成本，使用者只好在省电灯泡(或称节能灯泡)或电子式安定器发生损坏时，将之丢弃，造成资源的无谓浪费，且对环境造成严重污染。近年来，由于环保意识逐渐抬头，各类物品的回收、修复及再利用已成为世界各国政府及业界日益重视的一重要议题，但是，因为各式电子式安定器或节能灯，在灯管老化或有瑕疵时，最终都是以烧毁电路作为结局，甚至，引发火灾，此亦意味着各式电子式安定器及荧光灯管届时均会成为完全无法被回收及再利用的废弃物，此一现象，即成为落实前述环保议题的主要障碍。故，如何设计出一种结构简单且具备自我保护机制的电子式安定器，以在荧光灯管的灯丝因老化或瑕疵而瞬间断裂时，也不会产生引起失火危险的电弧，且能立即中止谐振电路继续运作，以确保谐振电路不致因过度需索能量，而烧毁电子式安定器上的相关电路及零件，使得安定器电路仍能成为完全被回收及再利用的重要元件，即为本发明在此欲探讨的一重要课题。

发明内容

本发明提供一种能在荧光灯管寿终或夭折前自我保护的电子式安定器，该电子式安定器包括一控制电路、二功率开关、一直流隔离电容、一谐振电路、一电压检知电路及一整流滤波电路；其中该控制电路与所述功率开关相连接，用以控制所述功率开关的切换动作；所述功率开关是经过该直流隔离电容，而与该谐振电路相连接；该谐振电路包括一谐振电感器及一谐振电容器，其中该谐振电感器是串联在所述功率开关与该荧光灯管的一灯丝间，该谐振电容器是与该电压检知电路相串联后，再并联至该荧光灯管的二灯丝间；该电压检知电路是透过流经该谐振电容的电流大小，检测出该荧光灯管上等比例的一交流电压的位准大小，且将该交流电压传送至该整流滤波电路；该整流滤波电路会将该交流电压转换成一直流电压，且将该直流电压传送至该控制电路的一输入端；该控制电路内的一比较器在判断出该直流电压位准超过一容忍电压位准时，能产生一中断控制信号，使得该控制电路立即停止运作。如此，即能有效防止该电子式安定器因该荧光灯管寿终正寝前各该灯丝的持续过载，以避免烧毁该电子式安定器中的相关电路及零件。此外，由于所述灯丝的位置并不串联在该谐振电路上，故尚能完全避免灯丝发生跳火拉电弧的现象，完全根除了引燃灯头塑件的危险。

本发明的主要目的，是在使荧光灯管的灯丝完全不会发生跳火拉电弧的可能，进而在荧光灯管老化或有瑕疵时，使该电子式安定器能即时保护其上的零件及电路，而不致烧毁，以有效防止发生火灾意外，且在该荧光灯管寿终或夭折时，使该安定器电路仍能完全被业者回收利用，并在业者简单更换新的荧光灯管后，能重新被正常使用，以达成落实节省资源及保护环境的目的。

今，为能更清楚地表达本发明的技术手段及运作过程，兹配合附图列举若干较佳实施例，说明如下：

附图说明

图1为GE爱迪生21W的省电灯泡的电子式安定器的电路图；

图2为飞利浦HELIX 23W的省电灯泡的电子式安定器的电路图；

图3为International Rectifier公司的IC应用于省电灯泡的电子式安定器的电路图；

图4是本发明的一较佳实施例的电子式安定器的电路方块示意图；

图5是图4所示电子式安定器的细部电子线路图；及

图6是图5的在示波器上所呈现的实验结果。

附图标号：

控制电路............10

第一功率开关............11

第二功率开关............12

荧光灯管............20

第一灯丝............201

第二灯丝............202

电压检知电路............61

整流滤波电路............62

比较器............63

直流隔离电容............C_b

谐振电容器............C_r

倍压电容器............C₁₀

滤波电容器............C₁₁

整流二极管............D₂、D₄

第一预热绕组............L₁

第二预热绕组............L₂

谐振电感器............L_r

检知电阻............R_S

电阻器............R₉、R₁₀

功率金属氧化半导体场效晶体管............Q₁、Q₂

供电端............V_in

容忍电压位准............V_ref

具体实施方式

本发明是关于一种能在荧光灯管寿终或夭折前自我保护的电子式安定器，请参阅图4所示的本发明的第一个较佳实施例，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控制电路10、二功率开关11、12、一直流隔离电容C_b、一谐振电路、一电压检知电路61及一整流滤波电路62；其中该控制电路10与所述功率开关11、12相连接，用以控制所述功率开关11、12的切换动作；所述功率开关11、12经过该直流隔离电容C_b，而与该谐振电路相连接；该谐振电路包括一谐振电感器L_r及一谐振电容器C_r，其中该谐振电感器L_r串联在所述功率开关11、12与该荧光灯管20的第一灯丝201间，该谐振电容器C_r是与该电压检知电路61相串联后，再并联至该荧光灯管20的二灯丝201、202间；该电压检知电路61能检测出该荧光灯管20上等比例的一交流电压，且将该交流电压传送至该整流滤波电路62；该整流滤波电路62会将该交流电压转换成一直流电压，且将该直流电压传送至该控制电路10的一输入端；该控制电路10内的一比较器63在判断出该直流电压位准超过一容忍电压位准V_ref时，能产生一中断控制信号，使得该控制电路10立即停止运作。

