（等离子体物理专业论文）35瓦汽车金卤灯用电子镇流器的研究.pdf

槿要大擎硕地文，；瓦汽车金鲋用屯子镇流器的研究 摘要 传统的汽车前大灯所用的卤钨灯由于光效低和寿命短等不足，已有被新型光 源替代的趋势，而其中3 5 w 的小功率金卤灯由于其高光效、长寿命、小型化和抗 震性强等特点是现有光源中最理想的替代产品。 本文就3 5 w 汽车前大灯用金卤灯的特性以及对相关电子镇流器的匹配性进 行探讨，并通过实验结果和理论分析，为完善3 5 w 金卤灯配套的电子镇流器的 研发提供参数要求和建议，使研发的镇流器具有最佳的输出匹配特性，并最终与 自主研发的3 5 w 汽车金卤灯配套一起推向市场。 文中首先对汽车前大灯用3 5 w 小功率金卤灯的特性进行概述，论述了金卤灯 的基本工作原理和放电启动建立的过程，然后结合3 5 w 汽车金卤灯的特点和启动 过程分析了电子镇流器的匹配。通过对于不同镇流器在冷启动条件、热启动条件 下的输出启动特性的比较，得出好的电子镇流器需要使得启动输出功率能够根据 灯启动条件的不同而有相应的合适功率输出。这样既能保证灯的正常快速启动， 又能避免过多的损害金卤灯的电极。对于镇流器稳态工作时的参数对比和分析得 到3 5 w 电子镇流器的电效率必须达到8 0 以上，同时电子镇流器必须保证灯能够 稳定的燃点和快速的启动。 通过不断的改进以及测试比较，我们现合作研发的3 5 w 汽车金卤灯用电子镇 流器e b m 一1 2 已基本接近了国外先进的同类电子镇流器的水平，并制定了相应的 参数标准。继续完善现研发的3 5 w 汽车金卤灯用电子镇流器，对于将来能替代进 口电子镇流器，将国产3 5 w 汽车金卤灯用电子镇流器全面应用的前景非常的看 好。 关键词：汽车前大灯金卤灯电子镇流器 中图分类号：0 5 3 饭量大擎硕地文 3 5 瓦汽车金卤灯用电子镇流器的研究 s t u d yo fe l e c t r o n i cb a l l a s tu s e di n3 5 wa u t o m o b i l em e t a lh a l i d el a m p a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a l h a l o g e nl i g h t su s e di nh e a d l i g h to fa u t o m o b i l e sw i l l b e d i s p l a c e db yn e wl i g h ts o u r c e sd u et oi t s1 0 we f f i c i e n c ya n d1 0 w1 i f et i m e a m o n g t h eh a l o g e n s ，t h e3 5 wl o wp o w e rm e t a lh a l i d el a m pi sm o s tp r o m isj n gb e c a u s eo fi t s h i g he f f i c i e n c y ，l o n g1 i r et i m e a n db e t t e rs h o c k p r o o fp r o p e r t ie s i nt h i ss t u d y ，t h ec h a r a c t e r i s t i e sa n dr e l a t i v eb a l l a s t sm a t c h i n gp r o p e r t i e s o f3 5 wm e t a lh a l i d el a m p su s e di nh e a d l i g h to fa u t o m o b i l e sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d b o t he x p e r i m e n t sa n dt h e o r e t i c a ls t u d i e sa r e g i v e ni no r d e rt oc o m p l e m e n tt h e r e s e a r c hf o rc o r r e s p o n d i n ge l e c t r o n i cb a l l a s t s ，w h i c hm a k et h eb a l l a s t sh a v eb e t t e r m a t c h i n gp r o p e r t i e sa n dm a k ei tp o s s i b l ef o r3 5 wm e t a lh a l i d el a m p st ob ea v a i l a b l e o nt h em a r k e t f i r s tt h ep r o p e r tje so f3 5 wj o wp o w e rm e t a lh a i