電光系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

電光系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)

1879年，自愛迪生發(fā)明碳藍(lán)色信號(hào)以來，人造光源進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)代?；仡?0世紀(jì)的照明史,鹵鎢燈、熒光燈、高壓汞燈、高壓氙燈、金屬鹵化物燈緊湊熒光燈、無極熒光燈和LED固體光源等新光源不斷問世,可謂是日新月異。人造光源的出現(xiàn)被國際科技界公認(rèn)為是現(xiàn)代文明社會(huì)一個(gè)重要的里程碑,現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展為電光源的創(chuàng)新奠定了一定的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐條件,同時(shí)也提出生產(chǎn)具有特殊性能的各種新型電光源產(chǎn)品的需求。本文通過剖析和展望國內(nèi)外電光源現(xiàn)狀,希望能使業(yè)內(nèi)人士更好地認(rèn)識(shí)國內(nèi)外電光源發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢(shì),能對(duì)我國實(shí)現(xiàn)從光源生產(chǎn)大國邁向電光源科技發(fā)展強(qiáng)國起到推動(dòng)作用。1高頻和低頻無效燈無極熒光燈(以下簡(jiǎn)稱無極燈)是綜合功率電子學(xué)、等離子體學(xué)、磁性材料學(xué)等理論開發(fā)出來的高新技術(shù)照明產(chǎn)品。沒有傳統(tǒng)光源的燈絲和電極,通過電磁感應(yīng)方式將能量耦合到燈泡內(nèi),燈泡內(nèi)充有適量的特種氣體,高頻能量使之電離或激發(fā),激發(fā)后的原子從較高能級(jí)返回基態(tài)時(shí),發(fā)出紫外光子,紫外光子激發(fā)泡殼內(nèi)壁的熒光粉產(chǎn)生可見光。無極燈可分為高頻和低頻無極燈。與其它光源參數(shù)值比較,無極燈具有高光效、節(jié)能、環(huán)保、長壽命、優(yōu)異的光電性能等技術(shù)特點(diǎn),如表1所示,它在室內(nèi)照明、大面積的商場(chǎng)、廠房照明、道路照明、城市夜景照明和特殊場(chǎng)所照明都能應(yīng)用。1.1高頻設(shè)備耦合高頻無極燈由高頻發(fā)生器、耦合器和燈泡三部分組成,圖1為結(jié)構(gòu)示意圖。高頻發(fā)生器主要包括振蕩器、濾波器、整流器、開關(guān)器件、匹配網(wǎng)絡(luò)、驅(qū)動(dòng)線圈和電弧的等效電路。它為耦合器提供一個(gè)頻率2.65MHz高頻能量來激發(fā)和維持燈泡內(nèi)的氣體放電。耦合器是把能量從高頻發(fā)生器經(jīng)線圈耦合到燈泡內(nèi)的器件。它由磁芯、高溫線、導(dǎo)熱棒、繞線架、底座、過渡件和同軸電纜組成。燈泡主要是玻璃的,主要由涂有保護(hù)膜和三基色熒光粉的泡殼、內(nèi)管、固體汞齊、輔助汞齊等以及燈頭組成,內(nèi)部充有低氣壓汞和惰性緩沖氣體。高頻無極燈性能參數(shù)如表2所示。高頻無極燈工作原理:耦合器如同天線插入燈的內(nèi)管空腔中,線圈中的高頻電流在鐵氧體磁棒中產(chǎn)生軸向高頻磁場(chǎng),如圖2所示。高頻電磁場(chǎng)能量以感應(yīng)方式耦合到燈泡內(nèi),使燈泡內(nèi)的氣體被擊穿形成等離子體,等離子體受激原子返回基態(tài)時(shí),輻射出254nm的紫外線,燈泡內(nèi)熒光粉受到紫外線激發(fā)而發(fā)出可見光。