（电力电子与电力传动专业论文）高强度气体灯电子镇流器的研究与开发.pdf

r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cb a l l a s t f o rh i g hi n t e n s i t yd i s c h a r g el a m p s m a j o r ：p o w e re l e c t r o n i c s n a m e ：h u a n g j i a n h u a s u p e r v i s o r ：p r o f s h ib i n n i n g a b s t r a c t a st h ei m p l e m e n to fg r e e n n e s sl i g h t i n gp r o j e c t s ，i ti sn e c e s s a r yt os e e k l i g h t i n ge q u i p m e n tw i t hc h a r a c t e r i s t i c so fg r e e n n e s s 、h i g h l i g h te f f i c i e n c y 、l o n g l i f e 、g o o dr e n d i t i o ni n d e x i t i s f o c u s i n g o na p p l y i n gt h e n e wp o w e r e l e c t r o n i c t i c st e c h n o l o g i e sf o re l e c t r i cl i g h t i n g h i dl a m p sa r ew i d e l ya p p l i e di n t h ef i e l do fl i g h t i n gd u et oi t si m p r e s s i v ep e r f o r m a n c e s w h a th a v eb e e x p o u n d e da b o v e b e c a u s e t r a d d t i o n a le l e c t r o m a g n e t i c b a l l a s th a v em a n y d e f t c i e n c i e s ，t h ed e v e l o p m e n to ft h ed r i v ec i r c u i to f t h el a m pe l e c t r o n i cb a l l a s t b e c o m er e s e a r c h f u lt o p i c e l e c t r o n i cb a l l a s tb a s e do nn u m e r i c a l c o n t r o ll s r e s e a c h e da n dd e v e l o p e d t h et h e s i sb r i e f l yi n t r o d u c e sb a s i ck n o w l e d g ea n dm e c h a n i s mo fh i d l a m p sa n db a s i cp a r a m e t e ro fe l e c t r i c a ll i g h t r e s o u c ef i r s t l y w ec o n t r a s t e l e c t r o n i cb a l l a s tw i t he l e c t r o m a g n e t i cb a l l a s to na d v a n t a g ea n di d i s a d v a n t a g e a c c o r d i n gt ot h ed e m a n do fh i dl a m p sf o r b a l l a s t ，w ei n t r o d u c et h eb a s i c p r i n c i p l e a n dd e v e l o p e dt r e n d c h a p t e rt h r e e i n r o d u c ea n da n a l y s ek e y t e c h n o l o g yo nb a l l a s tr e s e a r c h t h ef i r s t l ya n a l y s ea n dc o m p a r et h et o p o l o g y o v e r v i e w , a n dc h o o s et h et r a dt h r e e s t a g et o p o l o g y t h es e c o n d l y , c o r eo f b a l l a s t i i l v e r t e ri sr e s e a c h e d ，a n dw es e l e c tt h ef u l lb r i d g ei n v e t e r