CN1630452A - 一种基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置及其设计方法；其特点是，装置包括：灯管和半桥驱动电路，还包括：设置在灯管的半桥驱动电路之间LC电感电容谐振回路；一变压器，其初级串联在LC电感电容谐振回路中，两个次级分别和灯管两端灯丝并联；一控制变压器工作的控制开关；输出端与半桥驱动电路连接的电子整流器控制集成电路，它产生一个控制信号，控制开关的闭合和开启；方法包括：1)将电路图变形为等效电路图；2)设置等效电路的参数。本发明通过改变荧光灯在预热和正常工作阶段的工作频率，并且开关和变压器在预热阶段供给灯丝适宜的预热电流，正常工作时则使灯丝短接，降低了灯丝电流，从而不仅加强预热效果且保证灯丝的寿命。

Description

一种基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种电子整流器电路，尤其涉及适用于它激式半桥驱动的电子整流器电路中的一种基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置及其设计方法。

背景技术

荧光灯触发启动是先起辉预热然后启动发光。但是在现有技术中，荧光灯触发启动通常由于灯丝未达到热电子发射状态而承受辉光放电，从而引起阴极发射物质的严重溅射，使灯丝周围管壁早期发黑，降低了荧光灯的寿命。

为了提高荧光灯的寿命，人们改善了荧光灯的预热技术，由于现有技术的荧光灯预热过程，从而仍然影响荧光灯的点亮和灯丝的寿命，因此没有根本解决灯寿降低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置及其设计方法，它采用变频技术实现的预热启动，利用改变串联谐振回路的频率而使电路工作点发生变化来达到预热启动的。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置，包括：灯管，驱动灯管的半桥驱动电路，其特点是还包括：

一LC电感电容谐振回路，该LC电感电容谐振回路设置在灯管的半桥驱动电路之间；

变压器，该变压器的初级串联在LC电感电容谐振回路中，变压器两个次级分别和灯管两端灯丝并联；

一控制开关S1，该控制开关S1用于控制变压器的工作；

一电子整流器控制集成电路，电子整流器控制集成电路的输出端与半桥驱动电路连接；电子整流器控制集成电路还将产生一个控制信号，控制开关S1的闭合和开启。

在上述的基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置中，其中，所述的LC电感电容谐振回路由两电容C1和C2，以及连接两电容C1和C2之间的电感L组成，电感L与电容C2的联结点与灯管一端连接；所述的变压器初级与电容C2的另端连接。

在上述的基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置中，其中，所述的控制开关S1是一晶体管电路。

在上述的基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置中，其中，所述的控制开关S1是由可控硅器件构成。

一种制造上述基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置的设计方法，其特点是包括以下步骤：

1)将电路图变形为等效电路图，在灯管预热阶段，开关S1断开，A点输入信号Vin的频率被设定为一个远离LC谐振回路3谐振点的高频fpre，此时，A点的电压Vlamp很低，等效电路相当于灯管开路；

2)设置等效电路的参数：

R₂，R₃是灯丝的等效电阻，R₂＝R₃            (1)

R₁是变压器次级的灯丝电阻耦合到初级的等效阻抗，

$R_1={\left(\frac{M}{N}\right)}^2{R}_2={\left(\frac{M}{N}\right)}^2{R}_3----\left(2\right)$

M、N是变压器初级和次级的圈数，

U₁是变压器初级上的电压，

          U₁＝I_C2R₁，(I_C2是C2上的电流)    (3)

I_C2是谐振回路中C₂上的电流， $I_{C2}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{\left|\mathrm{j\ωL}\right|+\frac{1}{\left|\mathrm{j\ω}{C}_1\right|}+\frac{1}{\left|\mathrm{j\ω}{C}_2\right|}+R_1},\mathrm{\ω}=2\mathrm{\πf},$

在预热阶段，f＝f_pre，因为fpre是远离谐振点的高频，所以ω＝2πf_pre很大， $\frac{1}{\left|\mathrm{j\ω}{C}_1\right|},\frac{1}{\left|\mathrm{j\ω}{C}_2\right|},R_1$ 很小，谐振回路的阻抗以感抗为主，即

