热阴极荧光灯灯丝电流控制电路

摘要

本发明公开了一种热阴极荧光灯灯丝电流控制电路，用于精确控制热阴极荧光灯灯丝电流。包括灯丝加热变压器及灯丝电流控制回路，灯丝加热变压器初级线圈接灯丝电流控制回路，次级线圈两端分别同荧光灯的一个热阴极灯丝两端相连，荧光灯驱动电源连接到相应次级线圈的中心抽头处；灯丝电流控制回路包括功率开关、控制逻辑、多输入比较器、振荡器、基准电压源、基准电流源、初级线圈电流采样电阻、滤波电容、滤波电阻等器件。本发明热阴极荧光灯灯丝电流控制电路能减小灯管电流对灯丝温度的影响，能精确控制灯丝电流，稳定灯丝温度，延长荧光灯使用寿命，并且不需要采用外加扼流圈就能实现并联荧光灯的电流平衡。

权利要求

1.一种热阴极荧光灯灯丝电流控制电路，包括灯丝加热变压器，灯丝加热变压器包括初级线圈和次级线圈，其特征在于，还包括灯丝电流控制回路，初级线圈接灯丝电流控制回路，次级线圈两端分别同荧光灯的一个热阴极灯丝两端相连，荧光灯驱动电源连接到相应次级线圈的中心抽头处；

所述灯丝电流控制回路包括功率开关、控制逻辑、多输入比较器、振荡器、基准电压源、基准电流源、初级线圈电流采样电阻、滤波电容、滤波电阻；灯丝加热变压器初级线圈一端同功率开关输出端相连，另一端接直流电源，功率开关的反馈端同初级线圈电流采样电阻、滤波电阻相连，滤波电阻的另一端同滤波电容相连并连接到基准电流源；初级线圈电流采样电阻探测功率开关中的电流及基准电流源电流，并产生一个电压信号，滤波电阻与滤波电容所构成的RC滤波器将该电压信号平均化形成开关电流的平均反馈信号，多输入比较器根据基准电压源信号、振荡器产生的锯齿波信号与平均反馈信号的电压，产生一个脉宽调制信号，通过控制逻辑控制功率开关的动作。

2.根据权利要求1所述的热阴极荧光灯灯丝电流控制电路，其特征在于，还包括电流控制开关，连接于基准电流源同滤波电容及滤波电阻之间。

3.根据权利要求1所述的热阴极荧光灯灯丝电流控制电路，其特征在于，功率开关为BJT管。

4.根据权利要求1所述的热阴极荧光灯灯丝电流控制电路，其特征在于，功率开关为MOS管。

5.根据权利要求1、2、3或4任一项所述的热阴极荧光灯灯丝电流控制电路，其特征在于，基准电流源的输出电流可调。

6.根据权利要求1所述的热阴极荧光灯灯丝电流控制电路，灯丝电流控制回路反馈电流采样于变压器副边的电流。

7.根据权利要求1、2、3、4或6任一项所述的热阴极荧光灯灯丝电流控制电路，次级线圈为多个，每个次级线圈两端分别同荧光灯的一个热阴极灯丝两端相连，中心抽头接荧光灯驱动电源。

