楊 顯, 楊步君

(1.煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司,山西 太原 030012； 2.山形國(guó)立大學(xué)，日本 山形縣 )

自1879年愛(ài)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(duì)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(jìn)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)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(guó)把節(jié)約資源與保護(hù)環(huán)境作為基本國(guó)策，節(jié)約與開(kāi)發(fā)并舉、節(jié)約優(yōu)先的戰(zhàn)略，節(jié)能是國(guó)家戰(zhàn)略要求和政策導(dǎo)向。微波等離子光源是既接近太陽(yáng)光譜又節(jié)能的新型光源，具有無(wú)頻閃、低光衰、無(wú)眩光、無(wú)藍(lán)光、光線自然柔和高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，是十分理想的人造光源。隨著技術(shù)進(jìn)步，高效微波等離子光源將會(huì)成為21世紀(jì)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(kāi)關(guān)電源、射頻驅(qū)動(dòng)器、諧振腔和無(wú)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(wú)電極高純度石英玻璃燈泡放置在一個(gè)諧振腔體的表面，微波源通過(guò)同軸電纜連接諧振腔組成射頻回路。在發(fā)生諧振時(shí)，由微波源產(chǎn)生的微波電場(chǎng)直接對(duì)燈泡進(jìn)行微波驅(qū)動(dòng)，燈泡內(nèi)氣體電離發(fā)出的熱量同時(shí)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(guò)等離子體的成分構(gòu)成來(lái)調(diào)整[2]。

1.2.1 微波驅(qū)動(dòng)器

針對(duì)270W高效微波等離子光源,微波驅(qū)動(dòng)器根據(jù)負(fù)載變化能自動(dòng)地輸出0～200W的微波功率，通過(guò)PLL調(diào)節(jié)VCO獲得最佳諧振頻率點(diǎn)，使整個(gè)燈的工作點(diǎn)達(dá)到最佳狀態(tài)。微波驅(qū)動(dòng)核心部件是微波放大器LDMOS晶體管，通過(guò)數(shù)據(jù)采集和控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jí)功放鏈路以及入射反射反饋回路和中心控制器組成，通過(guò)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(dòng)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(guò)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(guò)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(shè)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(dǎo)熱、諧振腔自身散熱。

1.2.3 無(wú)極燈泡

內(nèi)裝氬氣和金屬鹵化無(wú)極燈泡，通過(guò)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(shí)需要良好的散熱結(jié)構(gòu)，保證泡殼外壁不超過(guò)900℃，故石英泡殼要選取高透光率的石英材料。石英燈泡特點(diǎn)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(lì)啟動(dòng)的，剛開(kāi)始燈泡處于沒(méi)有等離子的狀態(tài)，對(duì)微波源來(lái)說(shuō)是個(gè)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(guò)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(kāi)始逐步升高，金屬鹵化物開(kāi)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(huì)變得更加強(qiáng)烈，其發(fā)光方式如圖3所示。

圖3 無(wú)電極燈泡激發(fā)過(guò)程示意圖

1.3 高效微波等離子光源實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

1.3.1 電參數(shù)測(cè)試

使用單相電源對(duì)燈具電參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，在AC220V/50Hz電源正常點(diǎn)亮后的功率為280W，功率因數(shù)為0.985。

1.3.2 光電參數(shù)測(cè)試

使用積分球及光電綜合測(cè)試系統(tǒng)對(duì)等離子照明燈具的光學(xué)性能進(jìn)行測(cè)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(biāo)準(zhǔn)評(píng)判，光效指標(biāo)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(biāo)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(shì)，但使用效果優(yōu)于其他光源，因此需進(jìn)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(diǎn)

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(guò)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(dāng)大的電能浪費(fèi)。LED作為一種新型光源，具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)備受推崇，但LED燈因高功率技術(shù)門檻高、散熱要求嚴(yán)格等問(wèn)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(diǎn)，在節(jié)能效果上比HID光源高50%以上的優(yōu)勢(shì)，作為一種高效光源的補(bǔ)充，將在特定領(lǐng)域展現(xiàn)其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2.1 光譜對(duì)比

圖4 光譜特性對(duì)比

2.2 光源評(píng)價(jià)

2.3 光源對(duì)比

參數(shù)對(duì)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(jué)光效(L/W)80～13070～110100～150100～150S/P0.621.492.002.40中間視覺(jué)光效(L/W)55～8590～120140～240180～270整燈中間視覺(jué)光效(L/W)36～5660～80120～200160～240能耗高較高低低視覺(jué)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(yīng)范圍要求不高的場(chǎng)合高功率照明低功率照明高功率照明

通過(guò)上述光源數(shù)據(jù)對(duì)比，固態(tài)微波源驅(qū)動(dòng)的等離子燈具有諸多優(yōu)點(diǎn)，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(biāo)突出，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，微波等離子燈將逐步體現(xiàn)其潛在的價(jià)值[4]。

圖5 光源評(píng)價(jià)對(duì)比

3 微波等離子光源應(yīng)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(lì)源與無(wú)極燈技術(shù)，在傳統(tǒng)高壓氣體發(fā)光燈的基礎(chǔ)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(diǎn)，比傳統(tǒng)氣體放電燈有更好的光譜特性和性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)采用了固態(tài)半導(dǎo)體技術(shù)使光源具有長(zhǎng)壽命和智能化的特點(diǎn)，已成為傳統(tǒng)金鹵燈和高壓鈉燈的替代品，未來(lái)可廣泛應(yīng)用在室內(nèi)室外等場(chǎng)所，具有廣闊的應(yīng)用前景。

高效等離子光源的出現(xiàn)是對(duì)人類照明環(huán)境的提升。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的普及和低價(jià)大功率LDMOS管的應(yīng)用，依靠半導(dǎo)體技術(shù)與等離子體相結(jié)合的性價(jià)比更好的光源成為了現(xiàn)實(shí)，這種光源與LED光源在應(yīng)用領(lǐng)域上形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、高低搭配。其可廣泛應(yīng)用于體育場(chǎng)館、道路、機(jī)場(chǎng)、碼頭、車站、廣場(chǎng)、工礦企業(yè)等領(lǐng)域，以及對(duì)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(yǔ)

從Fusion公司開(kāi)發(fā)的第一代磁控管微波等離子光源開(kāi)始，微波等離子光源已發(fā)展到第二代固態(tài)微波激勵(lì)源技術(shù)的等離子光源。由中科微波與山焦共同開(kāi)發(fā)具有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高效微波等離子光源，經(jīng)過(guò)了2000多盞工業(yè)化生產(chǎn)，在紅燈籠體育場(chǎng)田徑訓(xùn)練館、乒乓球訓(xùn)練館、合肥物質(zhì)研究院科學(xué)島的應(yīng)用效果極好，完全具備了工業(yè)化生產(chǎn)基礎(chǔ)。但現(xiàn)只有270W單一品種且價(jià)格較高，下一步需開(kāi)發(fā)小功率及大功率產(chǎn)品，通過(guò)工業(yè)化量產(chǎn)降低價(jià)格，讓微波等離子光源形成一個(gè)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(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。