冷陰極管與熱陰極管

(施工中)

1.關於冷陰極管

無論是冷陰極管還是熱陰極管﹐就原理上而言都是熒光管﹐其發光原理與一般熒光管相同。

從電極跑出的電子撞擊到水銀(也可使用氙),激發水銀使其釋放出紫外線,這個紫外線照射到塗在玻璃管內側的熒光體成為可見光。
詳情見USHIO電機公司的主頁:

http://www1.ushio.co.jp/tech/le/le2/2-14.htm


冷陰極管與熱陰極管的很大一個區別在於電極部分。
冷陰極管因其結構簡單﹐所以可以是非常細的熒光管。
由于電極的電子發射不是熱電子發射﹐故稱其為冷陰極管(Cold Cathode Fluorescent Lamp-CCFL)。
另一方面﹐一般的熒光管由于其電極有白熱燈絲﹐使其發熱並引起熱電子發射﹐故稱之為熱陰極管(Hot Cathode Fluorescent Lamp-HCFL)。

2.冷陰極管與熱陰極管的應用領域

熱陰極管由于其電極的構造無法小型化﹐故不適合于細型熒光管。
因此﹐熱陰極管主要應用于高功率的熒光管。
一般照明用的熒光管幾乎都是這個。
另一方面﹐冷陰極管由于其具有的細型的特性﹐主要被用于液晶用背面照明(背光)

Harison東芝燈具的主頁
(http://www.islands.ne.jp/harison/pro/back/index.html)

再者,最近常可以看到彩色冷陰極管用於汽車等的裝飾品,受到大家的矚目。
如果看到從旁邊穿過的汽車中有藍色或紫色的裝飾品,那就是冷陰極管。
另外,與熱陰極管相比,冷陰極管具有使用壽命長,體積小,功率低等特性,這些特性被活用於常明燈等,用途日趨廣泛。

3.冷陰極管的熱量

容易被誤解的是:通常會認為冷陰極管的陰極較冷,所以在陰極產生的熱量可能會比較小。
這是極大的錯誤,冷陰極管的陰極所發生的熱量要比同樣功率的熱陰極管大得多。
冷陰極管與熱陰極管內部的電壓坡度如圖1所示。
此處﹐請注意意陰極下降電壓與電弧柱的電壓下降。
無論冷陰極管還是熱陰極管﹐實際上能源消耗轉化為光的部分都是電弧柱的部分。
由于陰極下降電壓部分沒有用於發光﹐因此所有的能源都被轉變為熱量而浪費。
這個陰極下降電壓在熱陰極管上小﹐而在冷陰極管上大。
即﹕冷陰極管比熱陰極管的效率低。
冷陰極管在其陰極附近消耗沒用的能源﹐其結果﹐「冷」陰極管卻是熱電極。
因此﹐使用冷陰極管設計機器的時候﹐要注意使陰極附近良好放熱。

4.冷陰極管的製造廠商

比較有代表性的廠家舉例如下。

斯棠勒電氣
Harison東芝燈具
NEC燈具
威斯特電氣
SanKen電氣
ELEVAM corporation
錦湖電機(韓国)

目前﹐對於筆記本電腦等所使用的冷陰極管的評價還是SanKen電氣的產品較好。

5.冷陰極管的電氣特性

因為冷陰極管的陰極下降電壓較大,為了改善效率,所以增加電弧柱(日文:陽光柱)的阻抗值,使大部分的實際能量能夠在可視光中消耗。其結果,管電流變小、阻抗值(impedance)增加。


図2 CCFL的燈管電流-管阻抗特性

若冷陰極管的阻抗要使用在筆記型電腦的話,一般為50KΩ~200KΩ(圖2)。與此相較,熱陰極管使用於一般照明時為200KΩ~1KΩ左右。管電流越大的話,阻抗值則會急劇降低,而有負性阻抗特性。筆記型電腦用的冷陰極管放電電壓一般約為700V。熱陰極管時則約為70V~140V左右。


冷陰極管的管電壓較高,燈管的阻抗(impedance)較高,所以會強烈受到雜散電容的影響。看看下面的情況。


圖3 裸管状態時冷陰極管的電流-電壓特性

圖3為冷陰極管未組裝在液晶背光板時測定的電流-電壓特性。一般而言,冷陰極管的阻抗(impedance)(管電壓/管電流)以管電流的-5/4次方為比例,這是眾所皆知的。另外,微小電流領域中的管電壓被稱為是Kick-Off電壓、或者是點燈電壓。點燈電壓的意義是,冷陰極管若一旦未置於這樣的高電壓狀況則不會放電,但是冷陰極管中仍有極大的疑問。這是因為,冷陰極管組裝在背光板之後,此特性會有大的變化。圖4中粉紅色的特性即是組裝在背光板的狀態下測定的冷陰極管的電壓-電流特性。


圖4 組裝在液晶背光板組時的冷陰極管的電流-電壓特性

為了能夠對照,比較了裸管狀態冷陰極管的電壓-電流特性,和裸管相較之下,組裝在背光板後的Kick-Off電壓(點燈電壓)消失了。這是因為液晶背光板中一般使用的反射板是金屬,會有接近導体的效果功用。
這會在設計液晶背光板用Inverter電路時產生奇怪的問題。實際設計液晶背光板用Inverter電路時,冷陰極管的規格書中必有如上記載著開始放電電壓的數值圖,這是不具意義的。本來設計Inverter電路時就無須此數值了。如果要設計這樣的Inverter電路,成本會提高。實際上需要的是組裝在背光板的狀態中的電壓-電流特性。由此特性表中求得最大電壓,若開放輸出電壓較此最大電壓高約30%的話,即可獲得一成本合理的Inverter電路。

液晶背光板中並無Kick-Off電壓的存在!

台灣的博士論文中記載了這樣的內容。這樣的數據實際上是無法被接受的。冷陰極管單體的規格自成一格,實際測得的數值與規格書的數值產生矛盾。因此,免強使其符合的結果,就成了這樣奇怪的數據。這是博士論文,正就是問題點吧。我們不可相信此數據。

在此,更詳細地看組裝在液晶背光板中的冷陰極管的管電流-管電壓特性如下(圖5)。

圖5 管電流-管電壓特性及各領域的性質

溫度計效果領域
溫度計效果指的是冷陰極管的高壓側的部分點亮的狀態,用肉眼看的話,冷陰極管亮著的部份會會隨著電壓而有如同溫度計的變化。
在此領域中,僅利用於裝飾用照明的一部分,其他則因為不具實用性而未被使用。若這樣的狀態長時間持續的話,冷陰極管的水銀會不均,開始產生異常放電,則不可使用在液晶背光板中。較細的冷陰極管較易有這樣水銀不均的現象發生。
定電壓特性領域
即使管電流改變,放電電壓幾乎是不變的,故稱之。背光板的構造中,尤其是冷陰極管與反射板(接近導體)的距離會對特性有極大的影響。
-5/4次方特性領域
管電流是冷陰極管組抗(impedance)的-5/4次方。此特性非常有名。

若將-5/4次方特性領域作成圖表,則如下圖。


圖6 冷陰極管的-5/4次方特性

液晶背光板中使用的是此領域中的定電流特性領域的後半段到-5/4次方特性領域前半的實用性領域。此領域為冷陰極管管電流越增加,則管電壓越下降的特性,亦被稱為負性阻抗特性領域。

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