第4章-照明电光源

随着电光源工业技术的发展，各种新光源产品不仅在数量上，而且在质量上都有很大的提高，各种发光效率高、显色性好、使用寿命长的新型电光源不断出现。本章主要介绍建筑电气照明中常用的电光源的种类、主要性能指标、电光源的结构、工作原理以及电光源的选择和应用。第4章照明电光源一、电光源的分类根据光的产生原理，电光源可以分为两大类，即热辐射发光光源和气体放电发光光源。电光源分类如图：第一节概述．热辐射发光光源热辐射发光光源是利用电流将灯丝加热到白炽程度而产生热辐射发光的一种光源。例如白炽灯和卤钨灯，它们都是以钨丝作为辐射体，通电后使之达到白炽程度时产生热辐射。目前白炽灯仍是重要的照明光源。（白炽状态：物体温度达到1700℃以上就发白光，这种状态叫白炽状态。）．气体放电光源气体放电光源是利用电流通过灯管中气体而产生放电发光的一种光源，常用的气体放电光源有荧光灯、氖灯、钠灯、荧光高压汞灯和金属卤化物灯等。气体放电光源具有发光效率高、使用寿命长等特点。气体放电光源一般应与相应的附件配套才能接入电源使用。气体放电光源按放电的形式分为弧光放电灯和辉光放电灯。（1）弧光放电灯弧光放电灯是利用气体弧光放电产生光。弧光放电的特点是阴极位降较小。【弧光放电：呈现弧状白光并产生高温的气体放电现象。无论在稀薄气体、金属蒸气或大气中，当电源功率较大，能提供足够大的电流（几安到几十安），使气体击穿，发出强烈光辉，产生高温（几千到上万度），这种气体自持放电的形式就是弧光放电。通常产生弧光放电的方法是使两电极接触后随即分开，因短路发热，使阴极表面温度陡增，产生热电子发射。热电子发射使碰撞电离及阴极的二次电子发射急剧增加，从而使两极间的气体具有良好的导电性。弧光放电的特征是电压不高，电流增大的两极间电压反而下降，有强烈光辉。】【还有一种弧光放电叫做冷阴极弧光放电，阴极由低熔点材料（如汞）做成。阴极表面蒸发出的蒸气被电离，在阴极表面附近堆积成空间正电荷层，此电荷层与阴极间极为狭窄区域内形成的强电场引起场致发射，使电流剧增，产生电弧。弧光放电应用广泛。可用作强光光源，在光谱分析中用作激发元素光谱的光源，在工业上用于冶炼、焊接和高熔点金属的切割，在医学上用作紫外线源（汞弧灯），等等。但是大电流电路开关断开时产生的弧火极其有害，应采取灭弧措施。】弧光放电灯按其中气体压力的大小，又可分为低压气体放电光源和高压气体放电光源。低压气体放电光源包括荧光灯和低压钠灯，这类光源的气体压力低，组成气体（主要是汞蒸气和钠蒸气）的原子距离比较大，互相影响较小，因此它们的光辐射可以看成是孤立的原子产生的原子辐射，这种原子辐射产生的光辐射是以线光谱形式出现的。如荧光灯由原子辐射主要产生的是紫外线辐射，但因荧光灯管壁上涂有荧光粉，在紫外线辐射作用下，激发形成可见光。高压气体放电光源包括高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯和氙灯。这类光源的特点是灯管中气压较高，原子之间距离比较近，相互影响比较大，电子在轰击原子时不能直接与一个原子作用，从而影响了原子的辐射，因此这类辐射与低压气体放电光源有较大的区别。但其辐射原理仍然是气体中的原子辐射产生光辐射。高压气体放电光源管壁的负荷一般比较大，也就是灯的表面积（玻璃壳外表面）不大，但灯的功率较大，往往超过3W/cm2，因此又称为高强度气体放电灯，简称HID灯。（2）辉光放电灯辉光放电灯是利用气体辉光放电产生光。辉光放电的特点是阴极的位降较大（100V左右）。这类光源通常需要很高的工作电压，如霓虹灯。（辉光放电：气体在低气压状态下的一种自持放电。