專利名稱：可調光的緊湊型節能熒光燈的制作方法
技術領域：
本實用新型技術適應于電光源領域中的緊湊型節能熒光燈，它是一種依靠調節電壓來實現連續調光的一種照明器件。它可以取代白熾燈用在輸入電壓相位控制的調壓器上，也可直接用自耦變壓器改變電壓幅值實現無級調光。它是一種用電壓調節裝置實行亮度調控的緊湊型節能熒光燈照明器件。
眾所周知，最簡單、實用的就是白熾燈照明系統的亮度控制，而熒光燈照明系統光效高、壽命長，比白熾燈更為經濟，但當前市場上的緊湊型節能燈不適應于調光，主要是在低照度下，不能連續穩定的弧光放電，使燈工作不穩定，會閃爍或熄滅。
關于直管型熒光燈(40W)的調光問題，當今世界上已有許多公開發表的專利文獻，歸納起來，有四種基本方法1、改變鎮流器元件的阻抗進行調光控制；2、調節輸入電壓的相位實現電壓調節的調光控制；3、改變燈的工作頻率及晶體管電流脈沖寬度進行調光控制；4、間斷加到燈上電壓周期來進行調光控制；例如CN2094851U、CN8216869.2、CN90108950.8等都是利用改變鎮流器的電感量來調節流過燈管的電流，從而來調節燈管的亮度。這種方法不能無級調光，在低照度，弱電流工作時，放電不穩定。而且燈絲會欠熱，造成陰極氧化物的濺射，縮短燈壽命。這類裝置調光度有限制。在CN2062541U和U.S.Pat No.4994718中，則采用了鎮流器串聯電容器來降低電壓，并通過電容容量變化來達到調光目的，這種方法也不能無級調光，而低照度時工作不穩定，同樣也將造成陰極氧化物的濺射而縮短壽命。CN2039093U中，也是用電容來調壓與前者不同的是，調光裝置是與電子鎮流器聯接，而且輸出變壓器上有專門的燈絲加熱繞組，但其加熱狀態正好與工作電流的要求相反，所以還是會影響陰極的壽命。CN2119746U是一種無級調光燈，但在弱光下未對陰極保護采取措施。
還有一些專利，如CN2098140U、U.S.Pat No.5004959、U.S.Pat No.5039919、U.S.P No5049787、U.S.P No.4963795提供了另一類改進型的調光鎮流器，它利用磁通對頻率的響應關系，通過改變飽和磁通強度的方法來改變燈電流。這類電路的晶體管集電極電流隨調光而變化，同時電流的脈沖寬度也將隨調光時亮度提高而減小，而此時工作頻率略有提高。在U.S.Pat No.49988046中，采用可變脈沖調制來實現調光的同時，在燈絲上增加了一個向燈絲恒壓供電裝置，當亮度降低時，由于弧光放電電流減小，燈絲溫度下降，這時恒壓供電裝置向燈絲增大加熱電流予以彌補，使燈管仍工作在弧光放電狀態。這些專利雖有一定的意義，而這些調節器安裝在燈上，要遠距離操作布線復雜，給安裝帶來困難，而且這類裝置的造價昂貴。
本實用新型技術的目的是提供一種簡單而又經濟的可調光的緊湊型節能熒光燈，能用一般白熾燈的調光裝置來實現亮度控制，以替代調光照明系統的白熾燈。
本實用新型技術的目的是通過發明一種新型的熒光燈管配以新型的鎮流器來實現的，即燈管和鎮流器組合成一體，制成可調光的緊湊型節能熒光燈。
第一、燈管方面，為了實現調壓式調光技術，本實用新型的燈管作了以下三方面的創新，其特征如下一、改造燈管的放電過程從自持弧光放電變為熱電子發射的非自持弧光放電。
