节能可调光螺旋形CCFL球泡灯驱动电路的研制

南京化工职业技术学院自控系 冯 薇

我国是能源资源严重短缺的国家，新《节约能源法》使节约资源成为我国基本国策，“十二五”期间节能减排大范围展开，成为全社会参与的国事、大事。其中，照明节电具有重要意义。绿色照明的两大要点：一是节能，二是环保。CCFL是一种新型的气体放电灯，完全符合绿色照明的这两个要求。由于其寿命长、价格适中、色彩丰富、便于实现连续调光，越来越广泛应用于住宅照明、养殖业大棚照明等领域。

1.CCFL的特点和发展趋势

冷阴极荧光灯（Cold Cathode Fluorescent Lamp，简称CCFL）它具有色彩丰富、灯管体积小、重量轻、结构简单、低温时快速启动、表面温升小、亮度高、功效高、易加工成各种形状（直管形、L形、U型、环形等）、使用寿命长、显色性好、发光均匀等优点。CCFL同样的流明，耗电仅是白炽灯的10%一20%左右；与日光灯相比，光效略低，但寿命是日光灯的四至五倍，且灯管内的汞含量极低或彻底无汞，避免了汞蒸气的污染问题；与LED相比，显色性能好、无眩光，价格便宜。可见CCFL是一种高效、节能、环保的绿色光源，符合未来照明的发展趋势。

相比其它常用灯具，CCFL参数如表1。

CCFL过往常用于液晶屏背光源，由于体积小，灯管直径仅有3-4mm，可随意弯曲，寿命长，成本低，便于调光的特性，目前国际上主要有两大发展方向，一是以美国TCP公司为代表，自2006年起将CCFL螺旋调光灯广泛应用于家用照明和高档商业照明，直接替代可调光白炽灯具；二是以日本、德国为代表，利用CCFL调光特性、色温丰富、成本低的特点，广泛应用于绿色大棚、育种和家禽养殖领域，在不同的育种期或家禽生产期，不同的时间段进行调光，取得了大量成果。

冷阴极荧光灯与普通荧光灯类似，也具有负阻特性，典型的CCFL伏安特性曲线如图1所示。曲线分为启动阶段和工作阶段。在启动阶段，即供电电压小于启动电压Vstart（不同的灯管，Vstart不同，一般为800一1200V）时，灯管内的电流大小随电压的增大而增大。在工作阶段，即外加电压达到了灯的启动电压Vstart，灯则导通，两端电压立即降低，灯电流增大，呈现负阻特性。由于外接镇流器的限流作用，使灯电流稳定在额定值，并且灯两端的导通电压降（Vcon）也基本保持不变。灯的使用时间越长，环境温度越低，启动电压就越高；同一类型的产品，随着灯的直径的降低或者长度的增加，启动电压就越高；灯的直径越小，表面亮度就越强。对于不同的工作电流，其在特定频率时均为发光亮度最大。

螺旋型冷阴极荧光灯是直管CCFL的技术延伸，如图2所示：在螺旋灯管外配以球泡玻璃外壳，灯头处加装小巧的电子驱动器，光源可和普通白炽灯泡直接互换使用。

表1 多种灯具比较

图1 灯管伏安特性曲线

图2 螺旋型冷阴极荧光灯外形图

2.设计指标

本文设计一款可与白炽灯泡直接替换的螺口节能可调光螺旋形CCFL球泡灯，采用E27灯头，冷阴极荧光灯管长度为1020mm，单螺旋绕制8圈半，灯管内径为3mm，设计指标要求额定功率为9W，光效≥40Lm/W，功率因数，效率η≥0.92，寿命达到30000h。

