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荧光灯灯丝冷阻与管流的关系

摘 要 本文通过理论计算和实验测试两种方法，论述了荧光灯灯丝冷阻与管流的关系，结论为：一旦管流确定，灯丝冷阻也随之确定 。本文给出了管流与冷阻关系的测试方法和计算方法，并推导出了实用的计算公式，对于灯管灯丝冷阻的选择、电子镇流器匹配灯管选择都具有指导意义。
关键词： 荧光灯；灯丝冷阻；灯管电流；灯丝温度
0 引言：
在荧光灯生产、研发过程中，灯丝冷阻与管流的匹配关系是一个值得关注的问题，二者的匹配性能将会直接影响到灯的寿命、光效等重要指标，因此通过科学（理论计算和实验测验）方法找出二者的最佳匹配关系是很有意义的。
1 灯丝冷阻与灯管电流的定义
灯丝冷阻是指荧光灯灯丝在环境温度25℃时的电阻，除特殊说明外，一般指一条灯丝的电阻，这里用R25表示。灯丝冷阻可以用万用表，三用电桥，毫欧姆计等仪器测试出来，一般工厂冷阻误差控制在±5% 以内。灯管电流是指灯管点亮达到稳定状态后，仪器测试出来的流过灯管的电流，也叫弧光放电电流。
弧光放电电流两端与灯丝接触，接触位置产生最高温度，叫热点，见图中的黑点。每个灯丝都有一个热点，开始位于靠近阴极电流IK进入一端，和接扼流圈一端，在灯工作过程中，热点向灯丝电容一端慢慢移动，直到耗尽灯丝上面的电子粉，或者烧断灯丝；可见，灯丝温度分布是不均的。在灯管生产以及测试时，对灯丝施加的电流，和灯管工作时的实际电流相差不大，可以满足测试和计算需要。灯管出厂时，标称的灯管电流，简称管流，这里用ID表示.
电感镇流器环境下，灯管只有一个管流ID,电子镇流器环境下，灯管存在3个电流，除管流ID外，还有阴极电流IK,灯丝电流IS，如图所示。

数学表达式为IK*IK=ID*ID+IS*IS,即，阴极电流的平方，等于管流的平方，与灯丝电流的平方和。实际上，阴极电流IK是灯管电流ID的1.15倍左右。

2 管流与灯丝冷阻的关系
2.1 管流大小决定灯丝冷阻
灯管在出厂时，灯管有几个必须标称的电参数，即：灯功率、管流、灯丝冷阻等。例如，T5 -28瓦直管荧光灯，管流是0.17安，灯丝冷阻6欧姆。电子镇流器必须提供0.17安管流，不能太大，也不能太小。原因是，灯管点亮后，灯丝温度必须保持800℃---1050℃左右。这个温度，是阴极电流流过灯丝电阻提供的，此时，灯丝电阻已经不是环境温度25℃时的电阻，该阻值已经升高，称为热阻。灯丝热阻与灯丝冷阻相关，下面我们将论述热阻与热阻的关系。
目前,国内制作荧光灯灯丝的材料都是钨丝,如：某个工厂采用的钨丝，其温度系数是WS=0.00482倍/度，即灯丝温度每升高一度，灯丝电阻升高0.00482倍。当灯丝温度升高到800度时，灯丝电阻升高0.00482*800=3.9倍，物理学解释是，金属导体温度升高，电阻也升高。这是灯丝热阻和冷阻关系。
2.2 升阻比确定的意义
升阻比的确定使我们可以测试和计算出灯丝冷阻，它沟通了管流和冷阻联系。
如果设定灯丝冷态温度是T25，热态温度是T，冷阻是R25，热阻是RR，联系到钨丝的温度系数，由物理学定律推导出，
T=[RR/R25] * 260 — 235
导出灯丝升阻比公式；RR/R25=[T+235]/260
RR比R25
热态温度T（℃）
RR比R25
热态温度T（℃）
1.00
25
4.20
857
1.50
155
4.50
935
2.00
285
4.75
1000
2.50
415
5.00
1065
3.00
545
5.25
1130
3.50
675
5.50
1195
3.98
800
6.00
1325

当热态温度T改变时（温度从25℃一直升高到1325℃），某款灯丝的升阻比如上表，可见，灯丝热态温度1000℃时，升阻比是4.75.
目前许多荧光灯生产厂已经对灯丝冷阻（25℃时电阻）与热阻关系进行了研究，研究发现把灯丝制成标准灯后，在额定的阴极电流下，当热阻与冷阻之比为4时，灯丝温度在800℃左右。所以，部分厂家要求灯管正常工作时，（电子镇流器灯为导入阴极电流）热阻与冷阻之比≥4，但不能大于5.5倍。这是因为，如果热阻与冷阻比小于4，则灯丝热态温度偏低，会出现起动时阴极温度不够而欠热起动的不良现象，还会因为燃点时灯丝温度过低，而造成灯管频闪，阴极溅射严重，减少灯管寿命。如果热阻与冷阻比大于5.5，则灯丝热态温度偏高，起动虽没问题，但在燃点过程中会因为灯丝温度过高，而造成灯管光效降低，阴极热蒸发大，直接导致灯管寿命下降。
3 管流与灯丝冷阻的数学公式推导
灯丝温度是阴极电流IK,流过灯丝电阻产生的加热功率造成的，由于，阴极电流IK是灯管电流ID的1.15倍左右，采用灯管电流ID进行计算时，要乘1.15倍。假设对灯丝的加热功率为P, 环境25℃时灯丝冷阻为R25，当灯丝1000℃时灯丝热阻是RR，根据电工学定律， P=IK*IK*RR=1.15*1.15*ID*ID*RR=1.32*ID*ID*RR.
可见，灯丝加热功率与阴极电流平方成正比，与灯丝热阻成正比。
前面已证明，当温度为1000℃时灯丝热阻与冷阻之比是4.75，将RR=4.75*R25带入电工学定律公式中，P=6.3*ID*ID*R25，这样，灯丝加热功率与灯丝冷阻沟通了联系。
实验证明，当灯丝加热到1000℃，加热功率P是个确定值，这个确定值主要受灯丝体积影响，灯丝体积大，加热功率P也要大些。当灯丝体积确定时，加热功率P有就是一确定值，例如，T2体积的灯丝，加热功率P是1瓦, 由1=6.3*ID*ID*R25，推导出灯丝冷阻R25数学公式是：
R25=0.16比ID*ID. 即，灯丝冷阻等于0.16比灯管电流平方，其中，管流ID单位安，灯丝冷阻单位是欧姆。已知灯功率PD瓦特，和灯管电压VG伏特时，把ID=PD/VG,带入灯丝冷阻R25数学公式中，得到以下公式：

