（光学工程专业论文）小功率金卤灯再启动特性测试技术的研究.pdf

摘要 小功率金卤灯再启动特性测试技术的研究 摘要 金属卤化物灯作为第三代光源，具有显色性佳，高发光效率、长寿命等优点。随着金属卤化物 灯的发展，人们迫切地需要更为方便有效的测试手段以鉴别金卤灯内在品质的优劣。金属卤化物灯 再启动特性的一系列参数( 包括管压降、再启动电压尖峰、再启动电压、最低灯电压等) 是金卤灯 内杂质程度、电极结构等灯内在品质的综合反映。作者在深入分析金卤灯启动再启动机理的基础上， 重点研究了金卤灯再启动特性测试技术。 文章首先介绍了金属卤化物灯的主要特点、应用及研究概况，并介绍了金卤灯电参数测试的基 本理论；研究了金卤灯的启动机理、配套电路，以及二者间的关系；阐述了金卤灯再启动特性机理 与再启动特性测试的主要参数。 文章随后重点介绍了专用的金属卤化物灯再启动测试系统，并对其硬件、软件的关键性技术进 行了详细分析。硬件上，重点介绍了接口板电路：针对系统中模块间可能存在干扰的问题，研究了 模拟信号隔离的方法，最终验证了光电耦合器隔离法和仪表运放隔离法在接口电路中的可行性；将 电流互感开关的概念引入接口电路中，提高了灯启动后最低灯电压测量的可靠性。软件上，分析了 系统初始化、数据采样、数据动态显示、数据计算与处理、数据存储等各模块的实现方法。 文章最后利用再启动测试系统对1 5 0 瓦金卤灯进行了实测，分析了测试结果，对系统做出了评 价总结。 关键词：金属卤化物灯；再启动特性；测试技术；隔离：电流互感开关 东南人学硕十学位论文 s t u d i e so nt h et e s tt e c h n o l o g yo ft h er e s t a r tc h a r a c t e r i s t i c so f l o w - p o w e r m h l a m p a b s t r a c t t h em e t a lh a l i d e ( m h ) l a m pi so n ek i n do ft h et h i r dg e n e r a t i o nl i g h ts o u r c e s i th a sm a n ya d v a n t a g e s s u c ha sg o o dc o l o rr e n d e r i n g , h i g he f f i c a c y , a n d l o n gl i f e a st h ed e v e l o p m e n to fm hl a m p ，u r g e n t r e q u i r e m e n t sf o rm o r ec o n v e n i e n ta n dr e l i a b l em e t h o d sf o rt h eq u a l i t yt e s to fm hl a m ph a v ea r i s e d t h e p a r a m e t e r so fr e - s t a r t i n gp e r f o r m a n c eo fm hl a m p ，i n c l u d i n gl a m pv o l t a g ew a v e f o r m ，r e - i g n i t i o nv o l t a g e s p i k e ，r e i g n i t i o nv o l t a g e ，m i n i m u mv o l t a g ee t c ，i n d i c a t et h ei n h e r e n tq u a l i t i e s o ft h el a m p ，s u c ha s i m p u r i t i e sd e g r e e ，e l e c t r o d e ss t r u c t u r ea n ds oo n o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h es t a r t i n ga n dr e 。s t a r t i n g m e c h a n i s mo fm hl a m p ，t h ea u t h o rs t u d i e so nt h et e s tt e c h n o l o g yo ft h er e - s t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm h l a m p f i r s t l y , t h ep o i n t sl i s t e d b e l o wa r es t u d i e di nt h i st h e s i s ：1 ) p r i m ec h a r a c t e r i s t i c so fm i dl a m p 2 ) a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fm hl a m p 3 ) t h e o r yo ft e s t i n ge l e c t r i c a lp a