d e a m pu s e da sa u t o m o h il e h e a d l i g h ta r ed e s c r i b e d ，i n c l u d i n gt h ep r i n c i p l ea n dd i s c h a r g ep r o c e s s t h e nt h e m a t c h i n gp r o p e r t i e so fi g n i t i o nc i r c u i ta r ea n a l y z e dg i v e nb yt h ec h a r a c t e r i s t i c s o ft h em e t a lh a l i d el a m pa n di g n i t i o np r o c e s s w i t ht h ec o m p a r is o nb e t w e e nt h eo u t p u t c h a r a c t e r l s t i c so fd i f f e r e n tb a l l a s tu n d e rc o o li g n i t i o na n dh o ti g n i t i o n ，itis c o n c l u d e dt h a tg o o de l e c t r o n i cb a l l a s ts h o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n lt h a tt h eo u t p u t p o w e rc a nv a r yw i t hd i f f e r e n ts t a r t u pe n v i r o n m e n t ，w h i c hi n s u r e st h a tt h el a m pc a n b es w i t c h e do nq u i c k l ya n da v oj de x c e s s i v eh a r m f u le l e c t r o d e sa sw e l l t h ep o w e r e f f i c i e n c ym a s t r e a c h8 0 a n da b o v ea c c o r d i n gt ot h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h e p a r a m e t e r so ft h eb a l l a s ts t a b l es t a t e a tt h es a m et i m es t a b l ei g n i t i o na n df a s t s t a r t u ps h o u l db eg u a r a n t e e df o re l e c t r o n i cb a l l a s t w i t hc o n t i n u o u si m p r o v e m e n t sa n dt e s t i n g ，t h ec o o p e r a t e d m a d ee l e c t r o n i c b a l l a s te b m 1 2u s e di n3 5 wa u t o m o b i eh a l o g e n sh a sa p p r o a c h e dt ot h ei n t e r n a ti o n a l s t a n d a r d s ，w h i c hw i l lb ev i t a li nr e p l a c i n gt h ei m p o r t e de l e c t r o n i cb a l l a s t s t h e p r o s p e c ti sp r o s p e r o u sa n dp r o m i s i n gt h a td o m e s t i ce l e c t r o n i cb a l l a s t su s e di n3 5 w a u t o m o b i l em e t a lh a l i d el a m p sa r ef u l l ye m p l o y e di nt h ea p p l i c a t i o n s k e ，w o r d s ：a u t o m o b i l eh e a d l i g h t ,m e t a lh a l i d e1 8 t 仇e l e c t r o n i cl 硒l l a s t c l c：0 6 3 4 饭旦大学 硕士论文3 5 瓦汽车金卤灯用电子镇流器的研究 引言 l - 3 5 瓦汽车金卤灯用电子镇流器研究的背景 传统轿车前大灯光源大都采用热辐射( 钨丝通电加热) 发光原理的卤钨灯系 列，其主要不足之处是发光效率低( 红外辐射为主) 和寿命短。