专利名称：直流荧光灯电路和灯管电极结构的设计方法
技术领域：
本发明提出一种直流荧光灯电路和灯管电极结构的设计方法，属电光源照明技术领域。
影响荧光灯使用寿命是一个十分复杂的物理化学过程，其中关键之一是荧光灯管电极放电时造成的灯丝上阴极材料的蒸发损耗和溅射损耗。这和荧光灯电路性能有关，也和灯管的电极结构有关。
目前使用的荧光灯电路有两种。
一种电路是灯管和电感元件串联使用，用启辉器启动荧光灯工作。电感元件在电路中起镇流作用，故称它为电感镇流器。通过灯管的电流是低频(在我国为50Hz)正弦交流电。我们日常上用的荧光灯多数是这种电路。这种电路正在被陶汰，因为它有严重的缺陷。首先，它严重损害荧光灯的使用寿命，荧光灯每次启动时，电路中的电压振荡使荧光灯管的灯丝电流超负荷，致使灯管寿命平均要下降1.7小时。荧光灯在工作时，电极极性不断交替变换。在电极极性变换的瞬时，灯丝周围没有阴极材料发射的热电子云的保护，易遭受到气体离子的轰击。加之，通过灯管的电流是低频正弦交流电，电极极性变化较慢，造成灯丝上阴极材料的溅射损耗加重。其次，电路中的振荡回路也是一种天线回路，荧光灯每次启动，其电路必定向四周发射无线电波，对附近许多电器造成干扰，甚至引发事故。第三，镇流器是由漆包线和硅铁片组成，工作时不仅发出嗡鸣声，造成噪声污染，而且镇流器要耗能，约占荧光灯的功率的20％。第四，电感镇流器笨重，成本高，而且启动性能差。
另一种电路是电子镇流器。它的基本原理早在五十年代已提出，国际上普遍采用电子镇流器只有十多年时间。我国华中理工大学还在1994年申请了高效节能电子镇流器国家专利[中国专利94243232、0.94243196.0]。电子镇流器具有一系列的优点，如荧光灯的光效率高，无闪烁，无音频噪声，启动电压低，不发射无线电波，可延长荧光灯管的使用寿命等。电子镇电器一般提供20-50kHz的高频方波交流电。灯管电极仍有极性变换，所以，由此造成的灯丝上阴极材料的溅射损耗仍然存在。另外，有一种理论认为荧光灯的光效率是随电流密度而下降的。使用高频方波交流电有较高的光效率，但要低于使用直流电[俞安琪《光源和照明》.1998.3.P44]。电子镇流器把简单的问题复杂化了。现在市场上的电子镇流器一般由20个左右分立电子元器件组成。电子元器件多不仅增加了成本，更为严重的是电子镇流器的质量与所组成的电子元器件的材料及其工艺水平有关，只要其中一个电子元器件的热稳定性差，均能使电子镇流器失效。据1998年质量抽捡统计。单端荧光灯管的合格率仅为56％，其中重要原因是电子镇流器的质量良莠不齐。
本发明的目的是要显著地提高荧光灯的使用寿命，确保荧光灯镇流器的优良性能和质量。
为实现本发明的目的所采取的措施是将交流荧光灯电路改为直流荧光灯电路，并对荧光灯管的电极结构进行适当的改造。
1．提出了一种直流荧光灯电路(见附图1)。电路出镇流元件、桥式整流器、直流启辉器和直流荧光灯管组成。镇流元件和桥式整流器合称为直流镇流器，它提供荧光灯管直流工作电压。但是它本身不能启动直流荧光灯管工作，必须配合直流启辉器启动直流荧光灯管工作。
2．开发了直流镇流器。直流镇流器由镇流元件和桥式整流器组成。镇流元件为电容元件，则称为电容直流镇流器；镇流元件为电感元件，则称为电感直流镇流器。电容元件成本低、体积小、重量轻，又不消耗电能。电容直流镇流器优于电感直流镇流器。但是，电容直流镇流器易受外界影响，必须同时采用其他措施，才能提供稳定的直流电，否则将影响荧光灯管的使用寿命。电感直流镇流器的最大缺点是笨重。必须指出，在直流荧光灯电路中，不存在振荡回路，所以电感直流镇流器不发射无线电波，也不产生嗡鸣噪声污染。
