高效微波等离子光源的应用

杨 显, 杨步君

(1.煤炭工业太原设计研究院集团有限公司,山西 太原 030012； 2.山形国立大学，日本 山形县 )

自1879年爱迪生发明了白炽灯，到1932年发明的低压钠灯、1934年发明的荧光灯、1962年发明的金卤灯及高压钠灯、1973年发明的三基色荧光灯、1996年发明的白色LED灯[1]，照明技术得到了飞速发展。随着人们对发光材料研究的不断深入，超高亮度光源取得了突破性进展，应用领域不断扩大。在全球能源短缺的背景下，高效、节能及环保型的光源备受全球瞩目，我国把节约资源与保护环境作为基本国策，节约与开发并举、节约优先的战略，节能是国家战略要求和政策导向。微波等离子光源是既接近太阳光谱又节能的新型光源，具有无频闪、低光衰、无眩光、无蓝光、光线自然柔和高效节能等优点，是十分理想的人造光源。随着技术进步，高效微波等离子光源将会成为21世纪最有前景的第4代照明光源。

1 高效微波等离子光源组成及关键技术

1.1 高效微波等离子光源的组成

高效微波等离子光源由开关电源、射频驱动器、谐振腔和无电极灯泡组成，如图1所示。

图1 高效微波等离子光源基本构造图

1.2 高效微波等离子光源原理

采用含有氩气和金属卤化混合物的小型无电极高纯度石英玻璃灯泡放置在一个谐振腔体的表面，微波源通过同轴电缆连接谐振腔组成射频回路。在发生谐振时，由微波源产生的微波电场直接对灯泡进行微波驱动，灯泡内气体电离发出的热量同时使填充材料升温和蒸发，形成等离子态气体混合物电离并发光，形成高亮的等离子体源发光，其颜色可通过等离子体的成分构成来调整[2]。

1.2.1 微波驱动器

针对270W高效微波等离子光源,微波驱动器根据负载变化能自动地输出0～200W的微波功率，通过PLL调节VCO获得最佳谐振频率点，使整个灯的工作点达到最佳状态。微波驱动核心部件是微波放大器LDMOS晶体管，通过数据采集和控制，实现自动调节灯的亮度以及工作状态。

固态微波源基本电路由压控振荡器VCO、可控衰减器、3级功放链路以及入射反射反馈回路和中心控制器组成，通过N型接头同轴电缆输出最大功率为220W。工作频率440±15MHz；输入功率280W；输出功率200W；供电电压28V(DC)；自然冷却、增益大于53dB。

图2 高效微波等离子光源微波驱动器基本原理框图

1.2.2 谐振腔

在谐振腔表面小槽放置灯泡构成灯泡能量的腔体。谐振腔外部为铝壳，其功能为夹紧介质陶瓷、屏蔽腔内电磁波、灯泡散热。

谐振腔体把微波能量通过谐振器耦合到灯泡上，耦合腔体要满足低损耗、高Q值要求。通过谐振腔体内电极距离的调整改变等效电容和等效电感值设定谐振频率。谐振腔具有功率输入端和耦合输出端，输入端直接与微波源相接，输出端与灯泡连接。谐振腔体功能为谐振选频、灯泡导热、谐振腔自身散热。

1.2.3 无极灯泡

内装氩气和金属卤化无极灯泡，通过微波加热激发在6000K左右，考虑到温度和压力原因，石英泡壳的壁厚取1.5-2.5mm；同时需要良好的散热结构，保证泡壳外壁不超过900℃，故石英泡壳要选取高透光率的石英材料。石英灯泡特点可承受内部压力为50Bar、内部温度为6000K、全光谱、高亮度配方。

等离子照明是依靠微波激励启动的，刚开始灯泡处于没有等离子的状态，对微波源来说是个空载状态，施加比较小的微波功率使内部的氩气形成辉光放电，通过调节频率使得藕合最佳、反射最小，让更多的微波功率能被辉光等离子体吸收，泡壳内温度随着能量的不断输入也开始逐步升高，金属卤化物开始变成等离子体态，处于激发状态，再输入更大功率的微波，发光会变得更加强烈，其发光方式如图3所示。

