CN2361053Y

CN2361053Y - 可调光的紧凑型节能荧光灯

Info

Publication number: CN2361053Y
Application number: CN98227091U
Authority: CN
Inventors: 吴曾谟
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-06-17
Filing date: 1998-06-17
Publication date: 2000-01-26
Anticipated expiration: 2008-06-17

Abstract

本实用新型紧凑型荧光灯调光技术,不是一般的变频调光,而是靠调节输入电压的相位或电压幅值来实现调光。它可代替白炽灯装在相位控制或调压器上实现无级调光。其特征是在荧光灯管中利用热电子发射非自持弧光放电和辅助电极分流技术,让阴极能工作在正常的热电子发射状态,不仅弱照度下保持灯管稳定的放电,而且保持了阴极寿命。电子镇流器采用波谷填充和电压激励技术来适应电压相位控制的调光。它的调光度为5%—100%。

Description

可调光的紧凑型节能荧光灯

本实用新型技术适应于电光源领域中的紧凑型节能荧光灯，它是一种依靠调节电压来实现连续调光的一种照明器件。它可以取代白炽灯用在输入电压相位控制的调压器上，也可直接用自耦变压器改变电压幅值实现无级调光。它是一种用电压调节装置实行亮度调控的紧凑型节能荧光灯照明器件。

众所周知，最简单、实用的就是白炽灯照明系统的亮度控制，而荧光灯照明系统光效高、寿命长，比白炽灯更为经济，但当前市场上的紧凑型节能灯不适应于调光，主要是在低照度下，不能连续稳定的弧光放电，使灯工作不稳定，会闪烁或熄灭。

关于直管型荧光灯(40W)的调光问题，当今世界上已有许多公开发表的专利文献，归纳起来，有四种基本方法：

1、改变镇流器元件的阻抗进行调光控制；

2、调节输入电压的相位实现电压调节的调光控制；

3、改变灯的工作频率及晶体管电流脉冲宽度进行调光控制；

4、间断加到灯上电压周期来进行调光控制；例如：CN2094851U、CN8216869.2、CN90108950.8等都是利用改变镇流器的电感量来调节流过灯管的电流，从而来调节灯管的亮度。这种方法不能无级调光，在低照度，弱电流工作时，放电不稳定。而且灯丝会欠热，造成阴极氧化物的溅射，缩短灯寿命。这类装置调光度有限制。在CN2062541U和U.S.Pat No.4994718中，则采用了镇流器串联电容器来降低电压，并通过电容容量变化来达到调光目的，这种方法也不能无级调光，而低照度时工作不稳定，同样也将造成阴极氧化物的溅射而缩短寿命。CN2039093U中，也是用电容来调压与前者不同的是，调光装置是与电子镇流器联接，而且输出变压器上有专门的灯丝加热绕组，但其加热状态正好与工作电流的要求相反，所以还是会影响阴极的寿命。CN2119746U是一种无级调光灯，但在弱光下未对阴极保护采取措施。

还有一些专利，如CN2098140U、U.S.Pat No.5004959、U.S.Pat No.5039919、U.S.P No5049787、U.S.P No.4963795提供了另一类改进型的调光镇流器，它利用磁通对频率的响应关系，通过改变饱和磁通强度的方法来改变灯电流。这类电路的晶体管集电极电流随调光而变化，同时电流的脉冲宽度也将随调光时亮度提高而减小，而此时工作频率略有提高。在U.S.Pat No.49988046中，采用可变脉冲调制来实现调光的同时，在灯丝上增加了一个向灯丝恒压供电装置，当亮度降低时，由于弧光放电电流减小，灯丝温度下降，这时恒压供电装置向灯丝增大加热电流予以弥补，使灯管仍工作在弧光放电状态。这些专利虽有一定的意义，而这些调节器安装在灯上，要远距离操作布线复杂，给安装带来困难，而且这类装置的造价昂贵。

