基于日光灯电子启辉器的设计与制作---毕业论文

1、【标题】基于日光灯电子启辉器的设计与制作 【作者】黄善勇 【关键词】日光灯电子启辉器设计电磁继电器 【指导老师】李金田 【专业】物理学 【正文】1绪论1.1电子启辉器行业背景及意义照明灯具是人们工作和生活的必需品，目前广泛应用在各个领域的各种照明灯具我们都称之为电光源产品。在所有的照明灯具中应用最广泛的主要有白炽灯与荧光类灯具二大类（特种灯具除外）。由于白炽灯相对于荧光灯（日光灯）来说效率较低。因此荧光类灯具实际上早已成为各领域照明灯具中的主流产品（如日光灯、节能灯、高压汞灯等使用镇流器推动的灯具都属于荧光类灯具）。我国目前有照明电器生产及其配套企业5000多家，年产各种白炽灯70亿只、汽车灯

2、8亿只、卤钨灯10亿只、荧光灯12亿只、高压气体放电灯1亿多只、各种荧光灯镇流器4.5亿只。众所周知，由于世界能源的日趋紧张，节能问题已涉及到政治、经济、文化、军事、社会等各个领域。鉴于此：美国于90年代初提出了“绿色照明”这一具有战略意义的全新概念，其主要内容就是将老式的电感式镇流器换成新式的电子式镇流器，将粗管径日光灯换成细管径日光灯以及将白炽灯泡换成紧凑型荧光灯等。从90年代起，世界其他各工业发达国家也都把普及、推广和应用节能型灯具作为“绿色照明工程”的主要课题并行成了热点。1992年，国务院将“电子镇流器”的研制与发展视为重点，并将其列入了国家“八五”计划的重要攻关项目中。以我国为例：

3、全国照明用电量约占全国总用电量的13左右，一年达1900亿千瓦时，相当于两个半三峡水电站的发电量。如果推广使用高效节能的新型电子式日光灯电子镇流启辉器，一年节电将达到380亿千瓦时，节省电费可达228亿元（美国这一数据高达960亿元人民币）1。1.2电子启辉器发展现状2008年中国启辉器行业发展迅速，产品产出持续扩张，国家产业政策鼓励启辉器产业向高技术产品方向发展，国内企业新增投资项目投资逐渐增多。投资者对启辉器行业的关注越来越密切，这使得启辉器行业的发展研究需求增大。2009-2012年是中国启辉器行业发展的关键时期，如图1.1所示。也是我国从“十一五”迈向“十二五”的过渡期，在全球金融危机

4、风暴大环境及国内严峻经济形势下，一系列新的政策将会陆续出台，对启辉器行业的发展必将产生重大影响；一批国家重大工程项目陆续开工建设，对启辉器行业需求市场必将产生极大的拉动作用。2008年11月5日国务院总理温家宝主持召开国务院常务会议，研究部署进一步扩大内需促进经济平稳较快增长的措施。会议确定了当前进一步扩大内需、促进经济增长的十项措施。初步匡算，实施上述工程建设，到2010年底约需投资4万亿元2。图1.1 20052012年中国启辉器行业产品产量走势预测1.3电子启辉器市场前景及规模照明灯具是国民经济发展和人民生活的必需品。随着国民经济的快速发展以及人民生活水平的不断提高，人们对各种照明产品的

5、需求也在日益增大。我国照明电器工业经过几十年的不断发展取得了显著的成绩，不但满足了国内市场的需求而且还大量出口满足了国际市场的需求。目前我国已经成为全球照明电器产品的最大生产基地。不仅如此，我国还是电光源产品的最大消费国：全国有3亿多个家庭用户；7000万家宾馆、饭店和娱乐场所用户；2000万家企事业单位用户；121万所大、中、小学用户以及数不清的商场、商店、桥梁、隧道等灯具消费大户。这些都为实施本发明专利产品提供了广阔而有力的市场保障。传统的启辉器有以下美中不足的地方：起动时间长，噪音大，起动时灯丝过热使得灯管的寿命缩短闪烁严重等等。虽然前两点，用电子镇流器能够解决问题，然而电子镇流器却又有

