楊 顯, 楊步君

(1.煤炭工業(yè)太原設計研究院集團有限公司,山西 太原 030012； 2.山形國立大學，日本 山形縣 )

自1879年愛迪生發(fā)明了白熾燈，到1932年發(fā)明的低壓鈉燈、1934年發(fā)明的熒光燈、1962年發(fā)明的金鹵燈及高壓鈉燈、1973年發(fā)明的三基色熒光燈、1996年發(fā)明的白色LED燈[1]，照明技術(shù)得到了飛速發(fā)展。隨著人們對發(fā)光材料研究的不斷深入，超高亮度光源取得了突破性進展，應用領(lǐng)域不斷擴大。在全球能源短缺的背景下，高效、節(jié)能及環(huán)保型的光源備受全球矚目，我國把節(jié)約資源與保護環(huán)境作為基本國策，節(jié)約與開發(fā)并舉、節(jié)約優(yōu)先的戰(zhàn)略，節(jié)能是國家戰(zhàn)略要求和政策導向。微波等離子光源是既接近太陽光譜又節(jié)能的新型光源，具有無頻閃、低光衰、無眩光、無藍光、光線自然柔和高效節(jié)能等優(yōu)點，是十分理想的人造光源。隨著技術(shù)進步，高效微波等離子光源將會成為21世紀最有前景的第4代照明光源。

1 高效微波等離子光源組成及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 高效微波等離子光源的組成

高效微波等離子光源由開關(guān)電源、射頻驅(qū)動器、諧振腔和無電極燈泡組成，如圖1所示。

圖1 高效微波等離子光源基本構(gòu)造圖

1.2 高效微波等離子光源原理

采用含有氬氣和金屬鹵化混合物的小型無電極高純度石英玻璃燈泡放置在一個諧振腔體的表面，微波源通過同軸電纜連接諧振腔組成射頻回路。在發(fā)生諧振時，由微波源產(chǎn)生的微波電場直接對燈泡進行微波驅(qū)動，燈泡內(nèi)氣體電離發(fā)出的熱量同時使填充材料升溫和蒸發(fā)，形成等離子態(tài)氣體混合物電離并發(fā)光，形成高亮的等離子體源發(fā)光，其顏色可通過等離子體的成分構(gòu)成來調(diào)整[2]。

1.2.1 微波驅(qū)動器

針對270W高效微波等離子光源,微波驅(qū)動器根據(jù)負載變化能自動地輸出0～200W的微波功率，通過PLL調(diào)節(jié)VCO獲得最佳諧振頻率點，使整個燈的工作點達到最佳狀態(tài)。微波驅(qū)動核心部件是微波放大器LDMOS晶體管，通過數(shù)據(jù)采集和控制，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)燈的亮度以及工作狀態(tài)。

固態(tài)微波源基本電路由壓控振蕩器VCO、可控衰減器、3級功放鏈路以及入射反射反饋回路和中心控制器組成，通過N型接頭同軸電纜輸出最大功率為220W。工作頻率440±15MHz；輸入功率280W；輸出功率200W；供電電壓28V(DC)；自然冷卻、增益大于53dB。

圖2 高效微波等離子光源微波驅(qū)動器基本原理框圖

1.2.2 諧振腔

在諧振腔表面小槽放置燈泡構(gòu)成燈泡能量的腔體。諧振腔外部為鋁殼，其功能為夾緊介質(zhì)陶瓷、屏蔽腔內(nèi)電磁波、燈泡散熱。

諧振腔體把微波能量通過諧振器耦合到燈泡上，耦合腔體要滿足低損耗、高Q值要求。通過諧振腔體內(nèi)電極距離的調(diào)整改變等效電容和等效電感值設定諧振頻率。諧振腔具有功率輸入端和耦合輸出端，輸入端直接與微波源相接，輸出端與燈泡連接。諧振腔體功能為諧振選頻、燈泡導熱、諧振腔自身散熱。

1.2.3 無極燈泡

內(nèi)裝氬氣和金屬鹵化無極燈泡，通過微波加熱激發(fā)在6000K左右，考慮到溫度和壓力原因，石英泡殼的壁厚取1.5-2.5mm；同時需要良好的散熱結(jié)構(gòu)，保證泡殼外壁不超過900℃，故石英泡殼要選取高透光率的石英材料。石英燈泡特點可承受內(nèi)部壓力為50Bar、內(nèi)部溫度為6000K、全光譜、高亮度配方。

等離子照明是依靠微波激勵啟動的，剛開始燈泡處于沒有等離子的狀態(tài)，對微波源來說是個空載狀態(tài)，施加比較小的微波功率使內(nèi)部的氬氣形成輝光放電，通過調(diào)節(jié)頻率使得藕合最佳、反射最小，讓更多的微波功率能被輝光等離子體吸收，泡殼內(nèi)溫度隨著能量的不斷輸入也開始逐步升高，金屬鹵化物開始變成等離子體態(tài)，處于激發(fā)狀態(tài)，再輸入更大功率的微波，發(fā)光會變得更加強烈，其發(fā)光方式如圖3所示。

圖3 無電極燈泡激發(fā)過程示意圖

1.3 高效微波等離子光源實測數(shù)據(jù)