本实用新型技术的目的是提供一种简单而又经济的可调光的紧凑型节能荧光灯，能用一般白炽灯的调光装置来实现亮度控制，以替代调光照明系统的白炽灯。

本实用新型技术的目的是通过发明一种新型的荧光灯管配以新型的镇流器来实现的，即灯管和镇流器组合成一体，制成可调光的紧凑型节能荧光灯。

第一、灯管方面，为了实现调压式调光技术，本实用新型的灯管作了以下三方面的创新，其特征如下：

一、改造灯管的放电过程：从自持弧光放电变为热电子发射的非自持弧光放电。

一般荧光灯的工作过程：灯管着火后，阴极不再靠预热电流加热，而是依靠离子轰击和灯管中的放射电流通过灯丝来加热阴极，使阴极连续发射电子维持放电，形成自持的弧光放电过程。当降低灯管亮度时，通过灯管的放射电流必然减小，这样会造成阴极欠热，会使阴极的工作状态从弧光放电进入到辉光放电，最后闪烁而熄灭。辉光放电阶段，灯的阴极电位降很高，轰击阴极的离子能量很大，因此溅射严重，不仅灯管早期发黑，而且缩短了阴极寿命。目前紧凑型节能荧光灯大都用电子镇流器限流，其工作频率升高到20KHz-50KHz，使电极附近的特性发生了变化，因为阴极附近是一个带电粒子浓度很高的负辉区，到下半周，这个电极变为阳极，当交流频率很低(50-60Hz)时，这些粒子很快向管壁扩散并在管壁复合而消失。这时形成阳极位降区，使电子加速得到能量，产生一定的电离，以维持放射电流。当交流频率很高时，放电周期远小于带粒子向管壁扩散的时间常数，所以在电极附近始终保持着很高的带电粒子浓度，阳极位降不再存在，因而加热功率减小，为了减少离子轰击，又使阴极保持一定温度，因此荧光灯灯管用电镇流器时，在灯管点燃后，灯丝保持一定的加热电流以保证足够的热电子发射。而在调光荧光灯中，因为灯管在弱电流放电时，不能再自持弧光放电，要让灯管稳定工作，必须设法改善阴极的工作状态，在U.S.Pat No.4998046专利中，为了稳定弱电流放电状态，在灯丝上增加了一个向灯丝恒定供电的装置，增大加热电流予以弥补热发射。

本实用新型灯管的阴极，在灯管弱放射电流工作时，阴极具有足够数量的热电子发射出来，这样电子与原子碰撞机率大大增加，气体游离的机会也增多，因为每个气体分子都经过多次的碰撞才达到游离，这种积累游离在灯管中起了显著的作用。所以在热电子电弧中，不再需要很大的阴极位降来加速正离子碰击阴极，让阴极产生电子发射维持放电，同时二次发射成分变得很小，这种放电过程就是热电子发射非自持弧光放电，能使灯管在弱放射电流时稳定的工作。只要放射电流不超过阴极发射能力，即未达到饱和之前，阴极附近有充分的空间电荷为灯管提供放射电流，同时可以随时中和多余的正离子，并保护阴极不受正离子轰击，延长了阴极寿命。

二、灯管的阴极构造：采用细长的钨丝做成高阻抗值的复绕螺旋形加热灯丝，在满足热电子发射温度的灯丝加热电流下单只灯丝工作电压为10.4伏。

一般荧光灯工作时，两端的两个灯丝，随电压方向的改变而相互交替作为阳极和阴极，当灯丝作阳极，灯管中的放电电流集中通过灯丝高电位流入灯管(导入阴极电流)，则通过高电位端的电流将大于另一端，并在高电位端造成“过热点”(图一)。当灯丝作阴极时，由于热惯性，这些过热点上集中产生热电子发射，为了维持灯管的放电，在灯丝热点附近，热电子发射的电流密度较大，热点温度高，易造成阴极氧化物的蒸发，在工作过程中随氧化物的消耗，热点向灯丝中部扩大，造成热点转移。

本实用新型灯管的灯丝，在弱放电电流下通以合适的加热电流使氧化物阴极处于960℃左右，这样整个阴极表面涂层都处于热电子发射状态。根据放射电流的大小可以确定阴极面积，最后方便的可算出灯丝直径。显然采用的钨丝比常规要细，可通以小电流来达到阴极发射温度。这样阴极加热电源不需另外附加，可利用电子镇流器的加热电路(图二)。从电路图中可以看到，当放射电流减小时，管压降增加，而灯丝加热电流变大，这就保持了弱放射电流时的阴极温度，保证了热电子发射能力，使灯管在弱光下稳定放电。

