（等离子体物理专业论文）金卤灯与配套电器的匹配性研究.pdf

复口人学坝i j 论文摘婪 摘要 本文主要就小功率金卤灯( 7 0 瓦金卤灯) 的启动过程与配套电器的匹配情况， 进行了研究。通过匹配使用不同的触发器和燃点不同的金卤灯，测量了启动过程 中辉光持续时间、辉一弧过渡时恻、不同触发器燃点金卤灯的光衰对比等问题， 得到如f 一些结论： 我圈金卤灯规格的混乱现状使金卤灯的实际性能没有得到充分体现，阻碍了 金卤灯作为理想照明产品的推广。 根据我国的国情及我们的研究结果，我们认为金卤灯的燃点应该使用电感镇 流器加触发器的配套燃点方式，而没必要使用辅助电极。 电器匹配是实际影响灯寿命的主要因素，特别是具有合理参数的触发器影响 更甚。 具有适当脉冲电压幅值和足够高触发能量的触发器可大大延长金卤灯的燃 点寿命。 实验表明，双频电子触发器的性能己达到了世界水平。 关键词：金卤灯，触发器，启动过程 分类号：05 3 6 2 复旦大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t ： i nt h i sp a p e r , w ed i s c u s s e dt h ei n f l u e n c eo fr e a s o n a b l ea u x i l i a r i e so nt h el o ww a t t a g e m e t a lh a l i d el a m p s w em e a s u r e dt h eg l o w a r ct i m eo ft h o s el o ww a t t a g em e t a lh a l i d el a m p ss t a r t e dw i t l l d i f f e r e n ti g n i t e r sa n ds o m eo t h e rp a r a m e t e r s b a s e do nt h e s er e s u l t s ，w eg o tt h e f o l l o w i n g c o n c l u s i o n ： t h el i f eo ft h e s el o ww a t t a g em e t a lh a l i d e l a m p s n o t o n l yd e p e n d s o nt h e l a m p - m a k i n gt e c h n o l o g y , b u t a l s oe v e nm o r e d e p e n d s o nt h e m a t c h i n g a u x i l i a r i e s a h i g h e rp u l s ev o l t a g ei sn e e d e dt os t a r tt h em e t a lh a l i d el a m p sa n d s h o r tt h eg l o w a r c t i m e i f o n eo f t h ee l e c t r o d e sr e a c h e st h et h e r m a l e l e c t r o n i c se m i s s i o nw i t h o u te f f i c i e n tw a y t 0r e s t r a i nt h e g l o w , t h et h e r m a l e l e c t r o d e 丽t l lb eb a c kt ot h es t a t ew i t h o u t t h e r m a l e l e c t r o n i c se m i s s i o n n ei g n i t e r st h a tc a l l p r o v i d eb a r r o wp u l s e sa n dh i g hp e a kv o l t a g e sh a sl o w e r e f f i c i e n c y0 1 1s t a r t i n gt h el o wv o l t a g em e t a lh a l i d el a m p st h a nt h ei g n i t e r st h a tc m l p r o v i d e 、 ，i d ep u l s e a n dl o w e p e a l , v o l t a g e k e y w o r s ：m e t a lh a l i d el a m p , i g n i t e r , s l a t t i n gp r o c e s s 复u 人学硎卜论文第一章日i 言 第一章引言 3 7 】 8 9 1o 】【l l 】 1 2 金属卤化物灯因为其高的光效率以及良好的显色性，在绿色照明工程的 推广与发展过程中，越来越成为其中重要的一员。但是，要充分满足绿色照 明对于光源性能的要求，金属卤化物灯还存在一些不太令人满意的地方，其 中有限的使用寿命大大制约了金属卤化物灯本身良好性能的表现。 目前在金卤灯燃点过程中观察到的主要问题有：1 、起弧后短时间内突然 熄灭。