lifi等离子体灯的研究进展

lifi等离子体灯的研究进展

无线光机在极限放电灯中的应用所谓极性放电，是指在放电腔中没有内置电极，因此放电腔可以用单一材料密封。无极光源(Electrodelesslightsource)就是基于无极放电原理工作的电光源,通称为无极放电灯,简称无极灯。由于电极的寿命是制约传统光源寿命的瓶颈,因此对无极放电灯的研究成了近年电光源新产品研发领域的一个热点。目前技术成熟且已批量投入使用的无极放电灯主要有两类产品:一类是基于高频感应放电原理工作的高频电感耦合等离子体无极光源(Highfrequencyinductivelycoupledplasmaelectrodelesslighsource),包括无极荧光灯、LVD无极灯、QL无极灯等;另一类无极放电灯是基于微波耦合放电原理工作的微波触发耦合等离子体无极光源(Microwavetriggercoupledplasmaelectrodelesslightsource),本文专题讨论该类光源的结构、特性、应用和发展。微波放电是以磁控管为主体的微波发生器所产生的微波能量,经波导或电缆传输到谐振腔中,激发腔内的放电管。在微波放电过程中电子与周围粒子弹性碰撞而不断改变运动方向,逐渐从微波场中得到足够能量来激发和电离原子(分子),产生放电而发光。图1是微波放电无极光源的原理示意图。基于微波放电原理工作的微波触发耦合等离子体无极光源,目前主要有微波硫灯和LIFI等离子体灯两大品种,其中的LIFI等离子体灯近年发展迅速。下面分别讨论这两类等离子体无极光源的结构、特性、应用和发展状况。1微波硫灯1.1微波硫灯与显示材料微波硫灯(Microwavesulfurlamp)于1992年由美国的FusionLighting公司首先发明。其结构是在泡壳内充填硫(S)元素和启动气体,在2.45GHz的微波能量驱动下激发放电灯内硫蒸气产生放电而发光。由于是硫分子的B-X辐射,因此整个光谱是连续可见的,并接近于太阳光谱。1994年Fusion公司推出技术比较成熟的大功率微波硫灯,采用类似微波炉所用的磁控管技术,工作频率2.45GHz,功率3400W。在一个直径约为28mm的带有长尾巴的球形石英玻壳中,放入高纯硫磺粉和启动用的惰性气体。以磁控管为主体的微波发生器所产生的微波能量经波导或电缆传输到谐振腔中,激发腔内的放电管,在磁控管的微波电磁能驱动下,激发放电管内硫蒸气产生放电而发光。微波硫灯的光效达到120lm·(MicrowaveWatt)-1,显色指数85,色温6000K,在可见光区域产生连续光谱(见图2)。由于硫不会与石英起反应,且该灯没有电极,因此灯的放电管寿命达60000h,而微波发生器的寿命则有15000h左右。1996年Fusion公司进一步推出Solarl000型微波硫灯,功率1378W,光效160lm·(MicrowaveWatt)-1,显色指数80,寿命约60000h,可用作太阳模拟光源,适合用于植物培育。1998年日本发明了充填物为溴化铟的低功率50W的微波放电光源,发光管直径3mm,采用叶片式中空的谐振器,色温6500K,显色指数达95以上,寿命为40000～60000h。我国对微波放电灯的研制从1996年开始,几年后推出了1000W的微波硫灯,光效85lm/W,显色指数在80左右。1.2般功率输出的照明系统以大功率、小功率、小功率微波硫灯的光效、显色指数和工作寿命等都具有相当不错的指标,但存在两个主要缺点:一是微波硫灯只能在较大功率(千瓦以上)、高光输出的状态下才能较好地启动和正常稳定工作,因而暂时难以进入通常功率在几十瓦至几百瓦范围的商业照明、工业照明和家庭照明等领域,仅在大型展览馆、机场和高层建筑顶部照明中有所应用;二是微波硫灯工作于2.45GHz的频率,这正好处在无线电话、WiFi、以太网和AV系统的波段,存在高频泄漏造成干扰和环境污染等问题,因而尚未能获得更广泛的应用。2李家制净氟灯2.1lifi灯的光学特性由美国Lusim公司开发的LIFI微波触发耦合等离子体无极光源,又称为固态等离子体灯(Solid-stateplasmalamp),简称LIFI等离子体灯(LIFI灯)。由于LIFI等离子体灯在技术上基本解决了微波硫灯存在的功率偏大和高频干扰等问题,因而得以批量生产,应用于商业照明、工业照明和影视照明(电脑灯)等领域。