1.前言

　　目前的熒光燈絕大多數(shù)為陰極預(yù)熱式產(chǎn)品。人們?yōu)榱颂岣邿晒鉄艄艿墓庑Р⒀娱L其使用壽命，在配套電器方面作了大量深入的研究工作，包括鎮(zhèn)流器線路拓?fù)涞倪x擇和陰極預(yù)熱方式的選擇等。以期電子器件與對應(yīng)的熒光燈管相匹配，達(dá)到充分發(fā)揮熒光燈管的光效和使照明環(huán)境更舒適更節(jié)能的效果。本文參照熒光燈IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國GB標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于陰極預(yù)熱起動(dòng)的要求，對常見的陰極預(yù)熱方式進(jìn)行了分析，認(rèn)為采用智能熱敏電阻是熒光燈陰極預(yù)熱啟動(dòng)的最佳方案。

2.陰極預(yù)熱的目的

　　陰極預(yù)熱式熒光燈的電極是一個(gè)極為重要的零件。熒光燈使用時(shí)間的長短主要取決于電極的壽命。對交流電源來說，該電極既是陰極又是陽極。電極上涂有碳酸鋇、碳酸鍶和碳酸鈣為主的電子發(fā)射材料。這些材料只有當(dāng)陰極的工作溫度在900℃～1000℃時(shí)才能充分發(fā)射電子。另一方面，陰極通過預(yù)熱放出大量電子，使燈的啟動(dòng)電壓降低，通常降低到陰極未預(yù)熱啟動(dòng)電壓的二分之一到三分之一。電壓的降低減少了相關(guān)電子元器件所承受的電應(yīng)力，從而降低了整燈的故障率，延長了使用壽命。為此，陰極預(yù)熱納入了IEC和我國GB標(biāo)準(zhǔn)，明確規(guī)定此類熒光燈在點(diǎn)亮前必須經(jīng)過陰極預(yù)熱，并對各種型號(hào)規(guī)格熒光燈的預(yù)熱時(shí)間和預(yù)熱電流參數(shù)提出了要求。

圖1電子鎮(zhèn)流器簡化電路圖

3.陰極預(yù)熱啟動(dòng)技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r

　　以往，熒光燈多采用電感式工頻鎮(zhèn)流器。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子鎮(zhèn)流器以其體積小、重量輕、功耗少、無頻閃、無噪音、光效高等優(yōu)點(diǎn)，逐步取代電感式鎮(zhèn)流器已成為必然趨勢。在電子鎮(zhèn)流器發(fā)展過程中，陰極預(yù)熱問題一直是電子鎮(zhèn)流器技術(shù)研究的重點(diǎn)之一。

　　電子鎮(zhèn)流器的啟動(dòng)電壓是由限流電感L和啟動(dòng)電容C1組成的L－C1串聯(lián)諧振電路在C1兩端產(chǎn)生的諧振電壓。簡化電路如圖1所示。L－C1的品質(zhì)因數(shù)Q=1/ωC1R=ωL/R，式中R為L－C1回路的損耗電阻，ω為L－C1回路的工作角頻率。在L－C1回路對高頻振蕩電路的輸出電壓V1諧振時(shí)，限流電感L或C1上的電壓VR=QV1。合理設(shè)計(jì)限流電感L和電容C1的參數(shù)，可使C1上的諧振電壓VR達(dá)到使燈管點(diǎn)亮的值。陰極不進(jìn)行預(yù)熱的電路，電源一接通燈即點(diǎn)亮，這對陰極損傷很厲害，會(huì)使燈管根部很快變黑，使燈管壽命變短。

　　為解決熒光燈陰極預(yù)熱問題，人們利用了正溫度系數(shù)熱敏電阻（以下簡稱PTCR）。其溫阻特性曲線如圖2所示。曲線中的TB點(diǎn)是PTCR的開關(guān)溫度（阻值增大到最小值兩倍時(shí)的溫度）。PTCR的體溫高于TB點(diǎn)后，隨著溫度的升高，PTCR的電阻就會(huì)驟變到很高的值，利用PTCR的這一特性設(shè)計(jì)的預(yù)熱啟動(dòng)電路如圖3所示。當(dāng)電路接通的瞬間，高頻電源的輸出電壓V0加到燈管兩端，見圖4，此時(shí)，由于熱敏電阻PTCR對諧振回路構(gòu)成分流，使回路的Q值很低，燈管兩端不能形成高壓，也就不能點(diǎn)亮燈管。同時(shí)，高頻電流通過電感L燈絲Rf和熱敏電阻PTCR，對陰極進(jìn)行預(yù)熱，經(jīng)過t1（GB規(guī)定大于0.4秒）的時(shí)間后，PTCR因通過電流，體溫升高，電阻值迅速增大，減弱了對諧振回路的分流。當(dāng)阻值增大到一定值時(shí)，諧振回路起振，諧振電壓幅值V2增大到把燈管點(diǎn)亮。燈管點(diǎn)亮?xí)r（t2），燈管呈現(xiàn)負(fù)阻特性，即燈管電流增大，燈管兩端電壓V3降到額定的工作電壓值，預(yù)熱啟動(dòng)過程結(jié)束，燈管轉(zhuǎn)入正常工作。

