無(wú)極燈的溫度特性研究

  無(wú)極燈是一種高光效長(zhǎng)壽命的節(jié)能光源光源

　　光源產(chǎn)品具有LED顯示、體積小、重量輕、易攜帶、電池供電、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，直觀快速，是一種使用極其簡(jiǎn)單方便的測(cè)試工具，產(chǎn)品經(jīng)過(guò)防震防潮處理，可以在野外惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作。 [全文]

，是未來(lái)光源發(fā)展的一個(gè)重要方向。其光效的高低直接取定于燈內(nèi)汞的蒸氣壓，汞的蒸氣壓取決于汞齊的冷端溫度，而汞齊冷端溫度又由燈內(nèi)氣體溫度和燈的散熱狀況決定，因此研究無(wú)極燈內(nèi)氣體溫度特性對(duì)分析光效的高低極其重要。以有熒光粉和無(wú)熒光粉的150W 無(wú)極燈為例，對(duì)此進(jìn)行了初步研究，結(jié)果表明，無(wú)極燈啟動(dòng)時(shí)的溫度特性與有、無(wú)熒光粉有關(guān)，關(guān)燈后的溫度特性與燈的散熱結(jié)構(gòu)有關(guān)。

　　引言

　　全球能源危機(jī)使得綠色節(jié)能的無(wú)電極照明光源成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一。無(wú)極燈具有長(zhǎng)壽命、高效節(jié)能、高可靠性、顯色性高、可瞬間啟動(dòng)或再啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，近年來(lái)成為商家追捧的熱點(diǎn)。雖然目前無(wú)極燈在巨大的世界照明市場(chǎng)所占份額還很小，但這種狀況不會(huì)持續(xù)太久?，F(xiàn)在有些國(guó)家已經(jīng)明確立法要淘汰白熾燈，節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命的無(wú)極燈必定會(huì)有更廣闊的市場(chǎng)。

　　國(guó)內(nèi)外高頻無(wú)極燈的技術(shù)發(fā)展起源于19 世紀(jì)后期，當(dāng)時(shí)美國(guó)人湯普森、泰斯拉等人發(fā)明了高頻無(wú)極燈，然而受當(dāng)時(shí)科技水平的限制，一直到20 世紀(jì)90 年代，新型半導(dǎo)體電子技術(shù)的飛速發(fā)展，才使高頻無(wú)極燈有了進(jìn)入商品領(lǐng)域的可能。自無(wú)極燈問(wèn)世以來(lái)，世界各國(guó)的照明企業(yè)都對(duì)無(wú)極燈進(jìn)行了大量的研究與實(shí)踐，特別是以飛利浦、松下、GE、歐司朗等為代表的國(guó)外大型照明企業(yè)。1991 年，日本松下公司在日本境內(nèi)推出了一款無(wú)極熒光燈，它的工作頻率為13. 56MHz，功率為27W，光效為37. 0 lm /W，平均壽命高達(dá)40 000h。同年，荷蘭飛利浦公司也推出了一款QL 無(wú)極燈。這種燈的工作頻率為2. 65MHz，功率為55W，光效為70. 6 lm /W，燈的壽命高達(dá)60 000h。1994 年，美國(guó)GE公司推出一款一體化緊湊型無(wú)極熒光燈。該燈的工作頻率也是2. 65MHz，輸入功率為23W，光效為48 lm /W，平均壽命為15 000h左右。德國(guó)的歐司朗公司在20 世紀(jì)后期也推出了ENDURA 無(wú)極燈。該燈的功率為70W，光效高達(dá)93 lm /W，壽命為60 000h，光色有暖白色和日光色，顯色指數(shù)在80 ～ 89 之間。目前這些公司的無(wú)極燈在市場(chǎng)上的銷售量很小，主要原因是價(jià)格較貴，難以推廣使用。

　　目前國(guó)內(nèi)從事無(wú)極燈生產(chǎn)和銷售的企業(yè)主要有上海宏源、福建源光亞明、浙江長(zhǎng)虹、江蘇正信、廣州士昌·丹達(dá)、河北寶石等。這些企業(yè)產(chǎn)品的性能與國(guó)外產(chǎn)品相比，雖然各有所長(zhǎng)，但仍具有一個(gè)共同的問(wèn)題:那就是實(shí)際產(chǎn)品的光效和理論光效相差甚遠(yuǎn)，也就是說(shuō)提高無(wú)極燈光效的研究尚有很多工作可做。

