
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1、EEFL放電原理的分析一、前言 EEFL是外置電極熒光燈(External Electrode Fluorescent Lamp)的簡(jiǎn)稱,其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是燈管內(nèi)部沒(méi)有安放電極,玻管內(nèi)除充有工作氣體及內(nèi)表面涂有熒光粉層之外,可以說(shuō)是根“空管”。EEFL玻管兩端的外表面包裸了一層導(dǎo)電層或金屬套管,形成對(duì)燈管放電有重要影響的外電極,EEFL的名稱亦由此而來(lái)。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 圖1. EEFL的基本結(jié)構(gòu)示意圖1玻管2三基色熒光粉層3外電極4工作氣體(Ne、 Ar 、 Hg混合氣)中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 為了對(duì)EEFL的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)有比較直觀的了解,讓我們先做幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。取
2、一根直徑3mm的玻管,經(jīng)過(guò)正常排氣工藝并充入80乇氖氣之后封離下來(lái),看起來(lái)這確是一根干凈明亮的“空”玻管。在此透明玻管的兩端,緊貼玻管外表面包裹一層鋁箔,然后將這玻管兩端的鋁箔與冷陰極熒光燈CCFL逆變電源的輸出端相連,當(dāng)電源開(kāi)關(guān)一開(kāi),便立即點(diǎn)燃了玻管內(nèi)的氖氣放電而發(fā)出明亮的紅光,如同一根細(xì)管霓虹燈。其實(shí),可以說(shuō)這就是一根外置電極霓虹燈。如果將上述玻管內(nèi)的充氣換成Ne、 Ar、 Hg混合氣,且在玻管內(nèi)壁涂敷一層熒光粉層,則上述的外置電極霓虹燈就變成了外置電極熒光燈EEFL了。將相應(yīng)的CCFL逆變器電源的輸出端與其外電極相連,就可以像CCFL一樣點(diǎn)燃而發(fā)光。事實(shí)上,任何一只熒光燈,在玻管兩端外表
3、面包上導(dǎo)電層而形成外電極之后,都構(gòu)成了某種類型的EEFL,都能用輸出13千伏的高頻電源點(diǎn)亮。由此可見(jiàn),EEFL其實(shí)與我們之間的距離是如此的接近!通過(guò)上述,使我們切實(shí)地感覺(jué)到了EEFL的第一個(gè)突出的特點(diǎn),那就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝簡(jiǎn)便、成本較低。EEFL第二個(gè)突出的特點(diǎn)是電性能方面的,那就是EEFL燈管可以直接并聯(lián)使用,即直接并聯(lián)燃點(diǎn)。當(dāng)需要同時(shí)點(diǎn)亮多根EEFL時(shí)(如LCD彩色電視的直射式背光源),往往只需要用一只高頻驅(qū)動(dòng)電源就可以直接點(diǎn)亮數(shù)只至數(shù)十只EEFL,因而使用十分簡(jiǎn)便且成本較低。須知,幾乎所有的氣體放電燈都不能直接并聯(lián)使用,難得EEFL給我們?nèi)绱说谋憷?!除上述之外,不少資料報(bào)導(dǎo)EEFL還具有