1.3.1 電參數(shù)測試

使用單相電源對燈具電參數(shù)進行測試，在AC220V/50Hz電源正常點亮后的功率為280W，功率因數(shù)為0.985。

1.3.2 光電參數(shù)測試

使用積分球及光電綜合測試系統(tǒng)對等離子照明燈具的光學性能進行測試，光源光通量為10259lm，顯色指數(shù)為96.5，光效為10259÷280=36.64 lm/W。

以現(xiàn)在的光效標準評判，光效指標不理想(高壓鈉燈100-120 lm/W、低壓鈉燈100-200 lm/W、金鹵燈60-100 lm/W、LED燈80-130 lm/W)。單純以光效指標和其他種類光源如鈉燈、金鹵燈比較，等離子光源則不占優(yōu)勢，但使用效果優(yōu)于其他光源，因此需進一步深入研究等離子體發(fā)光特性及微波與等離子體的相互作用[3]。

2 光源發(fā)展及其優(yōu)缺點

光源發(fā)展經(jīng)歷了白熾燈、熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈、金鹵燈、LED燈和等離子燈發(fā)展過程，但常用的白熾燈、熒光燈、高壓汞鈉燈和金鹵燈的光轉(zhuǎn)換效率低，造成了相當大的電能浪費。LED作為一種新型光源，具有體積小、功耗低、壽命長等特點備受推崇，但LED燈因高功率技術(shù)門檻高、散熱要求嚴格等問題制約了其在高功率照明領(lǐng)域的發(fā)展。微波等離子光源具有全光譜、顯色指數(shù)高、功耗低等優(yōu)點，在節(jié)能效果上比HID光源高50%以上的優(yōu)勢，作為一種高效光源的補充，將在特定領(lǐng)域展現(xiàn)其獨特的優(yōu)勢。

2.1 光譜對比

圖4 光譜特性對比

2.2 光源評價

2.3 光源對比

參數(shù)對比高壓鈉燈金鹵燈LED燈微波等離子燈顯色指數(shù)25～3070～8560～8570～95色溫(K)20003000～40003000～80004000～6000光衰(h)30%@10,00030%@20,00030%@30,00030%@50,000壽命(h)60001000050000>50000明視覺光效(L/W)80～13070～110100～150100～150S/P0.621.492.002.40中間視覺光效(L/W)55～8590～120140～240180～270整燈中間視覺光效(L/W)36～5660～80120～200160～240能耗高較高低低視覺亮度亮度低/穿透力弱亮度高/穿透力好亮度高/穿透力較弱亮度高/穿透力好顯色效果差極佳較好極佳成本較低較低中等中高適應范圍要求不高的場合高功率照明低功率照明高功率照明

通過上述光源數(shù)據(jù)對比，固態(tài)微波源驅(qū)動的等離子燈具有諸多優(yōu)點，如發(fā)光體體積小、光色好、顯色指數(shù)高、全光譜、光衰和壽命指標突出，隨著技術(shù)的不斷進步，微波等離子燈將逐步體現(xiàn)其潛在的價值[4]。

圖5 光源評價對比

3 微波等離子光源應用前景

微波等離子光源是固態(tài)微波技術(shù)與等離子體相結(jié)合的產(chǎn)物，利用高效固態(tài)微波激勵源與無極燈技術(shù)，在傳統(tǒng)高壓氣體發(fā)光燈的基礎上采用全新金屬鹵化物配方泡殼結(jié)構(gòu)，具有更高顯色指數(shù)和高效節(jié)能的特點，比傳統(tǒng)氣體放電燈有更好的光譜特性和性能優(yōu)勢，同時采用了固態(tài)半導體技術(shù)使光源具有長壽命和智能化的特點，已成為傳統(tǒng)金鹵燈和高壓鈉燈的替代品，未來可廣泛應用在室內(nèi)室外等場所，具有廣闊的應用前景。

高效等離子光源的出現(xiàn)是對人類照明環(huán)境的提升。隨著半導體技術(shù)的普及和低價大功率LDMOS管的應用，依靠半導體技術(shù)與等離子體相結(jié)合的性價比更好的光源成為了現(xiàn)實，這種光源與LED光源在應用領(lǐng)域上形成優(yōu)勢互補、高低搭配。其可廣泛應用于體育場館、道路、機場、碼頭、車站、廣場、工礦企業(yè)等領(lǐng)域，以及對光源有光合作用特殊要求的如農(nóng)業(yè)育苗、大棚蔬菜、花卉種植等領(lǐng)域。

4 結(jié)語

從Fusion公司開發(fā)的第一代磁控管微波等離子光源開始，微波等離子光源已發(fā)展到第二代固態(tài)微波激勵源技術(shù)的等離子光源。由中科微波與山焦共同開發(fā)具有完全知識產(chǎn)權(quán)的高效微波等離子光源，經(jīng)過了2000多盞工業(yè)化生產(chǎn)，在紅燈籠體育場田徑訓練館、乒乓球訓練館、合肥物質(zhì)研究院科學島的應用效果極好，完全具備了工業(yè)化生產(chǎn)基礎。但現(xiàn)只有270W單一品種且價格較高，下一步需開發(fā)小功率及大功率產(chǎn)品，通過工業(yè)化量產(chǎn)降低價格，讓微波等離子光源形成一個品種全、規(guī)格多的全光譜光源家族，為高效微波等離子光源的普及應用奠定堅實的基礎。