高频工作的新型荧光灯.pdf

2 0 0 0年第 4 1 卷第 2 期 光 电技 术 E L E C T R O OP T I C S T E CH N O L O GY V o l 4 1 N o 2 2 0 0 0 高频工作 的新型 荧光灯 王尔 镇 一 华 东 电子 集团 公司 南京 2 1 0 0 2 8 夕 瑚 摘要 本文介绍了高频工作的新型荧光灯的技术进展 新型荧光灯在灯管径细化舶基础 上采用高频工 作能提高灯的光效 本文对高频点灯提高灯的光救进行了理论分析 并介绍了 型直昔形荧光灯和 环形荧光灯在高频工作下的实倒和特性 关键词直管形荧光灯环形荧光灯 作 节能 Ne w Fl u o r e s c e nt La m p s wi t h Hi g h Fr e g u e nc y Ope r a t i o n W a ngEr 曰I e n Ht md o n g E l e c t r o n i c s Gr o n p C o N 川I n g 2 1 0 0 2 8 Ab e t a r t i c l e i n t r o d u c e s t h e t e c h n o l o g i c p r o g r o f U t V h l o r e s t t n 坤 wi t h h i g h f r e g u e n e y O p e l 一 t i o n On t he b a s i n o f t he l a mp t u b e t h i n n i n g d o wn t he n 哪n u 0 0 e n t hmps a x e o p e r a t e d a t h i g h f r e g u e n c y I t tU t i mp r o v ethel i g h t e ffi c i e n c y o ft h ef l e w t l u o r e s c e a t l a mp s I nt iff s a r t i clei t d e a ls诵 t he ma e he n i s m a t ml y s e so f i mp r o v i n g e f f i c i e n c y o ft he l am ps a n d a l s o h r i dl yi n t r nd u c t he p r o p e r t i e s o ft h eTst y p e s t r a i g h ti u o a c e n tl a mp t y p e s t r a i g h t fl u o r e s c e n t l a mp a n d t he d o u b l e c i r c u l a r t y p e fl u o r e mt l am p wh i c h m o p e r a t e d a t t h e h i g h f r e g u e n e y Ke o r d s t f a i g h t s h a e d fl t u a r e c e n t l a mp d o u b l e c i r c u l a r s h a p e d fl u o r mt l am p h i g h f r e g u e x e y o p e r a t i o n h i g h e f fic i e n c y e n e r g y s a v i n g 1 前言 1 7 进入 2 1 世纪 之际 节 省资源 保护 环境 已成 为人 们的共识 近 年来 随 着我 国工农业 生 产的迅速发展 社会的进步和繁荣 人们的物质文化生活普遍改善 医疗制度正进行改革 居住环境有了明显改善 计划生育的实施 我国正逐渐步入老年化社会 为此 高亮度 节 能照明倍受 关注 自 1 9 9 7年我 国启动绿色照 明工程 