一 个典型的荧 光灯中发 出 的可见光( 包括从荧 光 粉涂层中发 出的和在 放 电时直接发出 的)大约相当于输入灯内能量的 28%。荧光灯的光性能主要取决于灯管的几何尺寸即 长度和直径,填充气体种类和压强,涂敷荧光粉以及制造工艺。 荧光灯色温分为: 暖色调系列:如/29,/827,/830,/927,/930 等,能塑造温暖辉煌,缩小距离 空间,给人一种轻松和舒适的照明感觉。在使 用时,一般与白炽灯混用,不适合与自 然光混合使用。 中间色调系列:如/33,/835,/840,/927,/940 等,中性色彩在使用时,明亮 的白色光可与自然光完满结合,一般用于有自然光照射或需要较冷色调气氛的空间。 冷色调系列:如/54,/850,/865,/950,/965 等,能塑造宁静冷清,增大距离 空间,给人以活泼的照明感觉,在使用时,一般用于颜色 1 比较或特别强调冷色效果 的场所。 荧光灯显色性分为: 显色指数较低,如 51,63,72 等,适用于一般工作场所和对显色性不重要的场 所(仓库,停车场)等。 显色指数大于 85,适用于长时间工作场所,能使工作者心情舒畅。 显色指数为 95,97,98 等,用于显色性要求高的场所或特殊环境。 选择荧光灯的秘诀:灯的色温,显色性,寿命,光效及含汞量。 选用直管荧光灯的原则: 1 任何情况下,应采用细管径(管径≤26mm)灯管,即 T8、T5 等类型,取代 T12 灯管,有明显的节能环保效果。 2 任何情况下,都应采用三基色荧光灯,不应再选用卤粉荧光灯。三基色灯管具 有光效高、显色好、寿命更长的优势。虽价格贵(约贵一倍),但由于其光效高,不 仅节能效果好,降低了运行成本;而且由于使用灯数减小,节省了灯具及镇流器的费 用,反而使照明系统的总初建费用降低。 3 采用大功率灯管: 在功能照明场所 (除外装饰性要求) 应选择不小于 4 呎 , (近 似 1200mm)长灯管,即 T8 型 36W、T5 型 28W,其光效更高。 4 一般情况宜采用中色温灯管:光源的色表(用相关色温表示)选择,除建筑色 彩特殊要求外,一般可根据照度高低确定:简单说,高照度(> 750lx)宜用冷色温 (高色温),中等照度(约 200~1000lx)用中色温,低照度(≤200lx)用暖色温(低 色温)。因为暖色温光在低照度下使人感到舒适,而在高照度下就感到燥热;而冷色 温光在高照度下感到舒适, 在低照度时感到昏暗、 阴冷。 多数场所的照度在 200~750lx 之间,用中色温光源更好;而且中、低色温的荧光灯光效比高色温灯更高,也有利节 能。 五 CCFL 1 什么是 CCFL CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamps)即冷阴极荧光灯,是一种气体放电发光 器件,其构造类似常用的日光灯,如图所示,通过连接插头与高压板相连。 冷阴极荧光灯具有体积小、亮度高、寿命长的特点,但工作前需要预热。该类光 源已经广泛应用于液晶显示器,液晶电视机的背光源中。 背光模组的主要产品种类有:发光二极管( LED)、卤钨灯、电致发光(ELD)、 冷阴极荧光灯(CCFL)、阴极发射灯(CLL)、和金属卤化物灯等。其中工艺成熟、 性能稳定,在彩色液晶显示器(TFT-LCD)上普遍使用的背光源是冷阴极荧光灯 (CCFL);在面积较小的 LCD 上普遍使用的是 LED 背光源,尤其以发光均匀、高 效的侧背光为主,LED 背光源主要的应用范围:如手机、PDA、游戏机、家用电器、 仪表、仪器、数码产品、汽车应用部件等产品的 LCD 显示面板。 