r a m e t e r so fm hl a m p 4 ) s t a r t i n g m e c h a n i s m s s u p p o r tc i r c u i to fm hl a m p sa n dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h e m 5 ) m e c h a n i s m sa n dp a r a m e t e r s o fr e s t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm hl a m p s e c o n d l y , ar e - s t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c st e s ts y s t e mf o rm hl a m pi sd e v e l o p e do nt h eb a s eo fa b o v e r e s e a r c h i nt h i st h e s i s ，p i v o t a lh a r d w a r ea n ds o f t w a r et e c h n i q u e so ft h et e s ts y s t e ma r ei n t r o d u c e d w i t h r e s p e c tt oh a r d w a r e ，t h i st h e s i sm a k e sa n a l y s i so f av a r i e t yo fa n a l o gi s o l a t i o nt e c h n o l o g i e s ，a n dp r o v e st h e f e a s i b i l i t yo fi n s t r u m e n ta m p l i f i e rm e t h o da n do p t o c o u p l e rm e t h o df o rt h el a m pv o l t a g es i g n a li s o l a t i o n b e t w e e nl a m pc i r c u i ta n dc o m p u t e rs y s t e m b e s i d e s ，t h ea u t h o rb r i n g st h ec o n c e p to fm u t u a li n d u c t a n c e s w i t c hi n t ot h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e r f a c eb o a r d ，w h i c hi m p r o v e st h er e l i a b i l i t yo ft h el a m pm i n i m u m v o l t a g em e a s u r e o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e a l i z a t i o no fs e v e r a li m p o r t a n ts o f t w a r em o d u l e si sa n a l y z e d ， c o v e r i n gs y s t e mi n i t i a l i z a t i o n , d a t as a m p l i n g , w a v e f o r mv i s u a l i z a t i o n , d a t ap r o c e s s i n g , d a t as a v i n g , e t c f i n a l l yt h et h e s i sd e p i c t st h ee x p e r i m e n to ft h er e - s t a r t i n g c h a r a c t e r i s t i ct e s to nt h e15 0wm h l a m pw i t h t h er e s t a r t i n gt e s ts y s t e m t h er e s u l to fe x p e r i m e n ti sa n a l y z e d ，a n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c ei se v a l u a t e d k e yw o r d s ：m e t a lh a l i d e ( ) l a m p ，r e - s t a r t i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t e s tt e c h n o l o g y , i s o l a t i o n , m u t u a l i n d u c t a n c es w i t c h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 墨：耍二 日一期：a 垒皇蒸：午，乡 研究生签名：。