无极灯稳定性研究

王长全 张贵新 董晋阳 邵明松 王新新 王赞基

(清华大学电机工程与应用电子技术系，北京 100084)

近年来，由于能源危机和环境恶化使得节能、环保的无极灯成为目前国内外众多公司发展的重点之一。无电极放电灯是近年来迅速发展的新光源。由于该类灯没有电极，不会产生由于有电极放电灯的电极氧化、溅射、损耗和密封等问题引起的发黑现象。具有高光效、光色稳定、长寿命的特点［1］。无极灯节能效果取决于其光效的高低，光效越高，节能效果越好。无极灯目前可用于照明行业［2～3］、光化学和分析化学［4］等领域。光效的高低与无极灯的启动特性、稳定性和表面负载特性等因素有关。研究无极灯的稳定性对分析无极灯的特性，提高其光效具有重要意义。本文将对无极灯的稳定性进行分析，研究电特性和光照度随时间的稳定性问题。本文共分三个部分:①实验介绍;②实验结果及讨论;③结论。

1 实验介绍

无极灯稳定性测试装置如图1所示。该无极灯包括电子镇流器 (也称高频发生器)、高频馈线、耦合器和泡体四部分，通常高频馈线、耦合器和泡体做成一个整体称为无极灯的灯泡。采用Tektronix TCPA300电流探头、Tektronix P6015A高压探头(100MΩ，1000∶1)和 Tektronix TPS 2014(100MHz，1Gs/s)示波器测量电子镇流器输出端的电压、电流和功率等电参数。采用TES1330A照度计测量无极灯的光照度。为了减少荧光粉对等离子体的影响，此处采用未涂荧光粉的明泡进行试验。

2 实验结果及讨论

2.1 无极灯电参数的稳定性

为了研究无极灯的稳定性，我们测量了1h内不同时间的无极灯放电电流、电压和功率以及无极灯阻抗的变化情况，分别如图1、图2和图3所示。

图1 无极灯稳定性实验原理图

图2 不同时刻的放电波形

图3 放电电压和电流随放电时间的变化

由图2可知，放电电压和电流波形都是正弦波，放电功率是非对称的正弦波，并且不同时间放电电压、电流和功率的幅值不同。说明无极灯泡体内等离子体电阻发生了变化，电子镇流器能自动跟踪无极灯负载的变化，使电源的功率因数较高。无极灯电压和电流随放电时间的变化如图3所示。

由图3可以看出，随着放电时间增加，镇流器输出电压先减少后增加，在45min以后逐渐趋向于稳定;而放电电流是先增加后减少，然后小幅波动，约50min才能趋于稳定。这说明无极灯需要1h左右才能获得稳定。无极灯电压和电流的变化是由无极灯的阻抗变化引起的，根据无极灯等效阻抗与电压、电流之间的关系可得，

由此可以计算出阻抗Z随放电时间的变化，如图4所示。

图4 放电阻抗随放电时间的变化

由图4可知，电子镇流器输出端的负载阻抗随放电时间先急剧减少后小幅增加，然后小幅在震荡，在40min以后逐渐趋于稳定。这是由于无极灯刚点燃时，耦合器激发电磁场产生的感应电场诱导出的等离子体电子浓度迅速增加，导致放电阻抗迅速下降，而后电子浓度逐渐增减小，放电阻抗逐渐增加，而后电子浓度趋于稳定，使得放电阻抗也逐渐趋于稳定。

2.2 无极灯发光特性的稳定性

除了无极灯的电特性以外，无极灯光照度随放电时间的变化如图5所示。

从图5可以看出，无极灯的光照度先迅速增加，然后下降，在30min以后逐渐趋于稳定。这说明无极灯稳定需要一定的时间。为了提高无极灯的迅速稳定性，必须采取措施使无极灯泡体内的等离子体浓度迅速达到饱和，这样才能使无极灯的阻抗迅速稳定，使无极灯迅速获得稳定的光输出，这在一定程度上提高了无极灯的光效。

图5 无极灯光照度随放电时间的变化

3 结论

本文通过研究无极灯的放电电压、放电电流、放电功率、放电阻抗和光照度随时间的变化规律，分析了无极灯的稳定性。通过分析发现，无极灯泡体内等离子体的浓度决定着无极灯泡体的阻抗，而阻抗变化决定着放电电压、电流和功率等电参数。只有采取措施改变等离子体泡体内等离子体浓度的迅速稳定性，才能改善无极灯的稳定性，从而提高无极灯的稳定阶段的光效。

［1］王尔镇，梁伟熠，王春锋.无电极放电灯的新进展，照明工程学报，2002，13(3):21～25.

［2］刘洋，陈大华，李维德，王爱群.无极荧光灯的悄然兴起，照明工程学报，2005，16(1):32～34，41.

［3］陈大华，陈育明.无极放电光源的进展.中国照明电器，2008，(3):1～5.

［4］W.S.Gleason，R.Pertel，High stability electrodeless discharge lamps， Review of Scientific Instruments， 42(11):1638～1643.