　　盡管影響光效的因素有很多，但都與無(wú)極燈的放電過(guò)程密切相關(guān)。因此要提高無(wú)極燈的性能必須對(duì)無(wú)極燈的放電過(guò)程及電學(xué)、光學(xué)性能進(jìn)行細(xì)致的研究，以從機(jī)理、特性和使用條件等方面對(duì)無(wú)極燈光效等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，這對(duì)節(jié)能減排非常重要，也符合我國(guó)發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的重要戰(zhàn)略部署。

　　1 無(wú)極燈的結(jié)構(gòu)

　　無(wú)極燈主要由高頻發(fā)生器、耦合器耦合器

　　耦合器是在微波系統(tǒng)中,能夠?qū)⒁宦肺⒉üβ拾幢壤峙涑蓭茁返脑ｑ詈掀鞯淖饔檬菍⑿盘?hào)不均勻地分成幾分(稱為主干端和耦合端，也有的稱為直通端和耦合端)，主要包括: 定向耦合器、功率分配器以及各種微波分支器件。 這些元器件一般都是線性多端口互易網(wǎng)絡(luò), 因此可用微波網(wǎng)絡(luò)理論進(jìn)行分析 。 [全文]

和燈泡3 個(gè)主要部分組成，如圖1 所示。

圖1 無(wú)極燈的結(jié)構(gòu)圖

　　高頻發(fā)生器是一個(gè)AC － DC － AC 變換器，它為耦合器提供高頻能量來(lái)激發(fā)和維持燈泡內(nèi)的氣體放電。高頻發(fā)生器的所有電子元器件都裝在一個(gè)金屬外殼電源盒里，這有雙重功能:屏蔽無(wú)線電干擾和進(jìn)行熱傳導(dǎo)。

　　耦合器由磁芯磁芯

　　磁芯是指由各種氧化鐵混合物組成的一種燒結(jié)磁性金屬氧化物。磁芯是指為了增加電磁體的磁感應(yīng)強(qiáng)度，在電感線圈的磁路中設(shè)置了導(dǎo)磁物質(zhì)體。磁芯在采用軟磁材料，以電磁感應(yīng)原理工作的高頻電子變壓器中是最關(guān)鍵的部件。磁芯材料的主要發(fā)展方向是降低損耗，加寬使用的溫度范圍和降低成本。磁芯結(jié)構(gòu)的主要發(fā)展方向是如何形成形狀和尺寸最佳（對(duì)電磁性能、散熱、用量和成本等參數(shù)）的平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯?，F(xiàn)在各種軟磁材料，都在不斷地改進(jìn)和開發(fā)，以競(jìng)爭(zhēng)高頻電子變壓器的市場(chǎng)。 [全文]

、高溫線高溫線

高溫線是采用F46（聚全氟乙丙烯）材料作絕緣的一種新型產(chǎn)品，由它包覆的產(chǎn)品可在-60℃～200℃的廣闊空間內(nèi)長(zhǎng)期使用，在-200℃～+260℃下還可短期使用，因?yàn)樗秃透邷?，電絕緣性能好，所以在電纜電線中廣泛用于電子設(shè)備傳輸電線電子計(jì)算機(jī)內(nèi)部的連接線，航空宇宙用電線特種用途安裝線，控制線。 [全文]

、導(dǎo)熱棒和同軸電纜電纜

　　電纜是一種用以傳輸電能信息和實(shí)現(xiàn)電磁能轉(zhuǎn)換的線材產(chǎn)品。既有導(dǎo)體和絕緣層，有時(shí)還加有防止水份侵入的嚴(yán)密內(nèi)護(hù)層，或還加機(jī)械強(qiáng)度大的外護(hù)層，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，截面積較大的產(chǎn)品叫做電纜。 [全文]

等組成，是把能量從高頻發(fā)生器耦合到燈泡內(nèi)的器件。磁芯和高溫線的作用是產(chǎn)生高頻磁場(chǎng)。通過(guò)中間的導(dǎo)熱棒，線圈產(chǎn)生的多余熱能和放電通過(guò)金屬底座傳導(dǎo)到外面。耦合器通常采用雙層繞制:一層輸送電流，另一層用來(lái)降低公共模式終端電壓的干擾。

　　燈泡是無(wú)極燈的發(fā)光器件，主要由泡殼、內(nèi)管、汞齊、熒光粉等組成。工作時(shí)，泡體內(nèi)除惰性緩沖氣體外，還有主、輔汞齊釋放出來(lái)的汞蒸氣。主汞齊位于泡殼底部的短管中，可提供穩(wěn)定工作時(shí)的汞原子。輔助汞齊放置在內(nèi)管壁的銦網(wǎng)上，提供啟動(dòng)時(shí)的汞原子，當(dāng)燈關(guān)掉時(shí)，銦網(wǎng)快速冷卻，收集了燈泡中的大部分汞原子，以準(zhǔn)備下次啟動(dòng)。無(wú)極燈采用的汞齊分低溫汞齊、中溫汞齊和高溫汞齊，選擇合適的汞齊能保證無(wú)極燈在一個(gè)較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的光輸出。熒光粉目前多采用三基色熒光粉，它能將汞原子激發(fā)躍遷產(chǎn)生的波長(zhǎng)為253. 7nm 的紫外線轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)光。

