21世纪绿色新光源：高频无极灯(图)
摘要： 迄今人类已经发明了许多种类的电光源来照亮黑夜、延伸白昼，使人类的生活变得更加多姿多彩，同时给社会财富的创造带来极大的贡献。
1.高频无极灯概述
迄今人类已经发明了许多种类的电光源来照亮黑夜、延伸白昼，使人类的生活变得更加多姿多彩，同时给社会财富的创造带来极大的贡献。这些光源有最早发明的爱迪生白炽灯及相继造福人类的卤钨灯、荧光灯、低压钠灯、高压汞灯、高压钠灯、高压氙灯、金卤灯、紧凑荧光灯等等，每一种新光源的出现，都是时代科技发展的产物。
就原理而言，白炽灯、卤钨灯属于热辐射光源，后者都是属于弧光放电灯，但无论热辐射或是弧光放电，他们无一例外地使用了灯丝或电极，而灯丝、电极的溅射效应正是限制光源寿命的必然组件。每种光源都有它独特之处，但在突出其优点的同时却避免不了自身的缺陷，不能在环保、节能等高照明品质方面同时兼顾。例如：白炽灯有高显色性、高功率因素、立即启动的优点，但光效低寿命短；气体放电灯光效高、寿命相对延长，但使用了不可回收的汞剂，造成环保方面的问题。各种气体放电灯大多数不能立即启动和再启动，存在功率因数低等缺点。此外，这些日常使用的光源在给人类带来光明的同时，也给人类带来不可忽视的公害：光污染，即眩光、紫外辐射和频闪效应等。这是一种隐形公害，以频闪效应危害最为普遍。电光源所产生的工频频闪直接影响人的眼睛和视觉神经系统，导致近视眼、慢性疲劳、偏头痛的发生，使工作、学习和生活受到不同程度的影响。为了降低此类公害，欧洲照明委员会（Europen Commission)专门发布90/270/EC指南，强调解决和降低荧光灯的频闪效应。有关文件规定电子镇流器的工作频率应大于40KHz。
人们一直在寻求一种高发光效率、高显色性、高发光稳定性、无频闪、长寿命并符合环保要求的新光源，来为我们的工作环境和生活环境制造更加舒适、愉悦的照明，更好地改善员工视觉条件，提高工作效率，并收到节约电能消耗、降低人工维护费用的目的。一种集合现代多种电光源的优点于一体的新光源高频无极灯由此应运而生。
高频无极灯英文名称为 “Electrodeless Dischargea Lamp ,它是基于荧光灯气体放电和高频电磁感应两个熟知原理相结合的一种新型光源，是21世纪 “绿色照明”领域的最新应用技术。由于灯泡内没有灯丝或电极，因此不存在限制光源寿命的必然组件，一般寿命可达数万小时以上。
高频无极灯以其高光效（系统光效≥631m/W）、高显色性（≥80）、长寿命（≥5万小时）、无频闪（工作频率2.65MHz）、真环保（不含液态汞）、可立即启动和再启动，不怕震动、可在任意方位上安装，少维护等优势，已成为“绿色照明”领域的一枝新秀。在电气设计上，它采用了有源功率因数补偿（APFC, η≥0.98）,在电源电压大范围变动（160V~265V）下恒压供电，输出稳定的光通量。输入端的净化电路和防辐射处理，使电磁干扰EMC完全符合国家检测标准。此外，由于灯泡的发光涂层为三基色粉，发光柔和，也使眩光大大降低。深圳市格林莱电子技术有限公司于1998年开展该项目的研究，2001年通过EMC检测，已经取得CE认证。
2．照明的基础知识
2.1光的本质
人们通常所说的光是指 “可见光”，它是由光源发出的辐射能中的一部分，并能产生视觉效应。从量子物理的观点，光具有二重性：粒子性和波动性。单个光子呈粒子性，密集光子的集合衍射便呈现出波动性。所以，光是一种电磁辐射能，即电磁波，光线的方向也就是波传播的方向。将各种电磁波按波长依次排列，就成为电磁波谱，如图1-1所示
在图1-1中的频谱分布可以看出，可见光在整个波谱中仅占极小的部分。
2.2可见光谱
人类视觉能感受到的电磁波可见部分的波长范围大约在380nm至780nm之间（1nm=10 -6mm），而不同波长的光给人的颜色感觉也不同。波长从 380nm向780nm递增时，光的颜色从紫色开始，按蓝、青、绿、黄、橙、红的顺序逐渐变化，两种颜色之间没有明显的分界。将全部可见光波混合在一起就形成日光，即白色光。
2.3紫外和红外辐射
