CN2372864Y - 荧光灯逆变器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及的荧光灯逆变器,是一种用于直流电源供电的荧光灯逆变器,克服了现有荧光灯逆变器及灯管的开关寿命和使用寿命短、灯管不能被激活启辉状态下烧损逆变器,无抗瞬变过电压能力等缺点。其主要技术特征是:变频预热启辉、不启辉保护,具有抗瞬变过电压能力,可在－20℃至+85℃环境温度下长期工作,工作电流不随环境温度或电源电压上升。

Description

荧光灯逆变器

本实用新型涉及一种荧光灯逆变器，是一种用于各种电压等级直流供电环境供荧光灯配套使用的逆变器。

荧光灯设计之初是一种适用交流电供电环境下的电光源，在直流电源供电环境下，荧光灯必须与荧光灯逆变器配套使用。至今，荧光灯逆变器基本上还是延用自激式逆变电路，其启辉与工作原理是：利用与荧光灯管(以下简称灯管)串联的电感和与灯管并联的电容在以其谐振频率工作的逆变器的激励下产生串联谐振，在灯管两端产生高电压，迫使灯管在灯丝没有得到预热的状态下被击穿强制启辉，启辉后由电感限制灯管电流在正常值。这种冷启辉方式虽能使灯管迅速启辉并工作，但违背了灯丝应充分预热后再加高压启辉的原则，致使启辉过程中灯丝受到强电场作用下的正离子轰击，灯丝上的物质特别是有助于电子发射的阴极氧化物过度飞溅，极大地缩短了灯管的开关寿命(不足五千次)，致使每个开关过程都明显影响灯管的使用寿命，使使用寿命大大降低(约三到六个月)，从而丧失了灯管使用寿命长的优点。这种冷启辉过程要求荧光灯逆变器提供十倍于正常工作电流以上的冲击电流，使荧光灯逆变器极易在冷启辉过程中损坏。如果采用他激式工作方式，这种现象将更加严重。为改善这一缺点，有人采用PTC元件并联在谐振电容两端的方式，使荧光灯逆变器上电后，利用PTC元件冷态的低电阻值降低电感电容谐振回路的Q值，从而降低电容两端电压值，使灯管不能被击穿启辉而处于预热状态。当PTC元件通过电流被电加热到转折温度时，由低电阻状态变为高电阻状态，使谐振回路的Q值升高，电容两端(即灯管两端)电压升高使灯管被击穿启辉。从理论上讲，这种预热启辉方式可行，但实际应用中，由于PTC元件处于高温状态，因此其可靠性得不到长期保证，而且当环境温度变化范围很大时，高温环境下PTC元件将起不到对灯管预热启辉的作用，同时也容易因灯管冷启辉时的过高电压(高于正常启辉时数倍)造成PTC的击穿。而在低温环境又因加热的电功率不足以使PTC元件温度达到并维持在转折温度，常使灯管不能被击穿点燃或点燃后又回到启辉状态，而不能维持正常照明。由于以上诸原因，在实际应用中常出现PTC元件的损坏，甚至先于灯管的损坏，在总的效果上对灯管的开关寿命改善不十分明显；如采用在输入电路中串入限流电路，使荧光灯逆变器在上电后，由于限流电路的作用在较低的电压下工作使灯管两端的谐振电压不足以击穿并点燃灯管，使灯管处于预热状态，经过一段延时后限流电路被短路，荧光灯逆变器供电电压恢复正常，灯管两端因得到高电压而被击穿点燃。这种预热启辉方式在原理上与镇流器-启辉器的工作原理类似，其主要缺点是，限流电压在预热过程中承受与灯管额定功率相当的电功率应力，为荧光灯逆变器正常损耗功率的五到十倍！一旦限流电路完成预热后不能被短路将被很快烧坏，因此可靠性低。在荧光灯逆变器上电后为使灯管得到预热，如采用电子开关在灯管两端并入附加电容，迫使电感电容的谐振频率偏离荧光灯逆变器工作频率，在灯管两端不产生串联谐振的高电压，使灯管不被击穿点燃而处于灯丝预热状态，再利用延时电路在灯丝预热过程结束时驱动电子开关将附加电容与灯管两端断开，使电感电容谐振频率回到荧光灯逆变器工作频率上，在灯管两端产生高压，将灯管击穿点燃。这种预热启辉方式的主要缺点是电子开关在状态转换过程中将承受预热时的工作电流和击穿灯管的高电压及附加由于寄生参数产生的尖峰电压，可能会超出电子开关的安全工作区损坏电子开关，同时高电压电子开关及附属电路会造成荧光灯逆变器成本的增加，以上几种预热启辉方式的共同特点是：预热启辉过程中，起预热启辉作用的元件承受高的功率应力冲击，使荧光灯逆变器可靠性得不到保证。