以来 不合 理 的光源 产 品结构 有 了根 本 改变 节能型荧光灯的产量和质量都有了很大提高 其中细管径 荧光灯已大批量生产投 入市场 荧光灯正在加紧研制 准备 投入 市场 这些节 能型荧 光灯 采用 了稀土 三基 色荧光 粉 保护膜 汞齐或汞丸 无铅低钠玻璃 电子镇流器等新材料新工艺 最近 又开发 了 T 5 型荧光灯为代表的高频电子镇流器点灯专用技术 进一步提高了荧光灯的发光效率 并 被推 广应用到 TB 型 直管 形荧化灯和双环形 荧光灯 中去 本文主要 介 绍高频 点灯 专用型 荧光 维普资讯 2 光 电技 术 第 4 1卷 灯效率提高的理论分析和几种高频点灯专用型荧光灯的主要特性 有关高频点灯线路和灯的 器 具将 在另外文 章中作介绍 2 高频点灯荧光灯效率提 高的理论分析 2 l 5 从实验得知荧光灯采用高频点灯提高效率的依据 是 由于高频点灯提高了荧光灯的正拄 区的发光效率和降低了电极的功率损耗 荧光灯为低气压放 电灯 灯工作时高密度的电子和 离子的数目相等呈等离子状态 电子和离子呈两极扩散以相等的速度扩散到达灯管壁 其扩 散速度远低于仅有电子状态下的电子扩散速度 例如管径为 3 6 ra m的荧光灯 内充有 4 0 0 P a 的 A r 气时的扩散时间常数 1 e值的时间 为 5 m s 左右 与该数的倒数 2 0 0 H z 相 比 点灯频 率高低不同时放电状态发生了变化 在点灯频率 比上述值低得 多的情况下 例如 5 1 O Hz 点灯时 放 电具有与直流放电电流缓慢变化相同的特性 当采用市 电点灯 5 0 6 0 H z 时 由于残存少量的电子和离子 在点灯电压波形 中可见到再点弧的峰值 在该周期中电流的瞬 时值在超过上述再点弧峰值后开始减少 电压的上升开始受到频率的影响 当点灯频率提高 到 MH z 范围时电子能量的缓和时间 5 s 的倒数为 一2 0 0 k H z 点灯频率升高 电子能 量在时间上为一定数 电子密度不随时间变化 放电状态近似于直流放 电 因此 在数 十 k H z 高额下点灯 电子的密度在时间上为一定数 电子 能量在变动频率范围内与直流放 电相 比 效率有变动的可能性 灯在高频点灯下的发光效率与荧光粉受汞的 2 5 4 n m激励光 的时 间响应 寿命 有关 荧光粉的光激发最佳效率是在汞的 2 5 4 n m激发光的照射下实现的 汞发出的 2 5 4 n m的光在至管壁过程中大部分被基态能级的汞原子吸收 使基态汞原子跃迁 至高的能级 如此循环往复过程使灯的实效寿命变长 在该条件下灯的实效寿命为 2 5 s 其时间倒数 频率 为 4 0 k Hz 当灯在高于 4 0 k Hz 下点灯 时汞的 2 5 4 n m激发波长的光输 出 在时间上几乎为一定值 但是如在低频下 点灯则 2 5 4 n m的光输出会随时间而变化 由于点灯频率不同 电子 的能量分 布发生变化 发光效率 也发 生变化 实 际的 计 算 倒 如 图 1所 示 灯 管 径 为 3 6 mm 封 入 At 4 0 O P a 汞 压 0 8 P a 电 子按 ma x w e l e 分布 计算模型仅 考虑汞 的3个激发态能级 6 P 0 6 3 p l 6 3 P 2 基态能级和 电离 将激发 电位的速度方 程式 电子的连续方程式和能量方程式 联立 求解 径方 向的粒子分布按 贝塞尔 函数分布 图中 A B C为各灯的实效 电流值 0 4 0 0 4 5和 0 5 5 A的场合下的 计 算例 图 中数 字 为 点灯 频 率 单 位为 K r U 与直 流 DC 的 结 果 进行 比较 从图 1可 看 出 在 高 频 点 灯 提 高效 率 时 妻 婚 籁 镊 g 量 蟊 化 K度l l g 输入功半 r t w m 图 l 正柱区的发光效率 b 的计算例 正柱 区提高效率的所 占份额 不大 只占 1 荧光灯高频点灯 时 电极 的 电位降 低 电极 的 损耗 减 小 图 2为 市 电 AC 和 