电光源基础知识HID课件.ppt

1、高压气体放电灯HIDHQL/HWL 汞灯汞灯HQI 金金卤卤灯灯 NAV 钠灯钠灯 发发光光原理原理 汞原子汞原子+荧光荧光 金属原子金属原子 钠原子钠原子 镇流器镇流器 镇流器镇流器/-/-镇流器镇流器+(+(触发触发器器)镇流器镇流器+触发触发器器欧司朗 HQI 灯应用示例(欧标灯）HQI-E 400/N,3800kP45,Ra60-69,40000lmHQI-T 2000/D,6000KP60，Ra90-100,180000lmBringing Colours Back to Life-White Light for HPS-Fittings钠灯的应用POWERSTAR HQI-RUV-

2、STOPVIALOX NAVHQL DE LUXE欧司朗 HID 灯应用示例欧司朗 HID 灯应用示例欧司朗 HID 灯应用示例高压水银荧光灯放电管基本结构钼杆钼片：用作电流通路，材料为钼钼杆钼片：用作电流通路，材料为钼腔体：用作放电腔体，材料为石英，腔体内的气体被抽尽，并腔体：用作放电腔体，材料为石英，腔体内的气体被抽尽，并填入适量的汞和氩气。填入适量的汞和氩气。辅助极：帮助灯的启动，材料为钼辅助极：帮助灯的启动，材料为钼电极：用于发射电子，材料为钨，上面涂覆有电子粉（材料主要电极：用于发射电子，材料为钨，上面涂覆有电子粉（材料主要为钨酸钡）为钨酸钡）一 组成电弧管的几个部分 1.电弧管的外

3、壳电弧管的外壳 石英管石英管 弧管壳是用熔融石英制造的，能在900oC的高温下正常工作，实际电弧管的工作温度在600750度之间，取决于灯的额定功率和工作位置。由于普通玻璃不适合制造体积小，功率大的光源，因此不得不采用透明的硅石作为泡壳材料，这种材料基本上是纯的二氧化硅，仅含有百万分之几的极少量的其他金属和烃基（-OH基团）杂质，在灯泡工业中俗称“石英玻璃石英玻璃”，虽然它是玻璃状的，但它不是晶体。石英玻璃的一个显著优点是具有高的透明度和好的抗热冲击性能，工作温度高（达到900oC），光学透过特性好，不像普通玻璃只能透过少量的少于300nm波长范围的辐射。纯的石英玻璃的有效透射范围从160nm

4、紫外线到4000nm的红外线。而且石英玻璃的紫外透过能力与其材料中的杂质有关，通过掺杂可以获得很多有用的透过或截止特性。石英玻璃的最高温度受到玻璃态的不稳定性的限制，这就是它会转变为更加稳定的硅的结晶形态，这个过程叫失透。在高于1050oC的情况下，处于纯净条件下的石英玻璃就会慢慢的发生这种不可逆变化，表现为失去透明度的效果。然而，表面和内部的极少量杂质，尤其是碱金属，包括手指印，残留水等都会加快失透的速度。2.弧管的封接材料 钼片 由于熔融石英工作在高温下，且膨胀系数很小，没有一种金属的热膨胀系数能与之匹配。因此不能像玻璃与金属那样进行直接的匹配封接。克服这个困难，只有使用有刀口的极薄的钼箔

5、（厚度为0.025mm）来封接,把它压封在石英材料内。这种形式的钼箔有足够的延展性，在受到张应力时只会发生变形而不会断裂。用电焊的办法把钼箔和引线，电极焊接在一起，然后放入石英管的一端，并将管加热到2000oC后在放置钼箔处压扁，以完成密封。在加工时还要通以惰性气体，以保护金属部件免遭氧化。高压汞灯的流明维持性能，启动性能和寿命在一定程度上都取决于主电极和它们所携带的发射体的质量。电极是用钨做成的中心杆，带有一个缠绕钨丝螺圈的尖端钨电极头。电极端的温度在工作时可达1500oC1900oC，外绕组的温度为1000oC1400oC。电极通常要进行涂粉。电极粉几乎注满螺旋的空隙。若表面上沾有过分多的