型一 日一期：a 垒皇蒸：午，占 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 1k 研究生签名： 缨 导师签名：日期：。2 d 口夕专厶 第一章绪论 第一章绪论 照明在当今社会己作为衡量一座城市一个地区乃至一个国家现代化文明的重要标志之一。现代 照明是以能充分发挥科学、合理地利用能源，直接或者间接地服务于人类为目的。光源作为照明电 器的核心部件。对照明质量、运行和维护费用，以及对电网污染等的影响和作用非常重要。在一些 发达国家早在上世纪9 0 年代初就已经开始限制生产和使用白炽灯和电感镇流器。我国“绿色照明工 程的启动【l 】也将对我国的能源、电光源和照明技术，甚至环境保护等各个领域产生巨大的影响。 因此，研究高效节能光源成为电光源的重要发展方向。高强度气体放电灯( h i d ) ，以其远高于白炽 灯的光效和寿命而被应用于各种场合，占据现代光源的重要地位，其中的金属卤化物灯( ) 于其 显色性好、光效高、长寿命等特点而受到广泛的应用2 1 。伴随着金卤灯制造工艺的进步与生产规模 的扩大，准确、高效、可靠的光源测试技术也越来越引起人们的关注。 由于本课题研究的主要内容是金卤灯再启动特性的测试技术，首先必须对金属卤化物灯作一简 单介绍。 1 1 金属卤化物灯简介 上世纪初出现了高压汞灯，这种灯具有较高的光效( 4 0 - - - 5 0 1 m w ) 及较长的寿命( 1 万小时以上) ， 但是，它的辐射光谱缺少红色成分，所以相关色温较高( 6 0 0 0 k ) ，显色性比较差( 一般显色指数 r a = 1 5 2 0 ) ，所以自高压汞灯发明以来，人们一直注意提高其光效和改善其光色。在这方面有几种 方法，如增加电弧管内气体的压力，采用混合气体和利用汞的紫外线辐射激发荧光物质等。在采用 混合气体方面，曾采用过汞灯中加入纯金属( 镉、锌、铊) 的方法，企图利用金属原子在放电时辐 射发出的特征谱线来填补汞谱线的空白，增加灯的红色成分，以达到改善发光效率和光色的目的， 但这并未获得显著的效果，主要原因是不易得到必要的金属原子浓度，从而不能产生有效的辐射。 其次，那些蒸气压较高的金属( 如镁、锶、铯等碱金属) 要与石英玻璃发生化学反应，使得玻壳损 坏。在六十年代初期，比较成功地在汞灯中加入金属碘化物( 碘化钠、碘化铊等，它们对管壁没有 化学作用) ，这就是另一种重要的光源金属卤化物灯。金属卤化物灯与高压钠等一样，是继白炽灯， 荧光灯之后的第三代光源【3 1 1 4 1 。 1 1 1 金属卤化物灯的基本原理 高压汞灯中几条可见光辐射主要处在三个区域，蓝光区域( 波长4 3 6 n m ) ，绿光区域( 5 4 6 n m ) 和黄光区域( 5 7 9 n m ) 。由于其他区域能量的缺少，尤其是红光区域，从而导致灯的低显色性。这一 点即使使用荧光粉校准也难以得到解决【5 】。 3 东南人学硕十学位论义 为了改善高压汞放电灯的颜色特性，研究者们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。添加金属应该具备以下特性： 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较低激发态：平均激发态能量尽可能比汞的平均激发态能量 低。 当金属卤化物最初点燃的时候，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，卤化物开始熔化并蒸发。管壁附近的卤化物蒸气被输运到了电弧 管的高温区域。电弧的高温使得卤化物分解成卤素原子和金属原子，在高温电弧的核心，金属原子 受激产生本征光谱辐射。金属原子向管壁扩散，经过电弧空间并且在较冷的电弧管壁区域与卤素重 新复合成卤化物。复合的过程非常重要，它避免了化学性质活泼的碱金属对电弧壁的侵蚀。 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，它们的蒸气压强大于1 t o r r ( 1 3 3 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，除了氟化物之外，不会与石英玻璃产生明显的化学 作用。 在电弧中心的高温区域( 4 0 0 0 k 6 0 0 0 k ) ，卤化物分子分解出自由金属原子并辐射特性谱线。 在电弧中心的金属原子压强与壁上卤化物的压强一致。 常用金属碘化物作为添加剂，大约有5 0 种金属碘化物被用作添加剂。因为碘相对于溴和氯来讲， 不容易与电极起反应，所以它是最理想的卤素。氟元素一般不用于金属卤化物灯，因为它会和电极 及电弧管材料起反应。 添加金属的平均激发能大约4 e v ，相对于汞的7 8 e v 来讲要低得多，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 0t o r t ，而汞蒸气压强为1 - 2 0a t m 。相 对汞灯而言，添加光谱的作用就是提高显色性和提高金属卤化物灯的光效。 