本实用新型灯管的灯丝在保持热电子发射加热电流的情况下，每只灯丝的电压应保持在10.4伏。要是灯丝电流超过额定值时，灯丝上的压降就大于汞的游离电位(10.38伏)，灯丝两边的引入线之间的汞游离放电，形成气体击穿，部分电流从空间通过，保证阴极电流不致超过额定值，使阴极不过热也不致烧断。根据这项要求，已知氧化物阴极的温度和灯丝电压，就可以确定灯丝长度。这种细长的钨丝必须绕制成具有高阻抗值的复绕螺旋才能装入灯管中。

三、辅助电极的引入：实现阳极电流分流降低灯丝高电位端温度。

本实用新型灯管的灯丝变细后，灯丝作阳极工作时，从灯丝高电位端导入的电流会超过灯丝保持正常温度的额定值，使灯丝高电位端温升高，为此，本实用新型灯管中需要引入辅助电极，把它与灯丝高电位端连接，使灯丝作阳极时，辅助电极起分流作用，其结构如图三所示。这种电极能分流1/3左右的放射电流，因此灯丝高电位端导入的电流减小，延长了阴极寿命。

第二，电子镇流器方面，为了本实用新型灯管适应电压调节方式的调光控制，它的新型电子镇流器必须由高频滤波网络、整流电桥、高频干扰抑制网络、半压滤波电路、电压激励式的频率逆变器以及脉冲变压器和谐振电容组成的串联谐振电路六部分构成。其线路如图四所示，具体的联接形式是，首先把50Hz220V或60Hz120V的交流电，经过电感L₁和电容C₁联接成的L形滤波网络和二极管D₁、D₄构成的整流电桥进行全波整流，整流后的电压通过由电感L₂、电容C₂、C₃组成的II形抑制高频干扰网络以及电容C₁₁、二极管D₇、D₈组成正半周的半压滤波器和电容C₁₂、二极管D₉、D₁₀组成的负半周半压滤波器相联接。让整流后的脉动电压在0°-30°相位角之间和150°-180°相位角之间把电压填充到Um/2(Um为峰值电压值)，这种波谷充填技术获得电压U_AD的波形如图四中所示。电压U_AD的正端直接加在三极管Q₂的集电极上，另一只三极管Q₁的集电极与Q₂的发射极相联，Q₁的发射极与电压U_AD的负端相接，这样三极管Q₁、Q₂与U_AD形成串联形式。在Q₁的发射极与基极之间接有偏置电阻R₂，Q₁的集电极与U_AC正端之间接电阻R₁，为的是向Q₁提供集电极初始工作电压。在三极管Q₁的基极和发射极回路中串接着基极电感L₃隔直流电容C₅脉冲变压器次级绕组L′，它们与三极管Q₁的发射结电容形成谐振电容，当脉冲变压器提供正脉冲时，该电路向Q₁基极注入电流，Q₁导通。另外二极管D₅的负端接在Q₁的基极上，D₅正端和Q₁的发射极之间接入电阻R₃，当脉冲变压器提供负脉冲时构成通路，同时让C₅在负半周时充电，把Q₁的工作状态移至丙类。在Q₁的集电极和U_AD正端之间接有缓冲电容C₄，三极管Q₂的基极与发射极回路中同样串有基极电感L₄、隔直流电容C₆、脉冲变压器次级绕组L″和二极管D₆与R₄，其作用与Q₁相同，只不过L′与L″相位差180°，即正半周为Q₁导通，而负半周为Q₂导通，然后通过脉冲变压器的初级绕组L、谐振电容C₇、C₈和隔直流电容器C₉、C₁₀构成串联谐振电路，由于脉冲变压器T的电压耦合，这样就组成了电压激励频率逆变器。根据不同型号的灯管的电参数，选定各元件参数，可使新型荧光灯管选择工作在26KHz-50KHz的高频范围。为了适应电压相位和幅度调压器，该新型电路有以下三方面特征：