t h et h i r d l y , w e r e s e a c ha 1 1k i n d so fs t r u c t u r eo fi n g i t ec i r c u i t ，a n dd e s i g no n en e w k i n do fi g n i t e c i r c u i tw h i c hb a s eo nc p uc o n t r 0 1 c h a p t e rf o u r t hp r e s e n t st h et h e o r yo f t h ep o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ，a n dd e s i g nad c mb o u n d a r ya p f cb a s e do nb o o s ts t r u c t u r e c h a p t e rf i i t h , b a s e do nt h es t a r t u pc h a r a c t e r i s t i c so fh i dl a m p s ，t h r e es t r a t e g y o fl i n e a rc o n t r o la n dt h e o r yo fc o n t r o la r ep r o p o s e d p a p e rp r o p o s eb a s i ct h e o r y o fs t a b l ep o w e rc o n t r 0 1 p a p e rs e l e c ti n d i r e c tc o n s t a n tp o w e rc o n t r o lm o d e c h a p t e rs i x t h , p a r tc i r c u i t ( p r o t e c t 、d r i v e 、i n v e r t ) w h i c hb a s eo nd i g i t a le l e c t r o n i c b a l l a s tp r o t o t y p ef o r2 5 0 wh p sl a m pi sb u i l ta n dt e s t e d ，p a p e rg i v e sp a r tc i r c u i t d i a g r a m s 、s o f t w a r ef l o wc h a r t sa n dp a r te m u l a t i o n a la n de x p e r i m e n tw a v e f o r m s k e y w o r d s ：h i dl a m p s ，e l e c t r o n i cb a l l a s t ，p o w e rf a c t o r , d i g i t a lc o n t r o l i v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位敝作者签名童釜鲜 日期：劢多月占日7 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入 有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签 e ll 导师躲客易文中 日期：汐勺髟年乡月 日 摘要 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师 指导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学 院，受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开 发表论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的 书面许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部 署名公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本 人承担。 学僦文储签名名强鲜 日期：缈眵矽 第一章绪论 第一章绪论 本章主要是对选题的背景和意义，照明在国内外的发展研究状况，镇流 器技术应用概况进行了阐述，同时介绍了本课题主要工作和内容。 1 1 选题的背景和意义 能源是经济发展的物质基础，由于常规化石能源的日趋减少也成为社会可持 续发展的重要制约因素。中国现已成为全球第二大能源消费国，一直高度重视能 源和节能工作我国人均能源相对不足，大多数能源资源人均占有量不足世界平 均水平的一半。加之我国能源利用效率低下，每百万美元国内生产总值能耗比世 界先进水平高2 4 倍。就目前来说，节约能源、提高能源效率比开发新能源能够 更快见到成效。 目前世界各国消耗的总能量中约有1 5 ，- - - 2 0 用于发电，而电能的9 - - - - 2 0 用 于照明，美国甚至达到2 5 。