电光源基本理论培训

电光源有关理论知识探讨三友电子.袁军坡1.光效对于光源，我们希望耗电越少越好，即同功率的光源其光通量越大越好。光源所发出的光通量与该光源所消耗的电功率之比称为光源的光效，单位是Lm/w.白炽灯光效一般是7-8Lm/w，充气白炽灯光效一般是10-13Lm/w，紧凑节能灯光效一般是50-80Lm/w，T5光效一般是60-90Lm/w，低压钠灯光效最高，约175Lm/w。2.色表和显色性色表就是人眼直接观察光源时所看到的颜色。光源的光照射到物体上所产生的客观效果（或光源使被照有色物体的颜色再显现出来的能力）称为显色性。如果各色物体受照的效果和标准光源（黑体或标准昼光）照射时一样，则认为该光源的显色性好；反之，如果物体在受照后颜色失真，则该光源的显色性差。示例，街道上的高压汞灯，从远处看，觉得它发出的光既亮且白，但是，当看到被它照射的人的面孔时，就觉得不满意，好象人的面孔是青灰色的，这说明高压汞灯色表不错，但显色性差。白炽灯它的光看上去又红又黄，但是受照物体的颜色却很少失真，说明钨丝灯的色表不是很好，但显色性好。低压钠灯非常黄，它的色表和显色性都不好，氙灯的色表和显色性都很好。知道以上原理，那我们就知道制造节能灯要求高显色指数的原因了。2700K灯显色指数国标要求≥81，6500K色温要求≥77。3.色容差节能灯色品容差要符合IEC或美国能源之星要求的色品容差内，一般要求＜5SDCM。4.气体放电在通常情况下，气体是不导电的。但是，在适当的条件下，例如强电场、光辐射、粒子轰击和高温加热等，组成气体的分子可能发生电离，产生可自由移动的带电粒子，并在电场作用下形成电流。这种电流通过气体的现象称为气体放电。5.气体放电光源在电离气体中，存在着各种中性粒子和带电粒子，它们之间发生着复杂的相互作用，带电粒子不断地从电场中取得能量，并通过各种相互作用，把能量传递给其他粒子。这些得到能量的粒子有可能被激发，形成激发态粒子。当这些激发态粒子自发返回基态时，放出电磁辐射。此外，电离气体中正负带电粒子的复合、带电粒子在离子场中的减速。也都会产生辐射。因此，气体放电总是伴随着辐射现象，利用这一原理制成的光源称为气体放电光源。6.荧光灯发光机理当电子通过直接或间接的过程与汞原子碰撞，使汞原子激发63p1态，处于激发态的汞原子会自发地跃迁回基态，便辐射出2537Å（253.7nm）的紫外光子，这些紫外光子与荧光粉作用，又进一步激发荧光粉，通过荧光粉将紫外辐射转换为可见光，这就是荧光灯的发光机理。7.电子发射在气体放电灯工作时，灯内存在大量电子、正离子等带电粒子。这些粒子在电场作用下形成电流。在放电的正柱区，电子和正离子的浓度相等，由于正离子质量大、速度慢，对电流的贡献可以忽略，因此正柱区的电流主要是电子流。要维持放电电流，阴极必须源源不断地提供电子。通常把阴极提供电子的过程称之为电子发射。8.灯丝、电极、阴极在电光源行业中，把直接发光体称为灯丝。在气体放电灯中，有的钨材料尽管也加工成灯丝形状，但它不作为发光体，而是作为基底金属来支撑、贮存和加热电子发射材料的，故称为电极。气体放电灯中，常把发射电子的电极称为阴极，而把接收电子的电极称为阳极。而大部分放电灯是在交流电下工作的，两个电极交替充当阴极和阳极，所以通常称为阴极。9.氧化物阴极的发射机理经过分解后的氧化物是氧化钡、氧化锶和氧化钙，另外还有一定量的多余钡原子（又称盈余钡），它是一种电子型半导体。这种半导体是由带二价正电荷的钡、锶、钙的离子与带二价负电荷的氧离子相间排列组成的。其中还夹杂一些多余钡原子。由于钡原子附近缺少一个氧离子，因此整个晶体保持着电的中性。氧化物阴极的简化能级结构。最上部的导带由钡原子的价电子能级组成。由于钡原子的全部价电子已被氧原子所占有，所以导带便成了没有电子的空带。最下部的满带是由氧原子的价电子能级组成。由于氧原子最外层的电子轨道被从钡原子俘获来的电子所填满，所以叫满带。在导带和满带之间有几伏宽的禁带。