高分子PTC 熱敏電阻在電子鎮流器異常保護電路中的應用(圖)
2005/11/15 15:17:42
上海科特高分子材料有限公司 供稿
一、電子鎮流器的異常保護問題
電子鎮流熒光燈作為一種公認的綠色照明產品， 較之普通電感鎮流熒光燈具有光效高、無頻閃、節能效果顯著等諸多明顯優勢； 但部分電子鎮流器也有故障率較高的缺點， 對終端客戶而言， 電子鎮流器成了一種高成本的（相對電感鎮流器而言）一次性產品。
通過我們的研究發現， 產生上述問題的主要原因之一是部分電子鎮流器制造商由于各種原因沒有針對電子鎮流器的異常狀態采取可靠的保護措施，從而使電子鎮流器隨燈管壽命的完結而報廢。
我們知道， 電子鎮流器的基本工作原理如下圖所示：
圖1
正常情況下，電子鎮流器通電后逆變器連同電感L、燈絲1、電容、燈絲2 組成串聯諧振電路， 在一定時間內電容兩端產生高壓， 這一高電壓引起熒光燈弧光放電使熒光燈啟動， 然后諧振電路失諧， 日光燈進入穩定的點燃狀態。
當出現燈管老化或者燈管漏氣等異常狀態時，熒光燈不能正常啟動，上面的電路一直處于諧振狀態（ 除非燈絲燒斷或電子鎮流器損壞），逆變器輸出的電流不斷增大，通常這個電流會升高到正常電流的3 到5 倍。如果這時不采取有效的保護措施，會造成極大危害。首先，過大的電流會導致逆變器中作為開關的三極管或場效應管及其它外圍部件因過載而燒毀，甚至引起冒煙、爆裂等事故。同時，燈腳對地線或中線會形成長時間的極高電壓，對于20W、36W、40W 及其它大部分國標/非標燈的電子鎮流器，這一電壓往往會達到一千伏或更高，這不僅為國標GB15143 所嚴格禁止，而且也會危及人身、財產安全。
GB15143-94“11、14”及GB15144-94“5.13”部分對電子整流器的異常狀態試驗包括：燈開路、陰極損壞、去激活、整流效應等，同時規定電子鎮流器在經過上述試驗后不得發生安全性故障并能夠正常工作。
二、電子鎮流器異常狀態保護方案：
目前，電子鎮流器采用比較多的保護措施有以下幾種：
1. 在交流輸入電路中串接玻璃管保險絲。在這個位置上串接保險絲會使一些人誤認為會起到過流或過載保護的作用；而實際上這樣的保護方式一般不會在燈絲去激活等過載條件下提供保護，它往往在開關器件擊穿后才會熔斷，不能起到真正意義上的異常狀態保護作用。
2. 在整流輸出回路上采用以可控硅、雙極型晶體管或場效應管為核心的保護電路。這種電子電路保護方式的最大優點是保護時間短，但同時存在著以下一些缺點：
一、容易發生誤保護：如果由于某種原因，在可控硅的觸發端形成即使極短的尖脈沖也會導致逆變器停止工作，從而導致燈熄滅。
二、設計與調試工作比較煩瑣：一般情況下，這種保護線路會有包括電阻、電容、脈沖變壓器次級線圈在內的至少6只電子元件，同時使用這么多元件加之可控硅等有源器件的離散性及溫漂等問題將增加調試工作的困難，進而對生產效率造成影響。
三、這種保護方式同時還存在成本較高、占用PCB 空間較大等缺點，這也是令眾多電子鎮流器制造商頭疼的問題。
3. 在諧振回路即諧振電容旁邊串接自恢復高分子PTC 熱敏電阻。圖2是利用高分子PTC 熱敏電阻對電子鎮流器實行異常保護的電路原理圖。當燈管正常時，電子鎮流器接通電源后，電感、電容和PTC 熱敏電阻組成的諧振電路使熒光燈正常啟動工作。如果燈管因燈絲老化或漏氣等原因而去激活時，PTC 熱敏電阻會在數秒鐘內動作，迫使LC 串聯諧振電路停振，從而切斷高壓，同時保護了逆變器中的開關器件。
圖2
該保護方式的優點，目前已經被很多電子鎮流器制造商所認識，但迄今未取得大規模應用，其主要原因是目前市場上所提供的PTC 元件無法滿足電子鎮流器使用上的特殊性，當前主要存在的問題是：1）高溫易誤動作或去激活情況下動作時間過長；2）PTC 熱敏電阻長時間（例如24 小時）處在保護狀態時容易發生電阻不可逆增大，性能嚴重劣化。這正是多數高分子PTC 熱敏電阻未能在電子鎮流器中取得成功應用的主要原因。
針對以上問題，上海科特高分子材料有限公司開發出KT120－H 系列電子鎮流器專用PTC 熱敏電阻，克服了上述缺陷，能很好解決鎮流器的異常狀態保護問題。
