无极荧光灯的发展

无极荧光灯的发展发布日期：2010-10-11作者：陈育明来源：照明中国网浏览次数：15文字大小：【大】【中】【小】摘要文章对经历一个多世纪的无极荧光灯的发展过程进行分析，介绍了无极荧光灯的前期，放电类型的选择和现有产品分析，并探讨无极荧光灯的未来发展方向。关键词无极荧光灯感应放电射频1前言寻找寿命长、光效高的光源是人类的长期追求，在能源危机初现的今天变得更加迫切，无极荧光灯正是符合光源发展的这一趋势。随着世界各国对无极荧光灯的研究不断深入和技术水平的提高，已出现了较典型的产品，而且其应用领域得到了不断的开拓[1]。我国的无极灯在国家大力倡导节能减排的形势下得到了快速发展，技术已经相对成熟，据不完全统计，目前我国的无极荧光灯生产厂家已经超过２００家，年产量超过２００万只，产品的应用范围越来越广，远销世界各地。本文就我们在这方面开展的研发工作对无极灯的初步认识进行探讨。2前期探索无极荧光灯的发展可以追溯到１９世纪，Ｗ．Ｈｉｔｔｏｒｆ和Ｊ．Ｊ．Ｔｈｏｍｏｓｏｎ分别在１８８４年和１８９１年探讨了射频感应放电的基本原理，指出无极放电等离子体由线圈感应的电磁场所维持，并开始采用变压器模型阐释了能量耦合[2]。在１８９１年物理学家Ｎ．Ｔｅｓｌａ在纽约的哥伦比亚大学展示了第一个由射频场激发的无极放电[3]。他采用的是低频的容性放电，仅能在很短的间隙内产生微弱的放电，但走出了无极放电的重要的第一个由射频场激发的无极放电[3]。它采用的是低频的容性放电，仅能在很短的间隙内产生微弱的放电，但走出了无极放电的重要的第一步。最早的无极灯专利出现在１９０７年，是由Ｐ．Ｃ．Ｈｅｗｉｔｔ提出的[4]，图1的放电结构与今天的ＩＣＰ放电装置相类似。放电的结构包括球形泡壳内充少量汞和在球形泡壳外面包围的线圈，由于当时没有高频电子设备，放电的驱动频率为１２５~３００Ｈｚ.Ｈｅｗｉｔｔ的发明奠定了射频无极放电结构的基础，为后来无极灯的发展打下基础。随后很多科学工作者对无极放电光源进行研究探索，其中有两个比较重要的专利，分别是１９３６年Ｊ．Ｂｅｔｈｅｎｏｄ[5]和Ａ．Ｃｌａｕｄｅ[6]提出的专利和１９７０年Ｊ．Ｍ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ提出的专利。Ｊ．Ｂｅｔｈｅｎｏｄ和Ａ．Ｃｌａｕｄｅ提出的专利（如图２所示），其泡壳结构采用凹状空腔结构，在空腔内放入线圈和磁芯。这个结构在目前的无极荧光灯中也得到了较多的应用，其优点是放电结构紧凑，感应线圈不会阻挡光线，射频辐射可以被等离子体屏蔽而且结构加工方便。１９７０年Ａｎｄｅｒｓｏｎ提出了外置感应线圈的结构（如图３所示），其放电结构采用一个环形密闭的泡壳，感应线圈放置在泡壳外面。目前，这种结构放电启动容易并可以很好地解决散热问题，对材料的要求可以降低，可以实现大功率放电，而且放电性能较稳定，光效较高。但这些发明在当时并没有转化成市场化的商品，主要原因是那时射频电子学还没得到充分的发展，对射频放电的物理没法深入开展，由于加工技术有限，得到的无极放电灯的光效还不如白炽灯。另外，没有办法得到可靠廉价的高频发生器，因此要制造一个足够光效和可靠低价的无极荧光灯产品在当时看来几乎不可能。3放电方式的选择根据目前对射频放电的研究，尽管有很多方法来产生射频等离子体，但实现射频驱动的无极放电的方式有三大类[７，８]。3.1感应放电感应放电也称为Ｈ型放电，在这样的放电中等离子体产生闭合的电流可以看作为变压器的次级线圈，而初级线圈可以是放在等离子体中间或者在等离子体的周围。只要提供足够的功率来维持Ｈ型放电，它可以在比较低的频率下就得到足够的耦合效率，因此可以得到比较理想的发光效率。在实际的研究中还发现，这样的设计相对比较简单，而且电磁干扰比较小，另外可以采用相对较低的频率，所以镇流器的电子元件成本可以降低。3.2容性放电容性放电通常又称为Ｅ型放电，这样的等离子体我们可以看成是一个密封的玻璃容器放在电容的两个极板之间。