無極熒光燈的發(fā)展

1、無極熒光燈的發(fā)展發(fā)布日期： 2010-10-11 作者： 陳育明 來源： 照明中國網(wǎng) 瀏覽次數(shù)： 15 文字大?。?【大】 【中】 【小】摘 要 文章對經(jīng)歷一個多世紀(jì)的無極熒光燈的發(fā)展過程進行分析，介紹了無極熒光燈 的前期，放電類型的選擇和現(xiàn)有產(chǎn)品分析，并探討無極熒光燈的未來發(fā)展方向。關(guān)鍵詞 無極熒光燈感應(yīng)放電射頻1 前言尋找壽命長、光效高的光源是人類的長期追求，在能源危機初現(xiàn)的今天變得更加迫切，無極熒光燈正是符合光源發(fā)展的這一趨勢。 隨著世界各國對無極熒光燈的研究不斷深入和技術(shù)水平的提高，已出現(xiàn)了較典型的產(chǎn)品，而且其應(yīng)用領(lǐng)域得到了不斷的開拓1 。我國的無極燈在國家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排的形勢下得到

2、了快速發(fā)展， 技術(shù)已經(jīng)相對成熟， 據(jù)不完全統(tǒng)計， 目前我國的無極熒光燈生產(chǎn)廠家已經(jīng)超過2 0。家， 年產(chǎn)量超過2 0 0萬只，產(chǎn)品的應(yīng)用范圍越來越廣， 遠(yuǎn)銷世界各地。 本文就我們在這方面開展的研發(fā)工作對無極燈的初步認(rèn)識進行 探討。 2 前期探索無極熒光燈的發(fā)展可以追溯到19世紀(jì)， W. Hittorf和J. J.Thomo s o n分別在1 8 8 4年和1 8 9 1年探討了射頻感應(yīng)放電的基本原理，指出無極放電等離子體由線圈感應(yīng)的電磁場所維持，并開始采用變壓器模型闡釋了能量耦合2。在1 8 9 1年物理學(xué)家N. T e s 1 a在紐約的哥倫比亞大學(xué)展示了第一個由射頻場激發(fā)的無極放電 3

3、。他采用的是低頻的容性放電，僅能在很短的間隙內(nèi)產(chǎn)生微弱的放電，但走出了無極放 電的重要的第一個由射頻場激發(fā)的無極放電 3 。它采用的是低頻的容性放電，僅能在很短 的間隙內(nèi)產(chǎn)生微弱的放電，但走出了無極放電的重要的第一步。最早的無極燈專利出現(xiàn)在19 0 7年，是由P . C . H e w i t t提出的 4,圖1的放電結(jié)構(gòu)與今天的I C P放電裝 置相類似。 放電的結(jié)構(gòu)包括球形泡殼內(nèi)充少量汞和在球形泡殼外面包圍的線圈， 由于當(dāng)時沒 有高頻電子設(shè)備，放電的驅(qū)動頻率為1253 00Hz .Hewitt的發(fā)明奠定了射頻無極放電結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，為后來無極燈的發(fā)展打下基礎(chǔ)。隨后很多科學(xué)工作者對無極放電光源進

4、行研究探索， 其中有兩個比較重要的專利， 分別 是19 3 6年J. Bethenod 5和 A. Claude 6提出的專利和 1 9 7 0 年 J.M. Anderson 提出的專禾 U。J. Bethenod 和 A. Claude 提出 的專利（如圖2所示），其泡殼結(jié)構(gòu)采用凹狀空腔結(jié)構(gòu)，在空腔內(nèi)放入線圈和磁芯。這個結(jié) 構(gòu)在目前的無極熒光燈中也得到了較多的應(yīng)用， 其優(yōu)點是放電結(jié)構(gòu)緊湊， 感應(yīng)線圈不會阻擋 光線，射頻輻射可以被等離子體屏蔽而且結(jié)構(gòu)加工方便。1 9 7。年An d e r s o n提出了外置感應(yīng)線圈的結(jié)構(gòu)（如圖3所示） ，其放電結(jié)構(gòu)采用一個環(huán)形密閉的泡殼，感應(yīng)線圈放 置在