此情况在小功率灯的燃点时常见( 图l ，t ) ；2 、起弧后工作在辉光放 电状态，最后熄灭；3 、灯的启动电压和重复着火电压随时问迅速增加( 图 1 2 ) ，灯燃点有限时间后就不再工作：4 、厂家的点灯率低。 艺。 造成金属氯化物灯寿命较短有以下两个方面。 一个方面是金卤灯的内在质量，主要取决于所用电弧管的材料和生产工 闰i i 7 0 瓦钪钠灯用不同触发器f 的v ：a 曲线 在金卤灯中填充的卤化物产生的碘化汞和碘化氢引起高的重复着火电 压，而且随着燃点时问的延长，其数值的增长速度很快( 见图l 一2 ) 。造成的 后果，轻者使电极物质的损耗随开关次数不断加剧，并最终造成灯寿命的缩 短；重者其数值一开始就超过电源的峰值电压值，造成灯启动过程中的熄灭。 4 复 j 人学i ! i ! j 论文第一章g i 者 w 0 重 量 瑚 盘 奄2 0 0 & i 0 ， oz4 童，l l 鞭l a 嘛巾颤 幽i 2 重复着火电压与如燃点寿命的关系 在同样的研究中还显示了以下几点：在相同管壁负载并许可的条件下， 采用略粗管材的灯会有更长的寿命：在电弧管设计上，要考虑到尽可能高的 管壁冷端温度；在保证足够高卤化物蒸气压的前提下充入尽可能少的卤化 物；尽可能采用络合物填充组合；灯的管压增高率( 每千小时伏数) 是决定 灯寿命的一个关键。 另外一个就是配套电器的匹配不太令人满意。尽管金属卤化物灯在现代 照明设计中得到越来越广泛的应用，但是研制与其匹配的配套电器，始终是 一个使人着迷的问题。围绕着匹配问题，众多的公司和研究所做了很多的对 比试验，从试验结果上我们可以大致看到一个比较清晰的图像，可以大致获 得能够和金属氯化物灯匹配的电器所需要具备的一些特性。 在以上所述影响金属卤化物灯寿命的两大因素中，普遍认为：灯的实际 寿命与电弧管的品质密切相关，但更主要的决定于与配套电器的匹配与否。 金卤灯配套电器的主要作用在于：l 、使灯泡启动并控制适当的启动电流： 2 、提供足够的启动电压和重复着火电压；3 、控制灯管功率在较小幅度内变 化：4 、控制工作电流。 目前，与金属卤化物灯配套使用的电器主要有两大类，一类是镇流器， 用以克服余属卤化物灯点亮后处于电弧放电阶段时电弧的不稳定性。这类电 器目前蔓要是三种产品，种是恒功率自耦超前顶峰式镇流器( 或称为恒功 率自祸式漏磁镇流器，c w a 漏磁镇流器) ，由于其具有升压作用，而美国的 电网电压为1 2 0 伏。所以在美国这种镇流器得到了广泛的应用。另外种镇 流器是纯阻抗式镇流器。但是为了避免电阻镇流时造成的功率损耗交流放 电时通常使用电感做镇流器。另外还有种电子整流器，正在得到越来越多 5 复口人学坝i 论立第一章0 i 音 的应用。另外一类电器就是触发器。触发器主要是与纯阻抗式镇流器匹配使 用，其作用是创造条件使灯击穿，并使灯在主电源作用下进入正常工作状态。 根据有关的研究结果，在我国电网情况下，单纯使用c w a 漏磁整流器 的钪钠余卤灯的光通量的增长明显慢于采用阻抗式整流器启动的灯泡，放电 管发黑情况也比使用阻抗式镇流器时要严重得多。同时相关研究也表明，由 于真实环境中电源电压的波动以及触发器参数的不合理，采用阻抗式镇流器 燃点的余属卤化物灯的早期死亡率比采用c w a 镇流器燃点的金属卤化物灯 要高得多。 我国的电网电压为滞后型电感镇流器的使用提供了条件。但是研究发现， 在滞后型镇流电路中，灯的燃点寿命将主要决定于触发器的质量如何。触发 器必须满足灯自身的固有特性和特殊要求。作为合适的触发器，必须具备以 f 功能： 一定时间内能产生足够脉冲能量( 高度和宽度) 来保证灯的f 常启 动； 启动后脉冲高压应停止输出； 灯寿命终了后触发器不再长时间工作。 另外的相关研究表明： 一 高峰值窄脉冲触发器如果提供的击穿电压大大高于灯的击穿电压， 则每一次的启动过程都将造成大量电极物质的损耗： 一提供足够高的峰值电压，同时具有比窄脉冲触发器大几百倍的脉宽 时间的低峰值宽脉冲触发器，在启动阶段可提供单个或多个连续出 现的尖峰电流。尖峰电流有利于阴极的加热，能够有效地缩短辉光 放电阶段的持续时间，而且不会造成电极的强烈溅射，有利于延长 具有辅助电极类型钪钠灯的有效寿命。 相关的研究也同样表明： - 改善触发器的脉冲峰值和宽度会提高钪钠金卤灯在配套阻抗式镇流 器时的可靠性并有利于延长灯的使用寿命。 基于以上的实验结果的指导，目前有很多公司和研究所研发了多种触发 器，他们部在定程度上改善了金属卤化物灯的启动特性和燃点特性。 本论文在结合会属卤化物灯的启动特性的情况下，通过实验结果和理论 分析，为更完善的触发器的研发提供参数要求。 相关企业在本论文工作结果的指导下，已研制出了世界一流水平的触发 器。 6 复【= 1 人学坝i j 论义 第二二章金卤灯概述及其启动过程 第二：章金卤灯概述及其启动过程阶1 9 i ，1 2 8 1 1 金属卤化物灯的基本工作原理 金属卤化物灯是在研究改进高压汞蒸气放电灯的过程中得到发展的。 在使用高压汞蒸气放电灯过程中人们发现，几条可见光辐射主要处于三个区 域：蓝光区域( 波长4 3 6 纳米) ，绿光区域( 5 4 6 纳米) 和黄光区域( 5 7 9 纳米) 。 