高强气体放电灯工作原理.docx
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高强气体放电灯工作原理
高压钠灯使用时发出金白色光，它具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不诱虫等优点。
广泛应用于道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、街道交汇处、工矿企业、公园、庭院照明及植物栽培。
高显色高压钠灯主要应用于体育馆、展览厅、娱乐场、百货商店和宾馆等场所照明。
1.1工作原理当灯泡启动后，电弧管两端电极之间产生电弧，由于电弧的高温作用使管内的钠汞齐受热蒸发成为汞蒸气和钠蒸气，阴极发射的电在向阳极运动过程中，撞击放电物质有原子，使其获得能量产生电离激发，然后由激发态回复到稳定态；或由电离态变为激发态，再回到基戊无限循环，多余的能量以光辐射的形式释放，便产生了光。
高压钠灯中放电物质蒸气压很高，也即钠原子密度高，电子与钠原子之间碰撞次数频繁，使共振辐射谱线加宽，出现其它可见光谱的辐射，因此高压钠灯的光色优于低压钠灯。
高压钠灯是一种高强度气体放电灯泡。
由于气体放电灯泡的负阻特性，如果把灯泡单独接到电网中去，其工作状态是不稳定的，随着放电过程继续，它必将导致电路中电流无限上升，最后直至灯光或电路中的零、部件被过流烧毁。
1.1.1伏—安特性高压钠灯同其他气体放电灯泡一样，工作是弧光放电状态，伏—安特性曲线为负斜率，即灯泡电流上升，而灯泡电压却下降。
在恒定电源条件下，为了保证灯泡稳定地工作，电路中必须串联一具有正阻特性的电路无件来平衡这种负阻特性，稳定工作电流，该元件称为镇流器或限流器。
电阻器、电容器、电感受器等均肯有限流作用。
电阻性镇流器体积小，价格便宜，与高压钠灯配套使用会发生启动困难，工作时电阻产生很高的热量，需有较大的散热空间、消耗功率很大，将会使电路总照明效率下降。
它一般在直流电路中使用，百交流电路中使用灯光有明显所闪烁现象。
电容性镇流器虽然不象电阻性镇流器自身消耗功率很大，温升低，在电源频率较低时，电容器充电时，会产生脉冲峰值电流，对电极造成极大损害，灯光闪烁，影响灯泡使用寿命；在高频电路中工作，电压波动能达到理想状态，成为理想的镇流器。
电感性镇流器损耗小，阻抗稳定，阻抗菌素性偏差小，使用寿命长，灯泡的稳定度比电阻性镇流器好，目前与高压钠灯配套使用的镇流器均为电感性镇流器。
其缺点较苯重及价格偏高。
另外，电子镇流器已经开始出现，目前其价格昂贵，可靠性还不能与高压钠灯相匹配，除特殊场合使用外，一般情况下很少被采用。
所以，高压钠灯必须串联与灯泡规格相应的镇流器后方可使用。
高压钠灯的点灯电路是一个非线性电路，功率因数较低，因此在网路上考虑接补偿电容，以提高网路的功率因数。
1.2结构和材料
1.2.1电弧管
电弧管是高压钠灯的关键部件。
电弧管工作时，高温高压的钠蒸气腐蚀性极强，一般的抗钠玻璃和石英玻璃均不能胜任；而采用半透明多晶氧化铝和陶瓷管做电弧管管体较为理想。
它不仅具有良好的耐高温和抗菌素钠蒸气腐蚀性能，还有良好的可见光穿越能力。
另外，单晶氧化铝陶瓷管在耐高温、抗菌素钠蒸气腐蚀和透光率等性能均优于多晶扪化铝陶瓷管；因其价格昂贵，所以目前很少被采用。
电弧管是把电极、多晶扪化铝陶瓷这、帽、焊料环装配在一起，加入钠汞齐进入封接炉封接；同时充入少量氙气，以改善灯泡的启动特性。
电极是用高纯钨丝绕成螺旋状，在螺旋孔中插入芯杆，浸渍电子粉，然后将电极芯杆一端和铌管封闭端焊接成一体。
多晶氧化铝陶瓷管（帽）是选用多晶氧化铝陶瓷粉经混粉、喷泉雾干燥、等静压成形、素烧、高温烧结和切割等工序制成。
高压钠灯的光、电参数与电弧管的内径和弧长（两电极之间距离）有着密切联系。
1.2.2灯芯