6、发射材料（电极粉）则必须擦去，因为它会很快地蒸发到泡壳上而发黑。电极上蘸有的电极粉的量必须和灯的寿命匹配相当，其重量一般约为几毫克。如果分量太少，则由于电极发射性能的衰减而引起电极过热，促成钨的蒸发，从而使灯的流明维持性能变坏。3.主电极和发射材料 1909年由柯立奇（Coolidge）和泊兹（Pacz）开发了钨丝的制造工艺以后，钨便一直作为白炽灯丝的材料。钨相对于其他可能的灯丝材料具有三个主要优点。第一，高熔点3410oC。使其较其他金属有更高的工作温度，在所有条件 都相同的情况下，越高的工作温度意味着有越高的流明效率。第二，在所有导电材料材料中其蒸汽压是最低的；在这个基础上，可获得非常高的

7、灯丝温度和最小的蒸发（泡壳黑化）。第三，钨是选择性光谱发射体；它在可见光谱的发射率高于在红外区域的发射率。*你知道为什么钨一直是重要的电光源材料吗你知道为什么钨一直是重要的电光源材料吗？*4.辅助电极 辅助电极相当简单，是一段紧靠主电极的钼丝（也可以是钨丝），辅助电极通过一个1020k欧姆的电阻和另一个主电极连接；这样的启动电极能使高压汞灯在220或240V的电网电压作用下顺利的启动。二二 外泡壳外泡壳 外泡壳一般是椭球状的，其内壁涂敷荧光粉。高瓦数的一般用硬料玻璃，小瓦数的多用软料玻璃。在内管装架封接之后，外泡壳先抽成真空，然后充入氮气或氩氮混合气，以防止部件的氧化和支架之间的跳电。为了使电

8、弧管能在所需要的温度下工作，填充气体的气压十分重要。泡壳内壁的荧光粉是在封接之前涂好，涂敷的方法是静电涂粉。*灯用气体灯用气体*由于灯的工作温度很高，所以灯内某些重要组件对少量会产生氧化和掺碳的气体的存在十分敏感。这类气体是氧，一氧化碳，二氧化碳，碳氢化合物和水蒸气。这些气体是相当普遍的沾污剂，可通过抽真空除气处理尽可能地减少它们的危害。一般这些有害的杂质气体只允许占总的填充气体量的百万分之几（ppm）。灯工作时，在达到的高温条件下，很多灯用材料的化学活性会大大地增强。为了避免灯结构的材料的严重损坏，必须严格控制氧化和腐蚀现象。这种控制的方法是使灯内的工作环境有惰性气体或非活性气体组成。蒸发和

9、溅射等物理过程常常会缩短灯丝,电极等重要组件的寿命。当充以惰性气体且气体的密度又较大时，这种现象危害的程度会大大减弱。在气体放电灯中，所用的气体是氩，氪，氙。它们的作用是帮助放电启动和在主放电区承担缓冲气体的角色。因为潘宁效应的混合气体能帮助气体放电的启动，因此气体方电光源显得尤其重要。氩和少量低气压的汞蒸气，就是典型的潘宁气体。当气体放电时，首先激发气体的原子到亚稳态，这类激发到亚稳态的原子有相对较长的寿命，一旦它们与混合气体中掺杂的少量气体原子相碰撞时，其所具有的亚稳态能量就足以将这些原子激发到电离态，从而完成电离过程。高压汞灯高压汞灯 将放电管中的汞蒸汽压升高到几个大气压，放电温度为数千

