一、发明所属技术领域：电子技术 二、现有技术与发明目的（原始电源均为50/60HZ单相220V制的交流市电）。
电光源中的荧光灯与白炽灯相比，具有电光转换效率高（50～60流明/瓦，白炽灯在20流明/瓦以下）、省电、寿命长（最高5000小时，白炽灯1000小时）、光色较好等优点，应用相当广泛。传统的荧光灯采用电感兼作启动与限流，电路较简，因而存在许多缺点，主要有以下五点：
1、启动性能差，在市电电压低和气温低时尤然，严重时不能启动，其应用因而受到限制。
2、光闪烁;其频率为市电频率的二倍（即100/120HZ）在有运动物体的工厂车间等场合不宜采用，也不宜作摄影、摄象的照明，对人的视力也有不良影响。
3、其亮度随市电电压的波动而大幅度的变化，且不能人为的调节。
4、无线电干扰严重：其干扰频谱相当宽，对收音机、电视机的令人生厌的干扰早已为人们所感受（尤其是干扰电波直接窜入天线，则无法消除），在生活和生产上大量使用电子设备、又同时大量使用荧光灯的现代社会，这种广泛的电磁污染应是一大缺点。
5、由于启动时灯丝即直热式阴极通电加热，故灯丝的衰老与断落直接决定着荧光灯的使用寿命，市电电压太高时，灯的寿命将明显缩短。如何保持和延长其使用寿命，是提高荧光灯性能的课题之一。
近年来，出现了应用电子技术的用高频电（频率为30～40KHZ）燃点荧光灯的技术方案（即用“电子镇流器”取代电感式镇流器和启辉器），部分地克服了上述缺点：由于高频交流电可以用串连谐振地方法进行升压，其启动性能大为改善，启动时间明显缩短;光闪烁的频率很高，其影响基本消除;但是亮度随市电电压而变化且不能人为的调节和无线电干扰严重等缺点仍然存在，不免差强人意。
用高低频交流电供电时，荧光灯在电原理上等效于两个具有负阻特性的充气式稳压二极管的反并连，并存在导通与截止的交替转换过程，即通过荧光灯的电流周期性的产生与中断，其无线电干扰总是存在的，只有采用直流供电才能根除，本发明提出了荧光灯的直流供电方案，在研究其伏安特性的基础上解决其技术细节问题，目的是全面地克服现有技术的上述缺点，并为进一步提高荧光灯的性能（效率、超载性能、使用寿命等）创造条件。
三、直流式荧光灯电子控制器的原理与实施。
（一）直流式荧光灯
用直流法测量（测量过程从略）了40W荧光灯在灯丝不通电加热时的伏安特性，附图1为其特性曲线示意图。ID、VD分别为灯电流、灯电压。a点为击穿电压，约1000V上下，电流20～30μA才能维持击穿（电离）状态，即b点，电压降约300V;此后电流增加，电压降也上升，C点最高，约400V（电流3～5mA）;过C点后电流增加，电压降下降，呈现出负阻特性。以上电流值、电压值因气温高低和荧光灯电性能的离散性而有相当大的波动。（交流供电时，附图1作为第一象限，另在第三象限有与第一象限对称的特性曲线）。
通电加热灯丝（这里是指接直流电源负极端的灯丝）产生热电子发射后，其伏安特性曲线左移，电压降降低，启动条件有所改善。但是，设想启动时间很短（例如1秒钟），由于热惰性，上述作用将来不及充分发挥。
不论灯丝通电加热与否，启动时灯的全导即灯电流上升至额定值或调定值，有一定的时间延迟：若气温高、触发功率大，则延迟时间极短，甚至肉眼来不及现察;反之为2～3秒（气温较低、触发功率较小时）。这个现象可以理解为建立灯管内的大范围的稳定的电离状态，须要吸取一定的能量：气温高时此能量小，气温低时此能量大（灯管内惰性气体、汞蒸气具有的分子动能及汞蒸气密度与气温大致上成正比）。