　　2 無(wú)極燈的工作原理

　　無(wú)極燈的工作原理如圖2 所示。高頻發(fā)生器產(chǎn)生2. 65MHz 的高頻電壓、電流，當(dāng)高頻電流通過(guò)耦合器時(shí)，便產(chǎn)生一個(gè)高頻電磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)垂直于磁場(chǎng)變化的電場(chǎng)( 見(jiàn)圖2 ( a) )。磁場(chǎng)產(chǎn)生的電場(chǎng)加速燈泡內(nèi)部放電空間的電子，當(dāng)電子能量達(dá)到一定值時(shí)，電子與燈泡內(nèi)的惰性氣體和汞原子發(fā)生碰撞，使燈泡內(nèi)的氣體雪崩電離，形成等離子體。等離子體受激原子返回基態(tài)時(shí)，輻射出253. 7nm 的紫外光子，紫外光子激發(fā)燈泡殼內(nèi)壁的熒光粉產(chǎn)生可見(jiàn)光( 見(jiàn)圖2( b) )。

圖2 無(wú)極燈的工作原理圖

　　3 無(wú)極燈的溫度特性分析

　　無(wú)極燈泡體的溫度( 包括內(nèi)部氣體溫度) 通過(guò)影響無(wú)極燈的冷端溫度，即置于冷端的汞齊的溫度影響無(wú)極燈的汞蒸氣壓，從而影響光效。為了分析無(wú)極燈泡體的溫度特性，研究泡體溫度對(duì)冷端溫度的影響，我們采用美國(guó)FLIR 公司的ThermaCAM PM525E 型紅外熱像儀紅外熱像儀

　　紅外熱像儀是利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見(jiàn)紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的熱圖像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測(cè)物體的不同溫度。 [全文]

對(duì)150W 涂熒光粉和不涂熒光粉的無(wú)極燈的泡體溫度進(jìn)行了測(cè)量( 測(cè)量條件:距離2m，環(huán)境溫度21°C) ，結(jié)果如圖3 所示。

　　從圖3( a) 可以看出，點(diǎn)燈后，有熒光粉無(wú)極燈的溫度先迅速增加，在1min 達(dá)到70℃ 左右，在7min 左右達(dá)到第一次峰值( 約112℃) 后溫度稍有下降，隨后又繼續(xù)升高。燈點(diǎn)亮20min 左右，達(dá)到實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的極大值116℃。同樣，從圖3 ( b) 可知，點(diǎn)燈后，無(wú)熒光粉無(wú)極燈的溫度先迅速增加，在1min 達(dá)到70℃ 左右，在7min 左右達(dá)到第一次峰值( 約124℃) 后溫度稍有下降，隨后又繼續(xù)升高，在20min左右達(dá)到實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的極大值135℃。比較有、無(wú)熒光粉的無(wú)極燈溫升特性可知，它們具有相似形狀的溫升曲線，但溫升幅值不同，造成這種現(xiàn)象的原因是:無(wú)極燈點(diǎn)亮后，燈泡內(nèi)的電子在耦合器產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng)，撞擊燈內(nèi)的氣體原子產(chǎn)生等離子體，等離子體與玻璃泡體內(nèi)壁(或熒光粉層等) 相互作用產(chǎn)生大量的熱。此外，鐵氧體磁芯和線圈也會(huì)產(chǎn)生大量的熱。這些熱量造成無(wú)極燈泡體的溫度升高。燈點(diǎn)亮7min 左右，金屬制成的底座開始散熱，使溫度下降。當(dāng)?shù)鬃@得的熱量與散出的熱量平衡時(shí)，溫度不再下降。而燈泡內(nèi)放電及耦合器產(chǎn)生的熱量繼續(xù)增加，使得放電產(chǎn)生的熱量大于底座散出的熱量，燈泡溫度繼續(xù)升高。

