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节能灯用智能型PTC热敏电阻资料

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节能灯用智能型PTC热敏电阻资料

1.前言

  目前的荧光灯绝大多数为阴极预热式产品。人们为了提高荧光灯管的光效并延长其使用寿命,在配套电器方面作了大量深入的研究工作,包括镇流器线路拓扑的选择和阴极预热方式的选择等。以期电子器件与对应的荧光灯管相匹配,达到充分发挥荧光灯管的光效和使照明环境更舒适更节能的效果。本文参照荧光灯IEC标准和我国GB标准中关于阴极预热起动的要求,对常见的阴极预热方式进行了分析,认为采用智能热敏电阻是荧光灯阴极预热启动的最佳方案。

2.阴极预热的目的

  阴极预热式荧光灯的电极是一个极为重要的零件。荧光灯使用时间的长短主要取决于电极的寿命。对交流电源来说,该电极既是阴极又是阳极。电极上涂有碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙为主的电子发射材料。这些材料只有当阴极的工作温度在900℃~1000℃时才能充分发射电子。另一方面,阴极通过预热放出大量电子,使灯的启动电压降低,通常降低到阴极未预热启动电压的二分之一到三分之一。电压的降低减少了相关电子元器件所承受的电应力,从而降低了整灯的故障率,延长了使用寿命。为此,阴极预热纳入了IEC和我国GB标准,明确规定此类荧光灯在点亮前必须经过阴极预热,并对各种型号规格荧光灯的预热时间和预热电流参数提出了要求。

 

图1电子镇流器简化电路图

 

3.阴极预热启动技术的发展状况

  以往,荧光灯多采用电感式工频镇流器。随着电子技术的发展,电子镇流器以其体积小、重量轻、功耗少、无频闪、无噪音、光效高等优点,逐步取代电感式镇流器已成为必然趋势。在电子镇流器发展过程中,阴极预热问题一直是电子镇流器技术研究的重点之一。

  电子镇流器的启动电压是由限流电感L和启动电容C1组成的L-C1串联谐振电路在C1两端产生的谐振电压。简化电路如图1所示。L-C1的品质因数Q=1/ωC1R=ωL/R,式中R为L-C1回路的损耗电阻,ω为L-C1回路的工作角频率。在L-C1回路对高频振荡电路的输出电压V1谐振时,限流电感L或C1上的电压VR=QV1。合理设计限流电感L和电容C1的参数,可使C1上的谐振电压VR达到使灯管点亮的值。阴极不进行预热的电路,电源一接通灯即点亮,这对阴极损伤很厉害,会使灯管根部很快变黑,使灯管寿命变短。

  为解决荧光灯阴极预热问题,人们利用了正温度系数热敏电阻(以下简称PTCR)。其温阻特性曲线如图2所示。曲线中的TB点是PTCR的开关温度(阻值增大到最小值两倍时的温度)。PTCR的体温高于TB点后,随着温度的升高,PTCR的电阻就会骤变到很高的值,利用PTCR的这一特性设计的预热启动电路如图3所示。当电路接通的瞬间,高频电源的输出电压V0加到灯管两端,见图4,此时,由于热敏电阻PTCR对谐振回路构成分流,使回路的Q值很低,灯管两端不能形成高压,也就不能点亮灯管。同时,高频电流通过电感L灯丝Rf和热敏电阻PTCR,对阴极进行预热,经过t1(GB规定大于0.4秒)的时间后,PTCR因通过电流,体温升高,电阻值迅速增大,减弱了对谐振回路的分流。当阻值增大到一定值时,谐振回路起振,谐振电压幅值V2增大到把灯管点亮。灯管点亮时(t2),灯管呈现负阻特性,即灯管电流增大,灯管两端电压V3降到额定的工作电压值,预热启动过程结束,灯管转入正常工作。

 

图2PTCR温阻曲线图

 

图3PTCR预热启动电路

 

图4PTCR预热启动过程图

图5PTCR的电压效应

  问题在于灯管正常工作后,热敏电阻PTCR始终处于热动平衡状态,这是因为热敏电阻不能完全阻断对灯阴极的分流,热敏电阻体温的高低影响着通过电流的大小。通过电流的大小又影响到热敏电阻体温的变化。具体地讲,当PTCR呈现高阻状态时,电流减小,PTCR体温随之降低,阻值便减小,又导致流过PTCR的电流增大,如此循环使热敏电阻始终处于变化状态之中。这种状态有如下危害:

  ⑴PTCR在预热启动电路中始终有功耗,一般为总功率的4%。使电子镇流器或电子节能灯的流明系数降低。经测试,40W荧光灯电子镇流器PTCR的功耗大于1.6W,18W电子节能灯PTCR的功耗在0.8W左右。按每瓦功率发出光通量50流明计,40W和18W的电子镇流器因此而分别损失70和40流明。

  ⑵PTCR的功耗产生的热量使紧凑型荧光灯和电子镇流器壳内的温度升高,会造成其它电子元件特别是晶体管和电解电容器损坏,使故障率上升。

⑶荧光灯点亮后,灯丝回路因PTCR的存在,始终有电流通过灯丝,由此而形成发射电流,缩短了阴极的使用寿命。

  ⑷预热电路中的PTCR在灯管点亮后,仍处于80℃以上的高温环境下,易造成PTCR晶界电阻性能的蜕化,使温阻系数改变,预热时间变长。蜕化严重时启动瞬间产生的冲击电流会烧坏功率管。如果阴极长时间处在预热启动状态,最终将会损坏灯管和电子镇流器。   

⑸PTCR最难满足耐高压这一指标。当PTCR并联于灯管两端时,要承受较大的开路电压(一般为1000V左右),这时PTCR的温阻曲线在高于开关温度以后,上升迟缓,如图5所示。另外,当高频电流经过PTCR时,也会使其温阻特性曲线在高于开关温度TB后上升迟缓,如图6所示。这些都会使PTCR对灯丝的预热性能变差。

  另外,我们测试证明PTCR呈现有相当的电容量。在频率较高的线路中,使用PTCR与启动电容C1并联,会直接破坏镇流器的输出特性。特别是T5型荧光灯,一般要求电子镇流器的工作频率在50kHz以上,对其输出特性影响更严重。

 

图6PTCR的频率效应

图7氧化锌压敏电阻伏安特性

  尽管采用PTCR对阴极进行预热的方式存在着上述缺点,但目前照明行业生产的电子镇流器,凡具备预热功能的,绝大多数仍着采用PTCR预热方式,在紧凑型电子节能灯中,几乎全部采用PTCR作为预热启动元件。虽然在阴极预热方式上存在许多其它的预热电路和器件,并有不少专利,但或者因其电路复杂、成本高,或者因其有机械触点可靠性差、寿命难以保证等原因,而未能推广采用。因此在PTCR预热启动的基础上,改进预热元件的性能,使其既能实现预热启动的要求,又能在灯管点亮后,自动关断预热电路,就成为众多照明器件厂家进行技术攻关的目标。

使用指南1、线路参数不同,使用环境温度不同,延时时间也不同。在特殊环境使用的灯具,如用作冰柜照明等由于环境温度较低建议作环境模拟试验。出口不同地区的灯具,要考虑该地区冬天时的环境温度,如出口到北欧地区的灯具,选用PTCR时延迟时间不可太长。2、电阻值范围的选择以需要的延迟时间确定,为确保延迟时间一致性,一般为±25%左右为宜。3、若需延长延时时间,建议对PTCR:(1)选阻值小一些;(2)选体积大一些;(3)选Tc高一些。反之亦然。4、大功率灯具冲击电流较大不宜选用小体积PTCR。5、启动线路为单电容启动的灯具,PTCR耐压要求较高,最好选800VAC以上。6、推荐选用PTCR规格(下表为我公司长期试验的结果,用于一般灯具线路,由于各厂家线路有异,选用PTCR时以延时1秒左右为佳):节能灯、镇流器功率(W) 选用PTC规格型号 外形尺寸(mm) 居里温度 常温阻值(Ω)3--5 S系列 Φ3×3 50 2K-3K;3K-5K5――7 L系列 Φ4×3 50 500-1K;1-2K7――11 L系列 Φ4×3 75 800-1200;1200-20009――13 L系列 Φ4×3 75 300-500;500-80011――15 A系列 Φ5×3 75 800-1200;1.2-2K15――20 A系列 Φ5×3 75 100-300;300-500;500-80020――30 HV系列 Φ6×3 75 100-300;300-500;500-80025――35 HV系列 Φ6×5 75 100-200;200-300;300-50030――40 B系列 Φ8×3 75 100-300;300-500;500-80040――65 BHV系列 Φ8×5 75 100-200;200-300;300-