兹针对本发明的第一个较佳实施例中各元件间的连接关系及其动作原理综合说明如下，参阅图4及图5所示，该控制电路10至少能产生两个输出信号，其中第一及第二输出信号频率相同但波形交错的电压信号，该第一功率开关11是一功率金属氧化半导体场效晶体管(Power Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，以下简称Power MOSFET)Q₁，该第一功率开关11的栅极能接收该第一输出信号，使得该第一功率开关11能根据该第一输出信号进行切换，该第一功率开关11的漏极与一供电端V_in的正极相连接；该第二功率开关12亦是一功率金属氧化半导体场效晶体管Q₂，该第二功率开关12的栅极能接收该第二输出信号，使得该第二功率开关12能根据该第二输出信号进行切换，该第二功率开关12的漏极与该第一功率开关11的源极相连接，该第二功率开关12的源极则与该供电端V_in的负极相连接。如此，由于该谐振电容器C_r与该电压检知电路61相串联后，再一起并联至该荧光灯管20两端的灯丝201、202上，且该谐振电感器L_r与该直流隔离电容C_b相串联后，再一起连接在该第一功率开关11及第二功率开关12间相连接的线路及该谐振电容器C_r之间，故当该控制电路10依序产生该第一及第二输出信号，以交互驱动所述功率开关11、12时，能产生两个接近于该谐振电感器L_r与该谐振电容器C_r的谐振频率的驱动信号，以交互驱动所述功率开关11、12，使该谐振电容器C_r上能产生高电压，以令该荧光灯管20内的氩气迅速游离，进而使氩离子被加速，带动汞气化且游离，当汞离子还原成汞原子时会发出紫外光，当紫外光撞击该荧光灯管20内壁的荧光粉时，会让荧光粉发出可见光，因而顺利点亮该荧光灯管20。

另，若该电子式安定器须预热，则可经由一预热电路(图中未示)在该荧光灯管20被点亮前，先对该第一灯丝201的两端上并联的第一预热绕组L₁，及该第二灯丝202的两端上并联的第二预热绕组L₂，施加预热电压，若该电子式安定器不须预热，则该第一灯丝201及该第二灯丝202的两端上无需并联该第一预热绕组L₁与该第二预热绕组L₂，而将该第一灯丝201及该第二灯丝202的两端分别短路，无论该第一灯丝201及该第二灯丝202的两端是否短路，由于该第一灯丝201及该第二灯丝202均非串联在该谐振电路的中间，故该第一灯丝201或该第二灯丝202突然发生断裂时，因无能量在其间振荡，因此，完全没有跳火拉电弧的可能性。

复参阅图4所示，虽然该电压检知电路61是在检测该谐振电容器C_r上的交流电电流的大小，但是，由于该谐振电容器C_r上的交流电电流能充分反映出该荧光灯管20的电压高低，因此，在第一个较佳实施例中，本发明仅需藉由在该谐振电容器C_r与该第二灯丝202间串联一检知电阻R_S，复参阅图5所示，作为图4所示的该电压检知电路61，即能自该谐振电容器C_r上取得一等比例的灯管电压。诚如前述，由于，无论该荧光灯管20是老化或瑕疵，其灯管电压都会呈现逐渐升高或突然升高的现象，故当该检知电阻R_S取得的交流电压，经该整流滤波电路62整流滤波成直流电压，且传送至该半桥控制电路10后，俟该控制电路10内的比较器63判断出该直流电压升高至超过该容忍电压位准V_ref时，该控制电路10会立即产生该中断控制信号，使得该控制电路10立即停止运作，而不再送出该第一及第二输出信号，以避免该第一灯丝201或第二灯丝202因老化或瑕疵而断丝，导致引发灯丝电弧，而在该谐振电容器C_r上突然振荡出一极高的谐振电流，烧毁该电子安定器上的相关电路及零件，或引燃灯具上用以固定荧光灯管20两端灯头的塑件，达成保护该电子安定器的目的。

图4所示仅是本发明的一较佳实施例，惟，在实施本发明时，并不局限于此，亦可依据实际需要，变更该电子式安定器的电路设计，惟，无论如何变更该电子式安定器的电路设计，本发明在此欲主张保护的电路结构是专指应用至一电子式安定器的电路结构，故，凡熟悉电子式安定器的设计领域的技术人员，根据本发明的设计理念，在一电子式安定器上，增设一电压检知电路61及一整流滤波电路62，使得该电压检知电路61能检测出一谐振电容器C_r上的交流电压位准，并透过该整流滤波电路62，将该交流电压位准整流成一直流电压位准，且传送至该控制电路10，以在该控制电路10判断出该直流电压位准超过预先设定的一容忍电压位准V_ref时，能立即产生一中断控制信号，使该控制电路10立即停止运作，以避免该荧光灯管20寿终正寝或夭折前，因该第一灯丝201或第二灯丝202老化或瑕疵，而发生断丝，且持续产生电弧，烧毁该电子式安定器，或酿成火灾意外，即应属本发明在此欲主张保护的电路结构的范围。

