无极灯的工作原理
2016-7-2 16:48:55
什么是无极灯?它是如何工作的?由于无极灯的工作原理涉及电、磁、光三方面的相关知识,几句话还真是解释不清楚。为了给朋友们一个较为满意的答复,将以正说戏说相结合的方式来解释它。

什么是无极灯?无极灯也就是灯管中没有电极的荧光灯(日光灯、节能灯),即无电极荧光灯。由于没有了电极,电网中的电不能直接以电流形式引入封闭的灯管中,而是将电能转变成磁能,以交变磁场的形式驱动灯管发光。这种原理的应用有我们熟悉的电磁灶。两者之间的差异在于电磁灶是将电能转变为磁能后,使金属铁、不锈钢发热用于加温。而无机灯则是电能转换成磁能后通过光管转换成光能用于照明。

明白了无机灯最基本的工作原理,电转磁,磁转光,无机灯的组成就清楚了。光管是将磁能变为光能的部件:耦合器,也就是线圈加磁芯(环),将电能转换为磁能的部件:频率发生器,也就是高频电流产生器,人们常说的电子镇流器,是将220伏,50赫兹的日常用电转换成250000赫兹(或2650000赫兹,高频无极灯所需)的交变电流,用于推动耦合器产生同样频率交变磁场的部件。灯管、耦合器、频率发生器三大部分,构成无极灯。
若想弄清楚无极灯更具体的内容,还从灯管说起。灯管由密封玻璃管、荧光粉涂层、金属汞蒸气(或固态汞齐)、稀有气体等组成。灯管中的稀有气体被强磁场电离,运动中的离子与汞原子碰撞激发电子,电子获得能量,当电子能量释放时,产生紫外线照射到荧光粉上,使灯管发出可见光。灯管的发光原理可用“转木取火”的过程来形容。“转木取火”通过双手来回转动木棍与木槽摩擦产生热量,聚焦的热量使槽内温度越来越高,最后点燃干草。对比灯管发亮的过程,交变的磁场(双手)使离子(木棍)在灯管中运动,运动离子(转动的木棍)与汞原子(木槽)碰撞产生高能电子(木槽中产生的热),电子能量释放产生紫外光(热量聚集温度升高)使荧光粉发生可见光(高温点燃干草)。

转木取火时,双手搓动越快、用力越大,越易起火;无极灯管工作时道理也一样,磁场变化频率越快,磁场强度越强,引起的原子碰撞越多,产生的紫外线越强,荧光灯就越亮。

再说耦合器,无极灯中的线圈和磁芯(环)。19世纪初,奥斯特、法拉第发现了电产磁、磁生电的电磁感应现象,并确立了电磁感应基本定律。线圈中通以电流就会产生磁场,而变化的磁场会产生感应电。耦合器的作用就是这样通过电转磁、磁生电,将电能从外部转到封闭灯管的内部,最后变为光能发光。线圈的作用是电转磁,而磁芯(环)的作用是加强电转磁的强度。这不难理解,我们把线圈看成一个能挑100斤重担的人,磁芯(环)看成一架板车,有了板车,人可以推动300斤、500斤乃至1000斤的重物。线圈与磁芯(环)的配合关系就如同人挑担与推车的关系。
最后讨论频率发生器。从前面的介绍中知道,频率发生器是将220伏,50赫兹的交流电转换为250000赫兹的交流电。如何将50次/秒变化的电流转为25万次/秒变化的电流,现在最常用的方法是:50赫兹交流电——直流电——250000赫兹交流电。要实现这种转换并不容易,这中间除了低频交流电转换为高频交流电外,还须考虑功率的传递效率;灯管功率的控制;消除频率转换中产生的电磁干扰;保证灯在特殊的环境中正常工作(比如低温,高温);意外情况下的保护等。频率变换功能,在交流滤波变为直流后,需要一个电路产生250000赫兹频率的信号,去控制驱动开关管,把电流方向不变的直流电,变为25万次/秒、一正一反方向不断变化的交流电,它还必须具备足够能量,才能驱动灯管发亮;电流流动、频率转换带来了电路内部发热损耗,能量传到灯管的过程中,在电路内部损耗越多,灯管有效使用电能的效率就越低,就降低了节能效果,因此,必须解决传递中的效率;频率转换中产生的电磁干扰,需用专门电路去解决,不能让它跑到电网中去,干扰我们的其它用电设备,如电视、电话、电脑等都怕干扰;因灯管具有负阻特性,随着温度上升,电阻则减小,电流增大,使灯的功率上升,灯管温度上升,温升使电阻更小,这样循环下去,最终灯管与电路都会损坏,因此,电路必须使电流恒定,不让电流持续上升,此功能称之为“镇流”,电子镇流器的名称也是因此而来;电路还要应对一些特殊工作环境,如低温使物质的活跃程度大幅度降低,在灯启动点亮时,需要更多的能量,好比“转木取火”中的干草变成了湿草,增加了点燃的难度;再说高温,当环境受限、通风性能不佳,使电路处于高温环境时,由于电路本身在改变频率、传递能量的过程中也会产热,两者相加温度会更高。一个好的电路应做到自身产热很少,并能在一定高温环境下正常工作;除高、低温之外,还要应对电网电压的波动,从偏远农村150伏左右的电网电压到城市夜间可能出现的270伏电网电压,都要求能正常工作;若电路在工作中遇突发意外情况,电路还应尽可能使自身安全,待意外因素消失之后恢复正常工作,最低限度也要求不引起火灾、爆炸等安全事故。意外情况通常有雷电、电网中的强干扰(尖峰脉冲,电压大幅波动)、无极灯工作时灯管发生异常破碎以及人为造成的不良因素等。总之,电路针对可能出现的异常情况,都必须作相应的防护。

无极灯的灯管如同人的皮肤、线圈如血管、高频电流如血液、频率发生器如心脏。灯亮不亮、颜色正不正、维持亮度不衰减由灯管决定。一只好灯管如同美丽年轻的少女,给人舒心的感觉。整灯质量好不好,则决定于频率发生器的质量以及与灯管的搭配。心脏不好,则百病生,灯亦如此。
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