一般熒光燈的工作過程燈管著火后，陰極不再靠預熱電流加熱，而是依靠離子轟擊和燈管中的放射電流通過燈絲來加熱陰極，使陰極連續發射電子維持放電，形成自持的弧光放電過程。當降低燈管亮度時，通過燈管的放射電流必然減小，這樣會造成陰極欠熱，會使陰極的工作狀態從弧光放電進入到輝光放電，最后閃爍而熄滅。輝光放電階段，燈的陰極電位降很高，轟擊陰極的離子能量很大，因此濺射嚴重，不僅燈管早期發黑，而且縮短了陰極壽命。目前緊湊型節能熒光燈大都用電子鎮流器限流，其工作頻率升高到20KHz-50KHz，使電極附近的特性發生了變化，因為陰極附近是一個帶電粒子濃度很高的負輝區，到下半周，這個電極變為陽極，當交流頻率很低(50-60Hz)時，這些粒子很快向管壁擴散并在管壁復合而消失。這時形成陽極位降區，使電子加速得到能量，產生一定的電離，以維持放射電流。當交流頻率很高時，放電周期遠小于帶粒子向管壁擴散的時間常數，所以在電極附近始終保持著很高的帶電粒子濃度，陽極位降不再存在，因而加熱功率減小，為了減少離子轟擊，又使陰極保持一定溫度，因此熒光燈燈管用電鎮流器時，在燈管點燃后，燈絲保持一定的加熱電流以保證足夠的熱電子發射。而在調光熒光燈中，因為燈管在弱電流放電時，不能再自持弧光放電，要讓燈管穩定工作，必須設法改善陰極的工作狀態，在U.S.Pat No.4998046專利中，為了穩定弱電流放電狀態，在燈絲上增加了一個向燈絲恒定供電的裝置，增大加熱電流予以彌補熱發射。
本實用新型燈管的陰極，在燈管弱放射電流工作時，陰極具有足夠數量的熱電子發射出來，這樣電子與原子碰撞機率大大增加，氣體游離的機會也增多，因為每個氣體分子都經過多次的碰撞才達到游離，這種積累游離在燈管中起了顯著的作用。所以在熱電子電弧中，不再需要很大的陰極位降來加速正離子碰擊陰極，讓陰極產生電子發射維持放電，同時二次發射成分變得很小，這種放電過程就是熱電子發射非自持弧光放電，能使燈管在弱放射電流時穩定的工作。只要放射電流不超過陰極發射能力，即未達到飽和之前，陰極附近有充分的空間電荷為燈管提供放射電流，同時可以隨時中和多余的正離子，并保護陰極不受正離子轟擊，延長了陰極壽命。
二、燈管的陰極構造采用細長的鎢絲做成高阻抗值的復繞螺旋形加熱燈絲，在滿足熱電子發射溫度的燈絲加熱電流下單只燈絲工作電壓為10.4伏。
一般熒光燈工作時，兩端的兩個燈絲，隨電壓方向的改變而相互交替作為陽極和陰極，當燈絲作陽極，燈管中的放電電流集中通過燈絲高電位流入燈管(導入陰極電流)，則通過高電位端的電流將大于另一端，并在高電位端造成“過熱點”(圖一)。當燈絲作陰極時，由于熱慣性，這些過熱點上集中產生熱電子發射，為了維持燈管的放電，在燈絲熱點附近，熱電子發射的電流密度較大，熱點溫度高，易造成陰極氧化物的蒸發，在工作過程中隨氧化物的消耗，熱點向燈絲中部擴大，造成熱點轉移。
本實用新型燈管的燈絲，在弱放電電流下通以合適的加熱電流使氧化物陰極處于960℃左右，這樣整個陰極表面涂層都處于熱電子發射狀態。根據放射電流的大小可以確定陰極面積，最后方便的可算出燈絲直徑。顯然采用的鎢絲比常規要細，可通以小電流來達到陰極發射溫度。這樣陰極加熱電源不需另外附加，可利用電子鎮流器的加熱電路(圖二)。從電路圖中可以看到，當放射電流減小時，管壓降增加，而燈絲加熱電流變大，這就保持了弱放射電流時的陰極溫度，保證了熱電子發射能力，使燈管在弱光下穩定放電。
本實用新型燈管的燈絲在保持熱電子發射加熱電流的情況下，每只燈絲的電壓應保持在10.4伏。要是燈絲電流超過額定值時，燈絲上的壓降就大于汞的游離電位(10.38伏)，燈絲兩邊的引入線之間的汞游離放電，形成氣體擊穿，部分電流從空間通過，保證陰極電流不致超過額定值，使陰極不過熱也不致燒斷。根據這項要求，已知氧化物陰極的溫度和燈絲電壓，就可以確定燈絲長度。這種細長的鎢絲必須繞制成具有高阻抗值的復繞螺旋才能裝入燈管中。
