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EEFL放電原理的分析
摘 要：本文論述了EEFL的基本結(jié)構(gòu)與性能特點，著重提出了對EEFL放電原理的理解與分析，以供參考。
關(guān)鍵詞：外置電極熒光燈；結(jié)構(gòu)；放電原理；無極放電；
一、前言
EEFL是外置電極熒光燈（External Electrode Fluorescent Lamp）的簡稱，其結(jié)構(gòu)特點是燈管內(nèi)部沒有安放電極，玻管內(nèi)除充有工作氣體及內(nèi)表面涂有熒光粉層之外，可以說是根“空管”。EEFL玻管兩端的外表面包裸了一層導(dǎo)電層或金屬套管，形成對燈管放電有重要影響的外電極，EEFL的名稱亦由此而來。
圖1. EEFL的基本結(jié)構(gòu)示意圖
1玻管 2三基色熒光粉層 3外電極 4工作氣體（Ne、 Ar 、 Hg混合氣）
為了對EEFL的結(jié)構(gòu)與性能特點有比較直觀的了解，讓我們先做幾個實驗。取一根直徑3mm的玻管，經(jīng)過正常排氣工藝并充入80乇氖氣之后封離下來，看起來這確是一根干凈明亮的“空”玻管。在此透明玻管的兩端，緊貼玻管外表面包裹一層鋁箔，然后將這玻管兩端的鋁箔與冷陰極熒光燈CCFL逆變電源的輸出端相連，當(dāng)電源開關(guān)一開，便立即點燃了玻管內(nèi)的氖氣放電而發(fā)出明亮的紅光，如同一根細管霓虹燈。其實，可以說這就是一根外置電極霓虹燈。
如果將上述玻管內(nèi)的充氣換成Ne、 Ar、 Hg混合氣，且在玻管內(nèi)壁涂敷一層熒光粉層，則上述的外置電極霓虹燈就變成了外置電極熒光燈EEFL了。將相應(yīng)的CCFL逆變器電源的輸出端與其外電極相連，就可以像CCFL一樣點燃而發(fā)光。
事實上，任何一只熒光燈，在玻管兩端外表面包上導(dǎo)電層而形成外電極之后，都構(gòu)成了某種類型的EEFL，都能用輸出1－3千伏的高頻電源點亮。由此可見，EEFL其實與我們之間的距離是如此的接近！
通過上述，使我們切實地感覺到了EEFL的第一個突出的特點，那就是結(jié)構(gòu)簡單、工藝簡便、成本較低。
EEFL第二個突出的特點是電性能方面的，那就是EEFL燈管可以直接并聯(lián)使用，即直接并聯(lián)燃點。當(dāng)需要同時點亮多根EEFL時（如LCD彩色電視的直射式背光源），往往只需要用一只高頻驅(qū)動電源就可以直接點亮數(shù)只至數(shù)十只EEFL，因而使用十分簡便且成本較低。須知,幾乎所有的氣體放電燈都不能直接并聯(lián)使用，難得EEFL給我們?nèi)绱说谋憷?BR> 除上述之外，不少資料報導(dǎo)EEFL還具有比CCFL更高的亮度與更長的壽命，因而認(rèn)為EEFL是CCFL技術(shù)進步的產(chǎn)物，是二十一世紀(jì)初興起的并即將取代CCFL的新光源。
EEFL果真比CCFL價廉物美而即將取代CCFL嗎？從近幾年的實際發(fā)展情況看，目前還并非如此。盡管人們對EEFL極有興趣與期盼，試制與試用EEFL的企業(yè)也確實不少，但至今還處于試用階段，其產(chǎn)銷量遠不能與CCFL相比。為什么呢？是因為我國EEFL產(chǎn)品的性能一致性與穩(wěn)定性還不夠好，尤其是EEFL對其配套的高頻驅(qū)動電源要求較高，現(xiàn)有產(chǎn)品中很多滿足不了使用要求而不能正常使用。因此，目前EEFL的發(fā)展面臨著燈管與配套電路兩方面的技術(shù)都需要進一步提高的問題。