太阳光和光源在发出可见光的同时，都会有紫外和红外辐射，只是眼睛视觉反应不出来而已。太阳光谱中，波长大于1400nm的光波被大层中的水蒸气和二氧化碳强烈吸收；波长小于290nm的光波被大气层中的臭氧所吸收。人类在进化过程中紫外光和红外光对眼睛不产生视觉反应。
2.4 光的基本度量单位
光 通 量—— 说明发光体发出的光线数量；
发光强度—— 发光体在某个方向上发出的光通量密度，它表明了光通量在空间的分布情况；
光 照 度——表示被照表面接受光通量密度，用来鉴定被照面的照明情况；
光 亮 度—— 表示发光体单位面积上的发光强度，它表明一个物体的明亮程度。
光通量、光强度、光照度和光亮度相互关系示意图：
3.照明电光源
将电能转换为光能,从而获得光通量的设备、器具则称为照明电光源。十九世界爱迪生发明了白炽灯，开始了电光照明的新纪元。
3.1电光源的分类
电光源按其发光原理主要可分为两大类：热辐射光源(即固体电光源)和气体放电光源。
3.2 电光源的特性
以下参数用来表征电光源的特性。
额定电压和额定电流:指电光源按预定要求工作所需要的电压和电流。偏离额定值工作会影响电光源的效能和寿命。
额定功率：指电光源工作在额定电压和额定电流时所消耗的有功功率。
额定光通量：指电光源在额定工作条件下发出的光通量，单位为流明（Lm）；
发光效率：指电光源每消耗1W电功率所发出的光通量，单位为Lm/W；消耗的电功率是从市电输入端测量的，称系统光效；
光衰：电光源在额定工作条件下，随着使用时间的延长，额定光通量和光效都会逐渐降低。衰减系数可用下式表示：
寿命：
全 寿 命——电光源直到完全不能使用为止的全部时间；
有效寿命——电光源的发光效率下降到初始值的70%时的使用时间；
平均寿命——指每批抽样调试品有效寿命的平均值。
色温：黑体被加热到不同温度时，人眼所看到黑体所呈现出的不同颜色，以此表达一个光源的光色，称为光源的色温。色温以绝对温标K为单位。
相关色温：荧光灯等电光源所发射的光的颜色与黑体在某一温度所发射的光的颜色最接近时，黑体的这个温度就称为该电光源的相关色温。
色温与感觉：
大于5000K为冷色； 3300～5000K为中间； 小于3300K为暖色。
显色性：指在光源照明下，与具有相同或相近色温的黑体或日光的照明相比，各种颜色在视觉上的失真程度。显色指数以Ra表示。
光源的色温与显色性之间没有必然的联系，具有不同光谱能量分布的光源可能有相同的色温，但显色性却可能差别很大。
对一种电光源特性优劣的评价必须全面、综合考虑，不能只突出单项指标，光效、寿命、显色性、色温、光衰等基本指标都要同时顾及。目前能全部兼顾上述各项指标要求的电光源只有高频无极灯。
3.3频闪效应与光污染
时下人们对光污染的讨伐呼声越来越大，而光污染的主要来源正是电光源的频闪效应。
3.3.1 频闪效应
普通电光源都利用工频交流电供电，工频频率为50Hz/60Hz,以荧光灯为例。荧光灯在用交流电源工作时，灯管两端电压的极性不断改变；当电流过零时的瞬间发出的光通量也为零。电光源光通量强弱的周期性变化，与供电频率（50Hz/60Hz）相同，简称为频闪。由于人眼的视觉暂留现象和荧光粉的余辉作用，人们感受不到这种强弱变化的波动。
定义：电光源的光通量Ф随交流电源电压相位周期性变化而变化，且使人眼产生视觉疲劳或视觉错误的现象称为频闪效应，通常用波动深度δ来度量：
频闪除引起人的疲劳、头昏眼花等不适外，在工场工作环境中，当被照物体处于转动状态，且转动速度刚好是频闪除引起人的疲劳、头昏眼花等不适外，在工场工作环境中，当被照物体处于转动状态，且转动速度刚好是电源频率的整数倍时，则转动物体（例为机床加工件）看上去好像没有转动一样。这种错觉容易造成事故的发生。
特别要指出的是近十多年来青少年近视眼的比例越来越高。这一令人担忧的趋势虽不能全部归罪于灯下做作业的光污染，但从统计规律看来，它的确与长期浸染在电光源下的频闪效应直接相关。在点蜡烛和煤油灯的时代，书生们近视的比例就远没有当今那么高。
高频无极灯完全消除了频闪这一光污染的危害，而且眩光也较低，已成为当今绿色照明领域中最优秀的新型电光源。
4.照明灯具（另有专述，不作详细介绍）
5.高频无极灯的基本原理、种类和特点
5.1 基本原理
