CN1248286C - 直流荧光灯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流荧光灯，尤其是一种用在太阳能户用光伏电源系统中的直流荧光灯。包括灯罩、灯头、灯管以及与之相配合的控制器，控制器包括自激振荡器、高频变压器T1以及灯丝预热电路，所述的自激振荡器采用基极驱动电路，基极驱动电路与高频变压器T1原边连接，在高频变压器T1的副边形成了高频方波交流电，高频变压器T1的副边连接在灯管的阳极、阴极上起辉发亮。实现三极管在开启后能够快速地渡过线性放大工作区，工作电路的转换损耗很小，延长了三极管的使用寿命，从而延长了整个直流荧光灯的使用寿命。

Description

直流荧光灯

(一)技术领域

本发明涉及一种直流荧光灯，尤其是一种用在太阳能户用光伏电源系统中的直流荧光灯。

(二)背景技术

通常的，在太阳能发电、风力发电等直流电源使用的荧光灯，一般采用逆变电路将直流电转换成交流电，所述的逆变电路采用振荡电路，振荡电路的输出端连接一个变压器，变压器起升压作用，其输出端连接到荧光灯管上起辉发亮。如专利号是94215005.8，专利名称是高效节能直流荧光灯的实用新型专利，公开了一种采用双晶体管推挽逆变电路作为振荡电路，将低压直流电转换成高压交流电来点亮荧光灯管；如专利号是96203481.9，专利名称是一种长寿直流荧光灯的实用新型专利，由三极管、一个电位器、两个电容以及一个电感线圈组成的自激振荡器，振荡器与一个绕组双线并绕的变压器耦合，变压器的输出端与灯管连接，为了避免冷起辉对灯丝的损害，设置了灯丝预热电路，延长了灯管的寿命。但是还存在这一下的缺点：1、振荡电路的三极管起到开关的作用，在振荡过程中三极管的转换损耗比较大，三极管的使用寿命比较短，荧光灯的使用寿命比较短；2、提出了灯丝预热电路，在开关接通后直接加热灯丝，可以实现热起辉，但是预热电路的电流较大，对灯丝有损耗。

(三)发明内容

为了克服已有技术中振荡电路的转换损耗较大、使用寿命比较短的不足，本发明提供了一种直流荧光灯，采用了基极驱动电路作为振荡电路，实现三极管在开启后能够快速地渡过线性放大工作区，工作电路的转换损耗很小，延长了三极管的使用寿命，从而延长了整个直流荧光灯的使用寿命。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种直流荧光灯，包括灯罩、灯头、灯管以及与之相配合的控制器，所述的控制器设置在所述的灯头内，所述的灯管包括阳极、阴极，阳极设有节点1、节点2，节点1和节点2是阳极灯丝引出线，阴极设有节点3、节点4，节点3和节点4是阴极灯丝引出线，所述的控制器包括自激振荡器、高频变压器T1，所述的控制器一端与直流电源连接，另一端与所述的灯管的阳极、阴极连接，

所述的自激振荡器包括三极管BG2、电容C3、C4、电感L、二极管D3、电阻R4、R5、R6；

所述的高频变压器T1原边绕组分成N_p、N_i两段，原边绕组中间端与直流电源正极相连接，副边绕组N_s一端与所述的阴极的节点4连接，另一端与直流电源的负极连接；

电阻R5与二极管D3串联，电容C3与电感L串联，电阻R5与二极管D3的接点和电容C3与电感L的接点通过导线连接，电阻R5与电容C3共同连接在节点5上，所述的节点5通过电阻R4与高频变压器T1原边绕组的N_i端连接，二极管D3的负极与电感L共同连接在节点6上，所述的节点6通过电阻R6与所述的三极管BG2的基极相连接，三极管BG2的集电极与所述的高频变压器T1原边绕组的N_p端连接，三极管BG2的发射极与直流电源的负极连接，同时在发射极与集电极之间并联电容C4；

所述的节点1与直流电源的负极连接。

进一步，所述的控制器还包括灯丝预热电路，所述的灯丝预热电路是一个三极管基极放大电路，包括三极管BG1、电阻R1、R2、R3、电容C1、C2、二极管D2、继电器J以及由继电器J控制的开关K；

所述的阳极的节点2与所述的阴极的节点3之间串接有开关K、电阻R3；

所述的电容C1与直流电源并联，电阻R1、R2串联与所述的电容C1并联，电阻R1与直流电源的正极连接，电阻R2与直流电源的负极连接，电阻R1与电阻R2的连接点与三极管的基极连接，所述的电容C2与所述的电阻R2并联；