一、采用波谷填充技术，提高灯的功率因数。

目前白炽灯用的调光器大都是靠调节电压相位来实现调光。为了让可调光紧凑型节能荧光灯与这类调光器配合，灯的功率因素应与白炽灯相似，接近1，本实用新型的电子镇流器利用电压波谷填充技术，提高了灯的电流导通角达120°，功率因数达0.95。

电压波谷填充技术是通过二极管D₇、D₈、电容C₁₁和二极管D₉、D₁₀、电容C₁₂两个半压滤波器来完成的。因为C₉、C₁₀两电容器连接B处的电压是U/2，当开关管Q₁、Q₂，轮流接通时，产生了高频振荡，如果不接半压滤波电路时，电源电压整流后，电压U按100Hz的脉动变化，流经电容C₁₀、C₉进入灯管的高频电流幅值也按100Hz的正弦变化，经过U等于0时灯管会熄灭，造成闪烁。接入两个半压滤波电路后情况就不一样了，接通电路时100Hz高频电流的第一个周期中，电容C₁₁和电容C₁₂电压渐渐充到U_m/2(U_m为电压U的最大幅值)，以后电容C₁₁和电容C₁₂始终保持U_m/2，形成直流U_m/2电压。只要整流后的脉动直流电压U，低于U_m/2时，电容C₁₁、C₁₂和二极管D₈、D₉在正半周时经过电容C₁₀向灯管放电，在负半周时经过灯管、电容C₉、放电，当U大于1/2U_m电压，三极管Q₁接通时，产生正半周高频电流，它通过电容C₁₀和C₁₂、二极管D₁₀支路流进灯管B端，然后从A端流出。这时电容C₁₀和C₁₂充电，如果电容C₉在负半周已充电，这时要通过灯管放电。当三极管Q₂接通时产生负半周高频电流，它从灯管的A端流入灯管，从B端流出，同时电容C₁₀通过灯管放电，这时高频电流同时流过电容C₉，二极管D₇、电容C₁₁支路，使电容C₉、C₁₁充电，因为高频电流的幅值按100Hz正弦波增加。这种半压滤波电路的接入，使100Hz的脉动直流的波谷填去了U_m/2。从上面的分析可以看到，当U低于U_m/2，电容C₁₁和C₁₂向灯管提供U_m/2电压，整流管D₁-D₄不导通，只有大于U_m/2电压时，电源才接通，而U_m/2的初相角为30°和150°，30°以前和150°以后都不导通，故导通角为120°，另外荧光灯不能在零压下启动，所以导通不必象白炽灯那样等于180°，功率因数也不必等于1，本实用新型的电子镇流器，采用波谷填充技术，一方面防止了灯的闪烁，另一方面也适应了调相器的相位变化来实现调光。

二、电压激励技术，用脉冲电压通过电流转换电路，激励双极型晶体管，使开关电路呈高频恒流源。

本实用新型可调光节能荧光灯，为了适应较大范围的电压调节技术，对镇流器中的开关电路提出了新的要求，希望在电压变化的范围内，开关管的开关状态不变，特别是低压情况下，不进入放大状态，保证开关管处于饱和和截止的正常转换。为了实现这一要求，本实用新型利用脉冲变压器T，从高频振荡回路中，获取脉冲电压，通过电感L₃、三极管Q₁的发射结电容和电感L₄、三极管Q₂发射结电容组成脉冲电流转换电路把高频脉冲电压转换成脉冲电流来激励双极型晶体管。这里必须指出，在紧凑型节能荧光灯中，电子镇流器处在工作温度较高的环境中，开关管的工作状态不允许停留在放大区，本实用新型的电子镇流器中的开关管工作在脉动直流电压下，为了让开关管Q₁、Q₂永远处于饱和、截止状态转换，开关管饱和状态的基极反馈电流设在U_m/2电压下，当电压U降低时，不会产生在放大区的停留。然而电压大于U_m/2时三极管Q₁、Q₂将进入深度饱和，特别用磁环互感器激励驱动，驱动电流有滞后现象，会阻止开关退出饱和区，这样会造成三极管Q₁、Q₂同时导通。采用脉冲电压激励时，没有滞后现象，不仅使开关导通得快，而且退出时不受驱动电流牵制，自动退出饱和区。如果脉冲变压器T的电感量L和电容C₇、C₈及灯管的参数配合得适当。可让电源电压变化时，通过开关管Q₁、Q₂的高频电流幅值保持不变，这就保证脉冲变压器提供的激励电压不变。意味着开关晶体管的工作状态永远不变，逆变器成了高频恒流源。灯管在不同电压下，照度在变化，但开关电路能够稳定，可靠的工作，这就从设计上保证了质量的可靠性。