6、寿命短、易损坏的更严重的缺点。这样电子启辉器就应运而生了。经过严格的测试过的电子启辉器，能够全方位地解决以上所说的问题。以下从日光灯点亮过程来分析启辉器的作用和两种器件的异同34。1.4日光灯中启辉器工作原理现阶段日光灯的工作方式：（1）电感镇流器+氖泡启辉器+荧光灯（2）电感镇流器+电子启辉器+荧光灯（3）电子镇流器+荧光灯在绿色照明工程中，镇流器是一个极为重要的光源电器配件。它的发展受到许多方面的关注。是电子镇流器还是电感镇流器，这是各方面人士存在较大分歧的一个问题。如何选择镇流器可以根据表1.2做出判断。我们认为：根据这两类镇流器的原理、技术依据、历史发展和使用统计来看，小功率气体放电光

7、源（40w以下）应该坚持以电子镇流器为主，因为它节能效果明显，一体化程度高；而对于高强度气体放电光源（100w以上）目前还是应该以电感镇流器为主，因为它节能效果与电子镇流器相当，电路可靠度高5。1.4.1电感镇流器+氖泡启辉器+荧光灯日光灯主要由灯管、镇流器和启辉器组成。灯管的两端各有一个灯丝，管中充有稀簿的氩和微量水银蒸气，管壁上涂着荧光粉。灯管的工作原理和白炽灯不同，两个灯丝之间的气体在导电时主要发出紫外线，荧光粉受到紫外线的照射才发出可见光。荧光粉的种类不同，发光的颜色也不一样。气体的导电有一个特点：只有当灯管两端的电压达到一定值时气体才能导电，而要在灯管中维持一定大小的电流，所需的电压

8、却低得多。因此，如果把220v的电压加在灯管的两端并不能把它点燃。有了镇流器和启动器就能解决这个问题。镇流器是绕在铁芯上的线圈，自感系数很大；启动器由封在玻璃泡中的静触片和u形动触片组成，玻璃泡中充有氖气。两个触片间加上一定的电压时，氖气导电，发光、发热。动触片是用粘合在一起的双层金属片制成的，受热后两层金属膨胀不同，动触片稍稍伸开一些，和静触片接触。启动器不再发光，这时双金属片冷却，动触片形状复原，两个触点重新分开。闭合开关后电压通过日光灯的灯丝加在启动器的两端，启辉器如上所述发热触点接触冷却触点断开。在触点断开的瞬间，镇流器l中的电流急剧减小，产生很高的感应电动势。感应电动势和电源电压叠加

9、起来加在灯管两端的灯丝上，把灯管点燃。实际使用的启动器中常有一个电容器并联在氖泡的两端，它能使两个触片在分离时不产生火花，以免烧坏触点，同时还能减轻对附近无线电设备的干扰。没有电容器时启动器也能工作678。1.4.2电感镇流器+电子启辉器+荧光灯1.4.3电子镇流器+荧光灯图 1.4.3电子镇流器日光灯电路图1.5电子启辉器的特点及研究现状传统的日光灯所用的启辉器内的气体被电离，双金属电极片由于电离电弧电流加热后变形,与另一金属电极片短路，使镇流器线圈的电阻上有一个增大的电流，而它的电感成分则通过产生一个反向的感生电压，用以阻止电流的增加。随着时间的延长，电感上的电流越来越少。电流接近最大值。

10、此时，由于启辉器内的电离停止，它的温度降低，双金属的电极片恢复为原来的形状，电路断开，电流突然变小，这时镇流器的电感上则产生一个与原来电压方向相同的感生电压，以维系最大的电流，这个电压加在灯管的两端是原来220v的几倍，它便使得灯管内的气态的水银被电离，形成等离子体发射的紫外线使荧光粉发光，灯管点亮。日光灯管点后它两端的电压维持在90130v，亮度越高电压越低。这个起动过程一般情况下持续秒钟，如果电源电压偏低或日光灯管老化的话，起动时间还要长得多。从这个过程不难看出，如果能够缩短启辉器的起动时间，就能够减小无效的功率消耗，达到节能、快速点亮的目的。新生的两端器件电子启辉器的诞生，很容易地解决了