所述的三极管BG1的集电极与所述的二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与电源的正极连接，所述的继电器J与所述的二极管D2并联，继电器J与三极管BG1的集电极之间设有节点7，所述的控制开关K与电阻R3之间设有节点8，所述的继电器J通电后可以控制开关K使得节点7与节点8导通；

三极管BG1的发射极与直流电源的负极连接。

再进一步，所述的电阻R6是正温度系数热敏电阻(PCT热敏电阻)，在常温下它保持低阻通态，在温度上升至临界点温度(距离点温度T_c≥100℃)左右，它的电阻会迅速上升到3～4kΩ，同时还对电流大小有敏感。

本发明所述的直流荧光灯的有益效果主要表现在：1、所述的振荡电路采用了基极驱动电路，所述的电路结构合理，实现了晶体管电路在开启后使开关迅速的渡过线性放大工作区，使状态的转换能耗尽量小，可以延长晶体管BG2的使用寿命，进而延长了荧光灯的使用寿命；2、采用了三极管基极放大电路作为开关电路，用继电器J控制开关K的动作，从而实现灯丝的预热，且设有限流电阻R3，可以保证阴极得到恒电流加热，可以延长荧光灯的使用寿命；3、在振荡回路上设置了热敏电阻R6，可以起到保护三极管BG2的作用，在环境温度升高时电阻值会稍稍增大，可以使电流减少，当环境恢复到正常态时，它又进入到低阻态起到自我调节作用，使荧光灯处于设定的工作状态。

(四)附图说明

图1表示本发明所述的直流荧光灯的结构图；

图2表示本发明所述直流荧光灯的控制器的电路图。

(五)具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

参考图1、图2，一种直流荧光灯，包括灯罩9、灯头10、灯管11以及与之相配合的控制器，控制器设置在所述的灯头10内，灯管包括阳极12、阴极13，阳极设有节点1、节点2，节点1和节点2是阳极灯丝引出线，阴极设有节点3、节点4，节点3和节点4是阴极灯丝引出线，控制器包括自激振荡器14、高频变压器T1，控制器一端与直流电源连接，另一端与灯管的阳极12、阴极13连接，其中：

自激振荡器14包括三极管BG2、电容C3、C4、电感L、二极管D3、电阻R4、R5、R6；

高频变压器T1原边绕组分成N_p、N_i两段，N_p与N_i的连接端为原边绕组的中间端，原边绕组中间端与直流电源正极相连接，副边绕组N_s一端与阴极13的节点4连接，另一端与直流电源的负极连接；

电阻R5与二极管D2串联，电容C3与电感L串联，电阻R5与二极管D3的接点和电容C3与电感L的接点通过导线连接，电阻R5与电容C3共同连接在节点5上，所述的节点5通过电阻R4与高频变压器T1原边绕组的N_i端连接，二极管D3的负极与电感L共同连接在节点6上，节点6通过电阻R6与三极管BG2的基极相连接，三极管BG2的集电极与所述的高频变压器T1原边绕组的N_p端连接，三极管BG2的发射极与直流电源的负极连接，同时在发射极与集电极之间并联电容C4；

节点1与直流电源的负极连接。

控制器还包括灯丝预热电路15，灯丝预热电路15是一个三极管基极放大电路，包括三极管BG1、电阻R1、R2、R3、电容C1、C2、二极管D2、继电器J以及由继电器J控制的开关K，其中：

所述的阳极的节点2与所述的阴极的节点3之间串接有开关K、电阻R3；

电容C1与直流电源并联，电阻R1、R2串联与所述的电容C1并联，电阻R1与直流电源的正极连接，电阻R2与直流电源的负极连接，电阻R1与电阻R2的连接点与三极管的基极连接，电容C2与电阻R2并联；三极管BG1的集电极与二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与电源的正极连接，继电器J与二极管D2并联，继电器J与三极管BG1的集电极之间设有节点7，所述的控制开关K与电阻R3之间设有节点8，继电器J通电后可以控制开关K使得节点7与节点8导通；三极管BG1的发射极与直流电源的负极连接；

电阻R6是正温度系数热敏电阻(PCT热敏电阻)，在常温下它保持低阻通态，在温度上升至临界点温度(距离点温度T_c≥100℃)左右，它的电阻会迅速上升到3～4kΩ。

本发明所述的直流荧光灯的工作原理是：自激振荡器14和灯丝预热电路15采用同一直流12V电源，在电源进线端设有二极管D1、熔断器RD，起保护作用，自激振荡器14和灯丝预热电路15中间采用高频变压器T1，既作为电路之间的隔离，同时采用三组线圈，原边的N_i绕组是对自激振荡器14中的三极管BG2提供基极工作电流和感应电压控制三极管BG2导通、截止；N_p为变压器初级绕组，一端连接三极管BG2的集电极，另一端连接直流12V电源，是为三极管BG2提供直流能量，同时感生出原边电动势，依靠变压器的藕合作用把原边电动势传递到变压器的副边N_s，依据N_p∶N_s的匝数比，使N_s升压至荧光灯管需要的点灯电压。