Ｅ型放电在原理上跟普通的电极间放电十分类似，只是把两个电极移到放电管外部，能量耦合时必须通过电极附近的鞘层，这样导致这种放电的特性受驱动频率的影响十分大。Ｅ型放电同Ｈ型放电相比，它的耦合效率要低很多，而且功率密度也要低很多。要得到足够高的功率密度以满足光源设计的需要，就要求镇流器的驱动频率十分高，这样就使电子元件的成本急剧上升，值得注意的是电磁干扰也变得严重了。3.3行波放电等离子体可以在行波放电中产生，典型的就是表面波放电，电磁波会随着等离子体形成的通道传播。电磁波在传播的过程中不断的加入电子来电离气体，可以确保电磁波在气体形成的等离子体中传播，因此气体电离形成等离子体本身可以作为一个波导来约束等离子体的传播方向。这与前面介绍的微波放电有一个很大的不同，等离子体不需要全部包围在波导或耦合腔内，可以通过电磁波传播方向来控制电磁波的传播结构。图4是一种小型的谐振腔式的表面波放电结构图，微波经过谐振腔以后可以沿石英管进行传播并形成等离子体放电。19世纪80年代开始，科学家们就试图将行波放电应用到荧光灯中，但由于功率密度和高频电子元件成本等问题阻碍了其发展速度。以上的放电方式有各自的局限性：容性放电由于鞘层的存在使射频能量很难耦合到等离子体中去，离子损耗的能量较大，因此很难得到高效的荧光灯光源；行波放电通常需要很高的频率（ＧＨｚ）来维持，尽管某些慢波结构可以使用约１０ＭＨｚ的频率来驱动，但放电结构和高功率密度的原因要得到高光效结构简单的荧光灯也比较困难；感应放电的光效主要取决于功率耦合效率η=Pp/（Pp+Pc），其中Ｐｐ是等离子体的吸收功率，Ｐｃ是在耦合线圈上损耗的功率，随着输入功率的增大功率耦合效率会提高。目前，电子学取得了长足的进步，高频转换电路的效率不断提高且成本降低较快，因此无极荧光灯采用感应放电的结构有较大优势。4无极荧光灯的放电机理无极荧光灯是由高频电子镇流器、功率耦合线圈、无极荧光灯管组合而成。无极荧光灯有别于一般的荧光灯，它不仅消除了电极，而且发光原理也比普通型荧光灯不同。普通荧光灯是通过在两端输入高压，形成强电场使得两端电极中的电子发射，激发原子产生２５３．７ｎｍ的紫外线，打到光壁从而激发稀土三基色荧光粉发出可见光。传统的荧光灯一般为直管或弯管，且全部采用细管径、软料玻璃，两个电极封接在真空放电腔体的两端，电极一般由涂有含钙、锶、钡等混合钙土金属氧化物发射材料的钨丝制成，其电极的使用对灯的设计和性能有很大的制约性，灯的寿命受发射层损耗率的限制，而且在很大程度上受所用镇流器类型和工作频率的影响，因此一般荧光灯的使用寿命在６０００~８０００ｈ之间。而无极荧光灯的放电原理是通过对环绕放电管磁芯上的线圈加以交变的高频正弦电压，使电能耦合放进电腔，产生很高的感应电场，激发电子运动，进而又沿放电管产生恒定的感应电压来维持放电，从而使汞原子激发并电离产生２５３．７ｎｍ的紫外线，打到管壁以激发稀土三基色荧光粉发出可见光。通常无极荧光灯的灯管是一个真空放电腔体，它的一端设置汞齐（固汞），放电腔内填充缓冲放电气体，形成连续的闭合放电环路，放电管通过环形铁氧体磁芯的中心轴线。由于无极灯消除了电极因素的影响，灯的寿命可以有极大的提高，同时灯的光通维持性也比传统荧光灯好很多，这样便提高了光效，极大地降低了眩目。由于无极荧光灯工作是通过电感耦合等离子体放电形成，所以我们一般利用变压器模型来描述无极荧光灯，可以把线圈视为一个理想变压器的初级，而放电腔为变压器的次级，变压器的初级匝数为磁芯上的线圈匝数，而次级匝数为１.灯近似看成是电阻和电感的串联。无极荧光灯有许多类型，按照磁芯环绕方式可分为以下两种类型：（1）内置式无极荧光灯：此类无极灯灯管呈环形，并且感应磁芯在灯管内，被一个玻璃凹腔所保护。（2）外置式无极荧光灯：此类无极灯的感应磁芯绕在环形灯管外，连接着镇流器和放电腔。5无极荧光灯产品的发展电磁感应灯真正发展和进入实际使用是20世纪９０年代以后的事情。１９９１年松下公司首先推出了Ｅｖｅｒｌｉｇｈｔ无极荧光灯并投入日本市场，这种感应灯没有使用磁芯进行能量耦合，而是直接在直径为４．