带反射罩紧凑型荧光灯的新设计要求和应对
横店集团得邦照明有限公司 邱福元
近年来，节能照明产业在全球范围受到高度重视，并得到迅速发展，逐步淘汰白炽灯、推广节能灯已成为节能减排的重要措施之一。为了确保节能灯的质量水平，许多国家纷纷制定了新的节能灯行业标准和规范，禁止不合格产品的流通销售。2013年9月1日欧洲准备开始实行非定向家用灯的生态设计要求（ERP第5阶段要求），美国也正在起草灯泡能源之星标准1.0版本，对节能灯提出了更高的要求。节能灯市场竞争更为激烈，从价格竞争快速走向技术竞争。谁拥有节能灯核心技术，谁就能占有更大的市场份额。
带反射罩紧凑型荧光灯因带罩散热效果差，管壁温度比较高，灯内的汞蒸汽压过高，导致灯的温升光衰现象严重。选择合适的汞齐，可以有效的控制灯的汞蒸汽压，提高灯的光效；使用辅助汞齐，对灯的启动大有帮助，可以改善爬升时间。
一、ERP第5阶段和Lamp E.S 1.0草案测试要求比较
序号 ERP5 测试项目 测试要求 测试要求 荧光灯：40%寿命或者60001 存活率 6000小时存活率≥70% 小时先到为准，之前不允许坏灯； 40%寿命或者6000小时后到为准， 允许坏一个 ≤23W的灯,汞含量≤lamp E.S 1.0 草案 2 最大含汞量 / 2.5mg; >23W的灯,汞含量≤3.0mg 2000小时:≥88% 3 光通维持率 6000小时≥70% 失效前的开关次2.当启动时间＞0.3s时, 开关分开,3分关） 5 6 启动时间 爬升时间 ＜1.0s(P≥10W) 1.＜40s达到60%光通量（固汞灯） CFL 40%寿命光通维持率要(带罩灯≥83%); 求：≥80%， 不超过3个灯低于75%， 不得有灯低于70% 灯寿命的一半，但最少1.≥灯寿命，或者 4 数 测试≥ 30000次 (测试方法110000次。10个测试9个要求通过 (测试方法5分开,5分关） ≤0.5秒（10个样品按照＜1.5s(P＜10W), 指定的方向测试，取平均值） 1.带罩荧光灯（汞齐灯）：在90秒内达到稳定的光通量 2.其余灯泡（固汞灯）： 2.＜100s达到60%光通量(汞齐灯) 30秒内达到50%， 45秒内达到80%； 60秒内达到稳定光通量（10个样品按照指定的方向测试，取其平均值） 7 8 9 10 早期失效率 UVA+UVB辐射 UVC辐射 功率因数 400小时≤2% ≤2.0mW/klm ≤0.01mW/klm ≥0.55(P＜25W) ≥0.90(P≥25W） / / / 任何功率PF ≥ 0.7 平均值≥80，R9>0，并且11 不超过3个样品的显色指数低显色指数 ≥80 于77, 没有低于75的样品（10个样品按照指定的方向测试，取平均值） 12 荧光灯：10个样品测试到灯的寿命 / 达最终寿命时至少5个样品仍然正常工作 综观ERP5和Lamp E.S 1.0草案要求，可以看出，节能灯的各项参数要求都在提高，只有不断提高CFL光源技术水平，才能适应新的标准要求。 二、带反射罩紧凑型荧光灯的新设计要求分析 1、光效：≥45Lm/w
对于R30、R40、Par38反射节能灯来说，是比较容易达到的；但对于R20、Par20反射灯来说，此项要求偏高。
2、光通量比值
E.S要求：对于应用于室外的反射灯来说，在50℃环境温度下测试的光通量和25℃环境下的光通量比值≥90%的。
选择合适的汞齐和支撑杆长度，可以很好满足光通量比值要求，考虑到测试的误差，一般将比值设计在95%左右。汞齐融化温度低，比值大；支撑杆短，比值也大；反之，比值小。
3、爬升时间
E.S要求：从开电到发出稳定流明100%的时间≤90秒，测试10个灯，平均值符合要求。爬升时间要求得到提高，原有标准是达到稳定流明80%的时间≤180秒。标准的提高，给灯的设计带来一定困难。
影响灯的上升时间因素很多，如汞齐类型、支撑杆长度、氧化铝比例、冲气压力、分解电流大小、灯的真空度等等。必须进行合理的选择材料和工艺，才能满足爬升是将要求。
4、开关性能
E.S要求：灯寿命的一半，但最少10000次。10个灯测试，必须9个可以通过 (测试方法5分开,5分关）。原有标准是灯寿命的一半，6个灯测试，5个可以通过。与原有标准相比，开关次数增加了一倍，如灯的寿命要求是10000小时，原有标准只需要开关次数达到5000次就可以了，新标准要求达到10000次以上。
5．显色指数：
E.S要求：平均值≥80，R9>0，并且不超过3个样品的显色指数低于77, 没有低于75的样
品。新标准提出了R9>0的概念，原有的荧光粉配方已不能满足E.S新要求，必须寻求新的配
方。
6、光通维持率
ERP5要求：裸灯2000小时:≥88% (带罩灯≥83%); 6000小时≥70%
反射灯的光通维持率，与冲气压力、保护膜厚度、荧光粉涂覆重量、阴极的质量有关。
三、带反射罩紧凑型荧光灯的设计