三、輔助電極的引入實現陽極電流分流降低燈絲高電位端溫度。
本實用新型燈管的燈絲變細后，燈絲作陽極工作時，從燈絲高電位端導入的電流會超過燈絲保持正常溫度的額定值，使燈絲高電位端溫升高，為此，本實用新型燈管中需要引入輔助電極，把它與燈絲高電位端連接，使燈絲作陽極時，輔助電極起分流作用，其結構如圖三所示。這種電極能分流1/3左右的放射電流，因此燈絲高電位端導入的電流減小，延長了陰極壽命。
第二，電子鎮流器方面，為了本實用新型燈管適應電壓調節方式的調光控制，它的新型電子鎮流器必須由高頻濾波網絡、整流電橋、高頻干擾抑制網絡、半壓濾波電路、電壓激勵式的頻率逆變器以及脈沖變壓器和諧振電容組成的串聯諧振電路六部分構成。其線路如圖四所示，具體的聯接形式是，首先把50Hz220V或60Hz120V的交流電，經過電感L1和電容C1聯接成的L形濾波網絡和二極管D1、D4構成的整流電橋進行全波整流，整流后的電壓通過由電感L2、電容C2、C3組成的II形抑制高頻干擾網絡以及電容C11、二極管D7、D8組成正半周的半壓濾波器和電容C12、二極管D9、D10組成的負半周半壓濾波器相聯接。讓整流后的脈動電壓在0°-30°相位角之間和150°-180°相位角之間把電壓填充到Um/2(Um為峰值電壓值)，這種波谷充填技術獲得電壓UAD的波形如圖四中所示。電壓UAD的正端直接加在三極管Q2的集電極上，另一只三極管Q1的集電極與Q2的發射極相聯，Q1的發射極與電壓UAD的負端相接，這樣三極管Q1、Q2與UAD形成串聯形式。在Q1的發射極與基極之間接有偏置電阻R2，Q1的集電極與UAC正端之間接電阻R1，為的是向Q1提供集電極初始工作電壓。在三極管Q1的基極和發射極回路中串接著基極電感L3隔直流電容C5脈沖變壓器次級繞組L′，它們與三極管Q1的發射結電容形成諧振電容，當脈沖變壓器提供正脈沖時，該電路向Q1基極注入電流，Q1導通。另外二極管D5的負端接在Q1的基極上，D5正端和Q1的發射極之間接入電阻R3，當脈沖變壓器提供負脈沖時構成通路，同時讓C5在負半周時充電，把Q1的工作狀態移至丙類。在Q1的集電極和UAD正端之間接有緩沖電容C4，三極管Q2的基極與發射極回路中同樣串有基極電感L4、隔直流電容C6、脈沖變壓器次級繞組L″和二極管D6與R4，其作用與Q1相同，只不過L′與L″相位差180°，即正半周為Q1導通，而負半周為Q2導通，然后通過脈沖變壓器的初級繞組L、諧振電容C7、C8和隔直流電容器C9、C10構成串聯諧振電路，由于脈沖變壓器T的電壓耦合，這樣就組成了電壓激勵頻率逆變器。根據不同型號的燈管的電參數，選定各元件參數，可使新型熒光燈管選擇工作在26KHz-50KHz的高頻范圍。為了適應電壓相位和幅度調壓器，該新型電路有以下三方面特征一、采用波谷填充技術，提高燈的功率因數。
目前白熾燈用的調光器大都是靠調節電壓相位來實現調光。為了讓可調光緊湊型節能熒光燈與這類調光器配合，燈的功率因素應與白熾燈相似，接近1，本實用新型的電子鎮流器利用電壓波谷填充技術，提高了燈的電流導通角達120°，功率因數達0.95。