高频 维普资讯 第 2期 王 尔镇 高频 工作 的新 型荧 光灯 3 HF 点灯 下 电极 位 降的 比较 从 图 中 可看 出灯 内全 部充 Ar 时 AC和高频 点灯时 电极的 位 降差为 5 v 图 3为采用管 内电压间接 测定 法测 出 的 点 灯频 率 分 别 为 6 0 I I z 4 0 0 Hz和 1 0 k I I z的半 周期 内电极位 降 的分 布 图 很 清 楚地看 出高频 点灯时 电极位 降聪显 降低 由 于发光几 乎都是 从正 柱 区发 出的 按 电极位 降减少 5 v 概算 在灯 电流 为 4 2 0 mA 时可 降 低功耗 5 0 4 2 2 1 W 电极 功耗 的减 少对 灯总功率减 少 的影响 与灯管 的长 度 有关 荧 光灯高频点灯 时灯 管越短 电极 功耗 对整 灯功 率下 降的影响越 明显 3 高频 点灯专用型直 管形荧光灯 及其特性 1 3 B 7 直管形荧光灯 随技术的发展光效不断的 改进 已达到 1 0 4 l m W 由于 其明显的节能 效果 照 射 面 积 大 价 格 低 廉 灯 具 薄 型 化 现 已发展 成为 室 内照 明 的主要 光源 得 到 广泛 的推 广应 用 技术 的进 展 主要 表现在 采用稀土三基色荧光粉和灯管细径化 在此 基础上采用 高频 点灯 进一 步提高 了光 效 目 前主要有两种直管形荧光灯采用高频点灯 其直径分别为 2 6 ram 1 8 型 和 1 6 mm L 型 前者已投入市场 我国年产 已达 8千万只 表 1 为日本的高频点灯专用 型 荧光灯的主要性能指标 该表中 每种型号的灯都分高功率 型和高光效 型 这 由工 作 时 的高 频 电子镇 流 器 控 制 高频专用型 荧光灯不同于普通 的 型荧光灯 后者采用 卤磷酸钙荧 光粉 光效 仅 为 8 0 1 m w 左 右 而专 用型 荧光灯 则是 采用稀 土三基色 荧 光粉 且 为 了燃 点 时维 持适 当 的 电极 温度 特 别是 高功 率 工 作 时 为 防止 电 图 2 商用频率 交流 和高频 H F 点灯时的电极位降的比较 图 3点灯频 率分 别 为 6 0 4 0 0 I 和 1 0 k 的半周内电极电压降的时间解 极过分蒸发影响灯的寿命 高频专用型荧光灯通常进行专门设计 将灯与高频电子镇流器组 合成一系统 多次对 电极的设计进行 修正 以防止 电极过热蒸发或溅射 确保 电极寿 命达 到 1 2 0 0 0小时 该类灯节电效果明显 以 F H F 3 2型为例 3 2 W 1 8 灯光效达 1 0 0 l m w 高功 维普资讯 4 光 电技 术 第 4 1卷 率 的 4 5 W 灯双灯 系统光 通量达 9 0 0 0 l m 相 当于 原 4 0 W 3支灯 系统 的光通 量 得到 同样 光 照度 可省去一 只灯 节 省了电能 且灯具减 小 变薄 可节约材料 并便 于安装 表 2为 国际 上高频点灯专用型 T 5 荧光灯的特性参数 表 1 高频点灯专用型 荧光灯 的性能 色温 5 0 0 0 K 日本产 尺寸 ram 额定功率 灯 电流 总光通 额定寿命 型号 灯头 管径 长度 w A i r a h l 6 0 2 5 5 1 4 0 0 FHF1 6 2 5 5 5 8 8 5 Gl 3 8 5 0 0 2 3 0 4 2 5 2 0 0 0 3 2 0 2 5 5 3 2 o 0 FHF 3 2 2 5 5 1 1 9 8 Gl 3 1 2 0 0 0 4 5 0 4 2 5 4 5 0 0 5 0 0 3 5 5 5 2 o0 FHFS 0 2 5 5 1 4 9 8 5 Gl 3 1 2 0 0 0 6 5 0 5 5 0 6 4 00 表 2 高频点灯专用型 荧光灯主要技术参数 功率 w 1 4 2 1 2 8 3 5 4 9 长度 mm 5 4 9 8 4 9 1 1 4 9 1 4 4 9 1 4 4 9 管 压 v 8 4 1 2 3 1 6 