圖2PTCR溫阻曲線圖

圖4PTCR預(yù)熱啟動(dòng)過程圖

圖5PTCR的電壓效應(yīng)

　　問題在于燈管正常工作后，熱敏電阻PTCR始終處于熱動(dòng)平衡狀態(tài)，這是因?yàn)闊崦綦娮璨荒芡耆钄鄬絷帢O的分流，熱敏電阻體溫的高低影響著通過電流的大小。通過電流的大小又影響到熱敏電阻體溫的變化。具體地講，當(dāng)PTCR呈現(xiàn)高阻狀態(tài)時(shí)，電流減小，PTCR體溫隨之降低，阻值便減小，又導(dǎo)致流過PTCR的電流增大，如此循環(huán)使熱敏電阻始終處于變化狀態(tài)之中。這種狀態(tài)有如下危害：

　　⑴PTCR在預(yù)熱啟動(dòng)電路中始終有功耗，一般為總功率的4％。使電子鎮(zhèn)流器或電子節(jié)能燈的流明系數(shù)降低。經(jīng)測試，40W熒光燈電子鎮(zhèn)流器PTCR的功耗大于1.6W，18W電子節(jié)能燈PTCR的功耗在0.8W左右。按每瓦功率發(fā)出光通量50流明計(jì)，40W和18W的電子鎮(zhèn)流器因此而分別損失70和40流明。

　　⑵PTCR的功耗產(chǎn)生的熱量使緊湊型熒光燈和電子鎮(zhèn)流器殼內(nèi)的溫度升高，會(huì)造成其它電子元件特別是晶體管和電解電容器損壞，使故障率上升。

????⑶熒光燈點(diǎn)亮后，燈絲回路因PTCR的存在，始終有電流通過燈絲，由此而形成發(fā)射電流，縮短了陰極的使用壽命。

　　⑷預(yù)熱電路中的PTCR在燈管點(diǎn)亮后，仍處于80℃以上的高溫環(huán)境下，易造成PTCR晶界電阻性能的蛻化，使溫阻系數(shù)改變，預(yù)熱時(shí)間變長。蛻化嚴(yán)重時(shí)啟動(dòng)瞬間產(chǎn)生的沖擊電流會(huì)燒壞功率管。如果陰極長時(shí)間處在預(yù)熱啟動(dòng)狀態(tài)，最終將會(huì)損壞燈管和電子鎮(zhèn)流器。 　　

????⑸PTCR最難滿足耐高壓這一指標(biāo)。當(dāng)PTCR并聯(lián)于燈管兩端時(shí)，要承受較大的開路電壓（一般為1000V左右），這時(shí)PTCR的溫阻曲線在高于開關(guān)溫度以后，上升遲緩，如圖5所示。另外，當(dāng)高頻電流經(jīng)過PTCR時(shí)，也會(huì)使其溫阻特性曲線在高于開關(guān)溫度TB后上升遲緩，如圖6所示。這些都會(huì)使PTCR對燈絲的預(yù)熱性能變差。

　　另外，我們測試證明PTCR呈現(xiàn)有相當(dāng)?shù)碾娙萘俊Ｔ陬l率較高的線路中，使用PTCR與啟動(dòng)電容C1并聯(lián)，會(huì)直接破壞鎮(zhèn)流器的輸出特性。特別是T5型熒光燈，一般要求電子鎮(zhèn)流器的工作頻率在50kHz以上，對其輸出特性影響更嚴(yán)重。

圖6PTCR的頻率效應(yīng)