三、KT120－H 系列熱敏電阻性能驗證與應用舉例:
單燈保護試驗采用圖1 所示電路。以下均為PTC 在電子鎮流器電路中實測數據。
1．保護時間與高溫性能。：
* 動作時間在25?C 下測試。
**高溫性能在烘箱中進行，70?C 環境保溫6 小時。***表示正常，即不發生誤保護。
2．多次保護后熱敏電阻的高溫工作特性和保護時間。本試驗進行之前PTC 已經過下述沖擊：每隔5 分鐘在去激活狀態保持動作10 分鐘；共10 次。測試步驟：首先測試動作時間；然后測試高溫性能。測試條件同1。
3．長時間保護后熱敏電阻的高溫工作特性和保護時間。本試驗中所采用的PTC 在進行下述試驗之前已經過日光燈去激活狀態下保持動作24 小時。試驗步驟同2。
通過以上測試，我們可以得出結論：使用K120－H 熱敏電阻，在即使70℃的高溫環境下仍然能保持日光燈正常工作，同時在室溫的條件下也能保證良好的保護特性；另一方面，即使經過多次或長時間提供保護后，PTC 仍然可以保持性能十分穩定。
4．KT120－H 系列PTC 在雙燈/多燈電子鎮流器中的應用：通常，可控硅等電子電路保護方式下，當雙/多燈中的一只燈去激活時，將導致整個鎮流器停止工作，從而使即便正常的熒光燈同時熄滅，這往往是令人不安的。而采用KT120-H 熱敏電阻就使得這一問題迎刃而解。我們可以通過下面的電路作一個說明。
圖三
上圖中，假設熒光燈1 去激活，則PTC1 動作，燈1 的燈絲電流接近為0；但其它熒光燈的工作不會受到影響。這樣，用戶就不必為到底是哪只燈壽命終了或者是鎮流器損壞這樣的問題而困擾。
從上面的應用實例可知，KT120-H 系列熱敏電阻具有以下明顯優點：
1〕便于制造商簡化電路設計，特別是為雙燈、多燈保護提供更加簡便、可靠
2〕降低調試、組裝方面的煩瑣程度，有利于提高生產效率。
3〕具有良好、全面、穩定的高、低溫性能。
4〕降低成本、節省PCB 空間。
該系列自恢復保險絲可適用于各種國標/非標直管熒光燈、環形熒光燈和U 形燈等。
電子鎮流熒光燈作為一種公認的綠色照明產品， 較之普通電感鎮流熒光燈具有光效高、無頻閃、節能效果顯著等諸多明顯優勢； 但部分電子鎮流器也有故障率較高的缺點， 對終端客戶而言， 電子鎮流器成了一種高成本的（相對電感鎮流器而言）一次性產品。
通過我們的研究發現， 產生上述問題的主要原因之一是部分電子鎮流器制造商由于各種原因沒有針對電子鎮流器的異常狀態采取可靠的保護措施，從而使電子鎮流器隨燈管壽命的完結而報廢。
我們知道， 電子鎮流器的基本工作原理如下圖所示：
正常情況下，電子鎮流器通電后逆變器連同電感L、燈絲1、電容、燈絲2 組成串聯諧振電路， 在一定時間內電容兩端產生高壓， 這一高電壓引起熒光燈弧光放電使熒光燈啟動， 然后諧振電路失諧， 日光燈進入穩定的點燃狀態。
當出現燈管老化或者燈管漏氣等異常狀態時，熒光燈不能正常啟動，上面的電路一直處于諧振狀態（ 除非燈絲燒斷或電子鎮流器損壞），逆變器輸出的電流不斷增大，通常這個電流會升高到正常電流的3 到5 倍。如果這時不采取有效的保護措施，會造成極大危害。首先，過大的電流會導致逆變器中作為開關的三極管或場效應管及其它外圍部件因過載而燒毀，甚至引起冒煙、爆裂等事故。同時，燈腳對地線或中線會形成長時間的極高電壓，對于20W、36W、40W 及其它大部分國標/非標燈的電子鎮流器，這一電壓往往會達到一千伏或更高，這不僅為國標GB15143 所嚴格禁止，而且也會危及人身、財產安全。
GB15143-94“11、14”及GB15144-94“5.13”部分對電子整流器的異常狀態試驗包括：燈開路、陰極損壞、去激活、整流效應等，同時規定電子鎮流器在經過上述試驗后不得發生安全性故障并能夠正常工作。
二、電子鎮流器異常狀態保護方案：
目前，電子鎮流器采用比較多的保護措施有以下幾種：
1. 在交流輸入電路中串接玻璃管保險絲。在這個位置上串接保險絲會使一些人誤認為會起到過流或過載保護的作用；而實際上這樣的保護方式一般不會在燈絲去激活等過載條件下提供保護，它往往在開關器件擊穿后才會熔斷，不能起到真正意義上的異常狀態保護作用。