11、这一问题。电子启辉器它的第一个特点是封装形式灵活，可以根据用户的需求改变封装。它的第二个特点是启动速度快，使用传统的启辉器的日光灯起动慢，每个起动循环约为310秒钟，并且还不一定起动成功，有时还需要重复几次才能点亮。而电子启辉器的日光灯是每一个交流电周期起动一次，也就是说每秒能够触发50次，大大地提高了启辉速度，减少了灯丝过热时间，从接通电源开始，我们就能看到日光灯管已经发光了，只是亮度低而已，约 0.51秒后达到全亮。由于灯丝不是长时间地过热，所以能使日光灯管的使用寿命延长几倍到几十倍。第三个特点是类型新，还没有一种类似的器件问世。它不是简单的二极管，而是集成电路。它的触发导通电压现在设计在

12、200v左右，并且是单向的触发导通，另一向仍截止，这样在启辉过程中，交流电的正半波到来使它导通，是镇流器的储能过程，负半波时截止，是镇流器的释放能量过程，它产生的高压如果不足以点亮日光灯管的话，则在还没有完全释放所有的能量时下一个周期就来了，继续重复上述过程，直到日光灯管点亮。实际上，总起动过程约为1秒左右。在这个过程中灯管已经导通一半了，因而只是亮度低而已。一秒后完全激活,灯管点亮。这比起用传统的启辉器（俗称跳泡）作起动作器已经有了极大的改善，它没有闪动的过程，对人的眼睛和灯管的灯丝都有好处。第四个特点是它可以用等于或大于相当于两个100w功率的白炽灯并联代替镇流器，当点亮40w以上的灯时，

13、最好是将灯管接近导体灯架这样灯管点亮的时间能缩短很多，否则的话由于灯泡的分压过大，灯管点不亮。这时可以加大灯泡的功率，也就是减小它的电阻就能快速点亮。这种灯管和灯泡的组合连接，可用于大厅的豪华灯具的以及其它的组合照明。此时的白炽灯的亮度只相当于原来功率的1/4强。它的亮度作为白炽灯的陪衬，进行多个灯泡的艺术组合能产生既美观又实用，能有广泛的应用空间910。2产品的设计2.1设计方法（1）了解日光灯电子启辉器的原理；（2）查阅相关的电子启辉器的资料；（3）结合所学模拟电路与数字电路的知识设计出所需电路图；（4）用protel99se对设计出的电路图进行测试与分析。2.2设计原理图电子启辉器原理图

14、如附图所示电子启辉器的核心器件为微型电磁继电器k，其作用类似于普通启辉器的氖泡。压敏电阻器rv，限流电阻器r和储能兼滤波电容器c等，构成了k的自动控制电路。闭合荧光灯电源开关sa，220v交流电经过镇流器l，及灯管两头灯丝送人电子启辉器的两端。此时，因为输入电压高于rv的击穿电压120v，故rv击穿，有电流经晶体二极管vd半波整流、r限流和c滤波储能后，向k线圈提供足够的吸合电压。于是，k吸合，其触点发生转换，一方面，经vd整流后的半波脉动直流电通过灯丝，使灯丝预热。另一方面k线圈原来的供电回路被k的触点切断，k依靠c储能的电能保持吸合，约经不足1秒的时间，c两端降至k的释放电压0.9v以下，

15、k释放。k释放后、灯丝供电回路被触点切断的瞬间，l产生一个瞬时高电压400600v，加在已预热的灯丝两端，击穿灯丝内部电离子气体，激发灯管内壁的荧光粉发光，从而完成灯管的启动过程。灯管点亮以后，其两端正常工作电压下降至108v（40w灯管）至50v（6w灯管），远低于rv的击穿电压，故rv不在导通，整个电子启辉器不在工作，也不在耗电。电路中，由于通过灯丝的预热电流是通过vd整流后的直流脉动电流，所以较以往的交流电更加容易通过镇流器l给灯丝加热（气温低时效果显著），并且在k释放后更能使l产生较高的自感电动势，从而激发灯管快速启动发光。这样的好处可以有效避免在使用普通启辉器时，灯管在低气温、低电压

