无极灯的温度特性研究

  无极灯是一种高光效长寿命的节能光源光源

　　光源产品具有LED显示、体积小、重量轻、易携带、电池供电、性能价格比高等特点，直观快速，是一种使用极其简单方便的测试工具，产品经过防震防潮处理，可以在野外恶劣环境下长时间工作。 [全文]

，是未来光源发展的一个重要方向。其光效的高低直接取定于灯内汞的蒸气压，汞的蒸气压取决于汞齐的冷端温度，而汞齐冷端温度又由灯内气体温度和灯的散热状况决定，因此研究无极灯内气体温度特性对分析光效的高低极其重要。以有荧光粉和无荧光粉的150W 无极灯为例，对此进行了初步研究，结果表明，无极灯启动时的温度特性与有、无荧光粉有关，关灯后的温度特性与灯的散热结构有关。

　　引言

　　全球能源危机使得绿色节能的无电极照明光源成为当今研究的热点之一。无极灯具有长寿命、高效节能、高可靠性、显色性高、可瞬间启动或再启动等优点。因此，近年来成为商家追捧的热点。虽然目前无极灯在巨大的世界照明市场所占份额还很小，但这种状况不会持续太久。现在有些国家已经明确立法要淘汰白炽灯，节能、环保、长寿命的无极灯必定会有更广阔的市场。

　　国内外高频无极灯的技术发展起源于19 世纪后期，当时美国人汤普森、泰斯拉等人发明了高频无极灯，然而受当时科技水平的限制，一直到20 世纪90 年代，新型半导体电子技术的飞速发展，才使高频无极灯有了进入商品领域的可能。自无极灯问世以来，世界各国的照明企业都对无极灯进行了大量的研究与实践，特别是以飞利浦、松下、GE、欧司朗等为代表的国外大型照明企业。1991 年，日本松下公司在日本境内推出了一款无极荧光灯，它的工作频率为13. 56MHz，功率为27W，光效为37. 0 lm /W，平均寿命高达40 000h。同年，荷兰飞利浦公司也推出了一款QL 无极灯。这种灯的工作频率为2. 65MHz，功率为55W，光效为70. 6 lm /W，灯的寿命高达60 000h。1994 年，美国GE公司推出一款一体化紧凑型无极荧光灯。该灯的工作频率也是2. 65MHz，输入功率为23W，光效为48 lm /W，平均寿命为15 000h左右。德国的欧司朗公司在20 世纪后期也推出了ENDURA 无极灯。该灯的功率为70W，光效高达93 lm /W，寿命为60 000h，光色有暖白色和日光色，显色指数在80 ～ 89 之间。目前这些公司的无极灯在市场上的销售量很小，主要原因是价格较贵，难以推广使用。

　　目前国内从事无极灯生产和销售的企业主要有上海宏源、福建源光亚明、浙江长虹、江苏正信、广州士昌·丹达、河北宝石等。这些企业产品的性能与国外产品相比，虽然各有所长，但仍具有一个共同的问题:那就是实际产品的光效和理论光效相差甚远，也就是说提高无极灯光效的研究尚有很多工作可做。

　　尽管影响光效的因素有很多，但都与无极灯的放电过程密切相关。因此要提高无极灯的性能必须对无极灯的放电过程及电学、光学性能进行细致的研究，以从机理、特性和使用条件等方面对无极灯光效等参数进行优化，这对节能减排非常重要，也符合我国发展低碳经济的重要战略部署。

　　1 无极灯的结构

　　无极灯主要由高频发生器、耦合器耦合器

　　耦合器是在微波系统中,能够将一路微波功率按比例分配成几路的元件。耦合器的作用是将信号不均匀地分成几分(称为主干端和耦合端，也有的称为直通端和耦合端)，主要包括: 定向耦合器、功率分配器以及各种微波分支器件。 这些元器件一般都是线性多端口互易网络, 因此可用微波网络理论进行分析 。 [全文]

和灯泡3 个主要部分组成，如图1 所示。

图1 无极灯的结构图

　　高频发生器是一个AC － DC － AC 变换器，它为耦合器提供高频能量来激发和维持灯泡内的气体放电。高频发生器的所有电子元器件都装在一个金属外壳电源盒里，这有双重功能:屏蔽无线电干扰和进行热传导。