总之，荧光灯的启动条件是：足够高的瞬间电压（达击穿电压值），足够大的触发功率。只要满足了这两个条件，无论灯丝通电加热与否，也无论启动时施加的是低频或高频交流正弦波、交变脉冲波，还是直流脉冲波等，都是可以完成启动的，启动所需的时间则大致上反比于触发功率有效值和气温。
传统的电感式荧光灯和近年出现的高频式荧光灯，启动时灯丝均通电加热，目的是改善启动条件，在有限的触发功率的条件下缩短启动时间，但这只是一种辅助作用，并不是启动的不可缺少的条件，当用脉冲高压进行冷击穿、触发功率相当大时，这种辅助作用便变得无关重要了，而且灯丝不通电加热而完成启动，无疑将使使用寿命有相当程度的延长。以下的总体方案和实施例均放弃启动时灯丝通电加热的传统方法，而采用冷击穿的新方法。
在工作区域内，荧光灯等效于具有负阻特性的稳压二极管，即“电流主导型”器件，电流决定电压降，那么只能由直流电源提供受控的恒稳的直流电流（即恒流控制方式）从而有相应的电压降，而不能采用稳压的控制方式。如果亮度需要调节，受控的恒稳电流还应当是可以调节的。
荧光灯在工作区域内，同样大的灯电流，在不同的气温时，电压降和灯功率将有所变化;此外，在气温低于10℃、灯功率10～15W以下时，荧光灯会发生轻度光闪烁，这可以理解为在低气温时，小的功耗对建立灯管内的大范围的稳定的电离状态已显不足，前后文中的所谓“工作区域”即是指在设计与使用中调节灯电流，使灯功率稍大，脱离轻度光闪烁状态而进入稳定工作状态。以上两点在电路设计（如灯电流/功率调节范围）中要予以考虑。
直流供电的荧光灯即直流式荧光灯的启动与调控问题，用简单的电工技术是难以解决的，只有用电子技术才能全面与完满的解决之。
（二）直流式荧光灯电子控制器。
实现直流式荧光灯要解决以下主要技术问题：
1、直流电源
从电效率考虑，要采用电子技术中的开关式电源;由于荧光灯的功率较小（100W以下），采用调脉宽-开关式电源具有体积小、重量轻、用铜量和用钢量均小，输出纹波电压低等特点，优于其他类型的开关式电源。
2、主电路。
对于50/60HZ、单相220V制的交流市电，鉴于荧光灯的工作电压不高（手册值最高者108V），可使用串连馈电型调脉宽-开关式电源电路，它与并连馈电型调脉宽-开关式电源电路相比，具有峰流较小、峰压较低、输出纹波电压较低、电路较简、可靠性较高等优点，故优先采用。
在工作区域内，荧光灯等效于具有负阻特性的稳压二极管，电压降与电流成反比趋势变化（这里是指瞬态，排除灯管温升等缓变因素），且灯电流比灯电压的变化比率大得多，直流电源应能对灯电流加以稳定与控制，且可以在某种范围内进行调节（以调节其功率/亮度），故不能直接采用调脉宽-开关式稳压电源，而是将其变形-直流负反馈的误差放大级（亦称比较放大级、取样放大级），由对输出电压取样改为对输出电流即灯电流取样，从而得到“调脉宽-开关式恒流电源”，其取样可设计成可调式，该调节器即是灯电流/功率/亮度调节器。其调节范围按荧光灯的伏安特性和实际需要进行设计。
调脉宽-开关式电源有一个先决条件-其开关频率必须设法稳定，否则其稳压或恒流特性将失去保证，电视机中多用行频脉冲作同步，简单而有效，故这里必须单独设置“稳频级”作同步源，为频率的稳定计，至少是一级振荡一级功率放大，并且其电源电压要予以稳定。
3、启动问题
因为启动是放弃了传统的热电子发射辅助法而采用冷击穿法，故无须考虑灯丝的电源供给与切除电路，启动要解决的问题是：