5、泡殼外面。 目前， 這種結(jié)構(gòu)放電啟動容易并可以很好地解決散熱問題， 對材料的要求可 以降低，可以實現(xiàn)大功率放電，而且放電性能較穩(wěn)定，光效較高。但這些發(fā)明在當(dāng)時并沒有轉(zhuǎn)化成市場化的商品， 主要原因是那時射頻電子學(xué)還沒得到充 分的發(fā)展， 對射頻放電的物理沒法深入開展， 由于加工技術(shù)有限， 得到的無極放電燈的光效 還不如白熾燈。 另外， 沒有辦法得到可靠廉價的高頻發(fā)生器， 因此要制造一個足夠光效和可 靠低價的無極熒光燈產(chǎn)品在當(dāng)時看來幾乎不可能。 3 放電方式的選擇根據(jù)目前對射頻放電的研究， 盡管有很多方法來產(chǎn)生射頻等離子體， 但實現(xiàn)射頻驅(qū)動的 無極放電的方式有三大類7 , 8 。 3.1 感應(yīng)放電感

6、應(yīng)放電也稱為H型放電，在這樣的放電中等離子體產(chǎn)生閉合的電流可以看作為變壓器的次級線圈， 而初級線圈可以是放在等離子體中間或者在等離子體的周圍。 只要提供足夠的 功率來維持H型放電，它可以在比較低的頻率下就得到足夠的耦合效率，因此可以得到比較理想的發(fā)光效率。 在實際的研究中還發(fā)現(xiàn)， 這樣的設(shè)計相對比較簡單， 而且電磁干擾比較小， 另外可以采用相對較低的頻率，所以鎮(zhèn)流器的電子元件成本可以降低。 3.2 容性放電容性放電通常又稱為E型放電，這樣的等離子體我們可以看成是一個密封的玻璃容器放 在電容的兩個極板之間。E型放電在原理上跟普通的電極間放電十分類似，只是把兩個電極移到放電管外部， 能量耦合時必須

7、通過電極附近的鞘層， 這樣導(dǎo)致這種放電的特性受驅(qū)動頻 率的影響十分大。E型放電同H型放電相比，它的耦合效率要低很多，而且功率密度也要低很多。要得到足夠高的功率密度以滿足光源設(shè)計的需要，就要求鎮(zhèn)流器的驅(qū)動頻率十分高， 這樣就使電子元件的成本急劇上升，值得注意的是電磁干擾也變得嚴(yán)重了。3.3 行波放電等離子體可以在行波放電中產(chǎn)生， 典型的就是表面波放電， 電磁波會隨著等離子體形成的通道傳播。 電磁波在傳播的過程中不斷的加入電子來電離氣體， 可以確保電磁波在氣體形成的等離子體中傳播， 因此氣體電離形成等離子體本身可以作為一個波導(dǎo)來約束等離子體的傳播方向。 這與前面介紹的微波放電有一個很大的不同， 等

8、離子體不需要全部包圍在波導(dǎo)或耦合腔內(nèi)， 可以通過電磁波傳播方向來控制電磁波的傳播結(jié)構(gòu)。 圖 4 是一種小型的諧振腔式的表面波放電結(jié)構(gòu)圖， 微波經(jīng)過諧振腔以后可以沿石英管進行傳播并形成等離子體放電。 19 世紀(jì) 80 年代開始，科學(xué)家們就試圖將行波放電應(yīng)用到熒光燈中，但由于功率密度和高頻電 子元件成本等問題阻礙了其發(fā)展速度。以上的放電方式有各自的局限性： 容性放電由于鞘層的存在使射頻能量很難耦合到等離子體中去， 離子損耗的能量較大， 因此很難得到高效的熒光燈光源； 行波放電通常需要很高的頻率（GHz）來維持，盡管某些慢波結(jié)構(gòu)可以使用約1 0 MHz的頻率來驅(qū)動，但放電結(jié)構(gòu)和高功率密度的原因要得到

9、高光效結(jié)構(gòu)簡單的熒光燈也比較困難； 感應(yīng)放電的光效主要 取決于功率耦合效率y =Pp/ （ Pp+P ,其中P p是等離子體的吸收功率，P c是在耦合線圈上損耗的功率， 隨著輸入功率的增大功率耦合效率會提高。 目前， 電子學(xué)取得了長足的進步， 高頻轉(zhuǎn)換電路的效率不斷提高且成本降低較快， 因此無極熒光燈采用感應(yīng)放電的結(jié)構(gòu)有較大 優(yōu)勢。 4 無極熒光燈的放電機理無極熒光燈是由高頻電子鎮(zhèn)流器、 功率耦合線圈、 無極熒光燈管組合而成。 無極熒光燈 有別于一般的熒光燈， 它不僅消除了電極， 而且發(fā)光原理也比普通型熒光燈不同。 普通熒光 燈是通過在兩端輸入高壓，形成強電場使得兩端電極中的電子發(fā)射，激發(fā)原子