全世界照明消耗的能量约占总能量的5 左右，我国 现在照明用电约占社会总用电量的1 2 左右，而且还在不断增长之中。对照西方 发达国家，这一比例还有相当大的提高，可见照明用电举足轻重，照明节电势在 必行也大有可为。 我国从1 9 9 5 年开始实施以提高照明效率、节约电力、保护环境为主要目标 的绿色照明工程，已取得了明显的成效，为改善照明质量、节约照明用电、促进 经济社会可持续发展发挥了积极作用。到目前为止所取得的成绩主要是表现在紧 凑型荧光灯为主的高效照明产品得到了较大面积推广应用。但是总体来说，我国 的照明产业同国际水平相比，高效照明产品的技术含量还比较低，能效水平差， 质量检测能力差，产品合格率低。 由于白炽灯具有发光效率低的缺点，所以发光效率高的气体灯得到了广泛应 用，气体放电灯的发光效率可以是白炽灯的十几倍，具有节能效果明显的优点。 据统计，如果将目前全世界使用的5 0 0 亿只白炽灯中的5 0 亿只改为荧光灯照明， 则每年可以节电8 0 0 亿度，相当于两个三峡发电站的发电量，如果以每度电费 0 5 元计算，则每年就因照明节约用电3 6 0 亿元，所以照明节能前景被看好。 目前荧光灯和高压钠灯、金卤灯的光效已经达到i o o l m w 以上，进一步提高 光源的光效相对比较困难。一方面应当大力推广使用这些高效光源，另一方面必 中山大学硕士学位论文 须加紧开发出能够高效驱动这些光源的镇流器，因为传统的电感式镇流器在驱动 这些光源的过程中至少多耗去3 0 的电源。本课题来自珠海市科技局的项目，源 于节能，保护环境的目的，主要是对高强度气体灯的研究从而开发出高效、节能 的电子镇流器，实现绿色照明。 有理由相信，只要有坚实的技术和质量为保障，我国高强度气体发电灯及其 附属电器产品也能像紧凑型荧光灯一样大规模地占领国际市场。同时还应该看到 国内市场对各种光源需求是巨大的，例如：城市要建设许多商用大厦、开发房地 产、建设地铁、轻轨交通、高架桥以及基础设施建设等【l l 。随着经济发展，广大 农村的公用照明也一定会发展起来，目前基本上还处于空白，这是一个巨大的潜 在市场。所有这些建设需要相当长的时间，与之配套的照明产品，如节能灯、 高压气体放电灯，在今后相当长的时间内仍将处于发展的高峰期，一个国家的照 明产业发展同它的国民经济的发展是同步的，而我国处在一个飞速发展时期，所 以照明行业发展无论在国内还是国际都有广阔的前景。 1 2 国内外发展研究状况 美国于上世纪九十年代初率先提出了“绿色照明”的概念，目的旨在发展和 推广高效照明产品，节约用电、保护环境，世界上其他国家纷纷响应。我国于 1 9 9 6 年由原国家经贸委、计委等联合下发中国绿色照明工程实施方案，共同 启动了中国绿色照明工程。十年来，通过引进、消化、吸收、创新，我国在技术 开发、装备水平、产品质量方面都有了大幅度的提高，其中荧光灯、紧凑型节能 灯的发展尤为突出。荧光灯己取代白炽灯成为我国最主要的光源，而紧凑型节能 灯又占据了荧光灯总量的6 0 ，国民的照明节能意识不断提高，不管是政府部门、 工矿企业，还是普通百姓，在价格与节能环保的选择上，都越来越趋向于高效节 能的绿色灯具。 照明节能的研究工作主要在三个方面进行研究与开展：高光效的光源、光输 出效率高的灯具、高效驱动光源的电器附件。无论是国内外，都在开展这几方面 的研究。目前光效高的光源都是弧光气体放电灯，包括低气压气体放电灯和高强 度气体放电灯。低气压放电灯大量使用的是荧光灯，光效超过1 0 0 1 m w ，是目前 室内照明中首选的光源。低压钠灯则是所有光源中光效最高的，己接近2 0 0 1 m w ， 但是由于显色性太差，仅限用于对光色没有任何要求的少数室外场所。高强度放 2 第一章绪论 电灯中以高压钠灯和金卤灯占压倒优势，钠灯的光效已达至0 1 5 0 1 m w ，金卤灯虽 然光效比高压钠灯低一些，但是因其显色指数高于纳灯，两者各得其所，都有自 己的应用场合。但是这些灯的光效已接近饱和，近期内要想进一步提高是相当困 难的。怎样把光源的光效提高到2 0 0 l m w ，甚至趋近3 0 0 1 m w ，使显色指数c r i 进 一步接近1 0 0 ，得到尽可能完美的光源，应该是光源界长期努力的目标。另外由 于高强度气体灯都含有能造成环境污染的汞，寻找和开发光效高、且不含对环境 有害物质的新光源材料也在积极开展之中。l e d 等固体光源虽然光效还比弧光气 体放电灯差许多、而且发光通量小，不过由于它环保、耐震、寿命长等优点，必 定能在照明产品中占有一席之地，但是还无法充当大功率照明的光源。 无论国内外，在体育馆所、道路、广场等公共场所以及高大厂房、户外作 业等地推广使用高压钠灯和金卤灯已成必然趋势。这些场所国外以前主要用高压 汞灯，高压汞灯光效较高( 5 0 - - 6 0 l m w ) 、寿命较长( 1 0 0 0 0 一2 0 0 0 0 h ) 、价格较 低，而且配套的镇流器也比较简单，因此对发展中国家是经济实惠的光源。但是 由于光效比高压钠灯、金卤灯低且污染大，在发达国家已被逐步淘汰，目前高压 钠灯、金卤灯已占主导地位。我国在这些大功率应用场合，高压汞灯还占有多数， 在农村乡镇地区甚至还有白炽灯，亟待提高。之所以还没有广泛推广高压钠灯、 金卤灯，价格、可靠性、易维护性等主要因素，其中镇流器的质量是关键。 