$\left|\mathrm{j\ωL}\right|>>\frac{1}{\left|\mathrm{j\ω}{C}_1\right|}+\frac{1}{\left|\mathrm{j\ω}{C}_2\right|}+R_1,$

于是有 $I_{C2}\≈\frac{V_{\mathrm{in}}}{\left|\mathrm{j\ωL}\right|},\mathrm{\ω}=2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{pre}}----\left(4\right)$

因此，预热时fpre，L，一定，I_C2基本不变；

U₂，U₃分别是变压器两个次级绕组的感应电压，

$U_2=U_3=\frac{N}{M}{U}_1----\left(5\right)$

从(1)～(5)式得，流过灯丝的预热电流为：

本发明，一种基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置及其设计方法，由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.本发明通过改变荧光灯在预热和正常工作阶段的工作频率，从而实现了预热启动；

2.本发明的开关和变压器在预热阶段供给灯丝适宜的预热电流，加强了预热效果，当灯管预热结束后进入正常工作阶段，  A点输入信号Vin的频率从fpre变化到靠近谐振点的频率fwork，使灯管电压Vlamp迅速升高，灯管击穿点亮，因此灯管预热效果好；

3.本发明在荧光灯启动后，灯管两端灯丝分别被短接，降低了灯丝电流，保证了灯丝的寿命。

4.本发明利用电子整流器控制集成电路直接输出一个控制信号来控制开关S1，由此使得电子整流器电路简单且实用。

附图说明

通过以下对本发明一种基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置及其设计方法的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是灯管两端电压和电感电容回路中信号频率的关系示意图；

图2是本发明一种基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置的电原理图；

图3是图2电路中灯管预热时的等效电路图；

图4是图3电路中灯管预热时灯管两端电压和电感电容回路中信号频率的关系示意图；

图5是图2电路中灯管预热结束后的等效电路图；

图6是图5电路中灯管预热结束后灯管两端电压和电感电容回路中信号频率的关系示意图；

图7是图2电路中灯管点亮后的等效电路图。

具体实施方式

荧光灯预热启动，是指灯电极被加热至电子发射的温度后灯才能正常触发启动(电子发射的温度须高于700℃才为热电子发射状态)。因此，对于预热启动方式的荧光灯电子整流器，通常采用控制阴极电流或控制阴极电压预热启动两种形式。但是无论是采用哪一种方式的启动，都必须满足下列要求：

1.在阴极达到电子发射状态之前，灯两端的开路电压应足够低，此时灯管基本不导通，荧光灯阴极不会冷激发而使灯丝受到损害；

2.当阴极在达到发射状态之后，开路电压应足够高，可使灯迅速启动；

3.在阴极预热阶段，预热过程必须充分。若预热不充分，势必导致冷激发而影响灯丝的寿命；

4.在荧光灯启动完成后，灯丝上的压降应足够的小，保证灯丝不会因过流而影响寿命。

为此，本发明采用变频技术实现的预热启动，是利用改变串联谐振回路的频率而使电路工作点发生变化来达到预热启动的目的。

请参见图1所示，图1是荧光灯灯管1两端电压Vlamp和LC回路中信号频率的关系示意图。图1中，Fc是LC电感电容谐振回路的谐振点， $F_c=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{\mathrm{LC}}}.$

当荧光灯预热时，设定LC电感电容谐振回路的工作频率为fpre，如图1中的B点，此时，灯管1两端电压Vlamp很低，灯管处于预热状态不会点亮。

当荧光灯正常工作时，谐振回路的工作频率由fpre变化到fwork，即从图1中的B点移到A点。此时灯管两端电压Vlamp迅速升高，灯管被击穿点亮。

请参见图2所示，图2是本发明一种基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置的电原理图。本发明，基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置，包括：灯管1和驱动灯管1的半桥驱动电路2，还包括：一LC电感电容谐振回路3，该LC电感电容谐振回路3设置在灯管1和半桥驱动电路2之间，其中电感L与灯管1连接，电容C1与电感L串接后连接在半桥驱动电路2的中点A处；一变压器4，该变压器4的圈数比为M∶N，变压器4的初级通过(滤波电容？)电容C2串联在LC电感电容谐振回路3中，变压器4两个次级分别和灯管两端灯丝并联；一控制开关S1，该控制开关S1用于控制变压器4的工作；一电子整流器控制集成电路5，该电子整流器控制集成电路5的输出端分别与半桥驱动电路2控制开关S1连接。