CCFL 随液晶显示技术的成熟有着不小的市场前景,年增长率保持在 60%以上! 目前,日本是 CCFL 器件的最大生产商市场占有率约 60%,其次是台湾,市场占有 率约 18% 冷阴极荧光灯的另一主要的应用领域就是霓虹灯,我国 2008 年的霓虹灯产值为 30 亿人民币,厂家约万家,从业人员 10 万以上。在室内外的装饰照明工程中,管径为 10mm-20mm CCFL 灯的瞬时点燃,可频繁开关,可动态调光,色彩鲜艳和长寿命等 优点使它仍保持旺盛的生命力,得到广泛的应用,其产品如图所示。 粗管径 CCFL 产品 室内照明用 CCFL 随着技术的发展,CCLF 技术已经完全转型向室内照明器具。国内目前还没有涉 及到这个领域,日本已经将产品投入市场。 类型有双灯管用和单灯管用灯具,灯管长度为 300mm,600mm,900mm, 光色有灯泡色(3000K),日光色(5000K)和广告牌用日光色(20000K)。最大消 费电力 18W(双灯管 900mm),光束为 780lm(单灯管 900mm)。使用寿命 6 万 小时,跟 LED 并驾齐驱。价格低于 Hf 型同型号照明灯具。 2 CCFL 的构成件 连接器:连接 Inverter 铁框:保护、固定灯管 尼龙铆钉:固定灯管与导光板、反射片、扩散片、錂镜片 导光板:导光 热缩套管:固定高压导线、绝缘、保护裸露电极端 高压导线:导电 灯管银反射纸:反射灯管光,使导入导光板 3 CCFL 的原理 CCFL 是一个密闭的气体放电管,其结构如下图所示,在管的两端是阴冷极,采 用镍、钽和锆等金属做成,无须加热即可发射电子。灯管内主要是惰性气体氩气,另 外,有充人少量的氖气和氪气作为放电的触媒,再有就是少量的汞气。在两端加一定 高压(这个电压为启动电压,一般为 1500~1800V)时,灯管中的汞原子在高压的作用 下会释放出紫外光,波长大约是 253.7nm。与此同时,有一部分电能转化为热能白白 消耗掉了,大约只有 60%电能会转化成紫外光。灯管的内壁涂有一层薄薄的白色荧 光粉(假定这个灯管是白色的), 这层荧光粉在吸收到灯管内的紫外光后会发出可见光, 这时就看到灯管亮起来了。这个点亮的过程很短,一般为 1~2s。灯管被点亮后,由 于内部气体性质发生了变化,此时只需要比启动电压低很多的一个小电压 (这个电压 为维持电压,一般为 500~800V)就可以维持灯管继续点亮,而且亮度不会发生变化。 冷阴极荧光灯是一个非线性负载, 灯管的供电必须是交流正弦波, 频率为 40~80kHz。 冷阴极荧光灯在开始启动时,当电压还没有达到启动电压时,灯管呈正电阻(数兆 欧),一旦达到启动值,灯管内部发生电离放电,产生电流,此时电流增加,灯管两 端电压下降,呈负阻特 J 跬。所以,冷阴极荧光灯触发点亮后,在电路中必须有限流 装置,把灯管工作电流限制在-个额定值上,否则,电流过大会烧毁灯管,电流过小 点亮又难以维持。 4 CCFL 的特性 4.1 作为商品的特性 极佳的白光源 低成本 高效率(电源进到灯光出) 长寿命(>25K 小时) 稳定及可预知的操作 亮度可轻易变化 重量轻 为使 CCFL 效率、寿命和可用性最大化,必须考虑到其所具有的一些独特特性。这篇应 用笔记描述了其中的一些 CCFL 特性。 需注意的是, 这里给出的数据是在特定的 CCFL 上采 集的,根据应用中所用到的 CCFL 模块的不同,详细数据会有所改变。不过,这里描述的通 用趋势适用于所有 CCFL。 