满带中的电子不能超越禁带进入导带，所以导带中没有自由电子存在。这样的物质即不能导电也不能作为电子发射源。当晶体中有了盈余的钡原子后，自由钡原子中的价电子形成杂质能级。杂质能级处在导带下0.1-0.2电子伏特的地方。当温度略有升高，这些价电子便会接受能量升入导带，形成自由电子。这样，原来的绝缘体就变为可以导电的半导体。温度越高，盈余钡原子浓度越大，升入导带的电子数越多，导电率也就越高。当温度升高后，杂质能级上的电子不仅可以升入导带，当其动能超出逸出功时，还会使电子发射出去。经过激活的氧化物含有足够的自由钡原子，可使逸出功降到0.9电子伏特左右。所以荧光灯中采用三元盐的氧化物阴极可以获得很高的电子发射。发射电流的大小与电极的温度关系极大，随温度按指数规律上升。要获得较大的发射电流密度，需要采用较高的阴极温度，但太高的温度，会使蒸发加剧，影响灯的寿命。所以荧光灯中阴极的热点温度在800-1000度之间，热电流密度可达每平方厘米几十安培。10.潘宁效应潘宁效应是气体放电灯中最为有用的第二类非弹性碰撞。潘宁在1927年发现，在适当的两种气体组成的混合气体中，它的着火电位要低于单种气体的着火电位。这个效应称为潘宁效应。，它可用下式来表达：A*+B——A+B++e+△E潘宁效应比较典型的例子是Ar-Hg混合气和Ne-Ar混合气。在Ar-Hg混合气中，Ar是主要气体，Hg蒸汽的含量约为0.2%,这种混合气的潘宁效应可用下式表示：Ar*(33P2)+Hg——Hg++Ar+e+△E所以，在荧光灯中，除Hg外，还充以适量的氩气，以形成潘宁效应，从而使灯的启动电压降低。11.汞的饱和蒸汽压温度低，汞饱和蒸汽压低，温度高，汞饱和蒸汽压高。对于直径38mm的直管荧光灯的最佳汞的饱和蒸汽压在0.8Pa(管壁温度40度)，高于或低于0.8Pa,光通量都会下降。12.灯的冷端温度灯的冷端温度和灯的功率、结构、形状、环境温度、冷却条件、电源电压的波动有关。灯的冷端温度由灯的管壁负载决定（T5是45度，T4是47度，T3是49度）。管壁负载是指单位灯管表面所耗散的功率。Ws=P/S对于涂荧光粉用来生产的灯，紫外输出（2537Å）的最大值所对应的表面负载一般为0.025-0.04W/cm2.(不涂粉是0.04-0.05W/cm2.)这是因为在紫外线转换为可见辐射的同时，在管壁会有能量损失，使灯管表面温度升高的缘故。当灯置于通风或温度较低的场所点燃时，灯的设计若不作改进，则会使253.7Å紫外输出下降，用作照明的荧光灯光效也下降，温度低很多时，还会引起严重的启动困难，根据巴刑定律，这是着火电压升高造成的。当环境温度升高时，2537Å紫外输出也会下降，据估计，管壁温度每升高1度，效率将降低1%。T3、T4的定义是以1/8英寸来定义的，1英寸=25mm。T3管径中心值是9.375mm，T4管径中心值是12.5mm.13.阴极的激活和辉放激活激活的主要方式是还原激活，温度一般在1200-1350度。BaO+W=Ba3WO3+3BaBaO+Si=SiO2+2Ba这些自由钡沿着多孔涂层中的缝隙，向外扩散，好象BaO晶粒处在一个钡原子的蒸汽里。所以，一部分钡就和BaO形成固溶体，另一部分钡就从表面蒸发掉了。可见氧化物阴极的激活过程以至寿命过程都是钡原子的产生、扩散、蒸发（包含中毒）这三钟现象的动态平衡过程。而影响这一过程的主要因素是阴极激活温度。选取阴极激活温度的原则是使钡的还原和扩散足够迅速，而蒸发却不厉害。在实际生产中，对给定的阴极，为了确定最佳的激活温度，必须在不同激活温度和时间下测量发射电流，用实验求出能得到良好发射的激活温度和时间的规范。辉放在灯丝通电分解时，灯丝中间的温度是最高的，两端的温度由于热传导损失的关系是最低的（冷端效应），一般要低150度左右。阴极辉放就是利用灯丝通电造成丝脚两端之间产生气体放电小电弧，它能对阴极冷端进行补充分解、激活作用（充入适量氩气或利用汞蒸汽）。