無極燈的溫度特性研究

  無極燈是一種高光效長壽命的節(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、性能價格比高等特點，直觀快速，是一種使用極其簡單方便的測試工具，產(chǎn)品經(jīng)過防震防潮處理，可以在野外惡劣環(huán)境下長時間工作。 [全文]

，是未來光源發(fā)展的一個重要方向。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，因此研究無極燈內(nèi)氣體溫度特性對分析光效的高低極其重要。以有熒光粉和無熒光粉的150W 無極燈為例，對此進行了初步研究，結(jié)果表明，無極燈啟動時的溫度特性與有、無熒光粉有關，關燈后的溫度特性與燈的散熱結(jié)構(gòu)有關。

　　引言

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

　　國內(nèi)外高頻無極燈的技術(shù)發(fā)展起源于19 世紀后期，當時美國人湯普森、泰斯拉等人發(fā)明了高頻無極燈，然而受當時科技水平的限制，一直到20 世紀90 年代，新型半導體電子技術(shù)的飛速發(fā)展，才使高頻無極燈有了進入商品領域的可能。自無極燈問世以來，世界各國的照明企業(yè)都對無極燈進行了大量的研究與實踐，特別是以飛利浦、松下、GE、歐司朗等為代表的國外大型照明企業(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40 000h。同年，荷蘭飛利浦公司也推出了一款QL 無極燈。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60 000h。1994 年，美國GE公司推出一款一體化緊湊型無極熒光燈。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。德國的歐司朗公司在20 世紀后期也推出了ENDURA 無極燈。該燈的功率為70W，光效高達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。目前這些公司的無極燈在市場上的銷售量很小，主要原因是價格較貴，難以推廣使用。

　　目前國內(nèi)從事無極燈生產(chǎn)和銷售的企業(yè)主要有上海宏源、福建源光亞明、浙江長虹、江蘇正信、廣州士昌·丹達、河北寶石等。這些企業(yè)產(chǎn)品的性能與國外產(chǎn)品相比，雖然各有所長，但仍具有一個共同的問題:那就是實際產(chǎn)品的光效和理論光效相差甚遠，也就是說提高無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，但都與無極燈的放電過程密切相關。因此要提高無極燈的性能必須對無極燈的放電過程及電學、光學性能進行細致的研究，以從機理、特性和使用條件等方面對無極燈光效等參數(shù)進行優(yōu)化，這對節(jié)能減排非常重要，也符合我國發(fā)展低碳經(jīng)濟的重要戰(zhàn)略部署。

　　1 無極燈的結(jié)構(gòu)

　　無極燈主要由高頻發(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?。耦合器的作用是將信號不均勻地分成幾?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, 因此可用微波網(wǎng)絡理論進行分析 。 [全文]

和燈泡3 個主要部分組成，如圖1 所示。

圖1 無極燈的結(jié)構(gòu)圖

　　高頻發(fā)生器是一個AC － DC － AC 變換器，它為耦合器提供高頻能量來激發(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金屬外殼電源盒里，這有雙重功能:屏蔽無線電干擾和進行熱傳導。

　　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強度，在電感線圈的磁路中設置了導磁物質(zhì)體。磁芯在采用軟磁材料，以電磁感應原理工作的高頻電子變壓器中是最關鍵的部件。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，都在不斷地改進和開發(fā)，以競爭高頻電子變壓器的市場。 [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)長期使用，在-200℃～+260℃下還可短期使用，因為它耐寒耐高溫，電絕緣性能好，所以在電纜電線中廣泛用于電子設備傳輸電線電子計算機內(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]

、導熱棒和同軸電纜電纜

　　電纜是一種用以傳輸電能信息和實現(xiàn)電磁能轉(zhuǎn)換的線材產(chǎn)品。既有導體和絕緣層，有時還加有防止水份侵入的嚴密內(nèi)護層，或還加機械強度大的外護層，結(jié)構(gòu)較為復雜，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。通過中間的導熱棒，線圈產(chǎn)生的多余熱能和放電通過金屬底座傳導到外面。耦合器通常采用雙層繞制:一層輸送電流，另一層用來降低公共模式終端電壓的干擾。

　　燈泡是無極燈的發(fā)光器件，主要由泡殼、內(nèi)管、汞齊、熒光粉等組成。工作時，泡體內(nèi)除惰性緩沖氣體外，還有主、輔汞齊釋放出來的汞蒸氣。主汞齊位于泡殼底部的短管中，可提供穩(wěn)定工作時的汞原子。輔助汞齊放置在內(nèi)管壁的銦網(wǎng)上，提供啟動時的汞原子，當燈關掉時，銦網(wǎng)快速冷卻，收集了燈泡中的大部分汞原子，以準備下次啟動。無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極燈在一個較寬的溫度范圍內(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)生的波長為253. 7nm 的紫外線轉(zhuǎn)化為可見光。

