螢光燈(Fluorescent Lamp)因具有發光效率高、使用壽命長等優點，為現今使用最為廣泛的照明設備。但螢光燈管因內含汞等金屬，美國環保署(EPA)在西元1999年6月開始強制規定廢棄螢光燈管需回收或進行妥善處置，而我國也在民國86年開始推廣環保標章等標準，其中對於螢光燈管與如何延長螢光燈管的使用壽命之相關設備，都有相關的規格標準。因此，如何延長螢光燈管之使用壽命，為學者與業界人士之研究主題。螢光燈管內部之基本構造如（圖1）所示。

《圖一　螢光燈管基本構造》

《圖二　陰極燈絲放大圖(摘自Philips照明公司資料)》

螢光燈管內填充水銀蒸氣，管壁則塗上螢光化學物質，燈管兩端都有構造相互對稱的電極，電極是由很細的鎢絲繞至而成，一般以雙螺旋與三螺旋兩種設計常用，如（圖2）所示，其目的在增加燈絲長度，以塗佈更多燈絲塗被物質。該塗被物質大多屬於易於游離的電子的氧化物，如氧化鈣、氧化鋇、氧化鍶…等。當燈絲加熱到足夠的溫度時，可產生游離電子分布於燈絲附近，此時若在燈管兩端加上足夠的高的電壓，游離的電子受兩端所加電場的影響會產生電子電荷運動。高速運動的電子和管內的氣體原子相互撞擊，游離出更多的電子和離子，當這種現象達到某一定程度時，管內裝的水銀蒸氣將釋放出來肉眼無法看見的紫外線，紫外線再次激發管壁的螢光物質轉化成可見光[1-3]。因此電極上塗被物質的消耗速度，也決定了螢光燈管之使用壽命。由許多文獻與研究指出，影響電極上塗被物質的消耗速度的主要因素為以下幾點：

隨著電力電子之技術之進步，具有不閃爍、體積小、輕薄、高功因、可調光和無噪音等優點電子安定器已經漸漸地取代體積大、笨重、低功因、容易造成低頻閃爍與產生低頻嗡聲噪音等缺點的電感式安定器。但是，因電子安定器基本結構上，螢光燈管兩端皆需加裝一電容器幫助產生諧振電壓，所以在螢光燈啟動時接跨有一電壓，因而無法有效地消除熾光電流；在電路動作之設計上，也沒有考慮燈絲預熱溫度的影響，故嚴重的縮短螢光燈管之使用壽命。基於考量到螢光燈管之使用壽命與電子安定器之優點，本文提出一『零熾光電流預熱可控式螢光燈電子安定器』，具有控制燈絲預熱溫度與消除熾光電流之功能，更加有效地延長螢光燈管之使用壽命，為驗證本文所提之電路的可行性與優越性，本文最後完成一用於40W螢光燈管來驗証其功能，並與市售電子安定器比較。實驗結果顯示，本文所提之『零熾光電流預熱可控式螢光燈電子安定器』，具有延長螢光燈管之使用壽命之功能，並且保有習知電子安定器之調光、高功因、無噪音和無閃爍等優點，同時符合現今所探討的省資源和低污染的優點，可視為未來之設計趨勢。

基本原理

在上述影響螢光燈使用壽命之因素中，以燈絲預熱溫度與熾光電流影響之最嚴重，故本文設計一燈絲預熱溫度量測裝置與一熾光電流消除裝置，以改善螢光燈管之壽命。

燈絲預熱溫度量測裝置

螢光燈的電極燈絲屬於正溫度係數性，其溫度會隨著流過電流的大小、預熱時間長短改變。在使用時，通常希望將燈絲維持在適當溫度以利於電子釋放，所需的點火電壓也會較低，以利於燈管的使用壽命。燈絲預熱溫度過高或過低都會縮短燈管的使用壽命。此外，環境溫度也會影響啟動時燈絲的初始溫度，環境溫度越低相對地燈絲的初始溫度也越低，相對地預熱時間也要增加，才可使燈絲到達適當的溫度。根據螢光燈依照不同結構的設計，燈絲電阻差異頗大，且隨著溫度變化。電絲電阻與溫度的關係為（公式一）：

《公式一　 》

其中

Tc為室溫時的燈絲溫度(。K)

Th為已預熱時的燈絲溫度(。K)

Rc為T時的燈絲電阻(Ω)

Rh為T時的燈絲電阻(Ω)

由(公式一)可知，燈絲從室溫上升到1000°K，其電阻大約變為原來的4.5倍。若以一定值電流對燈絲預熱，燈絲溫度隨著時間而上升，電阻也隨著增加，導致燈絲兩端電壓上升，則（公式一）可寫為：

《公式二　》

其中

Vc為Tc時的燈絲電壓(V)

Vh為Th時的燈絲電壓(V)

