陶瓷电极荧光灯的研制

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1、陶 瓷 电 极 荧 光 灯 的 研 制陈 大 华 邬 崇 朝(复旦大学电光源研究所 ,上海 200433)摘 要新 型陶瓷电极荧光灯 ( CPFL) 的问世 ,成为气体 放 电 光 源 领 域 的 一 项 重 要 突 破 。 它 没 有 涂 敷 碱 金属 三元氧化物的钨灯丝电极 ,而是 采 用 特 殊 的 纳 米 陶 瓷 电 极 ,故 可 避 免 因 电 极 溅 散 而 造 成 的 灯 管 发 黑 ,它还能减少汞的消耗使灯充汞量减少 ,且具有 光 衰 小 、 寿 命 长 (5 万 h) 、 并 联 使 用 时 能 极 大 地 减 轻 灯 对镇流器依赖性等显著优点 ,已对目前广泛使 用 的 传

2、统 荧 光 灯 形 成 了 强 有 力 的 挑 战 。 本 文 试 图 通过介绍陶瓷电极荧光灯的原理 、 结构特性 、 性能优势与使用价值 ,以及目前推广应用的情况 ,得出新型 陶瓷电极荧光灯应得到更广泛关注与应用的结论 。关 键词 陶瓷电极荧光灯 ( CPFL) 节能紧 凑 型 荧 光 灯 ( HCFL) 冷 阴 极 荧 光 灯 ( CCFL) 无 极 荧光灯 ( EEFL) 介质阻挡放电 (DBD)The Development of Cera mic Pole Fluorescent La mpChen Dahua Wu Chongzhao( The Institute for Elec

3、tric Light Sources , Fudan University , Shanghai 200433)Abstract : The Ceramic Pole Fluorescent Lamp ( CPFL ) , which has recently been invented , has made a greatachievement in the field of gas discharge lamp s. As it has ceramic electrodes made of nano materials , CPFL has a lot of advantages , su

4、ch as longer life (50 000h) , higher efficacy , lower mercury consumption , and is making a strongly challenging for normal traditional fluorescent lamp s. Through the chief introduction of working principle , construction , characteristics and application for CPFL , the conclusion of more attention

5、 for CPFL should beturned out in this paper .Key words : Ceramic Pole Fluorescent Lamp ( CPFL ) ; High efficacy Compact fluorescent lamp ( HCFL ) ; ColdCathode Fluorescent Lamp ( CCFL ) ;Discharge (DBD)Electric Electrodeless Fluorescent lamp s ( EEFL ) ; Dielectric Barrier注 。 自上世纪 30 年 代 末 起 ,人 们 在

6、低 压 汞 蒸 气 和 氩气放电理论研究的基础上 ,再辅以无毒的廉价卤磷酸 钙荧光粉的突破 ,使全球电光源市场上首次出现了实用的 、 有竞争力的荧光灯产品 。 通过几十年来对汞 - 稀有气体放电理论的深入研究 ,对三基色荧光粉的开 发 ,以及对电子镇 流 器 技 术 的 改 进 ,荧 光 灯 在 缩 小 管 径 、 紧凑化和采用电子镇流器等 3 方面又有了长 足 的 进步 ,先后推出了性能更优异的照明用管状细管径荧引言自 1879 年 发 明 白 炽 灯 以 来 ,荧 光 灯 是 人 类 社 会进入电气照明时代后最受重视的照明光源之一 ,它在 光 效 、 光色 、 显色性和寿命等方面兼具良 好

7、 的 性 能 1 。 目前其辐射的总光 通 量 在 全 世 界 人 造 光 源 照 明 的 辐 射 总光通量 中 占 据 了 84 %的 绝 对 优 势 , 有 关 荧 光 灯 科技 、 产业的进步和发展趋势一直受到人们极大的关2 中 国 照 明 电 器 2009 年第 12 期光 灯 、 紧凑型荧光 灯 和 无 极 荧 光 灯 等 新 的 系 列 产 品 。尤 其 是 俗 称 节 能 灯 的 紧 凑 型 荧 光 灯 ,2008 年 全 球 产 量超 过 40 亿 支 ,已 被 人 们 公 认 为 是 当 今 取 代 白 炽 灯 的唯一适宜光源 。 而冷阴极荧光灯在投射 、 液晶显示 背 光源

