搜索
103第5章照明器具5.1光源类型与特性1.光源的分类按照发光原理，光源可以分为热辐射光源、气体放电光源和电致发光光源等。电光源按发光原理的分类和常用光源示例如图5-1所示。图5-1电光源按发光原理的分类和示例(1)热辐射光源热辐射光源是利用热辐射原理制成的，也叫白炽灯，常见的白炽灯有普通白炽灯和卤钨灯。热辐射现象是极为普遍的，由于物体总具有温度，因而都能产生热辐射，较低温物体的辐射几乎全部是远红外线，所以人眼不能直接观察到。只有把炭或金属之类的物质加热到500℃左右时，才会产生暗红的可见光。随着温度的上升，光会变得更亮、更白。在电路中，热辐射光源相当于一个电阻器件，发光原理简单，点灯线路很方便。19世纪后半叶，人们开始试制用电流加热真空中灯丝的白炽电灯泡。1879年，美国的托马斯•爱迪生制成了碳化纤维（即碳丝）白炽灯，率先将电光源送入家庭。1907年，贾斯脱发明拉制钨丝，制成钨丝白炽灯。随后不久，美国的朗缪尔发明螺旋钨丝，并在玻壳内充入惰性气体氮,以抑制钨丝的蒸发，1915年发展到充入氩氮混合气。1912年，日本的三浦顺一为使灯丝和气体的接触面尽量减小,将钨丝从单螺旋发展成双螺旋,发光效率有很大提高。1935年，法国的克洛德在灯泡内充入氪气、氙气，进一步提高了发光效率。1959年，美国在白炽灯的电光源热辐射光源（白炽发光）气体放电光源电致发光光源普通白炽灯卤钨灯高气压放电灯低气压放电灯EL（场致发光板）LED（发光二极管）高压汞灯高压钠灯金属卤化物灯低压钠灯荧光灯真空白炽灯充气白炽灯OLED（有机发光二极管）104基础上发展了体积和光衰极小的卤钨灯。白炽灯的发展史是提高灯泡发光效率的历史。(2)气体放电光源气体放电光源是利用气体放电发光的原理而制成的光源。所谓气体放电，是指电流通过气体媒质时所产生的放电过程。一般气体放电灯的结构可用图5-2来说明。B是灯的泡壳，它是由玻璃按照所需的形状加工而成的。A和C是灯的电极，G代表所充的气体，它们是惰性气体和金属或金属化合物的蒸气。一般气体放电灯的工作电路如图5-3所示，灯内发光的基本过程通常分为3级：自由电子被外电场加速；当运动的电子与气体原子碰撞时，电子的动能使原子激发；受激原子以辐射发光的形式释放出吸收的能量。自由电子不断被外电场加速，上述三级式过程也就不断地在灯中进行。常见的气体放电灯有高压钠灯、低压钠灯、金属卤化物灯、高压汞灯、氙灯等。高强度气体放电灯（highintensitydischargelamp，简称HID灯）是指能借助玻壳内壁的温度产生稳定的弧光，且电弧管壁负荷超过3W/cm2的放电灯，包括高压汞灯、金属卤化物灯和高压钠灯。荧光灯、高压荧光灯、冷阴极荧光灯由于需要借助紫外光激发荧光粉发出可见光，也属于光致发光光源。气体放电灯的一个重要的特点是具有负阻特性，因而在使用过程中需要使用镇流器来保图5-2气体放电灯的结构示意图图5-3放电灯工作电路示意图图5-4放电灯与电阻串连的伏－安特性曲线曲线a和b分别是电弧和电阻的伏－安特曲线，c是两者叠加的结果。图5-5HID光源常用的几种镇流电路（a）电感镇流器；（b）自耦变压器与高阻抗电感的结合；（c）CW型；（d）CWA超前峰型105证电路的稳定性。图5-4所示为放电灯与电阻串连时的伏－安特性曲线，图中曲线a和b分别是气体放电灯的电弧和作为镇流用的电阻的电压随电流变化的伏－安特曲线，c是两者叠加的结果。在交流的情况下，可用电感和电容来代替电阻，同样起到镇流的作用。图5-5是HID光源常用的几种镇流电路。气体放电灯的另一个重要特点是一般不能热启动。以金属卤化物灯为例，当灯熄灭后，由于灯内气压太高，在原来启动电压（0.5-5kV）的作用下已经不能使灯启动，要等5－20min气体冷却后才能正常启动。在特定的场合若需要灯熄灭后立即再启动，则需要采用能产生30－60kV高压的启动器。(3)电致发光光源电致发光（electroluminescence）是将电能直接转换成光能的一种物理现象。