图2的工作和控制原理是，变压器3的作用是在灯管1预热时提供灯丝的预热电流，正常工作时关断灯丝电流；电子整流器控制集成电路5和半桥驱动电路2的作用是在半桥中点A点产生一个可变频的脉冲信号Vin，以驱动LC谐振回路3工作在不同的工作点；同时，电子整流器控制集成电路5还将产生一个控制信号，控制开关S1的闭合和开启。

制造上述的一种基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置的设计方法如下。

请结合图2参见图3、4所示，图3是图2电路中灯管预热时的等效电路图，图4是图3电路中灯管预热时的灯管两端电压Vlamp和LC回路中信号频率的关系示意图。图3中的变压器3的初级通过电容C2串联在LC谐振回路3中，变压器3的两个次级分别和灯管1两端灯丝并联，它的作用是在灯管1预热时提供灯丝的预热电流，正常工作时关断灯丝电流。

请结合图3参见图4所示，图3所示电路的工作过程为：

在预热阶段，开关S1断开，A点输入信号Vin的频率被设定为一个远离LC谐振回路3谐振点的高频fpre(见图4)；此时，A点的电压Vlamp很低，灯管相当于开路，此时相当于图5的等效电路图。

请结合图2参见图5所示，图5是图2电路中灯管预热结束后的等效电路图的等效电路图。图5中：

R₂，R₃是灯丝的等效电阻，R₂＝R₃            (1)

R1是变压器次级的灯丝电阻耦合到初级的等效阻抗，

$R_1={\left(\frac{M}{N}\right)}^2{R}_2={\left(\frac{M}{N}\right)}^2{R}_3----\left(2\right)$

U₁是变压器初级上的电压，

U₁＝I_C2R₁，(I_C2是C₂上的电流)                  (3)

I_C2是谐振回路中C₂上的电流， $I_{C2}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{\left|\mathrm{j\ωL}\right|+\frac{1}{\left|\mathrm{j\ω}{C}_1\right|}+\frac{1}{\left|\mathrm{j\ω}{C}_2\right|}+R_1},\mathrm{\ω}=2\mathrm{\πf},$

在预热阶段，f＝f_pre，因为fpre是远离谐振点的高频，所以ω＝2πf_pre很大， $\frac{1}{\left|\mathrm{j\ω}{C}_1\right|},\frac{1}{\left|\mathrm{j\ω}{C}_2\right|},R_1$ 很小，谐振回路的阻抗以感抗为主，即

$\left|\mathrm{j\ωL}\right|>>\frac{1}{\left|\mathrm{j\ω}{C}_1\right|}+\frac{1}{\left|\mathrm{j\ω}{C}_2\right|}+R_1,$

于是有 $I_{C2}\≈\frac{V_{\mathrm{in}}}{\left|\mathrm{j\ωL}\right|},\mathrm{\ω}=2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{pre}}----\left(4\right)$

因此，预热时fpre，L，一定，IC2基本不变。

U₂，U₃分别是变压器两个次级绕组的感应电压，

$U_2=U_3=\frac{N}{M}{U}_1----\left(5\right)$

从(1)～(5)式得，流过灯丝的预热电流为：

从图5和上述关系式可以看出，在预热时，变压器的两个次级绕组等效于两个电压源，给灯丝提供预热电流；并且，提供灯丝预热电流的大小在预热频率一定的条件下，可通过变换变压器的初次级绕组比(M∶N)来改变(见等式(6))。

请结合图5参见图6所示，图6是图5电路中灯管预热结束后灯管两端电压和电感电容回路中信号频率的关系示意图。当预热结束后进入正常工作阶段，A点输入信号Vin的频率从fpre变化到靠近谐振点的频率fwork；此时，灯管1电压Vlamp迅速升高，使灯管1击穿点亮，点亮后的灯管相当于并联在C2上的电阻，此时相当于图7的等效电路图。

