高分子PTC 热敏电阻在电子镇流器异常保护电路中的应用(图)
2005/11/15 15:17:42
上海科特高分子材料有限公司 供稿
一、电子镇流器的异常保护问题
电子镇流荧光灯作为一种公认的绿色照明产品， 较之普通电感镇流荧光灯具有光效高、无频闪、节能效果显著等诸多明显优势； 但部分电子镇流器也有故障率较高的缺点， 对终端客户而言， 电子镇流器成了一种高成本的（相对电感镇流器而言）一次性产品。
通过我们的研究发现， 产生上述问题的主要原因之一是部分电子镇流器制造商由于各种原因没有针对电子镇流器的异常状态采取可靠的保护措施，从而使电子镇流器随灯管寿命的完结而报废。
我们知道， 电子镇流器的基本工作原理如下图所示：
图1
正常情况下，电子镇流器通电后逆变器连同电感L、灯丝1、电容、灯丝2 组成串联谐振电路， 在一定时间内电容两端产生高压， 这一高电压引起荧光灯弧光放电使荧光灯启动， 然后谐振电路失谐， 日光灯进入稳定的点燃状态。
当出现灯管老化或者灯管漏气等异常状态时，荧光灯不能正常启动，上面的电路一直处于谐振状态（ 除非灯丝烧断或电子镇流器损坏），逆变器输出的电流不断增大，通常这个电流会升高到正常电流的3 到5 倍。如果这时不采取有效的保护措施，会造成极大危害。首先，过大的电流会导致逆变器中作为开关的三极管或场效应管及其它外围部件因过载而烧毁，甚至引起冒烟、爆裂等事故。同时，灯脚对地线或中线会形成长时间的极高电压，对于20W、36W、40W 及其它大部分国标/非标灯的电子镇流器，这一电压往往会达到一千伏或更高，这不仅为国标GB15143 所严格禁止，而且也会危及人身、财产安全。
GB15143-94“11、14”及GB15144-94“5.13”部分对电子整流器的异常状态试验包括：灯开路、阴极损坏、去激活、整流效应等，同时规定电子镇流器在经过上述试验后不得发生安全性故障并能够正常工作。
二、电子镇流器异常状态保护方案：
目前，电子镇流器采用比较多的保护措施有以下几种：
1. 在交流输入电路中串接玻璃管保险丝。在这个位置上串接保险丝会使一些人误认为会起到过流或过载保护的作用；而实际上这样的保护方式一般不会在灯丝去激活等过载条件下提供保护，它往往在开关器件击穿后才会熔断，不能起到真正意义上的异常状态保护作用。
2. 在整流输出回路上采用以可控硅、双极型晶体管或场效应管为核心的保护电路。这种电子电路保护方式的最大优点是保护时间短，但同时存在着以下一些缺点：
一、容易发生误保护：如果由于某种原因，在可控硅的触发端形成即使极短的尖脉冲也会导致逆变器停止工作，从而导致灯熄灭。
二、设计与调试工作比较烦琐：一般情况下，这种保护线路会有包括电阻、电容、脉冲变压器次级线圈在内的至少6只电子元件，同时使用这么多元件加之可控硅等有源器件的离散性及温漂等问题将增加调试工作的困难，进而对生产效率造成影响。
三、这种保护方式同时还存在成本较高、占用PCB 空间较大等缺点，这也是令众多电子镇流器制造商头疼的问题。
3. 在谐振回路即谐振电容旁边串接自恢复高分子PTC 热敏电阻。图2是利用高分子PTC 热敏电阻对电子镇流器实行异常保护的电路原理图。当灯管正常时，电子镇流器接通电源后，电感、电容和PTC 热敏电阻组成的谐振电路使荧光灯正常启动工作。如果灯管因灯丝老化或漏气等原因而去激活时，PTC 热敏电阻会在数秒钟内动作，迫使LC 串联谐振电路停振，从而切断高压，同时保护了逆变器中的开关器件。
图2
该保护方式的优点，目前已经被很多电子镇流器制造商所认识，但迄今未取得大规模应用，其主要原因是目前市场上所提供的PTC 元件无法满足电子镇流器使用上的特殊性，当前主要存在的问题是：1）高温易误动作或去激活情况下动作时间过长；2）PTC 热敏电阻长时间（例如24 小时）处在保护状态时容易发生电阻不可逆增大，性能严重劣化。这正是多数高分子PTC 热敏电阻未能在电子镇流器中取得成功应用的主要原因。
针对以上问题，上海科特高分子材料有限公司开发出KT120－H 系列电子镇流器专用PTC 热敏电阻，克服了上述缺陷，能很好解决镇流器的异常状态保护问题。
