EEFL放電原理分析

一、前言
　　EEFL是外置電極熒光燈（External Electrode Fluorescent Lamp）的簡(jiǎn)稱(chēng)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是燈管內(nèi)部沒(méi)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(shuō)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(duì)燈管放電有重要影響的外電極，EEFL的名稱(chēng)亦由此而來(lái)。

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(duì)EEFL的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)有比較直觀的了解，讓我們先做幾個(gè)實(shí)驗(yàn)。取一根直徑3mm的玻管，經(jīng)過(guò)正常排氣工藝并充入80乇氖氣之后封離下來(lái)，看起來(lái)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(kāi)關(guān)一開(kāi)，便立即點(diǎn)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(xì)管霓虹燈。其實(shí)，可以說(shuō)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(diǎn)燃而發(fā)光。
　　事實(shí)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(lèi)型的EEFL，都能用輸出1－3千伏的高頻電源點(diǎn)亮。由此可見(jiàn)，EEFL其實(shí)與我們之間的距離是如此的接近！
　　通過(guò)上述，使我們切實(shí)地感覺(jué)到了EEFL的第一個(gè)突出的特點(diǎn)，那就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝簡(jiǎn)便、成本較低。
　　EEFL第二個(gè)突出的特點(diǎn)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(diǎn)。當(dāng)需要同時(shí)點(diǎn)亮多根EEFL時(shí)（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(dòng)電源就可以直接點(diǎn)亮數(shù)只至數(shù)十只EEFL，因而使用十分簡(jiǎn)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(bào)導(dǎo)EEFL還具有比CCFL更高的亮度與更長(zhǎng)的壽命，因而認(rèn)為EEFL是CCFL技術(shù)進(jìn)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(jià)廉物美而即將取代CCFL嗎？從近幾年的實(shí)際發(fā)展情況看，目前還并非如此。盡管人們對(duì)EEFL極有興趣與期盼，試制與試用EEFL的企業(yè)也確實(shí)不少，但至今還處于試用階段，其產(chǎn)銷(xiāo)量遠(yuǎn)不能與CCFL相比。為什么呢？是因?yàn)槲覈?guó)EEFL產(chǎn)品的性能一致性與穩(wěn)定性還不夠好，尤其是EEFL對(duì)其配套的高頻驅(qū)動(dòng)電源要求較高，現(xiàn)有產(chǎn)品中很多滿(mǎn)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(jìn)一步提高的問(wèn)題。

二、EEFL的放電原理
　　EEFL結(jié)構(gòu)如此簡(jiǎn)單、點(diǎn)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(wèn)個(gè)究竟，加之當(dāng)前提高EEFL性能的任務(wù)迫在眉睫，因此，切實(shí)弄清EEFL的放電原理的研究已不容回避。只有正確認(rèn)識(shí)EEFL中氣體放電的基本過(guò)程，從基本概念出發(fā)來(lái)改進(jìn)EEFL的結(jié)構(gòu)與工藝，才會(huì)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(shí)總是一帶而過(guò)，只有幾句籠統(tǒng)的話(huà)，沒(méi)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(wú)極放電，那就是說(shuō)與人們熟知的無(wú)極熒光燈一樣，這顯然有誤。因?yàn)镋EFL不可能有很強(qiáng)的高頻磁場(chǎng)通過(guò)燈管而能夠感應(yīng)產(chǎn)生足以點(diǎn)燃放電的高頻電場(chǎng)；有的提到是高頻電場(chǎng)通過(guò)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(wú)極放電；有的認(rèn)為是加于外電極的高頻電壓通過(guò)玻璃介質(zhì)而產(chǎn)生的氣體放電，屬于介質(zhì)阻擋層無(wú)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(chēng)為無(wú)極放電”的定義，EEFL管內(nèi)沒(méi)有安裝電極，只有裝置在玻管兩端外表面的外電極，看來(lái)屬于無(wú)極放電是無(wú)可非議的。
　　然而，深入分析EEFL所發(fā)生的氣體放電過(guò)程，發(fā)現(xiàn)電極過(guò)程仍然是維持EEFL高頻放電所不可少的，具體地說(shuō)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(shuō)明這一點(diǎn)，讓我們重溫氣體放電理論對(duì)高頻放電幾種情況的分析。
　　氣體在高頻能量的激勵(lì)下產(chǎn)生的放電稱(chēng)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(chǎng)強(qiáng)度，ω為外加高頻電場(chǎng)的角頻率，υ為電子有效碰撞頻率，υ 由下式計(jì)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(chǎng)角頻率ω與電子有效碰撞頻率 υ的相對(duì)大小，高頻放電可以分成ω υ 、ω≌υ 、ω>>υ三種情況。其中當(dāng)ωυ 時(shí)，發(fā)生類(lèi)似于低頻放電的情形，這時(shí)電子在高頻電場(chǎng)下的運(yùn)動(dòng)象一群蜜蜂隨風(fēng)飄動(dòng)一樣向高頻電場(chǎng)的瞬時(shí)陽(yáng)極漂移；電場(chǎng)反向時(shí)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(chǎng)變化的周期小于放電空間的消電離所需的時(shí)間，由此，等離子區(qū)來(lái)不及消失，高頻電場(chǎng)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(chǎng)的頻率大幅提高到ω≌υ 與 ω>>υ時(shí)，放電中電子的運(yùn)動(dòng)將發(fā)生根本性的變化，等離子區(qū)中電子受到高頻電場(chǎng)的作用而不斷來(lái)回運(yùn)動(dòng)，增加了電子產(chǎn)生碰撞電離的幾率，此時(shí)維持穩(wěn)定的放電已無(wú)需電極過(guò)程，也就是說(shuō)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(chǎng)作用下的無(wú)極放電。這種高頻無(wú)極放電的實(shí)例發(fā)生于雷達(dá)天線(xiàn)開(kāi)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(duì)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ωυ 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(duì)放電起著至關(guān)重要的作用。
　　讓我們?cè)倩氐紼EFL中的氣體放電。EEFL的工作頻率與CCFL一樣（20KHZ－100KHZ），充氣種類(lèi)與氣壓也與CCFL類(lèi)似，因此，它們的放電類(lèi)型也是類(lèi)似的（屬 ω υ的一類(lèi) ）。具體地說(shuō)，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?？墒?，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(lái)發(fā)射電子的。本人認(rèn)為，與外電極相對(duì)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(shí)，對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁玻璃表面吸引而接收電子，壘積壁電荷；為負(fù)半周時(shí)，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?wèn)，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(guò)程的分析中早已說(shuō)得明明白白；另一方面，玻璃在正離子轟擊時(shí)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(guò)玻璃壁形成的電容傳到外電極再傳到外電路，沒(méi)有什么說(shuō)不通的地方。
　　需要著重說(shuō)明，上述EEFL由外電極對(duì)面的玻璃內(nèi)壁所形成的內(nèi)電極有一個(gè)突出的特點(diǎn)，那就是為無(wú)數(shù)的“微島”狀，因?yàn)椴Ａ?nèi)表面必竟不是金屬電極，其表面是不導(dǎo)電的，無(wú)論內(nèi)表面那一點(diǎn)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(diǎn)與點(diǎn)之間均不能有電的溝通，我們可以稱(chēng)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(duì)應(yīng)的玻璃內(nèi)壁上的無(wú)數(shù)“微島”電極所組成的。
　　綜上所述，我們可以畫(huà)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