当前油价飞涨和 日益加剧的环境污染状况，迫使人们提高了对节约能源重要性的认识。同时随着 人类文明的不断发展和生活节奏的加快，高速公路和高性能汽车的发展日新月 异，随之而来的便是汽车行驶安全问题的考虑。解决该难题的主要课题之一，是 要求前大灯照明光源产生的照射距离更远，照射的光色更舒适以及被照区域的清 晰度更高。同时又不能加大前照光源的功耗，以免增加由此带来的油耗。 综合比较，气体放电光源具有更高的发光效率和更长的寿命。寻找合适的气 体放电光源来替代传统卤钨灯，既可减少污染、又可提高行车安全。 目前3 5 瓦小功率金属卤化物灯是最理想的替代光源。金属卤化物灯( 简称 金卤灯) 是高强度气体放电灯的一种，是在高压汞灯中充入金属卤化物发展而来 的。在放电管的电弧中心高温处金属卤化物分解为金属原予和卤素原子，金属原 子参与放电并发射出特征光谱，这些谱线增加了灯光的红色成分，因而大大提高 了灯的显色性。再加上其高光效、寿命长等特点，在绿色照明工程的推广与发展 过程中，金卤灯越来越成为其中重要的一员。 表1 汽车金卤灯和卤钨灯的光电性能比较 光源卤钨灯 金卤灯 光色黄色 白色蓝白蓝色紫色 发光体 灯丝气体放电正柱气体放电正柱 气体放电正柱 气体放电正柱 功率 5 5 w3 5 w3 5 w 3 5 w3 5 w 光通量 1 5 0 0 l m3 2 0 0i m2 7 0 0l m2 4 0 0i m2 2 0 01 m 光效 2 71 m w9 1l m w7 71 i i 】w6 9l m w6 3l m w 亮度2 0 0 0 c d c m 2 10 0 0 0 c d c m 21 0 0 0 0 c d c m 2 1 0 0 0 0 c d c m 21 0 0 0 0 c d e m 2 色温 2 8 0 0 k3 2 0 0 k6 0 0 0 k8 0 0 0 k1 0 0 0 0 k 寿命 3 0 0 h r s2 0 0 0 h r s2 0 0 0 h r s2 0 0 0 h r s2 0 0 0 h r s 税旦大擎 硕士论文 ，瓦汽车金卤灯用电子镇流器的研究 表l 为3 5 w 汽车金卤灯与传统h l 汽车卤钨灯的光电性能比较。图l 则显示 了3 5 w 汽车金卤灯和5 5 w 卤钨灯夜间照明对比。 5 5 w 卤钨灯3 5 w 金卤灯 图1 3 5 w 汽车金卤灯和5 5 w 卤钨灯夜间照明对比 由表l 和图1 的比较，我们不难看出3 5 w 汽车金卤灯的优点为： 1 ) 在功耗仅一半的条件下，相似色温灯的金卤灯光通量输出和亮度分别是h 1 卤 钨灯的2 倍和5 倍； 2 ) 金卤灯寿命是h 1 卤钨灯寿命的近1 0 倍，在汽车自身寿命期间无需更换光源， 节约了维修费： 3 ) 光色更自，照射视野更远更宽，减轻驾驶员的疲劳，保证行车安全： 4 ) 发光体减小，使反射器可采用体积更小的自由曲面设计。由于汽车行驶中近 4 0 的能耗用于克服空气的阻力，因此更小的前大灯可使流线型车型成为可 行，达到节油的目的： 5 ) 光谱输出中红外和紫外的输出很小，可使用更便宜的塑料类材料来制造前大 狠旦大擎硕士做觚汽车金洲电子谈流器的研究 灯的反射器和附件； 6 ) 金卤灯没有灯丝，在苛刻的路面条件下，不会因为灯丝的耐震性差而产生出 射光偏离或寿命突然终结的问题。 在现阶段的全球汽车市场中，3 5 瓦汽车金卤灯不只是高级豪华轿车( 如奔 驰、宝马、标致、奥迪、丰田、尼桑等) 的宠儿，更是平价车最炙手可热的配件。 世界各大车厂争相将其列为原配件的主要原因，就在于其照射亮度是卤钨灯的5 倍以上，更能精确地掌握前方的路况，提升了夜间行车的安全性，也大大降低了 前大灯亮度不足导致的疲劳感。 3 5 瓦汽车金卤灯的光色接近太阳光，对眼睛不会产生刺激，增加了夜间行 使的可视度，为驾驶员确保了更广、更远的视野范围。这使得驾驶员的身体疲劳 程度大幅下降，并能在更为恶劣的气候条件下看清路面。调查显示。在夜间发生 的交通事故中，5 0 以上是由于照明不当造成，而高龄者( 4 5 岁以上) 比年轻驾 驶员更需要1 0 倍以上的光照度。 同时，3 5 瓦汽车金卤灯的发光体和整灯体积更小，其配套的反射器可采用 自由曲面，即前大灯的总成将变得更小巧。由此使轿车在保持车体积不增大的情 况下，其车型可更呈流线型状，使耗在行驶中空气阻力上将近4 0 的油耗值大大 下降：再加上其自身的功耗( 传统灯为6 8 w ) 下降一半，采用该新型光源的节能 效果是显而易见的，其对环境保护的社会意义更是巨大的。 改革开放以来，中国的国力和人民的生活水准得到了极大的提高。汽车工业 已成为我国国民经济的支柱产业。我国拥有的汽车总量和生产能力也有了飞跃发 展。与世界发达国家相比。美国户均拥有1 8 5 辆汽车，日本2 亿多人口拥有7 2 3 0 万辆汽车，而拥有1 3 亿人口的中国只有1 2 5 0 万辆汽车，其市场潜力是巨大的( 世 界各大汽车制造商进入中国的原因所在) 。