無極燈穩(wěn)定性研究

王長全 張貴新 董晉陽 邵明松 王新新 王贊基

(清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084)

近年來，由于能源危機(jī)和環(huán)境惡化使得節(jié)能、環(huán)保的無極燈成為目前國內(nèi)外眾多公司發(fā)展的重點(diǎn)之一。無電極放電燈是近年來迅速發(fā)展的新光源。由于該類燈沒有電極，不會產(chǎn)生由于有電極放電燈的電極氧化、濺射、損耗和密封等問題引起的發(fā)黑現(xiàn)象。具有高光效、光色穩(wěn)定、長壽命的特點(diǎn)［1］。無極燈節(jié)能效果取決于其光效的高低，光效越高，節(jié)能效果越好。無極燈目前可用于照明行業(yè)［2～3］、光化學(xué)和分析化學(xué)［4］等領(lǐng)域。光效的高低與無極燈的啟動特性、穩(wěn)定性和表面負(fù)載特性等因素有關(guān)。研究無極燈的穩(wěn)定性對分析無極燈的特性，提高其光效具有重要意義。本文將對無極燈的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，研究電特性和光照度隨時間的穩(wěn)定性問題。本文共分三個部分:①實(shí)驗(yàn)介紹;②實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論;③結(jié)論。

1 實(shí)驗(yàn)介紹

無極燈穩(wěn)定性測試裝置如圖1所示。該無極燈包括電子鎮(zhèn)流器 (也稱高頻發(fā)生器)、高頻饋線、耦合器和泡體四部分，通常高頻饋線、耦合器和泡體做成一個整體稱為無極燈的燈泡。采用Tektronix TCPA300電流探頭、Tektronix P6015A高壓探頭(100MΩ，1000∶1)和 Tektronix TPS 2014(100MHz，1Gs/s)示波器測量電子鎮(zhèn)流器輸出端的電壓、電流和功率等電參數(shù)。采用TES1330A照度計測量無極燈的光照度。為了減少熒光粉對等離子體的影響，此處采用未涂熒光粉的明泡進(jìn)行試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 無極燈電參數(shù)的穩(wěn)定性

為了研究無極燈的穩(wěn)定性，我們測量了1h內(nèi)不同時間的無極燈放電電流、電壓和功率以及無極燈阻抗的變化情況，分別如圖1、圖2和圖3所示。

圖1 無極燈穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)原理圖

圖2 不同時刻的放電波形

圖3 放電電壓和電流隨放電時間的變化

由圖2可知，放電電壓和電流波形都是正弦波，放電功率是非對稱的正弦波，并且不同時間放電電壓、電流和功率的幅值不同。說明無極燈泡體內(nèi)等離子體電阻發(fā)生了變化，電子鎮(zhèn)流器能自動跟蹤無極燈負(fù)載的變化，使電源的功率因數(shù)較高。無極燈電壓和電流隨放電時間的變化如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著放電時間增加，鎮(zhèn)流器輸出電壓先減少后增加，在45min以后逐漸趨向于穩(wěn)定;而放電電流是先增加后減少，然后小幅波動，約50min才能趨于穩(wěn)定。這說明無極燈需要1h左右才能獲得穩(wěn)定。無極燈電壓和電流的變化是由無極燈的阻抗變化引起的，根據(jù)無極燈等效阻抗與電壓、電流之間的關(guān)系可得，

由此可以計算出阻抗Z隨放電時間的變化，如圖4所示。

圖4 放電阻抗隨放電時間的變化

由圖4可知，電子鎮(zhèn)流器輸出端的負(fù)載阻抗隨放電時間先急劇減少后小幅增加，然后小幅在震蕩，在40min以后逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于無極燈剛點(diǎn)燃時，耦合器激發(fā)電磁場產(chǎn)生的感應(yīng)電場誘導(dǎo)出的等離子體電子濃度迅速增加，導(dǎo)致放電阻抗迅速下降，而后電子濃度逐漸增減小，放電阻抗逐漸增加，而后電子濃度趨于穩(wěn)定，使得放電阻抗也逐漸趨于穩(wěn)定。

2.2 無極燈發(fā)光特性的穩(wěn)定性

除了無極燈的電特性以外，無極燈光照度隨放電時間的變化如圖5所示。

從圖5可以看出，無極燈的光照度先迅速增加，然后下降，在30min以后逐漸趨于穩(wěn)定。這說明無極燈穩(wěn)定需要一定的時間。為了提高無極燈的迅速穩(wěn)定性，必須采取措施使無極燈泡體內(nèi)的等離子體濃度迅速達(dá)到飽和，這樣才能使無極燈的阻抗迅速穩(wěn)定，使無極燈迅速獲得穩(wěn)定的光輸出，這在一定程度上提高了無極燈的光效。

圖5 無極燈光照度隨放電時間的變化

3 結(jié)論

本文通過研究無極燈的放電電壓、放電電流、放電功率、放電阻抗和光照度隨時間的變化規(guī)律，分析了無極燈的穩(wěn)定性。通過分析發(fā)現(xiàn)，無極燈泡體內(nèi)等離子體的濃度決定著無極燈泡體的阻抗，而阻抗變化決定著放電電壓、電流和功率等電參數(shù)。只有采取措施改變等離子體泡體內(nèi)等離子體濃度的迅速穩(wěn)定性，才能改善無極燈的穩(wěn)定性，從而提高無極燈的穩(wěn)定階段的光效。

［1］王爾鎮(zhèn)，梁偉熠，王春鋒.無電極放電燈的新進(jìn)展，照明工程學(xué)報，2002，13(3):21～25.

［2］劉洋，陳大華，李維德，王愛群.無極熒光燈的悄然興起，照明工程學(xué)報，2005，16(1):32～34，41.

［3］陳大華，陳育明.無極放電光源的進(jìn)展.中國照明電器，2008，(3):1～5.

［4］W.S.Gleason，R.Pertel，High stability electrodeless discharge lamps， Review of Scientific Instruments， 42(11):1638～1643.