（物理电子学专业论文）大功率紧凑型荧光灯设计.pdf

摘要 一一飞紧凑型荧光灯由于其光效高、光色叮选、寿命氏等特点，在日常 牛活和国民经济各领域得到了广泛的应用。但是紧凑型荧光灯的功率 比较小，这限制r 紧凑型荧光灯的更广泛应用。丫 本文的目的就是要对大功率紧凑型荧光灯的设计作些探讨，为大 功率紧凑型荧光j 上丁的设计提供理论依据。本文不仅分析了灯管参数如 管径、充气压、惰性气体种类对放电特性的影响，而且讨论了这些参 数的确定方法。 为得到2 5 3 7 n m 辐射、轴向电场强度与灯管管径、惰性气体气压 和冷端温度的关系，我们在l a m a 气体放电模型的基础上，建立了低 7 c 胍求放电的解析模型。在模型。i ：考虑r 求的电子的激发和消激发、 从亚稳态的逐级电离、和2 5 3 7 n m 辐射的自吸收。通过对模型的分析， 我们得到了电子温度、2 5 3 7 n m 辐射能量、轴向电场关于电子浓度、 管径、充气压和基态汞原子浓度的解析形式。电子温度、2 5 3 7 n m 辐 射能量、轴向电场强度的理论结果与实验结果符合的较好。 哭键词：紧凑型荧光灯、气体放电、速率方程、轴向电场强度 分类号，旬珥盟_ r f l w 幽再甜一 ! ! ! ：! ! 苎生! 竺生! i 垒塑堡：!垒! ! ! 坠! ! a b s t r a c t b e c a u s eo fi t ss p e c i f i cf e a t u r e ss u c ha sh i g he f f i c a c ya n dl o n gl i f e ， c o m p a c tf l u o r e s c e n tl a m p ( c f l ) h a v ef o u n dw i d e s p r e a da p p l i c a t i o nf o r t h ei n t e r i o r l i g h t i n g o fo f f i c e s ，s c h o o l s ，i n d u s t r i a l b u i l d i n g ，a n ds i m i l a r p r e m i s e s h o w e v er ，d e s p i t et h e s ea d v a n t a g e s ，l o wp o w e rd i s s i p a t i o np e r u n i to f d i s c h a r g el e n g t hi sas e r i o u sd i s a d v a n t a g e t h ep u r p o s eo ft h i s p a p e ri s t od i s c u s st h em e t h o d sh o wt or a i s e p o w e rd i s s i p a t i o np e ru n i td i s c h a r g el e n g t h i no u rp a p e r t h em e a n sh o w t oc h o o s et h ep r o p e rv a l u eo f d i a m e t e r 、g a sp r e s s u r ea n dc o l ds p o tf o r h i g hl o a d i n gc f l a r ed i s c u s s e d ，e i t h e r s o m e p r o p e rs u p p o s eo n t h eb a s eo fl a m a t h e o r yh a v eb e e ng i v e n ，a l o w - p r e s s u r ea r - n e - - h gd i s c h a r g ep o s i t i v e c o l u m nw h i c hi n c l u d ef i v e e n e r g yl e v e l sh a v eb e e ns e tu p t h et h e o r e t i c a lm o d e li n c l u d e se l e c t r o n e x c i t a t i o na n dd e e x c i t a t i o n ，t w o s t a t ei o n i z a t i o n t h r o u g h as a t u r a t e d r n e t a s t a b l e i e v e l ，a n dp r o p e rt