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熒光燈 (fluorescent lamp)即低壓汞燈,它是利用低氣壓的汞蒸氣在放電過程中輻射紫外線,從而使熒光粉發出可見光的原理髮光,因此它屬於低氣壓弧光放電光源。由於熒光燈所消耗的電能大部分用於產生紫外線,因此,熒光燈的發光效率遠比白熾燈和鹵鎢燈高。1938年4月1日,美國通用電氣公司發明熒光燈。

1 熒光燈 -簡介

熒光燈熒光燈

傳統型熒光燈內裝有兩個燈絲。燈絲上塗有電子發射材料三元碳酸鹽(碳酸鋇、碳酸鍶和碳酸鈣),俗稱電子粉。在交流電壓作用下,燈絲交替地作為陰極和陽極。燈管內壁塗有熒光粉。管內充有400Pa-500Pa壓力的氬氣和少量的汞。通電后,液態汞蒸發成壓力為0.8 Pa的汞蒸氣。在電場作用下,汞原子不斷從原始狀態被激發成激發態,繼而自發躍遷到基態,並輻射出波長253.7nm和185nm的紫外線(主峰值波長是253.7nm,約佔全部輻射能的70-80%;次峰值波長是185nm,約佔全部輻射能的10%),以釋放多餘的能量。熒光粉吸收紫外線的輻射能后發出可見光。熒光粉不同,發出的光線也不同,這就是熒光燈可做成白色和各種彩色的緣由。由於熒光燈所消耗的電能大部分用於產生紫外線,因此,熒光燈的發光效率遠比白熾燈和鹵鎢燈高,是目前節能的電光源。 熒光燈管中是壓力約為0.8Pa的汞蒸汽,在電場作用下放電,在放電過程中,汞原子的價電子不斷地從原始狀態被激發成激發態,同時又激發態自發的返回到基態,將價電子的為能轉化為電磁輻射能,並輻射初3.7nm的紫外線(另外還約有10%的85nm的短波紫外線)。載波管內壁上的熒光粉吸收353.7nm的紫外線,把它轉化為可見光。無極熒光燈即無極燈,它取消了對傳統熒光燈的燈絲和電極,利用電磁耦合的原理,使汞原子從原始狀態激發成激發態,其發光原理和原統熒光燈相似,是現今最新型的節能光源。有壽命長、光效高、顯色性好等優點。

2 熒光燈 -發光原理

熒光燈熒光燈

熒光燈即低壓汞燈,它是利用低氣壓的汞蒸氣在放電過程中輻射紫外線,從而使熒光粉發出可見光的原理髮光,因此它屬於低氣壓弧光放電光源。

熒光燈內裝有兩個燈絲。燈絲上塗有電子發射材料三元碳酸鹽(碳酸鋇、碳酸鍶和碳酸鈣),俗稱電子粉。在交流電壓作用下,燈絲交替地作為陰極和陽極。燈管內壁塗有熒光粉。管內充有400Pa-500Pa壓力的氬氣和少量的汞。通電后,液態汞蒸發成壓力為0.8Pa的汞蒸氣。在電場作用下,汞原子不斷從原始狀態被激發成激發態,繼而自發躍遷到基態,並輻射出波長253.7nm和185nm的紫外線(主峰值波長是253.7nm,約佔全部輻射能的70-80%;次峰值波長是185nm,約佔全部輻射能的10%),以釋放多餘的能量。熒光粉吸收紫外線的輻射能后發出可見光。

熒光粉不同,發出的光線也不同,這就是熒光燈可做成白色和各種彩色的緣由。由於熒光燈所消耗的電能大部分用於產生紫外線,因此,熒光燈的發光效率遠比白熾燈和鹵鎢燈高,是目前最節能的電光源。

3 熒光燈 -發明過程

熒光燈的發光機制可見,熒光粉對熒光燈的質量起關鍵作用。

20世紀50年代以後的熒光燈大都採用鹵磷酸鈣,俗稱鹵粉。鹵粉價格便宜,但發光效率不夠高,熱穩定性差,光衰較大,光通維持率低,因此,它不適用於細管徑緊湊型熒光燈中。