由于3 5 瓦汽车前大灯用金卤灯具有如 此多的优点。各大汽车制造商都把该光源作为前大灯的酋选光源。如日本年产 1 3 2 0 万辆轿车中的4 0 在未来的5 年内将采用金卤灯。中国的汽车年生产能力己 达到3 5 0 万辆以上，汽车市场竞争也己呈白热化程度，各种新车型不断涌现，再 加上我国地大物博，高速公路发展迅速，配备3 5 瓦金卤灯作为前大灯( 目前国 产奥迪a 6 车和帕萨特车已配备) 也将成为必然趋势。作为决定灯综合性能的关 键配件电子镇流器也必将大有用武之地。 援旦大擎黜黻 ，一 2 国内外研究现状和发展趋势 鉴于3 5 瓦金卤灯的突出优点，国际上各大照明公司和车灯灯具公司相继投 入巨资研究和开发这一光源。欧共体在1 9 8 8 年就启动了名为“v e d i l i s ” ( v e h i c l ed i s c h a r g el i g h ts y s t e m ) 的e u r e k ap r o j e c t2 7 3 计划，组织了欧 共体内的7 大公司( t h o r n ，p h i l i p s ，h e l l a ，b o s c h ，o s r a m ，v a l e o 和m a g n e t i m a r e l l i ) ，就发光光源、电子镇流器、灯具等方面协作攻关，花了4 年半时间完 成了该前大灯体系的开发，现己占领世界的主要市场。目前，该3 5 瓦金卤灯发 光光源以荷兰飞利浦公司为主要生产商。日本松下公司，小糸车灯公司和斯坦雷 公司等也相继投入力量，开发或正在开发这一体系，准备抢占市场份额。 国内除台湾有两厂家正在开发完善外，大陆也有三家企业投入了这一领域的 开发和生产。汽车工业是我国的支柱产业，汽车的升级换代迅速；中国加入w t o 后，汽车工业面临的技术压力也与日俱增，建立具有自己特色的相关生产技术和 生产规模，提高性价比来替代进口产品，其经济意义和社会意义重大。 四年前国际专家估计3 5 瓦汽车前大灯用金卤灯的市场需求量约为2 0 0 0 5 0 0 0 万套( 一套左右共两只) ，其中亚洲市场约占一半，北美市场也占4 0 左右。 据统计，2 0 0 1 年世界市场销售已达1 4 0 0 万套，预计2 0 0 5 年需求量将达到4 0 0 0 套。近年来，该光源的优点越来越被接受，新车和零售市场的份额越来越大，市 场前景一片光明。 3 研究的内容和工作 件 根据实际使用要求，3 5 瓦小功率金卤灯用作前大灯光源需满足以下三个条 ( 1 ) 瞬时的强光输出和热启动： ( 2 ) 极低的紫外输出，以防止灯具其他部件的老化； ( 3 ) 光输出的一致性，包括不同冷热启动状态下光输出的一致性。 除了用严格的制灯工艺来满足上述要求外，条件( 1 ) 和条件( 3 ) 还需配制 专用电子镇流器来满足。3 5 瓦汽车金卤灯的管压越高，其发光效率也越高；3 5 瓦汽车金卤灯属高强度气体放电灯，必须充入高压氙气以解决传统h i d 光源的光 稳定时间过长的问题：汽车用光源必须随开随关，但汽车电源电压只有1 2 伏， 因此3 5 w 汽车金卤灯需要有特殊的电子镇流器来燃点，才能保证任何时刻下的瞬 饭旦大学 硕士论文3 5 瓦汽车金卤灯用电子镇流器的研究 时强光输出及其稳定性。 本文就3 5 w 汽车前大灯用金卤灯的特性以及对相关电子镇流器的匹配性进 行探讨，并通过实验结果和理论分析，为完善3 5 w 金卤灯配套的电子镇流器的 研发提供参数要求和建议，使研发的镇流器具有最佳的输出匹配特性，并最终与 自主研发的3 5 w 汽车金卤灯配套一起推向市场。 9 饭旦大擎 硕士论文3 5 瓦汽车盒卣灯用电子镇流器的研究 第一章汽车前大灯用3 5 w 小功率金卤灯的特性概述 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性能的进程中得到发展的。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，人们通过在灯外壳涂敷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 灯来说，在涂敷荧光粉后它的光效可以从5 0 流明瓦提高到6 0 流明瓦。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气体放电发光 和热辐射发光的能量分配所预期的光效值还要低。因为灯丝是一个电阻性镇漉 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。 因此高压汞灯虽然有比较高的光效，但其光色较差。它的光色偏蓝一绿，缺 少红色成分，g a ( 显色指数) 只有2 0 左右。为改善高压汞灯的颜色，除采用荧光 粉或与钨丝灯混合使用外，人们曾试图将一些金属加到高压汞灯中去，利用金属 发出的特征谱线，填补汞谱线的空白，增办口灯光的红色成分。