如图2所示，12V、9W的直流荧光灯的各个主要部件的参数和数值范围如下：

R1＝R2＝33KΩ，0.25W；R3＝33Ω，0.25W；R4＝33Ω，0.5W；R5＝900Ω，0.25W；

R6是PCT热敏电阻，在常温(T_A＝25℃)下它保持低阻通态，在温度上升至临界点温度(距离点温度T_c≥100℃)左右，它的电阻会迅速上升到3～4kΩ；

熔断器RD：熔断电流I＝2A；

电解电容C1＝C2＝470uF，击穿电压＝16V；C3＝68nF，击穿电压＝400V；C4＝1nF，击穿电压＝400V；L＝33.5uH；

肖特基二极管D1：IN5822，i≥3A，U＝65V；二极管D2、D3：IN4148；

三极管GB1：C9041，hFE＞160；三极管GB2：TIP41C，hFE：55～100；

继电器J：线圈电阻：400Ω±10Ω，吸合电压U≤7.5V，释放电压U≥0.6V；

高频变压器：原边N_p为37匝，N_i为20匝，N_s为160匝。

下面结合图2说明本发明所述的直流荧光灯的工作过程。所述的控制器包括自激振荡器14、高频变压器T1、灯丝预热电路15。所述的自激振荡器14由基极驱动电路组成，高频变压器T1与基极驱动电路连接，基极驱动电路外接12V直流电源，高频变压器T1副边N_s形成方波交流电，整个电路的工作过程是：

12V直流电源接通后，直流电源的电流通过高频变压器T1的Ni绕组，经R4、R5、D3、R6流过三极管BG2的基极-发射极，使三极管BG2立即导通；另一路电流经C3、L对C3进行充电、电感L亦同时储能。三极管BG2的基极电流i_b主要由R4、R5、R6来决定。

三极管BG2导通后使直流电源的电流通过N_p绕组，流过三极管BG2的集电极至发射极。在正反馈作用下，使得晶体管BG2很快进入饱和状态，集电极电流ic迅速上升；此时，变压器T1铁心中的磁通Φ随着集电极电流ic不断增加亦由小至大的变化，当铁心达到饱和时(ΔB→MAX)，铁心的磁导率急剧下降，集电极电流ic迅速上升，当达到ic＝hFE·i_b时，集电极电流ic不能继续上升，B值达到B_MAX，ΔB→0，铁心的磁通亦将跌落到零。根据法拉第——楞次定律，铁心的绕组将感生出与其电流方向相反的感应电动势来，使三极管BG2的基极-发射极的PN结承受一个反向电压而使三极管BG2从导通转为截止，导通的过程在变压器T1的副边N_s形成了方波的正相；

三极管BG2从导通转向截止的过程中，原先储存在电感L中的电能首先在D3及自身的内阻上衰减完毕，此间电容C3开始对三极管BG2的发射极-基极放电形成反向基极电流，与感应电势电流方向一致，其电流方向是：C3→R4→Ni→Np→BG2的集电极→BG2的基极→R6→L→C3，这一反向电流抽走了三极管BG2集电极-发射极的极间准备渡越而积聚的多余载流子，以保持管芯上有效的导电面积，减少载流子在三极管BG2的二个PN结附近复合造成开关损耗等不利因素，截止的过程在变压器T1的副边N_s形成了方波的反相。

截止后的三极管BG2在电源电压的作用下重又导通，进入第二个导通、截止过程，重复往返，在变压器T1的副边N_s形成频率高于20Khz的方波交流电，C4的作用是给电路提供一个交流通道，起到保护三极管GB2的作用。依据N_p∶N_s的匝数比，使N_s升压至荧光灯管需要的点灯电压。当三极管BG2进入第二次以后的导通过程，电感L的反向充电电流加入到开通三极管BG2的基极电流中去，使三极管BG2迅速通过线性放大区进入饱和区，使状态转换损耗减少，可以延长了三极管的使用寿命，进而可以延长整个荧光灯的使用寿命。