图3所示为一个LIFISTA-40系列等离子体灯的外形,它由LIFI灯泡、灯泡嵌入的陶瓷圆盘和装于圆盘外部的散热器等部件组合而成。LIFI灯泡外形见图4,灯泡是一个耐高温高压的石英玻璃管(泡壳),内充惰性气体、微量的汞和金属卤化物的混合物,在频率为900MHz的微波能量激发下,电场使气体电离,建立起等离子体而发光。图5为LIFISTA-40系列等离子体灯的发光原理示意图。图6显示灯泡内等离子体各部分的温度分布。灯泡底部是卤化物盐类的放置槽。图7显示LIFI灯的电子系统结构。图中的灯泡嵌装在陶瓷圆盘之中,圆盘表面涂以导电涂层。从图中右下角和左下角可见分别装有能量输入天线和反馈天线,两者之间接有一组大功率的高频放大器。放大器工作于数吉赫兹的频率范围,其作用是将圆盘的谐振频率的电能通过反馈天线(又名反馈探测器)取样,经放大器放大后,再经过能量输入天线(又名驱动探测器)将高频电能送回圆盘,用以建立电场。陶瓷圆盘亦称为绝缘介质谐振腔,包含有高频发射器、波导和反馈传感器等部件,以产生和控制等离子体的激励过程。它的设计专门针对微波硫灯的弱点,其反射器和封装结构部分对高频能量的泄漏辐射干扰等问题能做到可靠的管理和控制。总结LIFI灯的电子系统,可看出其主要有3个功能:一是提供激发灯泡放电所需的高频能量;二是对灯泡的首次启动和关断后重新启动等过程实施严格的监控,并维持灯泡内等离子体光柱(PlasmaColumn)能稳定地运行;三是能够在20%～100%的范围内迅速而平滑地调控灯泡的光输出,而在调光过程中尽量减小色温的变化。图8是LIFI-SIA-40等离子体灯的平台示意图,显示了由发射体(包括灯泡、陶瓷圆盘组成的发射区和散热器)、驱动器、同轴高频电缆、直流供电电源以及0～10V调压数字通讯接口等多个部件组成的LIFI-SIA-40等离子体灯系统的组成。2.2lifi灯与led灯的比较2.2.1LIFI灯目前能达到的发光效率约在60～120lm/W范围内。提高光效的主要途径一是改善其高频耦合和控制系统;二是探索改变灯泡内充填的混合物成分。2.2.2LIFI灯的显色指数(CRI)近年从80提高到96。其改进的途径一是改变灯泡内充填的混合物成分;二是需要在提高发光效率和提高显色指数两者之间合理的平衡取舍。2.2.3LIFI灯的色温在6500～10000K的范围,随着充填的成分不同而异。图9是LIFI4000(170W,13000lm)等离子体灯和HID高压汞灯两者的光谱能量分布对比图。图中显示等离子体灯的光谱能量分布曲线也并非十分完美,但已经是较好地覆盖整个可见光谱范围,明显优于高压汞灯的光谱能量分布。2.2.4LIFI灯的寿命达10000h甚至更长,这意味着每天点燃8h的条件下,可工作3年零4个月。2.2.5LIFI灯特别适用于商业照明、路灯照明、建筑照明和影视舞台娱乐照明。图10显示釆用LIFI灯作为光源的Robin电脑摇头灯和ETC变色成像灯的外形。由于LIFI灯的体积很小,近年已开始用作一些较低档次投影机的光源。图11是专门配套用于投影机的LIFI4000型灯系统组合的外形。目前在与LED的竞争中,LIFI等离子体灯主要是填补了市场上需求量很大的长寿命、小体积、高亮度、高显色指数、低供电电压的中小功率点光源的空白。在要求光源有优良的色彩渲染、紧凑的窄光束控制功能和鲁棒性(robustuess,稳健性)的影视舞台照明、景观照明和其他艺术照明的领域中,LIFI等离子体灯比LED占有一定优势。目前影响其更广泛使用的主要瓶颈是其高昂的价格。如Robin电脑摇头灯,采用LIFI灯泡的摇头灯产品要比同类型的性能指标相同的采用传统金卤泡灯泡的产品的价格高出约3倍。在等离子体光源和LED的竞争中,LED光源目前在低端、小功率、较低光输出的领域仍占有较大的优势。2.3数字控制/数字视频监控系统见图1以LIFISTA-40系列产品为例,其主要技术指标见表1。其他特点包括:(1)可反复启动和再触发;(2)可运行于任何角度和方位;(3)数字控制或1～10V模拟电压控制(智能照明);(4)无可听闻的噪声或闪烁。该产品是一种适用于街道、工作空间和建筑立面照明的理想光源。3低场等离子体胶片应用以LIFI灯为代表的微波触发耦合等离子