由(公式二)可知，可直接量測燈絲兩端的電壓，就可得知該燈絲的預熱溫度，故可不需額外安裝任何的溫度感測元件，達到降低成本之目的。（圖一）為利用一定電流對燈絲作預熱動作時之燈絲兩端電壓與預熱電流波形，由（圖三）可看出，若以一定值電流對燈絲預熱，燈絲溫度隨著時間而上升，電阻也隨著增加，導致燈絲兩端電壓上升，直到燈絲發熱與環境散熱達到熱平衡，燈絲電阻值才不再增加，而趨於平坦。相對的，此時燈絲兩端電壓也成一定值。故可利用此燈絲之特性，使用一電壓量測裝置測量其燈絲兩端電壓大小，再依照此電壓大小推論其燈絲溫度，使每次點火時的燈絲溫度都到達所設定之溫度，以有效地避免冷觸發點火的情形發生，使燈絲上的塗被物質不會大量的被濺射消耗，有效地延長螢光管之使用壽命。

《圖三　預熱時燈絲兩端電壓與流過燈絲電流波形圖(ch1為流過燈絲的電流波形 / ch2為燈絲兩端電壓波形)》

熾光電流消除裝置

在近年研究發現，熾光電流(Glow Current)是決定螢光燈壽命最重要的因素。熾光電流是螢光燈產生穩定弧光電流之前的暫態現象，是電極燈絲電子濺射產生的不規則電流，從數個mA到十幾mA，確是造成燈絲黑頭的主要原因。當螢光燈啟動時，燈絲預熱溫度不足或預熱期間電極兩端有電壓存在，都會產生熾光電流。如（圖四）所示，其為熾光電流之示意圖。現今電子安定器之設計的重點都放在如何提高電路效率，往往忽略了在預熱期間因電極兩端電壓所產生的熾光電流。螢光燈電子安定器要完全消除熾光電流並不容易，其D類及E類共振換流器的電路裡，其螢光燈管兩端常有一電容器並聯，在預熱期間，其燈管跨有一電壓，故其熾光電流無法消除。

《圖四　熾光電流示意圖》

為了達到具有零熾光電流功能，本文在於串聯共振換流器電路架構中的電抗Zf兩端並聯一個開關SW，如（圖五）所示。當螢光燈尚未產生穩定弧光電流前，也就是電路在預熱模式期間時，使開關SW導通，使其燈絲兩端電壓為零，以達成熾光電流消除之功能，如（圖五a）所示。當燈絲預熱溫度到達設定值，則使開關SW截止，其營光燈管兩端就會應LCC電路產生一諧振點火電壓，使螢光燈點亮，如（圖五b）所示。

《圖五　 熾光電流消除裝置示意圖(a)預熱模式(b)點火模式》

重要貢獻

近年來，隨著半導體製程技術與國內IC設計技術的進步，微處理機的性能已大幅提升且價格大幅下降，使得微處理機大量應用在民生電子領域，因此採用微處理機來設計一高性能之螢光燈電子安定器變為可行，且具有優異的成本與性能競爭力。並且，對於上一章節所描述的本文電子安定器的功能，現今市售的螢光燈電子安定器之驅動控制晶片以無法滿足。基於電路成本與功能實現之原因，本文選用一微處理器取代電子安定器電路中的驅動控制晶片，以完成本文電路之優點：

1.具有量測與控制燈絲預熱溫度之功能，使螢光燈不會發生預熱不足或是預熱過度等問題，可降低點火電壓大小與減少點火次數，有效地降低燈絲塗被物質消耗速度，以延長螢光燈之使用壽命。

2.具有消除熾光電流功能，可有效地消除預熱期間之熾光電流流過燈管所造成的燈絲塗被物濺射，以延長螢光燈管之使用壽命。

3.保有習知電子安定器之不閃爍、體積小、輕薄、高功因、可調光和無噪音等優點。

設計原理分析

硬體部分

（圖六）為本文之零熾光電流預熱可控式螢光燈電子安定器的系統方塊圖，其由主動功因調整器、串聯共振式換流器、燈絲溫度量測器、熾光電流消除器、微處理器和調光介面所組成。微處理器是由盛群半導體公司所生產之微處理機HT46R24實現其功能。主動功因調整器為使用STMicroelectronics 所產之功因調整器L6561之相關電路實現其功能。串聯共振式換流器是以D類串聯共振式換流器架構實現其功能。燈絲溫度量測器是以運算放大器LM324組成一儀表放大器電路，與微處理器內部之類比/數位轉換器所組成。熾光電流消除器為一繼電器與微處理器之輸出埠所組成。調光介面是由一指撥開關與微處理器之輸入埠所組成。

《圖六　零熾光電流預熱可控式螢光燈電子安定器之系統方塊圖》

其整體動作原理如下：一開始，先由微處理器控制串聯共振換流器之切換頻率，以產生一高頻之正弦波至螢光燈管兩端，同時微處理器經由輸出埠控制熾光電流消除器導通，並開始經由類比數位轉換器讀取燈絲溫度量測器量測到燈絲兩端之電壓差，判斷燈絲溫度是否到達預設溫度，如果未到達預設溫度時，微處理器則繼續讀取燈絲兩端之電壓差。直到燈絲溫度到達預設溫度時，微處理器則控制熾光電流消除器為截止，並控制串聯共振換流器改變切換頻率，以產生一諧振點火高壓點亮螢光燈管。最後，微處理器經由輸入埠讀取調光介面所設定資料，控制串聯共振換流器之切換頻率，因而控制螢光燈管輸出之亮度，完成整個點亮螢光燈之動作。