3．开发了一种直流启辉器。直流启辉器的结构如附图2所示，是由跳泡、电容和电阻组成。其中电容和电阻串联，组成延缓器。直流启辉器的工作原理如下直流荧光灯管如附图1所示联接到电路中，在启动的开始，灯管气体不导电。这时，直流镇流器输入电压为220伏，经整流器输出的直流电压为310伏，该电压值足以使启辉器中的跳泡导通，让电流流过灯丝。灯丝通电流升温，使灯丝上的阴极材料产生热电子，为灯管导通创造了基本条件。启辉器中的延缓器用来控制灯丝电位下降快慢和电流大小，使灯丝上阴极材料所发射的热电子在电场能获取足够的能量，激发灯管内的气体电离为导体，启动荧光灯管工作。灯管被导通，有电流通过镇流元件，使直流镇流器输出电压迅速下降，截止跳泡导电。如果，直流启辉器不包括延缓器，将可能出现极闪现象，形成焰火般的辉光放电，灯丝电流严重超负荷，灯丝上的阴极材料将迅速蒸发损耗掉。
直流启辉器中的延缓器和跳泡，也可以按图3置入电路，延缓器对直流电的波纹系数有一定程度的影响，因此，它也对直流荧光灯管的导电率有一定的影响。
4．直流荧光灯管如附图1所示联入电路。直流荧光灯管的两极是对称的。当其中一电极作为阳极使用时，电极的灯丝的两根脚均要接到整流器的正极。管内导线成为阳极的主体。所以直流荧光灯管要求管内的导线有适当大的表面。荧光灯管正常工作时，阳极不发热，电极的灯丝上的阴极材料既无蒸发损耗，也无溅射损耗。阳极起到了备用阴极的作用。也就是说，一根新的管式直流荧光灯管的两极可以分别作为阴极各使用一次。这是直流荧光灯能显著延长荧光灯管的使用寿命的基本原理。加之，直流荧光灯的灯管在工作时，电极没有极性变化，阴极灯丝的四周始终存在阴极材料发射的热电子云。这些热电云能截击向灯丝袭来的气体离子，降低气体离子的轰击所造成的阴极材料的溅射损耗。
直流荧光灯管和交流荧光灯管在结构上没有根本不同。其主要区别是灯管内气体的导电性能。气体导体的电阻率是与所通过的电流的性能有关，通过的电流是交流电时，其电阻率要大，通过的电流是直流电时，其电阻率则较低。开发直流荧光灯管应在现有的交流荧灯管的基础上进行。一般保持管流不变，适当地调整灯管的电阻(增加或缩短灯管的长度)。例如，H型9w节能荧光灯管通过50Hz正弦交流电时，灯管的电阻为640Ω，通过直流电时其电组为530Ω。适当增加灯管的长度，便其电组为555Ω。它就成为一根H型8w的节能直流荧光灯管。
5．提出了灯丝屏蔽电极结构。灯丝屏蔽荧光灯管的电极结构如附图4所示。屏蔽圈由两根导线支撑，其中一根导线引出作为电极的一根脚，灯丝悬挂在屏蔽圈上，由灯丝的中央引出一根导线作为电极的另一根脚。将灯丝屏蔽荧光灯管联入电路时，要把与屏蔽圈相通的一根脚分别接到整流器的正负极上。作为阴极，电极的另一根脚和直流启辉器连接。
提出屏蔽灯丝电极结构是基于以下理由1．电子从灯丝两端流入，再由灯丝上的阴极材料发射出去，较之电子从灯丝的一端流入，再由灯丝上的阴极材料发射出去，灯丝的温度分布均匀性能得到明显的改善。从而可以减少灯丝局部温度过高所造成的阴极材料的蒸发损耗。
2．在阴极中，屏蔽圈的电位压缩灯丝周围的热电子云朝灯管轴向伸展。增加了热电子云的厚度，提高了它对灯丝的保护能力。
3．在阴极中，屏蔽圈的电位最低，它能吸引一部分气体离子在它的表面放电，从而减少气体离子袭击灯丝表面的数量。
总之，在灯丝周围加一道屏蔽圈，可以进一步减少灯丝上阴极材料的蒸发损耗和溅射损耗。
与电子镇流器相比较，除具有类似优良性能外，本发明还达到以下技术效果1．荧光灯管的使用寿命予计要延长一倍左右。
2．电路结构简单，采用的电子元器件品种少且普通，其质量能得到保证。因此，可确保荧光灯质量，维修也十分简单。
3．直流荧光灯的阳极不发热，所以它更能节能。如果配合其他措施，采用电容直流镇流器，不仅可以降低荧光灯电路的成本，而且因为电容不耗能，荧光灯节能更多。