1974年,荷蘭飛利浦首先研製成功了將能夠發出人眼敏感的紅、綠、藍三色光的熒光粉氧化釔(發紅光,峰值波長為611nm)、多鋁酸鎂(發綠光,峰值波長為541nm)和多鋁酸鎂鋇(發藍光,峰值波長為450nm)按一定比例混合成三基色熒光粉(完整名稱是稀土元素三基色熒光粉),它的發光效率高(平均光效在80lm/W以上,約為白熾燈的5倍),色溫為2500K-6500K,顯色指數在85左右,用它作熒光燈的原料可大大節省能源,這就是高效節能熒光燈的來由。可以說,稀土元素三基色熒光粉的開發與應用是熒光燈發展史上的一個重要里程碑。沒有三基色熒光粉,就不可能有新一代細管徑緊湊型高效節能熒光燈的今天。但稀土元素三基色熒光粉也有其缺點,其最大缺點就是價格昂貴。

4 熒光燈 -種類

(1)直管形熒光燈

熒光燈熒光燈

這種熒光燈屬雙端熒光燈。常見標稱功率有4W,6W,8W,12W,15W,20W,30W,36W,40W,65W,80W,85W和125W。管徑用T5,T8,T10,T12。燈頭用G5,G13。

目前較多採用T5和T8。T5。顯色指數>30,顯色性好,對色彩豐富的物品及環境有比較理想的照明效果,光衰小,壽命長,平均壽命達10000小時。適用於服裝、百貨、超級市場、食品、水果、圖片、展示窗等色彩絢麗的場合使用。T8色光、亮度、節能、壽命都較佳,適合賓館、辦公室、商店、醫院、圖書館及家庭等色彩樸素但要求亮度高的場合使用。

為了方便安裝、降低成本和安全起見,許多直管形熒光燈的鎮流器都安裝在支架內,構成自鎮流型熒光燈。

(2)彩色直管型熒光燈

常見標稱功率有20W,30W,40W。管徑用T4,T5,T8。燈頭用G5、G13。彩色熒光燈的光通量較低,適用於商店櫥窗、廣告或類似場所的裝飾和色彩顯示。

(3)環形熒光燈

熒光燈熒光燈

除形狀外,環形熒光燈與直管形熒光燈沒有多大差別。常見標稱功率有22W,32W,40W。燈頭用G10q.。主要提供給吸頂燈、吊燈等作配套光源,供家庭、商場等照明用。

(4)單端緊湊型節能熒光燈

這種熒光燈的燈管、鎮流器和燈頭緊密地聯成一體(鎮流器放在燈頭內),除了破壞性打擊,無法把它們拆卸,故被稱為「緊湊型」熒光燈。由於無須外加鎮流器,驅動電路也在鎮流器內,故這種熒光燈也是自鎮流熒光燈和內啟動熒光燈。整個燈通過E27等燈頭直接與供電網連接,可方便地直接取代白熾燈。

(5)熒光棒

還有一種熒光燈叫熒光棒,也可用於照明,而且不需要電源,不需要外力,是一種安全的光源。它利用兩種化學物質在一定的催化劑和染料的作用下,發出五顏六色的光,既可以用於照明,對可以娛樂作用。

按管徑大小分 

(一)、直管型熒光燈管按管徑大小分為:T12、T10、T8、T6、T5、T4、T3等規格。規格中「T+數字「組合,表示管徑的毫米數值。其含義:一個T=1/8英吋,一英吋為25.4mm;數字代表T的個數。如T12=25.4mm*1/8*12=38mm。   

(二)、熒光燈管管徑與其電參數的關係:   

1、熒光燈管,管徑越細,光效越高,節電效果越好。   

2、熒光燈管,管徑越細,啟輝點燃電壓越高,對鎮流器技術性能要求越高。   

管徑大於T8(含T8)的熒光燈管,啟輝點燃電壓較低。相對於220V、50Hz工頻交流電, 符合啟輝點燃電壓小於1/2電源電壓定律。可以採用電感式鎮流器,進行啟輝點燃運行。   

管徑小於T8的熒光燈管,啟輝點燃電壓較高。相對於220V、50Hz工頻交流電, 不符合啟輝點燃電壓小於1/2電源電壓定律。不能採用電感式鎮流器,進行啟輝點燃運行。管徑小於T8的熒光燈管,必須匹配電子式鎮流器。由電子式鎮流器,產生啟輝高壓,將熒光燈管擊穿點燃。爾後,由電子式鎮流器,驅動熒光燈管點燃運行。

按光色分   

(一)、直管型熒光燈管按光色分為:三基色熒光燈管,冷白日光色熒光燈管,暖白日光色熒光燈管。   

(二)、熒光燈管光色與其技術品質的關係:   