4 根据灯丝冷阻公式，计算灯管电参数

序号
光源类型
灯丝冷阻
灯管电流ID
阴极电流IK
预热电流倍数
整灯功率
1
T2 全螺
25欧
0.08A
0.095
1.5
5W
2
T2 全螺
22欧
0.086A
0.1A
1.5
8W
3
T2 3U
11欧
0.12A
0.153A
1.5
11W
4
T2 3U
8欧
0.14A
0.174A
1.5
14W
5
T2 全螺
13欧
0.11A
0.125A
1.5
15W
6
T3 4U
8欧
0.14A
0.173A
1.5
18W
7
T3 全螺
4欧
0.15A
0.18A
1.5
20W
8
T3 半螺
7欧
0.15A
0.18A
1.5
20W
9
T3 4U
7欧
0.15A
0.175A
1.5
20W
10
T3 半螺
4.3欧
0.19A
0.22A
1.5
23W

阴极电流IK是整灯实测值。整灯功率是灯管标称值。预热电流倍数是经验值，当灯丝冷阻和灯管电流符合计算公式规律时，预热电流是阴极电流IK的1.5倍，这样设计可以增加开关次数，延长灯的寿命。预热电流是荧光灯启动时，加在灯丝上面的电流，由电子镇流器控制调节。
灯管电流ID大时，所对应灯的功率大，计算出的灯丝冷阻小，例如，8瓦灯阴极电流IK是0.1安，计算灯丝冷阻22欧姆，而20瓦灯阴极电流IK是0.175安，计算灯丝冷阻7欧姆，这两组数据和大多数生产厂相近型号灯管的灯丝冷阻差不多，可以看出有一定的规律性。

5 管流与灯丝冷阻测试分析

第一步，接好测试电路。按图所示，采用合适的直流电源供电，（交流（50Hz）或高频(25KHz)以上等电源也可以），改变直流电源电压值，将流经灯丝的电流表读数，调整至额定阴极电流值IK,或者管流ID的1.15倍，这2个电流是灯管出厂时候给定的，如果没有给定，依据灯管功率做成整灯，测试这2个电流。读出电压表电压值V，就可以算出灯丝热电阻RR,
第二步，测试灯丝冷阻。灯丝冷阻R25，这个值是在室温时，用仪表测试出来的
第三步，计算灯丝热阻，RR=V/IK=V/1.15*ID.
第四步，计算升阻比，灯丝升阻比公式=RR/R25
如果升阻比等于4.75，则说明灯丝冷阻选择比较合格，如果升阻比比4.75小太多，则应该加大灯丝冷阻；如果升阻比比4.75大太多，则应该减小灯丝冷阻。

6 预热启动和灯点亮后对灯丝冷阻的要求是相互矛盾的

荧光灯预热启动时，如果灯丝冷阻较大，能得到较大加热功率P=IK*IK*R25，预热效果好，开关次数上升，所以预热启动一般要求灯丝冷阻大。但是，灯点亮后，灯丝温度可能会太高。一般来说，灯点亮正常工作时，灯丝温度要维持在1000℃左右，因此当冷阻一旦确定，就不能随意改动。可见，预热启动要求灯丝冷阻大，灯点亮后要求灯丝冷阻不能过大，是相互矛盾的。
没有延时预热电路时，荧光灯是冷启动，预热时间约0.1秒左右，预热电流是阴极电流的7倍左右，由于延时时间太短，灯丝预热温度不足，开关次数一般小于7000次。
有延时预热电路时，荧光灯预热启动，预热时间约0.8秒左右，预热电流是阴极电流的1.5倍左右，由于延时时间长，灯丝预热温度充足，开关次数一般大于30000次。
7 结束语
在实践中，灯管电流可以由电子镇流器进行小范围调整，管流大灯功率高，适合灯丝冷阻偏低的情况，管流小灯功率低，适合灯丝冷阻偏高的情况，一般灯功率控制在标称功率的85%-105%范围内。灯丝冷阻也可以在小范围内进行调整，但这个调整是以牺牲寿命为代价的。当选择的灯丝冷阻偏小时，灯丝温度较低，不能低于800℃，耗电小，效率高，低温低压启动特性好。当选择的灯丝冷阻偏大时，灯丝温度高，不能高过1100℃，开关次数多，电路稳定性提高，但是，耗电大，效率低，低温低压启动特性不好。
灯丝冷阻与管流的匹配选择，会直接影响到灯的寿命，因此这个规律的研究是很有必要的。冷阻与管流最佳匹配关系的计算公式，可以指导灯管生产厂正确的选择灯丝冷阻。