灯芯是采用金属支架将电弧管、消气剂环等固定在芯柱上，电弧管两端电极分别与芯柱上两根内导丝相连接。
芯柱由导丝、排气管和喇叭经高温火焰熔融成一体。
金属导丝与玻璃封接部分的膨胀系数应与匹配，可避免因二种封接材料的膨胀系数不相同，造成封接处玻璃产生应力而爆裂或灯泡慢性漏气。
1.2.3玻壳
玻壳是选用高温的硬料玻璃制造。
玻壳与灯芯的喇叭口经高温火焰熔融封口，然后抽真空或充入惰性气体后，再装上灯头整个灯泡基本成型。
由于电弧管在高温状态下工作，其外裸的金属极易氧化、变脆，就必须将电弧管置于真空或惰性气体的外壳内。
这样还可减少电弧管热量损失，提高冷端温度，提高发光效率。
1.2.4灯头
灯头的作用是方便灯泡与灯座、电路相连接。
长寿命灯泡要求灯头与玻壳连接应牢固，不能有松动和脱落现象。
所以，目前一般采用螺纹机械紧固技术，可防止焊泥自然老化而脱落。
制造灯头的材料一般采用黄铜带，它可与灯座保持较小的接触电阻，减轻金属表面氧化层。
如灯泡在特殊环境中使用，还可以在黄铜灯头表面涂覆铬层或镍层。
其规格型号有：
E27、E40二种。
1.2.5消气剂
玻壳内经抽真空后，其真空度仅为6.6X10-2Pa，仍可使金属零件氧化，影响灯泡稳定地工作；所以在玻壳内放置适量消气剂，可将灯泡内真空度提高到1.4X10-4Pa高真空状态。
目前，高压钠灯一般采用钡消气剂，它是把钡钛合金置于金属环内，再将其固定在消气剂蒸散后不影响光输出的位置。
灯泡经抽真空工序后，采用高频感应加热金属环，使环内钡钛合金受热后蒸散，在蒸散过程中吸收残余有害气体，同时在玻壳颈部形成一层黑色镜面。
必须指出，消气剂放置位置非常重要，以黑色镜面不阻碍光线输出为宜；在使用过程中如发现黑色镜面部分或全部变成灰白色，它指示该灯泡已漏气，不能继续使用，必须调换新灯泡。
1.2.6汞
汞常态时呈液态状，具有银白色镜面光泽。
在电弧管中加入泵可提高灯管工作电压，降低工作电流，减小镇流器体积，改善电网的功率因数，增高电弧温度，提高辐射功率。
1.27钠
该元素呈银白色金属，也称金属钠。
它的理化性能有质软而轻，可溶于汞生齐。
钠光谱特点为共振辐射线宽，偏向红色区，总辐射功率高；高压钠灯的光色和发光效率与钠蒸气压有关。
目前，工业化生产的高压钠灯均采用钠汞齐添加入灯泡内，可简化生产工艺，同时使灯泡参数一致性有很大提高。
1.28氙
氙气是一种稀有气体，它在灯泡中的作用是帮助启动和降低启动电压。
氙气压的高低还将影响灯泡的发光
1.3显色性的改善白炽灯泡工作时发出暖色光，而且显色性极佳（显色指数Ra=100），从它诞生至今的相当长时间时里，仍然被人们广泛使用的照明光源。
虽然使用高压钠灯虽然有许多优点，但是光色（Ra=30）、色温约2000K。
为了保持高压钠灯的长寿命、高发光效率和暖色调气氛；在改善显色性方面，人们经过孜孜不倦地努力，已研制出符合上述要求的高显色高压钠灯（又称白光高压钠灯）。
高显色高压钠灯是在高压钠灯的基础上，采用提高钠蒸气压和增大电弧管管径，同时在电弧管两端裹上一层铌箔，提高冷端温度等措施来改善显色性；另外，提高充入电弧管内氙气压力，使电弧中心部分温度升高，而其余放电部分温度较低，通过改变电弧温度分布的途径来改善显色性，其显色指数已提高到Ra=70～80,发光效率可达80流明/瓦以上，可拓宽应用领域，为使用高显色高压钠取代白炽煤泡成为现实。
2高压钠灯的技术参数
2.1启动特性
高压钠灯启动后，在初始阶段是汞蒸气和氙气的低气压放电。
这时候，灯泡工作电压很低，电流很大；随着放电过程的继续进行，电弧温度渐渐上升，汞、钠蒸气压由放电管最冷端温度所决定，当放电管冷端温度达到稳定，放电便趋向稳定，灯泡的光通量、工作电压、工作电流和功率也处于正常工作状态。
在正常工作条件下，整个启动过程约需10分钟左右。
2.2光和电参数
2.2.1高压钠灯的光和电参数
