带罩紧凑型荧光灯的最佳工作状态探讨.doc

带罩紧凑型荧光灯的最佳工作状态探讨杜晓红近年来，各种各样的带罩紧凑型荧光灯（简称CFL）越来越受到消费者的青睐。但是，由于CFL的管壁负载大，带罩散热差和镇流器的放热，使得灯的管壁温度已远远超过CFL所要求的最佳温度。由于灯罩的密闭，灯的环境温度很高（有些大功率灯甚至达100以上），此时，人为设置冷端已起不到理想的效果。所以温升光衰成为带罩CFL面临的难题。要使管内汞蒸气压保持在0.8Pa 左右，唯一的办法是采用汞齐代替液汞置于灯管的排气管内，这也是克服温升光衰的最佳途径。然而，在常温下由于汞齐灯管内的平衡饱和汞蒸气压很低，大约是液汞的1/20，所以，亮得慢又是带罩CFL面临的问题。如何克服温升光衰和提高光通量上升速度正是本文所要探讨的主题。节能灯的发光原理当灯管通电后，阴极发射出电子，电子在电场作用下加速，将与灯管内的汞（Hg）原子发生弹性或非弹性碰撞。非弹性碰撞将使Hg原子电离（产生Hg离子）或使Hg原子激发。当激发态Hg原子最外层的价电子从63P1回到基态时，辐射出253.7nm的紫外线，253.7nm的紫外线照射到荧光粉上，荧光粉发出可见光，这就是节能灯的发光原理。CFL最佳汞蒸汽压的控制CFL属于低压汞蒸汽放电灯。为了得到最高的光效，灯内的汞蒸汽压必须维持在最佳值（理想的饱和汞蒸汽压为0.8Pa）。当饱和PHg汞蒸汽压小于0.8Pa时，在一定温度下，PHg和汞原子浓度成正比。PHg升高时，汞原子数增加，253.7nm辐射效率提高。但当PHg高于0.8Pa时，UV会下降。这是由于汞原子吸收了253.7nm的辐射后跃迁至63P1态，从而产生共振吸收。由于CFL管径很细，带电粒子的自由程大大减小，原子和带电粒子之间频繁的 碰撞使得原子的能量因碰撞而损耗掉。PHg越高，253.7nm辐射的这个损耗越大，因而当PHg高于0.8Pa时，253.7nm的共振吸收大于共振辐射。低压汞蒸汽压放电的这一最佳汞蒸汽压相应于40时汞的饱和蒸汽压。因为饱和汞蒸汽压由灯管冷端温度所决定，所以为使灯的UV最高，灯的冷端温度应维持在40。这显然和灯的功率、外形结构、环境温度等相关。而对于CFL灯，由于其管径细，双极性扩散使得带电粒子在管壁复合而大量损失。为补偿这种损失，必须提高电子温度Te而由此会大大增加CFL的灯管表面负载，因而CFL的管壁温度也远远超过40。对于带罩CFL灯，由于带罩密封的散热性差以及受灯外形结构设计的限制，人为制造冷端也已无法使灯管的冷端温度降至40。因此有效控制灯内汞蒸汽压的唯一办法就是用汞齐代替液汞。汞齐和辅汞齐的工作机理汞齐CFL启跳瞬间，由于灯管内的平衡饱和汞蒸汽压很小，且放电长度较长，所以正柱区亮得慢，此时，辅汞齐通过灯丝的预热作用迅速释放汞，且汞原子很快向管内扩散直至汞气压达最佳值0.8 Pa（6x10-3），对应的灯光通量达最大值。当辅汞齐释汞所建立起的汞蒸汽压不足或超过0.8 Pa时，主汞齐开始工作，管内的汞蒸汽压平衡至最佳值（主汞齐的吸汞和释汞是可逆的）。主辅汞齐的这些工作特性使得CFL一般在3分钟之内即可达到稳定的光通输出。材料的选择带罩CFL灯的功率、灯罩种类以及灯的使用场所等的不同，相应的，密封在灯罩内的灯的环境温度也有很大差异。而各类汞齐都有一个相应的最佳工作温度范围。因而汞齐种类是材料选择的关键。一般主汞齐选用BiInHg和BiPbSnHg。在实际应用中，可通过测量组装灯具后的排气管温度来确定主汞齐的类型和设置点（主汞齐的位置可通过玻柱支撑或在排气管上烧个“内凹”等方法来固定）。辅汞齐是影响汞齐灯光通量上升速度至关重要的一个因素，对灯的启动特性起着催化剂的作用。辅汞齐上In涂量的多少直接影响其（释）吸汞能力。而辅汞齐的形状及热容量也是造成In在灯管制作过程中流失的一个因素。表1所示为采用不同的汞齐制作的灯的品质对比情况。表2为汞齐设置点不同对灯的品质的影响。表3为采用不同辅汞齐所制作的灯的品质对比情况。表1 不同的汞齐对灯质量的影响主汞齐种类功率（W）光通量（Lm）100hrs上升时间（s）1000hrs光衰电流（mA）色温（K）Ra主汞齐A13.2778878.1%216265482主汞齐B12.777381079%213258082.5主汞齐C12.97459810.4%214263982.2表2 汞齐位置对灯质量的影响主汞齐位置功率（W）光通量（Lm）100hrs上升时间（s）1000hrs光衰电流（mA）色温（K）RaA9.8568787.5%148256082.9B9.25516809.8%145257082.7C9.3544969.4%146265882.2表3 不同辅汞齐对灯性能的影响辅汞齐种类功率（W）光通量（Lm）100hrs上升时间（s）1000hrs光衰电流（mA）色温（K）RaA13.0376179.86.75%216385883.5B13.37521249.8%217390884.4从表1，表2的数据显示，在相同的环境温度下，汞齐或汞齐位置不同，其工作温度不同。当环境温度超过汞齐的工作温度范围，PHg高于0. 8Pa，253.7nm的共振吸收增大，灯光效降低，光衰也增大。而当环境温度低于汞齐的工作温度，PHg低于0.8Pa，汞原子浓度不够，与电子碰撞的机会减少，253.7nm的辐射效率降低，同样导致灯光效降低。表3的数据显示辅汞齐性能的差异直接影响灯的上升速度。从上述对比实验数据可看出汞齐和辅汞齐的选择及其置放位置是影响灯的光衰和光通量上升速度至关重要的因素。制灯工艺对带罩CFL灯光通量上升速度的影响根据灯所要工作的环境特性，在选好汞齐材料之后，灯管的真空度是影响其光通量上升速度的最大因素。即可用我们所知的公式来表示：内在质量评估系数K=Ph/Pa。其中Ph为汞蒸汽压，Pa为残留杂质气体压强。光通量的上升也就是K值的增长过程。在汞齐灯管的老化过程中，我们经常会发现灯管亮起来的速度不一样。大部分灯管在几分钟之内完全亮起来，而少数灯管则由“红”渐变“暗”，形成低K值即低光通量灯管。这主要是由于灯管内杂质气体太多，老化之后虽然灯管处于稳定的工作状态，但已无法使Pa降到正常值，高Pa使得汞原子受激发的几率降低，且阻碍了汞原子的扩散，因而严重影响到灯的光通量上升速度。由此可知，确保灯管的高真空度是制灯过程中必须时刻围绕的中心，尤其体现在烤管和排气的工艺中，相关原材料的真空处理也是制灯中需关注的。制作高品质灯是