商业中的金属卤化物被划分为两种：一种主要发射线状谱；一种发射连续谱。第一种灯，通常 是由灯内添加剂的名称来命名的，包括：钠一铟一铊碘化物灯、钠一钪一钍碘化物灯、钠一稀土金 属碘化物灯和铯一稀土金属卤化物灯；第二类包括：锡灯和锡一钠卤化物灯。这些灯中除了碘化物 外也包含有溴氯的化合物。溴化锡和氯化锡在高温状态下比碘化物更稳定，不易分解，从而确保锡 成分的分子辐射达到最大值，提高灯的光效。图1 1 1 4 是使用这些添加剂的灯的典型光谱功率分布 图。 4 第一章绪论 葛 i 橱 搭 她 装 靛 罢 目 皇 害 一 棚 耀 密 采 靛 翼 3 5 04 0 04 5 05 0 05 5 0 波长 6 0 06 5 07 0 07 5 08 0 0 ( n - ) 图l - ! 色修正汞灯( s p a n 波带) 3 5 04 0 04 5 05 0 05 5 06 0 06 5 07 0 07 5 08 0 0 波长( r m ) 图1 2 钠钪金属卤化物灯( s n m 波带) 3 5 04 0 04 5 05 0 05 5 0 渡长 6 0 06 5 07 0 07 5 08 0 0 ( u ) 图1 - 3 钠铊铟金属卤化物灯( s n m 波带) 5 一昌苴i)哪摇船果篱罢 东南人学硕十学位论义 口 i 目 岫 涩 街 果 靛 罂 3 5 04 0 04 5 05 0 05 5 0 6 0 06 5 07 0 07 5 08 0 0 波长( u ) 一 图1 - 4 稀土( 镝钬铥) 钠铊陶瓷金属卤化物灯 由图可知，三种金属卤化物灯在5 0 0 - - 6 0 0 n m 波长范围内都有较大的光输出，而这一波段的光谱 效率又是最高，所以金属卤化物灯具有较高的发光效率，高于高压汞灯，与荧光灯光效差不多，或 者略高一些。其中镝灯在5 2 0 - - 5 4 0 n m 处有一峰值，故这种灯的光效在三种灯中最高。而钠钪灯在 5 0 0 “o o n m 波长虽然有多个波峰，但均不大，故这种灯的光效要低一些。钠铊铟灯的光效介于上 述两种灯之间。这三种金属卤化物灯的色温均较高，一般属于冷色调。镝灯具有较多的连续光谱成 分，显色指数也就最高，钠铊铟灯在蓝绿红波长处均有波峰，故显色指数仅次于镝灯，钠钪灯显 色指数最低，但同样也具有较高的显色性( 可与荧光灯媲美) 。 1 1 2 金属卤化物灯的现状与进展 金卤灯以其诸多优点，在国民经济中发挥越来越重要的作用。从室外反光照明到室内照明，金 卤灯现在已经被广泛应用于体育场馆、车站码头、道路交通、建筑工地、宾馆商场、舞台演播及娱 乐场所、汽车前照等各个领域。金卤灯在众多领域已经取代白炽灯、高压汞灯、以及高压钠灯，是 现代与未来光源的重要品种。 但是，金属卤化物灯的制造工艺比较复杂，对原材料以及配套件的要高，使得灯成本和一次性 投入的成本较高。因此，金属卤化物灯至今还是一个不断改进，不断推出新产品的新型高强度气体 放电光源。近年来，金属卤化物灯又取得一些新进展 6 1 。 1 多功能金属卤化物灯 为了扩大金卤灯的推广应用，对灯泡的内在性能进行了改进( 主要是启动性能和光通维持率性 能) ，使金卤灯不仅能在高压汞灯配套电器上工作，而且能在高压钠灯的配套电器上工作，这样就能 较为方便地使用金卤灯替换高压钠灯和高压汞灯。 6 第一章绪论 2 无汞金属卤化物灯 在高强度气体放电灯中，特别是在金属卤化物灯中，汞是灯内的主要填充材料之一，在设定灯 的功率下，充汞的作用在于提高灯管电压，降低灯电流，以提高灯系统的效率，但是汞是对环境有 害的材料，在产品升中应该努力排除采用有毒、有害材料、以造福于人类。因此，无汞金属卤化物 灯的研究课题应运而起，下面简单介绍目前取得的进展。 1 )改变不同金属卤化物的摩尔比 无汞金卤灯与含汞金属卤化物灯相比，表现出低的灯电压和光效，在无汞s c l 3 n a l 型金卤灯的 实验中发现，灯电压将随着s c l 3 对n a l 摩尔比的提高而上升，但光效的最佳值出现在s c l 3 的摩尔比 为2 6 时。 为了改善缺少汞带来颜色的变化，在这种无汞金卤灯中再添加少量的i i l i 后，可得到与充汞金 属卤化物灯相同的光色。 2 )填充新的金属材料替代汞 从物理学的角度来看，如果要在金卤灯中替代汞的材料需要满足一定的条件：电子散射的动量 传递截面要大，中性粒子密度要大，激发和电离能要大，以使灯电压上升并具有相对高的光效，还 能补充无汞辐射的色度等；此外，种种材料也要对电极，管壁和放电发光的影响较小。通过试验， 发现金属元素z n 可满足上述条件。由于z n 的能量水平较低以及热量损失较大，需要在高的管壁负 载下工作( 管壁温度达到1 5 0 0 c 以上) ，因此，电弧管选用陶瓷管( a 1 2 0 3 ) 做管壁材料。 3 ) 充入高压氙气 超高压球形氙灯是一种较理想的电光源，用于投射照明，灯内充入高压氙气 ( 5 0 6 6 2 5 1 0 1 2 2 5 k p a ) 。但这种灯的光效较低( 3 0 - - 4 0 1 m w ) 。灯电压也偏低。如果在球形氙灯内充 入金属卤化物，不仅可提高光效，还可以提高灯电压，以提高电灯系统的效率。实际上用这种方法 开发出的汽车金属卤化物灯( 灯内充入一定量汞，以提高电压) 已经投入使用。