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的比汞 光谱线的平均激发态能量低。 然而，这方面的工作遇到了两个困难。首先，大多数金属的蒸气压很低，在 石英泡壳通常的工作温度( 约1 0 0 0 k ) 下，只有少数几种金属的蒸气压在1 0 0 p a 饭旦大擎 硕士论文3 5 瓦汽车金卣灯用电子镇流器的研究 以上( 锶、镁、锌、镉、铯在1 0 0 0 k 时的蒸气压分别为0 1 ，1 ，1 0 ，4 0 ，1 3 0 k p a ) 。 这样，电弧中金属原子的浓度太低，不能产生有效的辐射。其次，蒸气压较高的 那些金属，有不少( 如镁、锶以及铯等碱金属) 要与石英玻璃发生化学反应，使 泡壳损坏。于是，能添加的金属只剩下锌和镉了。实验发现，锌对光色并无改善： 镉虽然增加了一些红光，但因为其余可见谱线位于蓝色区域，所以灯的光效仍较 低。 在2 0 世纪6 0 年代前期，一些实验发现可以在汞蒸气放电中加入某些金属的 卤化物来提高该金属卤化物的蒸气压，从而达到提高灯的光效与显色性的目的。 金属卤化物灯和高压钠灯一样，是继白炽灯、荧光灯之后的第三代光源。 当金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。由于电弧中心金属原子和卤素原子的浓度较高，他们又向着管壁扩散， 经过电弧空间并在较冷的电弧管壁区域又重新复合生成卤化物。复合过程是非常 重要的，它避免了化学性质活泼的金属对电弧管壁的侵蚀。就这样，靠这种循环， 不断向电弧提供足够浓度的金属原予，同时又避免了金属在管壁上的沉积。 能促进上述循环作用的金属卤化物的特性归纳如下： 金属卤化物的蒸气压一般都比金属自身的蒸气压高得多。几乎所有的金 属卤化物在1 0 0 0 k 时的蒸气压都大于1 0 0 p a 。这对产生有效辐射已经足 够高了。 在电弧管壁温度下，卤化物是稳定的，除了氟化物、氯化物和部分溴化 物以外，都不会与石英玻璃发生明显的化学作用。所以添加金属卤化物 能有效地克服添加纯金属时所碰到的上述两个困难。 在室温时蒸气压低。由于所有的卤化物都要俘获自由电子，形成负离子， 使灯启动困难，因此要求它们在室温时的蒸气压必须很低。 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 种金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，在高压汞灯中添加金属卤化物的作 攫里大擎硕士做，瓦汽辁电子镇流釉硼 用就是为了提高显色性和光效。 l - 2 金属卤化物灯的放电启动和建立 金属卤化物灯的启动分四个基本阶段：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：然后是辉 光放电到弧光放电的过渡；最后是热电子电弧放电。 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。图 l - l 描述了在直流放电情况下气体放电灯点燃过程的伏安特性曲线。 图l 一1 典型气体放电的伏安特性曲线 ( 其中横坐标表示电流，纵坐标表示电压) 从上图中我们可以看到在整个点燃过程中经历了以下几个阶段 1 2 1 气体击穿 放电管内一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1 1 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。 槿旦火肇 硕士论文3 5 瓦汽车金卤灯用电子镇流器的研究 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 电极间电场较强，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a 过程。考虑到a 、y 过程，此时的 放电电流密度符合下面给出的公式( 1 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o 、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。 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，从电场获锝最够高的能量，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，从而使空间产生新的带电粒子，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，电位面积上发射r i 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面单位面积上发射出 来的1 3 。个电子，由于n 过程，电子浓度在空间随x 距离按指数规律增长 n = t o e 。，因此单位时间跑上阳极单位面积的电子数为： 。