10、K，放电光谱由线状光谱变为连续光谱，主要辐射区域也由紫外辐射变为可见光。灯的辐射主要在蓝绿区域，缺少红光，色温高，显色性较差。第四部分高压汞灯的技术指标第四部分高压汞灯的技术指标型号光效（100h）Lm/W显色指数Ra相关色温K透明泡壳52166000涂荧光粉泡壳54483800钨丝镇流20523600 高压汞灯的损坏一般是由于电极发射材料耗尽，使电弧不能触发。至于钨丝镇流型灯，几乎总由于灯丝烧毁而损坏。个别的高压汞灯甚至可以点燃几万小时，但在它点燃2000 h之后，灯的流明维持率对涂荧光粉的高压汞灯来说是80%，对钨丝镇流型高压汞灯来说是75%。因为光输出逐渐衰退的原因，大约在高压汞灯点燃8

11、00010000h后，即使灯仍可以点燃，也应更换新灯。00*寿命寿命*n第五部分高压汞灯的光电性能第五部分高压汞灯的光电性能辅助电极(12mm)R3040k Vac 当电源开关接通时，主电极之间就施加了电源电压，但由于极距太大而不能击穿放电。然而同样的电压也加在间隙相对小的辅助电极和邻近的主电极之间，则会产生局部放电，其电流值受串联电阻的限制。这时管内选择填充低压氩气是十分重要的，因为它和汞一起能形成潘宁混合气体而有利于启动。随着局部辉光放电的逐渐扩大，最后可导致主电极之间的击穿放电。因为温度对汞蒸气的影响要比氩气气压的影响大，所以室温的变化会对启动过程过程产生影响。室温的变化会对启动过程过程

12、产生影响室温的变化会对启动过程过程产生影响高压水银荧光灯的工作原理高压水银荧光灯的工作原理在放电管内充入适量汞和惰性气体，在电在放电管内充入适量汞和惰性气体，在电场作用下，汞发生激发和电离，并发出大场作用下，汞发生激发和电离，并发出大量可见光和量可见光和360nm360nm等波长的紫外线，对等波长的紫外线，对400W400W灯，光效高达灯，光效高达4050lm/W4050lm/W。但是它辐射光谱。但是它辐射光谱缺少红色成分。为了克服这个缺点，在外缺少红色成分。为了克服这个缺点，在外泡壳内壁涂上荧光粉将紫外辐射转换为红泡壳内壁涂上荧光粉将紫外辐射转换为红色可见光，光效可提高色可见光，光效可提高5

13、 5左右。由于放电左右。由于放电管内的汞蒸气压较高（约为管内的汞蒸气压较高（约为5 5个），又涂有个），又涂有荧光粉，因此，称之为高压水银荧光灯。荧光粉，因此，称之为高压水银荧光灯。可见光紫外紫外线线红色红色光光High Pressure Sodium LampsNAV高压钠灯高压钠灯NAV-ENAV-T钠钠灯灯系列系列钠钠灯灯结构结构高压钠灯简介高压钠灯简介 高压钠灯：由充金属钠和启动气体的透明氧化铝陶瓷管高压钠灯：由充金属钠和启动气体的透明氧化铝陶瓷管（PCA）制成的电弧管封入玻壳内，外玻壳内抽真空，）制成的电弧管封入玻壳内，外玻壳内抽真空，以保护电弧管部件不受氧化并提供良好的绝热性能。以

14、保护电弧管部件不受氧化并提供良好的绝热性能。1966年，高压钠灯正式投入市场。年，高压钠灯正式投入市场。高压钠灯放电管的基本结构高压钠灯放电管的基本结构铌帽或铌管：用于抽除陶瓷管内的气体和填充惰性气体（如氩、氪、氙等）和钠汞齐，并和陶瓷管形成气密封接陶瓷管：在内填充所需物质，用作放电腔体，因钠与玻璃发生化学反应，所以不选用石英玻璃电极头：在电极头上涂以电子粉（锆酸钡），用作电极，以发射电子，电极头用金属钨制成。高压钠灯关键工艺选介高压钠灯关键工艺选介真空封接真空封接陶瓷和玻璃不同，当它被加热到足够高的温度时，很快就从固体融化成液体，在固态和液态之间没有一个胶粘状态。因此，陶瓷不能象玻璃那样可以