圖7氧化鋅壓敏電阻伏安特性

　　盡管采用PTCR對陰極進(jìn)行預(yù)熱的方式存在著上述缺點(diǎn)，但目前照明行業(yè)生產(chǎn)的電子鎮(zhèn)流器，凡具備預(yù)熱功能的，絕大多數(shù)仍著采用PTCR預(yù)熱方式，在緊湊型電子節(jié)能燈中，幾乎全部采用PTCR作為預(yù)熱啟動(dòng)元件。雖然在陰極預(yù)熱方式上存在許多其它的預(yù)熱電路和器件，并有不少專利，但或者因其電路復(fù)雜、成本高，或者因其有機(jī)械觸點(diǎn)可靠性差、壽命難以保證等原因，而未能推廣采用。因此在PTCR預(yù)熱啟動(dòng)的基礎(chǔ)上，改進(jìn)預(yù)熱元件的性能，使其既能實(shí)現(xiàn)預(yù)熱啟動(dòng)的要求，又能在燈管點(diǎn)亮后，自動(dòng)關(guān)斷預(yù)熱電路，就成為眾多照明器件廠家進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)的目標(biāo)。

使用指南
1、線路參數(shù)不同，使用環(huán)境溫度不同，延時(shí)時(shí)間也不同。在特殊環(huán)境使用的燈具，如用作冰柜照明等由于環(huán)境溫度較低建議作環(huán)境模擬試驗(yàn)。出口不同地區(qū)的燈具，要考慮該地區(qū)冬天時(shí)的環(huán)境溫度，如出口到北歐地區(qū)的燈具，選用PTCR時(shí)延遲時(shí)間不可太長。
2、電阻值范圍的選擇以需要的延遲時(shí)間確定，為確保延遲時(shí)間一致性，一般為±25％左右為宜。
3、若需延長延時(shí)時(shí)間，建議對PTCR:(1)選阻值小一些；（2）選體積大一些；（3）選Tc高一些。反之亦然。
4、大功率燈具沖擊電流較大不宜選用小體積PTCR。
5、啟動(dòng)線路為單電容啟動(dòng)的燈具，PTCR耐壓要求較高，最好選800VAC以上。
6、推薦選用PTCR規(guī)格（下表為我公司長期試驗(yàn)的結(jié)果，用于一般燈具線路，由于各廠家線路有異，選用PTCR時(shí)以延時(shí)1秒左右為佳）：
節(jié)能燈、鎮(zhèn)流器
功率（W）?? 選用PTC規(guī)格型號(hào)??? 外形尺寸（mm）?? 居里溫度???? 常溫阻值（Ω）

3－－5????????? S系列???????????? Φ3×3?????????? 50???????? 2K-3K;3K-5K
5――7????????? L系列???????????? Φ4×3?????????? 50???????? 500-1K;1-2K
7――11???????? L系列???????????? Φ4×3?????????? 75???????? 800-1200;1200-2000
9――13???????? L系列???????????? Φ4×3?????????? 75???????? 300-500;500-800
11――15??????? A系列???????????? Φ5×3?????????? 75???????? 800-1200;1.2-2K
15――20??????? A系列???????????? Φ5×3?????????? 75???????? 100-300;300-500;500-800
20――30??????? HV系列??????????? Φ6×3?????????? 75???????? 100-300;300-500;500-800
25――35??????? HV系列??????????? Φ6×5?????????? 75???????? 100-200;200-300;300-500
30――40??????? B系列???????????? Φ8×3?????????? 75???????? 100-300;300-500;500-800
40――65??????? BHV系列?????????? Φ8×5?????????? 75???????? 100-200;200-300;300-500

4.電子鎮(zhèn)流器、節(jié)能燈軟啟動(dòng)用PTC熱敏電阻器選用指南

基于增大延時(shí)時(shí)間可通過提高居里溫度和體積、減小阻值等途徑來實(shí)現(xiàn)，確定以下基本原則：
1.節(jié)能燈工作時(shí)燈內(nèi)溫度較高， PTC熱敏電阻器的居里溫度不能太低，否則延時(shí)時(shí)間太短，起不到預(yù)熱效果，居里溫度在100 ℃以上為宜；
2.啟動(dòng)線路為單電容時(shí)，PTC熱敏電阻器耐電壓要求較高，通常在800V以上；
3.電阻率高的PTC熱敏電阻器在可靠性方面可得到巨大的提升，在滿足啟動(dòng)特性的前提下應(yīng)優(yōu)先選用；
4.必須考慮在低溫啟動(dòng)時(shí)的情況，在低溫時(shí)，PTC熱敏電阻器的熱平衡電阻相應(yīng)較低，可能造成燈管不啟動(dòng)；
5.PTC熱敏電阻器的開關(guān)壽命最好大于100，000次；
6.預(yù)熱時(shí)間不能小于0.4秒；
7.啟動(dòng)完畢后，PTC熱敏電阻器的功耗應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。

外形結(jié)構(gòu)