如果灯内不充入汞， 则可制成无汞汽车金卤灯，相应地灯电压比较低，而光效以及光色性能和充汞灯相近。 3 无极金属卤化物灯 无极放电金属卤化物灯由于没有电极，体积可以做得很小，寿命很长；没有电极热点，具有较 高的均匀的亮度；没有电极溅射，具有较好的光通量和颜色的维持性能以及较高的光效；没有电极 的腐蚀问题，对金属卤化物有更多的选择性，以得到高显色，高光效和某些特殊用途的光谱输出， 由于它具有这些优点而具有研究和开发的吸引力，而且也可能开发成对环境无汞害的金卤灯。 目前正在进行开发研究的无极金属卤化物灯有两种激发方式：一种是电磁耦合型无极金属卤化 物灯，另一种是微波放电型无极金属卤化物灯。这类灯通过电磁场或微波的耦合，使得发光管内形 成电弧发光。这类光源虽然电弧管上技术难点得到一定克服，但却增加了电路、电子器件及使用成 7 东南人学颂十学位论义 本，这些问题尚待完善解决。 4 陶瓷金属卤化物灯f 3 】 最近，小功率石英电弧管开始被多晶氧化铝( p c a ) 陶瓷电弧管所替代，陶瓷管的主要优点在于提 高光色的均匀度以及稳定性。很早以前就己考虑用多晶氧化铝材料做金属卤化物灯，它的化学性质 更为稳定，比石英管有更高的允许工作温度( 1 1 5 0 ) 。可以提高电弧管几何参数精度。但它的封接 技术不成熟，从而阻碍了金属卤化物更早地采用陶瓷电弧管。用于高压钠灯的常规铌引入线与玻璃 材料的封接，或由布朗( b r o w n ) 等于1 9 8 2 年开发的金属陶瓷封接工艺，都不具备充分的抗化学腐蚀 的特性。 1 9 9 3 年格文( g e v e n ) 等人独创性地解决了完善的封接工艺，陶瓷金卤灯的研发取得了突破性 的进展。1 9 9 4 年，飞利普公司成功开发了陶瓷金卤灯，使之成为商业照明和展示照明的最新光源。 随着技术的不断发展，陶瓷金卤灯的应用范围越来越广泛。现阶段陶瓷金卤灯的应用范围主要在【7 l 【8 】： 1 ) 商业展示照明 高光效、低辐射、恒定的色温和出色的显色性，使陶瓷金卤灯成为商品展示和间接照明的理想 光源。高亮度意味着要达到相同的照度所需的灯具更少，安装成本、电费和散热量也随之减少。防 紫外线石英外壳减少了紫外光对任何商品的伤害。一些发达国家已经将小功率金卤灯大量用于商业 照明。 2 )道路照明 目前道路照明中广泛应用的是高压钠灯。陶瓷金卤灯与高压钠灯相比，色温更高，光色更白， 显色指数也远远高于高压钠灯，提高了照明的舒适度。 陶瓷金卤灯的光通量比高压钠灯略低，若使用等功率陶瓷金卤灯替代高压钠灯，就会使道路亮 度降低。但人眼对不同波长的光线敏感度不同，一般夜间道路灯照明的亮度介于人眼的明视觉与暗 视觉之间，属于中间视觉范围。由于金卤灯的光谱能量比较集中地分布在蓝绿光区，因而在金卤灯 照明下，人眼能感觉到的光通量显著高于钠灯。因此，使用陶瓷金卤灯可以提高人眼的能见度和实 际感觉的亮度，经实验证明，还能提高人眼对运动物体的视觉敏感度，对降低交通事故发生率起到 一定的作用。随着陶瓷金卤灯制造成本的降低，其在道路照明中会有越来越大的比重。 3 ) 汽车前照灯 金卤灯用作汽车前照灯，近年来得到推广，正在逐渐取代卤钨汽车前照灯。陶瓷电弧管在点燃 期间，能经受比石英玻璃更高的管壁温度，而没有管壁的化学侵蚀和外管壁蒸气的热侵蚀，因此体 积更小，管壁更薄并且管壁温度更加均匀，能设计出更好的汽车前照灯配光曲线。图1 5 为装有陶 瓷金卤灯的汽车前照灯结构图。 g 第一幸绪论 衔封灯库 衔封咆缆 扇动装置 1 5 陶瓷金卤灯汽车前照灯结构 采用陶瓷金卤灯作为汽车前照灯，射程远、亮度高，用于反射器中无须采取任何遮光措施，达 到石英玻壳灯相同的光通量所需要的功率小得多，因此更加节能，也减少了红外和紫外辐射。此外， 与石英玻壳相比，陶瓷金卤灯满足启动要求所需的时间更短，启动电流也小得多，进而降低了镇流 器的体积和成本。 陶瓷金卤灯自问世以来就有着快速的发展。2 0 0 0 年以前，其主流产品仅限于小功率( 1 5 0 w 以 下) ，并大量用于商业照明中。近年来，陶瓷金卤灯开始向中高功率方向发展，国际上大的照明公司 都致力于中功率陶瓷金卤灯的开发。2 0 0 2 年，市场首次出现大功率2 5 0 w 和4 0 0 w 陶瓷金卤灯，平 均寿命达到1 5 0 0 0 2 0 0 0 0h ，光效达到1 0 5l m w 。陶瓷金卤灯另二个趋势是开发更低功率、更小型 化的光源。2 0 0 1 年2 0w 陶瓷金卤灯投入市场，其光通量 1 0 0 0l m ，显色指数 8 0 。发光体的小型化 能够使发光效率进一步提高，也给灯具设计带来了更大的空间，并能提高灯具效率，超小功率陶瓷 金卤灯将逐步占领越来越多的市场。 目前陶瓷金卤灯的生产和使用主要集中在欧洲以及北美，世界陶瓷金卤灯产量正以每年3 0 以 上的速度增加，但仍有供不应求之势。由于技术难度很大加之知识产权问题( 主要是g e ，p h i l i p s ， o s m m 三大公司的专利覆盖) ，处于起步阶段的我国陶瓷金卤灯产业的发展面临着很大的挑战。 1 2 论文的研究背景与动机 与中大功率的( 石英) 金卤灯相比，小功率( 石英) 金卤灯制造工艺复杂，这是因为：随着体 积减小，发光管内单位容积中金属卤化物充入量的加大，造成杂质气体相对增加；由于发光管内的 容积小，难于设置辅助电极，因而灯的启动电压高，启动困难。