4、比CCFL更高的亮度與更長(zhǎng)的壽命,因而認(rèn)為EEFL是CCFL技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物,是二十一世紀(jì)初興起的并即將取代CCFL的新光源。EEFL果真比CCFL價(jià)廉物美而即將取代CCFL嗎?從近幾年的實(shí)際發(fā)展情況看,目前還并非如此。盡管人們對(duì)EEFL極有興趣與期盼,試制與試用EEFL的企業(yè)也確實(shí)不少,但至今還處于試用階段,其產(chǎn)銷量遠(yuǎn)不能與CCFL相比。為什么呢?是因?yàn)槲覈?guó)EEFL產(chǎn)品的性能一致性與穩(wěn)定性還不夠好,尤其是EEFL對(duì)其配套的高頻驅(qū)動(dòng)電源要求較高,現(xiàn)有產(chǎn)品中很多滿足不了使用要求而不能正常使用。因此,目前EEFL的發(fā)展面臨著燈管與配套電路兩方面的技術(shù)都需要進(jìn)一步提高的問(wèn)題。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文
5、3;電光源 二、EEFL的放電原理EEFL結(jié)構(gòu)如此簡(jiǎn)單、點(diǎn)亮如此容易、直接并聯(lián)使用是如此的方便,使得人們一接觸它就萌生興趣,想要問(wèn)個(gè)究竟,加之當(dāng)前提高EEFL性能的任務(wù)迫在眉睫,因此,切實(shí)弄清EEFL的放電原理的研究已不容回避。只有正確認(rèn)識(shí)EEFL中氣體放電的基本過(guò)程,從基本概念出發(fā)來(lái)改進(jìn)EEFL的結(jié)構(gòu)與工藝,才會(huì)收到好的成效??墒?,在所看到的有關(guān)EEFL的論文資料中,談及EEFL的放電原理時(shí)總是一帶而過(guò),只有幾句籠統(tǒng)的話,沒(méi)有比較確切的分析與論述。例如,有的只提及屬于電磁感應(yīng)無(wú)極放電,那就是說(shuō)與人們熟知的無(wú)極熒光燈一樣,這顯然有誤。因?yàn)镋EFL不可能有很強(qiáng)的高頻磁場(chǎng)通過(guò)燈管而能夠感應(yīng)產(chǎn)生足以
6、點(diǎn)燃放電的高頻電場(chǎng);有的提到是高頻電場(chǎng)通過(guò)EEFL外電極與管壁電容的耦合輸入燈管而引起管內(nèi)氣體放電,屬于高頻無(wú)極放電;有的認(rèn)為是加于外電極的高頻電壓通過(guò)玻璃介質(zhì)而產(chǎn)生的氣體放電,屬于介質(zhì)阻擋層無(wú)極放電等等。根據(jù)“凡電極不暴露在電離氣體中的放電方式稱為無(wú)極放電”的定義,EEFL管內(nèi)沒(méi)有安裝電極,只有裝置在玻管兩端外表面的外電極,看來(lái)屬于無(wú)極放電是無(wú)可非議的。然而,深入分析EEFL所發(fā)生的氣體放電過(guò)程,發(fā)現(xiàn)電極過(guò)程仍然是維持EEFL高頻放電所不可少的,具體地說(shuō)EEFL仍然存在發(fā)射電子的陰極與加速電子、正離子的陰極位降。為了說(shuō)明這一點(diǎn),讓我們重溫氣體放電理論對(duì)高頻放電幾種情況的分析。氣體在高頻能量的
7、激勵(lì)下產(chǎn)生的放電稱為高頻放電,其電流密度j為:j=nee2/me(2+2)E (1)式中E為電場(chǎng)強(qiáng)度,為外加高頻電場(chǎng)的角頻率,為電子有效碰撞頻率, 由下式計(jì)算:3.19×109×P/Te0.5 (2)式中P為氣壓(mm Hg),Te為電子溫度(K)。按照外加高頻電場(chǎng)角頻率與電子有效碰撞頻率 的相對(duì)大小,高頻放電可以分成 << 、 、>>三種情況。其中當(dāng)<< 時(shí),發(fā)生類似于低頻放電的情形,這時(shí)電子在高頻電場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)象一群蜜蜂隨風(fēng)飄動(dòng)一樣向高頻電場(chǎng)的瞬時(shí)陽(yáng)極漂移;電場(chǎng)反向時(shí)又反向漂移。放電空間仍然存在等離子區(qū)與陰極位降區(qū),仍然需要有陰極發(fā)射電