16、时候不能很快的启辉所形成的跳泡现象，减慢灯丝的老化速度，相应的使灯管的工作寿命延长。电路图如2.2。图 0.2电子启辉器原理图2.3元器件的选择（1）k选用jrc-21f/009-lz型超小型直流电磁继电器，他外观尺寸为15mm*10mm*12.2mm,可以直接焊接在电路板上，使用方便。该继电器的主要参数：额定工作电压9v，线圈电阻220欧姆。吸合电压75%，释放电压10%。（2）vd选用in4007型（最大整流电流1a，最高反响工作电压1000v）硅整流二极管rv。（3）r1采用标称电压120v、最大峰值电流100a的普通氧化锌压敏电阻器。（4）r2采用rtx-1/8w型碳膜电阻器。（5）c

17、1选用小体积的cd11-10v型的电解电容器。2.4元器件作用介绍2.4.1电磁继电器的工作原理和特性电磁继电器一般由电磁铁,衔铁,弹簧片,触点等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触

18、点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。2.4.2什么是压敏电阻“压敏电阻”是中国大陆的名词，意思是“在一定电流电压范围内电阻值随电压而变”，或者是说“电阻值对电压敏感”的阻器。相应的英文名称叫“voltage dependent resistor”简写为“vdr”,或者叫做“varistor”。压敏电阻器的电阻体材料是半导体，所以它是半导体电阻器的一个品种。现在大量使用的“氧化锌”（zno）压敏电阻器，它的主体材料有二价元素（zn）和六价元素氧（o）所构成。所以从材料的角度来看，氧化锌压敏电阻器是一种“-族氧化物半导体”。在中国台湾，压敏电阻器是按其用途来命名的，称为“突波吸收器”。压敏

19、电阻器按其用途有时也称为“电冲击（浪涌）抑制器（吸收器）”11。2.4.3压敏电阻电路的安全阀作用压敏电阻有什么用？压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值“un”时，流过它的电流极小，相当于一只关死的阀门，当电压超过un时，流过它的电流激增，相当于阀门打开。利用这一功能，可以抑制电路中经常出现的异常过电压，保护电路免受过电压的损害。2.4.4压敏电阻的应用类型不同的使用场合，应用压敏电阻的目的，作用在压敏电阻上的电压/电流应力并不相同，因而对压敏电阻的要求也不相同，注意区分这种差异，对于正确使用是十分重要的12。根据使用目的的不同，可将压敏电阻区分为两大类：保护用压敏电阻，电路功能

20、用压敏电阻。保护用压敏电阻。（1）区分电源保护用，还是信号线，数据线保护用压敏电阻器，它们要满足不同的技术标准的要求。（2）根据施加在压敏电阻上的连续工作电压的不同，可将跨电源线用压敏电阻器区分为交流用或直流用两种类型，压敏电阻在这两种电压应力下的老化特性表现不同。（3）根据压敏电阻承受的异常过电压特性的不同，可将压敏电阻区分为浪涌抑制型，高功率型和高能型这三种类型。浪涌抑制型：是指用于抑制雷电过电压和操作过电压等瞬态过电压的压敏电阻器，这种瞬态过电压的出现是随机的，非周期的，电流电压的峰值可能很大。绝大多数压敏电阻器都属于这一类。高功率型：是指用于吸收周期出现的连续脉冲群的压敏电阻器，例如并