4.2 CCFL 的电气特性 CCFL 需要在高压、交流电源的驱动下工作,因此,在液晶显示器中,需要将开关电源 电路产生的低压直流(12V)变换为高压交流电源,这项工作由高压板完成。为了降低 CCFL 的功耗, 提高高压板电路的转换效率, 应尽可能地使 CCFL 的电气特性与高压板电路的电气 参数相匹配。 CCFL 在点亮之前,会呈现出一个很高的阻抗,须加一个 1500V(均方根值)以上的正弦 波交流电压,其峰-峰值可达 3000~5000V P-P;而当灯管点亮后,气体会全 部电离,灯管内的阻抗会降低至 80kΩ 左右,此时灯管的工作电压会降低到 600V(均方根值) 左右。CCFL 的工作频率一般会设置在 40~80kHz,因为此时的发光效率比其他频率下高出 15%左右。 可见,在某些情况下,CCFL 的伏安特性与齐纳二极管十分相似,在未点亮前,CCFL 呈现无穷大的阻抗,一旦点亮,基本上是一个电阻型阻抗。因此,对于 CCFL 的启动,可以 首先用一个启动电压将灯管点亮, 然后限制并维持通过 CCFL 的电流, 在一定的电流作用下 产生相应的压降。 CCFL 的电流-电压关系可用图描述,曲线分为启动阶段和工作阶段,图中用垂直虚线 分开。 虚线左边为启动阶段,灯管启动初期,电流及其微弱,随着灯管两端电极之间电压的增 大, 灯管内的汞离子加速并定向运动(由于是交流激励而往复运动), 灯管的电流 图 7 3 CCFL 的电流-电压关系步增大,当电压升至一定值时,灯管启动。启动阶段,灯管的电流受电压 制约,电压越大,电流越小。 灯管启动之后, 呈现电阻特性, 并且具有负的稳压特性, 即电流越大, 两端的电压越小。 灯管两端的电流越大,亮度越高,电压受制于电流值。在此阶段,灯管的电流值实际上决定 了灯管的发光亮度,但增大电流的作用是有限的,且过大的电流会使灯管的电极受到损害, 进而导致寿命缩短。 4.3 温度对 CCFL 的影响 如图 1、2 和 3 所示,CCFL 的工作特性很大程度上受温度的影响。在低温下,灯管亮 度下降非常明显(参见图 1),且灯管启辉所需的电压(例如,开启)显著上升(参见图 2)。如图 3 所示,灯管表现出的自加热特性将直接影响灯管启辉后的灯管亮度。 图 1. 灯管-亮度温度依从关系 图 2. 启辉电压-温度依从关系 图 3. 灯管自加热亮度特性 4.4 灯管电流对 CCFL 的影响 CCFL 效率很大程度上受驱动灯管的电流波形的影响。正弦波形可提供最好的效率。相 反地, 振幅因数很大的非正弦波形不是高效的 CCFL 驱动信号。 4 显示的是具有相似 RMS 图 电流的两个电流波形。虽然高振幅因数波形与正弦波形具有相同的 RMS 电流,但其超出正 弦波形的 150%峰值幅值的电流漂移并不产生额外的光,而是仅产生热。这意味着工作在高 振幅因数波形下的系统,其电气功率转化为亮度输出的效率被降低很多。 图 4. 灯管电流-波形比较 4.5 灯管电压对 CCFL 的影响 达到最佳工作性能所要求的 CCFL 工作及启辉电压是根据灯管长度和直径而定的。 6 显示 图 的是工作电压是如何根据灯管长度增加的。直径小些的灯管需要高些的工作电压。 图 6. 灯管电压-长度依从关系 CCFL 具有表现为'负阻'的非一般特性,也就是说当电流增加时(参见图 7)灯管电压 降低。 负阻因灯管而异, 这就造成不同灯管在任意特定电压下都具有不同的电流, 因此, 每个灯采用单独的变压器和电流控制电路将可获得最为均匀的灯管特性。 4.6 DC 偏移对 CCFL 的影响 DC 偏移是使用 CCFL 时必须考虑的另一种波形问题。