三、KT120－H 系列热敏电阻性能验证与应用举例:
单灯保护试验采用图1 所示电路。以下均为PTC 在电子镇流器电路中实测数据。
1．保护时间与高温性能。：
* 动作时间在25?C 下测试。
**高温性能在烘箱中进行，70?C 环境保温6 小时。***表示正常，即不发生误保护。
2．多次保护后热敏电阻的高温工作特性和保护时间。本试验进行之前PTC 已经过下述冲击：每隔5 分钟在去激活状态保持动作10 分钟；共10 次。测试步骤：首先测试动作时间；然后测试高温性能。测试条件同1。
3．长时间保护后热敏电阻的高温工作特性和保护时间。本试验中所采用的PTC 在进行下述试验之前已经过日光灯去激活状态下保持动作24 小时。试验步骤同2。
通过以上测试，我们可以得出结论：使用K120－H 热敏电阻，在即使70℃的高温环境下仍然能保持日光灯正常工作，同时在室温的条件下也能保证良好的保护特性；另一方面，即使经过多次或长时间提供保护后，PTC 仍然可以保持性能十分稳定。
4．KT120－H 系列PTC 在双灯/多灯电子镇流器中的应用：通常，可控硅等电子电路保护方式下，当双/多灯中的一只灯去激活时，将导致整个镇流器停止工作，从而使即便正常的荧光灯同时熄灭，这往往是令人不安的。而采用KT120-H 热敏电阻就使得这一问题迎刃而解。我们可以通过下面的电路作一个说明。
图三
上图中，假设荧光灯1 去激活，则PTC1 动作，灯1 的灯丝电流接近为0；但其它荧光灯的工作不会受到影响。这样，用户就不必为到底是哪只灯寿命终了或者是镇流器损坏这样的问题而困扰。
从上面的应用实例可知，KT120-H 系列热敏电阻具有以下明显优点：
1〕便于制造商简化电路设计，特别是为双灯、多灯保护提供更加简便、可靠
2〕降低调试、组装方面的烦琐程度，有利于提高生产效率。
3〕具有良好、全面、稳定的高、低温性能。
4〕降低成本、节省PCB 空间。
该系列自恢复保险丝可适用于各种国标/非标直管荧光灯、环形荧光灯和U 形灯等。
电子镇流荧光灯作为一种公认的绿色照明产品， 较之普通电感镇流荧光灯具有光效高、无频闪、节能效果显著等诸多明显优势； 但部分电子镇流器也有故障率较高的缺点， 对终端客户而言， 电子镇流器成了一种高成本的（相对电感镇流器而言）一次性产品。
通过我们的研究发现， 产生上述问题的主要原因之一是部分电子镇流器制造商由于各种原因没有针对电子镇流器的异常状态采取可靠的保护措施，从而使电子镇流器随灯管寿命的完结而报废。
我们知道， 电子镇流器的基本工作原理如下图所示：
正常情况下，电子镇流器通电后逆变器连同电感L、灯丝1、电容、灯丝2 组成串联谐振电路， 在一定时间内电容两端产生高压， 这一高电压引起荧光灯弧光放电使荧光灯启动， 然后谐振电路失谐， 日光灯进入稳定的点燃状态。
当出现灯管老化或者灯管漏气等异常状态时，荧光灯不能正常启动，上面的电路一直处于谐振状态（ 除非灯丝烧断或电子镇流器损坏），逆变器输出的电流不断增大，通常这个电流会升高到正常电流的3 到5 倍。如果这时不采取有效的保护措施，会造成极大危害。首先，过大的电流会导致逆变器中作为开关的三极管或场效应管及其它外围部件因过载而烧毁，甚至引起冒烟、爆裂等事故。同时，灯脚对地线或中线会形成长时间的极高电压，对于20W、36W、40W 及其它大部分国标/非标灯的电子镇流器，这一电压往往会达到一千伏或更高，这不仅为国标GB15143 所严格禁止，而且也会危及人身、财产安全。
GB15143-94“11、14”及GB15144-94“5.13”部分对电子整流器的异常状态试验包括：灯开路、阴极损坏、去激活、整流效应等，同时规定电子镇流器在经过上述试验后不得发生安全性故障并能够正常工作。
二、电子镇流器异常状态保护方案：
目前，电子镇流器采用比较多的保护措施有以下几种：
1. 在交流输入电路中串接玻璃管保险丝。在这个位置上串接保险丝会使一些人误认为会起到过流或过载保护的作用；而实际上这样的保护方式一般不会在灯丝去激活等过载条件下提供保护，它往往在开关器件击穿后才会熔断，不能起到真正意义上的异常状态保护作用。