与其它常见的发光现象不同，实现这种电－光转换时不需要经过任何其它（如热、紫外线或电子束）中间物理过程。电致发光材料可以分为无机和有机两大类。无机电致发光材料可分为单晶型（LED）、粉末型（EL）和薄膜型（TFEL）3种。近年来，人们对无机电致发光材料，特别是对发光二极管（LED）的研究在全彩化、大功率和高亮度灯方面取得了突破性的进展，使LED成为21世纪最有潜力的新型光源。进入20世纪90年代以来，人们对有机电致发光材料的研究也取得了飞速的进展，特别是对有机双极型注入复合发光器件OLED研究，使得OLED成为继LCD和无机薄膜电致发光器件（TFEL）之后的最有希望的平面显示器件。光源的发光原理将影响其点灯电路和光源特性，因此，作为照明设计师，应该熟知各种光源的发光原理和发光特点。常用照明电光源的主要特性比较如表5-1所示。下一节中将对各种主要电光源的结构、类型、特性和应用予以介绍。106表5-1常用照明电光源的主要特性比较光源种类普通照明白炽灯管形、单端卤钨灯低压卤钨灯直管形荧光灯紧凑型荧光灯荧光高压汞灯高压钠灯金属卤化物灯额定功率范围（W）10~150060~500020~754~2005~5550~100035~100035~3500光效（lm/W）①7.3~2514~3014~3060~10444~8732~5564~14052~130平均寿命（h）1000~20001500~20001500~40008000~150005000~1000010000~2000012000~24000300~10000亮度（cd/m2）②107~108~104(5~10)×104~105（6~8）×106（5~7）×106一般显色指数（aR）95~9995~9970~95＞8030~6023~8560~90相关色温（K）2400~29002800~42002500~65002500~650055001900~28003000~6500启动稳定时间（min）瞬时1~4s10s③或快速④4~84~10再启动时间（min）瞬时1~4s10s③或快速④5~1010~1510~15闪烁不明显普通管明显，高频管不明显明显电压变化对光通输出的影响大较大较大大较大环境温度变化对光通输出的影响小大较小耐震性能较差较好好较好好是否有附件无有⑤有注：①光效为不含镇流器损耗时的数据。②指发光体的平均亮度。③电感式镇流器。④电子式镇流器。⑤一体化紧凑型荧光灯可视为“无附件”。随着制灯技术的发展，这些参数都会变化，这里是2006年数据。1072.普通白炽灯白炽灯（incandescentlamp）是用通电的方法，将元件加热到白炽态而发光的灯。普通白炽灯的结构如图5-6所示，它由灯丝、支架、引线、泡壳和灯头几部分组成。灯丝是普通白炽灯的发光部件，由钨丝制成。普通白炽灯的灯丝被包围在一个密封的泡壳中，从而与外界的空气隔绝，避免因氧化而烧毁。为减少钨丝与灯中填充气体的接触面积，从而减少由于热传导所引起的热损失，常将直线状钨丝绕成螺旋状。采用双重螺旋灯丝的白炽灯，光效更高。灯丝的形状和尺寸必须根据使用要求来确定和设计。泡壳通常采用钠钙玻璃，大功率灯用耐热性能好的硼硅酸盐玻璃。除普通明泡以外，还根据不同的应用情况，对泡壳进行一些处理，还可以做成不同的形状，如蘑菇泡、烛泡、球泡等。可以采用氢氟酸对泡壳内表面进行磨砂处理，以防止眩目。用彩色玻璃或采用内涂、外涂的方法使泡壳着色，可以做成彩色白炽灯。受钨丝熔点（3683K）的限制，普通白炽灯的色温较低，约2800K。与6000K的太阳光相比，白炽灯的光线带黄色，显得温暖。白炽灯的辐射覆盖了整个可见光区，在人造光源中它的显色性是首屈一指的，一般显色指数100aR。此外，白炽灯属于电阻性负载,功率因数高,可以调光，无谐波干扰和电磁辐射,结构简单,使用方便,价格低廉,安全可靠，这些特点使白炽灯在过去的一百多年里，在照明领域中一直充当重要的角色。。