同時(shí),軸向高頻磁場(chǎng)在放電腔體中感生與磁場(chǎng)垂直的環(huán)形渦旋電場(chǎng),如圖3所示。放電腔體中自由電子在渦旋電場(chǎng)作用下沿切線方向加速,并通過碰撞積累能量產(chǎn)生電離、激發(fā)放電。1.2低頻安全理論低頻無極燈主要由燈管、磁環(huán)和頻率250kHz的整流器組成,如圖4所示。燈管主要由內(nèi)壁涂有三基色熒光粉的玻殼、固體汞齊、輔助汞齊和惰性氣體四部分組成。二個(gè)磁環(huán)對(duì)稱套在環(huán)形燈管的兩邊。二個(gè)磁環(huán)上各有一個(gè)圈數(shù)相同、但電流方向相反的線圈組成耦合器(如圖5)。低頻無極燈電參數(shù)如表3所示。低頻無極燈工作原理(如圖6)是利用套在燈管外面的一對(duì)磁芯產(chǎn)生的電磁場(chǎng)使燈內(nèi)氣體電離,等離子體與電路磁力線耦合在燈管內(nèi)形成感應(yīng)電流,套在燈管外面的一對(duì)鐵芯的作用猶如變壓器的初級(jí)線圈,而閉合的燈管的作用猶如變壓器的次級(jí)線圈。在接通電源后,電子鎮(zhèn)流器會(huì)產(chǎn)生250KHz的交變電流,線圈中的交變電流在磁環(huán)中產(chǎn)生與環(huán)吻合的高頻磁場(chǎng),兩個(gè)磁環(huán)中的高頻磁場(chǎng)在環(huán)狀燈管中感生相互疊加的渦旋電場(chǎng)。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律,變化的磁場(chǎng)會(huì)在燈管內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電流,燈管中的原始電子在渦旋電場(chǎng)加速下積累能量產(chǎn)生激發(fā)和電離,引發(fā)放電,從而使低壓汞和惰性氣體的混合蒸汽產(chǎn)生放電,輻射出253.7nm的紫外線,再通過熒光粉轉(zhuǎn)化為可見光。2光學(xué)、光效和應(yīng)用陶瓷金屬鹵化物燈(CDM)是在高壓鈉燈和石英金鹵燈的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,它既具有高壓鈉燈的高光效,克服了高壓鈉燈色溫低,顯色性差的缺點(diǎn),又有比石英金鹵燈顯色性更好、光色更穩(wěn)定、光衰更小、壽命更長的優(yōu)點(diǎn)。由于陶瓷材料的進(jìn)步和陶瓷與金屬封接的實(shí)現(xiàn),人們成功地制造出陶瓷為外殼的CDM,其光電性能一致性和穩(wěn)定性明顯優(yōu)于以石英為玻殼的CDM,燈的光效可提高10%～20%;且發(fā)光體小,亮度高,便于投影照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。目前最好的CDM有效壽命能達(dá)到15000h,常規(guī)產(chǎn)品也不難達(dá)12000h,亮度290cd/m2,顯色指數(shù)為83,光效可達(dá)110lm/W,小功率燈也可達(dá)85lm/W以上。其中35W,70W和150W三種產(chǎn)品,結(jié)構(gòu)為單端型、雙端型和反射型,光效達(dá)到90lm/W,壽命達(dá)12000h。高顯色性使陶瓷金屬鹵化物燈正在大量取代白熾燈和鹵素?zé)?特別是小功率20W,35W,39W,50W,70W等型號(hào),被廣泛用于歐美國家室內(nèi)甚至家庭照明。而中功率燈種更多地應(yīng)用在室外,在歐洲的機(jī)場(chǎng)、車站、商場(chǎng)、飯店大堂、餐廳,隨處可見。另外,250W和400W大功率陶瓷外殼金屬鹵化物燈也已出現(xiàn),其應(yīng)用范圍將會(huì)有進(jìn)一步擴(kuò)大。圖7為陶瓷金屬鹵化物燈的結(jié)構(gòu)和外形。陶瓷金屬鹵化物燈作為當(dāng)今各類光源中功能最完善、性能最優(yōu)越、節(jié)能效果最好的燈具品種,近年來開始大量進(jìn)入歐美發(fā)達(dá)國家的商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。