萤光灯(Fluorescent Lamp)因具有发光效率高、使用寿命长等优点，为现今使用最为广泛的照明设备。但萤光灯管因内含汞等金属，美国环保署(EPA)在西元1999年6月开始强制规定废弃萤光灯管需回收或进行妥善处置，而我国也在民国86年开始推广环保标章等标准，其中对于萤光灯管与如何延长萤光灯管的使用寿命之相关设备，都有相关的规格标准。因此，如何延长萤光灯管之使用寿命，为学者与业界人士之研究主题。萤光灯管内部之基本构造如（图1）所示。

《图一 荧光灯管基本构造》

《图二 阴极灯丝放大图(摘自Philips照明公司数据)》

萤光灯管内填充水银蒸气，管壁则涂上萤光化学物质，灯管两端都有构造相互对称的电极，电极是由很细的钨丝绕至而成，一般以双螺旋与三螺旋两种设计常用，如（图2）所示，其目的在增加灯丝长度，以涂布更多灯丝涂被物质。该涂被物质大多属于易于游离的电子的氧化物，如氧化钙、氧化钡、氧化锶…等。当灯丝加热到足够的温度时，可产生游离电子分布于灯丝附近，此时若在灯管两端加上足够的高的电压，游离的电子受两端所加电场的影响会产生电子电荷运动。高速运动的电子和管内的气体原子相互撞击，游离出更多的电子和离子，当这种现象达到某一定程度时，管内装的水银蒸气将释放出来肉眼无法看见的紫外线，紫外线再次激发管壁的萤光物质转化成可见光[1-3]。因此电极上涂被物质的消耗速度，也决定了萤光灯管之使用寿命。由许多文献与研究指出，影响电极上涂被物质的消耗速度的主要因素为以下几点：

随着电力电子之技术之进步，具有不闪烁、体积小、轻薄、高功因、可调光和无噪音等优点​​电子安定器已经渐渐地取代体积大、笨重、低功因、容易造成低频闪烁与产生低频嗡声噪音等缺点的电感式安定器。但是，因电子安定器基本结构上，萤光灯管两端皆需加装一电容器帮助产生谐振电压，所以在萤光灯启动时接跨有一电压，因而无法有效地消除炽光电流；在电路动作之设计上，也没有考虑灯丝预热温度的影响，故严重的缩短萤光灯管之使用寿命。基于考量到萤光灯管之使用寿命与电子安定器之优点，本文提出一『零炽光电流预热可控式萤光灯电子安定器』，具有控制灯丝预热温度与消除炽光电流之功能，更加有效地延长萤光灯管之使用寿命，为验证本文所提之电路的可行性与优越性，本文最后完成一用于40W萤光灯管来验证其功能，并与市售电子安定器比较。实验结果显示，本文所提之『零炽光电流预热可控式萤光灯电子安定器』，具有延长萤光灯管之使用寿命之功能，并且保有习知电子安定器之调光、高功因、无噪音和无闪烁等优点，同时符合现今所探讨的省资源和低污染的优点，可视为未来之设计趋势。

基本原理

在上述影响萤光灯使用寿命之因素中，以灯丝预热温度与炽光电流影响之最严重，故本文设计一灯丝预热温度量测装置与一炽光电流消除装置，以改善萤光灯管之寿命。

灯丝预热温度量测装置

萤光灯的电极灯丝属于正温度系数性，其温度会随着流过电流的大小、预热时间长短改变。在使用时，通常希望将灯丝维持在适当温度以利于电子释放，所需的点火电压也会较低，以利于灯管的使用寿命。灯丝预热温度过高或过低都会缩短灯管的使用寿命。此外，环境温度也会影响启动时灯丝的初始温度，环境温度越低相对地灯丝的初始温度也越低，相对地预热时间也要增加，才可使灯丝到达适当的温度。根据日光灯依照不同结构的设计,灯丝电阻差异颇大,且随着温度变化。电丝电阻与温度的关系为(公式一):

《公式一 》

其中

Tc为室温时的灯丝温度(。K)

Th为已预热时的灯丝温度(。K)

Rc为T时的灯丝电阻(Ω)

Rh为T时的灯丝电阻(Ω)

由(公式一)可知，灯丝从室温上升到1000°K，其电阻大约变为原来的4.5倍。若以一定值电流对灯丝预热，灯丝温度随着时间而上升，电阻也随着增加，导致灯丝两端电压上升，则（公式一）可写为：

《公式二 》

其中

Vc为Tc时的灯丝电压(V)

Vh为H时的灯丝电压(V)