熒光燈管所塗熒光粉和所填充氣體種類不同,熒光燈管所表現的光色就不同。其技術品質也有很大差別。

1、熒光燈管塗鹵素熒光粉,填充氬氣、氪氬混合氣體。熒光燈管光色為:冷白日光色熒光燈管,暖白日光色熒光燈管。   

這兩種光色的熒光燈管, 顯色性能較低, 顯色指數R值小於40。遠遠小於太陽光,顯色指數R=100的標準值。觀看彩色物體表面顏色,產生色偏。色彩偏青、偏灰,色彩暗淡不鮮艷。  

這兩種光色的熒光燈管, 發光效率也比較低。 光效一般為每 W 電功率:30 流明(Lm)至40(Lm)。   

這兩種光色的熒光燈管,光譜中含有較多的不可見光,有效瞳孔流明(有效視覺光效)倍數也比較低。有效光效較低,有效照度低。   

這兩種光色的熒光燈管,熒光燈管啟輝點燃壽命也比較短,一般在5000小時至6000小時之內。   

以上兩種光色的熒光燈管,不屬於高效節能電光源,不符合綠色照明技術要求。   

2、熒光燈管塗三基色稀土熒光粉,填充高效發光氣體。熒光燈管光色為,三基色合成的高顯色性太陽光色。 和無極燈光色相近。   

三基色稀土熒光粉熒光燈管,顯色指數R值大於80,接近太陽光色(太陽光的顯色指數R=100)。   

三基色稀土熒光粉熒光燈管,發光效率也比較高, 光效一般為每W電功率65流明(Lm)以上。   

熒光燈管實際光效高低,與所採用的鎮流器技術性能,和鎮流器與熒光燈管匹配程度等技術要素,有直接關係。現在網上有信息表明,直管熒光燈光效可做到100流明以上。

三基色稀土熒光粉(LVD無極燈也採用此類熒光粉)熒光燈管, 啟輝點燃壽命也比較長, 一般在8000小時以上。如匹配技術性能先進的高性能電子鎮流器,啟輝點燃壽命會增加至15000小時――20000小時。

5 熒光燈 -熒光燈正常工作三要素

燈管、啟輝器、鎮流器(或以電子鎮流器取代啟輝器、鎮流器)

燈管:陰極預熱啟動式。

啟輝器:控制燈絲加熱時間。

鎮流器:產生比電源電壓高得多的電動勢。

6 熒光燈 - 常用熒光燈燈管上的標誌

中國熒光燈管上列印的標誌,除各生產企業或經銷商的品牌標誌及序號外,常出現的符號有表示熒光燈的種類、玻管直徑及色溫等,其含意如下:

1)表示熒光燈種類的符號

YZ:表示普通直管型熒光燈(Y—為「熒光燈」漢語拼音的第一個字母,Z—為「直」漢語拼音的第一個字母)

YK:表示快速啟動型熒光燈(K—為「快速啟動」)

YS:表示瞬時啟動型熒光燈(S—為「瞬時啟動」)

YG:表示高頻熒光燈

YDN:表示單端內啟動熒光燈

YDW:表示單端外啟動熒光燈

YH:表示環形熒光燈

YPZ:表示普通照明用自鎮流熒光燈

D:電子式(電感式自鎮流燈符號省略)

註:國外(IEC)表示方法為:PS:預熱啟動 RS:快速啟動,S:熱陰極單插腳式瞬時啟動。國外產品常用此類符號。

2)表示燈的玻管直徑的符號

用TX表示燈的玻管直徑。其中,T:指管型玻管;X:指玻管直徑的,為X/8in。

例:T12表示玻管直徑為12/8英寸。目前,國內型號命名中可直接用公制尺寸表示玻管直徑。

3)表示燈的色溫的符號

RR:表示日光色(色溫6500K)

RZ:表示中性白色(色溫5000K)

RL:表示冷白色(色溫4000K)

RB:表示白色(色溫3500K)

RN:表示暖白色(色溫3000K)

RD:表示白熾燈色(色溫2700K)

4)其它符號

CE:表示無線電騷擾符合要求。

此外,燈管上還會有額定電壓和功率等技術參數。

示例:

1) T8YZ36RR:表示的是管徑1in(英寸),功率36W,日光色普通直管型熒光燈。(如直接用公制尺寸表示玻管直徑,上例也可標為YZ36RR26,表示管徑為26mm。)

2) YK20RN32:表示的是管徑32mm,功率20W,暖白色快速啟動熒光燈。

3) YDN9-2U?RR:表示的是9W2U型日光色單端內啟動熒光燈。

4) YDW16-2D?RN:表示的16W2D型暖白光單端外啟動熒光燈。

5) YP220/13-3U?RL?D:表示的220V13W3U型冷白色普通照明因電子式自鎮流熒光燈。(螺旋型自鎮流燈的結構用S表示,即用S取代3U即可)