由于其他区域能量的缺少尤其是红光区域，导致了光源的显色指数很低，光效率 也不是特别理想。为了解决这个问题，人们通过在灯中加入荧光粉的方法以及采 用钨丝镇流的方法，试图提高高压汞灯的显色指数以及光效。根据已经有的数据 可以获知，涂荧光粉的高压汞灯的光效随灯功率的增加而提高，对于1 0 0 0 瓦的 汞灯来t 蜕，在涂敷荧光粉后，它的光效可以从4 0 流明每瓦提高到6 0 流明每瓦。 但是对于它的光谱能量分布来说，尽管在涂敷荧光粉后有所改善，但仍然很不理 想。而对于钨丝镇流型汞灯来说，由于要考虑防止熄弧，因此灯丝两端的压降和 电弧管两端的压降的比要保持在较高的水平上，因此它的光效甚至比从放电发光 和白炽灯发光的分配所预期的光效值还要低。因为灯丝是个电阻性镇流器，电 弧管电压与电源电压相同，当电源电压足够高时，电弧才能在每半个周期内触发， 结果是效率较低的灯丝消耗功率在总功率中占有较高的比例。 ( a ) 砷8 |l 一 ( b ) ；m 盟么j mt r e em t k 【懈q 倒2 - 12 5 0 瓦高压汞灯的光谱能鼙分布 ( a 透明泡壳型灯：b 涂荧光粉型灯；c 钨丝镇流型) 7 o 5 j 2 ， o l i o h一e哥誓+e蕾 复d 人学倾卜论史第二章会卤灯概述及其启动过程 图2 一l 给出了透明泡壳的高压汞灯和涂敷荧光粉后的高压汞灯以及钨丝镇流 型高压汞灯的光者能量分布图，从图中也可以很容易的看出上述缺点。 为了改善高压汞放电灯的颜色特性，研究者采用了这样一个方法：在放电管 中加入其他金属元素来平衡光谱和提高颜色特性。添加金属应具备以下特性： 在电弧管壁工作温度下，该金属有足够高的蒸气压强，使它能对灯的辐 射光谱有显著的贡献。 在可见光谱区域，能形成具有很大振子强度的共振谱线。 非共振光谱线有接近于基态的低激发态；平均激发态能量尽可能地比汞 光谱线的平均激发态能量低。 经研究发现，如果在高压汞灯中加入纯金属的话，这些添加的纯金属元素要 么没有足够的蒸气压，要么在正常工作温度下金属添加物会与熔融二氧化硅电弧 管材料起强烈反应。在2 0 世纪6 0 年代前期，研究者发现可以在汞蒸气放电中加 入某些金属卤化物以提高灯的显色性，另外还能提高灯的光效。 当会属卤化物灯最初点燃的时候，由于卤化物仍凝固在较冷的电弧管壁上， 输出光谱线来自汞蒸气放电。随着电弧管壁温度升高，卤化物开始融化并蒸发。 通过扩散和对流作用，卤化物蒸气被输运到了电弧管的高温区域。电弧的高温使 卤化物分解成卤素原子和金属原子，在高温电弧核心，金属原子受激产生本征光 谱辐射。会属原子继续扩散，经过电弧空间并在较冷的电弧管壁区域与卤素重新 复合生成卤化物。复合过程是非常重要的，它避免化学性质活泼的金属对电弧管 壁的侵蚀。 能促进上述复合作用的金属卤化物的特性归纳如下： 通常在1 0 0 0 k 时，他们的蒸气压强大于1 t o r t ，这对产生有效辐射已经足 哆高了。 在电弧管壁温度下，卤化物是稳定的，除了氟化物以外，都不会与石英 玻璃发生明显的化学作用。 在电弧中心的高温区域( 4 0 0 0 k 6 0 0 0 k ) ，卤化物分子分解，自由余属原 予辐射特性谱线，在电弧中心的金属原子压强与壁上卤化物压强致。 在周期表上的所有金属的碘化物都满足上述这些标准。在考虑进一步的选择 标准以后，大约有5 0 种会属碘化物被用作添加剂。 添加金属的平均激发能大约为4 e v ，相对于汞的7 8 e v 要来的低，所以添加 光谱的总辐射功率比汞光谱辐射功率大得多，尽管添加剂的压强一般为1 0 1 0 0 t o r r ，而汞蒸气压强为l 2 0a r m 。这可以用波尔兹曼定律来论证。 对于h i d 光源来说，通常采用局部热力学平衡( 乙t e ) 模型来处理。当压强 为p 时，在局部温度为t 的区域内，原子的数密度为 复丑人学坝l 。论业第二章金卤灯概述及其启动过程 n o = p k t ( m 。)( 2 1 - 1 ) 式中k 为波尔兹曼常数。 l t e 模型中离子和电子数密度可以由沙哈方程来得到： 坠：4 8 3 1 0 2 1 粤7 e x p ( - e ，k t ) ( m - 3 ) ( 2 _ l - 2 ) n 口u 。 其中日为电离能。 激发态原子的数目和基态原子的数目与温度的关系可以用波尔兹曼方程描 述： , v jr = 7 1 1g e x p 一( 巨一层，) k t ( m 3 ) ( 2 1 3 ) 其中g 卤字为小数，它表示在原予中有g j 个能级处在能量e j 上。 假定添加剂的分压强为5 0t o n ，汞蒸气的分压强为1 0a r m ( 约7 6 0 0t o r t ) ， 电弧温度为4 4 0 0 k ，我们计算处于第一激发态的原子的数目的比较： 对于汞来蜕， 以。= n ! ! 翌e x p 卜( e 2 ，一e ，m ) k t ，= p 豫 ( 2 - l - 5 ) 式代x , ( 2 - 4 ) 式，得 ( 2 1 4 ) ( 2 一l 5 ) h 2 。= 鲁数e x p 一( e 2 。一瓦) 尼即 ( 2 6 ) k j g “ 同理得到添加剂第一激发态原子数目： ，! ，2 p 7 1 t 9 9 2 n e x p 一( e 2 ，一e n ) k t 所以 羔2 鲁兰州j 小7 ， = 而5 0 x g x e x p ( d 络) e i o 在高压汞灯中添加金属卤化物的作用就是提高显色性和光效。 