高频无极灯是基于荧光灯气体放电和高频电磁感应两个人们所熟知的原理相结合的一种新型电光源。由于它没有常规电光源所必须的灯丝或电极，故名无极灯；通常低压气体放电高频无极灯所使用的工作频率为2.5～3.0MHz,也就是说，高频无极灯的工作频率比普通白炽灯和日常使用的电感式日光灯、金卤灯、高压钠灯等灯种的工作频率（50Hz）高出5万～6万倍，比普通节能灯或电子镇流器的工作频率（30～60KHz）高出约250倍。
5.1.2 高频无极灯的种类
高频无极灯主要有以下四种：
A.低压气体高频无极灯（将作重点讲述）：低压汞和稀有气体混合放电产生的紫外辐射撞击泡壁三基色粉转换成可见光。工作频率为2.2～3.0MHz；格林莱的GL灯即属此类，目前最大功率为165W，光效63～76Lm/W。
B.微波灯：由磁控管微波发生器通过微波谐振腔，激发有特定填充剂的石英球泡，石英泡内由10大气压（atm）的硫蒸气分子辐射产生白光，工作频率2450MHz，功率达1000W，光效120Lm/W
C.环形日光灯式电磁感应灯，工作频率250KHz。
D.HID高压气体无极放电灯，例如金属卤化物无极灯，工作频率13.56MHz，目前仍在研发阶段，未有产品上市。
5.1.3 高频无极灯的特点和技术优势
高频无极灯作为电光源的换代产品已被越来越多的人们所认可，也已经在许多领域得到应用。它的主要特点如下：
1) 寿命特长。一般的白炽灯、日光灯、节能灯、及其它气体放电灯都有灯丝或电极，而灯丝或电极的溅射效应恰恰是限制灯使用寿命的必然组件。高频无极灯没有电极，是靠电磁感应原理与荧光放电原理相结合而发光，所以它不存在限制寿命的必然组件。使用寿命仅决定于电子元器件的质量等级、电路设计和泡体的制造工艺，一般使用寿命可达5万～10万小时；
2)节能。与白炽灯相比，节能达75%左右，85W的高频无极灯的光通量与450W白炽灯光通量大致相当；
3)环保。它使用了固体汞齐，即使打破也不会对环境造成污染，有99%以上的可回收率，是真正的环保绿色光源；
4)无频闪。由于它的工作频率高，所以视为“完全没有频闪效应”，不会造成眼睛疲劳，保护眼睛健康；
5)显色性好。显色指数大于80，光色柔和，呈现被照物体的自然色泽；
6)色温可选。从2700OK～6500OK由客户根据需要选择，而且可制成彩色灯泡，用于园林装饰；
7)可见光比例高。在发出的光线中，可见光比例达80%以上，视觉效果好；
8)不需预热。可立即启动和再启动，多次开关不会有普通带电极放电灯中的光衰退现象；
9)电气性能优良。功率因数高，电流谐波低，恒电压供电，输出恒定的光通量；
10)安装可适应性。可在任意方位上安装，不受限制。
由于高频无极灯有上述独特的优点，它的综合性能是任何一种电光源所不能相比的，它几乎汇集了所有不同类型电光源的优点。而今后荧光灯不再必须做成长细型，它将被外型与白炽灯相似的无极灯所取代。
6.高频无极灯的工作原理和高频电子功率源
6.1工作原理
这里只介绍低压气体高频无极灯的工作原理，图（6-1）是其工作原理及主要组成部分。
由同一激励信号源发出的两个幅度相等，相位相反的高频信号驱动二只半桥功率场效应管V1、V2的栅极G1和G2，使V1、V2轮流导通，在V1、V2的中点输出占空比50%的方波脉冲，经功率耦合器传递给装于灯泡内的感应线圈，变成被放大了的高压高频正弦波。高频磁场通过泡壳内腔体的分布电容将能量感应至腔内，使汞齐原子受激发射紫外光子，紫外光子激发涂在玻壳内壁上三基色粉而发光。
6.2高频电子功率源（高频电子镇流器）
高频电子功率源的电路方块图为图（6-3）所示
图（6-3）中，Fu为保险丝，RV1、RV2、RV3为防雷压敏电阻。EMC净化电路是为传导干扰而设计，防止9KHz～30KHz电磁干扰从电源线串入及阻止机内电磁干扰从电源线泄漏出去。交流电经过EMI的双向“过滤”之后进入桥式整流，经电容C滤波进入有源功率因数补偿电路，在这里将电压变换提升至400V左右的稳定直流电，作为高频电子功率发生器的直流供电电源。高频电子功率发生器产生一个设定频率的高频功率源，设定频率此处为2.65MHz (可从2.50MHz～3.0MHz)。高频功率经过输出匹配电路，将高频电磁能量耦合至灯泡泡体的内腔，由于电磁感应原理使灯泡内壁的三基色粉原子受激发射而发光。
