南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院自控系 馮 薇

我國(guó)是能源資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，新《節(jié)約能源法》使節(jié)約資源成為我國(guó)基本國(guó)策，“十二五”期間節(jié)能減排大范圍展開，成為全社會(huì)參與的國(guó)事、大事。其中，照明節(jié)電具有重要意義。綠色照明的兩大要點(diǎn)：一是節(jié)能，二是環(huán)保。CCFL是一種新型的氣體放電燈，完全符合綠色照明的這兩個(gè)要求。由于其壽命長(zhǎng)、價(jià)格適中、色彩豐富、便于實(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)光，越來越廣泛應(yīng)用于住宅照明、養(yǎng)殖業(yè)大棚照明等領(lǐng)域。

1.CCFL的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)

冷陰極熒光燈（Cold Cathode Fluorescent Lamp，簡(jiǎn)稱CCFL）它具有色彩豐富、燈管體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低溫時(shí)快速啟動(dòng)、表面溫升小、亮度高、功效高、易加工成各種形狀（直管形、L形、U型、環(huán)形等）、使用壽命長(zhǎng)、顯色性好、發(fā)光均勻等優(yōu)點(diǎn)。CCFL同樣的流明，耗電僅是白熾燈的10%一20%左右；與日光燈相比，光效略低，但壽命是日光燈的四至五倍，且燈管內(nèi)的汞含量極低或徹底無汞，避免了汞蒸氣的污染問題；與LED相比，顯色性能好、無眩光，價(jià)格便宜?？梢奀CFL是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的綠色光源，符合未來照明的發(fā)展趨勢(shì)。

相比其它常用燈具，CCFL參數(shù)如表1。

CCFL過往常用于液晶屏背光源，由于體積小，燈管直徑僅有3-4mm，可隨意彎曲，壽命長(zhǎng)，成本低，便于調(diào)光的特性，目前國(guó)際上主要有兩大發(fā)展方向，一是以美國(guó)TCP公司為代表，自2006年起將CCFL螺旋調(diào)光燈廣泛應(yīng)用于家用照明和高檔商業(yè)照明，直接替代可調(diào)光白熾燈具；二是以日本、德國(guó)為代表，利用CCFL調(diào)光特性、色溫豐富、成本低的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于綠色大棚、育種和家禽養(yǎng)殖領(lǐng)域，在不同的育種期或家禽生產(chǎn)期，不同的時(shí)間段進(jìn)行調(diào)光，取得了大量成果。

冷陰極熒光燈與普通熒光燈類似，也具有負(fù)阻特性，典型的CCFL伏安特性曲線如圖1所示。曲線分為啟動(dòng)階段和工作階段。在啟動(dòng)階段，即供電電壓小于啟動(dòng)電壓Vstart（不同的燈管，Vstart不同，一般為800一1200V）時(shí)，燈管內(nèi)的電流大小隨電壓的增大而增大。在工作階段，即外加電壓達(dá)到了燈的啟動(dòng)電壓Vstart，燈則導(dǎo)通，兩端電壓立即降低，燈電流增大，呈現(xiàn)負(fù)阻特性。由于外接鎮(zhèn)流器的限流作用，使燈電流穩(wěn)定在額定值，并且燈兩端的導(dǎo)通電壓降（Vcon）也基本保持不變。燈的使用時(shí)間越長(zhǎng)，環(huán)境溫度越低，啟動(dòng)電壓就越高；同一類型的產(chǎn)品，隨著燈的直徑的降低或者長(zhǎng)度的增加，啟動(dòng)電壓就越高；燈的直徑越小，表面亮度就越強(qiáng)。對(duì)于不同的工作電流，其在特定頻率時(shí)均為發(fā)光亮度最大。

螺旋型冷陰極熒光燈是直管CCFL的技術(shù)延伸，如圖2所示：在螺旋燈管外配以球泡玻璃外殼，燈頭處加裝小巧的電子驅(qū)動(dòng)器，光源可和普通白熾燈泡直接互換使用。

表1 多種燈具比較

圖1 燈管伏安特性曲線

圖2 螺旋型冷陰極熒光燈外形圖

2.設(shè)計(jì)指標(biāo)

本文設(shè)計(jì)一款可與白熾燈泡直接替換的螺口節(jié)能可調(diào)光螺旋形CCFL球泡燈，采用E27燈頭，冷陰極熒光燈管長(zhǎng)度為1020mm，單螺旋繞制8圈半，燈管內(nèi)徑為3mm，設(shè)計(jì)指標(biāo)要求額定功率為9W，光效≥40Lm/W，功率因數(shù)，效率η≥0.92，壽命達(dá)到30000h。

3.電路設(shè)計(jì)