2.2.2高显色高压钠灯的光和电参数
2.2.3光通量维持率
2.3电源电压变化对光、电参数的影响电源电压的波动必将引起灯泡光、电参数的变化，由图2.3可见，如果电源电压上升将引起灯泡工作电流增大，促使电弧管冷端温度提高，汞、钠蒸气压增高，工作电压、灯泡功率随着增高，造成要泡寿命大大下降；反之。
电源电压降低，灯光不能正常工作，发光效率下降，还可能造成灯泡不能启动或自行熄灭。
所以，要求客户在灯泡使用时，电源电压的波动不宜过大，一般要求在额定值+6%～-8%范围之内变化。
2.4寿命
2.4.1高压钠灯的寿命
2.4.2高显色高压钠灯的寿命
2.4.3平均寿命
平均寿命指一批受试灯泡样品点燃至50%数量损坏时之时数。
3高压钠灯的工作电路系统
在高压钠灯的工作电路中除了灯泡外，还必须按内触发高压钠灯或外触发高压钠灯分别选用相应的工作电路，如灯泡+镇流器或者灯炮+镇流器+触发器的工作电路，方可达到高压钠灯正常工作的要求。
3.2外触发高压钠灯的燃点电路外触发高压钠灯的燃点电路中必须与配套镇流器串联使用外，还要在灯泡两端并联一个触发器后，高压钠灯方可正常使用。
目前，高压钠灯触发器普遍由电子元件组成，亦称为电子触发器。
它具有无机械触点、可靠性好、体积小、重量轻、使用方便等优点，而受到用户的青睐。
3.2.1两端倍压式电子触发器的启动电路两端倍压式电子触发器的电原理图，其工作原理如下：
电源电压在负半周时，电流经过V1、L1和L2向C2充电，同时，经过L1向C1充龟，当电源电压达到最大值220V×√2=311V时，C1和C2充电电压达到约300V，由于V1的单向导电特性，UC2电压值保持不变，而UC1逐渐放电，直至电压为零；当电源电压在正半周时，又通过L1对L2的匝数比为10：
1，经过L1升压后输出脉冲电压可达3000V，使灯泡启动点燃。
两端倍压式电子触发器的电路简单，因晶闸管的触发电流随温度为化较大，开启式电压会在很大范围内漂移工作可靠生差。
它是早期使用的高压钠灯电子触发器。
3.2.2双向晶闸管触发器启动电路近年来，双向晶闸管触发器使用普遍电原理图，其工作原理如下：
当电源电压正半周时，V2触发导通，C1经过L2和C2放电，L2上产生感应电动势，经L1耦合产生脉冲高压，使灯泡启动点燃；在电源负半周时，灯泡仍然能启动点燃。
图3.43.3.3三端电子触发器启动电路由于某些使用场合的局限性，往往灯泡与镇流器、触发器之间距离甚远，导致电子触发器输出的脉冲高压在输送至灯泡途中损耗很大，灯泡两端电压偏低不能启动。
建议用刻使用三端式电子触发器和三端式镇流器组成的启动电路，就可以改善电路和启动特性。
此电路特点：
它运用镇流器的电感线圈作为脉冲变压器，使电感量增加，放电持续时间延长，有利于灯光启动。
4高压钠灯镇流器
在高压风俗灯的工作电路中，与灯泡配套使用的镇流器有电感式镇流器和电子式镇流器两种。
电感受式镇流器由电感线圈和矽钢片回路制成非封闭状，而专门留有很小间隙，使磁场处于非饱和状态，从而起到稳定电流的作用。
电子式镇流器顾名思义它是有电子元件组成的阴流器件，也是近年来实施照明节电的产品，它具有功耗低、体积小、重量轻、功率因数高，灯泡瞬时启动等特点；目前在小功率气体放电灯（紧凑型节能灯）中应用较广泛，而在大功率气体放电灯方面，困难度较大，还未达到推广应用阶段。
4.1一般要求镇流器是高压钠灯的重要配套件，它的性能和质量好坏直接对高压钠灯的寿命、发光效率和自熄产生影响。
高压钠灯镇流器一般要求功率损耗小，安装方便、牢固，具有良好的防水、防腐蚀和安全性能，在环境温度-40～+45℃的条件下，能连续工作12小时以上。
在额定电压下用镇流器测试灯泡功率与用规定的基准镇流器测试灯泡功率相对比，其偏差应在±7.5%范围内。
必须重申：