由于发光管的管壁负荷增大和电极 尖端与在石英玻璃靠近部位的管壁温度上升，导致灯的启动电压和再启动电压升高，电弧管是金卤 灯的心脏，如果管内杂质不能得到很好的控制，随着杂质气体的不断释放，其启动电压和再启动电 压会不断升高，当再启动电压高于镇流器所提供的电压时，电弧管就不能启动，同时也就宣告金卤 9 东南人学硕十学位论文 灯寿命的终结。所以检测电弧管中的杂质程度，诊断灯内在质量的优劣，对小功率金卤灯的生产水 平的提高具有非常重要的意义。 金卤灯的再启动特性是反映灯内杂质水平，电极设计水平等灯内在品质的重要依据。在我国与 a n s i 、i e c 等国外的众多标准中都对金属卤化物灯的再启动特性参数作出规定。但是就国内而言， 金属卤化物灯再启动特性测试并没有引起足够的重视，测试的主要手段仍然是示波器、峰值电压表 等传统的电子仪表。使用这些传统的仪器仪表很难对金卤灯启动过程中的各种参数进行准确监测， 更不便于对测试的结果进行记录全面分析。为此本中心开发出一套专用的金卤灯再启动特性测试系 统，并在实际检测中取得了良好的效果。 1 3 论文的主要内容与成果 1 在全面研究金卤灯启动过程机理的基础上，分析金卤灯再启动过程中的各种特性，探讨再 启动特性与灯内部化学、物理过程的关系。为金卤灯再启动测试技术提供理论依据。 2 配套电路是金卤灯应用与测试中的重要组成部分，本文在研究灯启动机理的基础上介绍了 现阶段金卤灯配套电路的基本状况。 3 在金卤灯启动、再启动机理研究的基础上，设计出金卤灯再启动特性测试系统的硬件电路， 通过隔离技术成功地解决了测试回路对灯电流的干扰：并利用电流互感技术在灯点燃的瞬间同步启 动测试电路，提高了测试系统的精度和可靠性，国内外尚未见到关于该技术的相关报道。 4 分析了金卤灯再启动特性测试系统的软件的主要模块和关键性技术。 5 利用再启动测试系统实测金卤灯，并对测试结果进行分析，对测试系统进行评价。并对未 来工作提出展望。 l o 第二章电光源电气柃测技术皋础 第二章电光源电气检测技术基础 金属卤化物灯作为第三代电光源的代表，其机理、工艺的特殊性和复杂性给它的检测技术带来 了一系列新的课题。因此我们有必要对一般性的电光源电气检测技术进行研究，并以此为基础分析 与解决金卤灯检测技术中的特殊性问题。本章的研究就是为了介绍一般电光源电气检测技术的主要 理论以及方法。 在光源电路的电气测量中，所应用的测量技术与测量仪器由被测量的电参量决定。在被测量的 电参量中，有直流和交流两类，交流又分为正弦交流、非正弦交流和脉冲等几种。根据电参量的特 点，还有电压、电流、功率、频率、阻抗、波形等，所用的测量技术也各不相同。从目前实际测量 的情况分析，主要的测量技术有交直流电测量技术( 包括电压、电流、功率、功率因数、交流阻抗 等) 、脉冲测量技术等。从测试仪器来说有传统的电工仪表，也有较先进的电子测量设备。在现代测 量中，利用计算机大规模处理信息的能力，将仪器仪表与计算机相结合可构成强大的智能化测试系 统。 2 1 常用电气测量仪表 电气测量中的电工仪表种类繁多，应用广泛。根据工作原理分类则有：磁电系、电磁系、电动 系、感应系、静电系和热点系等。根据测量参数分类有：电压表、电流表、功率表、欧姆表、电度 表、相位表、频率表和多用途表等。 由于电子学的发展，使得经典的测量学有了新的发展，出现了电子测量技术。电子测量就是以 电子技术为手段进行测量，电子测量的内容也大大超过电气测量指示仪表的测量内容范围。常用于 电光源测试的仪器包括： 示波器 常用的示波器包括旧式的模拟多综示波器和较先进的数字式示波器。示波器的记忆功能可以方 便地捕捉如电光源的峰值电流、峰值电压、放电曲线等，又如气体放电光源的启动着火过程，灯电 压或灯电流的变化情况等单次的，瞬间即逝的电信号。使用示波器时必须十分注意示波器电源与电 光源电路之间的电位关系，确保待测电路地线与示波器地线隔离，防止信号干扰或线路短路。 频谱分析仪 频谱仪的主要用途是对非正弦的周期或者非周期电信号波形进行频谱分析。在光源电路中有许 多电参数是属于非正弦的参数，如气体放电光源的电流和电压在交流电源供电时都是非正弦的周期 电信号。为了深入研究光源及相应电路的特性，也为了进行精密测量，有必要应用频谱分析仪分析 和测量。 数字式电表 数字式电表具有高输入阻抗高灵敏度的特点，所以在测量直流信号时能够获得满意的结果，对 1 l 东南人学坝十学位论文 被测量电路的影响也很小。当测量交流信号时仪表内装有交流一直流转换器，将交流信号转换成支 流信号而测量。在数字式电表中应用的转换器有平均值转换器、有效值转换器和峰值转换器。 平均值转换器是把交流信号经过整流( 半波或全波) 变成支流电压，实际上得到的是交流信号 的平均值。 有效值转换器是直接测量交流信号，并且以直流电压形式表示出相应的交流电压有效值，具体 又分为热电式转换器和全电子式有效值转换器。前者将交流电信号加热元件，再将热能变换成直流 电信号进行测量；后者是按照有效值的定义，通过对被测交流信号的运算得到相应有效值。 数字功率计 功率计在电光源电路中用来测量光源或者镇流器的功率损耗。