说明书

热阴极荧光灯灯丝电流控制电路

技术领域

[0001] 本发明涉及荧光灯管驱动技术，具体讲涉及荧光灯管阴极保护技术，特别涉及一种热阴极荧光灯灯丝电流控制电路。

背景技术

[0002] 热阴极荧光灯HCFL作为一种节能光源，已得到广泛的应用，如图1所示，HCFL的热阴极位于荧光灯管的两端，热阴极由螺旋状的钨丝绕成螺旋状制成.其表面覆盖有能够发射电子的材料，当灯丝温度一定时，在灯丝的两端加一定的电压，灯丝便能发射热电子，激发汞蒸汽碰撞磷发光。如图4所示，根据阴极的结构，利用电磁场的特点来分析，可以得知电场在阴极的两端分布最密，灯丝工作时，这里的电流密度也最大。常见的简单荧光灯灯丝加热电路如图2所示，灯管驱动电源从输入端A、B接入荧光灯，在电路预热期间通过灯丝与启动电容之间的电流实现灯丝预热，荧光灯完成点火工作后，灯丝电流由两部分组成，一部分为使灯管发光的灯管电流，一部分为控制灯管电压的谐振电容电流，在低亮度时，灯管电流很小，只有几个毫安，而谐振电容电流非常大，可以高达0.6安培以上，导致灯丝在低亮度情况下容易损坏。如图4所示，灯管电流在灯丝上会从一端流到另一端，在灯丝上产生大量的热，并使灯丝温度很高且难以准确控制。图3所示为目前常见的一种热阴极荧光灯HCFL电子镇流器的灯丝加热电路，灯管驱动电源从输入端A、B接入荧光灯，灯丝由变压器耦合电流单独加 热，灯丝的温度同时受外加的灯丝加热电流和灯管电流的影响，如图4所示，在此电路中灯管电流在灯丝上会从一端流到另一端，通过灯丝的电流包括灯丝加热电流和灯管电流，由于调光过程中灯管电流会有很大的变化范围，而使通过灯丝的电流变化很大，使灯丝温度很高且不稳定，使灯丝温度难以准确控制。阴极寿命决定了荧光灯的寿命，如果阴极电流过大，灯丝就会出现过热现象，使氧化物材料加速蒸发，严重时造成钨蒸发，使灯管早期发黑，寿命缩短。如阴极电流太小，阴极温度不足，也会缩短灯管寿命。由于组成灯丝的钨丝跟其表面的电子发射物质的热膨胀系数不一致，瞬间的大灯丝电流能够加速电子发射材料的剥落，影响荧光灯的使用寿命及其发光效率。

[0003] 由于HCFL灯管呈负阻特性，即电流越低，电压越高，HCFL的这一特性使得其不能直接并联工作，通常要平衡并联灯管的电流，都是采用外加扼流圈，来改变灯管的阻抗特性，增加了成本。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是提供一种热阴极荧光灯灯丝电流控制电路，采用此电路能减小灯管电流对灯丝温度的影响，能精确控制灯丝电流，延长荧光灯使用寿命，并且不需要采用外加扼流圈就能实现并联荧光灯的电流平衡。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明热阴极荧光灯灯丝电流控制电路采取的技术方案，包括灯丝加热变压器，灯丝加热变压器包括初级线圈和次级线圈所，还包括灯丝电流控制回路，初级线圈接灯丝电流控制回路，次级线圈两端分别同荧光灯的一个热阴极灯丝两端相连，荧光灯驱动电源连接到 相应次级线圈的中心抽头处。

[0006] 所述灯丝电流控制回路包括功率开关、控制逻辑、多输入比较器、振荡器、基准电压源、基准电流源、初级线圈电流采样电阻、滤波电容、滤波电阻；灯丝加热变压器初级线圈一端同功率开关输出端相连，另一端接直流电源，功率开关的反馈端同初级线圈电流采样电阻、滤波电阻相连，滤波电阻的另一端同滤波电容相连并连接到基准电流源；初级线圈电流采样电阻探测功率开关中的电流及基准电流源电流，并产生一个电压信号，滤波电阻与滤波电容所构成的RC滤波器将该电压信号平均化形成开关电流的平均反馈信号，多输入比较器根据基准电压源信号、振荡器产生的锯齿波信号与平均反馈信号的电压，产生一个脉宽调制信号，通过控制逻辑控制功率开关的动作。

[0007] 次级线圈可以为多个，每个次级线圈两端分别同荧光灯的一个热阴极灯丝两端相连，中心抽头接荧光灯驱动电源。

[0008] 本发明热阴极荧光灯灯丝电流控制电路的灯丝加热变压器由初级线圈和次级线圈所组成，初级线圈用来实现对变压器能量的输入，次级线圈用来实现对灯丝的加热，通过灯丝加热变压器实现对灯丝的隔离温度控制，并利用其减弱灯管电流对灯丝的热影响。灯丝加热变压器的次级线圈采用中心抽头，利用变压器的寄生电感来实现对灯管电流的平均分配，降低灯管电流在灯丝上所产生的热，并利于实现对灯丝电流的精确控制。由于荧光灯交流驱动电源从灯丝加热变压器次级线圈中心抽头处接入给荧光灯供电，灯丝加热变压器的寄生电感能够使灯管电流在电极两端均匀流出，荧光灯灯管电流到达电极后在热阴极两端直接平均分成两部分流入灯 丝加热变压器次级线圈两端，然后经灯丝加热变压器次级线圈中心抽头处流出，在灯丝上产生热的部分只有从热阴极灯丝中间流到两端的小部分电流，这样灯管电流在灯丝上所产生的热将非常低，灯丝发热的功率将由外部灯丝加热电流所控制，而从而有可能实现灯丝温度的精确控制。