2 2 0 5 1 9 4 电流 A 0 1 7 0 1 7 0 1 7 0 1 7 0 2 6 光通量 1 m 1 3 5 0 2 1 0 0 2 9 0 o 3 6 5 0 5 0 0 0 灯光效 1 r n w 9 6 1 0 0 1 0 4 l O 4 1 0 2 系统光效 m w 8 4 8 9 9 4 9 5 9 4 注 系统光效包括灯和镇流器组成的系统 H f 1 r 5 灯 Hf 表示高频专用型 为达到上述表中的性能指标 在设计时除上述的采用稀 土三基色荧光粉 保护膜和新型电极外 近来还改用低钠无铅玻管替代普通钠钙玻管 减少 充汞量至 3 m g 1 只灯 好的最佳工作温度控制在 3 5 电极 灯丝 的接装位置应离管端足 够远的距离 以确保最佳工作温度和最佳汞蒸气压 为防止灯管黑化和改善预热启动性能 在高频电子整流器的设计上应加以改进 目前 H f r 灯要解决的主要技术问题是管壁负荷增 大引起蒸气压的控制 问题以及在灯燃点寿命末期的电极加热现象 T 5 灯与 T 8 灯相 比管径更 细 可节省荧光粉 6 0 灯具更小巧 易于光学控制 包装和运输费用少 更节省能源和 据源 4 高频 点灯专用型环形荧光灯 及其特性 一 环形荧光灯将直管型放电电路改为环形放电电路 使灯外形紧凑 美观 适用于室内装 饰照明 近来环形荧光灯进一步灯管细化 采用高频点灯 并开发了高频点灯专用型双环形 荧光灯 更加节电 省资源 图 4 为上述三种环形荧光灯的外形图的比较 管径从 F C L 4 0 3 8 型 的 2 9 5 mm 细化 到 F HC 3 4型 的 1 6 5 mm 后 来 又制 成 F HD1 0 0型 双 环形 的荧 光 灯 维普资讯 第 2期 王 尔镇 高频 工作 的新 型 荧光灯 5 灯管细化后 在放电电路不变的情况下容积 比和质量比分别为粗管径灯的 5 7 和 5 5 加 之灯 具的薄型化 有 明显 的节 省资源和减少 灯具 占据 空 间的效 果 表 3为 日本 的 环形 灯 的主要参数 5 0 0 0 K 管径都为 1 6 5 ram 为便 于器具的互换性和生产部件 的互 换性 其灯 的外环径与粗管径灯 的相 同 灯头 也采用 GZ 1 0 g型与 粗管径灯 相 同 为了改善 T5 环形灯 在 密 闭灯具中点灯 其 总光通低 下的状况 采取升高一端 电极芯柱的高度 将灯 的冷端 设计 在 该芯柱的根部 来降低最冷端的温度 有效地控制灯内的汞蒸气压 这种结构的改进已得到 日本官方的认可 9 9年 3月已付于实 施 由于 外灯周 围的 温度 对特性 有 所影 响 在设 计 和 配置 T 环形灯的密闭形或开放形灯具时都应考虑这一影响因素 衰 3 T 5 环形荧光灯的主要特性l 5 0 0 0 K 日本 尺 寸 额定功率 起始特性 额定寿命 型号 管径 环外径 环内径 灯头 点灯条件 灯电流 总光通 W h ram ram r r l I I I A 1 m 高光效 2 0 0 2 3 0 1 8 0 0 FHc 2 0 1 6 5 2 2 5 1 9 2 GZ1 0 g 9 0 0 0 高功率 2 8 0 4 3 0 2 3 0 0 高光效 2 7 0 2 3 0 2 5 1 0 F C 2 7 1 6 5 2 9 9 2 6 6 GZ 1 0 g 9 0 O 0 高功率 2 8 0 4 3 0 3 2 5 0 高光效 3 4 0 2 3 0 3 2 7 0 n 4 1 6 5 3 7 3 3 4 0 GZ 1 0 g 9 0 0 0 高功率 4 8 0 4 3 0 4 2 5 0 b T5环 荧光灯 F I c 3 4 囤4 原粗管径环形灯与高额点灯专用型环形灯的形状 比较 为使环形荧光灯更加紧凑 现将放电电路由单环改为双环形电路 日本的双环形灯管径 为 2 0 ram 欧洲的双环形灯管径为 1 6 5 mm 形化 将两根不同环径的灯管利用桥接的方 衰 4 日本双环形荧光灯的主要技术参熬 