2 金属卤化物的放电启动和建立 金属卤化物j 上 的启动分三个基本阶段：首先是启动气体( 通常是惰性气体) ， 从不导电状态转变到导电状态，紧接着是冷阴极辉光放电并加热电极，最后是热 f 乜于电弧放电。 在整个的放电过程中，电流和电压的相互关系呈现了一种独特的过程。下图 是在直流放电情况下会属卤化物灯( 实际上。更加准确的说法是：h i d 光源) 的 9 复1 人学顺i 论文 第二章金卤灯概述及其启动过程 放电启动和建立过程中的伏安特性曲线。 图2 2典型气体放电的伏安特性曲线 从图中我们可以看到在整个过程中经历了以下几个过程： 1 ) 气体击穿 充气管内般都存在微量的带电粒子。刚开始时，放电管的两端的电压很低 此时在放电管两端就建立起来弱电场，带电粒子沿电场运动，形成弱电流。此时 气体导电的电流密度与电场强度和漂移率无关，激发碰撞的几率很低，观察不到 辐射谱线。此时的电压电流变化曲线如图2 2 中o a 段所示。随着电压继续增加， 到达a 点后，尽管电压依然继续增大，但是电流却不再随着电压的增加而增大， 如a b 段所示，此时电流的大小受带电粒子产生的速率所限制。在b 点时，当电 压继续增高，电流又很快增大。这是由于b 点后电压较高，电极i 司电场较强， 电子在运行一个自由程中获得的能量大于气体原子的电离能，电子碰撞原子可使 之电离，也就是产生了n 过程。考虑到a 、v 过程，此时的放电电流密度符合 下面给出的公式( 2 - 2 - 7 ) 。由于q 、y 随电场强度的增大而增大，放电电流密 度也随a 、y 的增大而增大。b c 段的放电状态称为汤生放电，但是属于非自持 放电，在这个阶段只能观察到极微弱的光辐射。 当电压增大到c 点时，若限流电阻不是很大。会观察到电流迅速增大，有较 弱的光辐射，放电由非自持放电转变为自持放电，气体击穿。c 点的电压称为击 穿电压，c d 段称为自持暗放电。 d 点以后，随着放电的不断发展，放电电流突然猛增，导致线路中电压降的 重新分配，限流电阻上压降增高，放电管极间的管压降减小，并伴有较强的辉光 辐射。d e 段曲线表明了管压降随电流的增大而减小，放电发展到e 点达到稳定 状态，而后就进入了辉光放电阶段。 复l 】人学坝i 论殳第二章金卤灯概述投其启动过程 在低气压的条件下，当放电空间电场强度足够大时，带电粒子在漂移运动过 程中，从电场获得足够高的能量，具有高能量的带电粒子与气体粒子发生非弹性 碰撞，使之激发或者电离，从而使空问产生新的带电粒子，因而气体中带电粒子 浓度不断增大。假设初始电子由阴极表面发射，单位时间，单位面积上发射n o 个电子，这些初始电子在电场作用下，向阳极方向运动，在运动过程中，将不断 发生碰撞，其产生的新电子数将迅速猛增，从而形成所谓的“电子雪崩”或者“电 子繁流”。 根据汤生放电理论中的a 过程，单位时间内从阴极表顽单位面积上发射出来 的n o 个电子，由于a 过程，电子浓度在空间随x 距离按指数规律增长n ，= h o e “， 因此单位时问跑上阳极单位面积的电子数为： n 。= h o e “( 2 - 2 - 1 ) 相应的电子流密度为： j 。= j o e “( 2 - 2 - 2 ) 同时再考虑y 过程对放电的影响，也就是阴极二次电子发射对放电的影响。 若单位时问内、阴极表面单位面积上发射n 0 个电子，出于a 过程由式( 2 - 2 一1 ) 可知，到达阳极表面的电子数= n o e “，因此在放电空间新产生的电子数为 n 。一n o = ( e “一1 ) ( 2 2 3 ) n 过程是电子碰撞气体原予或分子的电离过程，所以产生一个新电子的同时 并产生一个新的离子。因此式( 2 2 3 ) 表明的电子数也是放电空间新产生的离 子数。这些离子在电场作用下向阴极漂移，在运动过程中也可能发生电离碰撞， 但是由于离子碰撞气体原子产生电离的几率很小，可近似认为1 3 = o ，即可以不 考虑b 过程。根据y 系数的定义，这些正离子打上阴极引起的阴极二次电子发 射数为： y hn ( e 一1 ) 山此可知，若外界电离因素使得阴极表面在单位时间、单位面积上有1 1 0 个电 子发射，因a 过程电子在空间雪崩，新产生的离子打上阴极又引起新的二次电 于发射，从而使阴极发射增强。同理，阴极发射的电子在空间又雪崩增长，新产 生的离子又返回阴极产生二次电子发射，如此继续不断的雪崩增长，阴极二次电 子发射也不断增强，使气体导电率不断增加。 令 = yo ( p ”一1 ) 经过很多周期后单位时间内到达阳极的电子数为 门。= 疗o e 。4 ( 1 + 一+ 2 + z3 + ) 当u l 时，其极限值为 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 第二章会囟灯概述发4 e 启动过程 ”篙= 青岛 相应的阳极电流密度 一! ! ! 竺 。8 1 一r ( e “一1 、 ( 2 2 0 ) ( 2 2 7 ) 对于上式，当分母趋于零时，j 。将趋于无限大，这意味着放电转变为自持放 电。