无极荧光灯的发展

1、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

2、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2 0。家， 年产量超过2 0 0万只，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.Thomo s o n分别在1 8 8 4年和1 8 9 1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1 8 9 1年物理学家N. T e s 1 a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

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19 0 7年，是由P . C . H e w i t t提出的 4,图1的放电结构与今天的I C P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1253 00Hz .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

4、行研究探索， 其中有两个比较重要的专利， 分别 是19 3 6年J. Bethenod 5和 A. Claude 6提出的专利和 1 9 7 0 年 J.M. Anderson 提出的专禾 U。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。1 9 7。年An d e r s o n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

5、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

6、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

7、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

8、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1 0 MHz的频率来驱动，但放电结构和高功率密度的原因要得到

9、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y =Pp/ （ Pp+P ,其中P p是等离子体的吸收功率，P c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

10、产生2 5 3.7nm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6 0 0 08000 h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

11、压来维持放电，从而使汞原子激发并电离产生2 5 3.7 n m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

12、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。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 . 5 c m的球形泡壳外绕上线圈，通以1 3 .6 5 MHz的高频电流，

13、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（RF I）,使电磁辐射达到规定要求。E v e r 1 i g h t无极荧光 灯使用窗气作为启动气体，产品系统功率为2 7W, 光效为3 7 1 m /W/,平均寿命是4 0 00 0 ho同在1 9 9 1年，Philip s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8 5W,驱动频率是2 . 6 5MHz,泡壳形状类似普通白炽灯泡，直径为1 1 c m ,长度为1 8cm .泡壳内填充的气体为3

14、3 P a的窗气，汞蒸汽压通过主辅汞齐控制， 光效达到了 7 0 1m /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10 0 0 0 ho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，Q L还推出了另外两个功率规格：5 5 W 和 1 6 5 W .9 9 4年，G E公司推出了 GENU R A无极荧光灯，其结构与P h i 1 i p s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

15、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2 3W,工作频率为2 . 6 5 M,泡壳内的气体是A r , 光效是4 8 1 m /W,由于电路设计的原因其寿命为1 5 0 0 0 h。值得注意是该灯由于结构 设计的原因和采用S nO2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A n d e r s o n的外置磁芯的结构，19 9 4 年，O s r a m公司推出了 END UR A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 。

16、E ND UR A无极荧光灯最大的改进是工作频率，从原来的2. 6 5MHz降低到2 5 0 KHz,不但降低了EMI问题，还降低了驱动电路的成本和设计难度。1 5 0W的灯在直径5 .4 c m时光效最高，达到了 8 0 1m/W,平均寿命是6 0 0 0 0 ho在这个设计中的工作气体采用了 A r Ne混合气体加K r 8 5 ,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9。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2 0 0

17、2 3 0KH z之间，根据灯的功率和结构有所不同。LVD灯采用A r-K r混合气体进行工作， 光效较高，大功率的灯超过8 0 1m / W,灯寿命为6 0 0 0 0 h。LVD灯高频发生器具有调光性能，典型的1 2 0W的LVD灯能够实现3 0%1 0 0 %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2 0 0 3年推出了名为P a Look BallYOU的1 2W无极荧光灯，其结构如图10所示，工作频率4 8 0 KHz .该灯特别优良的散热设计，能够保证一体化的电路有3 0 0 0 0 h的寿命。由于使用了性能优异的磁芯材 料，热损耗较少，1 2 W时还有6 8 1

18、 m /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1 0 0W的白炽灯。2 0 0 5年年初宏源LVD灯推出了 Venus系列灯，其结构如图1 2所示，工作频率为2 1 0 KH z,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6 0 0 0 0 ho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 2 0 W的D u r a O n e灯，有反射型和普通型两种（见图12）。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，

19、大致包括可以分为以下几个方面。1电路改进在无极荧光灯中高频发生器是核心部件， 其性能的好坏对这个系统有决定性作用。 设计时主要考虑成本、 效率和可靠性这三个方面， 在小功率的无极灯中采取的策略是低成本和高可靠性。目前，比较普遍采用C lass D和E的放大器和振荡器作为无极灯电路的首选， 因为其在理论上是1 0 0 %的转换效率，实际上由于MO S F ET管的关断特性，效率会有所降低，目前可以采用零伏关断（Z V S）技术来减少效率损失12 14 。电路调光功能的实现也是研究的一个热点， 实现无极灯的调光方法可以有调频法， 调压法和调占空比法， 在不同的电路中各种方法实现的难易程度不同，效率

20、也不同。2光效提高根据实验和研究发现，实际上等离子体的发光效率应该超过9 0 1m /W,而目前的光 源光效远低于这个值， 因此还有很大的潜力可以开发。 提高光效可以从两个方面来进行： 一 是提高等离子体本身的发光效率， 需要选择最佳的填充气体成分和压强， 选择合理的汞蒸气 压；二是减少各部件的损耗，主要有减少电路自身功率损耗， 提高系统的耦合效率，减少磁 芯上的能量损耗。另外，合理设计放电结构，可以减少光线的阻挡并提高光线利用效率。 6. 3性能稳定无极荧光灯的散热分配设计， 不但影响灯的发光性能， 还影响到灯的寿命。 在散热方面内置磁芯的放电方式比较不容易散热， 目前主要通过选择性能优异的

21、材料和设计合理导热结构来实现。 另外， 汞齐的温度曲线直接影响到灯性能， 寻找合适的温度范围宽的汞齐也将成为今后无极灯研究的一个热点。 荧光粉和保护膜技术也会直接影响到灯的流明维持性能， 因 此寻找性能更好的材料也是提高无极灯性能的一个方面。4放电结构随着对无极荧光灯研究的不断深入， 可以对无极荧光灯放电结构的参数进行优化， 设计合理的放电结构包括放电管的大小、 磁环的大小、 工作电压的选择等多方面。另外，还应该 根据实际使用的场合设计利用效率高的放电结构。6.5 电磁兼容电磁兼容在早期的产品中问题比较严重， 解决的方法主要有： 改进电路的设计， 减少电 磁干扰；利用合理的灯具对电磁干扰进行屏

22、蔽；降低灯的工作频率，减少电磁干扰。除以上的措施以外， 针对灯本身设计电磁屏蔽结构将成为今后工作的一个重点 （如涂覆半导体导电 层等） 。今后无极灯的发展还会在功率范围上进一步拓宽， 在小功率方面， 以目前的技术来看在取0W以下取得相当的光效有难度，但这也是未来需要努力的方向；大功率方面要实现超过无0 0W并具有高光效和稳定性的无极荧光灯也有难度，相信随着研究的深入和研究队伍的不断扩大，实现这样的产品也是很有可能的。7 结束语无极荧光灯的发展已经超过100年，特别是近2。年的快速发展，涌现出不少实用的产品， 并在实际使用中取得了良好的效果。 相信随着科技的进步和研究的深入， 无极荧光灯的 产品

23、性能会得到进一步提高，并在照明领域得到更广泛的应用。参考文献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