图3 无电极灯泡激发过程示意图

1.3 高效微波等离子光源实测数据

1.3.1 电参数测试

使用单相电源对灯具电参数进行测试，在AC220V/50Hz电源正常点亮后的功率为280W，功率因数为0.985。

1.3.2 光电参数测试

使用积分球及光电综合测试系统对等离子照明灯具的光学性能进行测试，光源光通量为10259lm，显色指数为96.5，光效为10259÷280=36.64 lm/W。

以现在的光效标准评判，光效指标不理想(高压钠灯100-120 lm/W、低压钠灯100-200 lm/W、金卤灯60-100 lm/W、LED灯80-130 lm/W)。单纯以光效指标和其他种类光源如钠灯、金卤灯比较，等离子光源则不占优势，但使用效果优于其他光源，因此需进一步深入研究等离子体发光特性及微波与等离子体的相互作用[3]。

2 光源发展及其优缺点

光源发展经历了白炽灯、荧光灯、高压汞灯、高压钠灯、金卤灯、LED灯和等离子灯发展过程，但常用的白炽灯、荧光灯、高压汞钠灯和金卤灯的光转换效率低，造成了相当大的电能浪费。LED作为一种新型光源，具有体积小、功耗低、寿命长等特点备受推崇，但LED灯因高功率技术门槛高、散热要求严格等问题制约了其在高功率照明领域的发展。微波等离子光源具有全光谱、显色指数高、功耗低等优点，在节能效果上比HID光源高50%以上的优势，作为一种高效光源的补充，将在特定领域展现其独特的优势。

2.1 光谱对比

图4 光谱特性对比

2.2 光源评价

2.3 光源对比

参数对比高压钠灯金卤灯LED灯微波等离子灯显色指数25～3070～8560～8570～95色温(K)20003000～40003000～80004000～6000光衰(h)30%@10,00030%@20,00030%@30,00030%@50,000寿命(h)60001000050000>50000明视觉光效(L/W)80～13070～110100～150100～150S/P0.621.492.002.40中间视觉光效(L/W)55～8590～120140～240180～270整灯中间视觉光效(L/W)36～5660～80120～200160～240能耗高较高低低视觉亮度亮度低/穿透力弱亮度高/穿透力好亮度高/穿透力较弱亮度高/穿透力好显色效果差极佳较好极佳成本较低较低中等中高适应范围要求不高的场合高功率照明低功率照明高功率照明

通过上述光源数据对比，固态微波源驱动的等离子灯具有诸多优点，如发光体体积小、光色好、显色指数高、全光谱、光衰和寿命指标突出，随着技术的不断进步，微波等离子灯将逐步体现其潜在的价值[4]。

图5 光源评价对比

3 微波等离子光源应用前景

微波等离子光源是固态微波技术与等离子体相结合的产物，利用高效固态微波激励源与无极灯技术，在传统高压气体发光灯的基础上采用全新金属卤化物配方泡壳结构，具有更高显色指数和高效节能的特点，比传统气体放电灯有更好的光谱特性和性能优势，同时采用了固态半导体技术使光源具有长寿命和智能化的特点，已成为传统金卤灯和高压钠灯的替代品，未来可广泛应用在室内室外等场所，具有广阔的应用前景。

高效等离子光源的出现是对人类照明环境的提升。随着半导体技术的普及和低价大功率LDMOS管的应用，依靠半导体技术与等离子体相结合的性价比更好的光源成为了现实，这种光源与LED光源在应用领域上形成优势互补、高低搭配。其可广泛应用于体育场馆、道路、机场、码头、车站、广场、工矿企业等领域，以及对光源有光合作用特殊要求的如农业育苗、大棚蔬菜、花卉种植等领域。

4 结语

从Fusion公司开发的第一代磁控管微波等离子光源开始，微波等离子光源已发展到第二代固态微波激励源技术的等离子光源。由中科微波与山焦共同开发具有完全知识产权的高效微波等离子光源，经过了2000多盏工业化生产，在红灯笼体育场田径训练馆、乒乓球训练馆、合肥物质研究院科学岛的应用效果极好，完全具备了工业化生产基础。但现只有270W单一品种且价格较高，下一步需开发小功率及大功率产品，通过工业化量产降低价格，让微波等离子光源形成一个品种全、规格多的全光谱光源家族，为高效微波等离子光源的普及应用奠定坚实的基础。