10、產(chǎn)生2 5 3.7nm的紫外線，打到光壁從而激發(fā)稀土三基色熒光粉發(fā)出可見光。傳統(tǒng)的熒光燈一般為直管或彎管，且全部采用細(xì)管徑、軟料玻璃， 兩個電極封接在真空放電腔體的兩端，電極一般由 涂有含鈣、 鍶、 鋇等混合鈣土金屬氧化物發(fā)射材料的鎢絲制成， 其電極的使用對燈的設(shè)計和 性能有很大的制約性， 燈的壽命受發(fā)射層損耗率的限制， 而且在很大程度上受所用鎮(zhèn)流器類 型和工作頻率的影響，因此一般熒光燈的使用壽命在6 0 0 08000 h之間。而無極熒光燈的放電原理是通過對環(huán)繞放電管磁芯上的線圈加以交變的高頻正弦電壓，使電能耦合放進電腔， 產(chǎn)生很高的感應(yīng)電場， 激發(fā)電子運動， 進而又沿放電管產(chǎn)生恒定的感應(yīng)電

11、壓來維持放電，從而使汞原子激發(fā)并電離產(chǎn)生2 5 3.7 n m的紫外線，打到管壁以激發(fā)稀土三基色熒光粉發(fā)出可見光。 通常無極熒光燈的燈管是一個真空放電腔體， 它的一端設(shè) 置汞齊（固汞） ，放電腔內(nèi)填充緩沖放電氣體，形成連續(xù)的閉合放電環(huán)路，放電管通過環(huán)形 鐵氧體磁芯的中心軸線。由于無極燈消除了電極因素的影響，燈的壽命可以有極大的提高，同時燈的光通維持性也比傳統(tǒng)熒光燈好很多，這樣便提高了光效，極大地降低了眩目。由于無極熒光燈工作是通過電感耦合等離子體放電形成， 所以我們一般利用變壓器模型來描述無極熒光燈， 可以把線圈視為一個理想變壓器的初級， 而放電腔為變壓器的次級， 變壓器的初級匝數(shù)為磁芯上的線

12、圈匝數(shù)，而次級匝數(shù)為1.燈近似看成是電阻和電感的串聯(lián)。無極熒光燈有許多類型，按照磁芯環(huán)繞方式可分為以下兩種類型：（ 1）內(nèi)置式無極熒光燈：此類無極燈燈管呈環(huán)形，并且感應(yīng)磁芯在燈管內(nèi)，被一個玻 璃凹腔所保護。（ 2）外置式無極熒光燈：此類無極燈的感應(yīng)磁芯繞在環(huán)形燈管外，連接著鎮(zhèn)流器和放 電腔。無極熒光燈產(chǎn)品的發(fā)展電磁感應(yīng)燈真正發(fā)展和進入實際使用是20世紀(jì)9 0年代以后的事情。199 1年松下公司首先推出了 E v e r 1 1 g h t無極熒光燈并投入日本市場，這種感應(yīng)燈沒有使用磁芯進行能量耦合，而是直接在直徑為4 . 5 c m的球形泡殼外繞上線圈，通以1 3 .6 5 MHz的高頻電流，

13、感應(yīng)泡殼內(nèi)的等離子體發(fā)光（如圖 5所示）9。泡殼外面的籠罩是為了降 低射頻電磁干擾問題（RF I）,使電磁輻射達到規(guī)定要求。E v e r 1 i g h t無極熒光 燈使用窗氣作為啟動氣體，產(chǎn)品系統(tǒng)功率為2 7W, 光效為3 7 1 m /W/,平均壽命是4 0 00 0 ho同在1 9 9 1年，Philip s公司的QL無極熒光燈也投入市場。它在一梨形泡殼內(nèi)有一個凹狀空腔， 帶有線圈的鐵磁芯柱插入凹狀空腔（如圖 6 所示） 10 。 率先推出的產(chǎn) 品功率為8 5W,驅(qū)動頻率是2 . 6 5MHz,泡殼形狀類似普通白熾燈泡，直徑為1 1 c m ,長度為1 8cm .泡殼內(nèi)填充的氣體為3

14、3 P a的窗氣，汞蒸汽壓通過主輔汞齊控制， 光效達到了 7 0 1m /W.由于采用分離的鎮(zhèn)流器結(jié)構(gòu)，因此制造商認(rèn)為燈的壽命可以達到10 0 0 0 ho由于鐵磁芯在泡殼內(nèi)部，因此泡殼的散熱處理成為一個重要問題，在這里采用 了在鐵磁芯內(nèi)層采用銅材質(zhì)導(dǎo)體將空腔內(nèi)熱量傳導(dǎo)到燈的金屬底座上的方法來解決， 因此安 裝時保持燈底座良好的熱接觸可以使燈的性能更穩(wěn)定。隨后，Q L還推出了另外兩個功率規(guī)格：5 5 W 和 1 6 5 W .9 9 4年，G E公司推出了 GENU R A無極熒光燈，其結(jié)構(gòu)與P h i 1 i p s的QL無極熒光燈相似，采用內(nèi)置磁芯的結(jié)構(gòu)（如圖 7所示）。由于其目的是希望取

