气体放电灯的工作原理和应用

气体放电灯是通过气体中或金属蒸气中的放电过程和荧光物质中辐射转换而形成光。

当电流流过气体时便出现放电。放电灯中所充的气体为惰性气体或金属蒸气。当气体放电时便发出辐射。辐射线谱与光的颜色与所充气体的种类有关。如氖气放电时主要产生红光，钠蒸气放电时产生黄光，而水银蒸气放电时则产生蓝光。

撞击电离。施加在充气管中电极上的电压，如图12-17所示，使充气中的自由电子向正极方向移动，在移动过程中又与其他原子发生撞击。当电压达到一定值时，电子便具有足够大的动能，以致于在与气体原子撞击时又产生一个或多个自由电子。原子本身也成为带正电的离子。通过撞击电离而形成离子和电子，于是气体便具有导电能力。

电流限制。撞击出的自由电子同样得以加速并离化其他气体原子（雪崩效应），因而气体的阻力减少。增加的电流可能会导致电灯损坏。

气体放电灯需要产生点火电压，在运行时需要镇流器来限制电流。

图12-17 撞击电离

光与光的颜色。如图12-18所示，若电子与气体原子发生撞击时没有足够的能量使其电离，但超过了原子核对所撞电子的最小吸引力，这时被撞击的电子将会短时间离开其原行轨道。当这些电子重新返回到原轨道时，则由撞击所产生的动能便会转换为电磁辐射能，当大量原子出现这种情况时会产生辐射光。除了可见光外，许多气体和水银蒸气还会产生人眼看不见的紫外线。在玻璃壳内壁上的荧光材料提高了紫外线的波长，从而形成了可见光。荧光灯大都采用3种荧光层（硅酸盐、钨酸盐、磷酸盐），这些材料决定了光的颜色。

12.1.7.1 荧光灯

在有沉积荧光层的玻璃管中，除了有水银蒸气外，还有少量的氩或氖惰性气体。在管的端头有螺旋线式钨丝电极。有金属氧化物的涂层使电子发射变得容易，如氧化钡。

荧光灯大多制成棒形，如表12-8所列，棒的长度与灯的功率有关。在20℃时，荧光灯的光效率是白炽灯的3～8倍，但若低于室温，则其光通量减少很多。对于普通照明用荧光灯，其光的颜色采用热白（ww），日光白（tw）或中性白（nw）。

图12-18 荧光灯内气体放电时产生的辐射

表12-8 标准荧光灯（管径d=26mm）

荧光灯的寿命长，约7500h，光效率高为30～100lm/W。

图12-19所示的压制荧光灯是种小型结构尺寸的荧光灯，其所要求镇流器可以在灯的外面，也可以与灯分开布置或装在灯的内部。灯口螺纹为E27或E14的压制荧光灯多数可用于白炽灯照明的地方，如房间照明。如图12-20所示，由于压制荧光灯的耗能仅为相同亮度的白炽灯的20%，所以也称其为节能灯。压制荧光灯的寿命是白炽灯的8倍，而热辐射仅为白炽灯的25%，这种灯特别适用于长时间接通的易燃地方。

图12-19 集装有镇流器的压制荧光灯

图12-20 节能灯与白炽灯在可比较的光通量时的能量比较

如图12-21所示，损失很小的镇流器（VVG）由一个扼流圈组成。为了点火，通常需要一个有双金属触点的辉光启动器。

功能。在接通时，有一个小电流流径扼流圈、灯电极和辉光启动器。由于辉光放电加热使辉光启动器双金属触点使之发生弯曲而接通电路。与此同时，流过的大电流加热了灯电极，并发射出电子。随着在双金属触点上辉光放电的停止，双金属触点因冷却而打开。通过电流的断开会因自感应使扼流圈产生使灯点火的约1000V电压脉冲。在工作时，扼流圈的感应电抗把灯的电压限制在80V。此电压用于辉光启动器的放电是很少的。

图12-21 有常规镇流器和辉光启动器的荧光灯的接线

损失很少的镇流器有热耗损。它需要无功功率（cosφ=0.4）。

电子镇流器（EVG）。在图12-22所示的EVG中，首先对网电压进行整流，然后通过高频逆变器（推挽式功率级）变换成35kHz的矩形电压。加热回路的冷线在接通后预热灯电极。在点火后，把灯电流限制在其测定值。去干扰滤波器过滤掉不允许的干扰电压并远离电源无线电的干扰。

