常见电光源的发展历史及工作原理

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发布时间 2009-02-10

自19世纪初电能开始用于照明后,电光源技术经历了几次有代表性的发展,人们相继制成了白炽灯、高压汞灯、低压汞灯、卤钨灯,近年来又制成了高压纳灯和金属卤化物灯等新型照明电光源,电光源的发光效率、寿命、显色性等性能指标不断得到提高。

1、 第一次电光源技术革命——白炽灯

以爱迪生为代表发明的白炽灯,经过几代科技人员120多年的努力,白炽灯的发光效率平均每年增长0.11lm/W,至今灯发光效率增加了10倍、寿命提高了500倍、价格下降了10倍,满足了人们对400~2000lm光通量的室内照明的需要。

(1) 普通白炽灯

普通白炽灯(简称普通灯泡),一般内部安装有金属钨做的灯丝,内部被抽成真空或充入少量惰性气体,灯丝通电后,钨丝呈炽热状态并辐射发光。灯丝温度越高,辐射的可见光比例就越高,即灯将电通转换为可见光的效率就越高。随着白炽灯发光效率的增加,灯丝温度的升高,钨灯丝的蒸发速度也增加,从而使灯的寿命缩短。较大功率的白炽灯泡内充有约80kPa气压的惰性气体,可以在一定程度上抑制金属钨的蒸发,从而延长了白炽灯的使用寿命。普通白炽灯的典型发光效率为10lm/W,使用寿命为1000h左右。

(2) 卤钨灯

1959年人们发明了卤钨循环原理的石英白炽灯,给普通白炽灯注入了新的活力,卤钨石英白炽灯具有体积小、灯发光效率维持率在95%以上,灯发光效率和使用寿命有了很大的提高。

“卤”字代表元素周期表中的卤族元素,如氟、氯、溴、碘这类元素。卤钨灯就是充有卤素的钨丝白炽灯,现在常用的卤钨灯有碘钨灯和溴钨灯。根据卤钨循环原理制造出的卤钨灯,给热辐射光源注入了新的活力。这类灯的体积小,光通量维持率高(可达95%以上),灯发光效率和使用寿命明显优于白炽灯,卤钨灯的外壳一般采用耐高温并且高强度的石英玻璃或硬质玻璃,灯内充有2~8个大气压的惰性气体及少量的卤素气体,从而可以进一步提高灯丝的工作温度。

普通白炽灯灯丝上的钨原子蒸发出去后,沉积在玻璃泡壳上,时间一长,灯丝越来越细,泡壳越变越黑。经过长期的努力,人们找到了卤族元素——氟、氯、溴、碘。比如碘,它在250℃以上的温度下和钨很亲近,会和钨结合在一起变为碘化钨分子;而在1500℃以上的高温下,碘化钨又分解成碘和钨原子。如果在白炽灯内充上碘,灯泡壁上温度超过250℃时,碘就会把泡壳上的钨化合成碘化钨蒸气,从泡壳上将钨拉走,向灯丝方向移动。在灯丝附近因为温度高了,碘化钨分解,把钨交还给灯丝,剩下的碘又移到温度较低的泡壳上去拉钨原子,这样,人们也就不必担心钨的蒸发了。消除了灯丝钨蒸发的问题后,就可以提高灯丝的工作温度了。灯丝工作温度提高,意味着通过灯丝的电流增加,也就增加了灯的功率,这样小小体积的碘钨灯就能比体积大很多的普通白炽灯更亮。卤钨灯与普通白炽灯相比,发光效率可提高到30%左右,高质量的卤钨灯寿命可以提高到普通白炽灯寿命的3倍左右。

卤钨循环原理由于卤钨循环(见图1),减少了灯泡玻璃壳的黑化,卤钨灯的光输出在整个寿命过程中基本可以维持不变。

正是由于卤钨灯的以上优势,使其用途日趋广泛。低压卤钨灯的工作电压一般为12V/24V,灯功率从10~50W不等,它们的主要特点是:色温为2900K,显色指数Ra为95~100,发光效率为16~20lm/W,使用寿命为3000h,因此更加适宜色彩丰富的高档商品照明。卤钨灯电光源的另一种改进措施是采用浸涂法、真空蒸镀法或化学蒸镀法,在石英泡壳上采用红外反射层技术制成的新型卤钨灯,让可见光透过,而将红外线反射回灯丝,使灯的发光效率提高30%~45%,寿命可达3000h。由于可以在灯反射面上交替真空蒸镀20层以上的高折射率物质,它可以将75%的红外线透射掉,这样出射光的温度大为降低,因而被广泛用于如超市食品冷光照明的应用场所。低压卤钨灯虽然有以上很多优点,但是由市电电压转换到低电压时需要用变压器,往往使用户在设计安装时感到不便。现在已生产出可以直接应用于电网电压为220V/110V的卤钨灯,体积最小可达φ14mm×h54mm,灯丝稳定性和抗震性都很优良,灯泡壳有透明和磨砂两种,内含保险丝,符合IECA32-2标准,灯头易于连接,使用与白炽灯一样。这类涂有红外反射膜的新型高压卤钨灯的结构逐步小型化,寿命和发光效率都比白炽灯有较大提高,从而极大地扩展了热辐射电光源的应用范围。