二、EEFL的放電原理
EEFL結(jié)構(gòu)如此簡單、點亮如此容易、直接并聯(lián)使用是如此的方便，使得人們一接觸它就萌生興趣，想要問個究竟，加之當(dāng)前提高EEFL性能的任務(wù)迫在眉睫，因此，切實弄清EEFL的放電原理的研究已不容回避。只有正確認(rèn)識EEFL中氣體放電的基本過程，從基本概念出發(fā)來改進EEFL的結(jié)構(gòu)與工藝，才會收到好的成效。
可是，在所看到的有關(guān)EEFL的論文資料中，談及EEFL的放電原理時總是一帶而過，只有幾句籠統(tǒng)的話，沒有比較確切的分析與論述。例如，有的只提及屬于電磁感應(yīng)無極放電，那就是說與人們熟知的無極熒光燈一樣，這顯然有誤。因為EEFL不可能有很強的高頻磁場通過燈管而能夠感應(yīng)產(chǎn)生足以點燃放電的高頻電場；有的提到是高頻電場通過EEFL外電極與管壁電容的耦合輸入燈管而引起管內(nèi)氣體放電，屬于高頻無極放電；有的認(rèn)為是加于外電極的高頻電壓通過玻璃介質(zhì)而產(chǎn)生的氣體放電，屬于介質(zhì)阻擋層無極放電等等。根據(jù)“凡電極不暴露在電離氣體中的放電方式稱為無極放電”的定義，EEFL管內(nèi)沒有安裝電極，只有裝置在玻管兩端外表面的外電極，看來屬于無極放電是無可非議的。
然而，深入分析EEFL所發(fā)生的氣體放電過程，發(fā)現(xiàn)電極過程仍然是維持EEFL高頻放電所不可少的，具體地說EEFL仍然存在發(fā)射電子的陰極與加速電子、正離子的陰極位降。為了說明這一點，讓我們重溫氣體放電理論對高頻放電幾種情況的分析。
氣體在高頻能量的激勵下產(chǎn)生的放電稱為高頻放電，其電流密度j為：
j=[nee2υ/me(υ2+ω2)]E (1)
式中E為電場強度，ω為外加高頻電場的角頻率，υ為電子有效碰撞頻率，υ 由下式計算：
υ＝3.19×109×P/√Te0.5 （2）
式中P為氣壓（mm Hg），Te為電子溫度(K)。
按照外加高頻電場角頻率ω與電子有效碰撞頻率 υ的相對大小，高頻放電可以分成ω <<υ 、ω≌υ 、ω>>υ三種情況。其中當(dāng)ω<<υ 時，發(fā)生類似于低頻放電的情形，這時電子在高頻電場下的運動象一群蜜蜂隨風(fēng)飄動一樣向高頻電場的瞬時陽極漂移；電場反向時又反向漂移。放電空間仍然存在等離子區(qū)與陰極位降區(qū)，仍然需要有陰極發(fā)射電子才能維持這種情況下的高頻放電。其與低頻放電不同之處是高頻電場變化的周期小于放電空間的消電離所需的時間，由此，等離子區(qū)來不及消失，高頻電場的極性交變，只影響陰極位降區(qū)輸流出現(xiàn)在等離子區(qū)的兩側(cè)。
當(dāng)外加高頻電場的頻率大幅提高到ω≌υ 與 ω>>υ時，放電中電子的運動將發(fā)生根本性的變化，等離子區(qū)中電子受到高頻電場的作用而不斷來回運動，增加了電子產(chǎn)生碰撞電離的幾率，此時維持穩(wěn)定的放電已無需電極過程，也就是說不需要陰極發(fā)射電子 ，不需要陰極，不存在陰極位降區(qū)，從而形成了高頻電場作用下的無極放電。這種高頻無極放電的實例發(fā)生于雷達天線開關(guān)，其工作頻率約為1000兆赫，放電管內(nèi)的氣壓不大于20乇。