r e a t m e n to ft h es e l f - a b s o r p t i o n o ft h e r e s o n a n c er a d i a t i o n t h ea n a l y s i sy i e l d ss i m p l ea n a l y t i ce x p r e s s i o n sf o r t h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r e ，t h er e s o n a n c er a d i a t i o n ，a n dt h ee l e c t r i cf i e l d w h e na p p l i e dt o g a sd i s c h a r g e ，t h e s ea n a l y t i ce x p r e s s i o n sy i e l dg o o d q u a n t i t a t i v ea g r e e m e n t w i t ht h ea v a i l a b l ea b s o l u t ed a t ao nt h ed e p e n d e n c e o ft h ee l e c t r o nt e m p e r a t u r e ，t h eh g2 5 3 7 n mr a d i a t i o n ，a n dt h ee l e c t r i c f i e l do nm e r c u r yp r e s s u r ea n dc u r r e n t k e y w o r d ：c o m p a c tf l u o r e s c e n tl a m p ( c f l ) ，g a sd i s c h a r g e ，r a t ee q u a t i o n ， a x i a le l e c t r i cf i e l d 棋旦上擎大功率紧凑型荧j 匕灯设计 第一章序言 一紧凑型荧光灯的发展及现状 荧光女f 自从：十l ! ：纪三十年代发明以来，山于其光效高、寿命长、节能等优 点得到了大力推厂，成为室内照明的主要光源。自1 9 3 8 年商业化以来发展很快， 几乎每一个十年都有新一代产品问世。七十年代的两次能源危机更加速了荧光灯 的发展。然而普通的直管型荧光灯也有其明显的缺陷，如体积过大，所使用的铁 ：芯镇流器更是浪费能量和材料，并伴有噪声，不能与白炽灯相替换等缺点。因此， 紧凑型荧光灯就应运而生了，并发展成为室内照明的主要光源之一。 与! 在上世纪5 0 年代就已经提出了紧凑型荧光灯概念，但是由于工艺方面的 限制，没有具体的实现。直到7 0 年代，开发成功了稀土离子激活的三基色荧光 粉，这种荧光粉的发明为紧凑型荧光灯的发展铺平了道路。8 0 年代初，荷兰1 s 利 浦公司开发出了整体型带玻壳的s l 灯和高度紧凑的p l 灯；t h o r n 照明公司丌发 了2 d 灯；德固0 s r a m 开发了d u i u x 系列n 灯。紧凑型荧光幻的发展引起了各国 电光源生产厂家的高度重视，纷纷投入大量的人力、物力竟相开发和研制，这使 得紧凑型荧光灯技术得到了长足的发展。随着紧凑型荧光灯用荧光粉、保护膜以 及制灯工艺的提高，紧凑型荧光灯的光通、流明维持率、寿命等都有了大的提高。 二紧凑型荧光灯的大功率化 尽管紧凑型荧光灯有光效高、寿命长等优点，但紧凑型荧光灯的功率比较 低，这限制了其在照明领域更大范围的应用。如果能提高紧凑型荧光灯功率，可 以扩大其应用范围。 目前，很多照明场合( 道路照明、车问照明等) ，还在用高压汞灯作为照明 光源，但是国产高压汞灯的光效低，寿命短，显色性差，若进一步考虑整流器的 损耗，则系统光效更低。s m b e r m a n 等人的试验表明，在显色性极差的光源一高 棋旦土擎七耐率紧毒型荧光灯设计 压汞灯和高压钠，上丁下，在同等的照度下，人眼的瞳孔会放大，而在自炽灯下，人 恨瞳孔目对较小，也就是况为达到所需的视觉效果，显色指数高的光源所需的照 度大大低于显色指数差的光源。困此，用电子镇流大功率紧凑型荧光灯取代铁芯 镇流的高压汞灯有着极为明显的节电、节能和改进照明质量的效果。 卜表为国产高压钠灯、高压汞灯和大功率紧凑型荧光灯性能比较： 灯功初始显色 寿命 灯型号 囊 光通量指数备注 ( w )( l m ) ( r a ) ( h ) n c 7 07 05 1 6 0 4 06 0 0 0外启动高压钠灯 n g l 0 01 0 08 1 8 0 脯h 刚悔 导 “埘l 可得到双极性扩敞系数的简化形式： d 。