（1）要提供足够高的瞬间高压（达荧光灯的冷击穿电压），在短时间内提供相当大的触发功率，以期能在1秒钟左右的时间内完成启动。
（2）稳态工作时荧光灯为直流供电，荧光灯由启动状态向稳态的转换要自动而简单。
（3）启动完成后启动部分应立即停止工作，相关的电子开关电路（不使用继电器等机械转换方式）要较为简单且比较容易插入和可靠的工作。
（4）稳态时，启动部分的另部件不得有明显的不良影响。
（5）接至荧光灯的电路中要便于插入高频滤波网路。
（6）启动部分在电路上要简单，另部件要少。
综合以上各项要求，采用一个高反压大功率开关三极管的高频率（数+KHZ）、大输出功率、基极定时、变压器反馈的自激式间歇振荡器，在振荡管截止期间输出直流脉冲电（经升压后），直接馈给荧光灯，其瞬间电压可自动升高到荧光灯的冷击穿电压达到冷击穿，灯电流增大时瞬间电压同步下降，即自动适应荧光灯的伏安特性，可以作到瞬间电流、瞬间功率、有效功率均相当大，以保证在1秒钟左右的时间内完成启动;在振荡管基极接一个控制三极管，当利用灯电流的产生使后者饱和时，振荡管将得不到足够的偏压而使振荡停止，从而完成电子开关的任务;荧光灯由直流脉冲电供电而自动转换为直流供电。
4、干扰的衰减
开关式电源不可避免的要产生谐波干扰即无线电干扰：可控硅整流在可控硅开通时，由于电流的跃升而激起高频振荡;“斩波式整流”（由本人在1986年提出，专利申请号86108440）在开关器件关断时，由于续流二极管的存储效应而不能及时导通也会激起高频振荡，调脉宽-开关式电源也是如此。总之，电流或电压的跃升而激起高频振荡，由于设备的功率相当大，故谐波的能量也相当大，干扰的频谱相当宽，其能量分布反比于频率，其干扰途径一是空间辐射，一是通过电力线路（在荧光灯中还有荧光灯管及其导线）的传导和再辐射。调脉宽-开关式电源的开关频率比可控硅整流或斩波式整流高两个数量级，故谐波干扰更为严重，所以要采取措施，对其进行足够的衰减，使其达到有关标准。其措施是采用屏蔽和在有关部位插入高频滤波网路。
必须指出，尽管直流式荧光灯采用调脉宽一开关式电源要产生谐波干扰，但与高低频交流电供电的荧光灯的灯电流周期性的产生与中断所产生的谐波干扰相比较，其能量要小得多，且可采取措施进行衰减，而后者则很难进行有效的衰减。
（三）实施例 40W直流式荧光灯电子控制器（文中简称控制器）。
电路图见附图2（图中画法和标记多数按国内标准，少数按国际惯例）。市电电压、桥式整流并经电容滤波后的电压、输出电压、灯电压、灯电流分别记作V0、V1、V2、VD、ID。灯功率pD＝VD×ID。
由BG1、BG4、BG5和开关变压器B2及有关元器件组成的主电路与自激式串连馈电型调脉宽一开关式稳压电源相近似，主要区别是误差放大管BG5的取样对象不是输出电压，而是输出电流即灯电流一ID通过R14、R15、R16、W等时产生电压降，经保护电阻R9馈入BG5基极，其集电极电流又是脉宽调整管BG4的基极电流，设ID增加，BG5、BG4的集电极电流也增加，BG1导通期缩短，迫使ID下降，反之亦然，这就构成了“调脉宽一开关式恒流电源”。C10滤除ID中的纹波成分。W是灯电流/功率/亮度调节器，它与R14、R15、R16等决定其调节范围，旋至最左端为最大，旋至最右端为最小。当W内部接触不良、滑动臂断路时，将引起BG5、BG4截止而使ID失控、可能烧毁BG1等，为此加接R17、R18，即使W滑动臂断路，BG5仍然处在线性工作状态。电源接通后，荧光灯导通前的瞬间，ID＝0，BG5、BG4均截止，V2将失控而升高，为此接入D9，此时V2将不超过160V。