　　2 無極燈的工作原理

　　無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，當高頻電流通過耦合器時，便產(chǎn)生一個高頻電磁場，變化的磁場產(chǎn)生一個垂直于磁場變化的電場( 見圖2 ( a) )。磁場產(chǎn)生的電場加速燈泡內(nèi)部放電空間的電子，當電子能量達到一定值時，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，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)生可見光( 見圖2( b) )。

圖2 無極燈的工作原理圖

　　3 無極燈的溫度特性分析

　　無極燈泡體的溫度( 包括內(nèi)部氣體溫度) 通過影響無極燈的冷端溫度，即置于冷端的汞齊的溫度影響無極燈的汞蒸氣壓，從而影響光效。為了分析無極燈泡體的溫度特性，研究泡體溫度對冷端溫度的影響，我們采用美國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器和光學成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。 [全文]

對150W 涂熒光粉和不涂熒光粉的無極燈的泡體溫度進行了測量( 測量條件: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，點燈后，有熒光粉無極燈的溫度先迅速增加，在1min 達到70℃ 左右，在7min 左右達到第一次峰值( 約112℃) 后溫度稍有下降，隨后又繼續(xù)升高。燈點亮20min 左右，達到實驗范圍內(nèi)的極大值116℃。同樣，從圖3 ( b) 可知，點燈后，無熒光粉無極燈的溫度先迅速增加，在1min 達到70℃ 左右，在7min 左右達到第一次峰值( 約124℃) 后溫度稍有下降，隨后又繼續(xù)升高，在20min左右達到實驗范圍內(nèi)的極大值135℃。比較有、無熒光粉的無極燈溫升特性可知，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:無極燈點亮后，燈泡內(nèi)的電子在耦合器產(chǎn)生的高頻電磁場作用下運動，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產(chǎn)生大量的熱。這些熱量造成無極燈泡體的溫度升高。燈點亮7min 左右，金屬制成的底座開始散熱，使溫度下降。當?shù)鬃@得的熱量與散出的熱量平衡時，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。

　　對于無極燈有、無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) 來分析。由上述公式可知，當放電產(chǎn)生相同的熱量時，由于熒光粉的存在，有熒光粉的系統(tǒng)比無熒光粉的系統(tǒng)存在更多的物質(zhì)，熒光粉也會從系統(tǒng)吸收熱量升高自身溫度，所以有熒光粉時，因熒光粉吸收部分熱量使得系統(tǒng)溫升幅值低于無熒光粉的系統(tǒng)。對于熄燈后的溫度特性，通過比較圖3( a) 和圖3( b) 中無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 種無極燈的溫度情況，用紅外熱像儀獲得了泡體升溫和降溫時的溫度分布照片，分別如圖4 和圖5 所示。

圖3 無極燈泡體的溫度變化

圖4 無極燈點亮后10min 的熱像儀照片

　　從圖4 ( a) 可看出，有熒光粉的無極燈點亮后10min 時，最高溫度為104℃，主汞齊處的溫度已經(jīng)超過45. 3℃，也就是說，此時開始無極燈的光效已經(jīng)下降了，因為最佳光效對應的汞氣壓約為7mtorr，相應的冷端溫度約為42℃。此時無熒光粉無極燈的最高溫度為122℃，而其汞齊的冷端溫度仍低于45. 3℃( 見圖4( b) )。

　　圖5 為無極燈熄滅后4min 時熱像儀的照片。比較有熒光粉和無熒光粉燈的情況發(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，這是因為無熒光粉無極燈的最高溫度比有熒光粉無極燈的最高溫度高所致。同時也可看出，泡體的冷卻速度很快，而底座冷卻很慢，隨著熄燈時間的變化，燈泡的最高溫度點從泡體轉(zhuǎn)移到底座上，因此汞蒸氣可能會吸附在泡體內(nèi)壁上，這對設計動態(tài)的抽、送氣實驗系統(tǒng)是非常不利的。

圖5 無極燈熄滅后4min 的熱像儀照片

　　總之，無極燈泡體的溫度變化對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)，需要設計結(jié)構(gòu)和形狀非常合理的燈泡和散熱器散熱器

　　用來傳導、釋放熱量的一系列裝置的統(tǒng)稱。 [全文]。

　　4 結(jié)論

　　無極燈是一種電磁感應燈感應燈

　　感應燈是采用進口技術(shù)MCU電路設計而成，主動式紅外線工作方式，具有穩(wěn)定好，抗干擾強等特點, 帶有紅外解碼方式， 廣泛應用在要求較高的商業(yè)和工業(yè)等場合。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設計合理的無極燈散熱結(jié)構(gòu)，提高燈的節(jié)能效果具有重要作用。通過紅外熱像儀測量了有熒光粉和無熒光粉無極燈點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。

　　另外，從升溫時的熱像儀圖像可知，無極燈點亮10min后燈的光效就下降了。所以要提高無極燈光效，設計合理的燈泡和散熱器結(jié)構(gòu)、形狀非常重要。