灯丝通电后，由于氧化物涂层已具备了一定的电子发射能力，当灯丝两端的电压降超过10V并大于气体电离击穿的电压时，两端开始辉光放电，放电电流只通过灯丝两端，而不通过灯丝的中间部分，所以两端温度高于中间温度。辉光以颜色发白为准，一般放电时间1-2S。14.氩气冲洗的作用一些电光源器件为加速排气过程往往采取冲洗法来降低杂气分压强。前文己提过，对于细而长的排气管，其中气压越高，它的流导越大。若用ＰＯ表示冲洗前灯内本底压强，充入纯净气体后的压强用Ｐ2”表示，把纯净气体排出后的压强用Ｐ2’表示，经几次冲洗后，灯内的杂气分压强（Ｐｎ）可用下式表示：可见，冲洗次数ｎ起着极重要的作用。例如，直管型荧光灯用圆排车排气时采用Ａｒ冲洗三次，冲洗前灯内本底PO＝２×１０-1托，充Ａｒ压力Ｐ2”＝１０托，Ｐ2’＝２．5×１０-1托，按上式便可求出理论上的灯内杂气分压强Ｐｎ值，Ｐｎ＝３．1×１０-6托。然而，式（48）忽略了一个关键因素：排气系统的静态漏气和放气的影响。因为，在充气过程中泵被隔离，静态真空系统中的接头、中心盘等处的漏气和系统润滑油、真空橡皮管的放气远非可以忽略。因此，设系统漏、放气造成的杂气分压强为ＰH的话，那么，经１次冲洗后，实际的杂气分压强应为：第二次冲洗后，实际的杂气分压应为：经几次冲洗后，实际的杂气分压应为：经几次冲洗后，实际的杂气分压应为：15.惰性气体的作用及其选择在仅有汞存在，汞蒸汽压低，建立放电是比较困难的，因此在低压汞灯中需要充入一定量的惰性气体，目的是增加电子与汞原子的碰撞几率，减少电子在管壁的损失，增加电子所携带的能量用于激发和电离汞原子的比例。充入1torr氩气后，可使电子的平均自由程由原来的5cm缩短到0.01-0.1cm。在氩汞混合气中，由于潘宁效应更有助于低压汞放电的启动和维持；另减少了高速运动的电子与阳极表面的碰撞损失，防止了电子的溅射。在交流放电时，减少了电子材料的蒸发，对灯的寿命有利。一般选用氩气，因为氩气成本低，降低管压时选用氪氩混合气（氪与汞不能形成潘宁效应），提高管压时选用氖氩混合气。对不同结构的灯，充气压力有所不同，但均有一最佳实际充气压力存在。在灯中，由于汞的压力远小于惰性气体的压力，所以灯的电参数主要由惰性气体决定。16.杂质气体的危害灯内存在的主要杂质气体有：氢气、水蒸气、氧气、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物和氮气等，它们的危害依次下降。1.氢气：氢气对荧光灯的特性影响最大、它不会生成沉积物，并且清除十分困难，在放电作用下，水汽和碳氢化合物也可裂解，产生氢气。灯管内部即使只有少量的氢气，都能使启动电压和工作电压升高，填充气体中含0.1～0.15％的氢，使启动电压大大增高，氢气会发出一种带浅蓝色的光，而且光的强度以颤动的形式迅速振荡。氢气分压强为1×10－2托时，使灯管启动电压增大一倍，当氢气分压强为3×10－2托时，能够抑制放电作用的发生。2.水汽：在放电的作用下，水汽被离解成氢和氧，氧气和汞相作用，生成固态氧化汞，沉积在荧光粉上，由于其为不透明的化合物，引起光效下降。氢气必然使启动电压升高，如上所述。3.氧气：氧气很容易同汞化合，生成带黄色的氧化汞化合物，它不会影响灯管启动电压，当其沉积到荧光粉上，灯管的光效引起十分明显的下降。当灯管放电时，在汞蒸汽发射出的2537Å射线的催化作用下，氧分子的平均寿命约为0.2秒。氧和汞之间的反应一直进行到其中的一种耗尽为止。理论上1毫克汞能清除43托升的氧气，由于氧化汞是稳定的化合物，所以不污染管内气氛，启动电压不受影响。4.一氧化碳和二氧化碳：在阴极区域内，电子在电场的作用下加速获得足够的能量，碰撞CO2，致使CO2分子离解为CO和O，同样CO离解为C和O，氧和汞相作用生成氧化汞，而碳在阴极周围的荧光粉上，形成黑环（C＋HgO）叫做“端带”。在放电空间的区域内，CO分子离解之前的平均寿命为10秒钟左右。此时，CO沿着管子扩散，当发生离解时，碳沉积到荧光物质上，而氧立刻被汞蒸汽消除，生成HgO，两者混和