[0009] 本发明可以利用RC的响应时间的特点来实现功率开关管的软启动和软关断，可以利用RC低通滤波器和基准电流源来实现灯丝预热和正常运行，能让灯丝的温度以较缓慢的速度上升或者下降，以避免灯丝因骤冷或者骤热，而加速电子发射材料从灯丝剥落而造成电极寿命的缩短。

[0010] 本发明因为灯丝加热变压器次级线圈的寄生电感能够改变HCFL灯管的负阻特性，所以利用灯丝加热变压器能够使多个灯管同时并联工作，并保证灯管电流的平衡，能降低成本。

附图说明

[0011] 图1是HCFL的阴极结构；

[0012] 图2是常见的简单荧光灯灯丝加热电路；

[0013] 图3是常见用加热变压器灯丝加热电路；

[0014] 图4是常见灯丝加热电路中灯管电流的路径；

[0015] 图5是本发明灯丝加热电路中灯管电流的路径；

[0016] 图6是本发明灯管电流通路的等效电路；

[0017] 图7是本发明使用BJT做灯丝加热回路开关的实施例；

[0018] 图8是本发明使用MOS管做灯丝加热回路开关的实施例；

[0019] 图9是由RC电路组成的软启动示意图；

[0020] 图10是利用同一个灯丝加热变压器实现对多个HCFL的电极加热示意 图； [0021] 图11是并联HCFL通过变压器后接入AC电源的等效阻抗图；

[0022] 图12是多灯管的并联驱动示意图。

具体实施方式

[0023] 下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

[0024] 本发明热阴极荧光灯灯丝电流控制电路如图7及图8所示，该电路包括灯丝加热变压器1，灯丝加热变压器1包括一个初级线圈和至少一个次级线圈，还包括灯丝电流控制回路，灯丝电流控制回路包括功率开关2、控制逻辑3、多输入比较器4、电流控制开关5、振荡器OSC、基准电压源VREF、基准电流源IFER、初级线圈电流采样电阻R0、滤波电容C1、滤波电阻R1等器件。灯丝加热变压器1次级线圈两端分别同荧光灯的一个热阴极灯丝两端相连，荧光灯驱动电源A、B分别连接到相应灯丝加热变压器1次级线圈的中心抽头处；灯丝加热变压器1初级线圈一端同功率开关2输出端相连，另一端接一直流电源，功率开关2的反馈端同初级线圈电流采样电阻R0、滤波电阻R1相连，滤波电阻R1的另一端同滤波电容C1相连并连接到电流控制开关5，电流控制开关5接基准电流源IREF；初级线圈电流采样电阻R0用于探测功率开关中的电流及基准电流源IREF的电流，产生一个电压信号，该电压信号经过滤波电阻R1与滤波电容C1所构成的RC滤波器将其平均化形成开关电流的平均反馈信号FB电压，多输入比较器5根据基准电压源VREF信号、振荡器OSC产生的锯齿波(ramp)信号与平均开关电流的反馈信号FB电压，产生一个脉宽调制信号PWM，通过控制逻辑3(如RS触发器)控制功率开关2的动作，以稳定住功率开关2 流过的平均电流。稳定住功率开关2流过的平均电流可以稳定流过灯丝加热变压器1初级线圈的电流，进而稳定灯丝加热变压器1次级线圈的感应产生的灯丝加热电流。在本发明的电路中，由于荧光灯交流驱动电源从灯丝加热变压器1次级线圈中心抽头处接入给荧光灯供电，荧光灯灯管电流到达电极后在热阴极两端直接平均分成两部分流入灯丝加热变压器1次级线圈两端，然后经灯丝加热变压器1次级线圈中心抽头处流出，在灯丝上产生热的部分只有从热阴极灯丝中间流到两端的小部分电流，灯丝加热变压器的寄生电感能够使灯管电流在电极两端均匀流出，这样灯管电流在灯丝上所产生的热将非常低，灯丝发热的功率将由外部灯丝加热电流所控制，而从而有可能实现灯丝温度的精确控制，图5是本发明灯丝加热电路中灯管电流的路径。本发明中荧光灯灯管电流通路的等效电路如图6所示，ZHCFL为灯管阻抗，R4为热阴极灯丝中间流到两端的很小的一等效电阻，L4为灯丝加热变压器1次级线圈的两端到中心抽头处的电感。