= h o e 卅 ( 1 - 2 - 1 ) 相应的电子流密度为： j 。= j o e 卅 ( 1 - 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。 若单位时间内、阴极表面单位面积上发射n o 个电子，由于a 过程由式( 1 - 2 1 ) 可知，到达阳极表面的电子数玎。= ? t o e “，因此在放电空间新产生的电予数为 n 。一= n 0 0 “一1 ) ( 1 - 2 3 ) a 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( 1 - 2 3 ) 表明的电子数也是放电空问新产生的 援旦大擎 硕士论文3 5 瓦汽车金卤灯用电子镇流器的研究 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 竹o ( e 。“一1 ) 由此可知，若外界电离因素使得阴极表面在单位时间、单位面积上有n o 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 电子发射，从而使阴极发射增强。同理，阴极发射的电予在空间又雪崩增长，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，便气体导电率不断增加。 令 = yo ( e “一1 ) ( 1 - 2 4 ) 经过很多周期后单位时间内到达阳极的电子数为 。= 胛。口。( 1 + p + a2 + 芦+ - - ) ( 1 - 2 - 5 ) 当 1 时，其极限值为 y t ：生：堂：) a l 一 l 一 相应的阳极电流密度 h 出! 竺 。1 一r ( e “一1 、 对于上式，当分母趋于零时，j 。将趋于无限大 电。由此可以得到自持放电的条件为 y ( e 耐一n = 1 ( 1 2 7 ) 这意味着放电转变为自持放 上式就是自持放电的判据，同时也是气体击穿的判据。 ( 1 2 8 ) 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问带电粒子不断增多，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间电荷为止。阳极上的传导电 槿旦史肇 硕士论文3 5 瓦汽车金卤灯用电子镇流器的研究 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 可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 粒子空间电荷占优势，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 _ d e ：4 巧d ( 1 2 9 ) o x 式中p 是净空间电荷，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。 在空间电荷的影响下，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，放电管内两电极间 的电压降下降。 当放电管电极间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 c h e n ) 定律：在冷阴极、均匀电场的 条件下，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 化时，击穿电压有最小值。 1 2 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1 - 1 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1 1 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。 正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 般可以分为四个区域：阴极区，过渡区，正柱区，阳极区。其中阴极区是必要的 糍重大擎 硕士论文3 5 瓦汽车金卤灯用电子镇流器的研究 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，但是正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。 正柱区电位分布是线性的，电场是均匀分布的且较弱；正柱区内正离子与电 子浓度相等，是一个非等温的等离子体。 正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 小又是由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。