由此可以得到自持放电的条件为 r ( e “一n = l ( 2 - 2 8 ) 七式就是自持放电的判据，同时也是气体击穿的判据。 但是根据上式我们也可以发现，当气体击穿时，放电电流将无穷大。这是不 现实的。考虑到气体击穿过程中空间电荷对放电的影响后，就可以解决这个矛盾， 同时可以使我们清晰地了解由非自持放电向自持放电发展与稳定的过程。 由于电子雪崩使放电空间带电粒子不断增多，将影响到均匀电场的分布。在 稳定状态下，到达阴极的正离子数一定与同时到达阳极的电子数相等。另一方面， 由于离子的漂移率远远小于电子的漂移率，所以靠近阳极附近慢速运动的离子的 空间电荷一定会积累增高，直到远远大于电子的空问电荷为止。阳极上的传导电 流是电子，但是阳极附近的电子密度却是小于阴极附近的离子密度，只有这样才 呵能使得到达阳极的电子数与到达阴极的离子数相等。因此，在整个放电空间是 粒子空i b j 电荷占优势，它使管内的均匀电场产生了畸变。根据空间电荷分布，由 泊松方程可得 j f 竺= 4 z p ( 2 2 9 ) 出 式中p 是净空问电荷，x 是离阴极的距离。空间电场强度的分布曲线决定于 p 值及p 随x 的变化。 存空问电荷的影响下，阴极附近的电场大大增强。随着放电电流的迅速增长， 外线路上的电阻压降增加，放电管上的电压降则减小。当放电管击穿后，由汤生 放电就转变为正常辉光放电，这时放电电流达到较大的数值，放电管内两电极阳j 的电压降下降。 当放电管电极恻电压增加到某一定值时，即满足击穿条件时，放电电流会骤 然增加，同时有显著的光辐射，放电由汤生放电突然过渡到自持放电，管内的气 体由绝缘状态而变成导电状态，这种现象被称为气体击穿，气体击穿的瞬时电压 为击穿电压。 气体的击穿电压的变化符合帕邢( p a s e h e n ) 定律：在冷阴极、均匀电场的条 件f ，击穿电压v 时随放电管内的p d 乘积而变化的。击穿电压随p d 乘积变化 1 2 复u 人学坝_ | j 论史 第二章会卤灯慨述及其启动过程 时，击穿电压有最小值。 2 ) 辉光放电过程 在气体击穿以后，就会进入辉光放电阶段。在图2 2 中，e f 段的曲线表征了 正常辉光放电状态下的伏安特性。在这一段的发展过程我们可以看到，放电电流 继续增大，而管压降却基本维持不变，此时可以观察到阴极表面上的辉光斑随电 流增大而扩大。d e 段是属于放电由暗放电转变到辉光放电的过渡区，称之为准 辉光放电。如继续调节限流电阻，使电阻继续减小，则电流继续增大，其管压降 不再维持不变，而是随着电流的增大而增高，进入了图4 中表示的f g 段，这一 阶段被称为反常辉光放电。此时可以观察到辉光布满整个的阴极表面，并充满放 电空间，电流密度远大于正常辉光放电时的数值，而且是随着电压的增高而增大。 j 下常辉光放电的特点是电流密度较小，放电维持电压较高。正常辉光放电一 般郇以分为四个区域：阴极区，过渡区，正柱区，阳极区。其中阴极区是必要的 区域，而阳极区不是必要的区域，在一个正常辉光放电过程中，正柱区和阳极区 可有可无，但是f 柱区是人们利用辉光放电的主要应用区域。 阴极区是管压降的主要区域，所以又被称为阴极位降区。这一区域是维持放 电必不可缺的区域。阴极区的电场分布是很不均匀的，阴极表面附近电场最强， 而后随着离阴极距离的增大而下降。 紧接阴极区之后的是过渡区，之后是正柱区。 一柱区电位分稚是线性的，电场是均匀分布的且较弱；：i _ e 柱区内正离子与电 子浓度相等，是一个非等温的等离子体。 汇柱区在放电中起着传导电流的作用。放电电流密度为电子流密度与离子流 密度之和。正柱区内电场强度的大小是由所需的电子能量决定的，电子能量的大 小又是出所需产生的电离数决定的，而必须产生的电离数则是由带电粒子的损失 决定的。因此j f 柱区内电场强度的大小是由带电粒子的损失大小决定的。 在放电起始时，由于正柱区中电子和粒子向管壁做扩散运动，而粒子的扩散 速度远小于电子的扩散速度，因此在单位时间内引扩散运动打上管壁的电子数总 多于离子数，将使得管壁带负电，从而形成管璧相对于管轴为负的电位，于是产 生了径向电位梯度。 在辉光放电过程中，阴极一直遭受着正离予以及其他粒予的激烈轰击，这将 造成阴极会属表面不断被侵蚀，使金属粒子从阴极表面飞溅出来，最后将沉积在 阴极附近的零件和管壁上，形成阴极溅射现象。 根捌有关的研究，阴极溅射符合以下规律： a ) 被溅射的粒子由阴极表面以直线向各个方向飞出。在低气压和阴极 位降比较高的状态下，溅射较明显。随着气压的增高和阴极位降的 复n 凡学删i ? 论义帮二章金卤灯概述艇熊启动过程 黪羝，溅羹孝粒予豹逶动藏蘧其套扩教瓣特蛙，蓑褥一郝分粒予运殛 溺投。所鼓奁楣阑祭件下，气压越离，酾极溅射越小。 b ) 轰击阴极的诉离子质量越大，阴极溅射越厉害。 阴极位降越大，电流密度越大，溅射越厉害。 为了描述金属溅射的大小，使用溅射系数： z ：丝 k i 式中n i 为轰击阴极金属寝璇的粒子数，n a 为会属溅射的粒子数。溅射系数 越大，溅射越强。z 与气体服力、气体的性质、阴极位降有关。z 随气压的增高 而减小，随轰击粒子质量的增大而增加。 鑫i 予溅射现象豹存在，嚣致泡辍榜辩耱损耗，觚瓣最终影嚷到了龛愆蠹纯物 露器寿愈。 