日前,工業(yè)和信息化部公布的《輕工業(yè)技術(shù)進(jìn)步與技術(shù)改造投資方向(2009-2011年)》明確提出,將節(jié)能環(huán)保型CDM生產(chǎn)工藝及裝備產(chǎn)業(yè)化列入重點(diǎn)行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。這無疑加快了我國CDM研發(fā)和生產(chǎn)的腳步。3無汞燈光系統(tǒng)目前各種熒光體都需要汞蒸氣作為工作氣體。但汞是對(duì)人體有害的金屬,熒光燈的生產(chǎn)和廢棄都會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染,只有無汞熒光燈才能完全解決問題。在光源輻射機(jī)理研究中,近年來采用準(zhǔn)分子工作物質(zhì),如KrF,ArP,NeF和XeCl等來制造高功率準(zhǔn)分子光源,這是一種新型的特殊氣體分子放電光源。準(zhǔn)分子放電作為高亮度、能量轉(zhuǎn)換效率高的真空紫外線發(fā)光體,已成功用于PDP中。目前能激發(fā)這類光源的放電有介質(zhì)阻擋放電(DielectricBarrierDischarge)、大功率輝光放電(HPGD)、高頻電容性放電(HFCD)、脈沖放電(PD)、微波放電(MWD)等。研究表明低氣壓Xe放電有很高的效率(在較小的功率密度下可達(dá)80%),如果有高效率的熒光粉,就可能制成無汞熒光燈。放電既可以采用射頻激發(fā),也可以采用直流或低頻交流激發(fā)。無汞熒光燈可采用He-Xe或Ne-Xe混合氣體為工作氣體,放電是該氣體能高效率地產(chǎn)生波長147nm的Xe共振輻射,其光子能量足以激發(fā)熒光粉。如果與波長147nm的真空紫外匹配的熒光粉的量子效率達(dá)到0.9～0.95,涂層效率達(dá)0.85～0.95,那么無汞燈熒光燈的光效可達(dá)21～26lm/W。通過微波放電和介質(zhì)阻擋放電等無極放電形式可制成新型的準(zhǔn)分子輻射光源,其工作物質(zhì)可為Xe2(172nm),Kr2(146nm)和Ar2(126nm),其中Xe2準(zhǔn)分子光源的效率最高,光能轉(zhuǎn)換效率達(dá)50%以上?，F(xiàn)已制成58cm×68cm的60W×2準(zhǔn)分子大面積平面照明系統(tǒng),這種燈無需充汞,因此從環(huán)境保護(hù)角度更有吸引力。目前一些典型的準(zhǔn)分子光源的光電轉(zhuǎn)換效率見表4。目前已有具有實(shí)用價(jià)值的平面無汞熒光燈產(chǎn)品出售,尤其在液晶顯示背光源等照明中,它已獲得有效地應(yīng)用。作為一種新穎的無汞熒光燈,它的光效與直管型熒光燈相仿,又能制成平面形狀,更加上它無有害物質(zhì),不會(huì)造成污染的優(yōu)越性等特點(diǎn),可以預(yù)言準(zhǔn)分子光源前途無量。4uhp系統(tǒng)的研究多媒體投影器技術(shù)向小型、輕便、高亮度方向快速發(fā)展。配套需要的高亮度短弧光源已進(jìn)入第三代——短弧超高壓汞燈(UHP)時(shí)代,該燈近年來由于工藝改進(jìn)又有較大的進(jìn)展。發(fā)光電弧縮短至1mm,壽命可望達(dá)到1000h以上,可組成更緊湊的光學(xué)系統(tǒng),為大屏幕液晶背投電視進(jìn)入市場(chǎng)創(chuàng)造了必備條件。UHP是Philips公司90年代初的發(fā)明專利,其它公司的類似產(chǎn)品稱為UHE、AHP、SHP等,國內(nèi)多稱為P燈或?qū)I(yè)冷光源。其電弧管內(nèi)充入高純汞及微量的氧和鹵素,以利于形成鹵鎢循環(huán)。1995年,配投光系統(tǒng)的顯示裝置應(yīng)用了新開發(fā)成功的一種UHP,其極距約1.3mm,功率100W。