7.电磁干扰EMC的抑制
强烈的电磁干扰会对人体健康和安全，对邻近其它用电设备的工作，对无线电通信构成威协。EMC主要是指传导干扰和辐射干扰，传导干扰从电源接口进出，辐射干扰则主要从电路的耦合天线向周围空间传播。
各国对EMC标准都有规定，但指标大同小异。例如中国、欧州等地区低端的传导干扰抑制范围为9KHz至30MHz；而北美加拿大则为500KHz～30MHz。
高频无极灯常用的工作频率为：2.65MHz、250KHz、13.56MHz、2450MHz已在5.1.2节中介绍。低压气体高频无极灯通常使用 2.65MHz，因为该频率介于广抪波段中波（525～1602KHz）与短波（约2.2MHz～25MHz）之间的少有使用频段，国际电工委员会 CISPR15允许对磁场感应放宽标准的频率范围从2.2MHz～3.0MHz,此频率对电路技术的制造也较为有利。而13.56MHz的3次谐波、5次谐波和7次谐波辐射会分别不同程度地干扰电视接收机的2、5、7频道，而且制造成本稍高，较少采用。
7.1.传导干扰
图（7-1）是抑制传导干扰的输入净化电路。该电路采用二节滤波节，C1、C2、C3为X电容，C4、C5为Y电容。
由于6.2节的方块图（7-1）可知，净化电路所要抑制的频率主要是开关电源的工作频率约50KHz和主开关频率2.65MHz，以及这两个频率的高次谐波。L1、L2同为共态线圈，利用它们的漏感对常态干扰也产生抑制作用。适当配置C1、C2、C3、C4和C5的电容值和注意排版，可满足EMC传导干扰要求。
7.2.辐射干扰
当高频无极灯的泡体被启点时，泡体内的等离子体已将大部分电磁波吸收转化为光和热，等离子体对电磁辐射起到“屏蔽”作用，泄漏出来的电磁波强度已经很弱。同时，由于耦合器采取双线并绕，一头悬空的方法，使横向电场强度被抵消，在三度空间的辐射干扰降至允许范围之内。
8.散热问题
有关文献提到高频无极灯虽然很节能，但其光能仅占总能耗的18～20%，而发热占总能耗的 48%，这样的比例已经比白炽灯优良5～6倍。泡体导热是散热的最关键部分，图（8-1）是泡体导热示意图。泡体内腔的耦合器工作时由于铜耗和磁芯的功率损耗（磁滞损耗和涡流损耗）会产生热，泡体发光时产生的红外热量也会有一部分传至内腔，使内腔体温度升高，如果任其上升，当温度超过磁性材料的居里温度时，磁性材料的磁导率就会发生急剧变化，导致工作回路失谐，电磁激励能量降低，不足以继续维持等离子体的稳定工作，灯熄灭。见图（8-1）
通常的导热方式是在腔体中穿过磁筒插入一根紫铜棒，铜棒的下端紧密联接灯头的金属铝，金属铝与灯具直接联接，将热导给灯具外壳。
务必尽量利用灯具外壳散热，切不可将热导至灯具内形成热封闭系统。因为热量传给密封灯具内的空气，被加热的空气没有流动，当达到等温时，腔内热量就很难再传出，这时的温度梯度 很小，因而加速了泡体腔内的温升。
电路盒的底面要离开灯泡散热面一定的距离（参见高频无极灯的安装、使用第一章）。电路盒温度略超过规定值尚能工作，但会缩短工作寿命。当温升达到平衡时，电路工作于安全状态。当然温升与环境温度和传热速度密切相关。
传导与接触面积有关，二块金属片若接触面太粗糙，就不可能全面接触，这样会降低实际的接触面积。在金属表面涂散热油膏有扩大接触面、加强散热效果的意义。
9.长寿命的条件
高频无极灯的寿命达5万～10万小时，是有条件的：
首先是电路原理必须是安全的，可靠的，原理上的故障隐患概率应降至最低；
采用的元器件必须符合设计要求，特别是关键元器件的温度特性和耐压特性更应重视；
电路与泡体应工作在额定功率范围之内；
电路盒和泡体必须有良好散热；
工作环境温度和湿度在规定的范围之内；
灯泡的制造工艺和光衰特性符合长寿要求；
精良的电路设计应使盒内温度低于650C以下，（环境温度T=250C）
格林莱高频无极灯时间最长的一盏已点三年多（连续工作），试销产品点了1～2年，但作为一种新产品，还有待时间的进一步考验。
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