8、子才能維持這種情況下的高頻放電。其與低頻放電不同之處是高頻電場(chǎng)變化的周期小于放電空間的消電離所需的時(shí)間,由此,等離子區(qū)來(lái)不及消失,高頻電場(chǎng)的極性交變,只影響陰極位降區(qū)輸流出現(xiàn)在等離子區(qū)的兩側(cè)。當(dāng)外加高頻電場(chǎng)的頻率大幅提高到 與 >>時(shí),放電中電子的運(yùn)動(dòng)將發(fā)生根本性的變化,等離子區(qū)中電子受到高頻電場(chǎng)的作用而不斷來(lái)回運(yùn)動(dòng),增加了電子產(chǎn)生碰撞電離的幾率,此時(shí)維持穩(wěn)定的放電已無(wú)需電極過(guò)程,也就是說(shuō)不需要陰極發(fā)射電子 ,不需要陰極,不存在陰極位降區(qū),從而形成了高頻電場(chǎng)作用下的無(wú)極放電。這種高頻無(wú)極放電的實(shí)例發(fā)生于雷達(dá)天線開(kāi)關(guān),其工作頻率約為1000兆赫,放電管內(nèi)的氣壓不大于20乇。對(duì)照上述關(guān)
9、于高頻放電的理論分析,我們熟知的電子鎮(zhèn)流熒光燈ECFL與冷陰極熒光燈CCFL(工作頻率均為20KHZ100KHZ),均屬于<< 的情況,放電具有穩(wěn)定的等離子區(qū)與維持放電所必須的陰極位降區(qū),陰極的電子發(fā)射對(duì)放電起著至關(guān)重要的作用。讓我們?cè)倩氐紼EFL中的氣體放電。EEFL的工作頻率與CCFL一樣(20KHZ100KHZ),充氣種類與氣壓也與CCFL類似,因此,它們的放電類型也是類似的(屬 <<的一類 )。具體地說(shuō),EEFL中的放電仍然必須有陰極與陰極位降區(qū)的存在才能維持穩(wěn)定的放電。可是,EEFL的陰極在哪里呢?外電極與放電氣體隔著玻璃管壁,它是不可能作為氣體放電的陰極來(lái)發(fā)
10、射電子的。本人認(rèn)為,與外電極相對(duì)的玻管內(nèi)壁表面就是EEFL的內(nèi)電極。當(dāng)某外電極為正電位的半周時(shí),對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁玻璃表面吸引而接收電子,壘積壁電荷;為負(fù)半周時(shí),吸引與加速正離子,并受正離子轟擊而產(chǎn)生二次電子發(fā)射,形成陰極位降區(qū)。可能有人要問(wèn),玻璃是絕緣體,能夠擔(dān)當(dāng)電極的角色嗎?我認(rèn)為完全可以。玻璃表面可以接收電子而壘出壁電位,這在交流等離子顯示器放電過(guò)程的分析中早已說(shuō)得明明白白;另一方面,玻璃在正離子轟擊時(shí)可以產(chǎn)生二次電子發(fā)射,也是得到公認(rèn)的。由于施加的是高頻電壓,內(nèi)壁的電位變化可以通過(guò)玻璃壁形成的電容傳到外電極再傳到外電路,沒(méi)有什么說(shuō)不通的地方。需要著重說(shuō)明,上述EEFL由外電極對(duì)面的玻璃內(nèi)壁所形
11、成的內(nèi)電極有一個(gè)突出的特點(diǎn),那就是為無(wú)數(shù)的“微島”狀,因?yàn)椴A?nèi)表面必竟不是金屬電極,其表面是不導(dǎo)電的,無(wú)論內(nèi)表面那一點(diǎn)吸引電子形成壁電荷(或吸引正離子且產(chǎn)生二次電子發(fā)射而壘積正電荷),點(diǎn)與點(diǎn)之間均不能有電的溝通,我們可以稱它為“微島”電極。因此,可以認(rèn)為EEFL的內(nèi)電極是由與外電極對(duì)應(yīng)的玻璃內(nèi)壁上的無(wú)數(shù)“微島”電極所組成的。綜上所述,我們可以畫(huà)出EEFL的等效電極結(jié)構(gòu)的原理圖,如圖2所示:中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 圖2 EEFL等效電極結(jié)構(gòu)原理圖1外電極2放電空間3玻璃電容4“微島”電極中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 有一種為多數(shù)人所接收的觀點(diǎn),認(rèn)為高頻電場(chǎng)由外電極通過(guò)玻壁