兹为确认本发明的电子式安定器的可行性，发明人乃根据图4所示的电路方块图，实际设计其细部电子线路，如图5所示，其中检知电阻R_s即为图4所示的该电压检知电路61，用以对该谐振电容器C_r上的交流电压进行取样(sampling)，当该荧光灯管20老化时，灯管电压会持续上升，取样的交流电压位准亦将愈大，而倍压电容器C₁₀、整流二极管D₂、电阻器R₉、整流二极管D₄、电阻器R₁₀滤波电容器C₁₁等元件则组成了图4所示的该整流滤波电路62，其中二个整流二极管D₂、D₄是用以对该电压检知电路61(或检知电阻R_s)所取样的交流电压进行全波整流，其中一个整流二极管可为一齐纳二极管，再利用一RC滤波电路(R₉、R₁₀、C₁₀、C₁₁)，得到等比例于该交流电压的一直流电压，且将该直流电压传送至该控制电路10内的一比较器63的一输入端，俟该控制电路10内的比较器63检测出该整流滤波电路62的滤波电容器C₁₁上的直流电压已超过该容忍电压位准V_ref时，该比较器63即会输出一中断控制信号，使该控制电路10立即停止运作，以避免该第一灯丝201或第二灯丝202因断丝而持续产生电弧，进而发生烧毁该电子安定器，或酿成火灾意外的问题。

另，发明人针对图5所示的电子式安定器，在其上以一功率级的可变电阻器取代该荧光灯管20，以慢慢增加电阻值来模拟荧光灯管逐渐老化的状况，且以示波器进行实测，此时，由示波器显示的结果可知，参阅图6所示，当灯管电压(即，标示CH1的波形)逐渐上升时，在该整流滤波电路62的滤波电容器C₁₁上的直流电压值(即，标示CH2的波形)也逐渐上升，直到超过正常灯管电压上下0.6伏的容忍电压位准V_ref时，本发明的电子式安定器即启动自我保护机制，使该控制电路10立即停止运作，以立刻停止该谐振电感器L_r与该谐振电容器C_r间的振荡，而完成了确保本发明的电子式安定器完好无损的保护动作。

以上所述，仅是本发明的若干较佳实施例，在实施本发明时，并不局限于此，亦可依据实际需要，以其它控制电路、电压检知电路或滤波整流电路，来达成使该电子安定器具备自我保护功能的目的。

Claims (5)

1.一种能在荧光灯管寿终或夭折前自我保护的电子式安定器，与一荧光灯管两端的一第一灯丝及一第二灯丝相并联，其特征在于，所述的电子式安定器包括：

一控制电路，至少能产生两个输出信号，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；

二功率开关，其中第一功率开关及第二功率开关的一端彼此串接，所述第一功率开关的另一端连接至一供电端的正极，且所述第一功率开关能接收所述第一输出信号，并根据所述第一输出信号进行切换，所述第二功率开关的另一端连接至所述供电端的负极，且所述第二功率开关能接收所述第二输出信号，并根据所述第二输出信号进行切换；

一直流隔离电容，串联至所述第一功率开关及第二功率开关间相连接的线路上；

一谐振电路，至少包括一谐振电感器及一谐振电容器，其中所述谐振电感器串联在所述直流隔离电容及所述第一灯丝间，所述谐振电容器并联在所述第一灯丝及所述第二灯丝间，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；

一电压检知电路，与所述谐振电容器相串联，且并联在所述第一灯丝及所述第二灯丝间，用以检测对应于所述荧光灯管上等比例的一交流电压；及

一整流滤波电路，分别与所述电压检知电路及所述控制电路相连接，以自所述电压检知电路接收所述交流电压，且将所述交流电压转换成一直流电压，并将所述直流电压传送至所述控制电路；

所述控制电路在判断出所述直流电压超过预设的一容忍电压位准时，能产生一中断控制信号，使得所述控制电路立即停止运作。

2.如权利要求1所述的电子式安定器，其特征在于，所述第一及二功率开关分别为一功率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。

3.如权利要求2所述的电子式安定器，其特征在于，所述电压检知电路是一检知电阻。

4.如权利要求3所述的电子式安定器，其特征在于，所述整流滤波电路由二个整流二极管所组成，用以对所述电压检知电路所取样的交流电压进行全波整流，再利用一RC滤波电路，得到等比例于所述交流电压的所述直流电压，且将所述直流电压传送至所述控制电路内的一比较器的一输入端。

5.如权利要求4所述的电子式安定器，其特征在于，一个整流二极管为一齐纳二极管。

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