7 熒光燈 -清潔與保養

 說起熒光燈,大家都不會陌生,這種利用低壓汞蒸氣放電產生的紫外線激發塗在燈管內壁的熒光粉而發光的電光源現在在我們的生活中使用的非常普遍。那麼如何進行熒光燈進行保養呢?
  1、不要過於頻繁的開關燈。過於頻繁的點燈會導致燈管的兩端過早的變黑,影響燈管的輸出功率,而且要注意在關燈后重新啟動燈要等5—15分鐘。
  2、如果電壓很低,燈管的兩級會在點亮的開始階段發射出鎢,從而讓燈管內部產生許多點狀的污染物,成為燈管損害的原因之一,所以,建議盡量在高電壓的條件下開燈。
  3、熒光燈的線路較多,需要輔助器件,因此必須與相應的變壓器、電容器等配合使用,以保證燈管啟動到適合的功率。
  4、注意要保持一個通風的環境,不只是帶走灰塵,也可以降低燈管的溫度,以便延長燈管的壽命。
  而我們平時怎麼清潔熒光燈呢?
  1、熒光燈發熱容易吸引灰塵,準備清潔時要關閉電源,然後盡量讓室內空氣流通,用擰乾了的抹布沾上一點清潔劑輕輕的擦拭燈管,然後再使用乾淨的干布把清潔劑擦乾淨。
  2、如果條件允許,可以使用防靜電撣子來清除燈管表面的灰塵,然後用乾的抹布擦拭臟污,不可太過用力。
  3、定期清洗熒光燈的送風機扇葉,可以取出來蘸水洗,然後用干布擦去上面的水,讓送風機扇葉保持乾燥的安裝回去。
  4、按照熒光燈的時候要用紙巾清潔好雙手,不要在燈管上留下痕迹,而平時也可以用酒精擦拭燈管的表面來保持清潔。

8 熒光燈 -基於智能功率技術的熒光燈驅動電路設計

在照明應用電子變換器實現中,成本制約因素驅動著技術的選擇。除下文要介紹的創新的縱向智能功率(VIPower)解決方案外,市場上還存在另外兩種不同的經典方法。

第一種方法是基於IC器件,與若干個外部無源器件一起,驅動兩個高壓(通常高於400V)功率MOS晶體管,實現一個半橋變換器。

第二種方法基於兩個高壓雙極晶體管和大量的無源器件,但是只能實現前文提到的另外兩個解決方案集成的具體功能中的部分功能。雙極解決方案被用於成本極其低廉、性能中低的應用中。

相對於經典的方法,本文提出了一個創新的解決方案,它的成本具有很強的競爭力,而且性能也可得到增強。

VK06TL採用意法半導體(ST)獨有的智能功率VIPower M3-3製造技術,這項技術允許在同一晶元上集成控制部分和功率級。功率級是一個「發射極開關」,這個「發射極開關」通過在一個共射-共基放大器結構中放置一個雙極高壓達林頓晶體管和一個低壓MOS場效應晶體管製成的,因此,這個解決方案實現了雙極器件的低壓降與斷態時高擊穿電壓之間的平衡,以及MOS場效應晶體管的開關速度快的特性。

由於在關斷狀態時,雙極晶體管級處於共基極模式,因此,從雙極晶體管的基極抽出貯存電荷的負基極電流基本上是集電極電流,因為這個原因,這個「發射極開關」結構可以實現一個很高的頻率(200kHz左右)。

這個特性使共射-共基放大器結構的開關性能比一個標準雙極晶體高出很多,可與一個場效應MOS晶體管媲美。因此,我們說這個器件沒有電荷貯存效應。這項技術的控制部分是採用BCD(雙極-互補MOS-雙擴散MOS)單元庫實現的。

熒光燈鎮流器驅動器

在VIPower M3-3技術基礎之上,我們設計了一個熒光燈鎮流器專用的驅動器(VK06TL)。這個器件採用兩種不同的封裝:SO-16表面組裝封裝和ST19通孔組裝封裝。

在圖1的變換器半橋中,VK06TL被指定用於上橋臂和下橋臂,因為採用兩個VK06TL,幾乎無需外部器件,只用兩個二次繞組就可以導通一次側扼流圈,所以,設計一個效率極高而成本極低的熒光燈變換器是可行的。


