光源知识培训-荧光灯

光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌5.1低气压汞蒸汽放电的实验研究光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌electrodefillinggasHgArglasstube光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌一.低气压汞放电的最佳汞气压一定管径下存在对应的最佳汞气压T12[φ38]PHg=0.8Paη∝ηuv荧光粉转换效率PHg↓→n↓→PHg↑→n*↑→ηuv↑→PHg↑↑→n*禁锢↑→n**↑→ηuv↓n↑+光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌二.惰性气体的作用和充量1.作用a)BufferGas(缓冲气体)P=0.8Paλ=5cm可能有电子未经碰撞就已运动到管壁而损失掉PAr=100Paλ=0.01cm充Ar使电子的碰撞次数大大增加V*min(Ar)Vi(Hg)11.57V10.4V光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌b)PenningEffect降低启动电压气体HeNeArKrXeHgH2第一激发电位20.8616.6211.579.988.374.8611.1亚稳态电位19.7216.5711.499.868.284.66/一次电离电位24.521.515.714.012.110.415.4c)减小双极性扩散引起的带电粒子损失d)控制电导率e)减少电极物质的损失光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌2.惰性气体的种类选择与最佳充气压a)气体种类对能损的影响碰撞能量损失以Kr的最小每碰一次的损失碰撞的几率Ar:Kr:Xe=(300/40):(400/84):(700/130)=7.5:4.8:5.4可见，充最好，但无法降低启动电压考虑PenningEffect充Ar光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌b)气压对能耗的影响当PAr=100Paηuv=ηuvmaxPAr↑→n*↑→ηuv↑PAr↑↑→n*↑→ηuv↑略上升→P弹↑↑→ηuv↓实际充200～660Pa(1.5～5torr)光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌三.放电管直径和长度对的影响1.某汞蒸气压下存在最佳管径d↑→禁锢↑→猝灭↑→ηuv↓d↓→双极↑→E↑→Ee↑→n*↓→ηuv↓PHg一定光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌2.长度l越长，越高Pe=Il(E*lc+VAK)Pe一定lc↑→Il↓→P电↓→ηuv↑一般l=(1.2～2.4)m40W100W光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌四.电流密度J对ηuv的影响J↑→Il↑→ne↑→n*↑→ηuv↑J↑↑→ne↑↑→P弹↑→ηuv↓ηuv要求J不宜太大Ws要求J不宜太小J＝0.03～0.13A/cm5.2低气压汞蒸汽放电的正柱理论光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌已知参量：PeriPHgPArIl要求参量：Puv(ηuv)E(Ve)光参数归结求参量：TeneEJ光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌一.基本假设1.放电中仅汞被激发和电离2.电子和离子的迁移率由惰性气体决定3.电子离子损失由双极性扩散决定4.Ve服从Maxwell分布，并且与Vi无关5.Hg由Hg*(6P)的逐次电离产生光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌二.基本方程1.激发态方程(求ne)总激发速率＝总消激发速率2.电离平衡方程(求Te)电子离子对的产生速率＝消失速率光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌3.能量平衡方程(求E)电场输入电子气的能量＝电子碰撞损失能量4.电导率方程(求J)电流密度×J＝eneμeE光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌5.3荧光粉的光学特性一.荧光粉的定义由紫外经过光致发光的粉状固体材料，称为荧光粉。盐＋激活中心(阳离子，络阳离子)光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌例卤磷酸钙粉Ca5(PO4)3(FCl).Mn.SbSb*→Sb+hν(λ=477nm)兰Mn*→Mn+hν(λ=585nm)橙红通常Cl(20%)F(80%)若Cl比例增加，发光中心向长波移动光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌二.对荧光粉的主要要求1.高的转换效率2.耐光子，电子，离子的轰击(光维持)3.对紫外有强的吸收，对可见有大的透射光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌三.荧光粉的种类1.卤粉特点：可配制成任意Tc的单一粉种转换效率高于一般的其他粉缺点：缺红色输出，Ra较低(加红粉提高Ra)光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌2.三基色粉分别发射兰，绿，红中心波长的三类粉优点：Ra好，η高耐185，辐射能力强(一般粉受185强紫外照射时，光效较低)缺点：价格是卤粉的50倍光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌5.4荧光灯的设计光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌一.灯的几何尺寸和电参数1.几何尺寸(d和l)选定d=11～38(mm)l=150～2400(mm)Pl=4W～125WT12(φ38)PHg=0.8Pa(Tcal=40C)→ηuv=ηuvmaxo光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌Ws=0.04～0.05W/cm(无粉)Ws=0.025～0.04W/cm(有粉)T12(φ=38)Tcal=40CT8(φ=26)Tcal=42Cφ=17Tcal=45Cφ=12Tcal=47Cl=larc+2fTG22oooo光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌2.电参数Pl=αlVlIl(αl=0.8～0.9)Vl=VAK+ElcLarc=lc+ld给定d查表得ElIl由公式求得VlIl(larc)l稳压：Vl≤0.56VnVl≤123V光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌二.电极的设计要求合理的热电子发射温度有足够的电子粉储存量光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌1.电极的结构形式a)双螺旋阴极b)编织型阴极－先把钨丝编成管状，再绕螺旋c)三螺旋阴极－绕有细丝的粗丝再绕双螺旋d)棒状阴极－绕有细丝的粗丝再绕单螺旋光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌2.电子发射材料三元碳酸盐：碳酸钡，碳酸锶，碳酸钙重量百分比：50%40%10%3.