目前荧光灯逆变器的缺点之二是在灯管不能被激活启辉时荧光灯逆变器得不到应有的保护或保护动作失误形同虚设，导致荧光灯逆变器过热烧坏，因此可以经常看到用坏一个灯管就烧坏一个荧光逆变器或一但灯管不能正常启辉就烧坏荧光灯逆变器的现象。

缺点之三是自激式荧光灯逆变器由于元件参数(特别是磁性材料)的一致性不够理想而性能难以得到良好的一致性。

缺点之四是对于不同电压等级，不同规格灯管，荧光灯逆变器的电路参数几乎需要全新设计。

缺点之五是各种荧光灯逆变器在设计时根本不考虑瞬变过电压，不能适应常有瞬变过电压的应用场合。

缺点之六是因电路中有电解电容器而不能适应低温，特别是高温环境使寿命缩短或根本不能用。

本实用新型的目的在于获得对灯管和荧光灯逆变器冲击应力尽可能小的预热启辉方式，使荧光灯逆变器和各种规格荧光灯管的开关寿命均超过十万次，提高荧光灯逆变器和灯管的使用寿命达三年或更长时间；在灯管不能被激活启辉状态下，使荧光灯逆变器得到保护，提高可靠性；采用标准化设计，使荧光灯逆变器对于不同电压等级或不同规格灯管时，除仅需改变变压器的变比其余参数均为统一，以简化设计；采用多级复合吸收过电压技术，保证荧光灯逆变器承受各种严酷环境下的瞬变过电压；采用无极性电解电容器技术和低功耗设计使荧光灯逆变器可长期工作在环境温度为85℃的场合。

本实用新型的技术方案：采取在预热和启辉过程中荧光灯逆变器的各元件均不承受超出正常工作状态的电功率的低应力两级变频预热启辉方式；在预热启辉过程中和启辉后约0.5-2秒内，锁定不启辉保护电路，以确保在各种环境条件下预热、启辉过程得到保证。在启辉后0.5-2秒后不启辉保护电路恢复功能，当检测出有不能被激活启辉的灯管时关闭荧光灯逆变器的功率转换电路或切断向灯管的供电电路或改变荧光灯逆变器工作频率偏离谐振频率以限制由不启辉造成的过电流；采用两级电感、压敏电阻抗过电压电路以消除单压敏电阻或单级电感、压敏电阻抗过电压电路因压敏电阻的残压比较大造成的残存过电压，采用瞬变电压抑制二级管(一种特殊的稳压二极管)限制压敏电阻不能作出响应的瞬变过电压的快速上升前沿。采用无电解电容设计和低功耗设计，使电路可长期工作在85℃的高温环境。

根据上述技术方案，本实用新型的基本电路如图1。其电路原理、电路和电路中元器件选择的理论和实用的依据如下：荧光灯逆变器采用推挽式逆变电路(Q4、Q5、T)，其主要特点是：驱动简单，电能传输相对平稳连续，可利用改变变压器(T)输入、输出变比以适应不同供电、电压等级和与不同规格灯管的良好匹配，特别适用于供电电压为48V及以下各供电电压等级的荧光灯逆变器，也适用于110V供电电压环境。采用自耦变压器形式不仅可减小变压器(T)的体积，还可减小因灯管中两个灯丝不平衡造成的直流电流分量对变压器的直流磁化影响。为简化驱动并减小驱动损耗，开关管Q4、Q5采用大功率场效应晶体管(POWER MOSFET)。为方便地实现其他功能，振荡与驱动电路采用了开关电源专用控制电路，考虑价格选择TL494(IC1)，为增强其驱动输出的下拉能力而附加下拉电路(R15、R16、D4、D5、Q2、Q3等)。