15、在火焰上加工。为实现陶瓷管和铌帽或铌管间的气密封接，可使用焊料玻璃实现。玻璃焊料应有足够高的熔点保证灯工作时封接处不致破坏，也不应与钠起化学反应。在金属和陶瓷封接的过程中，必须严格控制加热的速度和最高温度，另外，封接时还应注意使陶瓷的晶体结构维持不变，否则，晶体破坏之后，放电时陶瓷很容易被钠腐蚀，机械强度变也变得很差，可能产生破裂。封接结构和机理封接结构和机理2.封接机理资料来源：XX当封接处的焊料玻璃被加热到超过熔点后，流入封接界面空隙中，与陶瓷管发生化学反应，溶入陶瓷管，同时Al2O3也会溶入焊料玻璃，形成厚度约1020m的中间层，造成膨胀系数渐变，使封接强度提高。另外，铌在封接温度下被氧

16、化，形成黏附性强的低价氧化铌，并溶于焊料玻璃中，同样形成中间层，减少了铌与焊料玻璃间的应力。这就是玻璃焊料的封接机理OSRAM高压钠灯NAV结构特性与与众不同的设计众不同的设计l新新抗钠陶瓷材料使得内管寿抗钠陶瓷材料使得内管寿命更长命更长l专利专利的减震器结构的减震器结构l整体密封式铌管引出电极整体密封式铌管引出电极l激光焊接使得电极和铌管的激光焊接使得电极和铌管的连接永久而精确连接永久而精确 高可靠性源于高可靠性源于:与与众不同的设计众不同的设计l新新抗钠陶瓷材料使得内管寿抗钠陶瓷材料使得内管寿命更长命更长l专利专利的减震器结构的减震器结构l整体密封式铌管引出电极整体密封式铌管引出电极l激光

17、焊接使得电极和铌管的激光焊接使得电极和铌管的连接永久而精确连接永久而精确 高可靠性源于高可靠性源于:欧欧司朗高压钠灯司朗高压钠灯NAV整体密封式铌管引出电极整体密封式铌管引出电极钛钛粉焊接粉焊接过去过去 现在现在密封式铌管密封式铌管激光激光焊接焊接电极电极电极电极OSRAM高压钠灯性能参数高压钠灯性能参数 光效：125Lm/W（400W Type）寿命（B50）：24000 H 显色指数：20 功率：70W-1000W钠灯工作原理钠灯工作原理 高压钠灯通电后，在内管产生弧光放电，钠原子受激发高压钠灯通电后，在内管产生弧光放电，钠原子受激发而产生发光。汞和氙在高压钠灯中都起着相当重要的作而产生发

18、光。汞和氙在高压钠灯中都起着相当重要的作用，但两者在可见光谱中都不贡献任何显著谱线，原因用，但两者在可见光谱中都不贡献任何显著谱线，原因是这两种原素的激发电位都比钠高。高压钠灯中，约有是这两种原素的激发电位都比钠高。高压钠灯中，约有40%40%的总辐射能量在增宽的的总辐射能量在增宽的D D（589nm&589.6nm)589nm&589.6nm)线区域，线区域，约有约有50%50%的总辐射量在可见区域。的总辐射量在可见区域。钠灯光谱钠灯光谱工作原理工作原理 汞蒸气的存在，能起到缓冲气体的作用，提高灯的光效。减少了由于热传导以及电子和离子单纯向外扩散这两个原因造成的功率损耗，提高了电弧中心温度，

19、使辐射的功率增加。增加了管压降，有效的减短电弧长度，增加单位体积的功率，也增加了电弧温度和辐射功率。工作原理工作原理 氙气在钠灯中主要起启动气体的作用。Retrofit 型中用Ne-Ar气体代替氙气，因为Ne-Ar的潘宁效应，灯更容易起动。但因氙气的热导小，所以能使灯有最高的光效。高压钠灯钠、汞并没有全部气化，因为维持灯内最佳的钠蒸气压所需的钠量很少（仅20-100ug），而钠会与灯的材料（如陶瓷管、电子发射材料等）逐渐反应损失掉。钠和汞的饱和蒸气压是由钠汞齐的组成和灯的冷端温度所决定。工艺简介工艺简介1.电弧管组装电极装配激光点焊上一焊料环、电极到陶瓷管高频加热熔封注钠汞齐上另一电极、焊料环