按照国家绿色照明工程的要求，以及目前越来越紧迫的能源压力，估计会在 几年内大力推广高效节能灯一高压钠灯与金卤灯，在某些对显色性要求较低的地 方还会部分使用低压钠灯。而到目前为止已使用的高强度气体灯中，其绝大多数 还用的是电感式镇流器或者节电效率不高的电子镇流器。由于现在国家对节电有 明确的指标，采用新的、高度节能的电子镇流器势在必行。所以无论是新安装的， 还是对已有旧灯的改造都需要高效节能、价格合理的电子镇流器，所以高效节能 的电子镇流器成为研究的热点。 1 3 镇流器技术应用概况 电子镇流器在技术上是属于电力电子学的研究领域，与开关电源、不间断电 源和交流电机驱动电源等电力电子的热门研究领域相比较，由于受研究对象的限 制，对电子镇流器的研究主要集中在世界上几大著名照明公司，如g e 、o s r a m 和 p h i l i p s ，这三家公司本身是气体放电灯主要制造商，对气体放电灯本身的研究 3 中山大学硕士学位论文 一直处于领先地位。由于这种先天优势，他们在电子镇流器方面的研究也最为领 先，无论是高压钠灯还是金属卤化物灯电子镇流器，他们的研究都非常深入而全 面，经过多年的积累，都各自拥有许多专利技术，其产品极具竞争力。 今年来世界上许多国际半导体大公司如i r 、s t 、t i 、f a i r c h i d 、m l 、p h ili p s 都对电子镇流器的i c 进行研发，并且纷纷推出相关电子镇流器用控制集成电路 和芯片，它们具有很好的符合气体放电灯工作特性要求、使用方便、保护功能齐 全及电路工作可靠性高的优点，并且其中有些产品具有调光等功能。 我国对电子镇流器的研究开发比较晚，总体上也取得了很大的进展，陆续有 北京电光源研究所、复旦大学、哈尔滨工业大学和浙江大学等科研单位开展了电 光源、电子镇流器相关技术开发工作，进行了深入的分析和研究。绿色照明工程 的实施，使得许多高效照明产品的国内企业脱颖而出，如远东照明、佛山照明等。 目前电力电子技术已经渗透到镇流器的各个环节，镇流器在某种意义上就是 特种电源。现在电子镇流器为了实现绿色照明，几乎都实现或要求具有有源或无 源功率因数校正；在功率控制方面通过各种手段如：调压、调相、调频等控制； 在镇流器的核心一逆变环节，也涌现出各种拓扑结构，通过低频、高频逆变来驱 动光源；同时软开关技术也应用到了镇流器中，降低了损耗，通过硬件和软件手 段实现了各种保护( 过压、过流、欠压) 。随着绿色照明，和环保节能的实施， 电力电子技术已经完全渗透到了镇流器的设计中。 1 4 本课题主要工作内容 本项课题开发适用于高压钠灯、金属卤化物灯等高强度气体放电灯( h i d ) 的全功能电子镇流器，研究适合于h i d 灯的高频驱动技术、降压调光技术、功率 因数校正( p f c ) 技术，开发出能使h i d 灯具光效高、无闪烁、使用寿命长、无谐 波干扰，并具有自测时间、自整定降压节能运行的电子整流器产品系列。电子镇 流器涉及到高频变换、l c 串并联谐振、功率因素校正、信号传感和采集与处理、 p w m 控制、变压器电感设计等电力电子的方方面面。主要研究内容及研究成果如 下： ( 1 ) 对高压钠灯和金卤灯镇流器的启动电压进行研究和分析，包括谐振启动电 路和脉冲变压器启动电路两部分，设计了单片机脉冲点火电路。 ( 2 ) 对高压钠灯和金卤灯镇流器的原理以及驱动电路拓扑结构进行分析，主要 4 第一章绪论 分析了d 型拓扑结构，以及工作原理，并在传统两级拓扑结构基础上增加了调压、 控制功能，能实现方便调压，便于功率控制。 ( 3 ) 设计合理的功率因数校正电路，并对其进行仿真分析。提高电子镇流器输 入端功率因数并减小电流谐波含量。使之达到宽输入电压、高功率因数，在本课 题中采用了b o o s t 型电感电流临界模式功率因数校正。 ( 4 ) 对h i d 灯的启动时电压电流随时间变化特性进行研究，实现了对灯的启动 过程的控制，并对恒功率控制进行了理论分析和实际硬件软件设计。 ( 5 ) 基于单片机控制核心的硬件电路方案，设计了2 5 0 w 金卤灯镇流器，方便实 现变频驱动和声振荡抑制，以及各种保护功能等。 5 中山大学硕士学位论文 第二章气体放电灯的基础理论 本章主要对电光源的发展以及气体放电灯的基本工作原理进行了阐述，介绍 了气体放电的相关基础知识，同时也对h i d 灯对镇流器的要求进行了说明。 2 1 电光源的发展和原理 2 1 1 电光源基本参数 电光源的种类繁多，为了能分出各种电光源的好坏，以及了解电光源的发展 史，先介绍一些光计量的基本术语 2 1 。 光通量：是由光源向各个方向射出的光功率，也即每一单位时间射出的光能 量，单位为流明，用符号l m 表示。 发光效率：电光源所发出的光通亮与它所消耗的电功率之比，其单位是l m w ， 简称光效。光效是衡量电光源的一个重要指标，表示电光源将电能转换为光能的 效率，提高光效是目前电光源研究的一个重要方面。表2 一l 是常用电光源光效。 光强度：光源在给定的方向上单位立体角内所辐射的光通量，单位为坎德拉， 用符号c d 表示。 