５ｃｍ的球形泡壳外绕上线圈，通以１３．６５ＭＨｚ的高频电流，感应泡壳内的等离子体发光（如图5所示）[9]。泡壳外面的笼罩是为了降低射频电磁干扰问题（ＲＦＩ），使电磁辐射达到规定要求。Ｅｖｅｒｌｉｇｈｔ无极荧光灯使用氖气作为启动气体，产品系统功率为２７Ｗ，光效为３７ｌｍ/W，平均寿命是４００００h。同在１９９１年，Ｐｈｉｌｉｐｓ公司的ＱＬ无极荧光灯也投入市场。它在一梨形泡壳内有一个凹状空腔，带有线圈的铁磁芯柱插入凹状空腔（如图6所示）[10]。率先推出的产品功率为８５Ｗ，驱动频率是２．６５ＭＨｚ，泡壳形状类似普通白炽灯泡，直径为１１ｃｍ，长度为１８ｃｍ.泡壳内填充的气体为３３Ｐａ的氖气，汞蒸汽压通过主辅汞齐控制，光效达到了７０ｌｍ/Ｗ.由于采用分离的镇流器结构，因此制造商认为灯的寿命可以达到１００００h。由于铁磁芯在泡壳内部，因此泡壳的散热处理成为一个重要问题，在这里采用了在铁磁芯内层采用铜材质导体将空腔内热量传导到灯的金属底座上的方法来解决，因此安装时保持灯底座良好的热接触可以使灯的性能更稳定。随后，ＱＬ还推出了另外两个功率规格：５５Ｗ和１６５Ｗ.１９９４年，ＧＥ公司推出了ＧＥＮＵＲＡ无极荧光灯，其结构与Ｐｈｉｌｉｐｓ的ＱＬ无极荧光灯相似，采用内置磁芯的结构（如图7所示）。由于其目的是希望取代普通的反射型白炽灯，因此电路和泡壳采用一体化的结构达到紧凑的目的，并且泡壳外形与反射型白炽灯相仿采用反射结构。灯的功率为２３Ｗ，工作频率为２．６５Ｍ，泡壳内的气体是Ａｒ，光效是４８ｌｍ/W，由于电路设计的原因其寿命为１５０００h。值得注意是该灯由于结构设计的原因和采用ＳｎＯ２半导体涂层技术，很好地解决了ＥＭＣ问题。无极灯的另外一个结构是前面提到的Ａｎｄｅｒｓｏｎ的外置磁芯的结构，１９９４年，Ｏｓｒａｍ公司推出了ＥＮＤＵＲＡ无极荧光灯，它采用管状方形放电管结构，并在放电管两端环绕带线圈的磁环（如图8所示）[11]。ＥＮＤＵＲＡ无极荧光灯最大的改进是工作频率，从原来的２．６５ＭＨｚ降低到２５０ＫＨｚ，不但降低了ＥＭＩ问题，还降低了驱动电路的成本和设计难度。１５０Ｗ的灯在直径５．４ｃｍ时光效最高，达到了８０ｌｍ/W，平均寿命是６００００h。在这个设计中的工作气体采用了Ａｒ－Ｎｅ混合气体加Ｋｒ８５，这使灯有很好的启动性能。我国在无极荧光灯方面的工作也在19世纪９０年代积极展开，包括石家庄、福建、深圳等地区的厂家，并涌现出很多产品（如ＬＶＤ无极荧光灯）。ＬＶＤ无极荧光灯的放电管有多种形状（见图9），采用外置的磁环结构，ＬＶＤ灯采用的工作频率更低，在２００~２３０ＫＨｚ之间，根据灯的功率和结构有所不同。ＬＶＤ灯采用Ａｒ－Ｋｒ混合气体进行工作，光效较高，大功率的灯超过８０ｌｍ/Ｗ，灯寿命为６００００h。ＬＶＤ灯高频发生器具有调光性能，典型的１２０Ｗ的ＬＶＤ灯能够实现３０％~１００％的连续调光。目前，无极荧光灯的发展热点之一是小功率，如松下２００３年推出了名为Ｐａ－ＬｏｏｋＢａｌｌＹＯＵ的１２Ｗ无极荧光灯，其结构如图１0所示，工作频率４８０ＫＨｚ.该灯特别优良的散热设计，能够保证一体化的电路有３００００h的寿命。由于使用了性能优异的磁芯材料，热损耗较少，１２Ｗ时还有６８ｌｍ/Ｗ的效率。另外，泡壳外面的防爆裂保护膜和良好的显色性能，使灯能够在很多场合代替１００Ｗ的白炽灯。２００５年年初宏源ＬＶＤ灯推出了Ｖｅｎｕｓ系列灯，其结构如图１２所示，工作频率为２１０ＫＨｚ，由于外置磁环的结构很好地解决了散热问题，光源的寿命能够达到６００００h。泡壳形状是类似蘑菇形，设计目的是增加下射光，达到类似反射形泡壳的效果，提高光线的利用率。最近，ＯＳＲＡＭ也推出了２０Ｗ的Ｄｕｒａ－Ｏｎｅ灯，有反射型和普通型两种（见图１2）。6无极荧光灯的发展趋势目前，无极荧光灯的技术已经得到长足的发展，在今后的工作中主要以提高产品性能为主，大致包括可以分为以下几个方面。6.１电路改进在无极荧光灯中高频发生器是核心部件，其性能的好坏对这