本发明是一项综合性技术，涉及一系列产品(直流荧光灯管，直流镇流器、直流启辉器)的开发和标准化、定价、权益分配、产业结构的调整、过剩生产能力的转移等问题。实施本发明的困难在于管理，要建立统一的直流荧光灯市场，必须有政府有关方面协调。同时，应组建一个经济实体，承担具体的业务工作。为此，我写了一份建议《组建一个知识经济企业开发经营直流荧光灯》。
图1是直流荧光灯电路示意图之一。图中1是镇流元件(电容或电感)；2是桥式整流器；3是直流启辉器；4是直流荧光灯管。
图2是直流启辉器组成图。图2中5是电容；6是电阻；7是跳泡。
图3是直流荧光灯电路示意图之二。
图4是屏蔽灯丝荧光灯管电极结构示意图之一。图4中8是灯丝；9是屏蔽圈；10是导线；11是灯管的外壳。
图5是屏蔽灯丝荧光灯管电极结构示意图之二。
实施例按上述设计方法进行了以下实验屏蔽灯丝荧光灯管为H型节能荧光灯管，由上海波力通照明有限公司按要求制作。灯管的电极结构如附图5所示。灯管的直流电阻为560Ω。荧光灯电路如图1所示。灯管两极的屏蔽圈的导线分别接到桥式整流器的正负极上。桥式整流器采用4只整流二极管1N4007DC，按常规连接。镇流元件为电感，其计算值为5.5H，实验使用普通直管8w荧光灯的镇流器。直流启辉器是由商品启辉器改装，即将2kΩ电阻与启辉器的电容串联。通电约1秒钟后，荧光灯管一次启动，阳极灯丝未有变化，不发热，也不发亮。阴极一端的弧光放电柱头和辉光放电的分界面十分清晰。辉光放电被限制在屏蔽圈的横切面之内，屏蔽圈与灯丝之间的电位差约为1伏。通过屏蔽圈的电流为6mA。灯管的管电流(包括屏蔽圈的电流)为0.12A。辉光放电最亮之处不在灯丝表面，离灯丝表面有明显的距离。
实验结果表明，本发明提出的设计方法是成功的。
权利要求
1．一种直流荧光灯电路和灯管电极结构的设计方法，其技术特征是电路由直流镇流器，直流荧光灯管和直流启辉器组成，让电网220伏交电流通过直流镇流器，提供直流荧光灯管工作电压，采用直流启辉器启动荧光灯管工作；
2．按权利要求1所述的一种直流荧光灯电路和灯管电极结构的设计方法，其技术特征是荧光灯管的电阻是指在通过直流电时的电阻，直流荧光灯管的标称功率是指灯管通过额定的直流电时所消耗的功率，直流荧光灯的电极结构可以是将灯丝悬挂在两根导线上，两根导线在管内部分应有适当大的表面积，也可以在灯丝的周围加一道屏蔽圈，使用时，灯管两极的屏蔽圈必须分别与直流镇流器的正负极相连接；
3．按权利要求1所述的一种直流荧光灯电路和灯管电极结构的设计方法，其技术特征是直流镇流器是由镇流元件和桥式整流器组成，镇流元件为电感元件，该镇流器为电感直流镇流器，镇流元件是电容元件，该镇流器为电容直流镇流器，直流镇流器系列产品必须和直流荧光灯管系列产品相对应；
4．按权利要求1所述的一种直流荧光灯电路和灯管电极结构的设计方法，其技术特征是直流启辉器是由跳泡、电容和电阻组成，配合直流镇流器启动直流荧光灯管工作。
全文摘要
本发明公开一种直流荧光灯电路和灯管电极结构的设计方法。直流荧光灯电路是由直流荧光灯管、直流镇流器和直流启辉器组成。让电网220伏交流电通过直流镇流器提供荧光灯管直流工作电压，用直流启辉器启动直流荧光灯管工作。直流荧光灯管工作时，阳极中的灯丝处在非工作状态，一根新的直流荧光灯管的两极可分别当作阴极各使用一次，所以直流荧光灯可以使荧光灯管的使用寿命延长一倍。直流镇流器和直流启辉器结构十分简单，具有电子镇流器类似的优良性能，但所需的电子元器件品种少，且十分普通，所以其质量有保证，并便于地维修更换。
文档编号H01J9/02GK1238658SQ99116330
公开日1999年12月15日 申请日期1999年1月29日 优先权日1999年1月29日
发明者杨克让 申请人:杨克让