15、代普通的反 射型白熾燈， 因此電路和泡殼采用一體化的結(jié)構(gòu)達到緊湊的目的， 并且泡殼外形與反射型白熾燈相仿采用反射結(jié)構(gòu)。 燈的功率為2 3W,工作頻率為2 . 6 5 M,泡殼內(nèi)的氣體是A r , 光效是4 8 1 m /W,由于電路設(shè)計的原因其壽命為1 5 0 0 0 h。值得注意是該燈由于結(jié)構(gòu) 設(shè)計的原因和采用S nO2半導(dǎo)體涂層技術(shù)，很好地解決了 EMC問題。無極燈的另外一個結(jié)構(gòu)是前面提到的A n d e r s o n的外置磁芯的結(jié)構(gòu)，19 9 4 年，O s r a m公司推出了 END UR A無極熒光燈，它采用管狀方形放電管結(jié)構(gòu)，并在放電管兩端環(huán)繞帶線圈的磁環(huán)（如圖8所示）11 。

16、E ND UR A無極熒光燈最大的改進是工作頻率，從原來的2. 6 5MHz降低到2 5 0 KHz,不但降低了EMI問題，還降低了驅(qū)動電路的成本和設(shè)計難度。1 5 0W的燈在直徑5 .4 c m時光效最高，達到了 8 0 1m/W,平均壽命是6 0 0 0 0 ho在這個設(shè)計中的工作氣體采用了 A r Ne混合氣體加K r 8 5 ,這使燈有很好的啟動性能。我國在無極熒光燈方面的工作也在19世紀(jì)9。年代積極展開，包括石家莊、福建、深圳等地區(qū)的廠家，并涌現(xiàn)出很多產(chǎn)品（如LVD無極熒光燈）。LVD無極熒光燈的放電管有多種形狀（見圖9）,采用外置的磁環(huán)結(jié)構(gòu)，LVD燈采用的工作頻率更低，在2 0 0

17、2 3 0KH z之間，根據(jù)燈的功率和結(jié)構(gòu)有所不同。LVD燈采用A r-K r混合氣體進行工作， 光效較高，大功率的燈超過8 0 1m / W,燈壽命為6 0 0 0 0 h。LVD燈高頻發(fā)生器具有調(diào)光性能，典型的1 2 0W的LVD燈能夠?qū)崿F(xiàn)3 0%1 0 0 %的連續(xù)調(diào)光。目前，無極熒光燈的發(fā)展熱點之一是小功率，如松下2 0 0 3年推出了名為P a Look BallYOU的1 2W無極熒光燈，其結(jié)構(gòu)如圖10所示，工作頻率4 8 0 KHz .該燈特別優(yōu)良的散熱設(shè)計，能夠保證一體化的電路有3 0 0 0 0 h的壽命。由于使用了性能優(yōu)異的磁芯材 料，熱損耗較少，1 2 W時還有6 8 1

18、 m /W的效率。另外，泡殼外面的防爆裂保護膜和良 好的顯色性能，使燈能夠在很多場合代替1 0 0W的白熾燈。2 0 0 5年年初宏源LVD燈推出了 Venus系列燈，其結(jié)構(gòu)如圖1 2所示，工作頻率為2 1 0 KH z,由于外置磁環(huán)的結(jié)構(gòu)很好地解決了散熱問題，光源的壽命能夠達到6 0 0 0 0 ho泡殼形狀是類似蘑菇形，設(shè)計目的是增加下射光，達到類似反射形泡殼的效果，提高光線的利用率。最近，OSRAM也推出了 2 0 W的D u r a O n e燈，有反射型和普通型兩種（見圖12）。無極熒光燈的發(fā)展趨勢目前， 無極熒光燈的技術(shù)已經(jīng)得到長足的發(fā)展， 在今后的工作中主要以提高產(chǎn)品性能為 主，

