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拾无·阿超

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荧光灯电极寿命讨论及其检测和使用要点  

2006-08-28 19:10:54|  分类: 电光源 |  标签: |举报 |字号 订阅

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摘  要:阐述荧光灯电极工作的基本原理,分析影响电极寿命的各个因素以及改善的方法,指出了在电极设计、生产、检测和使用等过程中需要注意的问题。

  前言

  荧光灯是现在最重要的人造光源,在全世界广泛被使用,尤其在工业和商业照明领域。其高效能、良好的光输出、光输出的持久性、颜色的多样性以及较长的使用寿命使之成为上述照明领域中的理想选择。据估计全世界人造光源所发出光的总量中,大约其中80 %的比例是荧光灯所发出的。可以说,荧光灯的质量与千家万户的生活是息息相关的。平均寿命是荧光灯内在质量的重要指标。在排除了灯芯柱炸裂、漏气等工艺缺陷造成的原因以后,对工艺符合规范的荧光灯来说,它的寿命取决于因汞消耗完造成的灯管失效和发射热电子的阴极寿命,而其中最重要的因素就是阴极寿命。因此灯丝参数的设计、阴极材料的选配、镇流器与灯丝的匹配以及外部环境和外电路对电极的影响等因素就显得至关重要。虽然现在的荧光灯电极的制造技术已经非常成熟,使得现在的荧光灯寿命可以达到5 000~8 000 h。但如果在生产、使用过程中以及选配镇流器等方面忽略了某些因素,就会大大影响荧光灯的寿命。

  为正确设计和使用荧光灯,执行好荧光灯的工艺规范和标准,尽可能的提高荧光灯的寿命。本文从电极工作的基本原理讲起,具体阐述了影响电极寿命的各个因素以及改善的方法,指出了在电极设计、生产、检测和使用等过程中需要注意的问题,给相关的从业人员作一定的参考。

  1·荧光灯电极的基本工作原理及其寿命控制

  荧光灯电极传导电能进入放电灯并提供维持电流的电子。由于要求在高温下工作,因此电极所用材料必须有低蒸气压,不仅要确保其本身的寿命,而且要阻止灯本身的过度污染。这种污染以端部发黑(沉积) 或不需要的灯气压改变的形式出现。此外,被选中的材料必须有足够的机械强度、抗碰撞性,如果需要的话,还要有足够的延展性以允许复杂电极几何外形的制造。到目前为止,钨是最主要用作电极的材料,在温度超过2 000 ℃时,钨是丰富的电子发射体,但是在许多灯中,这样高的温度是无法被接受的,因此一般电极都采用发射材料来加强电子发射,它通常是将某种氧化物涂敷在电极上或组装时放入电极内的形式出现的。因为电子能够逃离阴极的可能几率指数依赖于它的温度Tc (K) 以及表面的障碍因素,即所谓的功函数,而高温度和低功函数有助于发射电子。因此阴极的覆盖发射材料需要是低功函数的,这样可以令电极工作在相对低的温度,并具有低的蒸发速率。荧光灯用的一般是基于钙、钡和锶的氧化物的发射材料。

  对于阴极寿命来说,启动期间是最关键的。阴极上电子粉的最佳工作温度是900 ℃,此时电子粉发射能力的电子较强;假如在阴极达到热发射所需的足够热的程度之前,阴极表面电场升得非常高。这样高电场会使离子向阴极加速飞去,并以很高的能量撞击阴极;在这个过程中,发生溅射(离子碰撞导致原子发射) 。在这个过程中的发射材料的损失可能会影响荧光灯的寿命。在荧光灯中,一般要预热阴极令电子可以热发射,从而减少溅射效应。蒸发和溅射这两个物理过程是影响荧光灯电极寿命的最重要因素,当在灯管内充以惰性气体且气体密度又较大时,这种现象危害的程度就会大大减弱。在荧光灯内,所用的单分子气体是氩、氪等惰性气体。它们的作用是降低灯的启动电压、帮助放电启动和在主放电区承担缓冲气体的角色,减少电极损耗;因为潘宁效应的混合气体能帮助气体放电的启动,因此它对气体放电光源显得尤其重要。另一种作用是对阴极的保护作用,气体的离子运动特别是汞离子由于质量大、能量高,对阴极溅射的负作用很大。所充的气体对阴极有一定的保护作用。混合气有两种以上的惰性气体,每种气体的质量不同,缓冲气团得到加强,从而大大地减小阴极溅散有效地延长灯管的寿命。发射物质蒸发的速度在一定程度上也是依赖于充气压力的,如何调整充气压力从而平衡好抑制发射物质蒸发和气体启动电压的关系也十分讲究。而且灯管内不允许有其余的氧、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物和水蒸气等杂质气体,因为杂质气体会在高温下与电极上的电子发射材料发生化学反应,从而影响荧光灯的寿命。