表2 - 1 一些常用电光源的发光效率 光源类型热辐射电光源气体放电电光源 电光源白炽灯卤钨灯高压荧金属卤化高压钠灯低压钠灯 光汞灯物灯 光效( 1 m w )1 0 2 0 2 0 3 35 0 6 07 5 8 58 0 1 3 01 3 0 2 2 0 色温( k )2 8 0 0 3 0 0 0 4 5 0 0 4 5 0 03 0 0 0 2 0 0 0 2 9 0 03 2 0 06 5 0 02 4 0 0 照度：被照物体单位面积上所接受的光通量，单位为l x ( 勒克斯) ，其定义 为1 1 m 的光通量均匀的照射在1m 2 的面积上的照度。照度是用来衡量物体表面 被光源照亮的程度，照度与光通量成正比。 显色指数：物体用光源照明和用标准光源照明时，其颜色符合程度的量度， 一般用数字疋表示，它是被某光源照射物体颜色还原好坏的定量描述，规定当 6 第二章气体放电灯的技术理论 光源和标准昼光显色一样时，光源显色指数为1 0 0 ，若两者颜色显示出差别，光 源显色指数就小于1 0 0 。部分电光源的显色指数见表2 2 。 表2 - 2 常用电光源的显色指数 电光源名称显色指数电光源名称显色指数 白炽灯9 7荧光高压汞灯 2 l 5 1 卤钨灯 8 0 9 4 高压钠灯 2 0 3 0 日光色荧光灯 7 5 8 5 钠铊灯 6 0 6 5 白色荧光灯8 0 9 0镝灯8 5 暖色荧光灯9 5 9 9卤化锡灯9 3 铟灯9 0 9 3高亮度碘弧灯 9 5 9 8 金属卤化物 6 0 6 5 高显色荧光灯 9 3 氙灯 9 5 9 7 高显色高压钠灯 8 0 色温：光源与所辐射光的颜色与黑体在某一温度下的辐射的颜色相同时，则 该黑体的温度定义为该光源的色温，单位为开尔文，符号为k 。 相关色温：当发光体颜色与某一温度下的黑体辐射颜色最为接近时，则称为 该黑体的温度为发光体的相关色温，简称c c t 。 2 1 2 电光源发展及其特点 按照发光原理大致可以分为：( 1 ) 热致发光电光源( 如白炽灯、钨卤灯) ( 2 ) 气体放电发光源( 如荧光灯、汞灯、钠灯、霓虹灯、金属卤化物灯) ( 3 ) 固体发 光电光源( 如l e d 和场致发光器件) 。各类电光源的具体分类见图2 - 1 。 电光源 图2 - 1 电光源分类图 7 荧光灯 低压汞灯 低压钠灯 金卤灯 高压汞灯 高压钾j 灯乇 中山大学硕士学位论文 这三大类的电光源中，各种电光源的发光效率有较大的差别。其中热致发光 光源制作简单，成本低，白炽灯的发光效率一般约为1 l ，大部分能量被发热 损耗了。固体发光电光源虽然发光效率高，但是目前还不能作到大功率化，同时 由于成本等因素，当前使之市场化、规模化还比较困难。 荧光灯的发光均匀、亮度适中、光色柔和，是理想的室内照明电光源。荧光 灯具有负阻特性，必须和具有限流作用的镇流器串连使用，以防止工作电流过高 损坏灯管。荧光灯汞蒸气压力较低，工作温度不高，气压变化也小，启动和工作 灯管阻抗变化较小，因此镇流器比较简单。与白炽灯相比，荧光灯及其它种类的 气体放电灯大大提高了照明系统的发光效率，因此能节约大量的电能。 但荧光灯发光效率和后来发明的高强度气体灯相比还是差一些【2 j 。金属卤化 物灯是由汞灯演变而来的，灯管内加入了卤盐，使汞灯蒸气浓缩，发光效率大为 提高；同时增加了红光和黄光成份，使光色接近白炽灯，常用于室内照明和影视 照明。汞灯因为其光色中的兰光较重，已逐渐被光色质量好，发光效率更高的高 压钠灯和金属卤化物灯所取代，因此h i d 灯一般指高压钠灯和金属卤化物灯。 经过数十年的应用和发展，高压钠灯的性能也在不断得到提高，发光效率和 寿命都在大大提高，同时还开发出了高显色高压钠灯，适用于室内和商场的照明， 高压钠灯是高压气体放电灯中发光效率最高的一种。金属卤化物灯由于具备光效 高和光色好的优点，制造工艺的提高，使光源性能有了极大的提高，其中3 5 w 1 5 0 w 规格的小功率金属卤化物灯已广泛地应用到室内照明和高档汽车前照灯， 被称为第三代的灯光源来替代传统灯光源，已逐渐被广泛应用于广场、道路、码 头、铁路、矿山等室外大面积照明系统。h i d 灯的主要区别见2 - 3 表： 表2 - 3 三种常见的高压气体灯比较 高压汞灯高压钠灯金属卤化物灯 主要填充气体汞蒸气钠蒸气碘化钠、碘化铊 光效( 1 m w )4 0 6 01 0 0 1 2 07 5 8 0 显色指数2 0 - 3 0 3 0 6 0 6 5 光色淡蓝一绿色黄一金色白色 平均寿命( h ) 5 0 0 02 0 0 0 08 0 0 0 主要应用场合厂房照明道路照明广场体育馆照明 2 2 气体放电的基本工作原理 8 第二章气体放电灯的技术理论 通常情况下，气体是良好的绝缘体，不能传导电流。但是在一定的条件下， 如强电场、光辐射、离子轰击和高温加热下，气体分子可能发生电离并产生可自 由移动的带电粒子，在电场作用下形成电流，这种电流通过气体的现象称为气体 放电。 2 2 1 电子发射和电极 在气体放电工作时，灯内存在大量电子、正离子等带电粒子，这些粒子在电 场作用下形成电流，在放电的正柱区电子、正离子的浓度相等，由于正离子质量 大、速度慢，对电流的贡献可以忽略，因此正柱区的电流主要是电子电流。要维 持放电电流，阴极必须源源不断地提供电子，通常把阴极提供的电子过程称为电 子发射。阴极表面有很多自由电子，但这些电子通常并不能逸出到灯内的气体中 去，要从阴极逸出，电子必须获得一定的能量。