19、大致包括可以分為以下幾個方面。1電路改進在無極熒光燈中高頻發(fā)生器是核心部件， 其性能的好壞對這個系統(tǒng)有決定性作用。 設(shè)計時主要考慮成本、 效率和可靠性這三個方面， 在小功率的無極燈中采取的策略是低成本和高可靠性。目前，比較普遍采用C lass D和E的放大器和振蕩器作為無極燈電路的首選， 因為其在理論上是1 0 0 %的轉(zhuǎn)換效率，實際上由于MO S F ET管的關(guān)斷特性，效率會有所降低，目前可以采用零伏關(guān)斷（Z V S）技術(shù)來減少效率損失12 14 。電路調(diào)光功能的實現(xiàn)也是研究的一個熱點， 實現(xiàn)無極燈的調(diào)光方法可以有調(diào)頻法， 調(diào)壓法和調(diào)占空比法， 在不同的電路中各種方法實現(xiàn)的難易程度不同，效率

20、也不同。2光效提高根據(jù)實驗和研究發(fā)現(xiàn)，實際上等離子體的發(fā)光效率應(yīng)該超過9 0 1m /W,而目前的光 源光效遠(yuǎn)低于這個值， 因此還有很大的潛力可以開發(fā)。 提高光效可以從兩個方面來進行： 一 是提高等離子體本身的發(fā)光效率， 需要選擇最佳的填充氣體成分和壓強， 選擇合理的汞蒸氣 壓；二是減少各部件的損耗，主要有減少電路自身功率損耗， 提高系統(tǒng)的耦合效率，減少磁 芯上的能量損耗。另外，合理設(shè)計放電結(jié)構(gòu)，可以減少光線的阻擋并提高光線利用效率。 6. 3性能穩(wěn)定無極熒光燈的散熱分配設(shè)計， 不但影響燈的發(fā)光性能， 還影響到燈的壽命。 在散熱方面內(nèi)置磁芯的放電方式比較不容易散熱， 目前主要通過選擇性能優(yōu)異的

21、材料和設(shè)計合理導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。 另外， 汞齊的溫度曲線直接影響到燈性能， 尋找合適的溫度范圍寬的汞齊也將成為今后無極燈研究的一個熱點。 熒光粉和保護膜技術(shù)也會直接影響到燈的流明維持性能， 因 此尋找性能更好的材料也是提高無極燈性能的一個方面。4放電結(jié)構(gòu)隨著對無極熒光燈研究的不斷深入， 可以對無極熒光燈放電結(jié)構(gòu)的參數(shù)進行優(yōu)化， 設(shè)計合理的放電結(jié)構(gòu)包括放電管的大小、 磁環(huán)的大小、 工作電壓的選擇等多方面。另外，還應(yīng)該 根據(jù)實際使用的場合設(shè)計利用效率高的放電結(jié)構(gòu)。6.5 電磁兼容電磁兼容在早期的產(chǎn)品中問題比較嚴(yán)重， 解決的方法主要有： 改進電路的設(shè)計， 減少電 磁干擾；利用合理的燈具對電磁干擾進行屏

22、蔽；降低燈的工作頻率，減少電磁干擾。除以上的措施以外， 針對燈本身設(shè)計電磁屏蔽結(jié)構(gòu)將成為今后工作的一個重點 （如涂覆半導(dǎo)體導(dǎo)電 層等） 。今后無極燈的發(fā)展還會在功率范圍上進一步拓寬， 在小功率方面， 以目前的技術(shù)來看在取0W以下取得相當(dāng)?shù)墓庑в须y度，但這也是未來需要努力的方向；大功率方面要實現(xiàn)超過無0 0W并具有高光效和穩(wěn)定性的無極熒光燈也有難度，相信隨著研究的深入和研究隊伍的不斷擴大，實現(xiàn)這樣的產(chǎn)品也是很有可能的。7 結(jié)束語無極熒光燈的發(fā)展已經(jīng)超過100年，特別是近2。年的快速發(fā)展，涌現(xiàn)出不少實用的產(chǎn)品， 并在實際使用中取得了良好的效果。 相信隨著科技的進步和研究的深入， 無極熒光燈的 產(chǎn)品

23、性能會得到進一步提高，并在照明領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。參考文獻Licht Forum ： Specialist Periodical for Lighting 49 ， Frdergemeinschaft Gutes Licht ， Germany 2005V.A. Godyak, Bright idea: radio-frequency lightsources, IEEE industryapplication magazine, May&June, P.42-49, 2002N. Tesla, Teslas experiment with alternatingcurrent at high frequency, Elec.Eng., Vol.7,P.549-551,1891P. C. Hewitt, U.S. Patent 843 534 , Method of producing electric light, 1907J. Bethenod and A. Claude, U.S. Patent 2 030 957, Electromagnetic apparatus, 1936J.M. Anderson, U.S. P