  灯丝参数的设计和阴极材料的选配一样都是很重要的,灯丝所用钨丝的直径、长度以及灯丝的螺距、圈数等结构参数都直接影响阴极预热温度。为了减少电极附近的热能损耗,确保电极具有足够的机械稳定性和良好的抗冲击性,提高荧光灯电极的电子发射材料含量,在生产的时候都把电极绕成螺旋形。一般以双螺旋与三螺旋两种设计最为常用。把绕成螺旋形的单根钨丝再绕成螺旋形就是双螺旋灯丝,把双螺旋灯丝再绕一次,就形成三螺旋。两根钨丝经过三步的绕制工艺就制成三重螺旋灯丝(又叫主辅式灯丝) ,如果只有两步绕制,那就叫作“斯蒂克电极”。几层螺旋的电极可以容纳更多的碱土碳酸盐材料,这些材料在制灯过程中分解为钡、锶、钙的氧化物,并在电极上形成具有很低功函数的电子发射涂层。有关专家还计算了荧光灯发射材料的贮量和损失率与其寿命的关系 。

  主辅式灯丝设计不但增加了发射材料的存储量,也大大增强了阴极抗离子轰击的能力。实验证明,比起单丝三螺旋灯丝,采用主辅式结构的阴极寿命明显提高。荧光灯电极外常常还套上电极屏蔽罩,尤其在较高负载的荧光灯中,电极屏蔽罩的主要作用是减少电子对该作为阳极使用的电极涂层的直接轰击,从而减少溅射效应;同时也可以减轻由于蒸发而引起的荧光灯两端发黑,使蒸发物沉积在屏蔽罩上;另一方面还可以减少灯的闪烁现象。另外一个值得注意的问题是,灯丝的热电阻与常温下灯丝的冷电阻应有一确定的比值范围,一般在4~5 之间。若达到该要求,所用的镇流器又满足匹配要求,则阴极发射材料的损耗将大大减小。科研工作者还在不断研究新的灯丝材料和绕制技术,例如纳米特制陶瓷阴极等,相信以后灯丝电极的寿命会不断提高。

  2·外电路对荧光灯电极寿命的影响

  灯电极在荧光灯启动瞬间受到的损伤最为严重,因此在继续研究提高电极技术性能的同时,还应该注重外电路与灯管之间的配合,要不断寻求更好的荧光灯启动技术,以寻求能降低灯启动时电极损伤。

  荧光灯按启动线路方式主要分为三种:

  第一种为预热式。包括了最常用的辉光启动器和电感镇流器配合预热阴极,并施加感应电压使灯管点燃;以及直接使用预热式电子镇流器等几种方式。

  第二种为快速启动式。放电灯管在管壁电阻非常低或非常高的情况下,能使启动变得容易,故可采取适当的工艺,利用提高灯管极间电场的方法,并在镇流器内附设灯丝加热回路,在施加电源电压1 s 内就可启动。

  第三种为冷阴极瞬时启动式。由于电极不需要预热,可采用漏磁变压器、电子镇流器产生的高压瞬时启动灯管,由于此类灯管较细,故又称为细管式。快速启动式由于无需高压脉冲,加上阴极的电位降低,从辉光放电过渡到弧光放电的时间短,因而启动时对阴极的伤害小,这类灯寿命较长。冷阴极瞬时启动式工作时电极保持冷态,漏磁变压器给工作于50~120 mA 的冷阴极荧光灯提供1~10 kV 的瞬时启动电压,这种工作方式对阴极的损伤较大。

  由于成本和实用性等原因,现在市面上已经很少出现这两种方式启动的荧光灯产品,因此下面着重讨论采用电感镇流器或者电子镇流器的预热式启动荧光灯(紧凑型荧光灯也可以归作电子镇流器一类) 。

