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高频电子荧光灯的频率匹配 作者： 茆学华摘要：荧光灯管与高频电子镇流器的非阻抗匹配性质，导致在负载灯管一端引入电感电容，使之与电子镇流器与之阻抗匹配，由于电感电容的振荡特性，使电子镇流器与灯管、电容电感的阻抗匹配有明显不同，电感电容的振荡频率与电子镇流器的振荡频率必须相匹配，否则会引起开关管工作波形异常，影响电子镇流器工作寿命。关键词：镇流器、灯管、频率匹配、灯管开关工作寿命第一章：频率匹配理论依据 1、概念：1.阻抗匹配，节能灯也遵守电源与 负载阻杭相匹配原理。 2.高频电子节能灯负载又有特殊性：a.负阻特性b.启动之前短路特性。C.与电源不匹配，需加电感与电容，使之与电源进行阻抗匹配。d.加了电感、电容，就有振荡频率产生。 3.灯管的热阴极特点，需进行预热，需减少电子粉损失，才能达到长寿命。 4.灯管启动时，如不预热而进行冷启动，导致启动电压高，引起阴极螺旋之间横向打火，造成电子粉烧伤溅射。 5.灯管工作时，如阴极之间电压大于8-10V以上，在1000工作温度下，引起阴极螺旋之间横向打火，造成电子粉烧伤蒸发。这也是辉光放电对电子粉损害机理。 6.节能灯管与镇流器匹配，就围绕着灯管电感电容混合负载的特性设计。1.1 阻抗1.1.1阻抗的定义 图1所示的无源线性一端口网络，当它在角频率为的正弦电源激励下处于稳定状态时，端口的电压相量和电流相量的比值定义为该一端口的阻抗 Z 。即单位： 上式称为复数形式的欧姆定律，其中 称为阻抗模， 称为阻抗角。由于 Z 为复数，也称为复阻抗，这样图 1 所示的无源一端口网络可以用图 2 所示的等效电路表示，所以 Z 也称为一端口网络的等效阻抗或输入阻抗。 。 图 1 无源线性一端口网络 图 2 等效电路 RLC 串联电路的阻抗 ，R相当于灯管，L相当于谐振电感，C相当个谐振电容。当它在角频率为的正弦电源(相当于电子镇流器提供的高频电源)激励下：图 3RLC 串联电路图 4阻抗三角形由 KVL 得： 因此，等效阻抗为 其中 R等效电阻 (阻抗的实部)；X等效电抗(阻抗的虚部) ；Z、R 和 X 之间的转换关系为： 或 可以用图 4所示的阻抗三角形表示。结论： 对于 RLC 串联电路：（1） 当L 1/C 时，有 X 0 ， z0 ，表现为电压领先电流，称电路为感性电路，其相量图（以电流为参考相量）和等效电路如图 5 所示； 图5 L 1/C 时的相量图和等效电路（2）对于RLC串联电路当L 1/C时，有 X 0 ，z0 ，表现为电流领先电压，称电路为容性电路，其相量图（以电流为参考相量）和等效电路如图 6 所示； 图6L 1/C 时的相量图和等效电路（3） 当L 1/C 时，有 X0 ， z0 ，表现为电压和电流同相位，此时电路发生了串联谐振，电路呈现电阻性，其相量图（以电流为参考相量）和等效电路如图7所示； 图7L 1/C 时的相量图和等效电路（4） RLC 串联电路的电压 UR 、U X 、U 构成电压三角形，它和阻抗三角形相似,满足： 注：从以上相量图可以看出，正弦交流RLC串联电路中，会出现分电压大于总电压的现象。1.2 导纳1.2.1导纳的定义图 1 所示的无源线性一端口网络，当它在角频率为的正弦电源激励下处于稳定状态时，端口的电流相量和电压相量的比值定义为该一端口的导纳 Y 。即 单位：S 上式仍为复数形式的欧姆定律，其中 称为导纳模， 称为导纳角。由于 Y 为复数，称为复导纳，这样图 1 所示的无源一端口网络可以用图 8 所示的等效电路表示，所以 Y 也称为一端口网络的等效导纳或输入导纳。 