由(公式二)可知，可直接量测灯丝两端的电压，就可得知该灯丝的预热温度，故可不需额外安装任何的温度感测元件，达到降低成本之目的。 （图一）为利用一定电流对灯丝作预热动作时之灯丝两端电压与预热电流波形，由（图三）可看出，若以一定值电流对灯丝预热，灯丝温度随着时间而上升，电阻也随着增加，导致灯丝两端电压上升，直到灯丝发热与环境散热达到热平衡，灯丝电阻值才不再增加，而趋于平坦。相对的，此时灯丝两端电压也成一定值。故可利用此灯丝之特性，使用一电压量测装置测量其灯丝两端电压大小，再依照此电压大小推论其灯丝温度，使每次点火时的灯丝温度都到达所设定之温度，以有效地避免冷触发点火的情形发生，使灯丝上的涂被物质不会大量的被溅射消耗，有效地延长萤光管之使用寿命。

《图三 预热时灯丝两端电压与流过灯丝电流波形图(ch1为流过灯丝的电流波形 / ch2为灯丝两端电压波形)》

炽光电流消除装置

在近年研究发现，炽光电流(Glow Current)是决定萤光灯寿命最重要的因素。炽光电流是萤光灯产生稳定弧光电流之前的暂态现象，是电极灯丝电子溅射产生的不规则电流，从数个mA到十几mA，确是造成灯丝黑头的主要原因。当萤光灯启动时，灯丝预热温度不足或预热期间电极两端有电压存在，都会产生炽光电流。如（图四）所示，其为炽光电流之示意图。现今电子安定器之设计的重点都放在如何提高电路效率，往往忽略了在预热期间因电极两端电压所产生的炽光电流。萤光灯电子安定器要完全消除炽光电流并不容易，其D类及E类共振换流器的电路里，其萤光灯管两端常有一电容器并联，在预热期间，其灯管跨有一电压，故其炽光电流无法消除。

《图四 炽光电流示意图》

为了达到具有零炽光电流功能，本文在于串联共振换流器电路架构中的电抗Zf两端并联一个开关SW，如（图五）所示。当萤光灯尚未产生稳定弧光电流前，也就是电路在预热模式期间时，使开关SW导通，使其灯丝两端电压为零，以达成炽光电流消除之功能，如（图五a）所示。当灯丝预热温度到达设定值，则使开关SW截止，其营光灯管两端就会应LCC电路产生一谐振点火电压，使萤光灯点亮，如（图五b）所示。

《图五 炽光电流消除装置示意图(a)预热模式(b)点火模式》

重要贡献

近年来，随着半导体制程技术与国内IC设计技术的进步，微处理机的性能已大幅提升且价格大幅下降，使得微处理机大量应用在民生电子领域，因此采用微处理机来设计一高性能之萤光灯电子安定器变为可行，且具有优异的成本与性能竞争力。并且，对于上一章节所描述的本文电子安定器的功能，现今市售的萤光灯电子安定器之驱动控制晶片以无法满足。基于电路成本与功能实现之原因，本文选用一微处理器取代电子安定器电路中的驱动控制晶片，以完成本文电路之优点：

1.具有量测与控制灯丝预热温度之功能，使萤光灯不会发生预热不足或是预热过度等问题，可降低点火电压大小与减少点火次数，有效地降低灯丝涂被物质消耗速度，以延长萤光灯之使用寿命。

2.具有消除炽光电流功能，可有效地消除预热期间之炽光电流流过灯管所造成的灯丝涂被物溅射，以延长萤光灯管之使用寿命。

3.保有习知电子安定器之不闪烁、体积小、轻薄、高功因、可调光和无噪音等优点​​。

设计原理分析

硬体部分

（图六）为本文之零炽光电流预热可控式萤光灯电子安定器的系统方块图，其由主动功因调整器、串联共振式换流器、灯丝温度量测器、炽光电流消除器、微处理器和调光介面所组成。微处理器是由盛群半导体公司所生产之微处理机HT46R24实现其功能。主动功因调整器为使用STMicroelectronics 所产之功因调整器L6561之相关电路实现其功能。串联共振式换流器是以D类串联共振式换流器架构实现其功能。灯丝温度量测器是以运算放大器LM324组成一仪表放大器电路，与微处理器内部之类比/数位转换器所组成。炽光电流消除器为一继电器与微处理器之输出埠所组成。调光介面是由一指拨开关与微处理器之输入埠所组成。