軟體部分

（圖七）為微處理器HT46R24之程式流程圖。程式動作原理如下：程式一開始，先做程式初始化，設定輸入埠PB0為類比數位轉換器之輸入埠，輸出埠PD0與PD1為串聯共振式換流器之功率場效應電晶體的閘極驅動訊號輸出埠，輸入埠PA0、PA1、PA2、為調光介面之資料輸入埠。輸出埠PC0為控制熾光電流消除器之控制埠。設定計時器之TMRH與TMRL為預熱頻率並啟動計時器。當計時器發生中斷，則會跳到中斷副程式，改變輸出埠PD0與PD1，使串聯共振式換流器產生所需之切換頻率。主程式方面，則開始經由輸出埠PC0控制熾光電流消除器導通，再經由類比數位轉換器所讀取的輸入埠PB0之電壓，若轉換值小於設定值則繼續讀取；而若轉換值大於設定值，則設定計時器之TMRH與TMRL值，使輸出切換頻率改變，並同時經由輸出埠PC0控制熾光電流消除器截止。等螢光燈點亮後，便開始讀取輸入埠PA1、PA2、PA3之狀態，以控制計時器之TMRH與TMRL之值，輸出不同切換頻率達成調光之功能。

《圖七　控制器HT46R24之程式流程圖》

微處理器HT46R24之簡介

微處理器 HT46R24為盛群半導體公司所研發設計的A/D Type八位元單晶片微控制器(Microcontroller) HT46XX系列之一，其內部方塊圖如（圖八）所示。此系列IC採用COMS技術製造，具有低功率消耗、高執行速度的特性且可靠度高、故障率低、成本低廉、發展工具齊備，因此被廣泛地應用於工業產品、家用電器、玩具、消費類電子產品等。而本文使用微處理器HT46R24取代市面上電子安定器中的驅動控制晶片，以下為HT46XX系列之優點：

《圖八　微處理器HT46R24之內部方塊圖》 - BigPic:619x535

實驗結果比較

為了驗證本文所提之零熾光電流預熱可控式螢光燈電子安定器的可行性與優越性，本文實際製作一用於40W燈管之電路，並與市售電子安定器作比較。（圖九）為本文所提電路啟動時之燈管與燈絲兩端的電壓波形。由（圖九）所清楚地看到，本文所提之電路在預熱期間，其燈管兩端電壓為0V，亦可證明無熾光電流的產生。並且具有控制燈絲預熱溫度之功能，可降低點火電壓之大小與點火觸發次數，有效地延長螢光燈管壽命。而圖10為市售電子安定器之啟動時之燈管與燈絲兩端的電壓波形，由圖10可知，市售電子安定器在啟動時，為使用諧振高壓連續觸發螢光燈管之電極燈絲發射電子，使其螢光燈被點亮，並且過程中螢光燈管兩端始終都跨有一電壓，其熾光電流無法被消除。這些證據都代表了市售電子安定器會造成燈絲塗被物質消耗速度加快，造成螢光燈管使用壽命縮短。圖11為本文所提電路啟動時之流入燈絲兩端與流出燈絲兩端的電流波形，從圖11可清楚看出流入燈絲兩端之電流等於流出燈絲兩端之電流，故可再次證明本文所提電路在燈絲預熱期間無熾光電流的產生。

《圖九　本文所提之電路啟動時燈管與燈絲兩端電壓波形(ch1為燈管兩端電壓波形 / ch2為燈絲兩端電壓波形)》

《圖十　市售電子安定器啟動時之燈管與燈絲兩端電壓波形(ch1為燈管兩端電壓波形 / ch2為燈絲兩端電壓波形)》

《圖十一　圖11本文所提之電路啟動時流入與流出燈絲兩端的電流波形(ch1為燈絲兩端的流入電流波形 / ch2為燈絲兩端的流出電流波形)》

結論

根據以上實驗結果得知，本文成功研發一用於40W螢光燈管之『零熾光電流預熱可控式螢光燈電子安定器』，其具有控制燈絲預熱溫度與消除熾光電流等功能，可有效地延長螢光燈管之使用壽命，並且保有習知螢光燈電子安定器之優點。

（陳良瑞目前任職於國立彰化師範大學電機系，主要研究領域為電力電子與電路設計。朱能億目前就讀於國立雲林科技大學電機系碩士班，主要研究領域為電力電子。）

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文章後之資料:::

屬性(人物):::

屬性(產業類別):::RED

屬性(關鍵字):::MCU,安定器

屬性(組織):::盛群半導體

屬性(產品類別):::ELM

屬性(網站單元):::ZEIE