因此正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，从而形成管壁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子以及其他粒子的激烈轰击，这将 造成阴极金属表面不断被侵蚀，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。 根据有关的研究，阴极溅射符合以下规律： 曲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 降低，溅射粒子的运动就越具有扩散的特性，使得一部分粒子返回 阴极。所以在相同条件下，气压越高，阴极溅射越小。 b 1 轰击阴极的正离子质量越大，阴极溅射越厉害。 c ) 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( 】一2 1 0 ) n ? 式中n i 为轰击阴极金属表面的粒子数，n a 为金属溅射的粒子数。溅射系数 越大，溅射越强。z 与气体压力、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则增加。 援旦大擎硕士论文觚汽车金卤灯用电子镇流器的研究 由于溅射现象的存在，导致电极材料的损耗，从而最终影响到了金属卤化物 灯的寿命。 1 2 3 辉光放电到弧光放电的过渡 如果通过减小外电路电阻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厦积增大，而电极间电压保持不变。当整个阴极表 面都产生电子发射后，电流进一步增加，极间电压就增加。如果继续增大电流， 就可以发现极间电压经过一个最大值以后急剧下降，并过渡到低电压、大电流放 电，即到达弧光放电阶段。 之所以会产生这样一个现象，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 发射比正粒子轰击阴极的二次电子发射有效的多，这相当于正粒子轰击阴极打出 的电子数增加了，或者说t 系数大大增加，从而使阴极位降降低，管压降降低。 此时阴极位降数值只要保持使放电阴极区放出的能量足够维持阴极热电子发射 所需的温度。 l _ 2 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。就是过渡区开始和辉光放电终止时。而当全部电流由热电子发射供给时，弧 光放电过程开始了。 弧光放电的特征如下： a ) 高电流密度 b ) 低阴极位降 c ) 高发光度 一般自持热阴极弧光放电的伏安特性大致如图l - 2 所示。从图中我们可以看 到，随着放电电流的增加，极间电压降下降，伏安特性曲线的斜率是负的，称为 负伏安特性。 後旦火擎 硕士论文，瓦汽车金卤灯用电子镇流器的研究 电 压 ，- 、 电流( i ) 图1 2 负伏安特性曲线 自持热阴极弧光放电的负伏安特性主要是由于随着电流的增加轴向电场强 度e l 减小所反映出来的。 在平衡状态下，单位长度正柱区中消耗的功率为i 。e l ，这一功率中部分用以 产生电离来补偿带电粒子符合所造成的损失，另一部分则消耗于辐射、对流和传 导等。 正柱区中带电粒子的产生主要是靠电子和基态原子碰撞电离及电子和激发 原子碰撞电离( 逐次电离) 。随着放电电流的增加，逐次电离作用更加重要。由 于逐次电离发生次数正比于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 ) 。 正柱区中带电粒子的损失主要有两种形式，即管壁复合和体积复合。管壁 复合速率与i 成正比。体积复合速率与1 2 成正比。若放电管管径小，气压高，则 以体积复合为主。 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，当电流增加时，必须减少电离碰 撞次数，即必须降低电子温度t e ，也即必须减小轴向电场强度e l ，使管压降v 下降。 由以上的说明可以看出，这样的一种放电过程，其伏安特性应该是负的。 在弧光放电应用中，如果伏安特性为负会带来一些问题。为了使放电灯稳 定工 乍，通常必须使用镇流器。 以上所说的弧光放电过程是相对于直流情况丽言的。在交流情况下，弧光 援旦夫擎硕士论文3 5 瓦汽车金卤灯用电子镇流器的研究 放电的伏安特性与直流情况下的伏安特性有很大差别。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，电流在一个周期内 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 个电极交替的充当阳极和阴极，放电的区域也随着周期性的变化。 当两电极相同时，则可以将放电区域看成是对称的，阴极区在两电极附近， 正柱区刚处于他们的中间，其交流电孤的伏安特性曲线如图1 3 所示。从o 到a 这段曲线相当于非自持放电，从a 点开始放电着火，并过渡到自持放电。