不同规格的高压钠灯必须配用相应规格的镇流器，灯泡与镇流器不能任意配用，尤其小功率灯泡配用大功率镇流器后，导致灯泡工作电流过大，缩短使用寿命，甚至会使灯泡烧毁。
在煤泡整个寿命期间，镇流器的电压——功率特性曲线必须在规定的灯泡电压和功率极限范围内变化。
4.2电压-功率特性曲线为了使镇流器符合灯泡的工作性能要求，灯泡电压在95～105%的范围内任意变动，灯泡电压的极限线交点都应在功率极限范围内，并且在灯泡电压的整个偏差范围内始终保持在功率偏差范内。
理想的高压钠灯镇液压器应为：
在灯泡电压上升至上偏差极限点，灯泡功率反而下降。
图中以250W高压钠灯为例：
曲线A表示在高压钠灯整个寿命过程中，工作电压上升，灯泡功率变化较小，镇流器性能佳。
曲线B表示在高压钠灯大部分工作时间处于过载状态，镇流器性能差。
曲线C表示在高压钠灯寿命前期，工作电压上升，使灯泡功率上升很快，缩短灯泡寿命；在灯泡寿命后期，灯泡功率及发光效率急剧下降，同样也影响灯泡使用寿命，镇流器对灯泡功率限制作用太差，镇流器性能很差，不宜采用。
金属卤化物灯是在高压汞灯的基础上并与高压钠灯相结合发展起来的。
高压汞灯发光效率低，光色偏青、缺黄红光谱，而高压钠灯发光效率高达1 10Lm/w，但显色指数低，发出的光为黄色，光谱中缺蓝绿光谱。
研究者们设想，如在汞灯弧光管中添充不同金属，利用他们不同的本征光谱组合，能否生产出发光效率高、显色指数也高的发光管?
研究初期发现，要么合乎需要的金属添加物没有足够的蒸汽压，要么是与熔融的SiO2电弧管材料发生强烈反应。
直到二十世纪六十年代，研究者们发现，在汞蒸汽放电中加入某些金属卤化物可以提高灯的显色指数和发光效率。
理论上讲，元素周期表中所有的卤化物都可充当发光物，但经过认真筛选只有大约50种金属碘（溴）化物被用作添加剂。
添加剂的平均激发能大约为4.0eV，比汞的激发能7.8eV低得多，所以添加光谱的总辐射功率比汞辐射功率大的多，尽管添加剂的压强一般只有10-100Torr，而汞蒸汽的压强高达0.1-2Mpa，相对汞灯而言，添加光谱的作用就是提高显色性和发生效
5镇流器的功能与主要性能指标
5.1镇流器功能
5.1.1将灯的启动电流限制在合适的范围内：
启动电流是指灯在接通电源启动后的30秒内或灯预热过程中通过灯的电流。
一般情况（尤其在较低温度状态）下，启动电流远大于灯的工作电流，所以每种灯都规定了启动电流的最大值。
如果启动电流过大将会缩短灯的使用寿命；电流过小则不能使灯预热至正常的启动状态或完成由辉光放电向弧光放电过程。
镇流器提供灯的启动电流就应该既能在较短的时间内启动灯，又不至于影响灯的正常使用寿命。
5.1.2提供的开路电压足以使灯顺利的启动
镇流器的开路峰值电压作为灯的启动电压时，必须足以电离气体放电灯中的气体，即产生峰值电流使电极之间产生辉光至弧光过度的放电，这样才能使灯启动工作。
高压汞灯、金属卤化物灯在低温时比较难于启动，由镇流器提供的开路峰值电压必须足够高。
5.1.3使灯的功率不发生较大幅度的变化
尽管灯在设计和出厂检验时对灯管的电压有一定范围的规定值，但在实际使用及整个寿命过程中灯管电压值却是变化的，这就需要由配套的镇流器在一定的范围内进行调整，不使灯管功率发生较大幅度的变化。
理想的镇流器就应该使新近刚使用的灯和已经接近寿命终端的灯其灯管的功率不至于相差太大。
5.1.4自动控制灯的工作电流
在一定电压范围内的稳定阻抗，是阻抗式镇流器能控制灯的工作电流的基本条件。
镇流器是利用电压正比于电流的时间变化率来调节灯的工作电流的。
当某个周期中的开路电压导致灯工作电流增大时，镇流器的电感作用就会限制电流的增大速率；当电流开始减小时电感作用就会阻止电流减小的速率。
5.2镇流器的主要性能指标
5.2.1电源电压和频率
每个镇流器都标明了使用的电源电压及频率，应该严格按规定进行安装、使用。