在燈工作時(shí),汞蒸氣壓可達(dá)2×107Pa。由于汞蒸氣壓愈高,燈的亮度也越高,而且汞原子譜線寬度變大,分子連續(xù)譜與帶電粒子復(fù)合光譜也更強(qiáng),特別是595nm以上的紅光輻射隨燈內(nèi)工作壓強(qiáng)的升高而增強(qiáng),從而使燈的顯色性提高,由于該燈放電時(shí)電極處于極高的溫度,會(huì)造成鎢材料蒸發(fā)并沉積在球壁上造成光衰,現(xiàn)通過在工藝上對(duì)燈內(nèi)充入微量氧-鹵素,有效清潔泡殼,燈的壽命達(dá)12000h。圖8為UHP外形,圖9為UHP的光譜分布,圖10為UHP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。UHP光源的電弧亮度能超過小面積高效投影裝置所需的1Gcd/m2,為了達(dá)到更好的集光效果,近年來UHP光源的電弧極距減少到1.0mm,其壽命達(dá)10000h以上,功率為200W,配備于投影儀產(chǎn)品,重量?jī)H4kg,體積不到2L,便于攜帶,其屏幕照度超過1100lm,能夠達(dá)到明亮的XGA顯示水平。UHP燈具有很多優(yōu)良的特性:(1)極高的亮度,可以超過日光。(2)在電弧管的壓力超過2×107Pa時(shí),燈的輻射大部分光為分子輻射的連續(xù)光譜,顏色極其平衡。(3)電極間距可以做到1mm以下,幾乎為點(diǎn)光源。但其制作工藝復(fù)雜,涉及物質(zhì)的高純化,高溫性能的透光材料的研制需要許多行業(yè)的協(xié)作,目前僅Philips、OSRAM等數(shù)家公司能生產(chǎn)全系列,價(jià)格非常昂貴。目前的主流投影市場(chǎng)均采用P燈。5微波硫燈照明系統(tǒng)1992年國際電光源科技界提出了微波硫燈的新技術(shù),發(fā)現(xiàn)充填硫元素和低壓氬氣于石英泡殼內(nèi),在頻率為2450MHz微波能量的驅(qū)動(dòng)下,通過硫分子的振動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)能的躍遷,可使燈輻射出連續(xù)的可見光光譜。表5為各類投影燈泡的特性對(duì)比。1994年,美國融合公司首先制成了一個(gè)功率為3400W微波硫燈照明系統(tǒng),如圖11所示,圖12為微波硫燈光譜能量分布圖。燈內(nèi)有一個(gè)直徑為28mm的石英球泡,用3.4kW微波源進(jìn)行激勵(lì),工作時(shí)該石英泡內(nèi)10個(gè)大氣壓強(qiáng)的硫蒸汽分子輻射產(chǎn)生亮度非常強(qiáng)的白光,其光效為120lm/W,色溫為6500K,顯色指數(shù)為86。1995年,美國Fusion又向市場(chǎng)推出solar-1000和LightDrive-1000兩種規(guī)格的微波硫燈。主要參數(shù)為:功率1378W,輸出光通量132288lm,系統(tǒng)光效96lm/W,燈光效110lm/W,發(fā)光泡殼直徑40mm,相對(duì)色溫5400K,顯色指數(shù)為80,啟動(dòng)時(shí)間小于25s,重復(fù)熱啟動(dòng)時(shí)間小于300s,可在很大范圍內(nèi)調(diào)光,壽命60000h,可任意方向燃點(diǎn)。微波硫燈用于照明主要是利用光導(dǎo)管系統(tǒng)有良好的控光特性,均勻分配光線,將微波硫燈發(fā)出的光沿光導(dǎo)管傳送到需要照明的場(chǎng)所。圖13是微波硫燈與光導(dǎo)管配合使用進(jìn)行光傳送的示意圖。6led照明水源LED是一種固體光源,它是利用半導(dǎo)體P-N結(jié)電致發(fā)光制成的發(fā)光器件。由于不同半導(dǎo)體材料的帶隙能量不同,因此激發(fā)光的波長也不同,所以采用不同的材料可制成不同顏色的發(fā)光二極管。