　　耦合器由磁芯磁芯

　　磁芯是指由各种氧化铁混合物组成的一种烧结磁性金属氧化物。磁芯是指为了增加电磁体的磁感应强度，在电感线圈的磁路中设置了导磁物质体。磁芯在采用软磁材料，以电磁感应原理工作的高频电子变压器中是最关键的部件。磁芯材料的主要发展方向是降低损耗，加宽使用的温度范围和降低成本。磁芯结构的主要发展方向是如何形成形状和尺寸最佳（对电磁性能、散热、用量和成本等参数）的平面磁芯、片式磁芯和薄膜磁芯。现在各种软磁材料，都在不断地改进和开发，以竞争高频电子变压器的市场。 [全文]

、高温线高温线

高温线是采用F46（聚全氟乙丙烯）材料作绝缘的一种新型产品，由它包覆的产品可在-60℃～200℃的广阔空间内长期使用，在-200℃～+260℃下还可短期使用，因为它耐寒耐高温，电绝缘性能好，所以在电缆电线中广泛用于电子设备传输电线电子计算机内部的连接线，航空宇宙用电线特种用途安装线，控制线。 [全文]

、导热棒和同轴电缆电缆

　　电缆是一种用以传输电能信息和实现电磁能转换的线材产品。既有导体和绝缘层，有时还加有防止水份侵入的严密内护层，或还加机械强度大的外护层，结构较为复杂，截面积较大的产品叫做电缆。 [全文] [p]

等组成，是把能量从高频发生器耦合到灯泡内的器件。磁芯和高温线的作用是产生高频磁场。通过中间的导热棒，线圈产生的多余热能和放电通过金属底座传导到外面。耦合器通常采用双层绕制:一层输送电流，另一层用来降低公共模式终端电压的干扰。

　　灯泡是无极灯的发光器件，主要由泡壳、内管、汞齐、荧光粉等组成。工作时，泡体内除惰性缓冲气体外，还有主、辅汞齐释放出来的汞蒸气。主汞齐位于泡壳底部的短管中，可提供稳定工作时的汞原子。辅助汞齐放置在内管壁的铟网上，提供启动时的汞原子，当灯关掉时，铟网快速冷却，收集了灯泡中的大部分汞原子，以准备下次启动。无极灯采用的汞齐分低温汞齐、中温汞齐和高温汞齐，选择合适的汞齐能保证无极灯在一个较宽的温度范围内保持稳定的光输出。荧光粉目前多采用三基色荧光粉，它能将汞原子激发跃迁产生的波长为253. 7nm 的紫外线转化为可见光。

　　2 无极灯的工作原理

　　无极灯的工作原理如图2 所示。高频发生器产生2. 65MHz 的高频电压、电流，当高频电流通过耦合器时，便产生一个高频电磁场，变化的磁场产生一个垂直于磁场变化的电场( 见图2 ( a) )。磁场产生的电场加速灯泡内部放电空间的电子，当电子能量达到一定值时，电子与灯泡内的惰性气体和汞原子发生碰撞，使灯泡内的气体雪崩电离，形成等离子体。等离子体受激原子返回基态时，辐射出253. 7nm 的紫外光子，紫外光子激发灯泡壳内壁的荧光粉产生可见光( 见图2( b) )。

图2 无极灯的工作原理图

　　3 无极灯的温度特性分析

　　无极灯泡体的温度( 包括内部气体温度) 通过影响无极灯的冷端温度，即置于冷端的汞齐的温度影响无极灯的汞蒸气压，从而影响光效。为了分析无极灯泡体的温度特性，研究泡体温度对冷端温度的影响，我们采用美国FLIR 公司的ThermaCAM PM525E 型红外热像仪红外热像仪

　　红外热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。 [全文]