21、接在开关电源变换器上的压敏电阻，这里冲击电压周期出现，且周期可知，能量值一般可以计算出来，电压的峰值并不大，但因出现频率高，其平均功率相当大。高能型：指用于吸收发电机励磁线圈，起重电磁铁线圈等大型电感线圈中的磁能的压敏电压器，对这类应用，主要技术指标是能量吸收能力。压敏电阻器的保护功能，绝大多数应用场合下，是可以多次反复作用的，但有时也将它做成电流保险丝那样的“一次性”保护器件。例如并接在某些电流互感器负载上的带短路接点压敏电阻。压敏电阻主要应用于瞬态过电压保护，但是它的类似于半导体稳压管的伏安特性，还使它具有多种电路元件功能，例如可用作：（1）直流高压小电流稳压元件，其稳定电压可高达数千伏以

22、上，这是硅稳压管无法达到的。（2）电压波动检测元件。（3）直流电瓶移位元件。（4）均压元件。（5）荧光启动元件。2.4.5保护用压敏电阻的基本性能（1）保护特性，当冲击源的冲击强（或冲击电流isp=usp/zs)不超过规定值时，压敏电阻的限制电压不允许超过被保护对象所能承受的冲击耐电压（urp）13。（2）耐冲击特性，即压敏电阻本身应能承受规定的冲击电流，冲击能量，以及多次冲击相继出现时的平均功率。（3）寿命特性有两项，一是连续工作电压寿命，即压敏电阻在规定环境温度和系统电压条件应能可靠地工作规定的时间（小时数）。二是冲击寿命，即能可靠地承受规定的冲击的次数。（4）压敏电阻介入系统后，除了起到

23、“安全阀”的保护作用外，还会带入一些附加影响，这就是所谓“二次效应”，它不应降低系统的正常工作性能。这时要考虑的因素主要有三项，一是压敏电阻本身的电容量（几十到几万pf），二是在系统电压下的漏电流，三是压敏电阻的非线性电流通过源阻抗的耦合对其他电路的影响。3产品的制作3.1制作原理与步骤(1)根据所设计的电子启辉器原理图画在protel99se上(2)对电路中的元器件进行封装(3)手工编辑元件的布局(4)自动布线(5)生成pcb(6)pcb打印输出(7)制作电路板3.2 protel 99 se软件简介与功能人类社会已进入到高度发达的信息化时代，信息社会的发展离不开电子产品的进步。现代电子产品

24、在性能提高、复杂度增大的同时，价格却一直呈现下降趋势，而且产品更新换代的步伐也越来越快，实现这种进步的主要因素是生产制造技术和电子设计技术的发展。前者以微细加工技术为代表，目前已进展到亚微米阶段，可以在几平方厘米的芯片上集成数千万个晶体管；后者的核心就是eda技术，eda是以计算机为工作平台，融合应用电子技术、计算机技术、智能化技术最新成果而研制成的电子cad通用软件包，主要能辅助进行三方面的设计工作：ic设计、电子线路设计和印制板设计。没有eda技术的支持，想要完成上述超大规模集成电路的设计制造是不可想象的，反过来，生产制造技术的不断进步又必将对eda技术提出新的要求。本次设计主要应用eda

25、技术中的印制板设计，采用的软件为protel99se。protel软件包是90年代初由澳大利亚protel technology公司研制开发的，应用于windows9x/2000/nt操作系统下的eda设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3d模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成原理图、印制板设计、可编程逻辑器件设计和电路仿真等，可以设计32个信号层，16个电源-地层和16个机加工层，公司网址为，用户如果需要进行软件升级或获取更详细的资料，可以到上述网站查询。protel99se中主要功能模块如下。（1）advanced schematic 99se（原理图设计系统）该模块主要用于电路原理图设计、原理图元件设计和各种原理图报表生成等。（2）advanced pcb 99se（印刷电路板设计系统）该模块提供了一个功能强大和交互友好的pcb设计环境，主要用于pcb设计、元件封装设计、报表形成及pcb输出。（3）advanced route 99se（自动布线系统）该模块是一个集成的无网格自动布线系统，布线效率高。（4）advanced integrity 99se（pcb信号完整性分析）该模块提供精确的板级物理信号分析，可以检查出串扰、过冲、下冲