BG1、B2和有关元器件的作用及其自激式间歇振荡过程同于自激式调脉宽一开关式稳压电源，从略。ID通过B4的4L1、4L2和R14、R15等将产生直流电压降，故VD比V2略低。
调脉宽一开关式电源的负载多为电阻性（晶体管电路也大致上属电阻性负载），现改为荧光灯作负载，运行机理将有所不同。串连馈电型调脉宽一开关式电源的主电路简化成附图3（a），开关管BG导通时，电流通过负载R，并同时给C充电，电流由最小值上升至最大值，其电流上升率主要受储能电感L所限制;BG截止时，L中的磁能转变为电能，通过续流二极管D向R提供电流，同时C也向R供电，电流由最大值下降至最小值，其电流下降率也主要为L所限制;C、R两端的电压VC、VR的波形与L的电流IL的波形基本相同。附图2的主电路简化成附图3（b），假定不接C，则荧光灯YD的灯电流ID与IL的波形相同（设启动已完成而进入稳态）;但由于工作区域内荧光灯的负阻特性，其灯电压VD与灯电流ID波形相反，即电流最大时电压最低，电流最小时电压最高。这就产生了两个问题：首先，如果接入C且容量相当大，由于ID最大时VD最低，此时VC也最低（因是并连），在BG关断、ID由最大值下降时VD反而上升，此时因VC较低而对YD起不到补充电流的作用，相反的却起着分流作用，如此C的接入致使YD的工作失常。实验中发现C的容量较大时，会产生严重的光闪烁，这意味着大容量电容与具有负阻特性的稳压二极管并连作负载并用负反馈调控时产生了超低频间歇振荡，故附图2中的C8仅用1微法。其次，当BG截止、L的电压反向、即将通过D向YD提供电流的瞬间，D因存储效应不能及时导通，（延时微秒级），将造成ID的瞬间中断，虽然这对YD的电光性能并无影响，但将造成干扰增大，有违于本发明的宗旨（荧光灯电流为不中断的直流电流），为此将感应量足够大的电感L0与YD串连，利用其储存的磁能转化为电能而使ID不致中断（C为其提供通路），度过续流二极管因存储效应而延迟导通的瞬间。附图2中的启动用脉冲变压器B4的4L1、4L2即可充当此任。
为了BG1间歇振荡的开关频率的稳定以保证其相关的恒流特性，设置“稳频级”作同步源，为防止负载（被吸取的同步功率）对其振荡频率的影响，用一级振荡、一级功放。采用电路简单、元器件少、温度稳定性好的单结晶体管驰张振荡器作振荡级（振荡过程从略），BG2的B1输出的正脉冲，直接激励功放管BG3，再通过B3作正极性输出，即C7放电时，BG3导通并饱和，通过B3的3L1的电流线性增长，3L2感应出正脉冲电压即为同步脉冲电压，考虑到稳定性，以R3、D7、C6组成的稳压电源供电。振荡频率约为15KHZ。
高反压大功率开关三极管BG6和脉冲变压器B4等组成一级大输出功率、基极定时、变压器反馈的自激式间歇振荡器作为启动级，振荡频率较高（约30KHZ）。BG6截止期间，在导通期间B4积蓄的磁能在4L1、4L2（4L2为升压绕组）感应出脉冲电压并与V2迭加，总数值升到荧光灯D的击穿电压时产生ID，ID瞬时值即急剧上升，电压降VD按荧光灯的伏安特性同步降低，这样一直到该磁能完全转化成电能在D内泄放完为止，其瞬时功率、有效功率都是相当大的;灯管吸取能量后，内部迅速建立起大范围的稳定的电离状态，即稳定导通状态，主电路便通过B4的4L1、4L2为荧光灯提供直流电流，启动即告完成。现场中可能发生控制器与荧光灯之间的连线断路或短路，为保护计接入快速熔断器RD2、压敏电阻R10。