在绝对零度时，如果电子逸出所 需要的最小能量是缈电子伏，称缈为阴极功函数，有很多方法可以使电子获得足 够的能量从阴极逸出，主要有：加热、正离子轰击和施加强电场，相应的阴极发 射称为热电子发射、正离子轰击发射和场致发射等1 2 1 ( 1 ) 热电子发射 当阴极表面被加热时，其中电子平均速度增加，越来越多的电子获得足够的 速度从阴极表面逸出，使发射增加，功函数为缈的阴极在绝对温度t 时的发射电 流密度j 可用式( 2 1 ) 表示： j f = , 4 o t 2e x p ( 一螽) ( 2 - 1 ) 式中，常数以：4 x 丁e m k b ：1 2 0 a ( c m 2 * k 2 ) ，e 为电子质量，h 为普朗克常数， i n 为电子质量。 由上式可以知功函数和温度对发射电流密度j 影响很大，在同样温度下，功 函数低的发射电流密度大。所以作为阴极材料，功函数要小，而且必须有较高的 熔点和较低的蒸发率，绝大多数材料到1 0 0 0 k 时发射变得显著，为了使阴极能 产生足够的发射，必须将它加热到一定的温度，靠外部电源来加热叫做独立加热 式阴极，电子管便采取这种阴极，气体放电中的绝大部分热阴极并不是外部加热， 9 中山大学硕士学位论文 而是依靠放电自身来加热，称为自热式阴极。热电子发射是弧光放电阴极最主要 的一种电子发射形式，高压汞灯、钠灯、金卤灯的电极发射主要采取这种形式。 ( 2 ) 正离子轰击发射 正离子轰击发射也是一种主要的电子发射形式。正离子被阴极前面电场加速 后落到阴极上，当正离子的动能与电离能之和大于功函数的两倍时，就有一个电 子可能从阴极逸出，另一个电子被正离子吸收。对于这种发射，阴极完全不需要 加热，但是正离子的轰击还是会使温度有些升高，这一温升对发射不是主要的， 这种情况是冷阴极发射，辉光放电阴极主要是这种发射形式，这种冷阴极发射的 电流密度比较低，在相同的工作电流密度下，辉光放电阴极尺寸比弧光放电阴极 大。对于冷阴极要求的材料，不必像热电子发射那样要求很高的熔点，但是必须 能耐受正离子的轰击，否则电极材料将大量溅射，缩短电极寿命，使灯管容易发 黑。 由以上可知，为了产生这种发射，正离子到达阴极前必须有高的电位降，这 样才能保证正离子总能量大，这个电位降称为阴极位降，它本身能自动调节，使 电子发射维持在一个适当的值，而阴极电位降大小取决于阴极表面的性质和气体 的种类。辉光放电的阴极电位降是l o o v 左右，而弧光放电仅约l o v ，这样辉光放 电就工作在高电压、小电流下，而弧光放电工作于低电压、大电流。 ( 3 ) 电子轰击发射 如果当电子去轰击电极，并且有足够的能量，就有可能从电极中打出电子， 这种电子发射称为电子轰击发射。这种发射对直流灯来说没有什么意义，因为需 要的是阴极发射电子，而直流时却只有阳极才能接受具有足够能量的电子。在交 流灯中，这种电子发射能起作用，对某些低压高频放电，这种发射则变得更为重 要。 从阴极发射的电子，经过放电灯气体空间时，要发生许多复杂的过程，最后 打到阳极。电子在飞上阳极之前受到电场的加速，获得动能，它们要将大于功函 数的能量给阳极，导致阳极发热，所以在放电灯工作过程中，阳极耗散的热量与 放电电流成正比，因此在低电压、大电流的放电灯中，阳极功耗比较大，所以一 般都采用高熔点的材料作为阳极。 2 2 2 碰撞、激发和电离 1 0 第二章气体放电灯的技术理论 气体放电灯工作时，从阴极发射的电子在到达阳极之前要在放电空间中与气 体发生复杂的相互作用，发生一系列的碰撞、激发和电离。 ( 1 ) 碰撞 从阴极发出的电子在电场作用下，向阳极运动过程中，不断地和气体原子发 生碰撞，灯内气体浓度越高，碰撞机会就越多，由于电子比气体原子轻很多，因 此每一次碰撞中电子损失的能量很小，然而，它们碰撞时都要使电子改变运动方 向，电子从阴极向阳极运动过程中要走曲折路线，线路是电极直线距离的几百倍， 电子碰撞很多次，尽管电子和气体每次碰撞能量转移少，但每秒电子转移给原子 的能量就不可忽视，结果气体原子平均速度增加，气体温度升高，当气体损耗的 能量与碰撞获得的能量相等时，气体的温度不再升高，达到平衡。 ( 2 ) 原子激发和电离 由于原子内部电子运动轨道不是任意的，而是分立的，与之相应的能量也就 是确定的，反映在能级图上，能量是取一些分立值，原子可能处于基态，也可能 是激发态，这由价电子处于哪一轨道决定，若电子完全脱离原子，这一过程叫做 电离。 当处于基态的原子和动能大于既电子相碰撞时，原子就可能被激发到m 态， 碰撞后的原子继续运动，但是能量减小了e ，这些电子重新被电场加速，再与其 他原子发生碰撞，可表示如式( 2 2 ) 所示： e + a 专a + e( 2 2 ) a 代表基态原子，么代表受激发原子，e 代表快速电子，e 代表慢速电子，原子 可能被激发，也可能不被激发，原子激发过程有一定的概率。但当电子的动能大 于电离能时，它就可能使原子电离成正离子和电子。这一过程如式( 2 - 3 ) 所示： e + a 争么+ + e + e( 2 - 3 ) e + 么彳+ + e + e( 2 4 ) 式中彳+ 表示由原子a 电离或由激发态a + 得到的正离子，它与原子激发一样， 电离的发生也是有一定的几率性，电离的概率的大小也和动能有关系。 