3 ) 辉光放电到弧光放电的谶波 如果遴过减小外电路电限的方法来增加辉光放电的电流，在初始阶段我们可 以发现只是阴极发射电子的耐积增大，而电极间电压保持不变。当整个阴极表面 都产生电予发射螽，电流进一疹增热，极闼电压魏增加。如果继续增大邀流，就 可敬发疆缀瓣龟歪经遥一个袋大值班嚣惫爨下骚，势避渡至甄毫匿、大惫浚放电， 即到达弧光放电阶段。 之所以会产生这样一个现窳，是由于在放电中出现了新的基本过程。阴极由 于受大量高速粒子轰击而被加热到很高温度，因而产生显著的热电子发射。这种 发射比疆蠢子轰击阴极的二次魄予发射有效得多，这相当于正离子轰獭鞘极打出 豹电子数壤热了，或簧滋苫系数大大瑷鸯瑟，获悉馁黼稷谴簿终蘸，鹜聪瓣洚 磊。 此时陵极像降数值只要保持使放电阴极医放出豹髓鬟足够维持酮极热电子发射 所需的漱艘。 4 ) 弧光放电 在辉弧过渡区，既有热电子发射，也有二次电子发射。阴极热电子发射显著 时，裁爨避渡区汗雉帮簿惫敖惫终盘嚣。瑟当垒帮魄瀛出魏电子发射镞绘薅，弧 毙蔽电避撩开始了。 弧光放电的特征如下： a ) 商电流密度。 b ) 低阴极位降。 e ) 薅发光凌。 复h 大学制i 论文 第二章会卣灯概述驶_ 土| ；启动过程 一般鑫簿热翻疆弧光效漱熬茯安特性大致魏潮2 * 3 瑟示。孰图中我们可以看 到，隧嚣敬电电流静增蕊，极瓣电压降下降，歌安将褴趋线的斜率是受敬，称为 负伏安特性。 圈2 - 3 典型伏安特性曲线 电 压 3 电流 i ) 叁持热鬻梭弧光放电豹受伏安特健主要是国予隧着瞧滚酶墙翔辜蠡游电场强 度e i 减小所反映出来的。 在平衡状态下，单位长庶饿柱区中消耗的功率为i 。e l ，这一功率中部分用以 产生电离米补偿带电粒子复合所造成的损失，另部分则消耗于辐射、对流和传 导等。 匿柱送串带电粒子的产鬟兰童簧是靠电子和蒸态原子磋撞龟离及惫子和激发 原f 碰摭电离( 逐次电离) 。随着放电电流的增加，逐次电离作用更加重要。由 丁二逐次电隅发生次数正比于1 2 ，而基态原子直接产生电离次数则正比于i 。因此， 总的电离次数正比于i “( 1 n 2 ) 。 正拄嚣中港电粒子的损失塞簧青两秘形式，帮餐壁复合和体积复念。警壁复 合速率每| 或茅晓，薅获复会速率与产或正笼。麓放电管管径枣，气聪麓，建鞋 体积复合为末。 这样，当电流i 增大时，如果管压降v 不变，则放电空间带电粒子的产生必 定超过带电粒子的损失。为了维持放电平衡，当嘏流增加时，必须减少电离碰撞 次数，即必须降低电子温度飘，也即必须减小轴粕电场强度e l ，便镣贩降v 下 降。 由以上的说明可以看出，这样的一种放电过程，其伏安特性应该鼹负懿。 在弧光放电应用中，如聚伏安特性为负会带鬻乏一些问题。为了使放电灯稳定 一 复f 1 人学倾i j 论文第二章金卤灯概述艇托盘动过程 工 乍，遴鬻必须使蠲镇流嚣。 以上职溅躲弧光放龟遥稷怒鞠对于矗流篱况灏誉的。在交流谤况下，弧光放 电的伏安特性与直流情况下的伏安特性有很大麓删。如果电源使用低频交流供 电，随着电压周期性的变化，放电电流也要做周期性的变化，电流在个周期内 要两次经过零点。电流经过零点时，放电就熄灭，经过零点以后，再次着火。两 个电掇交耱熬充当阳极和阴极，放电豹区域也随麓髑期牲的变纯。 一l 隧。一枣 巷 一弋 彦 图2 - 4 燮流燃点情况下的伏安特性曲线 当爨毫缀耱弱嚣，戴可以将教毫区壤看残是辩髂熬，弱投区在嚣魄缀瓣近， i f 柱区剐鲶予他们静中闯，英交流电弧懿伏安特髅馥线如图2 - 4 所示。觚o 至la 这段魄线相当于非自持放融，从a 点开始放电赭火，并过渡到自持放电。a b 段，放电电流很快随着电源电聪增加而增加，伏蜜特性是负的。之后，随着电源 电压降低，放电电流也随着减小，这就是曲线b c 段，在c 点电弧熄灭。c 点以 螽，戆饕魄潆电压进一步减小， 鱼持敖电静电滚墩将减小，壹至为零。毫潺电 压经遥零点疆磊，原柬豹阳辍交荧鼹投，茯安特憋篷线在相反符号懿魄压、电流 1 卜重复原柬的情况。 曲线a b 和b c 不重合，这可以解释为当电源电压很快增加时，攥对之管内电 流也很快增加，但管内带电睾直予浓度不能立即增火，即电离碰撞次数跟不上，因 此管压踌情况比直流情况下簧丈一些。在电源电殛下降对，要求电流也跟着下降， 覆由予瀵泡褰游轰，菠管压簿，l 、手壹流债嚣下豹数穰，壹漉涛嚣下豹铰安特洼麴 线介于a b 和b c 之浏。 复口人学倾l 论史第二章仓卣灯概述及其启动过程 3 击穿电压的影响因素 击穿电压是气体放电灯中的一个重要参量。帕邢曲线给出了p d 对于击穿电压 的影响规律，除此以外，还有这样的些方面： a 气体的种类和成分 气体种类不同击穿电压就不同。通常当原子的电离能较低时，击穿电压的 值也较低。气体的纯度对于击穿电压有很大影响。当在纯气体中混入微量杂质气 体时，若两种气体问满足潘宁电离条件，混合气体可以产生潘宁电离过程，从而 可以增大空间的电离增长率，使气体击穿电压下降。放电中潘宁效应越强，击穿 电压下降越大，其影响关系与两种气体的性质和它们量的混合比有非常密切的关 系。如果混入气体是负电性气体，它可以吸附电子形成负离子，使在击穿中起主 导作用的电子浓度下降，空间电离系数减小，为了达到击穿条件，就要提高击穿 电压值。