无极荧光灯研究进展[1]

　　一、引言

　　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这变得更加迫切。无极放电光源由于没有电极，因此它与传统光源相比有诸多优势，例如寿命长，在寿命期间光衰十分小，而且不会担心发光物质和电极的相互作用。另外无极放电光源在调光方面也有很好的性能，根据目前的实验情况来看，其调光有色表改变小，发光效率下降少，并且不会影响光源的寿命。但1891年Tesla首次发现在高频电磁场中等离子体能够产生光线，到现在已经过去了一个多世纪了，无极放电光源的发展并不迅速，直到最近二十年才有成熟产品出现。究其原因，影响无极放电光源发展的最主要问题是很难开发出性能稳定可靠，尺寸大小合适，价格合理的镇流器。直到20世纪80年代，随着半导体电子和开关电源技术的逐渐发展，无极放电光源产品的实现成为可能，目前已经有多种无极放电光源产品问世，相关研究也在不断深入。目前进入商品化阶段的无极放电光源主要还集中在无极荧光灯方面。

　　二、无极放电光源的类型

　　无极放电是指放电中没有内置电极，使放电腔可以采用单种材料密闭而成。无极放电最早由Hittorf发现，随后Thomson作了更完整的研究，Tesla首先采用无极放电原理设计了照明概念灯。随着上世纪末半导体技术的突飞猛进，制造性能可靠、价格低廉的镇流器成为可能，无极放电光源的研究得到深入的开展，在过去的20年超过2000项的无极灯专利得到批准，多种产品面世并表现出巨大的潜力。无极放电光源既可以是高气压放电也可以是低气压放电，根据目前的发展情况，无极放电光源可以有以下3种类型：

　　(一)感应放电

　　感应放电我们有时候也称为H型放电，驱动场是方位场，这样导致线圈内的磁通量发生变化。在放电管的内部或外部缠绕有感应线圈，在高频电流经过线圈时，通过电磁感应原理在放电管中形成放电电流(如图1所示)。从电学角度看，等离子体对激励线圈来说是单匝的次级线圈，线圈通过适当的阻抗匹配连接到功率源吸收能量来维持放电。因此考虑放电的能量传输可以采用变压器模型来近似，等离子体产生闭合的电流可以看作变压器的次级线圈，而初级线圈可以放在等离子体中间或者放在等离子体的周围。这样的放电被称为“感应耦合(ICD)”、“感应灯”、“螺线管电场(SEF)”和“无散度场”等。这样放电的灯管可以设计成很多形状，根据磁芯线圈的物质可以分为内置式和外置式两种。在这样的放电中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。目前感应放电可以实现的功率范围为10-1000W，放电频率在50KHz-100MHz之间。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。

　　图1 感应放电的基本结构

　　(二)容性放电

　　图2 容性放电的荧光灯示意图

　　容性放电通常又称为E型放电，这样的等离子体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型放电在原理上与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罢了(如图2所示)，能量耦合时必须通过电极附近的鞘层，这样的放电类似电容的放电，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。更值得注意的是，电磁干扰也变得严重了，有相关专利报道采用915MHz的驱动频率来实现容性放电的照明。容性放电由于其优异的放电稳定性，在飞机的仪表盘等指示照明中得到应用。

　　(三)微波放电

　　这种放电条件下，电磁波的波长和耦合器及放电管的尺寸可以比拟，在这样的放电中，由于频率很高的电子如果不与周围粒子碰撞就很难得到足够的能量来激发原子(分子)发光，因此在微波放电中电子与周围粒子的弹性碰撞具有决定性作用。电子通过弹性碰撞来不断改变运动方向，逐渐从微波场中得到足够能量来激发和电离原子(分子)。微波放电的特点包含了E型放电和H型放电的特点，但由于微波频率较高，因此有较高的耦合效率，光效也较高。微波放电的一个主要特点是趋肤效应，当驱动频率或功率升高时，趋肤深度就会减少，因此输入功率集中在管壁附近，放电时的温度最高值不在电弧中心，而是在靠近管壁的地方。这样的温度轮廓对辐射有好处，可以有利于共振辐射的产生(气体冷却的自吸收减少)和分子连续辐射的产生(整个电弧的温度不是很热)。由于产生微波的磁控管是比较成熟产品，因此成本稍低，但由于微波频率高的缘故，需要波导和耦合腔等装置，设计时结构会比较复杂一些，图3是微波放电灯的原理示意。

　　图3 微波放电灯的工作示意

　　二、无极荧光灯的发展

　　气体放电光源的出现是电光源界里程碑式的突破，特别是普通荧光灯，现已走进千家万户成为人们日常所需。气体放电光源通过电极间的放电来发光，因此电极的寿命很大程度上决定了光源的寿命，限制了光源寿命的上限。放电过程往往伴随着电极材料的溅射，导致电弧管发黑，光源的光通量减少。这些不利因素促使人们去寻找新的解决方法，其中最直接的最大胆的设想就是能否发明一种不用电极的气体放电光源。正是出于这样的设想，1991年第一盏无极荧光灯问世了，从此开启了气体放电光源的新纪元。

　　1991年，由松下照明电气有限公司率先推出了第一款名为Everlight的无极荧光灯。其特点是直接将线圈环绕在球形泡壳外，与现在普遍采用的借助磁芯进行能量耦合的方式不同。采用这种方式的缺点是磁漏较大，部分能量耗散于空气中，使之光效受到一定限制。此外必须在泡壳外加上铁丝网来充当法拉第笼，减少电磁辐射干扰。线圈以及铁丝网的遮挡效应进一步限制了该灯的光效。当时27W的Everlight的无极荧光灯光效为37lm/W，平均寿命为40000小时，工作频率为13.65MHz。

　　同年，飞利浦公司推出了QL无极荧光灯。其特点是梨形泡壳内有凹状空腔，可供绕有线圈的铁磁芯柱插入。因为采用了磁芯，能量耦合效率大大提升，使得光效有了较大的提升。QL无极荧光灯的光效为70lm/W，平均寿命为60000小时，工作频率为2.65MHz。此灯的另一特色是采用分离的镇流器结构。由于无极荧光灯的寿命一般长于其镇流器的寿命，分离式的结构提供了更换镇流器的可能，一定程度上延长了灯具的使用寿命。

　　1994年，通用电气公司推出了GENURA无极荧光灯。其主要结构与QL无极荧光灯相似，也是带凹状空腔的梨形泡壳内置绕有线圈的铁磁芯柱。但不同的是采用了灯与镇流器一体化的紧凑结构，其意主要是为了能够替代白炽灯。故当时推出的GENURA无极荧光灯功率较小，为23W。其光效为48 lm/W，平均寿命为15000小时，工作频率为2.65MHz。

　　1997年，欧司朗公司推出了ENDURA无极荧光灯。其特点是采用管状方形放电管结构并在放电管两端各套上一个绕有线圈的铁磁芯环。由于采用外置磁环结构，使得散热问题可以得到方便的解决，有利于实现大功率放电。当时推出的ENDURA无极荧光灯功率为150W，光效达80 lm/W。其工作频率为250kHz，减弱了电磁干扰，并降低了驱动电路的成本和实际难度。

　　此后为了推广无极荧光灯的应用，小功率化以取代白炽灯成为了现下无极荧光灯的发展热点。不同公司纷纷推出他们各自的产品，如松下的Pa-Look Ball YOU灯，宏源的Venus系列灯以及Osram的Dura-One灯等。目前我国的无极荧光灯发展比较迅猛，已经有上百家无极荧光灯的生产厂家，应用领域也得到了不断的扩大。