應(yīng)用原理
　
將PTC熱敏電阻用在節(jié)能燈電子鎮(zhèn)流器上，不必改動(dòng)線路將產(chǎn)品直接跨接在燈管的諧振電容兩端，可以改變電子鎮(zhèn)流器、電子節(jié)能燈的硬啟動(dòng)為預(yù)熱啟動(dòng)，燈絲的預(yù)熱時(shí)間達(dá)0.4-2.0秒，可延長燈管壽命四倍以上。

應(yīng)用PTC熱敏電阻實(shí)現(xiàn)預(yù)熱啟動(dòng)如下圖：剛接通開關(guān)時(shí)，Rt處于常溫態(tài)，其阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于C2阻值，電流通過C1，Rt形成回路預(yù)熱燈絲。約0.4-2秒后，Rt焦耳熱溫度超過居里溫度Tc躍入高阻態(tài)，其阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于C2阻抗，電流通過C1、C2形成回路導(dǎo)致L諧振，產(chǎn)生高壓點(diǎn)亮燈管。
對某一特定的電子鎮(zhèn)流器、電子節(jié)能燈而言，所選用的PTC阻值越大、體積越小、居里溫度越低，其功耗就越小、預(yù)熱時(shí)間亦越短；反之功耗就越大，預(yù)熱時(shí)間亦越長。

電子節(jié)能燈預(yù)熱軟啟動(dòng)電路圖

5.新型熒光燈陰極預(yù)熱啟動(dòng)元件——智能型PTC熱敏電阻

　　在對熒光燈陰極預(yù)熱技術(shù)進(jìn)行了充分研究的基礎(chǔ)上，從理論上突破了對敏感材料應(yīng)用方面的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)，巧妙地利用了敏感材料的固有特性和一般氣體放電燈的負(fù)阻特性，我們研制成功了既能滿足熒光燈燈絲預(yù)熱要求，又能自動(dòng)關(guān)斷的智能元件。

　　其實(shí)施方案是：把具有適當(dāng)阻值及開關(guān)溫度TB的PTC延遲型熱敏電阻同具有適當(dāng)?shù)膲好綦妷篣1mA（在此電壓下壓敏電阻Rz的通流為1mA）和通流量的壓敏電阻Rz進(jìn)行串聯(lián)復(fù)合，使成為智能電阻Ri，用以取代電子鎮(zhèn)流器及電子節(jié)能燈中的普通熱敏電阻PTCR。PTCR的溫阻特性已示于圖2，氧化鋅壓敏電阻的伏安特性，如圖7所示。從圖7可看出，氧化鋅壓敏電阻是對電壓非常敏感的器件，其通流值隨所施加的電壓值的增大而急劇增大，把PTCR和壓敏電阻Rz串聯(lián)復(fù)合成智能電阻Ri，接在電子鎮(zhèn)流器的燈絲預(yù)熱回路中（如圖3所示，去掉普通的PTCR，代之以Ri即可），其作用過程如下：當(dāng)接通電源瞬間，電子鎮(zhèn)流器的開路輸出電壓（一般為1000VP－P左右），使壓敏電阻Rz導(dǎo)通。適當(dāng)選擇U1mA,使導(dǎo)通電流等于該燈管的燈絲預(yù)熱電流）燈絲電流經(jīng)Ri流過。適當(dāng)?shù)剡x擇PTCR阻值、體積及開關(guān)溫度TB，使在0.4s(1s達(dá)到此開關(guān)溫度后，Ri中的PTCR阻值驟增至高阻狀態(tài)。這樣，一方面限制了壓敏電阻的通流量，一方面使Ri=Rz＋PTCR支路近于開路，這時(shí)由L和C1構(gòu)成的串聯(lián)諧振回路（見圖3）起振，諧振電壓U2（見圖4）增大到把燈管點(diǎn)亮，燈點(diǎn)亮后呈負(fù)阻特性，燈管兩端電壓下降到燈管正常工作電壓，此燈管工作電壓一般遠(yuǎn)低于所選定的壓敏電阻的壓敏電壓U1mA，所以，燈點(diǎn)亮后，Rz自行關(guān)斷。Ri=Rz＋PTCR處于“休閑狀態(tài)”。