所述的灯丝预热电路15是一个三极管基极放大电路，其工作过程是：加上12V直流电，三极管BG1的基极得到R1、R2分压后的电流使BG1的集电极-发射极导通，电流经继电器J进入三极管BG1的集电极，然后是发射极完成闭环流动。继电器J得电后可以控制开关K使得节点7与节点8导通，此时阳极12的节点2是悬空的，阴极13的节点3与直流电源的正极导通，阴极13加热，使灯丝充分预热而发射一定浓度的电子。其中继电器J的线圈电阻及R3是限流电阻，阴极13得到恒定的电流加热，从三极管BG2自激振荡进入稳态工作，并经过变压器T1藕合使阴极13得到足够的亮灯端电压的这段时间内，使灯丝充分预热；D2的作用是在电源关断时，给继电器中的电感一个释放的回路，起到保护三极管BG2的作用，同时也兼有限制集电极电流方向的作用，C2的引入使得不管电源电压如何变化，三极管BG1的集电极-发射极始终导通，这样恒定地有一定量的电流流过阴极13，故电子浓度也相对稳定，有利于荧光灯的稳定工作。在N_s感生出亮灯端电压驱动下，使阴极13发射出的电子(云)从阴极13至阳极12作定向流动，同时把能量传递给荧光粉而发光，热阴极及其正常端电压点灯就是本灯长寿命的特点之一。

而对于热敏电阻R6，则可以起到保护三极管的作用。如果阴极13开路或灯管11破裂，由于三极管BG2仍处于自激振荡工作状态，这时变压器T1的副边绕组N_s己不构成工作回路，变压器储存的能量向初级绕组方向辐射，于是三极管BG2的基极-发射极PN结会出现破坏性的大电流注入，引入的PCT热敏电阻会迅速反应，阻值升高，把异常态的功率降落在它上面，使三极管BG2得到保护，异常态排后，PCT热敏电阻仍进入低阻导通态，使萤关灯恢复正常态工作；如果环境温度升高，如温度T_c≥100℃，该PCT热敏电阻的阻值会稍大一点，使一部分电流消耗在它身上，起到自动调节环境温度的工作，当环境温度恢复到常态或散热情况良好时，它又进入到低阻态起到自我调节作用，使荧光灯处于设定的工作状态，由此可以把荧光灯的功率调整到合适程度，灯具的光通量得到相应的提高。

Claims (3)

1、一种直流荧光灯，包括灯罩、灯头、灯管以及与之相配合的控制器，所述的控制器设置在所述的灯头内，所述的灯管包括阳极、阴极，阳极设有节点1、节点2，节点1和节点2是阳极灯丝引出线，阴极设有节点3、节点4，节点3和节点4是阴极灯丝引出线，所述的控制器包括自激振荡器、高频变压器T1，所述的自激振荡器一端与直流电源连接，另一端与所述的灯管的阳极、阴极连接，其特征在于：

所述的自激振荡器包括三极管BG2、电容C3、C4、电感L、二极管D3、电阻R4、R5、R6；

所述的高频变压器T1原边绕组分成N_p、N_i两段，原边绕组中间端与直流电源正极相连接，副边绕组N_s一端与所述的阴极的节点4连接，另一端与直流电源的负极连接；

电阻R5与二极管D3串联，电容C3与电感L串联，电阻R5与二极管D3的接点和电容C3与电感L的接点通过导线连接，电阻R5与电容C3共同连接在节点5上，所述的节点5通过电阻R4与高频变压器T1原边绕组的N_i端连接，二极管D3的负极与电感L共同连接在节点6上，所述的节点6通过电阻R6与所述的三极管BG2的基极相连接，三极管BG2的集电极与所述的高频变压器T1原边绕组的N_p端连接，发射极与直流电源的负极连接，同时在发射极与集电极之间并联电容C4；

所述的节点1与直流电源的负极连接。

2、如权利要求1所述的直流荧光灯，其特征在于所述的控制器还包括灯丝预热电路，所述的灯丝预热电路是一个三极管基极放大电路，包括三极管BG1、电阻R1、R2、R3、电容C1、C2、二极管D2、继电器J以及由继电器J控制的开关K，

所述的阳极的节点2与所述的阴极的节点3之间串接有开关K、电阻R3；

所述的电容C1与直流电源并联，电阻R1、R2串联与所述的电容C1并联，电阻R1与直流电源的正极连接，电阻R2与直流电源的负极连接，电阻R1与电阻R2的连接点与三极管的基极连接，所述的电容C2与所述的电阻R2并联；

所述的三极管BG1的集电极与所述的二极管D2的正极连接，二极管D2的负极与电源的正极连接，所述的继电器J与所述的二极管D2并联，继电器J与三极管BG1的集电极之间设有节点7，所述的控制开关K与电阻R3之间设有节点8，所述的继电器J通电后可以控制开关K使得节点7与节点8导通；

三极管BG1的发射极与直流电源的负极连接。

3、如权利要求1所述的直流荧光灯，其特征在于所述的电阻R6是正温度系数热敏电阻。

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