  荧光灯的最佳启动方法是在灯丝得到充分预热后,再加高压脉冲电压激励荧光灯,使之一次激励成功进入正常发光状态。这时所需的高压脉冲非常窄,以致在数字记忆示波器上都很难捕捉到激励高压脉冲,这种理想式的启动对灯管的损伤非常轻微。但用传统电感式镇流器和普通氖泡式启辉器很难达到这种理想状态的启动,一般来说氖泡式启辉器的启动方式在成功点亮灯管前都会有几次失败的启动。这几次不成功的激发会造成灯丝上电子粉的大量溅射,缩短电极寿命并造成灯管两端早期发黑。对传统电感式镇流器构成的荧光灯电路而言,在启辉器工作良好和常温的情况下,每启动灯管一次,约相当于灯管连续点亮两小时。

  因此采用电感镇流器的荧光灯电路最好采用设计优质的电子启动器取代普通的氖泡式启辉器,可以更好的控制灯丝启动前的预热,并当阴极达到合适的发射温度时,发出触发脉冲电压,使灯更为可靠的启动,从而减少了对电极的损伤,有效地延长了荧光灯的寿命。除了电感镇流器外,现在市面上的荧光灯灯具产品还广泛地采用预热式高频电子镇流器,它在荧光灯使用中带来很多好处。工作于高频状态的荧光灯与50 Hz 工频状态有很大区别:高频下在电极附近形成等离子区,阴极位降降低,阳极位降消失,电极加热功率减小。预热式高频镇流器的电子线路在启动前给灯丝电极以适宜的电压进行预热,然后以合适的脉冲电压启动灯管,使灯丝电极造成的损伤极小,不会因为频繁开关荧光灯而影响灯管的寿命。与50/ 60 Hz 的频率相比,高频供电在正常燃点时对灯丝电极的损伤也很小。大多数电子镇流器电路在灯燃点期间提供了一定的电极持续辅助加热,它能帮助阴极灯丝维持在所需的电子发射温度。而电极损耗的减少必然能提高荧光灯总的效率。但值得注意的问题是,现在市面上绝大多数的荧光灯管都是与电感镇流器相匹配,一般来说适合于工频工作。

  尽管国际相关标准中有生产高频荧光灯管的各种参数,但是可以说国内外基本上还没有真正开发出或生产出高频下用的灯管,使得电子镇流器下的荧光灯仍然存在可靠性、一致性差的突出缺点。因此只要努力发展和电子镇流器相匹配的荧光灯管生产技术,荧光灯的使用寿命还有相当的提升空间。

  3·荧光灯电极寿命的检测要点

  荧光灯电极的寿命是荧光灯质量的关键指标,因此在已经制定的各类国家、国际的启动器、荧光灯和镇流器的标准中,都在有关条款中有严格的规定以防止荧光灯电极的过早损耗。总的来说,有关的标准在保证预热式荧光灯电极寿命方面条款的制定一般来说有以下几个原则:

  1) 冷态不允许有高的开路电压造成冷启动

  在阴极达到发射状态之前,灯两端的开路电压以及辅助启动件的开路电压(如果有辅助启动件的话) 应低于能在冷态击穿灯内气体,引起辉光电流的水平。在这段时间里,即使是窄的,几乎不影响有效值的脉冲,但脉冲峰值高出灯所允许的冷态开路电压值的情况也不允许出现(辉光启动器此条要求可适当降低) 。

  2) 要有合适的预热电流及作用时间

  灯阴极的温度是由流过灯丝的预热电流以及电流作用的时间(即电流所做的热功) 所决定的,这一预热电流太小和太大都是会损害灯的寿命的。实践证明,由于灯阴极的热惯性原因,在0. 4 s 内是无法达到既不明显损害灯的阴极又能使灯阴极达到发射温度的。

  3) 完成预热后的击穿- 辉光- 弧光转换过程要快,并且阴极仍应处于发射温度

  当灯的阴极被加热到发射温度时,灯的开路电压应迅速提升到该种灯所需的热启动开路电压水平以上,以保证灯的气体击穿(触发) 后,气体放电的辉光放电转化为弧光放电的过程能快速完成,不允许产生多次闪动后再启辉的情况。

  具体表现在GB/ T 10682 - 2002 (neq IEC 60081 :1997)“双端荧光灯性能要求”和GB/ T 17262 - 2002(neq IEC 60901 :2000)“单端荧光灯性能要求”标准中,都对不同频率、不同功率、不同阴极类型和不同启动方式的荧光灯的各类参数作了严格的规定,例如在额定电压、阴极预热电压、开路电压、预热电流和预热时间、启动时间以及稳定工作期间的灯两端电压和灯电流等各类指标都有具体的规定以保证荧光灯的寿命。