中山大学硕士学位论文 2 3 气体放电的伏安特性 在电离气体中，由于外致电离，存在各种带电中性粒子和带电粒子，在电 场的作用下，它们之间发生复杂的相互作用，带电粒子不断从电场中取得能量， 并通过各种相互作用把能量传递给其他粒子，这些得到能量的粒子可能被激发， 形成激发态粒子，当这些激发态粒子自返回基态时，就会产生电磁辐射，释放光 子，此外，电离气体中正负带电粒子的复合、带电粒子在电场中的减速等，也都 会产生辐射，因此气体放电总是伴随着辐射现象，利用这一原理制造的电光源称 为气体放电光源，实际上是由于气体原子被电离、激发所引起的。气体放电的全 伏一安特性见图2 - 2 所示。 图2 - 2 气体放电伏安特性图 图2 2 是典型的气体放电伏安特性曲线【2 1 。由于外致电离，在灯管中存在带 电粒子，在电场作用下，这些带电粒子向电极运动，形成电流。随着电场的增强， 带电粒子的速度增加，复合减少，使电流增大，这就是o a 段。当电场在增加时， 所有外致电离所产生的带电粒子全部到达电极，这时电流就饱和了，形成了a b 段。如果管电压继续升高，则电场将使初始的带电粒子的速度增加到很大，它们 与中性原子碰撞时能使之电离；而中性原子电离产生的电子又被电场加速后和另 外一些中性原子作电离碰撞，形成更多的电子，这样一种繁衍过程使电子数雪崩 式地增加。因此，往往称b c 段为雪崩放电。在c 点，通过灯管的电流突然增加 至d 点，管压降随即迅速降低，同时在灯管中产生了可见的辉光。c 点为气体放 电的着火点，相应的电压称为灯管的着火电压。 ，le g 训r 一1 l = 1 ( 2 5 ) ， 在灯管着火时，有式( 2 - 5 ) 成立。d 是阴极和阳极的距离，口为一个电子 1 2 第二章气体放电灯的技术理论 沿着阴极到阳极方向运动单位路程时与气体原子碰撞所产生的电离数，y 为一个 正离子轰击表面时所从阴极逸出的次级电子数。在阴极发出一个电子，这个电子 在到达阳极的过程中产生次电离碰撞，因而产生同样数目的正离子。这些正离子 打上阴极后将产生yfe g 鲥，一l1 个二次电子，而这些二次电子数目仍为1 。这就 是说，一个电子自阴极逸出后所产生的各种直接和间接的过程将使阴极在发射出 一个电子。这样放电就能自我维持，不再需要外致电离因素。在e f 段，管压降 能维持基本不变，这一段称为正常的辉光放电，这是因为这个范围内阴极并没有 全部用于发射，用于发射的面积正比于电流，这时阴极上的电流密度是一个常数。 当整个阴极面都用于发射( 对应于f 点) 之后，如果还要继续增大电流的话，阴 极电流密度就必须增加，造成管压上升，这样就进入了异常辉光放电阶段f g 。 其后如果再使放电电流增加，由于电极温度升高转入热电子发射，特性又一次发 出突变，管压大幅度降低，电流迅速增加。这就形成了弧光放电g h 段。 在o c 段放电是非自持的，如果去除外致电离，则电流立即停止。c 点以后 的放电是自持放电。从e 点开始，以后都是稳定的自持放电。非自持放电也称为 黑暗发电。从图可以看出，黑暗放电电流大约在1 0 - 6 彳以下，辉光放电电流为 l o - 6 1 0 _ 1 么，而弧光放电的电流约在1 0 一彳以上。 2 4 辉光和弧光放电过程 2 4 1 辉光放电 a i1 ； 23 光强分布 l ； 图2 - 3 辉光( a ) 与弧光( b ) 光强、电位沿管轴分布 图2 - 3 ( a ) 中画出了一只辉光放电灯的光强、电位等沿管轴的分布情况。 根据发光的明暗程度，可以从阴极到阳极空间分为几个区域：阴极区，负辉 区，法拉第暗区，正柱区，阳极区 1 3 中山大学硕士学位论文 阴极区是辉光放电的特征区域，所有的辉光放电的基本过程都在这里完成， 着火条件y l e f g 一l l _ l 也在这里得到满足，阴极区的电位差称为阴极位降。 阴极后面是由一个负辉区和法拉第暗区组成过渡区域。从阴极区进入负辉区 的电子有两类，一类是由阴极发射的，经阴极加速后由较高的能量，使气体电离 和激发，辐射发光。二类是阴极区产生电子，速度较慢，与正离子发生强烈的复 合，产生辐射发光，所以在负辉区有很强的光辉。 经过负辉区后，电子能量大都已耗尽，电离、激发作用很小，于是在法拉第 暗区中的电离和激发可以忽略不计，但是电子在这一区域受到弱电场的加速，能 量变得很大，由于不断的弹性碰撞使电子的运动方向发生改变，速度接近麦克斯 韦分布规律，进入正柱区。 一般情况下，正柱区是一个均匀的光柱，在均匀光柱中，正柱区是电子浓度 和离子浓度相等的区域。在等离子区中电子和离子浓度都很大，一般为1 0 1 0 一1 0 1 2 c m 3 ，图2 3 ( a ) 曲线表示在正柱区，电位是线性的，电场是均匀的。 电子和离子迁移，形成电流，电流密度为： ，= p 吃屹 ( 2 6 ) 正柱区传导电流主要是电子流，正离子流可以忽略不计，这样阴极区中电子经过 正柱区最后到达阳极，形成稳定的放电电流，正柱区相当于一个导体，起到传导 电流的作用。 阳极区或有或无，取决于外电路电流的大小、阳极的面积和形状。在辉光放 电中发光比较强的是负辉区和正柱区。 