2. 在整流輸出回路上采用以可控硅、雙極型晶體管或場效應管為核心的保護電路。這種電子電路保護方式的最大優點是保護時間短，但同時存在著以下一些缺點：
一、容易發生誤保護：如果由于某種原因，在可控硅的觸發端形成即使極短的尖脈沖也會導致逆變器停止工作，從而導致燈熄滅。
二、設計與調試工作比較煩瑣：一般情況下，這種保護線路會有包括電阻、電容、脈沖變壓器次級線圈在內的至少6只電子元件，同時使用這么多元件加之可控硅等有源器件的離散性及溫漂等問題將增加調試工作的困難，進而對生產效率造成影響。
三、這種保護方式同時還存在成本較高、占用PCB 空間較大等缺點，這也是令眾多電子鎮流器制造商頭疼的問題。
3. 在諧振回路即諧振電容旁邊串接自恢復高分子PTC 熱敏電阻。圖2是利用高分子PTC 熱敏電阻對電子鎮流器實行異常保護的電路原理圖。當燈管正常時，電子鎮流器接通電源后，電感、電容和PTC 熱敏電阻組成的諧振電路使熒光燈正常啟動工作。如果燈管因燈絲老化或漏氣等原因而去激活時，PTC 熱敏電阻會在數秒鐘內動作，迫使LC 串聯諧振電路停振，從而切斷高壓，同時保護了逆變器中的開關器件。
該保護方式的優點，目前已經被很多電子鎮流器制造商所認識，但迄今未取得大規模應用，其主要原因是目前市場上所提供的PTC 元件無法滿足電子鎮流器使用上的特殊性，當前主要存在的問題是：1）高溫易誤動作或去激活情況下動作時間過長；2）PTC 熱敏電阻長時間（例如24 小時）處在保護狀態時容易發生電阻不可逆增大，性能嚴重劣化。這正是多數高分子PTC 熱敏電阻未能在電子鎮流器中取得成功應用的主要原因。
針對以上問題，上海科特高分子材料有限公司開發出KT120－H 系列電子鎮流器專用PTC 熱敏電阻，克服了上述缺陷，能很好解決鎮流器的異常狀態保護問題。
三、KT120－H 系列熱敏電阻性能驗證與應用舉例:
單燈保護試驗采用圖1 所示電路。以下均為PTC 在電子鎮流器電路中實測數據。
1．保護時間與高溫性能。：
* 動作時間在25?C 下測試。
**高溫性能在烘箱中進行，70?C 環境保溫6 小時。***表示正常，即不發生誤保護。
2．多次保護后熱敏電阻的高溫工作特性和保護時間。本試驗進行之前PTC 已經過下述沖擊：每隔5 分鐘在去激活狀態保持動作10 分鐘；共10 次。測試步驟：首先測試動作時間；然后測試高溫性能。測試條件同1。
3．長時間保護后熱敏電阻的高溫工作特性和保護時間。本試驗中所采用的PTC 在進行下述試驗之前已經過日光燈去激活狀態下保持動作24 小時。試驗步驟同2。
通過以上測試，我們可以得出結論：使用K120－H 熱敏電阻，在即使70℃的高溫環境下仍然能保持日光燈正常工作，同時在室溫的條件下也能保證良好的保護特性；另一方面，即使經過多次或長時間提供保護后，PTC 仍然可以保持性能十分穩定。
4．KT120－H 系列PTC 在雙燈/多燈電子鎮流器中的應用：通常，可控硅等電子電路保護方式下，當雙/多燈中的一只燈去激活時，將導致整個鎮流器停止工作，從而使即便正常的熒光燈同時熄滅，這往往是令人不安的。而采用KT120-H 熱敏電阻就使得這一問題迎刃而解。我們可以通過下面的電路作一個說明。
上圖中，假設熒光燈1 去激活，則PTC1 動作，燈1 的燈絲電流接近為0；但其它熒光燈的工作不會受到影響。這樣，用戶就不必為到底是哪只燈壽命終了或者是鎮流器損壞這樣的問題而困擾。
從上面的應用實例可知，KT120-H 系列熱敏電阻具有以下明顯優點：
1〕便于制造商簡化電路設計，特別是為雙燈、多燈保護提供更加簡便、可靠
2〕降低調試、組裝方面的煩瑣程度，有利于提高生產效率。
3〕具有良好、全面、穩定的高、低溫性能。
4〕降低成本、節省PCB 空間。
該系列自恢復保險絲可適用于各種國標/非標直管熒光燈、環形熒光燈和U 形燈等。
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