灯丝温度对紫外线灯管的影响

01 灯丝温度

一、前言

在前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。

▲ 图1.1.1 紫外线在高压击穿后发出光芒

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

from headm import *
from tsmodule.tsvisa        import *vdim = linspace(0, 4, 100)cdim = []for v in vdim:dh1766volt(v)time.sleep(1)c = dh1766curr()printff(v, c)cdim.append(c)tspsave('VC', vdim=vdim, cdim=cdim)dh1766volt(0)plt.plot(vdim, cdim)plt.xlabel("Voltage(V)")
plt.ylabel("Current(A)")
plt.grid(True)
plt.tight_layout()
plt.show()

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

#!/usr/local/bin/python
# -*- coding: gbk -*-
#============================================================
# TEST1.PY                     -- by Dr. ZhuoQing 2023-02-05
#
# Note:
#============================================================
from headm import *
from tsmodule.tsvisa        import *
from tsmodule.tsstm32       import *
vdim = linspace(0, 2.5, 100)
hvdim = []
cudim = []
for v in vdim:dh1766volt(v)time.sleep(1.5)meter = meterval()current = dh1766curr() * 1000voltage = meter[0] * 986hvdim.append(voltage)cudim.append(current)printff(v, current, voltage)tspsave('measure', vdim=vdim, hv=hvdim, cu=cudim)
dh1766volt(0)
plt.plot(vdim, hvdim, label='voltage(V)')
plt.plot(vdim, cudim, label='current(mA)')
plt.xlabel("Input Voltage(V)")
plt.ylabel("Voltage/Current")
plt.grid(True)
plt.legend(loc="upper right")
plt.tight_layout()
plt.show()
#------------------------------------------------------------
#        END OF FILE : TEST1.PY
#============================================================

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1.3.3 灯丝在室温下击穿电压

▲ 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。

▲ 图2.1 紫外线灯击穿电压

补充实验

根据头条上的读者反馈，说是灯丝的温度不够高，所以对于灯管击穿电压影响不够。另外，如果使用高频高压，则灯管击穿特性应该非常不同。下面将灯丝的驱动电压提升到5.5V，重新进行测试。

下面是第一次测试结果，非常奇怪，居然灯管在200多伏就击穿了。这个变化实在是太快了。

▲ 图1 5.5V灯丝电压

将灯丝电压降低到5V，重新测试紫外线灯管击穿电压曲线。发现它的击穿电压重新又回到了1125V左右。说实在的，灯丝电压仅仅从5.5V降低到5V，应该是温度没有多大的变化，与前面测试结果来看，应该是前面测试过程中出现了问题。

▲ 图1.2.2 灯丝电压为5V时对应的击穿电压

下面重新将灯丝的电压设置外5.5V，在逐步使用直流电压测试紫外线灯管击穿电压曲线。如下图所示，可以看到此时灯管的击穿电压又重新回到了1100多伏了。

▲ 图1.2.3 灯丝电压为5.5V时对应的灯管击穿电压曲线

from headm import *
from tsmodule.tsvisa        import *
from tsmodule.tsstm32       import *
vdim = linspace(0, 2.5, 100)
hvdim = []
cudim = []
for v in vdim:dh1766volt(v)time.sleep(1.5)meter = meterval()current = dh1766curr() * 1000voltage = meter[0] * 986hvdim.append(voltage)cudim.append(current)printff(v, current, voltage)tspsave('measure5_5V', vdim=vdim, hv=hvdim, cu=cudim)
dh1766volt(0)
plt.plot(vdim, hvdim, label='voltage(V)')
plt.plot(vdim, cudim, label='current(mA)')
plt.xlabel("Input Voltage(V)")
plt.ylabel("Voltage/Current")
plt.grid(True)
plt.legend(loc="upper right")
plt.tight_layout()
plt.show()

下面对于灯丝在5.5V又重新进行测试，这一次可以看到灯管击穿电压小于1000V。

▲ 图1.2.4 在灯丝电压为5.5V下重新测试

通过以上几次测试，可以看到紫外灯管的击穿似乎会受到外部的影响。也就是在临界击穿状态下，有可能会受到周围环境中的其它辐射影响，造成提前击穿。这是我的一种猜测。

measure.npz
measure5_5V.npz
measure.npz

● 相关图表链接:

图1.1.1 紫外线在高压击穿后发出光芒
图1.2.1 测试灯丝特性示意图
图1.2.2 灯管灯丝的伏安特性
图1.3.1 阴极灯丝加热状态下击穿电压
图1.3.2 灯丝在加热状态下一是室外下击穿后发光对比
图1.3.3 灯丝在室温下击穿电压
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
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
图2.1 紫外线灯击穿电压

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