请结合图2参见图7所示，图7是图2电路中灯管点亮后的等效电路图。图7中，当荧光灯1正常工作后，由于开关S1闭合，变压器3初级被短接，U₁＝0，所以变压器3两个次级的感应电压U₂＝U₃＝0，等效于灯管1两端灯丝分别被短接，这时，灯丝电流I_灯丝＝0。

综上所述，本发明一种基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置及其设计方法，通过改变荧光灯在预热和正常工作阶段的工作频率，实现了预热启动；同时，由于开关和变压器在预热阶段供给灯丝适宜的预热电流，加强了预热效果，在正常工作时则使灯丝短接，降低了灯丝电流，保证了灯丝的寿命；本发明预热效果明显，尤其适宜应用于大功率高管压荧光灯的电子整流器电路，因此极为实用。

Claims (5)

1.一种基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置，包括：灯管(1)，驱动灯管(1)的半桥驱动电路(2)，其特征在于还包括：

一LC电感电容谐振回路(3)，该LC电感电容谐振回路(3)设置在灯管(1)的半桥驱动电路(2)之间；

变压器(4)，该变压器(4)的初级串联在LC电感电容谐振回路(3)中，变压器(4)两个次级分别和灯管两端灯丝并联；

一控制开关S1，该控制开关S1用于控制变压器(4)的工作；

一电子整流器控制集成电路(5)，电子整流器控制集成电路(5)的输出端与半桥驱动电路(2)连接；电子整流器控制集成电路(5)还将产生一个控制信号，控制开关S1的闭合和开启。

2.如权利要求1所述的基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置，其特征在于：所述的LC电感电容谐振回路(3)由两电容C1和C2，以及连接两电容C1和C2之间的电感L组成，电感L与电容C2的联结点与灯管(1)一端连接；所述的变压器(4)初级与电容C2的另端连接。

3.如权利要求1所述的基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置，其特征在于：所述的控制开关S1是一晶体管电路。

4.如权利要求1所述的基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置，其特征在于：所述的控制开关S1是由可控硅器件构成。

5.一种制造上述基于变频技术的荧光灯灯丝预热启动装置的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将电路图变形为等效电路图，在灯管预热阶段，开关S1断开，A点输入信号Vin的频率被设定为一个远离LC谐振回路3谐振点的高频fpre，此时，A点的电压Vlamp很低，等效电路相当于灯管开路；

2)设置等效电路的参数：

R₂，R₃是灯丝的等效电阻，R₂＝R₃              (1)

R₁是变压器次级的灯丝电阻耦合到初级的等效阻抗，

$R_1={\left(\frac{M}{N}\right)}^2{R}_2={\left(\frac{M}{N}\right)}^2{R}_3---\left(2\right)$

M、N是变压器初级和次级的圈数，

U₁是变压器初级上的电压，

U₁＝I_C2R₁，(I_C2是C2上的电流)     (3)

I_C2是谐振回路中C₂上的电流， $L_{C2}=\frac{V_{\mathrm{in}}}{\left|\mathrm{j\ωL}\right|+\frac{1}{\left|\mathrm{j\ω}{C}_1\right|}+\frac{1}{\left|\mathrm{j\ω}{C}_2\right|}+R_1},\mathrm{\ω}=2\mathrm{\πf},$

在预热阶段，f＝f_pre，因为f_pre是远离谐振点的高频，所以ω＝2πf_pre很大，

很小，谐振回路的阻抗以感抗为主，即

$\left|\mathrm{j\ωL}\right|>>\frac{1}{\left|\mathrm{j\ω}{C}_1\right|}+\frac{1}{\left|j{\mathrm{\ωC}}_2\right|}+R_1,$

于是有 $I_{C2}\≈\frac{V_{\mathrm{in}}}{\left|\mathrm{j\ωL}\right|},\mathrm{\ω}=2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{pre}}---\left(4\right)$

因此，预热时fpre，L，一定，I_C2基本不变；

U₂，U₃分别是变压器两个次级绕组的感应电压，

$U_2=U_3=\frac{N}{M}{U}_1---\left(5\right)$

从(1)～(5)式得，流过灯丝的预热电流为：

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