a b 段，放电电流很快随着电源电压增加而增加，伏安特性是负的。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 后，随着电源电压进一步减小，非自持放电的电流也将减小，直至为零。电源电 压经过零点以后，原来的阳极变为阴极，伏安特性曲线在相反符号的电压、电流 下重复原来的情况。 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，要求管内电 流也很快增加，但管内带电粒子浓度不能立即增大，即电离碰撞次数跟不上，因 此管压降情况比直流情况下要大一些。在电源电压下降时，要求电流也跟着下降， 但由于消电离滞后，使管压降小于直流情况下的数值。直流情况下的伏安特性曲 线介于a b 和b c 之间。 垒彰。 t ? 一 弋 图1 3 交流燃点情况下的伏安特性曲线 9 ， 狠旦火擎 颁士论文3 5 瓦汽车盘卤灯用电子镇流器的研究 1 33 6 1 汽车金卤灯的特点 1 3 13 5 w 汽车金卤灯的难点 图卜4 为目前用作汽车前大灯光源的3 5 w 金卤灯系列d ”和d 。前者主要 用于反射型的前大灯体系，而后者用于投射式的前大灯体系。两者的主要区别仅 在于d 。在外壳的一定位置上涂有光输出的遮挡层，以满足出射光的要求。( 如 图1 - 4 所示) 3 5 w 小功率汽车金卤灯的体积一般都很小。例如，与中功率的2 5 0 w 金卤 灯相比，3 5 w 灯的表面积只是2 5 0 w 灯的6 4 ，而放电腔体积仅占后者的1 6 。 由于放电腔体小其管壁负载2 0 3 0 w c m 2 ( 高于照明金卤灯的w s = 1 0 一1 5 w c m 2 ) ，因此管壁温度比较高，燃点时金属的卤化物蒸汽压也比较高。但放电腔 体积的缩小使得3 5 w 金卤灯的制造产生许多新的难点。 1 放电腔体积的缩小将引起相对杂质浓度的增加 因不可避免的卤化物吸潮等原因，进入灯内的杂质气体浓度将随着灯功率的 减小而上升。这些杂质气体的种类主要为氢的负离子或分子，其直接后果不仅造 成发黑现象的加剧，更主要的是引起启动电压和重复着火电压的升高。 a d 2 r 图1 - 43 5 瓦汽车金卤灯 b d 2 s 2 放电腔体积减小造成消电离速率和热传导损耗的增大 小功率金卤灯的直径小，温度梯度的上升使热耗增大，相应的热电离产生的 饭旦大挚硕士敞，瓦汽车金卣胴电子镇潇跏撇 带电离子数将减少；直径的减少也使由双极性扩散造成的带电离子数损失增加。 在工频电源下，原有的带电离子在每半周过零的时间内几乎被全部消除。这是小 功率金卤灯具有高重复着火电压的又原因。 3 放电腔体积的减小还易引起泡壁发黑程度的加剧和析晶现象的产生 金卤灯点燃期间，电极材料在启动过程中的溅射和正常点燃时的蒸发损失， 包括电极中所含杂质在此期间的逸出，将使放电腔内壁产生一定程度的发黑现 象。放电腔体积越小，造成相同发黑程度所需的时间就越短。若电极材料选择不 当或电极参数不尽合理，其发黑程度将明显加剧，从而造成很差的光维持性。发 黑严重处因过量的吸热还会造成该处过早地产生析晶现象，使灯的寿命下降。 4 较小的电流参数需要较高的重复着火电压 实验表明重复着火电压的大小还与灯电流有关，灯的启动电流和工作电流越 大。相应时间内其重复着火电压值越低。而小功率金卤灯相应的电流参数较小， 所需的重复着火电压值较大，若该灯还存在着卤化物吸潮的问题，其数值将更大， 最终将因太高的重复着火电压值难以满足而熄灭。此类现象在灯的w a r n - i u p 过 程中更易发生。 以上所述主要涉及小功率金卤灯燃点时相对大功率灯而言更易发生的问题， 也是决定小功率金卤灯寿命的关键所在。此外，为保证光电参数的一致性，小功 率金卤灯的电弧管几何尺寸偏差范围、电极位置的正确定位、以及填充物数量的 严格控制问题。也因腔体变小而成为主要矛盾，所以小功率的金卤灯在工艺上很 有多的难点。 1 3 23 5 w 汽车金卤灯的参数设计 1 管壁负载w s 的选择 w s 越大，光效越高。小功率金卤灯的管压降相对较低，其电极损耗占灯功 率的比例大。小功率灯的w s 必须增大，以保证足够高的光效。但如果w s 过高， 石英的析晶现象容易产生，从而对寿命不利。考虑到汽车光源燃点的间歇性，3 0 0 0 小时的寿命己足够使用1 0 年左右的时间，因此3 5 w 金卤灯的管壁负载通常取在 2 0 一3 5w c m 2 间的较高范围内，以得到行驶中更清晰的照射效果。 饭旦大学 硕士论文3 5 瓦汽车金卤灯用电子镇流器的研究 2 单位弧长输入功率p l 。的选取 单位弧长输入功率p l l 越高，电极损耗所占的比例越小，即光效越高。通常 金卤灯的p l l 娟0 一1 5 0w c m 。p l l 小，t w 低，光效低但寿命长；p l l 的选取太 大，则t w 高，光效高但寿命短。由此，3 5 w 小功率灯的p l l 值一般选中间值， p l l = 9 0w c m 。 3 电弧管极距l 和最大内径d 的比值选取 通常l ，d 的