對照上述關(guān)于高頻放電的理論分析，我們熟知的電子鎮(zhèn)流熒光燈ECFL與冷陰極熒光燈CCFL（工作頻率均為20KHZ－100KHZ）,均屬于ω<<υ 的情況，放電具有穩(wěn)定的等離子區(qū)與維持放電所必須的陰極位降區(qū)，陰極的電子發(fā)射對放電起著至關(guān)重要的作用。
讓我們再回到EEFL中的氣體放電。EEFL的工作頻率與CCFL一樣（20KHZ－100KHZ），充氣種類與氣壓也與CCFL類似，因此，它們的放電類型也是類似的（屬 ω <<υ的一類 ）。具體地說，EEFL中的放電仍然必須有陰極與陰極位降區(qū)的存在才能維持穩(wěn)定的放電。可是，EEFL的陰極在哪里呢？外電極與放電氣體隔著玻璃管壁，它是不可能作為氣體放電的陰極來發(fā)射電子的。本人認(rèn)為，與外電極相對的玻管內(nèi)壁表面就是EEFL的內(nèi)電極。當(dāng)某外電極為正電位的半周時，對應(yīng)的內(nèi)壁玻璃表面吸引而接收電子，壘積壁電荷；為負半周時，吸引與加速正離子，并受正離子轟擊而產(chǎn)生二次電子發(fā)射，形成陰極位降區(qū)?？赡苡腥艘獑?，玻璃是絕緣體，能夠擔(dān)當(dāng)電極的角色嗎？我認(rèn)為完全可以。玻璃表面可以接收電子而壘出壁電位，這在交流等離子顯示器放電過程的分析中早已說得明明白白；另一方面，玻璃在正離子轟擊時可以產(chǎn)生二次電子發(fā)射，也是得到公認(rèn)的。由于施加的是高頻電壓，內(nèi)壁的電位變化可以通過玻璃壁形成的電容傳到外電極再傳到外電路，沒有什么說不通的地方。
需要著重說明，上述EEFL由外電極對面的玻璃內(nèi)壁所形成的內(nèi)電極有一個突出的特點，那就是為無數(shù)的“微島”狀，因為玻璃內(nèi)表面必竟不是金屬電極，其表面是不導(dǎo)電的，無論內(nèi)表面那一點吸引電子形成壁電荷（或吸引正離子且產(chǎn)生二次電子發(fā)射而壘積正電荷），點與點之間均不能有電的溝通，我們可以稱它為“微島”電極。因此，可以認(rèn)為EEFL的內(nèi)電極是由與外電極對應(yīng)的玻璃內(nèi)壁上的無數(shù)“微島”電極所組成的。
綜上所述，我們可以畫出EEFL的等效電極結(jié)構(gòu)的原理圖，如圖2所示：
圖2 EEFL等效電極結(jié)構(gòu)原理圖
1外電極 2放電空間 3玻璃電容 4“微島”電極
有一種為多數(shù)人所接收的觀點，認(rèn)為高頻電場由外電極通過玻壁電容引入EEFL放電空間，直接作用于放電的等離子區(qū)而產(chǎn)生與維持穩(wěn)定的高頻無極放電。我們現(xiàn)在不談前述的理論對這種觀點的否定，而是從反證的角度來加以分析。如果只要引入高頻電場就可以無需電極作用而能夠維持穩(wěn)定的放電，那么與EEFL放電條件相同的CCFL由電極直接將高頻電場引入放電空間又為什么必須依靠電極過程才能維持穩(wěn)定的放電呢？如果電極過程真是無關(guān)緊要，那么CCFL的電極過程為什么會集中那么多的功率，對放電性能產(chǎn)生極其重要的影響呢？