　　可見，該智能型PTC熱敏電阻是利用PTC熱敏電阻的延遲特性來完成燈絲預(yù)熱時(shí)間和PTC熱敏電阻的限流特性來保護(hù)壓敏電阻Rz不至于“過荷”而燒壞；又利用壓敏電阻Rz的壓敏電壓U1mA特性和熒光燈管的負(fù)阻特性滿足預(yù)熱電流并關(guān)斷預(yù)熱回路。這樣Rz與PTCR的串聯(lián)復(fù)合體－智能熱敏電阻Ri，就能完成熒光燈燈絲預(yù)熱及"關(guān)斷”功能。使用智能熱敏電阻Ri，不需要改變原電子鎮(zhèn)流器的電路參數(shù)，只需用相應(yīng)規(guī)格的智能熱敏電阻Rpi替換PTCR即可。使用中，接通電源，智能熱敏電阻就通過電流對燈絲進(jìn)行預(yù)熱，在燈管點(diǎn)亮后，智能熱敏電阻近于開路狀態(tài)，關(guān)斷了預(yù)熱回路，自身功耗近于零，相當(dāng)于一個(gè)無觸點(diǎn)的自動(dòng)開關(guān)。

　　在電子鎮(zhèn)流器或電子節(jié)能燈上使用智能熱敏電阻有如下特點(diǎn)和優(yōu)越性：

　　（1）完全可以按各種規(guī)格的熒光燈預(yù)熱電流的要求，在0.4s～2s的時(shí)間里，使燈絲達(dá)到預(yù)熱要求。如菲利浦照明電子（上海）公司對燈絲的預(yù)熱效果，是用燈絲的熱態(tài)與冷態(tài)電阻之比描述的。他們測試了智能熱敏電阻的預(yù)熱效果，熱態(tài)電阻與冷態(tài)電阻與之比在4～5之間，完全符合其預(yù)熱要求。又如上海浦東某獨(dú)資照明公司在26W電子節(jié)能燈上使用智能熱敏電阻，各項(xiàng)參數(shù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　（2）智能熱敏電阻在熒光燈管點(diǎn)亮后，功耗幾乎為零，與PTCR相比，相應(yīng)提高光通量(40～80)流明。同時(shí)可使電子鎮(zhèn)流器或電子節(jié)能燈殼體內(nèi)溫度降低，在18W電子節(jié)能燈殼內(nèi)溫度降低(3～5)℃，從而降低了晶體管及電解電容器的熱損壞率，提高了整燈的可靠性。

　　（3）智能熱敏電阻在燈管點(diǎn)亮后，關(guān)斷了預(yù)熱回路的電流，這不僅防止了自身性能的蛻化，也減少了燈絲的熱發(fā)射，延長了燈管的使用壽命，如威海北洋集團(tuán)燈管廠在18W電子節(jié)能燈上使用智能熱敏電阻，通斷10萬次之后，解剖觀察陰極，大部分電子粉顏色為白色，陰極損耗正常，北洋照明電器公司進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后認(rèn)為：在相同條件下，智能熱敏電阻與PTCR相比，燈管發(fā)黑的程度要輕得多，只有PTCR的一半左右，他們的結(jié)論是：采用智能熱敏電阻預(yù)熱啟動(dòng)，可延長燈管壽命。

　　（4）智能熱敏電阻由于其結(jié)構(gòu)上的原因，能充分適應(yīng)電子鎮(zhèn)流器和電子節(jié)能燈產(chǎn)生的高頻高壓的作用條件。經(jīng)過10000次的模擬開關(guān)試驗(yàn)后，智能熱敏電阻的預(yù)熱啟動(dòng)特性基本不變。對于燈管老化、燈陰極失去激活、不易啟動(dòng)的情況，電子鎮(zhèn)流器輸出呈開路狀態(tài)，其開路電壓一般在10000V(GB標(biāo)準(zhǔn)要求小于1500V），此時(shí)，智能熱敏電阻仍能承受5s（標(biāo)準(zhǔn)要求鎮(zhèn)流器元件能耐異常狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間為5s）的高頻高壓，經(jīng)過200次的異常狀態(tài)試驗(yàn)，預(yù)熱啟動(dòng)特性變化不顯著。（一般電子鎮(zhèn)流器均有異常狀態(tài)保護(hù)電路，當(dāng)燈管老化、燈不易啟動(dòng)、輸出端出現(xiàn)高壓、大電流時(shí)，保護(hù)電路一般會(huì)在2s內(nèi)動(dòng)作，因此，智能熱敏電阻所承受的高頻高壓時(shí)間一般只有2s左右，不會(huì)到5s，其安全裕度是足夠充分的。

　　（5）智能熱敏電阻自身呈現(xiàn)的電容值很小，對電子鎮(zhèn)流器的輸出特性沒有影響。

　　總之，節(jié)能燈用智能型PTC熱敏電阻以其獨(dú)有的自動(dòng)通斷性能，克服了PTC在熒光燈陰極預(yù)熱問題上存在的缺點(diǎn)，而且性能價(jià)格比也比較優(yōu)越，使用安全可靠，是電子鎮(zhèn)流器和電子節(jié)能燈比較理想的預(yù)熱元件。