图12-22 有电子镇流器（EVG）的荧光灯

电子镇流器有以下优点：(www.xing528.com)

•可靠的、完美的点火。

•与VVG相比，功率损耗少。

•由于为高频运行，因而光效率高。

•光不闪烁，无闪频效应。

•不要求补偿（cosφ≈1）。

无损失镇流器（VVG）的无功功率补偿。当为单个灯时，则用图12-21所示的并联补偿；当设备有几个荧光灯时，为了不对电网中音频中央遥控设备有太大的影响，则应采用串联补偿。

双通线路。图12-23所示的双通线路是由两个荧光灯并联组成的。其中一个荧光灯直接经过扼流圈（电感分路）连接，而另一个荧光灯则是经过串联的扼流圈和补偿电容器（容感分路）连接。电容器的容感无功电阻是扼流圈感应无功电阻的两倍，因此，两个荧光灯的总功率因数为cosφ≈1。由于分路中的相移不同，所以使荧光灯的亮暗状态产生重叠。

频闪观测效应。因为气体放电灯是以频率的节奏发光的，在照亮时会形成一个静止印象的运动部件，如一个车轮，也就是一个缓慢的或相反的运动。这种光学上的错觉妨碍了双通线路或荧光灯在电网相线L1、L2和L3（三相连接）的连接。

12.1.7.2 水银蒸气灯与钠蒸气灯

高压水银蒸气灯。如图12-24所示，在高压水银蒸气灯的灯泡中有由具有两个能形成水银蒸气主电极的水银组成的放电管，由两个直接接到230V网电压上的点火电极进行点火。为了限制工作中的电流，则要有一个扼流圈作为镇流器，能使其功率因数cosφ达到0.5。高压水银蒸气灯的启动时间为3～5min，并且是先点火后冷却。

高压水银蒸气灯的光效率是同样功率的白炽灯的3倍，而且其荧光材料改善了其显示色（表12-9）。

图12-23 双通线路的荧光灯

图12-24 高压水银蒸气灯

用途：工厂与交通设备的外部照明，建筑工地的照射，工厂厂房的照明

卤素-金属蒸气灯。卤素-金属蒸气灯，其结构与高压水银蒸气灯差不多，并经过有交流电压的扼流圈运行。卤素-金属蒸气灯的启动时间约为3～8min，冷却时间约为5min。由于附加了金属碘化物和金属溴化物从而使其光效率（表12-9）和显示色得到大大的改善（至显示色级1A）。

表12-9 水银蒸气（Hg）灯、钠蒸气（Na）灯与混合光灯的特性

用途：工业厂房和测量厂房的照明，室外运动场强力照明设备和交通强力照明设备。

混合光灯。在混合光灯中有一个水银蒸气高压燃烧器并串接一个钨螺旋丝。钨螺旋丝既用作光源，也用作燃烧器附加电阻。不要求有镇虑器（cosφ≈1），重新接通需要几分钟的冷却时间。这种灯在要求寿命长和光效率高的地方可以代替白炽灯（表12-9）。

用途：工业设备的内、外照明、马路照明以及建筑物的照射。

低压钠蒸气灯。低压钠蒸气灯是一个充有氖气和钠蒸气的U形放电容器，并采用散射场变压器作为镇流器。在点火后，低压钠蒸气灯需要10min的启动时间，在此时间内，钠蒸发并使灯达到全光通量。在冷却2min后便可重新点火。这种灯只产生黄色的单色光（λ=589nm），因此其显示色不好，但其光效率很高（表12-9和图12-25）。

应用：室外设备如人行横道、码头设备、闸门的区域，黄光特别好辨认外形。

图12-25 低压钠蒸气灯

高压钠蒸气灯的功率为50～1000W，并且与低压钠蒸气灯一样需要点火装置，而且在几秒后便可重燃。高压灯有一个宽光谱，并且在微小的光效率时造成全部物体颜色，但黄色仍然突出。

应用：大多用于外部区域，如工业设备和交通设施，建筑物的照射。