灯丝温度对于荧光灯的影响

在昨天测试紫外线灯管击穿电压实验中， 灯丝没有加热。 对应的击穿电压为1308V， 如果将灯丝进行加热， 能够在多大程度上降低紫外线灯管的击穿电压呢？ 我们知道电子是从阴极发射的， 所以下面通过实验测试一下对于阴极灯丝加热之后， 紫外线灯管的击穿电压是多少。

01 灯丝温度

一、前言

在昨天测试紫外线灯管击穿电压实验中， 灯丝没有加热。 对应的击穿电压为1308V， 如果将灯丝进行加热， 能够在多大程度上降低紫外线灯管的击穿电压呢？ 我们知道电子是从阴极发射的， 所以下面通过实验测试一下对于阴极灯丝加热之后， 紫外线灯管的击穿电压是多少。

二、灯丝特性

使用万用表测量紫外线灯管两端的灯丝， 在室温下电阻不到1欧姆。 下面使用程控直流电源测试一下灯丝的电压-电流特性。 这是测量电路图， 通过逐步增加灯丝两端电压，查看灯丝工作状况。

图1.2.1 测试灯丝特性示意图

这是手工将直流电源输出电压调整在4伏左右， 可以看到灯管的灯丝开始发红。 下面再让我们看看灯丝电压逐步上升的过程。 DH1766直流电源可以直接通过编程控制输出电压以及读取输出电流。 测量输出电压从0V上升到4V对应的灯丝工作电流。 可以看到电流上升分为两个阶段， 这两个阶段反映了灯丝在冷却和炽热状态下的电阻是不同的。 后面实验中选择灯丝供电电压3.5V的情况下， 重新测量紫外线灯管击穿电压的情况。

图1.2.2 灯管灯丝的伏安特性

三、击穿电压

下面通过编程自动测量灯管在阴极灯丝加热的情况下， 灯管击穿的情况。 灯丝驱动电压为3.5V， 电流1.09A， 通过DH1766给高压模块提供输入电压， 控制高压模块输出高压。 这个过程与昨天测试的方式是一样的。 这里给出了测量结果， 青色数据线表示紫外线灯管两极之间的高压， 在1185V的时候突然下降，对应灯管击穿了。 这个电压比起昨天在灯丝室温情况下的1308V的电压下降了大约120V左右。

图1.3.1 阴极灯丝加热状态下击穿电压

虽然紫外线灯管击穿电压只是略微下降，但是灯管发光却有了明显变化， 可以看到此时灯管中的紫色光柱所占的比例增加了。 紫光更靠近阴极灯丝。 这是昨天在灯丝低温下发光的情形，   这里对比一下灯丝加热状态下的区别。 可以看到明显灯丝在加热状态下紫外光更强了。这说明灯丝加热是提高灯管发光效率的方法。 另外在冷灯丝的情况下，阴极部分有荧光出现， 在加热状态下， 阴极没有荧光出现。

图1.3.2 灯丝在加热状态下一是室外下击穿后发光对比

为了对比，重新在阴极灯丝为室温下测量紫外线灯管击穿电压， 对比灯丝在加热状态下的曲线， 两者基本上没有差别。 把两次测量中灯管高压曲线绘制在统一张图中， 比较明显，灯丝的加热会使得灯管击穿电压略微降低。 这是高压包工作电流，在一定程度上反映灯管的功率， 在灯丝加热后，灯管发光功率也是增加了。

图1.3.4 灯丝在室温和加热状态下紫外线灯管击穿电压

图1.3.5 灯丝在室温和加热状态下高压电源的工作电流

下面研究一下灯丝阳极加热对于灯管击穿电压有何影响， 使用3.5V给灯管的阳极灯丝加热， 阴极仍然保持室温， 使用相同的方式测量灯管击穿的情况。 在灯管击穿之后，从外观上来看， 与阴极室温情况下灯管发光情况相同， 此时可以看到阳极发出白炽光， 阴极发出橘红色的荧光。 将灯管阴极加热、阴极室温以及阳极加热对应的灯管击穿电压曲线绘制在一起。 可以看到灯丝的温度对于灯管击穿电压有一定的影响。 令人想不到的是，阳极加热反而提高了紫外线灯管的击穿电压， 这与阴极灯丝加热的作用恰好相反。 对于这其中的物理原理，不知道谁能够帮助解释一下。

图1.3.6 阳极加热情况下灯管导通

图1.3.7 对比阴极加热与阳极加热对于击穿电压的影响

总结

本文通过实验研究了灯丝对于紫外线灯管击穿电压和发光的影响， 令人想不到的是，紫外线灯管阴极和阳极灯丝的加热， 对于灯管的击穿电压与发光影响是不同的。