根據(jù)色度學(xué)原理,白光可以通過不同的顏色混合方案實(shí)現(xiàn),例如,藍(lán)光和黃光混合,藍(lán)、綠、紅三基色光混合、以及多基色光混合,InGaN/GaN藍(lán)光發(fā)光二極管(LED)與釔鋁石榴石(YAG)熒光粉結(jié)合而得的白光發(fā)光二極管(W-LED)等。圖14LED結(jié)構(gòu)示意圖。白光LED具有低壓、低功耗、高可靠性和長壽命等一系列優(yōu)點(diǎn),是一種符合環(huán)保和節(jié)能的綠色照明光源。巨大的市場(chǎng)需求和顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的驅(qū)動(dòng),使世界各國均傾注了大量財(cái)力、人力和物力,來推動(dòng)固體白光LED作為固態(tài)照明光源的研究和開發(fā),并成立了專門機(jī)構(gòu),制定戰(zhàn)略目標(biāo)和計(jì)劃,以確保推動(dòng)固體白光LED發(fā)展處于領(lǐng)先地位。LED新型照明光源是近10年科技進(jìn)步的最新產(chǎn)物,其光效得到極大地提高。Philipslumileds公司的產(chǎn)品在350mA電流下,發(fā)光效率已達(dá)115lm/W。2008年CREE公司市場(chǎng)上出售的1W白光LED產(chǎn)品的光效達(dá)到118Lm/W。據(jù)報(bào)道,2007年國際上先進(jìn)的大功率白光LED產(chǎn)業(yè)化水平,其發(fā)光效率普遍達(dá)到60～90lm/W,節(jié)能效果已具有相當(dāng)吸引力。LED新型照明光源一定會(huì)給現(xiàn)代社會(huì)生活質(zhì)量的提高帶來不可估量的影響,并將在21世紀(jì)的全球照明領(lǐng)域引發(fā)一場(chǎng)革命。目前LED在照明領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿艽?但要作為照明主體,其產(chǎn)品技術(shù)和質(zhì)量尚未成熟,主要表現(xiàn)在LED的轉(zhuǎn)換效率欠佳,僅約20%電能是轉(zhuǎn)換成光能,而80%的電能轉(zhuǎn)化成熱能。另外LED光源的性價(jià)比也是制約其推廣應(yīng)用的主要因素。據(jù)全球近年對(duì)LED產(chǎn)品應(yīng)用的調(diào)查統(tǒng)計(jì),其48%產(chǎn)品應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備中,14%應(yīng)用于顯示應(yīng)用,15%應(yīng)用于汽車照明,2%應(yīng)用于信號(hào)燈光,照明應(yīng)用僅占5%,其它應(yīng)用16%。這讓我們清楚看到LED光源遠(yuǎn)還不是照明領(lǐng)域的主要產(chǎn)品。實(shí)際上,現(xiàn)在市場(chǎng)上被人們廣泛認(rèn)可的LED產(chǎn)品的應(yīng)用范圍還是有限,LED道路照明的應(yīng)用正成為當(dāng)前國內(nèi)外照明研究和推廣應(yīng)用的熱點(diǎn)。LED光源的改進(jìn)的方向:通過整修芯片、匹配折射率、設(shè)計(jì)合理的光學(xué),提高效率;改善芯片散熱,熱量的處理,增加功率,減少光衰;通過新的光學(xué)技術(shù)加強(qiáng)光控制:通過提高量子轉(zhuǎn)換效率、擴(kuò)大芯片、提高輸入電流、發(fā)展多芯片、改進(jìn)封裝和熱處理改善增加光通量。盡管LED進(jìn)一步推廣應(yīng)用中的問題和困難是客觀存在的,但是相信隨著科技的進(jìn)步,LED的光明前途一定會(huì)在21世紀(jì)展現(xiàn)。7高效的照明技術(shù)白色有機(jī)電致發(fā)光二極管(WhiteOrganicLight-emitt