为降低灯管内汞迁移可能性,灯 管波形必须具有最小的偏移 CCFL 设计用于运行在特定额定电流下,典型值范围是 3mARMS 至 8mARMS。图 5 显 示的是减少灯管电流会降低灯管亮度, 且增加灯管电流会提高灯管亮度。 注意的是这种关系 在较高的电流下不是线性的。 在接近标称额定工作电流时, 灯管的亮度按照与灯管电流成几 乎 1:1 的比率关系变化;但在更高的电流下该比率降到小于 1:3。因此,使灯管运行在接近 其额定电流下是很重要的, 因为运行在远超过其额定值时会降低灯管寿命。 同样, 在像 LCD TV 及 LCD PC 监视器这样的多灯管应用中, 为了在整个 LCD 面板上提供统一的光扩散, 保 持灯管接近相同电流(例如,亮度)幅值是很重要的。在这些多灯管应用中,单个灯管电流幅 值和波形必须要精确监视且严格控制,否则,很可能灯管将表现出不同的亮度。 图 5. 灯管亮度-电流依从关系 4.7 灯管启辉对 CCFL 的影响 在电离发生之前,灯管上的阻抗为几兆欧姆级的;在典型应用中,几乎可看成是纯容性 的。在电离开始时,电流开始流入灯管,其电阻很快跌落至几百千欧姆级,几乎可看成是纯 阻性的。为降低灯管压力,启辉波形应是对称的、不带尖峰的线性正弦波斜坡。如上面注明 的,启辉 CCFL 所需的电压是根据温度(参见图 2)变化的。即使是在完全相同的温度及偏置 条件下,灯管启辉的确切时序不具有高度可重复性,而且能有±50%的变化。 5 CCFL 背光源的采光技术 在深入了解背光技术之前,有必要先了解当前的背光技术存在什么问题。由于液 晶是一种介于液体和晶体之间的物质,可以通过电流来改变其分子排列状态,且给液 晶施加不同的电压就能控制光线的通过量,从而显示多种多样的图像,但液晶本身并 不会发光,因此所有的 LCD 都需要背光照明。 背光源最早产生于二战期间,主要用于军用设备上的仪表显示。20 世纪 60 -70 年代,出现了粉末电致发光的背光源,20 世纪 80 年代人们研制出了半导体 LED 背 光源。之后,LCD 等非自主发光器件问世,但它们需要大尺寸、长寿命的背光模组提 供底光。伴随薄膜晶体管液晶显示器(TIT￣LCD)技术的成熟,CCFL 应运而生。 CCFL 具有管径细(可达到 1.8mm)、寿命长、亮度高、工作电流低等优点,已广泛 应用于笔记本电脑和个人数字助理器(PDA)等产品中,并在目前 LCD 背光源中占 据着统治地位。图是采用 CCFL 背光源的 LCD 模块的结构示意图。小型 CCFL 提供 了用于大型 LCD 所需的亮度和寿命(及灯光管制能力),这就是它至今仍是背光照 明最为常用的方法的原因。CCFL(冷阴极荧光灯)的主要特性如下。 ①高亮度,3000~4 000cd/m 2 。 ②长寿命(约 20000 小时)。 ③低发热量。 ④高亮白色光。 图 采用 CCFL 背光源的 LCD 模块的结构示意图 CCFL 在其峰值光谱之外还会产生许多不需要的光谱,从而引起亮度恶化,并影 响 LCD 的色彩再现: LCD 中, 在 光源发出的光必须通过由红、 蓝像素构成的 LCD 绿、 板,为了获得高色彩再现,要求来自 LCD 像素的光只能有一围绕主波长的窄光谱。 CCFL 的白光为冷色,现色性比较差,其照射在物体上产生的色彩,不如太阳光 照射的鲜艳。如当前液晶电视(LCD TV)常用的 CCFL 仅能表现约 15%的肉眼颜色 范围。 由于冷阴极荧光灯不是平面光源,囚此为了实现背光源均匀的亮度输出,LCD 的 背光模组还需要扩散片、导光板、反射板等辅助器件。即便如此,要获得如 CRT 均 匀的亮度输出依然非常困难。