  在QB2276 - 96 (idt IEC60155 :1995)“荧光灯用启动器”和GB/ T 19655 - 2005 (idt IEC 60927 :1996)“灯用附件启动装置(辉光启动器除外) 性能要求”标准中,对荧光灯启动器和启动装置的工作启动速度、阴极预热、脉冲电压和非重复启动电压等几个影响荧光灯阴极的指标也作了严格规定。

  在GB/ T 14044 (mod IEC60921 :1994)“管型荧光灯用镇流器性能要求”和GB/ T 14044 - 2005 (idt IEC60929 :2002)“管型荧光灯用交流电子镇流器性能要求”标准中,都是对灯两端电压和预热条件两个条款有相关规定。特别是预热电子镇流器有比较严格的预热能量和开路电压的参数和检测方法的规定,这是在检测中需要特别注意和理解透彻的。目前世界上最新的高频类灯管T5 ,包括一般功率密度以及高功率密度(HO) ,都已采用这一预热考核方法,正在标准化的T4 灯管也将采用这一方法。预热型荧光灯电子镇流器按预热的控制参数不同,可分为控制阴极加热能量型和控制阴极加热电流型,它们分别有最大、最小阴极预热能量和最大、最小的预热电流以及开路电压的限制。

  这一系列标准的制定、贯彻和执行为提高荧光灯的生产质量和寿命都起到了很积极的作用。

  4·用户使用荧光灯时应该注意的问题

  荧光灯寿命质量问题首先应该由科研工作者、标准制定者、生产者和检测者来解决,但是每一个用户在选购和使用的过程中要应该注意以下几个问题,才可以保证荧光灯的长久安全使用,以节省更换的麻烦和成本。

  1) 购买时尽量选购预热型高频电子镇流器以及与它相匹配的荧光灯管,其次再考虑电感镇流器以及与它相匹配的荧光灯管。假如选购了电感镇流器荧光灯最好就用电子型启动器与之搭配而非辉光启动器(但是电子镇流器和电子启动器价格相对较高) 。

  2) 尽量保证给灯提供额定电压的电源电压。因为电源电压变化对荧光灯寿命是有影响的,供电电压增高时灯管电流变大,电极过热促使灯管两端早期发黑,寿命缩短。电源电压低时,启动后由于电压偏低工作电流小,不足以维持电极的正常工作温度,因此加剧了阴极发射物质的溅射,使灯管寿命缩短。因此要求供电电压偏移范围±10 %。

  3) 使用时可能的话尽量减少荧光灯开关的次数,因为荧光灯在启动阶段最伤害电极的,而一般的钨丝灯没有这个缺点。特别是使用电感镇流器的荧光灯,每启动一次灯管,约相当于灯管连续点亮两小时。用户如果没必要就要避免频繁开关荧光灯。

  4) 环境温度对荧光灯的使用也有影响。一般来说环境温度低于10 ℃会使灯管启动困难,灯管工作的最佳环境为(20~35) ℃。

  5) 环境湿度过高(75 %~80 %) 对荧光灯的启动和正常工作也是不利的。湿度高时空气中的水分在灯管表面形成一层潮湿的薄膜,相当于一个电阻跨接在灯管两极之间,提高了荧光灯的启动电压,使灯启动困难。由于启动电压升高,使灯丝预热启动电流增大,阴极物理损耗加大,从而使灯管寿命缩短。

  一般相对湿度在60 %以下对荧光灯工作是有利的,75 %~80 %时是最不利的。

  参考文献:

  [1 ]  陈大华,刘久昌,徐庆辉. 光源与照明[M] . 第四版,上海:复旦大学出版社,2000 ,112~113
  [2 ] 朱绍龙,李一明. 荧光灯电极中电子发射材料贮量与灯寿命的关系[J ] . 照明工程学报,1994 ,5(1 - 2) :55~60
  [3 ] 王京慧. T5 荧光灯的主要性能指标与控制技术[J ] . 中国照明电器,2004 ,6 :14~18
  [4 ] 肖峥. 纳米特制陶瓷阴极的研究[J ] . 中国照明电器,2004 ,8 :4~7
  [5 ] 王海欧,王立,李广安等. 提高荧光灯寿命与其燃点电路关系的研究[J ] . 中国照明电器,2001 ,1 :16~19

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