：p ，k bt i q ( 4 5 ) e 3 电子迁移率 在模型中，我们不仅考虑了电子在a ，、n 。混合气体中的迁移率m 1 _ 1 8 o 还考 虑汞原子对电子迁移率的影响“。 i 0 1 0 1 0 9 k “5 百：_ 可r 旗算上挚大功率紧凑型爱圯灯设计第四章理论摸型的解析解 i 3 9 8x1 0 5 “e 2 了可矿 h = 苦( 半) 。! 电 i ：在混合气体中的迁移率为： l1l1 。一a rp e n c u c h g ，1 ，j 振态2 5 3 7 n m 和1 8 5r i m 的有效寿命 气体放电中，共振态原子自发辐射光子，光子离丌放电管以前会被基态原 子吸收，这种吸收和辐射会重复多次，这样的过程将大大的增加共振态原于的寿 命，从而使得山y - 撞引起的无辐射猝灭过程发生的几率大大增加，从而使得辐 射效率下降。 在本文中，我们采用了h o l s c e i n 2 1 1 理沦，这罩只考虑了多普勒放宽时所得 的公式： 1 = 1 o d o g ( 4 6 ) 其巾r ，r 。分别为其振态6 3 p i 和6 lp l 的有效寿命， c r o 和1p 0 分别为共振态63 p l 和 6 p 的自然寿命：j o 。表示个共振光子在离丌放电空间前所受的吸收和在发 刺次数的半均值。 对于半径为r 的圆柱型放电管，有 g 。2 丽1 6 眦) 】l ，2 其一1 j 旺为共振线中心的谱线吸收系数，其表达式为 ，= 2 3 3 1 0 _ 1 2 n 。l _ n g i f t 一 旺。= 7 1 8 1 0 一i 2 n o t b 17 2 g m 一 二模型的解析解 1 温度的计算 禚旦 擎是功率肾毒型蹙j 匕灯设计 第四章理论模型的解析解 将双极性扩散系数公式、汞离子速率系数及逐级电离速率公式( 3 3 ) 代入 电子温度方程( 3 9 ) ： l ：i _ 塑娑；二i ( 4 | 6 ) 1 n ( c o c 1 - x ) n no r2 】 、 其中c 。和c 是电子温度的函数，但随温度变化不大，为简化我们忽略了他们刺 电子温度的影呐，把c 。c ，看成常数c 。一3 8 l l x 】o 。1 6 ，c = 2 6 3 x 1 0 。6 ；x 为氖 所! i 的百分比；n 为惰性气体粒了数：n ；，为汞原r 数，r 为剀管半径。从公式可 以看出电子温度随气体惰性气体粒子数，汞原子数和半径的减少而减少。图4 1 为 “f 温度随氖百分比的变化曲线，其中实线为删论数据，点是实验数据心“。从 实验数据和理论数掘可以看出，增加氖含量可以提高电子温度，从而增加2 5 3 7 n m 辐射的饱和输出值。 2 j 振态的2 5 3 7 r i m 辐射 将亚稳态粒子浓度公式： n 。昔饥e x 卜苛， 及电子碰撞速率系数代入6 1 p 忿粒子浓度公式( 3 1 6 ) 可得： 3 2 4x - 。一4e x p f 一。7 4 ； n ，= 2 1 1 t + 2 8 4 x 1 0 “4 c e x p l 孙帅。 ( 4 7 ) 植旦五争尢功率靖凄型最光灯设计 第四幸理论模型的解析解 将屯子温度公式( 4 1 ) 代入上式，可得： n ，2 盯毒等篙赫 s ， 其中c 。c 。c ，为常数，1 是共振志6 3 p 的有效寿命。从上式很容易得到共 振态6 3 p 的辐射出度： 其中单个光子的能量，c ，c ：，c ，为常数。由上式可以看出：2 5 3 7 n m 辐射功 二钰随电子浓度的增加二缓慢上升，最后趋于饱和；而随着蒸气压的升高，会 订一个峰值，这一验征了实验中有以最佳冷端温度；而随着氖含量的增加，2 5 3 7 n m 辐射会增加，这样就印证了加入氖可以增加单位弧氏的辐射能量的可行性。f i g 1 2 是汞2 5 3 7 n m 辐射输出与电子浓度的关系。 图中实线为理论值为k o e d a m 1 的实验值，是k r u i t h o f 和b a r n e s “3 1 的实 验数掘。从理论与实验的比较可以看出两者符合较好，而且理论和实验结果都表 明了增加电子浓度，2 5 3 7 r i m 辐剧输出会饱和的结论。 3 其他能量损失 ( 1 ) 1 8 5 n m 辐射 一 一妒 l r 托 雕一m 。可趋州 、j q ”卜二：， 棋旦，t 擎太功率恃毒型羲屯灯设计第四幸理论模型的解析解 依照同一原理，我们可以得到1 8 5 n m 粒子浓度公式和1 8 5 n m 紫外辐射公式： 卟高筹嵛器一t 。， 。= 菇ic 嚣nr 嚣n e 高ic 每 1 ( 十。 - ) - ( 一，x ) o 6 、