图 8 无源线性一端口网络等效导纳1.2.2 RLC 并联电路的导纳 图 9 RLC 并联电路图 10导纳三角形由 KCL 得： 因此，等效导纳为 其中 G等效电导(导纳的实部) ； B等效电纳(导纳的虚部) ；Y 、G 和 B 之间的转换关系为： 或 可以用图 10 所示的导纳三角形表示。结论： 对于 RLC 并联电路：（1） 当 L 1/C 时，有 B 0 ， y0 ，表现为电流超前电压，称电路为容性电路，其相量图（以电压为参考相量）和等效电路如图 11 所示； 图 11 L 1/C 时的相量图和等效电路 （2）当 L 1/C 时，有 B 0 ， y0 ，表现为电压超前电流，称电路为感性电路，其相量图（以电压为参考相量）和等效电路如图 12 所示； 图 12 L 1/C 时的相量图和等效电路 （3） 当L = 1/C 时，有 X0 ， z0 ，表现为电压和电流同相位，此时电路发生了并联谐振，电路呈现电阻性，其相量图（以电流为参考相量）和等效电路如图13所示 图 13L = 1/C时 的 相量图和等效电路 （4）RLC 并联电路的电流 IR、IX 、I 构成电流三角形，它和阻抗三角形相似。满足 注：从以上相量图可以看出，正弦交流RLC并联电路中，会出现分电流大于总电流的现象。1.3复阻抗和复导纳的等效互换 同一个两端口电路阻抗和导纳可以互换，互换的条件为： 即： 图14 串联电路和其等效的并联电路如图 14 的串联电路，它的阻抗为： 其等效并联电路的导纳为： 即等效电导和电纳为： 同理，对并联电路，它的导纳为 其等效串联电路的阻抗为： 即等效电阻和电抗为： 1.4以上是论述了灯管谐振电感谐振电容组成的综合负载在电子镇流器高频电源激励下的电路的容性、感性、阻性变化的规律。当灯管谐振电感谐振电容振荡频率大于电子镇流器激励频率时，电路呈容性。当灯管谐振电感谐振电容振荡频率等于电子镇流器激励频率时，电路呈阻性。当灯管谐振电感谐振电容振荡频率小于电子镇流器激励频率时，电路呈感性。那么，当电路的容性、感性、阻性变化时，对电子镇流器的开关电源中，开关管的工作波形有什么影响呢？笫二章 开关电源与灯管十LC频率匹配的波形 图15荧光灯半桥电路原理图2.1首先看当电路呈阻性或弱感性时，晶体管的工作波形(图16)：图16集电极电流波形 这是双极性三级管集电集电流比较理想的工作波形，红色与黄色是集电集电流波形，其下降沿波线垂直。测试方法：集电集线穿过电流探头。2.2图十七是集电集波形调整不正常(容性)的波形。预防方法：1.是驱动调试要基本合格。2.是晶体管与LC灯管两频率基本接近。2.3图十八是双极性晶体管集电集启动瞬间抓到的波形集电集电流瞬间冲顶，启动时最坏状态。预防方法：1.驱动调试(0V-极限高压，低温到高温)不得出现此波形，关键是三级管与LC灯管的频率要相等。2.最关键的是电感不得在启动瞬间饱和，这也是三级管坏的主要原因。2.4图19是三级管VBE电压波形(频率匹配典型波形)要求为典型方波，与场效应管基本接近，最低要求为在中点以上，(0V到极限高压，低温到高温)方波上升沿无容性拆点。这个波形是检验镇流器与灯管(LC)匹配的关键波形。测试方法：示波器电压探头钩连上三级管B级，夹连半桥电路中点。2.5图二十是双极性晶体管VBE异常(容性)波形在正常方波上升沿前多了一次开关预防方法：1.提高三极管工作频率；2.或降低LC振荡频率。调试指引：示波器电压探头测VBE电压波形开关频率，电子镇流器测试仪测试的频率为LC的振荡频率，这两个频率要相等。2.6图二十一红色是基级正常电流波形测试方法：示波器电流探头穿过基极连线。