2. 在整流输出回路上采用以可控硅、双极型晶体管或场效应管为核心的保护电路。这种电子电路保护方式的最大优点是保护时间短，但同时存在着以下一些缺点：
一、容易发生误保护：如果由于某种原因，在可控硅的触发端形成即使极短的尖脉冲也会导致逆变器停止工作，从而导致灯熄灭。
二、设计与调试工作比较烦琐：一般情况下，这种保护线路会有包括电阻、电容、脉冲变压器次级线圈在内的至少6只电子元件，同时使用这么多元件加之可控硅等有源器件的离散性及温漂等问题将增加调试工作的困难，进而对生产效率造成影响。
三、这种保护方式同时还存在成本较高、占用PCB 空间较大等缺点，这也是令众多电子镇流器制造商头疼的问题。
3. 在谐振回路即谐振电容旁边串接自恢复高分子PTC 热敏电阻。图2是利用高分子PTC 热敏电阻对电子镇流器实行异常保护的电路原理图。当灯管正常时，电子镇流器接通电源后，电感、电容和PTC 热敏电阻组成的谐振电路使荧光灯正常启动工作。如果灯管因灯丝老化或漏气等原因而去激活时，PTC 热敏电阻会在数秒钟内动作，迫使LC 串联谐振电路停振，从而切断高压，同时保护了逆变器中的开关器件。
该保护方式的优点，目前已经被很多电子镇流器制造商所认识，但迄今未取得大规模应用，其主要原因是目前市场上所提供的PTC 元件无法满足电子镇流器使用上的特殊性，当前主要存在的问题是：1）高温易误动作或去激活情况下动作时间过长；2）PTC 热敏电阻长时间（例如24 小时）处在保护状态时容易发生电阻不可逆增大，性能严重劣化。这正是多数高分子PTC 热敏电阻未能在电子镇流器中取得成功应用的主要原因。
针对以上问题，上海科特高分子材料有限公司开发出KT120－H 系列电子镇流器专用PTC 热敏电阻，克服了上述缺陷，能很好解决镇流器的异常状态保护问题。
三、KT120－H 系列热敏电阻性能验证与应用举例:
单灯保护试验采用图1 所示电路。以下均为PTC 在电子镇流器电路中实测数据。
1．保护时间与高温性能。：
* 动作时间在25?C 下测试。
**高温性能在烘箱中进行，70?C 环境保温6 小时。***表示正常，即不发生误保护。
2．多次保护后热敏电阻的高温工作特性和保护时间。本试验进行之前PTC 已经过下述冲击：每隔5 分钟在去激活状态保持动作10 分钟；共10 次。测试步骤：首先测试动作时间；然后测试高温性能。测试条件同1。
3．长时间保护后热敏电阻的高温工作特性和保护时间。本试验中所采用的PTC 在进行下述试验之前已经过日光灯去激活状态下保持动作24 小时。试验步骤同2。
通过以上测试，我们可以得出结论：使用K120－H 热敏电阻，在即使70℃的高温环境下仍然能保持日光灯正常工作，同时在室温的条件下也能保证良好的保护特性；另一方面，即使经过多次或长时间提供保护后，PTC 仍然可以保持性能十分稳定。
4．KT120－H 系列PTC 在双灯/多灯电子镇流器中的应用：通常，可控硅等电子电路保护方式下，当双/多灯中的一只灯去激活时，将导致整个镇流器停止工作，从而使即便正常的荧光灯同时熄灭，这往往是令人不安的。而采用KT120-H 热敏电阻就使得这一问题迎刃而解。我们可以通过下面的电路作一个说明。
上图中，假设荧光灯1 去激活，则PTC1 动作，灯1 的灯丝电流接近为0；但其它荧光灯的工作不会受到影响。这样，用户就不必为到底是哪只灯寿命终了或者是镇流器损坏这样的问题而困扰。
从上面的应用实例可知，KT120-H 系列热敏电阻具有以下明显优点：
1〕便于制造商简化电路设计，特别是为双灯、多灯保护提供更加简便、可靠
2〕降低调试、组装方面的烦琐程度，有利于提高生产效率。
3〕具有良好、全面、稳定的高、低温性能。
4〕降低成本、节省PCB 空间。
该系列自恢复保险丝可适用于各种国标/非标直管荧光灯、环形荧光灯和U 形灯等。
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