電壓波谷填充技術是通過二極管D7、D8、電容C11和二極管D9、D10、電容C12兩個半壓濾波器來完成的。因為C9、C10兩電容器連接B處的電壓是U/2，當開關管Q1、Q2，輪流接通時，產生了高頻振蕩，如果不接半壓濾波電路時，電源電壓整流后，電壓U按100Hz的脈動變化，流經電容C10、C9進入燈管的高頻電流幅值也按100Hz的正弦變化，經過U等于0時燈管會熄滅，造成閃爍。接入兩個半壓濾波電路后情況就不一樣了，接通電路時100Hz高頻電流的第一個周期中，電容C11和電容C12電壓漸漸充到Um/2(Um為電壓U的最大幅值)，以后電容C11和電容C12始終保持Um/2，形成直流Um/2電壓。只要整流后的脈動直流電壓U，低于Um/2時，電容C11、C12和二極管D8、D9在正半周時經過電容C10向燈管放電，在負半周時經過燈管、電容C9、放電，當U大于1/2Um電壓，三極管Q1接通時，產生正半周高頻電流，它通過電容C10和C12、二極管D10支路流進燈管B端，然后從A端流出。這時電容C10和C12充電，如果電容C9在負半周已充電，這時要通過燈管放電。當三極管Q2接通時產生負半周高頻電流，它從燈管的A端流入燈管，從B端流出，同時電容C10通過燈管放電，這時高頻電流同時流過電容C9，二極管D7、電容C11支路，使電容C9、C11充電，因為高頻電流的幅值按100Hz正弦波增加。這種半壓濾波電路的接入，使100Hz的脈動直流的波谷填去了Um/2。從上面的分析可以看到，當U低于Um/2，電容C11和C12向燈管提供Um/2電壓，整流管D1-D4不導通，只有大于Um/2電壓時，電源才接通，而Um/2的初相角為30°和150°，30°以前和150°以后都不導通，故導通角為120°，另外熒光燈不能在零壓下啟動，所以導通不必象白熾燈那樣等于180°，功率因數也不必等于1，本實用新型的電子鎮流器，采用波谷填充技術，一方面防止了燈的閃爍，另一方面也適應了調相器的相位變化來實現調光。
二、電壓激勵技術，用脈沖電壓通過電流轉換電路，激勵雙極型晶體管，使開關電路呈高頻恒流源。
本實用新型可調光節能熒光燈，為了適應較大范圍的電壓調節技術，對鎮流器中的開關電路提出了新的要求，希望在電壓變化的范圍內，開關管的開關狀態不變，特別是低壓情況下，不進入放大狀態，保證開關管處于飽和和截止的正常轉換。為了實現這一要求，本實用新型利用脈沖變壓器T，從高頻振蕩回路中，獲取脈沖電壓，通過電感L3、三極管Q1的發射結電容和電感L4、三極管Q2發射結電容組成脈沖電流轉換電路把高頻脈沖電壓轉換成脈沖電流來激勵雙極型晶體管。這里必須指出，在緊湊型節能熒光燈中，電子鎮流器處在工作溫度較高的環境中，開關管的工作狀態不允許停留在放大區，本實用新型的電子鎮流器中的開關管工作在脈動直流電壓下，為了讓開關管Q1、Q2永遠處于飽和、截止狀態轉換，開關管飽和狀態的基極反饋電流設在Um/2電壓下，當電壓U降低時，不會產生在放大區的停留。然而電壓大于Um/2時三極管Q1、Q2將進入深度飽和，特別用磁環互感器激勵驅動，驅動電流有滯后現象，會阻止開關退出飽和區，這樣會造成三極管Q1、Q2同時導通。采用脈沖電壓激勵時，沒有滯后現象，不僅使開關導通得快，而且退出時不受驅動電流牽制，自動退出飽和區。如果脈沖變壓器T的電感量L和電容C7、C8及燈管的參數配合得適當。可讓電源電壓變化時，通過開關管Q1、Q2的高頻電流幅值保持不變，這就保證脈沖變壓器提供的激勵電壓不變。意味著開關晶體管的工作狀態永遠不變，逆變器成了高頻恒流源。燈管在不同電壓下，照度在變化，但開關電路能夠穩定，可靠的工作，這就從設計上保證了質量的可靠性。