[0025] 由于灯丝预热时所需要的电流跟正常工作时的电流不一样，通常需要预热电流足够大，以便于灯丝能够完全地加热，而正常工作时通常只需要比较小的电流，保持灯丝能够发射电子的温度，同时降低灯丝功率的消耗，节省电能，提高灯管的发光效率。预热与正常运行时候的灯丝电流控制如下：

[0026] ●预热灯丝电流控制

[0027] 此时电流控制开关5断开，功率开关的平均电流完全由VREF控制，功率开关的电流流经初级线圈电流采样电阻R0，产生一个脉冲电压，该电压经由R1和C1组成的RC低通滤波器(LPF)过滤成为一 个直流电压，当电路稳定时，该直流电压与VREF相等.此时，流过功率开关的平均电流为：IAVGPH＝VREF/R0；

[0028] ●正常运行灯丝电流控制

[0029] 此时电流控制开关5闭合，功率开关的平均电流由VREF跟IREF*R1的差值控制，这个时候功率开关的平均电流为：IAVGRUN＝(VREF-IREF*R1)/R0。电流控制开关5闭合后，IREF会经过电阻R1，R0流到地，并在这两个电阻上产生大小为VC＝IREF*(R0+R1)的压降，由于R0通常为数欧姆，而R1通常为数十K欧姆，因此该压降由R1主导，可以简化为VC＝IREF*R1，由于有VC的存在，当电流控制环路稳定时，R0流过的平均电流变化为：IAVGRUN＝(VREF-VC)/R0＝(VREF-IREF*R1)/R0。

[0030] 电流控制开关5的闭合可以实现灯丝电流的动态调节；基准电流的大小可以调控。

[0031] 本发明可以实现灯丝电流的软启动。可以利用RC滤波器和基准电流源IREF来实现灯丝电流的软启动。在灯丝控制电路工作之前，先以两倍于灯丝控制电路工作基准电流的电流将平均反馈信号FB电压充至基准电压VREF之上，此时脉宽调制信号PWM的占空比为0，再关闭该基准电流源IREF，此时，反馈信号FB电压将按对数关系下降，同时功率开关2的占空比将随时间逐渐增大，直至控制回路将功率开关2的电流稳定。软启动过程如图9所示。

[0032] 当软关断灯丝电流时，基准电流源以两倍于灯丝控制电路工作基准电流的电流向FB端点充电，这时侯反馈信号FB电压将按对数上升，同时 功率开关2的占空比也按同样时序减小，直至将开关完全关闭，实现灯丝电流的软关断。不同的RC值可以设定各种的软启动和软关断时间。

[0033] 由于HCFL灯管呈负阻特性，即电流越低，电压越高。HCFL的这一特性使得其不能直接并联工作，通常要平衡并联灯管的电流，都是采用外加扼流圈，来改变灯管的阻抗特性。在本发明中所采用的灯丝加热变压器1中，变压器的次级由线圈在磁芯上缠绕而成，该线圈会有一定的寄生电感，该寄生电感可以用来改变灯管的阻抗特性，使得实现多个HCFL灯管的并联工作，而不需要增加额外的扼流线圈。如图10所示为将多个灯丝加热线圈绕制于同一个灯丝加热变压器上实现对多组HCFL电极的加热，并实现多灯并联驱动。灯管加入灯丝加热变压器1的寄生电感接入交流电源中的等效电路如图11所示，灯丝加热变压器次级以抽头点为中心，从而该抽头到另外两抽头的寄生电感并联，在灯管的两端分别形成L1和L2两个寄生电感，此时灯管与该寄生电感串联的等效阻抗为：Zeq＝jω*(L1+L2)+ZHCFL。从上面方程可知:当L1+L2足够大、ω足够大(即AC电源的频率足够高)时，灯管的等效阻抗将由寄生电感在工作频率下的等效感抗所主导，使接入交流电源的荧光灯负载由负阻特性改变成为正阻特性，从而实现多个HCFL灯管的并联驱动。图12为多灯并联驱动的示意图。