考虑荧光灯逆变器刚上电时由于防电源反接二极管D6的单向导电作用使荧光灯逆变器电源电压产生过冲和灯管灯丝电阻很低，为防止预热初期由于以上两个原因使流过谐振电容C7电流过大，造成其端电压较高使灯管产生辉光放电甚至击穿(冷启辉)，采用上电初期，以较正常预热高的工作频率为起始预热频率待电源过冲电压回落，灯丝被初步预热后再转入正常预热频率的两级变频预热方式，可使灯丝的预热较单级预热方式更充分。其实现方法是：在荧光灯逆变器上电后的预热初期由IC2中的非门1和非门2输出(脚3、脚4)的低电位通过D1、D2将R7、R8并入IC1脚6的定时电阻网络上，使定时电阻的等效值为最低值，荧光灯逆变器工作频率因此工作在最高的初期预热频率，当辅助电源经R9对C2充电使IC2中与非门1输入端脚1、脚2开始低于阈值电压时(约上电后0.3-0.5秒)与非门1输出端(脚3)转变为高电平，D1被反偏关断，R7因此脱离IC1脚6的电阻网络，使定时电阻的等效电阻增加到正常预热值，荧光灯逆变器工作频率也因此降到高于L3、C7谐振频率的正常预热频率，由于这两阶段荧光灯逆变器工作频率均高于L3、C7的谐振频率，L3、C7不产生串联谐振，C7两端电压不足以使灯管辉光放电或击穿，因而灯管处于灯丝预热状态，辅助电源经R14对C4充电，使与非门2的输入端(IC2的脚5、脚6)电压低于阈值电压时(约上电后1.5至2.5秒)，其输出端(脚4)转变为高电位，D2被反偏关断，使R8脱离IC1脚6的电阻网络，使定时电阻的等效电阻上升到正常工作值，使荧光灯逆变器工作在L3、C7的谐振频率上，L3、C7形成串联谐振，在C7上产生高的谐振电压将灯管击穿启辉。至此荧光灯逆变器完成了预热启辉转入正常工作，这时灯管电流由L3限制(镇流)。

当荧光灯管使用接近寿命终了时，会出现灯管不能被激活启辉现象，在交流电源供电并用镇流器启辉器与灯管配套使用时，启辉器将反复通断，但不能点亮灯管，镇流器将流过启动电流，尽管过热但还达不到烧坏镇流器的程度。而在以电感、电容谐振式启辉的荧光灯逆变器，由于灯管处于不导通的高阻状态，使L3、C7的Q值很高，在L3、C7上流过高出正常值5至10倍甚至更高的电流，Q4、Q5也随之受累，使Q4、Q5和L3过热烧坏，因此不启辉保护功能是必须的。灯管的启辉到稳定点燃需要时间(约10毫秒到100毫秒)，即启辉期间。是不允许不启辉电路动作的。解决的办法可以是降低灵敏度，但将很难使不启辉保护电路在供电电源电压上限时不误动作，电压下限时不拒动作。因此本实用新型采用在预热、启辉期间封锁不启辉保护电路，待荧光灯逆变器进入启辉状态后0.5至2秒内解除对不启辉保护电路的封锁，如这时灯管仍不能启辉，则定为不启辉状态，不启辉保护电路动作，关闭荧光灯逆变器的逆变电路或切断灯管供电电路或将荧光灯逆变器工作频率脱离谐振频率。具体实现和原理是：不启辉保护电路由IC2的与非门3、非门4构成的R-S触发器和检测电路D7-D10、R23-R27、C8、C9和L3的次级感应构成。荧光灯逆变器上电后因与非门3输入端(脚12)为低电位，强制输出端(脚11)，输出高电位(为封锁状态)，当荧光灯逆变器完成预热过程后IC2的脚4变为高电位并通过R12向C3充电，当使脚12电位高于阈值后不启辉保护电路解除封锁。如灯管正常工作，电感L3次级感应的电压经D7-D10整流，R24-R26分压，C8、C9滤波后的电压加到IC2脚8电压高于阈值电压，脚11维持高电位，荧光灯逆变器处于正常工作状态。而当灯管不能被激活启辉时，L3次级感应出的电压经D7-D10整流，R24-R26分压，C8、C9滤波后迫使IC2脚8电压低于阈值电压，使脚11输出低电压，经导通的D3送到IC1脚2、脚15使IC1中的误差放大器输出端脚3输出高电位关闭IC1的输出，使Q4、Q5不能导通，荧光灯逆变器被关闭。这时仅IC1的振荡电路和IC2在工作，因此不启辉保护状态下的损耗很低。由于灯管的正常启辉与不启辉状态下电感电流，电压明显不同，故以CMOS门的输入阈值电压判别是可行的，而且是R-S触发电路，输出端不可能工作在线性状态。在这里充分地运用了CMOS门的微功耗和锁封功能。