对于金属卤化物灯来说，由于存在碘化物，特别是汞和氢碘化物的存在 以及出离解的电子复合过程形成的带负电的碘离子，降低了放电空间的电子可用 性，使得产生所需的电子雪崩非常困难。 b 阴极材料表面状况与电极结构 阴极材料与表面状况的变化直接影响到正离子轰击下的二次电子发射系数 值的大小，从而影响到击穿电压的大小。阴极表面上吸附任何杂质都可对y 系 数产生一定的影响。一切有利于y 系数增大的措施都可使击穿电压降低。 由于电场对于汤生第电离系数a 有很大的影响，而阴极表面附近空间的 电场强度对于汤生第三电离系数有很大影响。在实际制造中，由于电极的结构、 形状、尺寸等，都会影响到放电空间中电场的分布，从而影响到击穿电压。 c 预电离 放电管电极| 1 | j 在未加击穿电压之前，由于外界电离源的作用，使气体空间形 成初始带电粒子的状态成为预电离。预电离越强，击穿电压越低。为此，通过采 用某些措施，可以改善放电空问自由电子的利用率，从而降低击穿电压。这些措 施包括： 在灯中放入放射性同位素，例如8 5 k x ，作为微量的惰性气体充 入灯中。其他的固体同位素，如1 4 7 p m 也可以使用。 用强紫外光照射阴极可产生光电子发射，用它照射气体可使气体 原子光电离。石英电弧管承受紫外辐射也会产生光电离现象。 在放电管内加入辅助电极，使得首先在辅助电极问产生预放电从 而使得整个放电管内产生预电离。 在灯的外玻壳中装置一个很小的电容耦合辉光放电管，这个辉光 放电管由外部触发器启动。 复l 1 人学坝i j 论文 第一章余卤灯概述及儿启动过程 4 通过以上的说明我们可以看出，在辉光放电阶段存在的阴极溅射是电极损耗 的主要过程。大量的研究也表明，阴极溅射的存在大大降低了金属卤化物灯 的使用寿命。为此，需要采取一些措施来减少阴极溅射过程。从某种意义上 来说，一个良好的光源的设计，就要求能够尽量减少光源启动过程中的辉光 放电持续时间。威莫斯和罗杰斯以及范维利给出了优化从辉光放电到弧光放 电的一般设计原则。特别是罗杰斯和范维利建议辉光电流、氩气压强和电极 表面的辉光面积应为最大：同时，辉光电压、电极热容量和电极功函数应该 为最小。 减少阴极溅射，延长光源寿命的措施可以分四个方面： a ) 光源制造工艺 i 采用先进的设备，对原材料和工序生产工艺进行分析和监控 讧 不断采用新设备、新工装进行工艺自动化 i i i 在电弧管生产过程中采用惰性气体保护技术 i v 电弧管生产过程中采用先进的质量检测法 b ) 光源制造用材料 i 采用真空熔炼技术，生产出低羟基的石英材料 i i 采用钨酸盐做金属卤化物灯的电子发射材料 越 利用不同的金属卤化物结合成的复合型金属卤化物一络合物 c ) 金属卤化物灯的结构刨新 i 改进电弧管结构 i i _ 改进灯的外壳 溉 开发新型结构的电极 d ) 灯用配套电器 几乎所有的研究都认为，灯的寿命更主要的取决于配套电器的匹配与否。 复口人学坝j j 论义 第三章金属卤化物灯的配套 乜器 藏三章衾溪奁 乞窃韵的聚餐邀器 1 3 1 1 1 5 i i l 6 l 1 8 l 1 配套魄器罩孛袭 正如在前面两章中提到的那样，由于气体放电光源的负伏安特性，需要使用 镇流器卅4 能使光源正常地燃点；另外对于金属卤化物灯来说，由于存猩碘化物， 形成了负电性，导致了光源的扁动电压较高。为此需要在光源启动的初期提供一 个比较离的超过竞源的癌动魄聪豹辣狰蜂毽电疆，以使光源癌动。麓够产生较高 酥洚峰 蠹毫压鹃器箨，逶常稔为簸发器。 1 ) 镇流器 镇流器的基本功能是防止电流失控和使灯在它的正常的电特性下进行工作。 镇流器必须效率高、结构简单、有利于灯的启动，对寿命无损害并保诚灯能稳定 翁动稠正鬻工作。 金瓣囊德戆嚣瓣镶滚器逶鬻分邀感镶浚器、c w a 镇漆器移毫予镶浚器三类。 器前琵眷越来越多的气体敝连船采露电子镇流器燃点，并有枢关磷究认力， 电子镇流器是小功率金属卤化物灯的最佳选择。气体放电灯的电子镇流器要具备 这样的三个功能：启动气体艘魄、点燃放电灯、脬蔽射频干扰。不过对于用于气 体放电灯嬲魄孑镇流器来说，存在一个所谓“声共缀”闻题。当频率越过1 k h z 时，裹强浚气传教毫蠢裁会交缮不稳定。这秘不稳定蛙疆稳凳声共摄。越过这个 频率时，灯功率的瞬时变仡会弹致等离子体温度的波动。因为气体滠魔和压强存 在着真按的关系， p = n i 汀 这样濑度的变化就会促使聪强变化，结果压力波动就会导致电弧变形。由于 邀弧敖电怒窳缚在嚣电援之麓，因j 耄霹鞋产生驻波。酒予声共振现象熬露在，在 适当频率辩，一个或蕊个周期建戬使电弧憋灭。嚣外，电弧形状斡变纯会改变放 电的化举平衡，可以导致灯光色、光强和电气特性的改变。 高频下高强度气体放电灯工作的关键是避免产，主强烈的声共振。目的有几种 克服声共搬的技术得到应用。种是频率跳断，一种燕用升降很快的方波束点灯， 还套。一耱镘用频率菲零毫的最竣渡来工撵。 频率魏断蹩翻爝普逶戆攀褥式换漉器来实褒鹃，换雾笼器静开关鬏攀可浚在形 成的驻波熊爨足够破坏电弧以瓣改变。最好是找到声共振谱上的安静暇域，这个 区域应谶宵足够的带宽以允许建立一个频率跳断窗口。这种技术的主袋困难取决 于二这个安静窗口的状况。不同厂家生产的气体放电灯的几何形状、尺寸和填充剂 戏分都不嬲，因此相同豹无声熬叛塞日要恕这些交能都考虑在内是不w 能麴。 