目前常用于光源探测的功率计是 采用时分乘法器而后数字显示。功率计不仅可以测量正弦交流信号，也适用于各种非正弦交流信号。 现在市场上还有专用于光源探测的电参数综合测试系统，它将各式电子仪表与计算机系统相结 合完成光源电路各种性能的测试并具有强大的信息处理能力。 在电光源测试中无论应用哪种仪器仪表，由于光源电路本身具有的特点，对仪器的选择和应用 都有一定的要求和注意事项。 ( 1 ) 具备足够的精度。根据要求和条件选择合适精度的仪表，考虑各仪表准确级的一致性 ( 2 ) 仪表的变差小，重复性好。 ( 3 ) 仪表的损耗小，尽量减少仪表对被测电路的影响。具体在光源电路中有关标准这样定义： 串联仪表产生的附加电压不能超过被测支路电压的2 ；并联仪表分流电流不能超过被测支 路的3 。 ( 4 ) 要有足够的频率响应。特别对于放电灯启动过程中有瞬时的脉冲信号要捕捉这样的信号测 试，测试装置需要有比较高的频率响应。 ( 5 ) 注意被测电参数的范围，防止因过载使电子测量仪损坏。 ( 6 ) 注意电子测量仪器与被测光源电路信号的隔离，以免发生短路或者信号干扰现象。 2 2 气体放电光源的电参数测量 气体放电光源的种类很多，它们电参数测量的基本方法类似。当然，不同种类的气体放电灯会 有其特殊的问题本节也会对不同类气体放电灯的电参数测量作统一的说明【9 】。 气体放电灯基本的测量参数包括： 电压：光源两端的工作电压。 电流：流过光源的工作电流。 启动电流：又称预热电流，是电弧管预热时的电流。 功率：光源消耗的功率。 测量电路如图2 5 所示： 1 2 第一二章电光源电气柃测技术皋础 k 5 2 1 气体放电灯测量电路 测量仪器设备包括电压表、电流表、功率表、基准镇流器、，调压变压器、开关等。 气体放电灯与热辐射光源( 白炽灯，卤钨灯等) 不同，外界调节对光电参数影响十分显著，所 以在灯测试时必须注意测试条件。 1 供电电源。电源通常都是5 0h z 的交流电源，电源频率应该稳定在一定范围内，并与镇流 器的设计频率相一致，电源电压也应该稳定，电源电压的波形应该是失真较小的正弦波，高次谐波 的总耗量不应超过3 ( 设基波为1 0 0 ，按照均方根之和计算) 。频率稳定、电压稳定范围等具体指 标是根据测量要求而定的，一般生产检验测量要求低一些，频率以及电源的稳定范围可以大一些， 而作为计量测量要求就比较高。 2 基准镇流器。基准镇流器又称为标准镇流器，它是测量气体放电光源必不可少的元件。由 于气体放电光源实际使用中配备的镇流器参数的不一致性，为了有利于比较不同光源各项参数，就 统一规定在测量中必须配备基准镇流器，即误差较小的，符合规定( 阻抗，功率因数、温升等三项 参数) 的特殊镇流器。 3 环境条件。环境温度和通风情况对气体放电灯的电参数有一定影响，所以测量时要求环境 温度、气压、湿度等都有特殊的要求。每次测量都要使灯稳定工作。 4 测量比较的条件。气体放电光源是一个放电特性非常不稳定器件，所以不同灯管的测量或 同一支灯管多次测量，应保证在同样的条件下进行比较。为此又有一些相应的规定：可以规定在同 样电源电压下进行比较，也可以规定在同样工作电流下进行比较，或规定在同样的功率下比较。具 体的规定在根据测量的要求和光源的应用情况决定。对一般测量，如仅仅检验产品的成品情况，则 规定在同样的电源电压下进行，因为在光源的应用过程中，只能控制电源电压，无法控制灯的功率 或者电流。 5 老练。对于气体放电灯，依据国际标准及国家标准都规定必须将新制成的灯进行老练后再 测量。 1 3 东南人学硕十学位论义 6 配用电子镇流器的气体放电灯参数测量。以上所述的测量内容和注意事项都是针对用电感 镇流器的灯电路，如果光源配用电子镇流器其工作频率往往在2 0k h z 以上。用普通仪表无法测量。 目前针对这样的使用条件有两种处置方法：选用相应频率响应的仪器进行测量( 需要较好的设备条 件) ；将电子镇流器和灯作为一个整体看待，从电源输入端进行测量，即在规定电源电压的条件下测 量电源供给的工作电电流，测量电源总的消耗功率。由于电源是直流电源或5 0h z 交流电源，这样 又成为直流或5 0h z 交流电参数的测量了。 上面是对气体放电灯电参数测量的一般性的介绍。就气体放电灯的特殊性而言，目前 应用的气体放电灯包括荧光灯、低压汞灯、低压钠灯、高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯等许多 种。其中直流供电的测量方法比较简单，不再叙述，交流供电的测量方法以及测量内容大致上与上 面叙述的方法与内容相似，但也有一些应该特别注意的问题。 1 气体放电光源除个别外，在多数从启动建立稳定的放电到正常工作的工作的过程都比较长 ( 这一过程也成为启动过程，但与建立气体放电的启动过程的性质不同，这是在以建立起填充气体 的气体放电后，由于放电物质逐步从固态或液态蒸发成气态，使放电逐渐过渡到设计的工作状态的 过程) ，这时流过灯的电流都比额定工作电流都定工作电流大，这在电路及仪表量程的选择中要特别 注意。此启动过程随环境温度与灯种类不同而长短不一。一般在数分钟之内。 