在同一荧光灯逆变器为两个或两个以上灯管供电时，需要对故障灯管电流切断或限制的同时，还要保证非故障灯管的照明。为此可在图1基础上稍加改变即得到如图2所示的双灯管荧光灯逆变器，与图1不启辉保护功能不同的是图2电路的不启辉保护电路输出端通过D3，将R34并入IC1脚6相连电阻网络。在不启辉保护电路工作时，IC2脚11输出低电位D3导通，将R34并入IC1脚6的电阻网络，使定时电阻的等效电阻降低，荧光灯逆变器工作频率升高，脱离L3、C7和I4、C10的谐振频率，从而限制故障灯管的电流在安全值，同时正常灯管保持照明状态。但这种电路的不足是：1、不启辉保护时正常灯管因荧光灯逆变器频率升高而照度下降；2、谐振电感流过电流仍发热。为克服上述不足，可采用图3方式：即用IC3的与非门1、与非门2构成R-s触发电路控制Q6的导通与关断，在灯1(LAMP1)不能被激活启辉时，Q6关断，切断灯1的供电回路，同理用IC3的与非门3、与非门4构成R-S触发电路控制Q7关断，切断灯2的供电回路。由于是切断灯管的供电回路，故不影响荧光灯逆变器其它部分的工作，故正常灯管在故障灯管被保护时仍保持正常照度。为防止Q6、Q7在关断期间L3、I4产生的过电压，故在Q6、Q7上并联压敏电阻NTR3、NTR4限制。

为防止荧光灯逆变器受到来自供电电源导入的瞬变过电压或浪涌电压，本实用新型采用两级电感、压敏电阻与瞬变电压抑制二级管相结合的抗瞬变过电压或浪涌电压电路(如图1所示的L1、L2、NTR1、NTR2和DZ3)。以L2、NTR2吸收瞬变过电压和浪涌电压的大部分能量。由于在NTR2上可能出现较大的残压比所产生残余的过电压，可以由L1、NTR1进一步抑制到允许值，并用瞬变电压抑制二级管抑制压敏电阻不能作出响应的瞬变过电压的快速上升沿。

在荧光灯具有预热启辉、不启辉保护和抗瞬变过电压功能后逆变器的使用寿命和适用的环境温度主要取决于电路中的电容器类型和荧光灯逆变器工作温升。一般电解电容器的主要性能参数仅能在85℃环境下保持一千小时，而适用105℃的耐高温电解电容器在105℃环境下可保持性能参数一千小时，在85℃环境下寿命约四千小时。当环境温度为85℃时逆变器表面温升10℃，内部不发热部分的温度将高于环境温度20℃。因此电解电容器不仅不适用于工作在85℃环境温度的荧光灯逆变器，就是工作在50℃环境温度时，电解电容器的寿命也是影响荧光灯逆变器使用寿命的主要因素。由于直流供电电源的荧光灯逆变器不需要像交流供电时整流后需大电容滤波，因此可采用容量较小(如1μF)的薄膜电容器，可在105℃环境温度下长期工作。成本也可以接受。限制荧光灯逆变器中大功率晶体管表面温升在40℃以下，变压器、电感的温升在30℃以下，其它功耗较小的元件的温升在20℃以下，在技术和成本上都是可行的。以大功率晶体管最高结温150℃，壳温140℃，变压器、电感为B级绝缘，荧光灯逆变器可长期工作在85℃的环境温度。这对于环境温度高或散热条件差的环境下长期可靠的应用是极为重要的。

本实用新型采用的技术方案与已有的荧光灯逆变器相比，其优点首先是：灯管的开关寿命从不足五千次提高到至少十万次，一般可达二十万至五十万次。荧光灯的开关基本上不再影响其使用寿命，与开关寿命一同受益的灯管使用寿命得到显著延长，灯管的预热启辉和由于荧光灯逆变器与灯管的良好匹配使灯管电流波形系数较小(约1.4)小于灯管制造商提出的不高于1.7的要求，使灯管寿命可长于制造商所给的使用寿命，因此灯管使用寿命可由用已往的荧光灯逆变器的3-6个月延长到三年或更长的时间。本实用新型的第二个优点是具有在灯管不能被激活启辉时，荧光灯逆变器得到保护，消除了用坏一个灯管同时也烧坏一个荧光灯逆变器的现象，使荧光灯逆变器的使用寿命得到延长。以上两个优点可使用户大大减少照明使用成本，如将本项目用于铁路客车，每年可相对已往荧光灯逆变器节约灯管约二百万只，荧光灯逆变器数十万只，而且大大减少废弃灯管造成的汞及荧光粉对环境的污染，同时生产厂家可创年产值千万余元。第三个优点是标准化设计和余度设计，批量生产时由于元器件参数偏差已在设计内考虑到，不会影响产品性能的一致性，凡需精细调节之处均采用双电阻控制精度方式(如R2和R4等)；对同一规格灯管设计，逆变器在应用于不同供电电压时仅需更换合适的变压器和相应耐压的大功率晶体管Q1、Q4、Q5。不同规格灯管逆变器的不同之处也仅在于变压器的变比，谐振电感L3，谐振电容C7的参数。因此非常适用工业化生产。本实用新型第四个优点是可适用较高的环境温度，并具有抗瞬变过电压和浪涌电压的能力。