圖1:M3-3 橫截面圖 圖1:M3-3 橫截面圖


這個變換器能夠恰當地管理一個高端熒光燈應用的全部必備的工作條件:啟動、預熱頻率和時長控制、點火和穩態階段。這個半橋可以實現過流保護(EOL:燈管壽命終止)、整流效應保護和過溫保護,從而創造一個全保護系統。如圖2:VK06TL的簡化塊圖所示,我們考慮到了以下幾個因素:

熒光燈圖2:VK06TL簡化塊圖


功率級是由一個雙極高壓達林頓晶體管和一個低壓MOS場效應晶體管組成的共射-共基放大器,這個解決方案實現了雙極器件的低壓降與斷態時高擊穿電壓之間的平衡,以及MOS場效應晶體管的開關速度快的特性。這個功率級由雙極晶體管的基極上的固定電流供電,並由柵極端子控制。在導通狀態(Vg > Vthreshold),集電極電流可以通過MOS晶體管流向集電極,貯存階段開始。

在這個階段,發射極電流不再流動,而且集電極電流變成負基極電流。因為發射機開關操作,貯存時長降低到幾百納秒(無貯存效應)。一旦所有的基極電荷都被抽空,功率級就進入斷態。由於貯存時間短,功率級能夠以高於標準雙極晶體管的頻率工作(最高500KHz),同時還能維持一個很高的標準功率MOS無法達到的耐壓能力(最高1KV),而且導通損耗極低。

控制級和功率級都是由Vcc引腳供電,Vcc引腳通過一個電阻電容(R-C)網路與直流匯流排相連。在啟動階段,電容通過一個高阻值的電阻器充電,因此,只需幾百微安。由於功率雙極晶體貯存基極電流是在通過『Vcc充電網路』連接Vcc引腳的電容上恢復的,因此,在工作階段,器件是自己給自己供電。

VK06TL這項特殊功能允許使用功耗更小的電阻器,而且上電橋臂電源無需充電泵。

必須從連接二次繞組的SEC引腳觸發、接通這個器件,同時,啟動振蕩電路還需要一個二極體交流開關管的功能。通過SEC引腳,系統可以負載諧振頻率振蕩,同時,通過CAP1、CAP2和CapPREH引腳管理預熱和穩態頻率。特別是,CapPREH引腳上的電容器用於設定預熱時長。

通過CapEOL引腳,系統可以確保燈管壽命終止(EOL)和過溫保護功能。如果檢測到這些故障功能中的任意一個,CapEOL電容器就會被充電,引起功率級關斷閂鎖。CapEOL的電容值用於設定保護時間。

值得再次強調的是,這個單片方法無需外部電阻器和連接器就實現了功率級電流檢測。此外,如上文所述,只需一個單片器件就可以集成一個溫度保護電路。

兩個高壓二極體用於續流和二極體交流開關管通道,直流匯流排上的典型電壓是400V,因為在多數應用中,需要連接一個PFC級(功率因數控制器),同時,這個器件的集電極-源極擊穿電壓保證在最高600V。

熒光燈圖3:VK06TL應用原理圖


應用電路板

目前開發出了兩個參考板:一個使用SO-16封裝(表面安裝封裝),另一個使用SIP9封裝(通孔封裝)。兩個電路板都基於圖3所示的原理圖。

應用提示

為了測試電路板的目的,在輸入端子連接一個電解電容(10μF, 450V)十分重要,以便旁通直流電源電壓與電路板之間連線上出現的寄生電感。

預熱頻率必須固定,以確保電流值足以預熱陰極,而不會導致燈管點火。

參考電路板的預熱頻率大約59KHz,峰流大約800mA。由於諧振電容C=8.2nF,在預熱階段,它的電壓低於一個58W T8燈管的預熱額定電壓(350V峰壓)。預熱時長大約0.84s。

採用表面組裝封裝電路板上的主波形的穩態階段:工作頻率大約為34KHz,峰流大約為700mA。

參考電路板的熱分析

我們對圖3中電路板進行了熱分析,同時測量了器件的溫度。每個器件的散熱銅面積大約100mm2。溫度是通過在SO-16封裝頂部放置K型熱電耦測量的。測量環境有種不同的外界溫度:室溫(大約25oC)和外界溫度(50oC)測量結果見匯總表1:

熒光燈表1:器件外殼溫度



結論

本文簡要介紹了ST開發的採用固定頻率半橋拓撲驅動線性熒光燈管的創新解決方案。

採用了系統晶元的方法:在同一個晶元上集成控制部分、保護電路和功率級。

由於採用這種單片電路的方法,系統可靠性得到了提高,此外,系統集成和超小型封裝還實現了更小、更便宜的應用電路板,向系統微型化邁出了一大步。

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