否则，灯不能运行在设计的工作点上，轻者造成光源的光通、光色、显色等特性劣化，严重时直接损坏镇流器或光源。
5.2.2电源电压的允差
电网的电压值是随着用电的高峰、低谷的状态而变化的。
正常情况下，镇流器均能在额定电源电压偏差－8%～＋6%的范围内能使灯启动。
但用户所在的具体地点不同，其配电系统的输出电压或配电线路上的相异较大，如电源电压的变化范围大于镇流器允许变化的范围，就会导致灯不能启动、启动后不稳定以及达不到预定的光源应有的特性或因电压过于超高而损坏镇流器和灯。
5.2.3功率因数
具有较高功率因数的镇流器能使配电系统降低运行费用。
≥0.85的功率因数镇流器被称为高功率因数镇流器，而一般的镇流器仅在0.5左右，应在安装使用时配接补偿电容。
5.2.4线路启动电流
电感式镇流器的线路启动电流因镇流器的制式而异呈现两种情况。
电感式镇流器线路启动电流约处于额定线路电流的1.3～1.5倍；漏磁式镇流器线路启动电流约处于额定线路电流的0.6～0.9倍。
5.2.5灯的启动电流
气体放电灯在启动时由辉光放电至弧光放电的过程，其开始启动时的光源电流均比较大。
约在光源额定灯电流的1.3～1.5倍。
因此，在设计、制造、检验时应严格按技术指标进行控制。
5.2.6工作电流
镇流器工作电流是依据灯的工作电流而设计的，考虑到铁心片性能的离散性及生产过程中工艺控制的能力，在产品技术文件和检验规范中，都给出了允许的偏差以适应稳定灯工作电流的需要。
5.2.7短路电流
镇流器是与灯配套工作的，当发生灯头短路或其它异常情况时，电网电压全部或大部分便会直接施加在镇流器上，因此镇流器在额定电源电压106%时的短路电流是必须予以限制的，否则就会发生烧毁镇流器的严重后果。
5.2.8电流波形因子
镇流器与灯配套工作时的电流波形因子过大时会造成灯电极发射材料过快的蒸发、光通量输出的稳定性恶化、阳极寿命相应缩短等恶果。
通常在镇流器的有关标准或技术、质量规范中限制电流波形因子的极限值，汞灯镇流器的波形因子不大于2，金卤灯、钠灯的镇流器不大于1.8。
5.2.9镇流器的功耗
组成镇流器的主要材料为铁心片、漆包线，前者表现为铁损耗，后者表现为铜损耗。
当设计时选材不当或过于扣苛都会造成损耗过大，若镇流器体积确定时，损耗过大还会导致温升过高而影响镇流器的使用寿命。
5.2.10镇流器的层匝绝缘
镇流器线圈的层匝绝缘是由漆包线的漆膜绝缘性能来保证的，当漆包线的漆膜不均匀、脱落或在绕制线圈时遭到磨损，就会在通电工作时或工作一段时间后产生短路直至烧毁，因此在生产过程中进行检测是有效的控制方法。
5.2.11镇流器的抗电强度和绝缘电阻
镇流器在通电的瞬间会在绕组产生数倍或数十倍电源电压的暂态过冲电压，同时镇流器在工作和待机状态的转换过程中所经受的高、低温冲击，都会使线圈绕组与铁心间的绝缘材料劣化而导致绝缘性能的衰变。
由于镇流器的绕组是与电网连接的，因此对绕组与铁心间进行抗电强度检验和绝缘电阻的测试是非常必要的。
5.2.12镇流器的温升
镇流器通电后，在空载或是与灯配套工作时都会产生一定的损耗（统称为功耗）。
其损耗由铜耗、铁耗组成，前者是由组成绕组的导线材料产生，后者由铁心材料的硅钢片产生。
当镇流器与灯配套工作时，绕组流过工作电流，电流的平方与绕组的铜阻的乘积就是铜损功率；同时铁心受绕组的感应电动势作用产生较高的磁通密度，在铁心中产生涡流和磁滞损耗，这两种损耗产生的热量使得镇流器发热而温度升高，即称为温升。
镇流器的工作寿命取决于绝缘材料的寿命，镇流器的工作寿命与镇流器的工作温度成反比。
镇流器的工作温度等于环境温度和镇流器的温升之和，当镇流器的绝缘材料确定时，较低的温升才能使镇流器工作于较高的环境温度。
因此，将镇流器的温升尽可能地降低对镇流器的适用性及使用寿命都是有益的。
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