本实用新型实施方案：单灯荧光灯逆变器实际电路为图1。去掉上盖后的主要内部结构图6、图7，图中以字母或字母与数字组合标志的元件与图1对应的元件一致。另外，以数字标志的为：CD1九针插座1，保险丝管座2，逆变器底板3，主电路板(及标注明元件)4，立式电路板5，固定螺丝6，端面板7。双灯荧光灯逆变器实际电路为图3。图1与图3的电路原理如前所述，不再赘述。

本着低成本、实用、低损耗、设计方案能适应宽的供电电压等级和各种规格灯管的原则，辅助电源采用了最简单的由Q1、DZ2、R22构成的射极跟随器稳压电路，可适用于12V到110V的供电电压，避免三端集成稳压器不能用于36V以上供电电压和自身工作所消耗的数毫安的电流等问题。如需减小Q1损耗可在其集电极串入适当阻值和功率的电阻R21。振荡与驱动电路IC1为TL494，预热延时控制与不启辉保护电路IC2可采用CD4093。考虑开关尖峰电压、上电时的过冲电压和某些人为的操作过电压，Q4、Q5的耐压应选择最高供电电压的4倍左右，如48V供电电压等级的最高电压为65V，Q4、Q5应选择耐压为250V，电流额定不仅要满足实际工作电流要求，还要满足散热能力限制和启辉时的瞬间冲击电流，可选实际工作电流的3-5倍。为荧光灯逆变器的装卸方便，所有引出线可用SJ298标准中的CD1-9Z插座引出。逆变器中的元件布置以Q1、Q4、Q5、T、L3的散热为主，走线尽可能短，IC1、IC2及附属元件应尽可能远离交流电流较大的元件和走线，如主电路板4板面有限可将一些小信号电路(如IC1及附属元件)安置在立式电路板5上为原则。考虑有耐受振动的要求，主电路板4、与底座3、端面板7，均由螺丝钉6固定，上盖与底座也用螺丝6固定。

            附图说明附图一单个荧光灯逆变器电原理图附图二改变荧光灯逆变器工作频率进行不启辉保护的双灯荧光灯逆变器电原理图附图三切断故障灯管供电回路进行不启辉保护的双灯荧光灯逆变器电原理图附图四改变变压器抽头以适应较高供电电压的示意图附图五改变变压器抽头以适应较低供电电压的示意图附图六荧光灯逆变器内部结构俯视图附图七荧光灯逆变器内部结构侧视图附图八荧光灯逆变器外部结构示意图

Claims (7)

1、一种荧光灯逆变器，电路包括振荡与驱动电路(IC1)、推挽式逆变电路(Q4、Q5、T)、镇流电感(L3)及谐振电容(C7)，其特征是延时电路(IC2)脚3、脚4通过二级管(D1、D2)及电阻(R7、R8)连接到振荡与驱动电路(IC1)脚6。

2、如权利要求1所述的荧光灯逆变器，其特征是镇流电感(L3)次级绕组经电阻(R27)、二级管(D7-D10)、电阻(R23-R26)、电容(C8、C9)连到延时电路(IC2)脚8，延时电路脚9、脚11经二级管(D3)连到振荡与驱动电路(IC1)脚2、脚15。

3、如权利要求1所述的荧光灯逆变器，其特征是镇流电感(L3、L4)的次级绕组经电阻(R27、R28)、二级管(D7-D12)、电阻(R23-R26)、电容(C8)与延时电路(IC2)脚8连接，延时电路(IC2)脚9、脚11经二极管(D3)、电阻(R34)与振荡与驱动电路(IC1)脚6连接。

4、如权利要求1所述的荧光灯逆变器，其特征是变压器(T)为自耦变压器。

5、如权利要求1所述的荧光灯逆变器，其特征是电源输入端接有电感(L1、L2)、压敏电阻(NTR1、NTR2)和稳压二级管(DZ3)。

6、如权利要求1所述的荧光灯逆变器，其特征是连结各元件的电容均不是电解电容器。

7、如权利要求1所述的荧光灯逆变器，其特征是镇流电感(L3、L4)次级绕组经电阻(R27、R28)、二级管(D10、D11)、电阻(R23-R25、R29-R31)、电容(C8、C11)分别连到不启辉保护控制电路(IC3)脚1、脚13，IC3的脚3、脚10分别连到与L3、L4相串联的场效应管Q6、Q7的栅极。

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