应该注意的是，对普通白炽灯进行调光时，灯丝工作温度降低，从而使灯的色温度降低，灯的光效降低，但寿命延长。因此，长寿命的优点是以牺牲光效为代价的。当白炽灯工作在标称电压的50%以下时，灯几乎不发光。然而，此时的能量损耗依然并不减少。因此，我们建议当调光到这一程度时不如干脆将灯瞬间关熄。若需连续调光，可选用较小功率的灯泡。限制白炽灯进一步使用的2个极大的缺点就是光效低和寿命短。普通白炽灯如果没有热导和对流的损失，则理论上的光效可达到53lm·W-1。实际白炽灯的光效远比此值为低。以现今额定寿命为1000h的普通照明白炽灯为例，其光效为8~21.5lm·W-1。白炽灯的光效之所以这样低，主要是由于它的大部分能量都变成红外辐射，可见辐射所占的比例很小，一般不到10%。另外，灯丝在点燃过程中由于受热，会逐渐蒸发，灯丝局部区段可产生“热点”，灯丝会越来越细，容易烧毁。另一方面，钨有正的电阻特性，一般白炽灯灯丝在工作时的热电阻是室温时的10～16倍，在灯泡每次启点的瞬间,钨丝的电流较大，更加容易烧毁，使白炽灯的寿命受到极大限制。为了减少灯丝的蒸发，从而提高灯丝的工作温度和光效，通常在灯泡中充入合适的惰性气体、氩氮混合气或氪气或氙气。但这些也只是在一定程度上延长灯的寿命和提高灯的光效，和其它光源相比，白炽灯的寿命短和光效低，仍是致命弱点。图5-6普通白炽灯的结构示意图108正是由于白炽灯的光效过低，大部分能量转化成热能而非光能，在全球气候变暖和节能呼声日益高涨的大背景下，2007年2月，澳大利亚政府率先宣布了一项计划：要求在2010年前在全国范围内实现用节能灯取代白炽灯、禁止居民使用白炽灯泡。这使澳大利亚成为世界上第一个计划要全面禁止使用传统白炽灯的国家。此计划如果得以实施，预计到2012年，仅澳大利亚每年就可减少80万吨温室气体的排放。2007年2月，美国加利福尼亚州州议会通过一项“在2012年前禁止使用费电的白炽灯而改用省电的节能灯”新议案，从而成为美国首个立法禁止使用白炽灯的州。2007年3月9日结束的布鲁塞尔欧盟春季首脑会议也达成协议，两年内欧洲各国将逐步用节能荧光灯取代能耗高的老式白炽灯泡，以减少温室气体排放。加拿大自然资源部2007年4月２５日紧跟着宣布，作为控制温室气体排放的一项措施，加拿大计划到２０１２年在全国禁止销售白炽灯泡，成为世界上第二个宣布禁用白炽灯泡的国家。禁用白炽灯后，加拿大可望每年减少排放６００万吨温室气体，节约用电３００万千瓦时至４００万千瓦时，每个家庭平均每年节约电费６０加元。可以看到，随着照明科技的发展，白炽灯正在逐渐退出照明的历史舞台。3.卤钨灯在普通白炽灯中，由于钨的蒸发不可避免，其光效提高极为有限，泡壳发黑也很难避免。1959年发明的碘钨灯消除了这一发黑的现象。在适当的温度条件下，从灯丝蒸发出来的钨在泡壁区域内与卤素反应形成挥发性的卤钨化合物，当卤钨化合物扩散到较热的灯丝周围区域时又分解成卤素和钨，释放出来的钨部分回到灯丝上，而卤素再继续扩散到温度较低的区域与钨化合，这一过程称为卤钨循环，如图5-7所示。根据卤钨循环原理，可以制成卤钨灯。常用的卤素添加剂有溴和碘。与普通白炽灯相比，卤钨灯的光效高出很多，可以达到15－35lm/W。由于卤钨循环有效地防止了灯泡发黑，卤钨灯在寿命期内的光维持率几乎达到100％。一般照明用的卤钨灯的色温为2800-3200K。与普通白炽灯相比，光色更白一些，色调也1钨丝(W)卤素原子(X)2W+nXWXn34WXnW+nX图5-7卤钨循环（灯丝温度大约为3000K，泡壳温度大约为470K）1.钨受热从灯丝蒸发；2.蒸发的钨原子在温度相对较低的管壁区域与卤素结合称挥发性的卤钨化合物；3.卤钨化合物扩散到较热的灯丝周围区域时又分解成卤素和钨；4.释放出来的钨部分回到灯丝上，而卤素再继续扩散到温度较低的区域与钨化合109稍冷一些。卤钨灯的显色性十分好，一般显色指数Ra＝100。卤钨灯作为一种热辐射光源，也是阻性器件，点灯电路较为简单。点灯电压有市电电压和