车灯技术实验 技术创新引领产品发展

　　杨正名、高光义、张明、柴国生

　　广东雪莱特光电科技股份有限公司，广东佛山，528225

　　摘 要

　　讨论了车用氙气金卤灯与普通商用金卤灯特征的不同及启动状态的差异，分析了氙气金卤灯的放电发展过程和流光理论模型，给出了放电发展过程的测试结果。

　　关键词 氙气金卤灯、场致发射、流光放电、热启动

　　Ⅰ 概述

　　对于商用充氩金卤灯[1]，其启动过程通常都被描述为是首先产生低气压氩—钨辉光放电，由于电极是一对直径较细的钨棒，回路阻抗很小，启动后电流迅速增大，电极上的电流密度很大，电极迅速加热，阴极的电子发射迅速从辉光放电的二次电子发射转化为热电子发射，同时放电模式相应转化为低气压、热阴极弧光放电，此时放电压降由低气压的氩、汞混合气形成的低气压弧光放电决定，通常在15伏左右。随着汞及随后金属卤化物的蒸发，放电逐步转入高气压弧光放电，灯压降亦随之相应升高。

　　在前述放电发展过程中从放电起始到辉光放电建立的第一阶段是由触发脉冲完成的。随后从辉光放电向弧光放电过渡的初始阶段，在放电压降仍高于电源电压的情况下其发展仍需靠触发脉冲支持。当放电发展到电弧压降低于电源电压以后，其继续发展直到稳定弧光放电的建立则是由点灯电源自动完成的。放电发展的前期过程持续在毫秒量级，所以触发脉冲持续时间至少需能满足前期放电发展过程的需要，否则将不可能建立稳定的弧光放电。在高压触发脉冲宽度不够的情况下放电电流将不可能持续增加，阴极将不能升温到产生足够热电子发射的程度，弧光放电将不可能建立。因此此类放电的建立对触发脉冲宽度有一定要求，否则放电一闪即灭。多种型号触发器之所以不能可靠地触发金卤灯，大部分不是由于脉冲幅度不够，而是脉冲宽度不足以保证每次触发都能使放电发展为稳定的弧光放电所致。

　　上述放电发展过程适用于高压汞灯、高压钠灯、商用金属卤化物灯以及超高压汞灯等初始气体压力较低的弧光放电灯，但对于初始气压很高的灯种如高气压脉冲氙灯，充有高压氙气的金属卤化物灯等的放电发展过程将完全不同。

　　Ⅱ 流光放电过程

　　氙气金卤灯中的冷态氙气压力在6个大气压以上，这种状态下气体的击穿电压约数万伏(例如车用氙气金卤灯中要求的气体压力为6大气压，相应的触发电压为23KV)。这种状态下辉光放电击穿理论已完全不能适用，这时的放电发展过程与大气中雷电的形成过程相似[2]。

　　雷电形成区域通常在离地面5KM以下的低层空间，这一范围的气压在0.8~1大气压之间。雷电的形成过程可以由所谓流光放电理论说明。在二片带不同电荷的云层之间或带某种电荷的云层与地面或地面的突出物之间可能出现数十万伏以至数百万伏的电位差，形成很强的电位梯度。这时空间出现的或从负电荷云层中发射的电子向正电荷云层加速运行时在强电场作用下，在高密度介质中将产生强烈的激发和电离并按雪崩规律迅速发展形成放电通道。这种放电通道头部为密度很高的电子云，并快速向正电荷云推进，同时产生大量激发、电离并向四周辐射光子。所辐射的光子在离开放电通道后或远或近的地方可能产生光电离或光激发。

　　在快速发展的放电通道背后质量较重、速度较慢的正离子将停留在空间形成充满正电荷的通道，在该通道形成过程中强烈的电离激发使通道周围或远或近处产生的大量新的光电子，这些光电子在放电通道中的正电荷或正电荷云的加速下发展为新的次级雪崩放电，其中较近的将很快归并到主放电通道中，使主通道迅速加宽、加强。较远的次级放电则向主通道发展，最后形成放电分支(Fig.1)。负云层中的大量负电荷则涌向正电荷通道，快速向正电荷云层推进而更加速了放电通道的发展。当放电通道贯穿了二个云层之间或该云层与地面之间的空间时，则强烈的放电过程立即通过放电通道发展，云层所携全部电荷瞬间释放，形成了数万度以上的高温通道并伴之以强烈的气体膨胀，出现了强烈的电闪雷鸣。由此可见雷电发展过程可分为二步，第一步是放电通道的建立，该步骤是由串联并联在一起的大量雪崩放电完成的，第二步则是大量电荷通过放电通道的释放，这取决于积聚的电荷量与通道状态。