电极的参数通常PAr=400Pa→Kg=0.2双螺旋灯丝Ks1(Ks2)=1.5～2.0→δ=0.7光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌ρT(ω)=3.1×10Ω.cm(900C)Me=3.7w/cmd=0.152(IH)(mm)l=4.7(VH)d(mm)IHVH由Pl查表得出-5o29002/39001/2光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌4.电极作为阴极时的防蒸发措施40WTA=900C40WTA900C三.惰性气体的种类和压强T12&CFLPAr=400Paoo光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌T8PAr:PKr=1:3PAr+PKr=200PaD↑→Da↑→E↑→Vl↑使Vl不变P下降T5114lm/wVl很高190V，用电子整流器(EB)光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌四.荧光粉的选取a)根据荧光灯的分类1.暖白色Tc=3000Kη=802.白色Tc=3500Kη=803.冷白色Tc=4300Kη=784.日光灯Tc=6700Kη=65单一卤粉白卤粉＋兰粉光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌b)根据185nm辐射强度选取P185(26mm)P185(38mm)P185(17,12mm)P185(38mm)=2=6选用三基色粉五.汞蒸气压的控制1.由Ws值保证最佳PHgPHg∝Tcol∝WsWs=0.025～0.04w/cm2.人为制造冷端保证最佳PHg光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌23.采用汞齐汞齐的蒸气压液汞的蒸气压Bi-In(6%Hg)△T=52～120C液汞△T=27～58Ca)放宽最佳Tcol的范围b)减少汞污染c)启动稳定时间长采用主辅汞齐克服光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌oo光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌5.5高功率荧光灯光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌一.增加Il来增加Pl(不可取)二.增加El(Te)来提高P11.紧凑型荧光灯(I,Pg不变)d↓→Da↑→El↑→Te↑→n*↑P1↑光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌小功率灯(Pl≤11w)dout=12mm(Tcol=47C)中大功率灯(Pl≥13w)dout=17mm(Tcol=45C)El≈2V/cmVl≤56Vn(≤123V)l≤l60cm两大类PL灯灯与镇流器分离SL灯灯与镇流器一体化oo光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌要采用三基色荧光粉管细电子能量高，185辐射强18W直管F＝1300lmCFLF＝1200lm2.异型截面荧光灯与圆管面积相同的矩形管3.选用Da大的惰性气体光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌三.采用汞齐Bi-In-HgTw=52～120CF≥90%Fmaxo光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌5.6荧光灯的特性和应用光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌一.光维持性定义：光输出随点燃时间的变化光维持性dF/dt=-ktFt=F0exp(-kt)F0-Ft=F0[1-exp(-kt)]光通量可能损失的最大量光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌考虑不同的影响因素F0－Ft=A[1-exp(-αrt)]+B[1-exp(βrt)]+C[1-exp(-νrt)]A/B/C快、中、慢速反应中最大光通量损失燃点100小时下的光通量称为初始光通量。光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌解决途径：(Na-Ca玻璃)1.用Pb玻璃代替Na-Ca玻璃2.涂保护膜防止钠离子与荧光粉的反应ａ半透明膜α-Al2O3ｂ透明膜稀土氧化铝3.低铅无钠玻璃光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌二.影响寿命的因素1.电极性能对H的影响用螺旋灯丝，碱土氧化物早期发黑：点状黑斑：“热点”蒸发出BaO，灯丝不均匀环状黑斑：HgO，HgO2与Hg混合物→工艺设计晚期发黑：正常结果，不可避免光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌2.充气压力兼顾η与H的关系3.开关次数每一次开关对灯的寿命影响很大4.镇流器和启辉器的性能光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌三.荧光灯的高频工作特性f↑→ν碰↑n*↑P弹↑第二类非弹性碰撞哪种过程占主导光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌1.电子镇流器(EB)的工作频率20～50kc2.高频工作的好处a)f↑→αl↑(f15kcα→1接近正弦波)b)f↑→P电↓→η↑c)f=25kc下，Ra有所上升d)热耗小，体积小光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌CB6－8Wαl低重量大噪音大EB1－2Wαl高重量小噪音无3.无极荧光灯f500kc放电建立与电极有否无关f=13.56MHz(避开干扰)4.微波放电光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌四.荧光灯的能量分配1.可见直接输出3％2.荧光粉转换的可见光19％3.荧光粉发热34％4.管壁(占体积)损失26％5.电极损耗18％光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌五.荧光灯的应用1.灯的优点a)η高，H长b)Ra好(45～85)c)Tc范围广(2500～7000K)d)柔和e)光输出随电网电压波动小f)启动性好光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌2.灯的缺点a)几何尺寸大→P1小b)对环境温度要求高c)光闪烁3.灯的分类a)照明光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌b)特殊光源单色性保健灯(270370nm)黑光灯(370nm)诱虫光化学灯(400nm)杀菌灯(253.7nm)灭蚊灯(338nm)CCFL冷阴极荧光灯光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌思考题：1.采取哪些措施可保证低气压汞蒸汽放电的最大紫外(253.7nm)输出？为什么？2.试叙述荧光灯中充惰性气体的作用？3.CFL中为什么要采用三基色荧光粉和保护膜技术？光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌5.为什么把荧光灯燃点100小时后的光通量作为灯的初始光通量？6.有哪些途径可得到高功率荧光灯，为什么？7.细管径荧光灯有什么特点？4.荧光灯电子镇流器为何有代替电感镇流器的趋势？光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌第五章低压水银荧光灯光源原理与设计—低压水银荧光灯诸定昌汞的物理性质熔点-38.87Co沸点356