2 4 2 辉光向弧光的过渡 在辉光放电阶段正离子轰击阴极表面除了造成二次电子发射和阴极原子的 溅射外还会增加阴极热能，阴极温度上升又使电子发射加剧，这一现象叫热电子 发射。热电子发射是比二次电子更有效，并且随着热电子发射的增加阴极位降 会下降而电流会增大，当阴极达到一定温度后，阴极表面的热电子占主导地位后， 放电进入到弧光放电阶段。图2 4 为辉光放电向弧光放电的过渡，由图中可以看 到在辉光放电和弧光放电之间有电压逐渐减小与电流逐渐增大的过段阶段。 在辉光放电阶段，输入放电管的能量绝大多数都用于阴极的加热，单位时间 输入能量越大，阴极加热越快，则辉光向弧光的过渡越快。如果输入能量等于输 1 4 第二章气体放电灯的技术理论 出能量时阴极温度将不再上升，如果此时热电子发射不占主要地位，则放电将无 法过渡到弧光放电。 图2 - 4 放电由辉光转向弧光的过渡过程 2 4 3 弧光放电 弧光放电可以由两种方法获得：一是通过升高电源电压或减小回路电阻增加 电流，放电从正常辉光进入异常辉光。再增加电流时，电流密度和阴极位降加大 而使正离子动能和数量不断增加，因此使阴极温度升高产生热电子发射，这种发 射阴极温度很高，称为热阴极电弧；二是靠阴极材料大量蒸发而在附近极薄的范 围内产生很高的气压，形成极强的正空间电荷，从而产生强电场发射，由于阴极 温度不高，故称为冷阴极电弧。 弧光放电通常由阴极位降区、正柱区、和阳极位降区三部分组成。图2 3 ( b ) 给出了弧光放电时光强、电位沿管轴的分布图，弧光放电的阴极位降只有l o v 左 右，约为辉光放电的十分之一，因此与工作于高压、小电流的辉光放电相反，弧 光放电时工作于低压、大电流。弧光放电正柱区与辉光放电一样，也是作为一个 电流通道的等离子区，低气体压的弧光放电的正柱区除了具有更高的带电离子浓 度外，与辉光放电正柱区的性质基本一样，但高压气体弧光放电中则有不同的物 理过程和性质【2 】 2 4 镇流器的发展与应用 2 4 1 镇流器的工作原理 气体放电灯在弧光放电区域有一重要特性：放电表现出一种负阻特性，即 1 5 中山大学硕士学位论文 y i 为负值，图2 - 5 ( a ) 所示，图中横坐标i 是放电电流，纵坐标v 是管压 降。其伏安特性称为负伏安特性。如不采取措施，这种特性的器件单独工作是不 稳定的。假如放电电流从厶瞬时增加到l ，工作管的电压从k 下降到k ，但是供 电电压不会下降，这时就会产生一个过剩的电压能力( k k ) 加到灯管上使灯 管的电流进一步增加；同样，如果电流从瞬时减小到厶，这时要维持厶，电压 能力就差( k k ) ，这又导致电流进一步减小。可见将具有负阻伏一安特性的放 电灯单独接到电网中去时，工作是不稳定的，直到灯或电路的某一部分过流毁坏 为止，所以要使灯管正常工作一定要加镇流元件，用以限制和稳定灯电流。这个 限流装置叫镇流器，加入镇流装置后的工作曲线如图2 5 ( b ) 所示。 图2 - 5 气体放电灯的负阻特性与镇流电路工作特性曲线 2 4 2 传统电感镇流器特点 i j a i 耽t a f p 0、l ， l 。o 、 、厂 一， 一jl 乙骚p jj - _ _ _ 一一 rf b 图2 7 电感镇流器及灯电流和电压的波形 图2 - 7 ( a ) 为典型电感镇流器基本电路图，其中l 是补偿弧光放电负阻特 性的必备元件，电容c 的作用是提高输入的功率因素，从上图可以看出，功率因 数较低，在每个灯电流过零时灯电压都会出现一个尖峰，这对灯的寿命有很大的 影响。该镇流器的优点是电路简单可靠性高，使用寿命长与电阻式镇流器相比， 不仅可以减小损耗，而且可以使灯稳定。但是这种大电感镇流器有以下缺点： 1 6 第二章气体放电灯的技术理论 ( 1 ) 功率因数低。采用电感镇流器的功率因数一般只有0 4 左右，这种照明 系统的大量使用无形的增加了电网的无功功率，增加了电网负担，破坏了电能质 量，不满足绿色照明标准。 ( 2 ) 重量大、损耗大、闪频和噪音。交流供电系统一般是5 0 h z ，所以电感 等无源器件在工频下必须很大的元件标称值才能起到限流作用和弥补气体放电 的负阻特性，这样就会有很大的重量。而且在工频下的交流电感产生的电磁振荡 噪声也是可以听到的，同时存在工频闪烁，对人眼也是很有害的。 ( 3 ) 功率稳定性差并且功能比较单一。当电网电压和灯特性发生变化时，功 率变化大，会加速灯管老化【2 1 ，影响照明质量，电感式镇流器缺少必要的故障保 护功能，难以实现智能化管理。 2 4 3 电子镇流器发展和应用 在二十世纪7 0 年代出现了世界性的能源危机，导致了许多公司致力于新型 节能电光源电子镇流器的研究，便随半导体技术日新月异，各种高压功率开关器 件不断出现，为交流电子镇流器的出现提供了条件。7 0 年代末，荷兰飞利浦等 公司率先研制成功了荧光灯交流电子镇流器，这是照明电器发展史上的一项重大 创新。 图2 8 电子镇流器基本结构框图 荧光灯电子镇流器研究是基于这样的设想：提高镇流器元件的工作频率既能 减小“镇流”元件的体积又可以使高频振荡所产生的噪声高于人耳可感知的听觉 频段( 2 0 k h z ) ，同时气体放电灯在较高的频率驱动下会有较高的光效【2 3 1 1 4 1 ，低 频闪烁问题在高频驱动下也能得到妥善的解决。基本结构见图2 8 。 由图2 8 可知，从本质上可以认为电