对玻璃圆柱状放电管两端施加电压，当压力处于1～0.1托的范围时，由阴极逸出的电子在气体中发生碰撞电离和光电离，此时放电管的大部分区域都呈现弥漫的光辉，其颜色因气体而异，故称辉光放电。）气体放电的全伏安特性通过改变电源电压来测量不同电流时灯管电压，可得到气体放电灯的全伏安特性。OC段是非自持放电，如果去掉外致电离，则电流立即停止，电流值在10-6A以下。当电荷积累后，达到着火点D就可自持放电。稳定的自持放电从E点开始，它包括辉光放电与弧光放电。G点之后是弧光放电，一般具有负伏安特性，它是不稳定的工作特性，单独接到电源上，会导致电流无限增大或减小，导致灯管熄灭或被电流击穿，因此必须用具有正伏安特性的限流装置抵消负伏安特性，才能稳定工作。气体放电光源主要附件1、镇流器：具有正的伏安特性，回路电流增大其电压降增大，与气体放电灯串联使用，电流就能稳定。可分为电阻、电感、电容、电子镇流器。（1）电阻镇流器用于直流电源供电的气体放电灯，功率损耗较大，一般不使用在交流情况下。（2）电感镇流器用于工频交流供电的气体放电灯，起限流作用，同时在启动时产生高压脉冲，使灯管顺利启动。但功率因素低，建议线路末端补偿功率因素。（3）电容镇流器一般用于高频交流而不适用工频电源，否则会使灯的光通输出具有脉冲性质。（4）电子镇流器80年代引进，具有节能环保的特点，优点：在150~250V下可正常工作，一次性快速启动，损耗小，寿命长，效率高，功率因素高，对设备无干扰，外形美观，结构紧凑，重量轻，安装方便，安全可靠，无闪烁，无噪音。2、启辉器用作灯丝自动接通断开，采用双金属片自动通断加热电路。3、补偿电容电感性镇流器功率因素低，利用电容可使它得到有效提高。HID灯的电气附件不能随意调换，否则将影响光源的启动特性、工作特性、使用寿命。二、电光源的命名方法各种电光源型号的命名包括以下五部分：第一部分为字母，由电光源名称主要特征的三个以内汉语拼音字母组成。如PZ220-40，PZ是汉语拼音“普通照明”两词的第一个字母的组合。第二部分和第三部分一般为数字，主要表示光源的电参数。如PZ220-100表示灯泡额定工作电压为220V，额定功率为100W。第四部分和第五部分为字母或数字，表示灯结构（玻璃壳形状或灯头型号）特征的1～2个汉语拼音字母和有关数字组成。规定E表示螺口，B表示插口。数字表示灯头的直径（mm），如PZ220-100-E27，E27表示螺口式灯头，灯头的直径为27mm。第四和第五部分作为补充部分，可在生产或流通领域中使用时灵活取舍。电光源型号的各部分按顺序直接编排。当相邻部分同为字母或数字时，中间用短横线”-”分开（外资产品的命名方式有所不同）。常用电光源型号命名方法见表。例如，20W直管荧光灯的型号为YZ20RR，第一部分YZ指的是直管荧光灯，第二部分20表示灯的额定功率，第三部分RR说明灯的发光色为日光色。第二节白炽灯凡是根据热辐射原理工作的光源都可称为白炽灯。目前常用的白炽灯分两类，即普通白炽灯和卤钨灯。一、白炽灯的构造白炽灯泡是由钨丝、玻璃泡、灯头、支架和填充气体等构成，见图。灯丝是白炽灯发光的主要部件，常用的灯丝形状有直线灯丝、单螺旋灯丝、双螺旋灯丝等。灯丝的形状和尺寸大小对于白炽灯的寿命、发光效率都有直接的影响，同样长短粗细的钨丝绕成双螺旋型比绕成单螺旋型的光效高。一般来说，灯丝结构紧凑，发光点小，利用率就高。玻璃壳的形式很多，但一般都采用与灯泡纵轴对称的形式，如梨形、圆柱形、球型等，仅有很少的特殊灯泡是不对称的（如全反射灯泡的玻壳等）。玻壳的尺寸及采用的玻璃材料则视灯泡的功率和用途而定。玻壳一般是透明的，但有些特种用途的灯泡则采用各种有色玻璃。