2.7图二十二是谐振电感启动瞬间抓图图为未饱和状态，为正常态。2.8图二十三是谐振电感启动瞬间抓图为电感饱和状态，红箭头指处为变形处。危害是瞬间将晶体管工作在容性态，工作电流变大，晶体管爆裂。调试过程中，严格禁止此波形的出现。2.9图二十四为谐振电感正常工作时波形注意：因为半桥上下两管交替工作，反映在电感上的工作电流波形，应有图中红圈处明显的转拆点。如是纯正弦波，说明续流补偿过度，应减小续流电容容量。2.10 图二十五驱动变压器初级电压电流和次级电压2.11 图二十六驱动变压器初级和次级电压电流2.12负载的频率匹配问题负载的频率匹配问题，是被国内工程师忽视的一个重要问题。说到忽视，是因为在国内没有见过这方面的书籍或有关介绍，与许多照明工程师朋友在一起交谈时，多数人不知道电子镇流器的开关电路与负载之间还需要频率匹配。电子镇流器的工作电路中存在两种振荡频率：一种是我们前面提到的开关电路的振荡频率（简称工作频率）；另一种R灯管、限流电感（L）和启动电容（C）之间的谐振频率（简称谐振频率）。由于谐振电路是开关电路的负载，因此，工作频率与谐振频率之间存在以下三种关系：2.12.1工作频率大于谐振频率时，开关电路的负载呈感性：电子镇流器的负载呈弱感性时是最佳工作状态，也就是说工作频率稍快于谐振频率时是最佳工作状态。特别是使用场效应管做开关的电路，由于场效应管本身带有反向并联的阻尼二极管，可以有效抑制弱感性负载产生的浪涌电压；对于使用双极性三极管的电路，最好在三极管的集电极和发射极之间反向并联二极管。但是，在负载感性过大时，三极管关断时需要承受很大的浪涌电压冲击，会导致器件应力变差，容易损坏。2.12.2工作频率等于谐振频率时，开关电路的负载呈阻性：大家往往都认为电子镇流器的负载呈阻性时，工作频率与谐振频率相等，L的感抗与C的容抗相等，此时会出现谐振电压非常高的现象。实际上，L的铜阻、磁阻，C上的损耗，灯管并联的因素，电路中其他元器件造成的损耗等等，决定了LC的谐振Q值不可能很高。因此，电子镇流器完全可以工作在阻性负载情况下。2.12.3工作频率小于谐振频率时，开关电路的负载呈容性：容性负载对于电子镇流器开关电路来讲危害是最大的（致命的）！图 二十七是开关电路的负载呈容性时双极性三级管VBE电压驱动波形，在波形的上升沿前有一个明显的高于中点的次生波，相当于开关了两次。这些波形都说明电子镇流图二十七器开关电路是工作在硬开关状态，而且因次生波高过了中点，示波器上反映的频率必然有此次生波频率，易造成晶体管工作频道成倍多假象。此时的开关管功耗加大；或瞬间应力加大，硬开关状；或温升加剧，应力变差，非常容易损坏。目前，许多进口高档驱动芯片都设置有负载属性的检测功能，一旦检测到负载为容性时会自动加大工作频率。另外，对于不同型号的开关管来讲，由于结电容不同，容性负载对于驱动波形的影响程度也有所不同，一般情况下，结电容小的开关管所受影响也较小。2.13图二十八灯启辉时三极管Vce及Ic异常波形n Ic尖峰最大值已达5A，对应时刻的Vce电压波形其最大值超过100V，第三个Ic电流尖峰最大值下面的Vce电压最大值达到120V以上，三极管因驱动不足脱离饱和区进入放大区，瞬时功率=120V5A=600W。 当三级管电流余量不足时，瞬间爆管。2.14 图二十九 C级(红色)电流波形上的毛刺* 线路调整不好会有毛刺* 能造成三极管发热* 出现“共态导通”的可能性2.15 图三十 C级电流(绿色)有害的毛刺* 如果Ic变正的初相位角0，那么这里Ic会产生一个有害的毛刺。