[0034] 灯丝加热回路中的功率开关2采用MOS开关(如图8)或者BJT开关(如图7)，以实现对不同灯丝功率的要求。MOS开关管通常导通压降比较小，可以用于驱动大功率灯丝的镇流器，采用MOS管做功率开关管的灯丝加热回路，能够驱动灯丝加热变压器给多个HCFL电极加热；BJT开关管可以 用于驱动小功率灯丝的镇流器，因BJT管一般比相同工作电流的MOS管便宜，有利于降低成本。

[0035] 本发明热阴极荧光灯灯丝电流控制电路的灯丝加热变压器1由初级线圈和次级线圈所组成，初级线圈用来实现对变压器能量的输入，次级线圈用来实现对灯丝的加热。通过灯丝加热变压器1实现对灯丝的隔离温度控制，并利用其减弱灯管电流对灯丝的热影响。灯丝加热变压器1的次级线圈采用中心抽头，利用变压器的寄生电感来实现对灯管电流在灯丝上的平均分配，降低灯管电流在灯丝上所产生的热，以利于实现对灯丝电流的精确控制。

[0036] 本发明热阴极荧光灯灯丝电流控制电路减小了灯管电流在灯丝上的发热，实现了灯丝的温度主要由外部电路控制，而不受灯管亮度的影响。电流控制回路包含一个振荡器、多输入比较器、基准电压源、基准电流源、控制逻辑、功率开关和信号反馈回路以实现对灯丝电流的闭环控制，保证该电流在不同环境下的稳定，从而延长灯丝的使用寿命。 [0037] 电流反馈可采样功率开关2中流过的电流，也可采样变压器副边的电流。外部RC低通滤波器用于实现对灯丝加热变压器平均电流的探测以及灯丝电流的动态控制. [0038] 采用灯丝加热电流软启动及软关断方法，能让灯丝的温度能以较缓慢的速度上升或者下降，以避免灯丝因骤冷或者骤热，而加速电子发射材料从灯丝剥落而造成电极寿命的缩短。可以利用RC的响应时间的特点来实现功率开关管的软启动和软关断，可以利用RC低通滤波器和基准电流源来实现灯丝预热电流和正常运行灯丝电流的设定。

[0039] 本发明利用HCFL灯丝结构，通过外部电感分流灯管电流，减小灯管电流对灯丝温度的影响，使给灯丝加热的电流由外部控制电流主导。由振荡器、多输入比较器、RC滤波器组成的电路能够控制住变压器的初级平均电流，从而控制住灯丝温度。电流控制信号接口(电流控制开关5)允许输入PWM信号来实现灯丝平均电流的动态调节，利用有源控制技术，实现对灯丝电流的精确控制，最终实现灯丝温度的精确控制，从而延长灯管的使用寿命。 [0040] 利用灯丝加热变压器可以实现灯管电流平衡。灯丝加热变压器的寄生结构会使灯两端串连一个等效电感，通过控制该电感的电感量，可以增加灯管的阻抗，形成一个镇流电感，该寄生电感能够改变HCFL灯管的负阻特性，所以利用灯丝加热变压器能够使多个灯管同时并联工作，并还利用灯丝电流控制电路的寄生参数实现并联灯管的电流平衡，从而可简化多灯镇流器的设计节省成本。

[0041] 以上方法能够减小灯丝消耗的功率，稳定灯丝的工作温度，延长HCFL的使用寿命，同时由于灯丝消耗功率的稳定，本方法也有利于提高灯管的发光效率，能够简化驱动多灯的电子镇流器设计。