为了避免眩光，玻壳可以进行“磨砂“或“内涂“使其能形成漫反射；还有些灯泡为了加强在某一方向上的发光强度，在玻壳上蒸镀了反射铝层。下图给出了各种功率、用途的白炽灯的外形。普通白炽灯玻璃泡内一般先抽成真空，然后充以一定比例的氩、氮混合气体。充气的主要作用是抑制灯丝上钨的蒸发，减小白炽灯光通量的衰减。40W及以下的普通白炽灯，由于其工作温度不高，一般不填充其他混合气体，仅抽成真空即可。普通白炽灯的灯头起着固定灯泡和接通电源的作用。常用的灯头形式有插口（B15、B22）与螺口（E14、E27、E40）两种。插口灯头接触面较小，灯功率大时接触处温度较高，所以常用于小功率普通白炽灯；反之，螺口灯头接触面大，可用于大功率灯泡。下图是几种常用白炽灯头的外形。二、白炽灯的工作原理白炽灯泡是利用通过电流的钨丝被加热到白炽状态而发光的一种热辐射光源。普通白炽灯点燃时，随着钨丝的温度上升和长时间的工作，钨丝逐渐蒸发变细，灯泡壳发黑，最后灯丝细到一定的程度就会熔断。特别是在白炽灯开灯的瞬间电流很大，由于温度的快速变化而产生机械应力，更容易使灯丝损坏。为了防止钨丝氧化，抑制钨丝的蒸发，常在大功率白炽灯的玻璃壳中充入情性气体，提高白炽灯的光效，增加白炽灯的寿命。三、白炽灯的分类白炽灯的规格很多，分类方法不一，总的可分为真空灯泡和充气灯泡。但白炽灯的分类方法较多的是根据其特性和用途来分的，如普通白炽灯、舞台灯、照相灯、矿用灯、装饰灯、反射灯、信号灯等。四、白炽灯的光电参数白炽灯是建筑和其他照明用得最广泛的一种光源，为了便于选择和使用，对白炽灯的主要特性参数介绍如下：（1）额定电压（Ur）灯泡上标注的电压即为额定电压。光源（灯泡）只有在额定电压下工作，才能获得各种规定的特性。白炽灯在工作时对电压的变化比较敏感，如果低于额定电压工作，光源的寿命虽可延长，但发光强度不足，发光效率降低；如果在高于额定电压下工作，发光强度变强，但寿命将缩短。（2）额定功率（Pr）白炽灯的额定功率是指灯泡上标注的功率，也是指所设计的灯泡在额定电压下工作时应能输出的功率。（3）额定光通量（）白炽灯参数中所给出的光通量是指灯泡在其额定电压下工作时，光源所辐射出的光通量。它一般也是指光源在工作100h后的初始光通量。白炽灯泡的光通量会随着使用时间的增长、灯泡真空度的下降、钨丝的蒸发而衰减。（4）发光效率（）白炽灯泡的发光效率是指灯泡消耗单位电功率所发出的光通量（简称光效），单位为流明每瓦。（5）使用寿命（）白炽灯泡的使用寿命是指从开始使用到点燃失效的累计时间。由于使用时情况比较复杂，条件不尽相同，使每个灯泡的使用寿命也不一样。因此参数中所列使用寿命通常是指平均使用寿命，即在规定条件下，同批寿命实验所测得的寿命算术平均值。影响灯泡使用寿命的主要因素是电压。（6）色温、显色指数白炽灯的色温较低，一般为2400-2900K，但显色性较高，显色指数Ra高达99～100。如前所述，当电压变化时，白炽灯除了使用寿命有很大变化外，对光通量、发光效率等都有较大影响。下图给出了白炽灯光电参数与电源电压的关系。五、白炽灯的应用白炽灯是各类建筑和其他场所照明应用最广泛的光源之一，它作为第一代电光源已有一百多年历史，虽然各种新光源发展很迅速，但白炽灯仍然是在不断研究和开发中的光源。这是因为白炽灯具有体积小、结构简单、造价低、不需要其他附件，使用时受环境影响小，而且方便、光色优良、显色性好、无频闪现象等优点。所以，普通白炽灯常用于日常生活照明，工矿企业照明，剧场、宾馆、商店、洒吧等照明。装饰白炽灯是利用白炽灯玻璃壳的外形变化和色彩的不同，工作时起到一定的照明和装饰效果。通过装饰白炽灯