高气压放电的基本原理

1.高气压放电简介

     气体放电灯可以分为低气压放电灯和高气压放电灯两大类,两种放电的性质有很大的不同。虽然光源的光效相差不大,但低气压放电灯的放电管相对比较大,这样光源的亮度较低,而高气压放电灯的放电管比较紧凑,因此光源的亮度很高。另外,光源的功率不同,通常低气压放电灯的功率在100W以下,而高气压放电灯的功率在100W以上。这样的区别导致两者的使用场合有很大的不同,低气压放电灯可以使用在普通的照明中,高气压放电灯则应用在对光束亮度要求很高的场合。

2.高气压放电灯的基本结构

(1)放电管的结构

     尽管各种高气压放电灯的结构不太相同,但大体上的结构是十分类似的。图3.3.1所示为高强度气体放电(highintensity discharge,HID)灯的基本结构。在整个结构中,核心部分是放电管,工作时放电在这里发生,因此它是灯实际发光的部分。放电管中各部件必须满足以下条件:

① 管壁材料:光通过率高,高的熔点和低的饱和蒸气压,耐腐蚀,气密性好,抗温度变化抗充气压力。目前,比较理想的材料是石英和多品氧化铝陶瓷(polycrystalalumina，PCA)。②电极:导电性能好,高熔点,耐腐蚀,低的逸出功。目前,比较理想的材料是钨,有些

情况下,掺杂一些其他的发射材料来降低电极的逸出功。

③ 封接材料:热膨胀系数和放电管材料匹配,耐腐蚀,高熔点。目前,在石英灯管采用钼箔(Mo)封接,在陶瓷灯管中采用铌(Nb)封接。

图3.3.1 高气压放电灯的基本结构

(2)放电管的外泡壳

    在大多数高气压放电灯中,放电管外部有外泡壳,通常被镀镍铁丝做成的框架支撑在外泡壳内,同时支撑导线还承担给放电管供电的功能。高气压放电灯采用外泡壳结构主要有以下一些理由:

①防止接头导线的腐蚀。

②可以使放电管在真空环境中工作,可以减少热传导的损失。这样,在设计灯时,在定的功率下可适当增加光源放电管的体积。

③可以防止气体在放电管管壁的扩散而导致放电管内气体成分比例的改变,如为了降

低放电管中氢气的蒸气压,就可以在外泡壳中安装消除氢气的消气剂。与其他光源一样,外泡壳的气密封接通常采用芯柱结构,在芯柱里有两个导线接头和灯头相连。灯头的主要作用是和外界电源相连,同时也保证光源的放电管可以处在灯具恰当的位置。

3.高气压放电灯的填充物质

般在放电管内的填充剂包含一些物质,原则上可以分为3大类:启动气体、缓冲气体和发光物质。不同种类的物质分别有不同的要求和具有不同的功能。

(1)启动气体

这是在灯没有工作时就已经存在的气体,它将在启动时决定灯的特性直到灯预热过程的结束。对启动气体的要求有:

①在一定气压下既有效防止电极溅射,又有比较低的击穿电压;

②在放电时热量从管壁损失的贡献小,即有小的热导率。

目前,在实际生产中主要使用惰性气体,特别是氩气和氙气,作为启动气体

(2)缓冲气体

    这是放电灯在稳定工作时放电管中气体的主要成分,它是决定灯的电特性和热特性的主要因素。对缓冲气体的要求有:

①足够高的电场强度;

② 低的热传导率。

目前,光源中最主要的缓冲气体是汞蒸气。

(3)发光物质

    这是放电灯辐射光谱的元素。在有些高气压放电光源中,前面所讲的缓冲气体同时也是发光物质,如高压汞灯。在其他一些放电灯中,会在放电管中填充少量的放电物质,这些放电物质在放电时呈气态并承担发射谱线的功能。对发光物质的要求有:

①在工作时,有足够高的气压;

②在可见光范围内,有比较合适的光谱分布;

③ 和放电管内其他部分没有强烈的化学反应。

目前,经常使用的发光物质有 Hg、Na、Sc、TI、Dy 和 In 等。

4.高气压放电灯的电气特性通常,高气压气体放电灯需要一个相对较高的电压进行点燃,使灯内的启动气体进行放电来预热灯管,直到发光气体有足够的气压。为了降低启动电压可以适当减少启动气体的充填量,但启动气体还有抑制电极在预热阶段的溅射作用,因此在实际情况中,一般采用的启动气体压强在1330Pa左右。有时,为了提高灯的其他性能,需要较高气压的启动气体,这时通常会内置一个触发装置来帮助启动。

图 3.3.2 高气压放电灯镇流器特性范围的四边形图

     由于气体放电灯的负阻抗特性,因此需要镇流器来进行镇流。高气压放电灯多数工作在交流状态下，一般采用电抗器件作为镇流器。根据灯的不同种类、类型及其应用的需求,可配置不同形式的镇流器电路,使镇流器电路和灯最佳匹配。灯在使用时,各种因素的变化(电源电压的变化、灯性能随时间的变化、灯具内反射器效率的变化和使用环境的变化等),都会使高气压放电灯的电气特性发生变化。为了使镇流器的特性曲线适应这些动态的变化,并确保灯在寿命期间的任何动态变化,镇流器的电气性能参数变化应该限制在一定的范围内,如图3.3.2所示。不同型号和功率的灯的特性范围是不同的,为了得到符合工作要求的匹配,在选择镇流器时,应该使镇流器的特性曲线保证在四边形图的范围内。

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