1.前言
目前的熒光燈絕大多數(shù)為陰極預熱式產(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)流器線路拓撲的選擇和陰極預熱方式的選擇等。以期電子器件與對應的熒光燈管相匹配，達到充分發(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標準和我國GB標準中關于陰極預熱起動的要求，對常見的陰極預熱方式進行了分析，認為采用智能熱敏電阻是熒光燈陰極預熱啟動的最佳方案。
2.陰極預熱的目的
陰極預熱式熒光燈的電極是一個極為重要的零件。熒光燈使用時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。這些材料只有當陰極的工作溫度在900℃～1000℃時才能充分發(fā)射電子。另一方面，陰極通過預熱放出大量電子，使燈的啟動電壓降低，通常降低到陰極未預熱啟動電壓的二分之一到三分之一。電壓的降低減少了相關電子元器件所承受的電應力，從而降低了整燈的故障率，延長了使用壽命。為此，陰極預熱納入了IEC和我國GB標準，明確規(guī)定此類熒光燈在點亮前必須經(jīng)過陰極預熱，并對各種型號規(guī)格熒光燈的預熱時間和預熱電流參數(shù)提出了要求。
圖1電子鎮(zhèn)流器簡化電路圖
3.陰極預熱啟動技術的發(fā)展狀況
以往，熒光燈多采用電感式工頻鎮(zhèn)流器。隨著電子技術的發(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，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，陰極預熱問題一直是電子鎮(zhèn)流器技術研究的重點之一。
電子鎮(zhèn)流器的啟動電壓是由限流電感L和啟動電容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，限流電感L或C1上的電壓VR=QV1。合理設計限流電感L和電容C1的參數(shù)，可使C1上的諧振電壓VR達到使燈管點亮的值。陰極不進行預熱的電路，電源一接通燈即點亮，這對陰極損傷很厲害，會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點是PTCR的開關溫度（阻值增大到最小值兩倍時的溫度）。PTCR的體溫高于TB點后，隨著溫度的升高，PTCR的電阻就會驟變到很高的值，利用PTCR的這一特性設計的預熱啟動電路如圖3所示。當電路接通的瞬間，高頻電源的輸出電壓V0加到燈管兩端，見圖4，此時，由于熱敏電阻PTCR對諧振回路構成分流，使回路的Q值很低，燈管兩端不能形成高壓，也就不能點亮燈管。同時，高頻電流通過電感L燈絲Rf和熱敏電阻PTCR，對陰極進行預熱，經(jīng)過t1（GB規(guī)定大于0.4秒）的時間后，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。當阻值增大到一定值時，諧振回路起振，諧振電壓幅值V2增大到把燈管點亮。燈管點亮時（t2），燈管呈現(xiàn)負阻特性，即燈管電流增大，燈管兩端電壓V3降到額定的工作電壓值，預熱啟動過程結(jié)束，燈管轉(zhuǎn)入正常工作。
圖2PTCR溫阻曲線圖
圖3PTCR預熱啟動電路
圖4PTCR預熱啟動過程圖
圖5PTCR的電壓效應
問題在于燈管正常工作后，熱敏電阻PTCR始終處于熱動平衡狀態(tài)，這是因為熱敏電阻不能完全阻斷對燈陰極的分流，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PTCR呈現(xiàn)高阻狀態(tài)時，電流減小，PTCR體溫隨之降低，阻值便減小，又導致流過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在預熱啟動電路中始終有功耗，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，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預熱電路中的PTCR在燈管點亮后，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，預熱時間變長。蛻化嚴重時啟動瞬間產(chǎn)生的沖擊電流會燒壞功率管。如果陰極長時間處在預熱啟動狀態(tài)，最終將會損壞燈管和電子鎮(zhèn)流器。
????⑸PTCR最難滿足耐高壓這一指標。當PTCR并聯(lián)于燈管兩端時，要承受較大的開路電壓（一般為1000V左右），這時PTCR的溫阻曲線在高于開關溫度以后，上升遲緩，如圖5所示。另外，當高頻電流經(jīng)過PTCR時，也會使其溫阻特性曲線在高于開關溫度TB后上升遲緩，如圖6所示。這些都會使PTCR對燈絲的預熱性能變差。
另外，我們測試證明PTCR呈現(xiàn)有相當?shù)碾娙萘俊Ｔ陬l率較高的線路中，使用PTCR與啟動電容C1并聯(lián)，會直接破壞鎮(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重。
圖6PTCR的頻率效應
圖7氧化鋅壓敏電阻伏安特性
盡管采用PTCR對陰極進行預熱的方式存在著上述缺點，但目前照明行業(yè)生產(chǎn)的電子鎮(zhèn)流器，凡具備預熱功能的，絕大多數(shù)仍著采用PTCR預熱方式，在緊湊型電子節(jié)能燈中，幾乎全部采用PTCR作為預熱啟動元件。雖然在陰極預熱方式上存在許多其它的預熱電路和器件，并有不少專利，但或者因其電路復雜、成本高，或者因其有機械觸點可靠性差、壽命難以保證等原因，而未能推廣采用。因此在PTCR預熱啟動的基礎上，改進預熱元件的性能，使其既能實現(xiàn)預熱啟動的要求，又能在燈管點亮后，自動關斷預熱電路，就成為眾多照明器件廠家進行技術攻關的目標。
使用指南
1、線路參數(shù)不同，使用環(huán)境溫度不同，延時時間也不同。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。出口不同地區(qū)的燈具，要考慮該地區(qū)冬天時的環(huán)境溫度，如出口到北歐地區(qū)的燈具，選用PTCR時延遲時間不可太長。
2、電阻值范圍的選擇以需要的延遲時間確定，為確保延遲時間一致性，一般為±25％左右為宜。
3、若需延長延時時間，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、啟動線路為單電容啟動的燈具，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時以延時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??? 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-