8、的应 用 也 以 每 年 25 %的 递 增 速 率 迅 猛 发 展 。 另 外 ,在提高荧光 灯 的 光 效 、 功 率 系 列 、 外 观 形 状 、 灯用材料 、 降低成本 、 采用无铅玻璃和推广汞齐 ,以及制 定 严格法规 ( Ro HS 指令 ) 限制灯内充汞量 来 降 低 对 环 境 污染 、 延长灯寿 命 等 方 面 也 都 取 得 了 可 喜 的 成 绩 。 新的介质阻挡放电 (DBD) 的 准 分 子 光 源 研 究 的 进 展 , 更使无汞荧光灯和 平 面 荧 光 灯 开 始 出 现 在 国 际 的 光源市场 。至 于 当 今 刚 问 世 的 新 型 陶 瓷 电 极 荧 光

9、 灯 (Ceramic Pole Fluorescent Lamp ,简 称 CPFL) ,是 荧 光 灯 科技进步的又一崭新成果 ,它已成为气体放电光源领 域 的一项最新的 重 要 突 破 。 由 于 它 没 有 涂 敷 碱 金 属三元氧化物的钨灯丝电极 ,而是采用特殊的纳米陶瓷 电 极 ,故可避免电 极 溅 散 造 成 的 灯 管 发 黑 ,它 还 能 减 少汞的消耗使灯充 汞 量 减 少 ,且 具 有 光 衰 小 、 寿 命 长(5 万 h) ,以及并 联 使 用 时 极 大 地 减 轻 灯 对 镇 流 器 依 赖性等显著优点 ,一问世就对目前广泛使用的传统荧光灯形成了强有力的挑战 。

10、目前 ,这一研究动态已引 起国内外光源科技界和产业界的密切关注 ,本文试从 我们的粗浅认识和已有探讨加以介绍 ,以便与大家一 起更好地了解这一新成果 ,共同为发展国产陶瓷电极 荧光灯奋斗 。材料 。 电极熔接于 灯 管 两 端 ,当 电 源 接 通 时 ,由 变 频器施加高频高压的电能 ,它会通过电容效应在陶瓷电 极产生强力电场 ,并进而极化灯管内的惰性气体及汞 原子 ,使其成为等离子态 。 等离子体在电场不断作用 下 ,会使汞原子激 发 或 电 离 ,与 传 统 荧 光 灯 工 作 原 理 一样 ,它会主要 产 生 25317nm 紫 外 线 ,该 紫 外 线 辐 照到玻管内壁涂敷的磷质荧光

11、粉 ,就能转化出人们照明 所需的可见光 。2 CPFL 的工作特性211 电极介电常数高CPFL 电 极 使 用 纳 米 陶 瓷 的 混 合 材 料 ,该 电 极 材 料拥有极高的介电 常 数 ,可 形 成 强 烈 的 电 场 ,由 于 电 场强度与极化能力 呈 线 性 正 比 ,当 电 场 越 强 ,极 化 能 力便越好 ,故此材料对灯管的极化能力也很强 。图 1 为 介 电 常 数 与 亮 度 关 系 图 , 横 轴 为 介 电 常数 ,纵轴为亮度 。 亮度是光源或一被照面在某一方向 的 单位投影面 ,在 单 位 立 体 角 中 发 射 出 的 光 通 量 ,也 可说是人眼所感知此光源或被

12、照面之明亮程度 ,单位为坎德拉每平方米 (cdm2 ) 。 由 图 可 知 当 介 电 常 数 变 高 ,其亮 度 也 会 提 高 。 在 相 同 电 极 面 积 与 输 入 电 压下 ,拥有高介电常数的 CPFL ,将可产 生 更 强 的 电 场 以 激发汞蒸气 ,得到更高的亮度 。1 CPFL 的基本原理传统的荧光灯发光原理为 :灯管内部充有惰性气体 (Ne 、 Ar) 以及少 量 的 汞 元 素 ,在 玻 璃 管 内 壁 涂 敷 荧 光粉 ,两端封入涂敷有碱金属三元碳酸盐的钨的螺旋 电 极 ,当加上工作 电 压 形 成 自 持 放 电 后 ,电 流 中 的 加速电子与汞原子相互碰撞就能使