裹强痰气薅馥惫蠢在j 鬻麓豹矮率下工终，一般兔1 0 0 i c h z 鼓上，遥鬻霹淤 避免声藏强观蒙。然而这是柱鼹用半桥式换流嚣来驱动放电灯工作，幽于在如此 1 9 复日人学坝l 论义第三章金属卤化物灯的配套电器 高的频率下功率损失，特别是三极管上的损失太大，因此利用半桥式换流器电路 工作是不切实际的。不过，利用共振模式开关技术工作可以克服这些问题。 由于方波电压加在放电灯上具有像电源加在电阻性负载上一样线性好的功 能的作用，用方波驱动高强度气体放电灯可以避免声共振。这是由于方波信号的 不变性，从而可以避免声共振。实际上，方波波形的上下转换会使功率波动，但 它的转换速率很快，所有这些功率波动的电网效应，不会以任何有效的方式干扰 电弧。方波工作可以用全桥式换流器来实现。 不过，最近有研究者对于“声共振”的观点提出了疑问。 “声共振”的观点认为，高频放电以两倍于放电的频率使电弧气体加热膨胀 并冷缩，气体的胀、缩过程产生了两倍于放电频率的压力波。当该声波波长与 h i d 灯的电弧管壳尺寸谐振时使电弧弯曲抖动，产生不稳定现象，在最低谐振频 率即声波频率低到其半波长正好和管壳尺寸相等时，放电不稳定现象最为严重， 这会使放电熄灭甚至电弧管炸裂。在放电不稳定时，研究者检测到了二倍于放电 频率的声波，但是在稳定的高频h i d 灯放电中检测不到声波。 对于“声共振”观点存在怀疑的研究者还产生了这样一个怀疑：即使产生了 声波，并形成了驻波，这种驻波又怎么可能使电弧以很低的频率抖动甚至熄灭 呢? 基于以上的问题和怀疑，这部分研究者认为：h i d 灯中的放电不稳定现象是 山于电弧等离予体振荡引起的。 当宏观中心的电弧等离子体出现局部点和分离时，分离的电子电荷将在过剩 的正离子电荷附近振荡并发射高频电磁波，离子则在电子电荷的反作用下在平衡 位置附近作低频振荡。 按照汤克斯郎缪等离子体理论，离子震荡的频率为： l j = n l 心+ t 2 a m l 瓦| x r , 式中 ，氏：( r r i m ，) 烂 为本征频率，放电条件下等离子体振荡频率可近似为 ；= ( 七正m ，) 烂五 式中k 为波尔兹曼常数，n 为等离子体密度，e 为电子电荷。t i 为离子质量， x 则为离子振荡振幅，因此九f 为离子速度。上式表明离子振荡频率取决于离 子温度。 在直流或低频放电情况下，离子振荡是一种随机微观过程，不同地点不同频 率的振荡此起彼伏，随机产生。频繁的碰撞使之迅速衰减，并不影响放电。但在 高频放电时，j 电源频率相近的离子振荡在高频电场作用下吸收电场能量，不断 复口人学坝i j 论史第三章盒属卤化物灯的配套i 也器 加强，最终形成了稳定的与放电频率同步并且笼罩整个电弧的离子振荡。这时电 荷分离使中性电弧的不同部位带不同电荷，与管壁的作用力失去平衡而使电弧扭 曲，电荷的强弱及在空间的位移使电弧抖动，电弧压降及电流的起伏使放电明暗 不定，_ r p = 重时电弧压降可能下降到放电维持电压以下或上升到超过电源电压，而 使放电熄灭。电弧弯曲过分严重时使电弧管壳局部软化，强度降低，高温高压气 体从软化部位喷出时电弧管将反向高速射出，灯管破裂。 离子是一种粒子，形成稳定振荡时将带动气体原子同步振荡，大量粒子的往 返摆动必然产生压力波- - _ 粒子声波，这就是在放电不稳定时检测到二倍于放电 频率的声波的原因所在。显然在放电稳定及没有产生离子振荡时是检测不到声波 的。 持这种观点的研究者认为：在产生了离子振荡以后，破坏所发射的声波的谐 扳条件是不可能消除离子振荡的。为使h i d 灯在高频状态下稳定工作，必须防止 稳定的等离子体振荡的产生。 f 因为电子镇流器存在上述不确定性，目前金卤灯镇流器更普遍采用的是其 余两种。根据2 2 0 v 电网电压的我国国情和节能照明要求，电感镇流器是最适宜 的镇流方式。 2 ) 触发器 对于金属卤化物灯来说，触发器的作用就是提供个高于电源电压的脉冲峰 值电压束启动光源。 在实际应用中，触发器一般与电感镇流器配套使用。 触发器的类别划分方法很多，按结构分有叠加脉冲型( 或称独立型) 和脉冲 发生型( 也称非独立型) 两种；按工作方式分有并连型、串联型、智能型和远距 离型：按脉冲波形分有单脉冲型和多脉冲型等。接通电源后，触发器通过振荡元 件、控制元件、储能元件产生一组连续的高压脉冲叠加在点灯回路，使灯点燃。 当灯点燃后由于灯电压低于触发器的开启电压，触发器自动停止工作或不再产生 高压脉冲。 叠加脉冲型触发器高压脉冲由触发器内部脉冲变压器升压产生，不需要借助 镇流器。它包括并连型、串联型、智能型、远距离型和热触发型。叠加脉冲型触 发器又分单脉冲型和多脉冲型。单脉冲型触发器在一个周期内只产生一个脉冲。 但是应用中发现这种单脉冲型触发器不适用于金卤灯点灯电路。它的触发能量有 限，较难正常触发燃点启动要求高的灯。多脉冲型触发器在一周期内可以产生两 个以上的有效脉冲，脉冲幅度恒定，不随电网波动变化。使用这种触发器可以有 利于灯泡的启动。 脉冲发生型触发器内部没有脉冲变压器，由抽头式镇流器提供升压。由于高 2 复口人学碳i j 论义第_ = 三章金属卤化物灯的配套i 也料 压由镇流器自身产生，这种触发方式对于镇流器的安全设计要求较高。 2 镇流器与触发器的配套燃点 在先前的一些研究中，使用了不同