为了符合新标准的要求，必须从灯的设计着手，最好的质量不是生产出来的，而是设计出来的。必须优化设计。
1、阴极设计
⑴考虑灯的启动性能：灯启动时电极的热电阻Rh最好选取在冷电阻R0的4-4.5倍，此时启动电压比较低，可以有效避免电极溅射。
⑵考虑灯的连续工作特性：在高频点燃情况下，电极加热方式有两种,电极通过电流加热和电极通过电弧加热。灯启动后，灯管电流和灯丝电流同时加热电极。由于这一原因，需要较低电阻值而又能通过较大4R0电流的电极，以避免电极过热，延长灯的寿命。因此，通过4R0的电流应与灯的工作电流相近，以避免电极过热，确保电极处于合适的工作温度，延
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长灯的寿命。
⑶考虑电极必须储存足够的电子发射材料，确保灯的长寿命。
根据以上条件,我们选择4R0的电流与灯的工作电流相近的三螺旋主辅丝,并在灯丝表面涂覆一定量的三元碳酸盐,制成氧化物阴极,它的工作温度为1050K左右。若阴极温度过高，将导致电子发射材料的严重蒸发；若阴极温度过低，则导致电子发射材料的严重溅射。4Rh /R0技术,确保了灯管的长寿命要求。
灯丝结构选择原则：采用主辅丝结构，电子粉应尽量渗透在灯丝内表面，电子粉不易耗尽；且导入阴极电流（IK）与4倍灯丝热阻（I4)之比符合0.7~1.0要求：即（IK/I4)= 0.7~1.0。
（4）电子粉的选取：
可以优先采用日亚电子粉，初始电子粉重常规标准：＞0.1mg/W,10W以下机种须保证1mg以上。残余电子粉重是初始粉重的75~85%；
（5）阴极处理工艺要求
根据阴极电子发射材料特性要求，选择合适的分解电流和分解时间，在分解过程中加入数次氩气冲洗，下灯前采用高真空泵抽真空，确保灯内的真空度，满足灯的长寿命要求。
有了好的阴极设计，加以适当降低PCBA最高输出电压（OCV）,将灯的击穿电压控制在一定范围内，不要太高，可以有效提高灯的开关次数，符合新标准要求。
2、无积粉涂覆技术
为了提高灯的光通维持率，我们采用无积粉涂覆技术，可以节约20%荧光粉，并能提供灯的光效。无积粉工艺关键在于粉浆的配制工艺、搅拌时间和添加剂的加入量。添加一定比例的纳米级氧化铝、粘结剂，使粉浆获得所需的粘度、比重。严格控制烤管工艺,加快流程,尽量缩短在制品存放时间,减少荧光粉层的吸附。
带反射罩紧凑型荧光灯用荧光粉应满足以下几个要求：
⑴ 荧光粉颗粒度分布均匀，大小适宜，中心粒径控制在4-6μm，需要不球磨粉。 ⑵ 荧光粉能均匀地涂覆在玻管内表面上，形成一层厚薄均匀且又牢固的荧光粉膜。 ⑶ 具有良好的热稳定性，色漂移小。 ⑷ 单色粉氧化铕、氧化铽含量要求： 红粉：氧化铕含量＞6.6%；最好能达到6.8%； 绿粉：氧化铽含量＞8.2%：最好能达到9.0%；
蓝粉：氧化铕含量2.7-3.0%
考虑到R9＞0的要求，需要添加一定量的浅红粉。
荧光粉涂覆量（mg/cm)可以按照有效面积计算,以灯管内表面积为准；带反射罩紧凑型荧光灯采用无积粉涂覆工艺，荧光粉涂覆量按有积粉工艺的80%计算。考虑到光通量和光通维持率的要求，可以选择5.5~6.5 mg/cm。
3. 纳米氧化物保护膜涂覆：
在灯正常点燃过程中,钠是汞消耗的主要因数,为了有效防止玻管黑化和钠汞齐的生产,我们采用了以下两种方法:
（1）采用低钠无铅玻璃管,减少钠含量 （2）涂覆纳米Al2O3、TiO2或SiO2保护膜
我们在玻璃内表面涂覆一层均匀的厚度为0.1μm以上的纳米氧化物膜,而后涂覆三基色荧光粉,在一定程度上阻止了汞向玻璃的渗透和钠从玻管内表面向荧光粉粉层的热扩散，从而减缓玻管的黑化进程和黑色钠汞齐在荧光粉层上的生成，使灯管的光衰减少。纳米保护膜涂的太薄,不能完全阻挡纳汞齐的生成, 涂的太厚,容易造成荧光粉的脱落。我们的方法是:在粒度为50nm-100nm的氧化铝、氧化钛或氧化硅中加入一定量的纯水,采用高速旋转方法,充分搅拌数十分钟,在涂覆前加入一定比例的C2H5OH进行稀释, 通过改变粉桨的比重和干燥时间来控制保护膜的厚度。对于带反射罩紧凑型荧光灯，使用TiO2、SiO2保护膜，光通维持率优于Al2O3保护膜。但必须注意的是，TiO2保护膜混入荧光粉中，将严重影响灯的光效。TiO2保护膜涂覆后，必须烘干后方可涂覆荧光粉。
4、1.5mg汞齐选择和支撑杆长度的控制
带反射罩紧凑型荧光灯可以优先采用比利时优美科1.5mg 铋铟锡汞；也可以采用国产1.5mg铋铟汞，合理选择铟和汞的含量及支撑杆的长度，可以有效的控制灯的光效和爬升时间。由于选择的汞齐融化温度较低，需要防止汞齐的融化和位移，否则，将引起色漂移，特别是X值的漂移。
5、最佳Ar气压力控制：
在实际生产中,Ar气压力太低,影响灯的寿命, Ar气压力太高,影响到灯的爬升性能和光效。考虑到两者关系,我们取400-500Pa。
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