13、汞原子激发或电离 , 亦即其价电子从正常状态跃迁到较高的能量状态 ,当 价电子从较高的激 发 能 级 跃 迁 到 较 低 的 能 级 或 跃 迁 回 基态时 ,就要以 辐 射 光 子 的 形 式 发 出 能 量 ,这 时 主 要 辐 射 出 25317nm 和 少 量 18510nm 的 紫 外 线 , 其 中25317nm 紫外线辐照到管壁 上 的 荧 光 粉 ,就 能 产 生 照 明所需的可见光 2 。不同于 HCFL 、 CCFL 与 EEFL , CPFL 的 电 极 采 用 无铅的氧化物与玻 璃 混 合 所 制 成 的 非 金 属 纳 米 陶 瓷图 1 介电常数与亮度关系图212 可

14、用并联方式驱动 CPFL一般气体放电的全伏 - 安特性曲线如图 2 所示 。 启 动 灯 管 需 经 过 BD 段 高 压 ,往 往 称 BC 段 为 雪崩 放电 。 在 C 点 ,通过灯管 的 电 流 突 然 增 加 至 D 点 ,管 压随即 迅 速 下 降 , 同 时 在 灯 管 中 产 生 了 可 见 的 光 辉 ,因此 C 点称为 气 体 放 电 的 着 火 点 ,点 火 电 压 明 显陈大华 等 :陶瓷电极荧光灯的研制 3高 于定态之下能够维 持 放 电 的 工 作 电 压 3 。 而 CPFL利 用外部电场原 理 发 电 ,拥 有 不 需 点 火 导 通 的 特 性 。 图 3 即

15、为 CPFL 的电 压 与 时 间 关 系 图 ,可 知 其 启 动 电 压等同于工作电压 ,不需点火以导通灯管 。图 4 CPFL 温度与介电常数关系图一般利用金属 电 极 发 射 电 子 原 理 启 动 的 荧 光 灯管 ,如 CCFL 、 HCFL 等 ,在启动时会因电子轰 击 而 产 生 溅 射现象 ,从而 使 电 极 氧 化 而 与 汞 反 应 形 成 汞 齐 ,造成 荧 光 灯 内 汞 的 无 谓 损 耗 , 使 灯 的 寿 命 降 低 。 而CPFL 灯的电极 是 使 用 非 金 属 的 纳 米 陶 瓷 材 料 ,故 电 极不会因高温溅射 造 成 氧 化 反 应 产 生 汞 齐

16、而 消 耗 汞蒸 气 ,因 此 CPFL 的 汞 含 量 仅 需 116 5mg ( 视 灯 管 直径 和长度而定 ) ,在 灯 的 寿 命 期 间 , CPFL 灯 管 内 的 汞 蒸气含量能保持稳定 ,所以不会因汞蒸气减少而造成光 衰 ,它的 寿 命 可 长 达 50 000h 。 它 最 特 别 的 优 点 还在 于 ,因为 CPFL 不是 依 靠 电 子 轰 击 电 极 来 维 持 导 通 灯 管 ,所以在调光 时 ,电 极 也 不 会 因 为 过 度 轰 击 而 氧化 ,造成寿命缩减 。215 镇流器的简化 一 般气体放电 灯 都 有 较 高 的 启 动 电 压 和 低 放 电维持电压 。 当灯 通 过 高 压 启 动 后 ,电 压 下 降 ,电 流 加大 ,如不加 限 制 , 灯 电 流 将 不 断 加 大 直 至 使 灯 烧 毁 。 如经过图 2 中的 H 点 后 ,会 产 生 热 电 子 发 射 ,造 成 负电阻效应 ,电