2.15.1正确的工作状况，应该是：n 电流相位落后于电压相位n 滤波器(谐振回路)之操作类似电感性负载n 换流器之切换频率高于滤波器之谐振频率2.16要求：从镇流器低压工作，到高压工作，从低温到高温，都不能出现以上三种异常工作波形。2.17在设计与调整线路时，当磁环或IC驱动正常时，晶体管工作波形基本正常时，如出现VCE下降沿与IC电流交叉出现小三角波时(图三十)，或如图三十二，VBE方波电压前次生波超过中点，为电路进入容性。2.17.1这时，基本的调整方法，遵循工作频率等于谐振频率时，开关电路的负载呈阻性：工作频率大于谐振频率时，开关电路的负载呈感性：工作频率小于谐振频率时，开关电路的负载呈容性：的频率匹配原则，增大镇流器中开关管的工作频率或减少负载RLC的工作频率，以达到负载工作频率略小于镇流器开关管的工作频率的最佳匹配状态。n 减小负载LRC的振荡频率方法是：增大电感量或增大电容量。n 三级管工作频率测试方法：示波器测晶体管波形反映的频率。n 灯管电感、电容综合负载的振荡频率测试方法：电子镇流器参数综合测试的频率。n 当集电集电流波形调正常后(见十六图)，需测试VBE电压波形进行验证。经常发现C集电流波形正常后，测VBE波形如图三十二或图二十七波形。必须调整到如图十九方波方为正常。n 当VBE调整方波后，表示镇流器这个开关电源的阻抗与灯管加LC综合负载的阻抗相等，频率也相等，实现匹配，整个系统处于良性循环中。n 当VBE调整方波后，你会发现，整个系统损耗极小，再也不用在灯丝损耗上下功夫。n 因灯管R与电感L电容C共同组成一个负载单位，当灯管冷阻、灯管电压、灯管电流以及其它异常时，会引起灯管阻抗、启动特性变化，进而引起与镇流器的阻抗的频率匹配发生变化，导致镇流器损坏，灯管寿命短。因此，灯管的参数必须固化。2.18图三十一 三级管损耗图红色为IC波形，兰色为VCE电压波形，两者交叉部分越大，三级管损耗越大，温度越高。 图三十二 VBE过驱动，容性状态波形2.19根据以上分析可以得出一个结论：电子镇流器必须与灯管十LC综合负载进行频率匹配，开关电路的最佳负载只能是阻性或者弱感性，并且从启动到正常工作的全过程，都要始终保证负载为阻性或者弱感性。笫三章 灯管开关寿命调试方式 开关寿命试验的目的：a.使晶体管工作处于安全状态 b.使阴极在启动时与工作时不受损伤。今天主要讲怎样在启动时与工作时，使电子粉少受损失。启动过程中怎样减少电子粉溅谢与蒸发？3.1 不用预热器件的变频预热启动调试方法 首先弄清以下几个概念： 起振电压：将镇流器与灯管接在测试仪上，转动调压器(从0向上调)到仪器上看到有电流出现时的电压，也表示镇流器开始工作时电压。 启辉电压：继续转动调压器，到灯管完全亮的电压。 最低预热电压，时间为50V：也就是从镇流器起振到灯管完全亮，最少有50V的电压间隔，就能有效实现预热。 50v为时间步长概念。 为什么叫变频预热呢？ 因为镇流器与灯管阻抗不匹配，在负载中加入L(电感)C(电容)，形成振荡频率，必然对电子镇流器的工作点产生实质性响应。因此节能灯的匹配，应该叫频率匹配。 当镇流器电源频率与LCR频率相等时，电路呈阻性特点。能实现最快速启动。 当镇流器电源频率小于LCR频率时，电路呈容性，炸三级管。 当镇流器电源频率大于LCR频率时，电路呈感性，因而略有阻抗略失配，导致有一段失谐过程，灯管启动有延时，这一延时，就是对阴级加电流，预热的一段时间。 不用预热元件的变频预热方法，就是利用这一特点，使LCR工作频率略低于电源工作频率，将谐振时间延长，使灯丝上有电流流过，灯管却不启动，达到预热的目的。 IC芯片镇流器也是利用此原理预热的。 