《图六 零炽光电流预热可控式荧光灯电子安定器之系统方块图》

其整体动作原理如下：一开始，先由微处理器控制串联共振换流器之切换频率，以产生一高频之正弦波至萤光灯管两端，同时微处理器经由输出埠控制炽光电流消除器导通，并开始经由类比数位转换器读取灯丝温度量测器量测到灯丝两端之电压差，判断灯丝温度是否到达预设温度，如果未到达预设温度时，微处理器则继续读取灯丝两端之电压差。直到灯丝温度到达预设温度时，微处理器则控制炽光电流消除器为截止，并控制串联共振换流器改变切换频率，以产生一谐振点火高压点亮萤光灯管。最后，微处理器经由输入埠读取调光介面所设定资料，控制串联共振换流器之切换频率，因而控制萤光灯管输出之亮度，完成整个点亮萤光灯之动作。

软体部分

（图七）为微处理器HT46R24之程式流程图。程式动作原理如下：程式一开始，先做程式初始化，设定输入埠PB0为类比数位转换器之输入埠，输出埠PD0与PD1为串联共振式换流器之功率场效应电晶体的闸极驱动讯号输出埠，输入埠PA0、PA1、PA2、为调光介面之资料输入埠。输出埠PC0为控制炽光电流消除器之控制埠。设定计时器之TMRH与TMRL为预热频率并启动计时器。当计时器发生中断，则会跳到中断副程式，改变输出埠PD0与PD1，使串联共振式换流器产生所需之切换频率。主程式方面，则开始经由输出埠PC0控制炽光电流消除器导通，再经由类比数位转换器所读取的输入埠PB0之电压，若转换值小于设定值则继续读取；而若转换值大于设定值，则设定计时器之TMRH与TMRL值，使输出切换频率改变，并同时经由输出埠PC0控制炽光电流消除器截止。等日光灯点亮后,便开始读取输入埠PA1、PA2、PA3之状态,以控制计时器之TMRH与TMRL之值,输出不同切换频率达成调光之功能。

《图七 控制器HT46R24之程序流程图》

微处理器HT46R24之简介

微处理器 HT46R24为盛群半导体公司所研发设计的A/D Type八位元单晶片微控制器(Microcontroller) HT46XX系列之一，其内部方块图如（图八）所示。此系列IC采用COMS技术制造，具有低功率消耗、高执行速度的特性且可靠度高、故障率低、成本低廉、发展工具齐备，因此被广泛地应用于工业产品、家用电器、玩具、消费类电子产品等。而本文使用微处理器HT46R24取代市面上电子安定器中的驱动控制晶片，以下为HT46XX系列之优点：

《图八 微处理器HT46R24之内部方块图》 - BigPic:619x535

实验结果比较

为了验证本文所提之零炽光电流预热可控式萤光灯电子安定器的可行性与优越性，本文实际制作一用于40W灯管之电路，并与市售电子安定器作比较。 （图九）为本文所提电路启动时之灯管与灯丝两端的电压波形。由（图九）所清楚地看到，本文所提之电路在预热期间，其灯管两端电压为0V，亦可证明无炽光电流的产生。并且具有控制灯丝预热温度之功能，可降低点火电压之大小与点火触发次数，有效地延长萤光灯管寿命。而图10为市售电子安定器之启动时之灯管与灯丝两端的电压波形，由图10可知，市售电子安定器在启动时，为使用谐振高压连续触发萤光灯管之电极灯丝发射电子，使其萤光灯被点亮，并且过程中萤光灯管两端始终都跨有一电压，其炽光电流无法被消除。这些证据都代表了市售电子安定器会造成灯丝涂被物质消耗速度加快，造成萤光灯管使用寿命缩短。图11为本文所提电路启动时之流入灯丝两端与流出灯丝两端的电流波形，从图11可清楚看出流入灯丝两端之电流等于流出灯丝两端之电流，故可再次证明本文所提电路在灯丝预热期间无炽光电流的产生。

《图九 本文所提之电路启动时灯管与灯丝两端电压波形(ch1为灯管两端电压波形 / ch2为灯丝两端电压波形)》

《图十 市售电子安定器启动时之灯管与灯丝两端电压波形(ch1为灯管两端电压波形 / ch2为灯丝两端电压波形)》

《图十一 图11本文所提之电路启动时流入与流出灯丝两端的电流波形(ch1为灯丝两端的流入电流波形 / ch2为灯丝两端的流出电流波形)》

结论

根据以上实验结果得知，本文成功研发一用于40W萤光灯管之『零炽光电流预热可控式萤光灯电子安定器』，其具有控制灯丝预热温度与消除炽光电流等功能，可有效地延长萤光灯管之使用寿命，并且保有习知萤光灯电子安定器之优点。

（陈良瑞目前任职于国立彰化师范大学电机系，主要研究领域为电力电子与电路设计。朱能亿目前就读于国立云林科技大学电机系硕士班，主要研究领域为电力电子。）

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