三、防止波形失真的二級濾波電路，同時具有抑制高頻干擾功能目前一般的相位調節電壓裝置，有用可控硅來調節控制，這種電路諧波含量高，采用電感L1、電容C1在輸入端進行濾波，整流后電壓通過電容C2、電感L2、電容C3的濾波器來降低諧波含量防止波形失真，保證調壓過程平滑，燈不閃爍。若采用自耦變壓器來實現亮度控制，本實用新型的緊湊型節能熒光燈的電磁干擾(EMC)可達到B級。
鑒于上述情況，燈管和電子鎮流器緊密配合性的創新，使本實用新型可調光緊湊型節能熒光燈直接替代白熾燈，用于一般的調壓裝置上進行調光，這就不需要更換目前賓館、飯店、報告廳，影院的調光裝置，只需更換燈泡就能完成節電和調光的目的。本實用新型技術可適用于110V-120V、220V-240V電壓、50Hz-60Hz頻率范圍的電源，并適用于各種類型的熒光燈。因此本實用新型更具有廣泛實用的意義。
權利要求1.一種可調光的緊湊型節能熒光燈，由熒光燈管與電子鎮流器組合成的一體化的熒光燈，其特征為燈管中陰極的加熱絲用細長鎢絲做成高阻抗值的復繞螺旋，燈管內加有輔助電極，它和燈絲高電位端聯接，實現陽極分流，電子整流器輸入端接有L型濾波網絡(C1、L1)，經整流后，接有II型濾波網絡(C2、L2、C3)并利用兩個半壓濾波器(D7、D8C11、D9、D10、C12)實現電壓波谷充鎮，將燈電流導通角提高為120°，逆變器部分利用脈沖變壓器(T)的反饋電壓，經過電流轉換電路(L′、L3、C5、Q1的發射結電容，L″、L4、C6、Q2的發射結電容)來激勵雙極型三極管(Q1、Q2)進行電壓的頻率變換。
2.根據權利要求1所述的可調光的緊湊型節能熒光燈管的電極結構，用于直管、圓環、螺旋、2D、以及各種U型、II型、mII型、H型的熒光燈管中實行調光控制，其特征為采用細長鎢絲做成高阻抗值復繞螺旋的陰極加熱絲，其中輔助電極與燈絲高電位端聯接，實現陽極分流。
3.根據權利要求1所述的可調光的緊湊型節能熒光燈管，其特征采用細長鎢絲做成高阻抗值復繞螺旋的陰極加熱絲，其中輔助電極與燈絲高電位端聯接。
4.根據權利要求1所述的可調光的緊湊型節能熒光燈的鎮流器用于其他調光熒光燈，其特征為在輸入端接有L型濾波網絡，整流后接有II型濾波網絡，并利用二個半壓濾波器，實現電壓波谷填充，將燈的電流導通角提高為120°，逆變器部分，利用脈沖變壓器的反饋電壓，通過電流轉換電路，激勵雙極型晶體管，達到電壓的頻率逆變。
5.根據權利要求1所述的可調光的緊湊型節能熒光燈的電子鎮流器，其特征為輸入端接有L型濾波網絡，整流后接有II型濾波網絡，并利用二個半壓濾波器，實現電壓波谷填充，將燈的電流導通角提高為120°，逆變器部分，利用脈沖變壓器的反饋電壓，通過電流轉換電路，激勵雙極型晶體管，達到電壓的頻率逆變。
專利摘要本實用新型緊湊型熒光燈調光技術,不是一般的變頻調光,而是靠調節輸入電壓的相位或電壓幅值來實現調光。它可代替白熾燈裝在相位控制或調壓器上實現無級調光。其特征是在熒光燈管中利用熱電子發射非自持弧光放電和輔助電極分流技術,讓陰極能工作在正常的熱電子發射狀態,不僅弱照度下保持燈管穩定的放電,而且保持了陰極壽命。電子鎮流器采用波谷填充和電壓激勵技術來適應電壓相位控制的調光。它的調光度為5%—100%。
文檔編號H05B41/392GK2361053SQ9822709
公開日2000年1月26日 申請日期1998年6月17日 優先權日1998年6月17日
發明者吳曾謨 申請人:吳曾謨