　　由对雷电发展过程的描述可以清楚看出这种高气压放电的击穿过程与辉光放电的雪崩过程是完全不同的，如所周知辉光放电的发展是靠电子雪崩产生的离子回到阴极再产生新雪崩放电在放电，由于每次雪崩产生的离子均比上一个雪崩多，从而使雪崩放电不断加大，如此反复多个周期，最后达到了放电自恃的条件γ(eαd—1)=1 [з]，这时就形成了稳定的辉光放电，这里γ是正离子的二次电子发射系数;α是汤生第一电离系数、即在该放电条件下一个电子在阳极方向每前进1cm所产生的电离次数，α与气体种类有关，电场愈强气体粒子密度愈高、α值愈大，对于一定的气体α为E/P的函数;d为阳极和阴极间的距离。

　　雷电的发展是比辉光放电要强烈快速得多的过程，这是由于在高气压下的电子雪崩过程以及高电压、强电场条件下产生的强烈激发和电离特别是所产生的大量光子在周围甚至在前进途程中不断产生的新的大量次级电子雪崩汇合形成的。这一过程的前提是很强的电场和很高的气压，其特点是在一系列由光子产生的串连的电子雪崩过程完成后立即完成了云层之间或云层与地之间高导电率的放电通道的建立。在随后的强烈电荷释放过程中，巨大的数十万乃至数百万安培电流瞬间通过、使气体迅速加热到数万度以上高温，伴之以强烈电离激发和爆炸式的气体膨胀，而导致惊人的电闪雷鸣的第二阶段放电。第二阶段的前提是云层自身携带的巨大电量或大地提供或接受电子的几乎是无穷的能力，第二过程的发展比第一阶段的发展更快得多。

　　根据测量结果分析[2]雷电中电子雪崩过程持续时间通常在10-3秒量级而电荷释放过程则在10-6秒范畴，由于雷电通道很长，通常达数十米至数百米甚至更长，前者发展速度高达1×107~5×107cm/秒而后者推进速度则在108~109cm/秒范围。

　　Ⅲ　高气压氙气金卤灯中的击穿过程

　　车用氙气金卤灯中冷态氙气压力约6大气压，在这样高的气压下其击穿不可能按辉光放电过程发展，采用照明金卤灯的常用启动方法决不可能使车用氙气金卤灯点燃。点燃氙气金卤灯时是将一脉宽数百纳秒、幅值23KV的高压触发脉冲加到灯的电极之间，这一脉冲的出现使距离为4.2mm的两根针状电极之间出现106V/cm以上的强电场，如所周知在如此强的表面电场作用下，金属表面势叠变狭，隧道效应将引起极强的场致发射，场致发射密度高达106安/cm2以上。场致发射属于冷发射，发射密度虽大，但不消耗能量、也不损伤阴极，这就是这种灯在进行了10万次以上的开关试验后性能基本不变的原因。

　　在触发脉冲出现瞬间高密度场致发射的电子流在强电场作用下迅速涌向正极，由于这时空间的电位梯度很高，即使在如此高的气压下E/P值仍然很大，汤生第一电离系数α值很大，加以氙气压力比雷电形成的空气压力高很多倍，而氙气又比空气更易激发和电离，更为突出的是这里的雪崩式放电不是由少数原始电子引起，而是由密度很大的场致发射电子同时推进的几乎是爆发式的雪崩放电。因此高压氙灯中的放电发展速度比雷电发展速度更快，数百ns的脉冲持续时间足以使距离不过4.2mm的整个放电通道击穿，并迅速形成稳定的放电电弧。

　　Ⅳ 车用氙气金卤灯着火过程及特性的实验研究

　　ECE.R.99对车用氙气金卤灯着火过程速度的要求非常苛刻，该标准规定为点火1秒时光通输出需达目标值的25%，而4秒时需达目标值的80%以上。

　　这样的光通上升速率必须有灯参数及镇流器性能的双重保证，最关键的两个因素是：灯中充入了高压氙气，这使触发过程变得很短，而且触发一旦完成立即进入高气压弧光放电，灯的输入功率迅速加大，从而加速了泡壳的温升和汞及金属卤化物的蒸发;第二个重要因素是在启始阶段镇流器输出超大电流，使灯功率超过正常值数倍而加速灯的温升。这两个因素的结合保证了车用氙气金卤灯的温升速度满足了ECE99法规的要求。当然电弧管的形状和体积对灯的温度速升也有重要影响。以雪莱特品牌镇流器与雪莱特氙气金卤灯匹配测得的光通上升曲线示如图2，该曲线共包括5000个测试点，测试点的取样间隔可以调节，总的测试时间为取样间隔×5000。图3曲线的总取样时间为40S。由图可见在曲线的起始部分尖峰(线段1)上反应了触发瞬间的放电发展和闪电式的明亮，触发过后转入稳定的高压氙的弧光放电(线段2)，随着电弧管的温度上升和汞蒸发、电弧管压降增加、输入功率加大、光通量上升、因而出现了上升的线段3。在电弧管温度升高到400℃左右时汞的快速蒸发使放电迅速转化为高气压汞放电，因而出现了线段4的上升。在电弧管温度升高到600℃以上时，金属卤化物开始蒸发并参与放电发光这时就出现了线段5的情况。