5 0 0 0 K 尺 寸 r r n 灯头 额定功率 起始特性 额定寿命 类型 管径 环外径 环内径 型号 W 灯 电流 总光通量 1 m h r r l I I I r a m r r lI I I A 2 5 4 0 F D4 O 2 0 1 9 2 1 0 6 GU1 0 g 41 O 43 0 31 0 0 3 3 0 0 9 0 o 0 F唧0 2 0 2 9 6 2 1 0 GU1 0g 6 8 0 4 3 0 5 9 0 0 6 3 0 0 9 0 0 0 F HD 1 0 0 2 0 4 0 0 3 1 4 GU1 0 g 9 7 0 4 3 0 8 8 0 0 9 6 0 0 9 0 0 0 维普资讯 6 光 电技 术 第 4 1卷 式封接在 同一平面上制成双重环形荧光灯 外形见图 5 该 类灯管径 虽变细 但灯 电路 的 电流仍与单环形灯的电流相同 由于加长了 放电电路 和 采用 高频 点 灯 可 以得 到 更大 的 光通量和光效 在 电流不 变 灯管 细 化 的情 况下 管壁 附近 的荧 光 粉层 受激 主 体 2 5 4 r a n 的正桂区的幅射功率变为最大 桥接部位侧 面管端成为灯的冷端 当周围温度 比常温高 约 4 0 时 灯的效率最高 对灯 内汞蒸气压 的控制是通过封接的位置和灯头的开 口缝 隙 来调节的 像一般环形 灯那样 该灯 的电极 封 口部分 必须 压模 成型 日本 的双 环 形荧 光 灯 5 0 0 0 K 的主要参数如表 4 所示 管径为 2 0 m m 灯的电流与原粗管径环形荧光灯相同 都为 0 4 3 A 环 的内 外径也略有不 同 从 开 口缝隙 表中可看出 4 0形环外径与 7 0形环内径差为 图5 双重环形荧光灯 1 8 m m 7 0 形环外径与 1 0 0形环内径相差 1 8 ram 这对同时配用这三种型号灯的灯具并处于 同心圆状态时能保持灯间的相同间隔 可减少灯具系统光照的不均匀性 欧洲的双环形荧光 灯的主要参数如表 5所示 灯管径为 1 6 5 ra m 同一型号的灯可在额定电流 O 2 3 A下工作 也可在大电流 0 4 3 A下工作 前一种场合可得到高光效 可 比旧型号灯的功率损耗降低 1 0 后一场合可得到 1 3 倍 的高光通输出 嵌5 欧i I I l 双环形簧光灯的主蔓参数 5 0 0 0 足寸 舞定功率 瞧 糖定寿命 型号 灯头型号 点灯条件 灯电巍 总光潭 警径 环外径 环内径 W b A t r a 额定功率 2 0 0 2 3 0 1 8 0 0 FHC2 0 i 6 5 2 2 5 I 9 2 GZ1 0 g 9 0 0 0 高功率 2 8 0 4 3 0 2 3 0 0 额定功率 2 7 0 2 3 0 2 5 0 0 F C 2 7 1 6 5 2 2 9 2 6 6 GZ1 O g 9 0 0 0 高功率 3 8 0 4 3 0 3 2 5 0 额定功率 3 4 0 2 3 o 3 2 7 0 FHa 4 1 6 5 3 7 3 3 4 0 GZ1 0 g 9 0 0 0 高功率 4 8 0 4 3 0 4 2 5 0 5 结束 语 本文介绍了高频点灯专用型荧光灯提高效率的理论分折 提高了灯正柱区的发光效率 降低了电极的功率损耗 并介绍了高额点灯专用型直管形 环形荧光灯的主要特性和发展动 向 该类灯采用新的设计并配置有高频专用点灯线路使灯的光效达到了高压放电灯的水平 约 1 0 0 I m w 且灯管细化 灯具薄型化 节省材料资源 是近年来迅速发展的室内公共场 下 转 第 l 6万 维普资讯 1 6 光 电技 术 第 4 1 卷 子发射材料不存在耗损 结构牢 固和 电流小 2 即使 在冷 的环境 气温下 启跳快 是 直接 启跳 3 寿命 与启跳次 数多少无关 4 光输 出低而 暗淡 其主要缺点是光效低 仅为热 阴 极荧光灯 的 2 3或更低 液 晶背光源用灯常使用冷 阴极荧光灯等 1 8 结束语 本文所介绍