三、防止波形失真的二级滤波电路，同时具有抑制高频干扰功能

目前一般的相位调节电压装置，有用可控硅来调节控制，这种电路谐波含量高，采用电感L₁、电容C₁在输入端进行滤波，整流后电压通过电容C₂、电感L₂、电容C₃的滤波器来降低谐波含量防止波形失真，保证调压过程平滑，灯不闪烁。若采用自耦变压器来实现亮度控制，本实用新型的紧凑型节能荧光灯的电磁干扰(EMC)可达到B级。

鉴于上述情况，灯管和电子镇流器紧密配合性的创新，使本实用新型可调光紧凑型节能荧光灯直接替代白炽灯，用于一般的调压装置上进行调光，这就不需要更换目前宾馆、饭店、报告厅，影院的调光装置，只需更换灯泡就能完成节电和调光的目的。本实用新型技术可适用于110V-120V、220V-240V电压、50Hz-60Hz频率范围的电源，并适用于各种类型的荧光灯。因此本实用新型更具有广泛实用的意义。

Claims

1、一种可调光的紧凑型节能荧光灯，由荧光灯管与电子镇流器组合成的一体化的荧光灯，其特征为：灯管中阴极的加热丝用细长钨丝做成高阻抗值的复绕螺旋，灯管内加有辅助电极，它和灯丝高电位端联接，实现阳极分流，电子整流器输入端接有L型滤波网络(C₁、L₁)，经整流后，接有II型滤波网络(C₂、L₂、C₃)并利用两个半压滤波器(D₇、D₈C₁₁、D₉、D₁₀、C₁₂)实现电压波谷充镇，将灯电流导通角提高为120°，逆变器部分利用脉冲变压器(T)的反馈电压，经过电流转换电路(L′、L₃、C₅、Q₁的发射结电容，L″、L₄、C₆、Q₂的发射结电容)来激励双极型三极管(Q₁、Q₂)进行电压的频率变换。

2、根据权利要求1所述的可调光的紧凑型节能荧光灯管的电极结构，用于直管、圆环、螺旋、2D、以及各种U型、II型、mII型、H型的荧光灯管中实行调光控制，其特征为：采用细长钨丝做成高阻抗值复绕螺旋的阴极加热丝，其中辅助电极与灯丝高电位端联接，实现阳极分流。

3、根据权利要求1所述的可调光的紧凑型节能荧光灯管，其特征：采用细长钨丝做成高阻抗值复绕螺旋的阴极加热丝，其中辅助电极与灯丝高电位端联接。

4、根据权利要求1所述的可调光的紧凑型节能荧光灯的镇流器用于其他调光荧光灯，其特征为：在输入端接有L型滤波网络，整流后接有II型滤波网络，并利用二个半压滤波器，实现电压波谷填充，将灯的电流导通角提高为120°，逆变器部分，利用脉冲变压器的反馈电压，通过电流转换电路，激励双极型晶体管，达到电压的频率逆变。

5、根据权利要求1所述的可调光的紧凑型节能荧光灯的电子镇流器，其特征为：输入端接有L型滤波网络，整流后接有II型滤波网络，并利用二个半压滤波器，实现电压波谷填充，将灯的电流导通角提高为120°，逆变器部分，利用脉冲变压器的反馈电压，通过电流转换电路，激励双极型晶体管，达到电压的频率逆变。