12、電容引入EEFL放電空間,直接作用于放電的等離子區(qū)而產(chǎn)生與維持穩(wěn)定的高頻無(wú)極放電。我們現(xiàn)在不談前述的理論對(duì)這種觀點(diǎn)的否定,而是從反證的角度來(lái)加以分析。如果只要引入高頻電場(chǎng)就可以無(wú)需電極作用而能夠維持穩(wěn)定的放電,那么與EEFL放電條件相同的CCFL由電極直接將高頻電場(chǎng)引入放電空間又為什么必須依靠電極過(guò)程才能維持穩(wěn)定的放電呢?如果電極過(guò)程真是無(wú)關(guān)緊要,那么CCFL的電極過(guò)程為什么會(huì)集中那么多的功率,對(duì)放電性能產(chǎn)生極其重要的影響呢?為了考察EEFL內(nèi)壁電極是否存在,我們可以通過(guò)觀察EEFL外電極對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁表面是否存在陰極位降區(qū)來(lái)判斷,將拍得的實(shí)物照片示于圖3。從圖3可以清楚地觀察到等離子區(qū)玻璃內(nèi)壁的
13、發(fā)光與外電極對(duì)應(yīng)的玻璃內(nèi)壁的發(fā)光是大不一樣的。等離子區(qū)對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁表面不發(fā)紅光,而外電極對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁表面卻與CCFL電極表面相類似地發(fā)紅光。原因很清楚,熒光燈的等離子區(qū)電子能量較低,不能引起氖原子激發(fā),只有在陰極位降區(qū)電子被加速成高能電子才可以使氖原子激發(fā)后返回躍遷時(shí)發(fā)紅光。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 圖3 觀察EEFL玻璃內(nèi)壁發(fā)光的照片 中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 另外,我們對(duì)壽命試驗(yàn)數(shù)千小時(shí)后的EEFL燈管進(jìn)行解剖,等離子區(qū)對(duì)應(yīng)的玻璃內(nèi)壁表面狀況變化不大,而外電極對(duì)應(yīng)的玻璃內(nèi)壁則嚴(yán)重發(fā)黑,這顯然是正離子轟擊陰極帶來(lái)的后果。最后,我們對(duì)比性地測(cè)出相同結(jié)構(gòu)(相同的玻璃、相同的直
14、徑、相同的生產(chǎn)工藝)的CCFL與EEFL的輸出光通量與輸出功率之間的光效曲線,發(fā)現(xiàn)它們的形狀與數(shù)據(jù)都相當(dāng)接近,這也說(shuō)明EEFL與CCFL中產(chǎn)生的是相同類型的放電,不存在放電原理的重大差異。在此不再詳述。上述有關(guān)EEFL放電原理的分析可能有重要的實(shí)際意義,那就是提高EEFL的性能,應(yīng)該十分關(guān)注作為內(nèi)電極的燈管兩端內(nèi)壁的表面狀態(tài),采用什么樣的工藝、材料甚至增加某種涂層,有可能顯著地提高EEFL的性能與壽命。中國(guó)照明網(wǎng)技術(shù)論文·電光源 三、EEFL的應(yīng)用前景EEFL作為廣告、照片、圖片的超薄燈箱以及平板電視中液晶彩色電視的背光源,尤其是大屏幕的液晶彩電的直射式背光源十分被看好,只要性能可靠就很可能會(huì)被許多用戶列為首選產(chǎn)品,原因就是前面提到過(guò)的它可以直接并聯(lián)使用的獨(dú)到優(yōu)點(diǎn),還有就是它較低的生產(chǎn)成本所帶來(lái)的較低的價(jià)格。有一位日本生產(chǎn)液晶彩電的企業(yè)人士在不久前遍訪了南京幾乎所有的CCFL、EEFL生產(chǎn)廠,他聲稱液晶彩電即將大量普及,未來(lái)的三年,CCFL或EEFL的需求將大幅增加而供不應(yīng)求。原因是液晶屏的成本將一年一個(gè)臺(tái)階的下降,使其他平板電視難以競(jìng)爭(zhēng)。我相信他的預(yù)計(jì)。因此,EEFL的應(yīng)用前景隨著
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