调试技巧：起振电压应尽量在DB3触发时起振，易控制预热电压时间；启辉电压220V时控制在120V以下，就可以控制灯丝工作电流不超标；预热电压时间大于50V，预热时间越充分，开关寿命越长。 因预热时间不能向预热器件那样可控，预热时间较短，同样该方式不能缩小辉光放电时间，灯管开关寿命不能延长到几万次，只能在10000次左右。 3.2 PTC预热调试方法 1.未加ptc预热电压的选择: 为防止预热灯丝电流过大、预热失效，未加PTC时预热电压选择是重中之重。一般选择50V灯管就须启动，最大不得超过80V，否则预热最佳状态将失去条件。 2.加PTC预热启动电压的选择:不得超100v，最大不超120v，否到冷天不好启动。 3.ptc的选择：尽量选用直径小、阻值大一点的PTC，对于初学者易掌握，且易于控制预热时间与启动电压，一般控制在1000左右。技术成熟了，可选择低阻值PTC。 4.预热有效的目测： 这是最难的，也是关键所在，也是最不好描述的！ 在启动之前，预热状态时，灯丝应为杏红色，发白色为预热电流太大，是因为PTC选择直径太大或阻值太小，可选直径小一点，阻值大一点的PTC；发紫光，表示预热失效，予热时间短，PTC直径选小或是阻值太大，或是PTC自身质量不好造成假预热。 5.PTC假预热的识别：在预热结束时，灯开路电压前，灯丝杏红状态突然暗了，也就是说灯丝冷了灯管才启动，这是PTC自身质量有问题，国内有不少PTC厂家有这个毛病。深圳有2-3家质量较好，特别是新三宝。 PTC预热一定要掌握，在灯丝红的状态下，灯管启动，或则是无效启动。 6，在测试仪上，真延时，假预热识别，启动时观则到启动曲线图上，灯丝与导入阴级电流无电流显示，但有预热时间(这是对无预热元件预热启动而言)，灯丝上无预热电流，俗称真延时，假预热。 PTC假预热：在预热曲线上发现在灯丝电流和导入阴级电流在启动之前突然凹下去，减少或消失了，再启动灯管，又变成在冷启动。 因为PTC在打开之前有一个拐点，导致辉光放电时间较长，因此，只能实现1万到3万次左右的开关寿命。 有一种预热跳泡，预热启动是一个方波，辉光放电时间减少，灯管寿命得以有效延长。但自身寿命有限制，这不能不说是一个遗憾。但因PTC可以实现充分预热，价也平，是一个不错的选择。 调试时，应在暗室中观察灯丝颜色。3.3超长开关寿命荧光灯管实现方法 刚才讲的预热方法，只是为预热而预热，好处是能使阴级电子粉达到正常发射温度1100左右，使电子粉减少损失。 更关健的是要减少辉光放电时间。灯管启动时，辉光放电电压极高，在阴极螺旋间横向打火，烧损电子粉，这对灯管的寿命是致命的。 辉光放电是指预热启动结束或给予灯管击穿电压到灯管启动成功这段时间，一般应小于100ms。 前边讲的几种予热方法都不能实现减小辉光放电时间 减少辉光放电时间最佳办法是： 一种新的预热器件，能小于100ms最好是在20ms左右开关。 这样，就能在短路预热结束时，即时开启短路预热电路，使辉光放电时间小于20ms。就能使启动时间快速越过辉光放电时间，使开关寿命达10-100万次左右。 在实践中，1.我们用继电器做短路预热启动器件，并且解决了其触头打火粘接问题，其预热启动波形为方波，开关寿命为50万次-100万次左右。 2.IC制作的电子镇流器，采用定频预热启动方式，其预热启动波形为方波，开关寿命为50万次-100万次左右。预热波形见图三十三 图三十三 开关影响灯管寿命的理论与实践问题就此解决。3.4我们可以得出以下结论：变频预热、PTC预热由于预热结束，启动到灯管点亮时有一段上升时间，这段时间较长，且呈辉光放电状，阴极电子粉呈溅射状，因此，灯管开关寿命不能得到根本改善。