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 文字大小： 【大】 【中】 【小】摘 要 文章對經(jīng)歷一個多世紀的無極熒光燈的發(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。關鍵詞 無極熒光燈感應放電射頻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水平的提高，已出現(xiàn)了較典型的產(chǎn)品，而且其應用領域得到了不斷的開拓1 。我國的無極燈在國家大力倡導節(jié)能減排的形勢下得到

2、了快速發(fā)展， 技術已經(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)品的應用范圍越來越廣， 遠銷世界各地。 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， W. Hittorf和J. J.Thomo s o n分別在1 8 8 4年和1 8 9 1年探討了射頻感應放電的基本原理，指出無極放電等離子體由線圈感應的電磁場所維持，并開始采用變壓器模型闡釋了能量耦合2。在1 8 9 1年物理學家N. T e s 1 a在紐約的哥倫比亞大學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的放電結構與今天的I C P放電裝 置相類似。 放電的結構包括球形泡殼內(nèi)充少量汞和在球形泡殼外面包圍的線圈， 由于當時沒 有高頻電子設備，放電的驅動頻率為1253 00Hz .Hewitt的發(fā)明奠定了射頻無極放電結構的基礎，為后來無極燈的發(fā)展打下基礎。隨后很多科學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），其泡殼結構采用凹狀空腔結構，在空腔內(nèi)放入線圈和磁芯。這個結 構在目前的無極熒光燈中也得到了較多的應用， 其優(yōu)點是放電結構緊湊， 感應線圈不會阻擋 光線，射頻輻射可以被等離子體屏蔽而且結構加工方便。1 9 7。年An d e r s o n提出了外置感應線圈的結構（如圖3所示） ，其放電結構采用一個環(huán)形密閉的泡殼，感應線圈放 置在

5、泡殼外面。 目前， 這種結構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)明在當時并沒有轉化成市場化的商品， 主要原因是那時射頻電子學還沒得到充 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)射頻驅動的 無極放電的方式有三大類7 , 8 。 3.1 感應放電感

6、應放電也稱為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， 這樣導致這種放電的特性受驅動頻 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計的需要，就要求鎮(zhèn)流器的驅動頻率十分高， 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構。 圖 4 是一種小型的諧振腔式的表面波放電結構圖， 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 80 年代開始，科學家們就試圖將行波放電應用到熒光燈中，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，盡管某些慢波結構可以使用約1 0 MHz的頻率來驅動，但放電結構和高功率密度的原因要得到

9、高光效結構簡單的熒光燈也比較困難； 感應放電的光效主要 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， 電子學取得了長足的進步， 高頻轉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放電的結構有較大 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)生很高的感應電場， 激發(fā)電子運動， 進而又沿放電管產(chǎn)生恒定的感應電

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 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)展電磁感應燈真正發(fā)展和進入實際使用是20世紀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)流器結構，因此制造商認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)層采用銅材質導體將空腔內(nèi)熱量傳導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，其結構與P h i 1 i p s的QL無極熒光燈相似，采用內(nèi)置磁芯的結構（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構達到緊湊的目的， 并且泡殼外形與反射型白熾燈相仿采用反射結構。 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,由于電路設計的原因其壽命為1 5 0 0 0 h。值得注意是該燈由于結構 設計的原因和采用S nO2半導體涂層技術，很好地解決了 EMC問題。無極燈的另外一個結構是前面提到的A n d e r s o n的外置磁芯的結構，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構，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，還降低了驅動電路的成本和設計難度。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)結構，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)燈的功率和結構有所不同。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)生器具有調光性能，典型的1 2 0W的LVD燈能夠實現(xiàn)3 0%1 0 0 %的連續(xù)調光。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，其結構如圖10所示，工作頻率4 8 0 KHz .該燈特別優(yōu)良的散熱設計，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，其結構如圖1 2所示，工作頻率為2 1 0 KH z,由于外置磁環(huán)的結構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 %的轉換效率，實際上由于MO S F ET管的關斷特性，效率會有所降低，目前可以采用零伏關斷（Z V S）技術來減少效率損失12 14 。電路調光功能的實現(xiàn)也是研究的一個熱點， 實現(xiàn)無極燈的調光方法可以有調頻法， 調壓法和調占空比法， 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)光效率應該超過9 0 1m /W,而目前的光 源光效遠低于這個值， 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，合理設計放電結構，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、材料和設計合理導熱結構來實現(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放電結構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構的參數(shù)進行優(yōu)化， 設計合理的放電結構包括放電管的大小、 磁環(huán)的大小、 工作電壓的選擇等多方面。另外，還應該 根據(jù)實際使用的場合設計利用效率高的放電結構。6.5 電磁兼容電磁兼容在早期的產(chǎn)品中問題比較嚴重， 解決的方法主要有： 改進電路的設計， 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， 針對燈本身設計電磁屏蔽結構將成為今后工作的一個重點 （如涂覆半導體導電 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， 以目前的技術來看在取0W以下取得相當?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，并在照明領域得到更廣泛的應用。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