2 这些光源的功率可能比较大，一般为百瓦，也有数千瓦，个别可达1 0k w 以上，所以灯的 工作电流都比较大，因此电路中阴线的截面积不能太小，并且也不宜过长，尤其应注意连接点，防 止因接触不良而发热，导致测量不准确和损坏测量仪表。 3 这些光源大多数都应用专门的高压或者高频高压启动装置建立气体放电条件，所以要防止 测试仪表受高压或高频高压的影响( 严重时可能损坏测量仪表) 。 4 由于这些光源品种繁多，目前仅有部分规格的灯有相应的基准镇流器，因此在测量中必须 注意镇流器对测量的影响。在没有基准镇流器的条件下，可根据光源特性和对基准镇流器的要求， 自行设计专用镇流器，或从已应用的镇流器中选择合适的镇流器，把它们当作基准镇流器( 或称为 参照镇流器) 应用。这样可以使被测灯管在同一镇流器条件下测量，并作比较。但是，凡有条件的 都应使用基准镇流器。 5 由于气体放电光源的一致性较差，虽然测量了灯的工作电压，工作电流和功率等电参数， 但为了深入分析灯的工作状态，还需要测量灯的工作电压波形和工作电流波形。如果使用不同类型 的镇流器，还要测量电路的功率因数等 1 4 第三章会卤灯的启动机理与配食电路 第三章金卤灯的启动机理与配套电路 气体放电灯的启动过程非常复杂。而金属卤化物灯除了在电弧管内充入汞、氩气外，还在灯内 添加了多种金属卤化物。因而相比其他气体放电灯如汞灯、钠灯等，金卤灯启动的化学过程更为复 杂，这使得金卤灯对电源和配套的电路的要求更高。各种金卤灯因其生产时所依据的标准不同，工 作的配套电路也有不同，在使用过程中必须保证灯与点灯电路相配套。对于金属卤化物灯的测试技 术而言，配套电路的选择同样至关重要。金属卤化物灯的各种光、电参数的测量结果直接与灯的配 套电路相关，在对金卤灯相关参数进行测试时必须依据相关标准保证配套电路正确。 在金卤灯的启动过程中，配套电器一方面要提供击穿气体的条件，一方面要保证放电经过各阶 段后进入稳定正常的状态。本章主要研究金卤灯放电启动的基本机理，并以此为依据介绍金路灯的 配套电路。 3 1 金属卤化物灯的放电启动 气体放电灯的启动过程主要包括：击穿_ 辉光放电一辉光放电向弧光放电的转换_ 弧光放电。 击穿就是建立自持放电的过程；辉光放电是冷阴极放电，由离子轰击电极产生二次电子发射维持的； 弧光放电是指两个电极的温度都达到热电子放电的温度，二次电子的产生过程是由热电子发射控制， 电子发射方式的转变导致了灯电压降低，同时电流平稳而急剧上升。弧光放电过程又包括低气压弧 光放电与高气压弧光放电。 3 1 1 击穿 当电弧管电极间电压增加到一定值时，放电电流突然增加并伴随显著的光辐射，气体放电由非 自持过渡到自持，这种现象被称为气体击穿【l o 】1 1 1 1 ，此时管内的气体由绝缘状态变为导电状态。其中， 非自持放电必须要在外电离源下才能维持；相反，所谓非自持放电是指去掉外致电离源放电仍能维 持。 1 直流驱动下气体放电伏安特性 从在电弧管两端加电压到气体击穿要经历几个非自持放电阶段，如图3 1 所示，气体在c 点被 击穿，在击穿前可分三个阶副1 2 l ： o a 段：由于管内多少存在由外致电离产生的带电粒子，随着电压增强，带电粒子的速度增加， 复合减少，使得电流增加。 1 5 东南大学硕十学位论文 u o 图3 1 典型气体放电伏安特性曲线 a b 段：电场进一步增强，但所有外致电离产生的带电粒子全部到达电极，而放电本身不能产 生新的电离机制，所以电流达到饱和。 b c 段：由于电压的增加，初始电子的速度增加到在中性原子碰撞时足以引起电离，新产生的电 子又被加速，形成更多的电离碰撞，产生更多的电子。这一过程被称为雪崩放电或者繁流放电。 c d e 段：在c 点，通过灯管的电流突然增加到d 点，管压将迅速下降到e ，同时在灯管中产生 了可见的辉光，放电由非自持转化为自持。c 点称为气体放电的破裂点或者着火点，相应c 点电压 称为着火电压或者击穿电压。 2 交流驱动下放电灯的击穿要求 放电灯在交流驱动下的击穿与直流不同。直流驱动时只要灯两端的电压超过击穿电压就能使气 体击穿；交流驱动时，气体的击穿不仅对电压的幅度有要求，对高压的维持时间也有一定的要求。 这是因为交流供电情况下每半周期中电压都有一个上升再下降然后过零反向的过程。对灯而言，从 加电压到气体击穿存在一个延迟时间( 击穿时滞) ，其长短取决于初始带电粒子的浓度和电子雪崩的 快慢。若灯两极间电压超过击穿电压的时间小于这一电压条件下的击穿时滞，将无法使灯击穿。另 一方面，采用电网电( 5 0 6 0i - i z ) 驱动时，灯电压的降低和过零需要较长的时间，前一次雪崩产生 的电子大多复合损失掉了，对下一次电子雪崩的贡献很小，因此初始带电粒子浓度很低。 实际上，气体的击穿时滞还与加在灯两端的电压有关。将实际加在灯两端的电压与气体击穿电 压的差值称为过电压，实验发现过电压对气体击穿时滞的影响是非常大的。过电压高，一个周期的 电子雪崩时间缩短，并进一步导致击穿时滞的缩短。 金属卤化物灯中充入了带有负电性的卤化物或者卤素。这些卤化物可以吸附自由电子生成负离 二引1 3 l j o h 屯l - 1 6 第三章会卤灯的启动机埋l j 配食电路 m i + e f m i ) 一一m + i _ ( m 为金属，i 为碘) 由于离子的质量远大于电子的质量，离子使原子电离的能力比电子小得多，所以负离子的生成 大大抑