短路、定频预热方法，快速开关，可有效减少启动到灯管点亮的辉光放电时间，减少阴极电子粉的损失。是解决开关寿命的必然手段。同样，我们也要防止预热过份，因没有有效控制手段，采用肉眼观察法：在暗环境下，观察灯丝为杏红色为预热充份；发白为预热过份；不发红为欠预热。宁愿过预热，也不能欠预热。第四章 荧光灯管的工作寿命节能灯的开关寿命不能替代工作寿命 工作寿命概念：指节能灯点亮时的时间。4.1工作寿命取决于以下几方面： 1.灯管的参数；2.镇流器给灯管的参数。3.阴级工作电压 4.其它。 今天不讲其它，只谈1-3项。 灯管参数很关键，朋友们都知道，传统的荧光灯参数都是以电感镇流器为基础，其设计方法是以灯丝断流为主设计导入阴极电流的。 电子镇流器使用的灯管，灯管厂家也是基于电感镇流器点灯为基础理论设计的。以T5灯管为例，灯管管流为0.175A左右，如按电子镇流器设计管流为175mA，那么，灯管导入阴极电流就会增大而发热严重，阴极电子粉被蒸发，造成灯管黑头早，实践中，如按导入阴极电流设计为175mA，灯管点2年才有轻微黑头。 关键是：现在设计的灯管管流就是导入阴极电流。导入阴极电流是建立荧光灯阴极工作温度的关键。4.1.1灯管导入阴极电流的设计 例一， 以T3半螺26W为例：如导入阴极电流为235mA，设计时，对灯丝阴极正常工作电流为：导入阴极灯电流1.15270mA时，才能保证阴极保持800-1000正常工作温度，使电子发射与接收自由平衡，使电子粉减少缓慢，实现较长工作寿命。 通常灯阴极选对应的最大工作电流，一般为270mA1.5倍413mA左右灯丝为宜。 例二，以T5/28W为例：管压为160V，导入阴极电流175mA，那么，灯阴极设计时的最大工作电流为 1：1751.15201.25mA 2：阴极最大工作电流为201.251.5301mA4.2以上这是从理论上对灯丝设计。实践中，灯管厂往往不能提供准确的灯管电参数。因此调试过程中，用灯丝冷热阻比例来控制阴极温度。下面是灯丝冷热阻比具体表格与理论依据。 灯丝温度与Rh/Rc的关系：Th = ( Rh / Rc ) x ( 234.5 + Tc ) - 234.5Th ：灯丝热态温度（OC）Tc ：常温灯丝温度（25OC）Rh ：灯丝热态阻值Rc ：灯丝冷态阻值（25OC）以下是某一灯管的灯丝温度与Rh/Rc的对应表 表一* 灯丝的冷热电阻比和温度的关系还跟灯管充入的气体种类、压力有关。一般阴极工作温度800-1000，阴极电子粉才能实现电子的发射与返回的良性循环。根据钨丝的温度系数，钨丝的冷热电阻倍数与温度的关系系数为0.00482倍/，表一中冷热阻比4,25.5倍对应的工作温度正好是灯阴极电子发射正常工作温升。调试时，只要按此调整灯丝冷热阻比，荧光灯管的工作寿命就会很长。例三：冷热阻比例为4.76倍，求阴极温度？解： 冷热阻比0.00482倍/阴极温度 阴极温度4.760.00482987.55 灯丝冷热阻比测试方法(25)：1.示波器测试灯丝电流与灯丝电压，灯丝电压除以灯丝电流得热阻；2.用高频万用表测试灯丝两端电压，选灯丝两边电压较高一端为灯丝电压。电子镇流器综合测试仪上灯丝电流为分母。灯丝电压除以灯丝电流得热阻。灯丝热电阻灯丝冷电阻冷热阻比例灯丝冷阻的选择：1.灯功率与灯冷阻成反比；2.有预热启动选小冷阻灯丝，冷启动选冷阻高的灯丝。3.灯丝冷阻一旦选定，为维护工艺流程一致性，与管压、管流一起，用供应商确认书方式，进行供应商品质固化。4.调试时，灯丝冷阻越小，灯丝热阻越易控制。推荐灯管工作电路用付绕组串联电容方式，阴极工作温度可以自由调控。 镇流器灯电流、导入阴极电流的设计遵