3.电路设计

由于CCFL的负阻特性，当灯电流上升时，灯管的工作电压下降，但是供电电压不会下降，所以要使灯管正常工作，应配以镇流元件（镇流器），用以限制和稳定灯电流。常用的镇流方法有：电阻镇流、电感镇流、电容镇流、电子镇流。因为电子镇流器效率高、体积小、无闪烁、无噪声，便于智能控制，所以目前都基本采用电子镇流的方式。普通的电子镇流器由整流桥、储能电容、逆变电路、谐振电路组成，将低频的交流电通过整流转变为直流电，再经过逆变器变换为较高频率的交流电，由高频能量来驱动一只或几只灯管，使之启辉点亮并正常工作。

3.1 拓扑结构选择

图3 电路结构图

电子镇流器常用的拓扑结构主要有Royer拓扑、半桥拓扑、全桥拓扑、推挽拓扑。本设计选择半桥拓扑结构，因为半桥电路结构简单、高效、成本低，效率居中，特别适合于尺寸小巧、价格便宜的球泡灯使用。

3.2 调光方式选择

主要的调光策略有电位器调光、模拟调光、数字调光。由于本设计要实现与白炽灯的直接替换。现有的调光白炽灯大多数采用可控硅调光器，该调光器一般置于开关面板中。可控硅调光机理属于模拟调光，镇流器电路输入电压为缺角的正弦波，通过改变可控硅的触发角，移相控制灯管电流的有效值而达到调光的目的。灯管等效电阻大使得寄生电容所造成的温度计效应明显，会使灯管亮度不均匀，出现闪烁，调光范围受限于最小操作电流，所以要增加相位补偿电路。

3.3 电路结构设计

表2 T1规格数据表

本设计驱动电路由EMC控制电路、整流滤波电路、启动电路、高频振荡电路、相位补偿反馈电路、光输出电路等组成，电路结构见图3，电路原理图见图4。

从图4中可以看出，C2、C6、C7、R3、R4、R5构成启动电路；Q1、Q2、C3、C4、L4、T1构成高频振荡电路。D2、D4、C5、R6构成相位补偿反馈电路，由T2第3个反馈绕组提供反馈量，通过D2对C5进行充电，当低输入电压时，C5通过D4放电，消除在可控硅小导通角时灯光闪烁的问题。

图4 电路原理图

表3 T1规格数据表

图5 性能波形测试结果

3.4 变压器选择

根据计算和实际试验，最后确定变压器T1、T2选用选择EE型磁芯，T1为EE10，T2为EE19，磁芯材料选择国产的目前应用最为广泛的中高频段（100～500kHz）的优质材料LP3型Mn-Zn铁氧体。T1、T2具体绕制规格见表2、表3。

4.测试结果

使用远方CCFL测试仪对整灯进行测试的结果如图5所示。结果显示实际的电参数完全满足设计要求。整灯经受住10000次开关试验，全部8圈半灯管可以连续从1圈到8圈逐步点亮和关灭，调光过程中灯光变化均匀，没有闪烁，且经过老化后，合格率可以达到95%。

5.结论

本文介绍了一种新型9W的可调光CCFL球泡灯，它可以直接替代白炽灯，很好地配合传统可控硅调光器一起使用。批量生产时整灯电子镇流器材料成本约7元，加上灯管、灯罩、灯头等整灯原材料成本约14元。实际使用过程中寿命大都能达到3万小时。相对于白炽灯更节能环保，相对于普通节能灯能实现可靠调光，相对于LED灯便宜许多。加之10%～100%的大调光范围使它在节能方面可以发挥发挥很大的优势。因此随着国家绿色照明工程的实施，CCFL将有望进入普通家庭，逐步取代现有的白炽灯、日光灯、节能灯等用于普通照明领域。

[1]王海林.冷阴极荧光灯电子镇流器的分析与设计[D].大连:大连理工大学,2007.

[2]黄陆建.CCFL仿真及驱动电路的研究[D].南京:南京航空航天大学,2007.

[3]王元庆.CCFL的亮度特性及其驱动电路[J].液晶与显示,2004(3):202-206.

[4]厦门海莱照明有限公司.冷阴极调光灯[P].中国专利,200920137942.9,2010-02-10.