　　如前所述电子镇流器在触发初期输出一超大电流使灯加速温升，经数秒钟当灯压降上升到接近稳定压降时、灯电流将自动降低到正常值。随着灯电流下降，灯功率和光通量亦随之降低并趋向稳定值，这就是线段6和线段7所表明的情况。

　　采用测试图2温升曲线的同一组灯和镇流器，缩短采样间隔，将总扫描时间缩短为4S时(即只测Fig.2的温升曲线的1、2、3线段)所得曲线示如Fig.3，由图可以清楚看出该三阶段温升趋势的截然不同。显然起始的峰值是氙气击穿产生的尖峰，但在持续不足100ms以后立即进入稳定氙气弧光放电，光通量随放电电流的增加以及汞的微量蒸发而上升，出现低平线段2。由于电弧管壁温度的继续上升汞汽压力加大，电弧压降逐步升高，放电模式从氙气放电转化为高气压汞氙弧光放电，灯的输入功率以及输出光通量均相应上升(线段3)，这三步过程总共持续约2S左右，经过这三个阶段的放电发展，管壁温度已经较高，引起汞的快速蒸发，放电转为高气压汞汽放电，光通量再次上升，在放电发展到约4S时，输出光通量已能满足标准要求。

　　仍用同一组镇流器与灯泡进行测试，进一步缩短采样时间间隔，使总读数时间缩短为0.4S，则得Fig.4所示曲线，该曲线实际上是Fig.2，Fig.3上线段1和线段2的前一部分的展开，由Fig.3、Fig.4可见在主峰1前沿还存在一预峰8，峰8的上升前沿(约8ms)实际上是触发脉冲的反应。在峰8顶点整个触发过程已经结束，随后的下降则是由于脉冲消失所致。随着放电的发展和加强，高压触发脉冲形成的放电和所形成的浪涌电流产生了一个涌浪式光脉冲，整个光脉冲的持续时间约100ms即进入了相对稳定的高压氙气弧光放电，在相对稳定的约1S以后汞的蒸发和随后的金属卤化物的蒸发引起了一个接一个的如前所述放电发展阶段。

　　Ⅴ 高气压氙气金卤灯的热启动问题

　　通常高强度放电灯的热启动是一个难以解决的问题，因为热态电弧管中有几个或几十个大气压的Xe、Hg或Aa及其它金属卤化物蒸汽，没有上万伏的电压很难使这样的灯重新着火，而触发器只能产生3KV左右的脉冲电压。

　　人们对汽车用前照灯的要求是即点即亮而不管热态还是冷态，车用氙气金卤灯必须满足这一要求，否则将无法应用。因此设计者采用了23KV的高压触发脉冲，即使在热条件下灯中有高达数十气压的气体和蒸汽，如此高的触发电压和强电场所产生的高密度场致发射将轻而易举地使热态氙气金卤灯击穿。车用氙气金卤灯的热启动标准为：在点燃15分钟后熄灭10秒钟重新点燃，要求1秒时光通输出为2629lm达到目标值的80%。Fig.5表明了高压氙气金卤灯熄灭后经5秒钟后重新触发的光通变化曲线，由于这时灯中气压几乎未变化，重新着火后灯压降及其他参数几乎仍保持原先状态，不出现明显的重新着火过程，灯点燃后光通量也迅速恢复到熄火前的数值，Fig.5的总取样时间为4S。Fig.6则是按标准要求测试结果，曲线表明该灯与镇流器的组合在熄灭10s重新点燃后1秒钟达到标准值的82%。该曲线全部取样时间为40秒。Fig.7则是灯熄灭15s后的再启动特性，全部取样时间为0.4秒，这时有一个明显的重新着火过程，而且光通的重新上升也比较缓慢，除启动过程比冷启动过程提前加快而外，Fig.7的曲线与Fig.4的冷态启动曲线是相近的。

　　Ⅵ 结论

　　车用氙气金卤灯的工业化生产已经开始。除功率、用途、功能及光电参数外这种金卤灯与商用金卤灯的基本区别在于这种灯中充有高压氙气，而这一差异造成了二者启动过程和启动特性的不同。车用氙气金卤的启动特性是这种灯应用的关键，研究透彻氙气金卤灯的启动过程和特性对于改进这种灯的参数和启动性能有重要意义，希望本文有助于业内同行。