為了考察EEFL內(nèi)壁電極是否存在，我們可以通過觀察EEFL外電極對應(yīng)的內(nèi)壁表面是否存在陰極位降區(qū)來判斷，將拍得的實物照片示于圖3。從圖3可以清楚地觀察到等離子區(qū)玻璃內(nèi)壁的發(fā)光與外電極對應(yīng)的玻璃內(nèi)壁的發(fā)光是大不一樣的。等離子區(qū)對應(yīng)的內(nèi)壁表面不發(fā)紅光，而外電極對應(yīng)的內(nèi)壁表面卻與CCFL電極表面相類似地發(fā)紅光。原因很清楚，熒光燈的等離子區(qū)電子能量較低，不能引起氖原子激發(fā)，只有在陰極位降區(qū)電子被加速成高能電子才可以使氖原子激發(fā)后返回躍遷時發(fā)紅光。
圖3 觀察EEFL玻璃內(nèi)壁發(fā)光的照片
另外，我們對壽命試驗數(shù)千小時后的EEFL燈管進行解剖，等離子區(qū)對應(yīng)的玻璃內(nèi)壁表面狀況變化不大，而外電極對應(yīng)的玻璃內(nèi)壁則嚴(yán)重發(fā)黑，這顯然是正離子轟擊陰極帶來的后果。
后，我們對比性地測出相同結(jié)構(gòu)（相同的玻璃、相同的直徑、相同的生產(chǎn)工藝）的CCFL與EEFL的輸出光通量與輸出功率之間的光效曲線，發(fā)現(xiàn)它們的形狀與數(shù)據(jù)都相當(dāng)接近，這也說明EEFL與CCFL中產(chǎn)生的是相同類型的放電，不存在放電原理的重大差異。在此不再詳述。
上述有關(guān)EEFL放電原理的分析可能有重要的實際意義，那就是提高EEFL的性能，應(yīng)該十分關(guān)注作為內(nèi)電極的燈管兩端內(nèi)壁的表面狀態(tài)，采用什么樣的工藝、材料甚至增加某種涂層，有可能顯著地提高EEFL的性能與壽命。
三、EEFL的應(yīng)用前景
EEFL作為廣告、照片、圖片的超薄燈箱以及平板電視中液晶彩色電視的背光源，尤其是大屏幕的液晶彩電的直射式背光源十分被看好，只要性能可靠就很可能會被許多用戶列為首選產(chǎn)品，原因就是前面提到過的它可以直接并聯(lián)使用的獨到優(yōu)點，還有就是它較低的生產(chǎn)成本所帶來的較低的價格。有一位日本生產(chǎn)液晶彩電的企業(yè)人士在不久前遍訪了南京幾乎所有的CCFL、EEFL生產(chǎn)廠，他聲稱液晶彩電即將大量普及，未來的三年，CCFL或EEFL的需求將大幅增加而供不應(yīng)求。原因是液晶屏的成本將一年一個臺階的下降，使其他平板電視難以競爭。我相信他的預(yù)計。因此，EEFL的應(yīng)用前景隨著
液晶電視與超薄燈箱的推廣是可以十分樂觀的。人們一定要說，不要忘記LED，LED作為背光源將是后的歸屬。但是，不管后的情形如何，我認(rèn)為5至十年之內(nèi)，LED難成氣候。還是上述那位日本人士提供的信息，他說其公司已經(jīng)解決了用LED制做幾種主要規(guī)格的液晶彩電背光源的所有技術(shù)問題，都做成了很好的樣品，可以成功展示，但是成本很高。例如一個中等屏面所需的背光源，用了三千五百只高顯色指數(shù)、高亮度、長壽命的LED，成本之高，我想，就是五年甚至十年之后可能還是一個不小的障礙。
參考文獻
[1]《氣體放電——等離子體物理的應(yīng)用》彭國賢編著 1988
[2]《電磁波在等離子體中的傳播》B.JI.金茲堡著.錢善諧譯 1978
[3]《氣體放電及離子管》成都電訊工程學(xué)院選編 1956
[4]“The Lifetime and pinholes in the External Electrode Fluorescent Lamps”D.H.Gill et al，SID 05 DIGEST（200）