20、到陶瓷管排气、充氙气高频加热熔封冷封排气铌管工艺简介工艺简介盲端铌管盲端铌管焊点位置焊点位置电极电极电极组装工艺电极组装工艺2.成灯生产工艺成灯生产工艺制芯柱装架封口排气装头启动性能检测终检高压钠灯的变异高压钠灯的变异 典型性质关键设计要素发光效率(lm/W)色温显色性缺点标准型125Tc:2000Ra:20改进光效增大充氙气压150Tc:2000Ra:20需增加启动电压修正颜色增加钠蒸气压50-60Tc:2500Ra:85光效低、寿命短非循环型减少钠汞齐量使钠汞不饱和125Tc:2000Ra:20工艺过程更困难 添加物为金属卤化物和汞添加物为金属卤化物和汞 提高颜色特性提高颜色特性 金属原子

21、产生辐射金属原子产生辐射 汞元素提高电弧电压和温度汞元素提高电弧电压和温度 金卤灯金卤灯金属卤化物灯与其它金属卤化物灯与其它HID的比较的比较HQLHWLHQINAV功率功率W50-1000125-50070-350050-1000光通光通 klm2-582.5-145.5-3203.5-150光效光效 lm/W35-6020-2865-12070-150色温色温 K2900-42003600-41003000-60002000-2200显色指数显色指数 Ra45 6050-6060-9520-60寿命寿命 hrs240009000120002400040000价格价格 低低低低高高高高金卤灯

22、的工作原理金卤灯的工作原理 在金属卤化物灯中，由于管壁和电弧中心温度相差很大，金属卤化物会分解和再复合的循环过程：在管壁的工作温度下，金属卤化物大量蒸发，因浓度梯度而向中心扩散。在电弧中心的高温区域（约4000-6000K），金卤卤化物分子分解为金属原子和卤素原子，金属原子参与放电，并产生辐射。由于电弧中心的原子和卤素原子的浓度较高，它们以向管壁扩散，在接近管壁的区域以重新复合成金属卤化物分子，这样，靠着这种循环，不断向电弧中心提供足够浓度的金属原子，同时以避免了金属在管壁上的沉积金卤灯的工作原理金卤灯的工作原理 加入灯内的金属卤化物必须满足三个条件：1.在电弧温度（2500K）下不稳定，能分

23、解成金属和卤素。2.在管壁温度下稳定，不会在管壁析出金属。3.在室温进的蒸气压低。灯中金属卤化物的反应方程式：MXn M+nX 400500600700 nmOuter bulbElectrodesMe1Me2HalMeHalMeMe*Me+HalHal*Hg*QuartzburnerignitorballastMo-FoilsHg=Mercury Me=Metals Hal=Halidssupply voltage金卤灯的工作原理金卤灯的工作原理汞在金属卤化物灯中的作用汞在金属卤化物灯中的作用 加入汞可以提高灯的发光效率。汞的热导率很小，用作缓冲气体，阻碍金属蒸气和卤素气体的扩散作用。加入汞可以提高灯的管压，改善灯的电特性。金属卤化物灯中，由于金属卤化物的蒸气压很低，如果没有汞，电子的迁移率就很大，因而电场强度和管压就很低。加入汞有利于灯的启动。与充氙作缓冲气体相比效，汞蒸气压在室温时很低，因此启动比氙气容易得多。欧标金卤灯和美标金卤灯欧标金卤灯和美标金卤灯欧标美标发光系统稀土/钠铊铟钪钠电弧管构造无辅助电极有辅助电极制造工艺 复杂简单点灯线路镇流器触发器两种性能光色好，色温可选择光色差，色温不可选择触发极触发极主电极主电极主电极主电极主电主电极极主电主电极极钪钠金卤灯光谱钪钠金卤灯光谱稀土金卤灯（稀土金卤灯（D型）光谱型）光谱