由于CCFL的負(fù)阻特性，當(dāng)燈電流上升時(shí)，燈管的工作電壓下降，但是供電電壓不會(huì)下降，所以要使燈管正常工作，應(yīng)配以鎮(zhèn)流元件（鎮(zhèn)流器），用以限制和穩(wěn)定燈電流。常用的鎮(zhèn)流方法有：電阻鎮(zhèn)流、電感鎮(zhèn)流、電容鎮(zhèn)流、電子鎮(zhèn)流。因?yàn)殡娮渔?zhèn)流器效率高、體積小、無閃爍、無噪聲，便于智能控制，所以目前都基本采用電子鎮(zhèn)流的方式。普通的電子鎮(zhèn)流器由整流橋、儲(chǔ)能電容、逆變電路、諧振電路組成，將低頻的交流電通過整流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，再?jīng)過逆變器變換為較高頻率的交流電，由高頻能量來驅(qū)動(dòng)一只或幾只燈管，使之啟輝點(diǎn)亮并正常工作。

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇

圖3 電路結(jié)構(gòu)圖

電子鎮(zhèn)流器常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有Royer拓?fù)?、半橋拓?fù)?、全橋拓?fù)洹⑼仆焱負(fù)?。本設(shè)計(jì)選擇半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)榘霕螂娐方Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效、成本低，效率居中，特別適合于尺寸小巧、價(jià)格便宜的球泡燈使用。

3.2 調(diào)光方式選擇

主要的調(diào)光策略有電位器調(diào)光、模擬調(diào)光、數(shù)字調(diào)光。由于本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)與白熾燈的直接替換。現(xiàn)有的調(diào)光白熾燈大多數(shù)采用可控硅調(diào)光器，該調(diào)光器一般置于開關(guān)面板中?？煽毓枵{(diào)光機(jī)理屬于模擬調(diào)光，鎮(zhèn)流器電路輸入電壓為缺角的正弦波，通過改變可控硅的觸發(fā)角，移相控制燈管電流的有效值而達(dá)到調(diào)光的目的。燈管等效電阻大使得寄生電容所造成的溫度計(jì)效應(yīng)明顯，會(huì)使燈管亮度不均勻，出現(xiàn)閃爍，調(diào)光范圍受限于最小操作電流，所以要增加相位補(bǔ)償電路。

3.3 電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

表2 T1規(guī)格數(shù)據(jù)表

本設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路由EMC控制電路、整流濾波電路、啟動(dòng)電路、高頻振蕩電路、相位補(bǔ)償反饋電路、光輸出電路等組成，電路結(jié)構(gòu)見圖3，電路原理圖見圖4。

從圖4中可以看出，C2、C6、C7、R3、R4、R5構(gòu)成啟動(dòng)電路；Q1、Q2、C3、C4、L4、T1構(gòu)成高頻振蕩電路。D2、D4、C5、R6構(gòu)成相位補(bǔ)償反饋電路，由T2第3個(gè)反饋繞組提供反饋量，通過D2對(duì)C5進(jìn)行充電，當(dāng)?shù)洼斎腚妷簳r(shí)，C5通過D4放電，消除在可控硅小導(dǎo)通角時(shí)燈光閃爍的問題。

圖4 電路原理圖

表3 T1規(guī)格數(shù)據(jù)表

圖5 性能波形測(cè)試結(jié)果

3.4 變壓器選擇

根據(jù)計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)，最后確定變壓器T1、T2選用選擇EE型磁芯，T1為EE10，T2為EE19，磁芯材料選擇國(guó)產(chǎn)的目前應(yīng)用最為廣泛的中高頻段（100～500kHz）的優(yōu)質(zhì)材料LP3型Mn-Zn鐵氧體。T1、T2具體繞制規(guī)格見表2、表3。

4.測(cè)試結(jié)果

使用遠(yuǎn)方CCFL測(cè)試儀對(duì)整燈進(jìn)行測(cè)試的結(jié)果如圖5所示。結(jié)果顯示實(shí)際的電參數(shù)完全滿足設(shè)計(jì)要求。整燈經(jīng)受住10000次開關(guān)試驗(yàn)，全部8圈半燈管可以連續(xù)從1圈到8圈逐步點(diǎn)亮和關(guān)滅，調(diào)光過程中燈光變化均勻，沒有閃爍，且經(jīng)過老化后，合格率可以達(dá)到95%。

5.結(jié)論

本文介紹了一種新型9W的可調(diào)光CCFL球泡燈，它可以直接替代白熾燈，很好地配合傳統(tǒng)可控硅調(diào)光器一起使用。批量生產(chǎn)時(shí)整燈電子鎮(zhèn)流器材料成本約7元，加上燈管、燈罩、燈頭等整燈原材料成本約14元。實(shí)際使用過程中壽命大都能達(dá)到3萬小時(shí)。相對(duì)于白熾燈更節(jié)能環(huán)保，相對(duì)于普通節(jié)能燈能實(shí)現(xiàn)可靠調(diào)光，相對(duì)于LED燈便宜許多。加之10%～100%的大調(diào)光范圍使它在節(jié)能方面可以發(fā)揮發(fā)揮很大的優(yōu)勢(shì)。因此隨著國(guó)家綠色照明工程的實(shí)施，CCFL將有望進(jìn)入普通家庭，逐步取代現(xiàn)有的白熾燈、日光燈、節(jié)能燈等用于普通照明領(lǐng)域。

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