BG7是BG6的控制管，其偏压取自ID在R14、R15上的电压降。接通电源后、荧光灯D导通前的瞬间，由于ID＝0，BG7截止，BG6将不受BG7的影响，以导通期与截止期大致相等的状态作间歇振荡，对D提供脉冲高压和触发功率;待启动完成、ID达调定值后，由于R14的接入，BG7的偏压至少比处于线性工作状态的BG5的偏压高约0.1V，即处于饱和状态，BG6将得不到足够的偏压而停振，荧光灯稳态工作时一直保持此种状态，即BG7、R13、R14的插入完成启动级的电子开关的任务。
稳态时，B4的4L1、4L2担任了前文所述的附图3（b）中的LO的作用。
调脉宽-开关式电源产生的谐波的能量分布反比于频率，其空间辐射的强度反比于距离的平方，电力线路对于较高频率谐波的传导也因距离的增加而急剧衰减，样机调试中，即使不用隔离罩、不插入高频滤波网路，对同处一室的电视机和短波收音机均无干扰。由于控制器一般安装在荧光灯附近，线路不长，对谐波的传导和再辐射作用较小，故衰减谐波的重点是电力线路（L2和B4的4L1、4L2）对通向荧光灯的导线进行高频滤波），后者作为长的传输线和大天线系统，对属于中波广播投（1MHZ上下）的谐波能传输得很远，再辐射作用也很强，为此附图2中在交流市电进线处插入感应量相当大的互感式高频阻流圈B1和电容C1、C2组成的高频滤波网路，这一点与彩电相同，但彩电中由于内部空间较大，布局上可将高频滤波的另部件安排得距开关电源较远，可避免感应作用;而控制器体积较小，结构紧凑，故将高频滤波等另部件（B1、C1、C2、K、RD1、B4、L2等）集中安装在一起，用一块铁板与其他部分隔离开，整个控制器则使用铁壳（兼有散热作用），由于二次屏蔽而避免感应作用。铁壳则同时具有防止谐波的空间辐射的屏蔽作用。此外，开关变压器B1的外表面包一层短路铜箔对谐波也有一定的衰减作用。
附图2中的R3、R14、R15为线绕电阻。B1的两个绕阻应具有总共约4Ω的直流电阻，如此可省去一个限流电阻。端子1、2和3、4分别为交流市电和荧光灯的接线端子。
根据附图2安装的样机的外形如附图4（顶视图），面板上部为灯电流/功率/亮度调节器W的尖头旋扭及功率刻度盘，下部为电源开关按键，底部为交流市电和荧光灯的接线端子1～4的接线盒，外形尺寸为150×95×50mm3（长×宽×高），垂直安装在荧光灯附近的墙壁等处。
样机的灯功率几乎不随Vo而变化，实测性能见下表。
Vo,V105150200250VD,V103103103103ID,mA401402402402Po,W41.341.441.441.4
其输出电流与彩电中的串连型调脉宽一开关式稳压电源的输出电压一样，在一定的市电电压范围内，几乎不随市电电压而变化。
测量条件：有机壳;气温26±0.5℃;测VD用DT831型数字万用表，测ID用MF10型万用表;开机预热1小时，从Vo＝105V开始（用3KVA园调压器调压），每两次测量间隔半小时。W在最大亮度位置。
漏电电压≤24V（用MF10型万用表50档在机壳与地线间测得），手背触机壳无感觉。
从附图4中，可以看出功率刻度是不均匀的，样机中W是用线性型电位器，若用对数型电位器将有相当程度的改善。