对150W 涂荧光粉和不涂荧光粉的无极灯的泡体温度进行了测量( 测量条件:距离2m，环境温度21°C) ，结果如图3 所示。

　　从图3( a) 可以看出，点灯后，有荧光粉无极灯的温度先迅速增加，在1min 达到70℃ 左右，在7min 左右达到第一次峰值( 约112℃) 后温度稍有下降，随后又继续升高。灯点亮20min 左右，达到实验范围内的极大值116℃。同样，从图3 ( b) 可知，点灯后，无荧光粉无极灯的温度先迅速增加，在1min 达到70℃ 左右，在7min 左右达到第一次峰值( 约124℃) 后温度稍有下降，随后又继续升高，在20min左右达到实验范围内的极大值135℃。比较有、无荧光粉的无极灯温升特性可知，它们具有相似形状的温升曲线，但温升幅值不同，造成这种现象的原因是:无极灯点亮后，灯泡内的电子在耦合器产生的高频电磁场作用下运动，撞击灯内的气体原子产生等离子体，等离子体与玻璃泡体内壁(或荧光粉层等) 相互作用产生大量的热。此外，铁氧体磁芯和线圈也会产生大量的热。这些热量造成无极灯泡体的温度升高。灯点亮7min 左右，金属制成的底座开始散热，使温度下降。当底座获得的热量与散出的热量平衡时，温度不再下降。而灯泡内放电及耦合器产生的热量继续增加，使得放电产生的热量大于底座散出的热量，灯泡温度继续升高。

　　对于无极灯有、无荧光粉泡体温升幅值相差较大的这种情况，可根据物质的比热容公式的变换形式Q= cmΔt (Q 是热量，c 为物质的比热容，m 为物质的质量，Δt 为温度的变化量) 来分析。由上述公式可知，当放电产生相同的热量时，由于荧光粉的存在，有荧光粉的系统比无荧光粉的系统存在更多的物质，荧光粉也会从系统吸收热量升高自身温度，所以有荧光粉时，因荧光粉吸收部分热量使得系统温升幅值低于无荧光粉的系统。对于熄灯后的温度特性，通过比较图3( a) 和图3( b) 中无极灯熄灭后的温度曲线发现，2 者的温度曲线非常接近。这表明，这种无极灯金属底座的散热效果基本一致。 [p]

　　为了更好的分析这2 种无极灯的温度情况，用红外热像仪获得了泡体升温和降温时的温度分布照片，分别如图4 和图5 所示。

图3 无极灯泡体的温度变化

图4 无极灯点亮后10min 的热像仪照片

　　从图4 ( a) 可看出，有荧光粉的无极灯点亮后10min 时，最高温度为104℃，主汞齐处的温度已经超过45. 3℃，也就是说，此时开始无极灯的光效已经下降了，因为最佳光效对应的汞气压约为7mtorr，相应的冷端温度约为42℃。此时无荧光粉无极灯的最高温度为122℃，而其汞齐的冷端温度仍低于45. 3℃( 见图4( b) )。

　　图5 为无极灯熄灭后4min 时热像仪的照片。比较有荧光粉和无荧光粉灯的情况发现，两者最高温度基本相等(68℃和67℃) ，但温度分布略有不同，这是因为无荧光粉无极灯的最高温度比有荧光粉无极灯的最高温度高所致。同时也可看出，泡体的冷却速度很快，而底座冷却很慢，随着熄灯时间的变化，灯泡的最高温度点从泡体转移到底座上，因此汞蒸气可能会吸附在泡体内壁上，这对设计动态的抽、送气实验系统是非常不利的。

图5 无极灯熄灭后4min 的热像仪照片

　　总之，无极灯泡体的温度变化对灯泡的冷端温度影响较大，为了使置于灯泡冷端的汞齐的温度处于最佳状态，需要设计结构和形状非常合理的灯泡和散热器散热器

　　用来传导、释放热量的一系列装置的统称。 [全文]。

　　4 结论

　　无极灯是一种电磁感应灯感应灯

　　感应灯是采用进口技术MCU电路设计而成，主动式红外线工作方式，具有稳定好，抗干扰强等特点, 带有红外解码方式， 广泛应用在要求较高的商业和工业等场合。是新一代的绿色节能照明灯具。 [全文]

，其光效与置于灯泡冷端的汞齐的温度具有重要的联系。分析灯泡的温度特性对设计合理的无极灯散热结构，提高灯的节能效果具有重要作用。通过红外热像仪测量了有荧光粉和无荧光粉无极灯点亮后的升温和熄灯后的降温特性，发现2 者的升降温曲线形状基本一致，只是温升幅值有一定差异，其原因与荧光粉的吸热升高自身温度有关。

　　另外，从升温时的热像仪图像可知，无极灯点亮10min后灯的光效就下降了。所以要提高无极灯光效，设计合理的灯泡和散热器结构、形状非常重要。