無極燈穩定性研究

王長全 張貴新 董晉陽 邵明松 王新新 王贊基

(清華大學電機工程與應用電子技術系，北京 100084)

近年來，由于能源危機和環境惡化使得節能、環保的無極燈成為目前國內外眾多公司發展的重點之一。無電極放電燈是近年來迅速發展的新光源。由于該類燈沒有電極，不會產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黑現象。具有高光效、光色穩定、長壽命的特點［1］。無極燈節能效果取決于其光效的高低，光效越高，節能效果越好。無極燈目前可用于照明行業［2～3］、光化學和分析化學［4］等領域。光效的高低與無極燈的啟動特性、穩定性和表面負載特性等因素有關。研究無極燈的穩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定性進行分析，研究電特性和光照度隨時間的穩定性問題。本文共分三個部分:①實驗介紹;②實驗結果及討論;③結論。

1 實驗介紹

無極燈穩定性測試裝置如圖1所示。該無極燈包括電子鎮流器 (也稱高頻發生器)、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)示波器測量電子鎮流器輸出端的電壓、電流和功率等電參數。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行試驗。

2 實驗結果及討論

2.1 無極燈電參數的穩定性

為了研究無極燈的穩定性，我們測量了1h內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 無極燈穩定性實驗原理圖

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。說明無極燈泡體內等離子體電阻發生了變化，電子鎮流器能自動跟蹤無極燈負載的變化，使電源的功率因數較高。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，鎮流器輸出電壓先減少后增加，在45min以后逐漸趨向于穩定;而放電電流是先增加后減少，然后小幅波動，約50min才能趨于穩定。這說明無極燈需要1h左右才能獲得穩定。無極燈電壓和電流的變化是由無極燈的阻抗變化引起的，根據無極燈等效阻抗與電壓、電流之間的關系可得，

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，電子鎮流器輸出端的負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以后逐漸趨于穩定。這是由于無極燈剛點燃時，耦合器激發電磁場產生的感應電場誘導出的等離子體電子濃度迅速增加，導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定，使得放電阻抗也逐漸趨于穩定。

2.2 無極燈發光特性的穩定性

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以后逐漸趨于穩定。這說明無極燈穩定需要一定的時間。為了提高無極燈的迅速穩定性，必須采取措施使無極燈泡體內的等離子體濃度迅速達到飽和，這樣才能使無極燈的阻抗迅速穩定，使無極燈迅速獲得穩定的光輸出，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律，分析了無極燈的穩定性。通過分析發現，無極燈泡體內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。只有采取措施改變等離子體泡體內等離子體濃度的迅速穩定性，才能改善無極燈的穩定性，從而提高無極燈的穩定階段的光效。

［1］王爾鎮，梁偉熠，王春鋒.無電極放電燈的新進展，照明工程學報，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，照明工程學報，2005，16(1):32～34，41.

［3］陳大華，陳育明.無極放電光源的進展.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.