　　對(duì)于無(wú)極燈有、無(wú)熒光粉泡體溫升幅值相差較大的這種情況，可根據(jù)物質(zhì)的比熱容公式的變換形式Q= cmΔt (Q 是熱量，c 為物質(zhì)的比熱容，m 為物質(zhì)的質(zhì)量，Δt 為溫度的變化量) 來(lái)分析。由上述公式可知，當(dāng)放電產(chǎn)生相同的熱量時(shí)，由于熒光粉的存在，有熒光粉的系統(tǒng)比無(wú)熒光粉的系統(tǒng)存在更多的物質(zhì)，熒光粉也會(huì)從系統(tǒng)吸收熱量升高自身溫度，所以有熒光粉時(shí)，因熒光粉吸收部分熱量使得系統(tǒng)溫升幅值低于無(wú)熒光粉的系統(tǒng)。對(duì)于熄燈后的溫度特性，通過(guò)比較圖3( a) 和圖3( b) 中無(wú)極燈熄滅后的溫度曲線發(fā)現(xiàn)，2 者的溫度曲線非常接近。這表明，這種無(wú)極燈金屬底座的散熱效果基本一致。

　　為了更好的分析這2 種無(wú)極燈的溫度情況，用紅外熱像儀獲得了泡體升溫和降溫時(shí)的溫度分布照片，分別如圖4 和圖5 所示。

圖3 無(wú)極燈泡體的溫度變化

圖4 無(wú)極燈點(diǎn)亮后10min 的熱像儀照片

　　從圖4 ( a) 可看出，有熒光粉的無(wú)極燈點(diǎn)亮后10min 時(shí)，最高溫度為104℃，主汞齊處的溫度已經(jīng)超過(guò)45. 3℃，也就是說(shuō)，此時(shí)開始無(wú)極燈的光效已經(jīng)下降了，因?yàn)樽罴压庑?duì)應(yīng)的汞氣壓約為7mtorr，相應(yīng)的冷端溫度約為42℃。此時(shí)無(wú)熒光粉無(wú)極燈的最高溫度為122℃，而其汞齊的冷端溫度仍低于45. 3℃( 見(jiàn)圖4( b) )。

　　圖5 為無(wú)極燈熄滅后4min 時(shí)熱像儀的照片。比較有熒光粉和無(wú)熒光粉燈的情況發(fā)現(xiàn)，兩者最高溫度基本相等(68℃和67℃) ，但溫度分布略有不同，這是因?yàn)闊o(wú)熒光粉無(wú)極燈的最高溫度比有熒光粉無(wú)極燈的最高溫度高所致。同時(shí)也可看出，泡體的冷卻速度很快，而底座冷卻很慢，隨著熄燈時(shí)間的變化，燈泡的最高溫度點(diǎn)從泡體轉(zhuǎn)移到底座上，因此汞蒸氣可能會(huì)吸附在泡體內(nèi)壁上，這對(duì)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)的抽、送氣實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是非常不利的。

圖5 無(wú)極燈熄滅后4min 的熱像儀照片

　　總之，無(wú)極燈泡體的溫度變化對(duì)燈泡的冷端溫度影響較大，為了使置于燈泡冷端的汞齊的溫度處于最佳狀態(tài)，需要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和形狀非常合理的燈泡和散熱器散熱器

　　用來(lái)傳導(dǎo)、釋放熱量的一系列裝置的統(tǒng)稱。 [全文]。

　　4 結(jié)論

　　無(wú)極燈是一種電磁感應(yīng)燈感應(yīng)燈

　　感應(yīng)燈是采用進(jìn)口技術(shù)MCU電路設(shè)計(jì)而成，主動(dòng)式紅外線工作方式，具有穩(wěn)定好，抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn), 帶有紅外解碼方式， 廣泛應(yīng)用在要求較高的商業(yè)和工業(yè)等場(chǎng)合。是新一代的綠色節(jié)能照明燈具。 [全文]

，其光效與置于燈泡冷端的汞齊的溫度具有重要的聯(lián)系。分析燈泡的溫度特性對(duì)設(shè)計(jì)合理的無(wú)極燈散熱結(jié)構(gòu)，提高燈的節(jié)能效果具有重要作用。通過(guò)紅外熱像儀測(cè)量了有熒光粉和無(wú)熒光粉無(wú)極燈點(diǎn)亮后的升溫和熄燈后的降溫特性，發(fā)現(xiàn)2 者的升降溫曲線形狀基本一致，只是溫升幅值有一定差異，其原因與熒光粉的吸熱升高自身溫度有關(guān)。

　　另外，從升溫時(shí)的熱像儀圖像可知，無(wú)極燈點(diǎn)亮10min后燈的光效就下降了。所以要提高無(wú)極燈光效，設(shè)計(jì)合理的燈泡和散熱器結(jié)構(gòu)、形狀非常重要。