灯功率随气温的变化而有相当程度的漂移，并不是常数，灯功率调节范围大致上不窄于13～40W。灯功率若设计得小于10W时，显得暗淡无光，实用价值不大;并且如前文所述的，在气温低于10℃时，可能发生轻度光闪烁的不稳定状态，并使干扰性能恶化。其功率上限则受灯丝的限制一虽然这里启动时灯丝不通电加热，已不存在传统的热电子发射的作用，但在稳态时灯电流通过灯丝时产生电压降（灯丝有若干电阻值），消耗了一部份功率，表现为灯管两端比其他部位温度较高，甚至可以看见灯丝呈白亮状态，与在用直流法测伏安特性的实验中，单独用直流电源对灯丝供电时，灯丝在不同的电压/功率呈现出的红光或白光相比较，估计稳态时灯丝功耗共约4W，即占总功率的10%。实验中曾将ID提高到近1A（PD约100W），燃点一段时间后灯丝被烧断。这样就引伸出一个结论：既然在这里灯丝已失去了启动时产生热电子发射、改善启动条件、缩短启动时间的作用，而在稳态时又白白增加功耗、降低效率，不如放弃传统的制造方法，将其制成无电阻的屏板式电极，只起传导电流的作用，这样不但提高了效率，而且具有了电流超载性能，可以超（额定）负载运行一这时的功率大小只受荧光灯的负荷设计的限制。
四、发明与现有技术的比较
1、启动性能很好，一般情况下约1秒钟即可完成启动，感觉上按下按键灯即亮，相当接近于白炽灯的开灯即亮的状况。额定功率运行时的最低交流市电电压为105V，低于讫今为止所报道的最优记录。
2、由于是直流供电，所以绝对不存在光闪烁。
3、在一定的市电电压范围内（105～300V），亮度不随市电电压而变化，且可以人为地进行调节，这一方面可以满足人们尽善尽美的要求，同时还具有节电的意义（很多场合人们希望调小亮度），使其成为节能型产品。电费的节省对一次性投资较大将有所补偿。
4、由于荧光灯电流是不间断的恒定的直流电流，且控制器采取了屏蔽与高频滤波的措施，故谐波干扰减到了最低程度，若本发明推广使用，则可消除一个面积很广、影响恶劣的“荧光灯干扰网”，为消除电磁污染解决一大问题。
5、由于启动时灯丝不通电加热，故荧光灯的使用寿命有相当程度的延长。
以上五点克服了传统的电感式荧光灯和近年出现的高频式荧光灯存在的缺点。
6、前文中对灯丝的讨论，引伸出荧光灯两端作成屏板式电极的改进的制造方法，其结果是：可以简化制造工艺（无须涂复热电子发射用的活性物质），提高效率（无灯丝电压降），具有超载性能（屏板式电极比灯丝的电流负载能力强得多一当然控制器的功率容量和荧光灯的负荷设计也应适应之），极大地延长其使用寿命（不存在灯丝衰老与断落而造成寿命终结的问题）一其使用寿命可称之为准永久性的。总之，有可能使荧光灯技术有一个突破性的进步。
五、实现发明的最好方式
1、对于附图2中的C3、若能研制出耐压500V者，则可抗受交流市电的过电压达350V，现有的耐压400V、450V者尚不能足以应付此种极端情况。
2、若能研制出带按键开关的电位器在控制器中应用，即电源开关与亮度调节合用一个旋扭，将给使用带来方便。电位器最好是对数型的。
3、若能开发出性能参数并不恶化的塑封DF104系列产品，将简化控制器的机械设计，并能缩小其体积。
4、附图2中的RD2为小型快速熔断器，此种产品有待于生产厂家进行开发。
5、前文提出的荧光灯两端制成屏板式电极的新产品与本发明配合使用，将使本发明的特点能够充分发挥，各项性能将有较大的提高，荧光灯新产品应兼顾超载性能进行负荷设计。
6、实施例所以选用40W荧光灯，除了应用较广外，还因为其工作电压较其他品种为高（手册值108V，实测也在此数值上下），对于本发明最适用的调脉宽一开关式电源，占空比较大，峰流较小，对开关管的要求较低，输出纹波电压较低。若为了适应本发明而设计荧光灯新产品，应考虑上述情况。