卤钨灯主要用于强光照明,例如,用于公共建筑、交通、拍摄电影和电视节目制作等场合。此外,有一类碘钨灯工作温度稍低,能发出大量红外线,可以作干燥器、烘箱的热源。还有一类碘钨灯可以用在灯光球场、体育场、游泳池等场合,既光亮又色彩逼真。

热辐射电光源特别是卤素电光源与气体放电光源相比也具有很多优势:体积小、价格便宜、不需要启动器和镇流器等附件,启动特性好、高显色性、产品自身不含汞等。它的高显色性和启动特性,特别是低温启动特性,是气体放电电光源不可比拟的。

但是白炽灯的发光效率低、使用寿命短,这是它逐步被荧光灯所取代的主要原因。但由于气体放电电光源的显色性相对较差,要使灯正常工作需要启动器和镇流器等附件,需一定的启动时间和体积相对较大等缺点。但由于气体放电光源的节能和寿命优势,现代科技正在逐步克服它的劣势,气体放电光源的适用领域也在不断被拓宽。

2、 第二次电光源技术革命——荧光灯

到20世纪40年代初,荧光灯问世了,灯管的直径为38mm,长度为1.2m,灯的发光效率比白炽灯提高4倍,灯的显色指数Ra在40以上,当时成为一种全新的灯,配上镇流器和灯具,很快被应用于工厂、商业、道路的照明,改变了白炽灯长期一统天下的局面。随着荧光灯的不断改进和提高,又扩大应用到办公大楼、教室、图书馆、医院、超市等。荧光灯的品种逐渐系列化,还增加了进入家庭照明的环形荧光灯。现在的荧光灯,已从φ38mm(T12)改为φ26mm(T8),灯的发光效率超过了80lm/W,寿命在10000h以上,显色指数Ra为50以上。荧光灯从整体上来讲,发光效率高、寿命长、光色好、节能效果显著,在灯泡总产量中排列第二,仅次于白炽灯,但它也有不足的地方,如结构不紧凑,灯具造型不美观,要大量推向家庭、宾馆、商场的照明,应使灯结构紧凑,这是十分关键的。自20世纪80年代以来,紧凑型荧光灯(CFL)完成了系列化、电子化、一体化和大功率化的进展,紧凑型荧光灯已成为室内照明中取代白炽灯的最有节能价值的气体放电电光源。

荧光灯是一种充有氩气的低气压汞蒸气的气体放电灯,荧光灯是通过引燃灯管内稀薄汞蒸气进行弧光放电,汞离子受激产生紫外线,激发灯管内壁涂层荧光粉发出可见光。灯的发光效率和使用寿命都比白炽灯高。荧光灯的发光效率约为23%,红外、热能分别占总耗能的36%、41%。荧光灯的发光均匀、亮度适中、光色柔和,是理想的室内照明电光源,在照明中得到了广泛的应用。

随着细管径荧光灯的Ar(氩气)和Hg(汞)低压放电机理的深入研究和优质卤磷酸钙荧光粉和三基色荧光粉的研制成功,首先出了T8荧光灯管(φ=26mm,注:在美国荧光灯的命名采用4符号命名法——FPTD,其中F表示荧光灯,P表示灯输入功率值,T表示管形荧光灯,D表示灯管直径1/8ni(lin≈2.54cm。)的倍数值。例如,型号为F32T8的荧光灯,表示灯的输入功率为32W、灯管直径为8×1/8=lin的荧光灯灯管;再如型号为F40T12的荧光灯表示灯的输入功率为40W、管径为1.5in的荧光灯灯管)。T8荧光灯管具有节能和与T12荧光灯管兼容的优点,T8灯管可以直接安装于T12荧光灯灯具中,和T12灯管相比具有节能10%的优点,显色指数Ra可达51~76,如果再使用电子镇流器和三基色荧光粉,节能效果还可以提高10%,显色指数Ra可达80~85,最高发光效率可达104lm/W。

在低压汞蒸气放电过程中会产生大量的波长为253.7mm的紫外线,以及少量波长为185nm的紫外线和可见光。在灯管表面涂有荧光粉,可以将波长为253.7nm的紫外线转化为可见光,所以我们把工作于这种工作方式的气体放电电光源称之为荧光灯。常用的荧光粉有卤磷酸钙荧光粉和三基色荧光粉。三基色粉的光转换效率比卤粉高15%,显色指数大于80,而且抗波长为185nm的紫外线能力强,所以在细管径荧光灯中得到了广泛应用。

荧光灯按外形结构可以分为两大类:直管型荧光灯和异型荧光灯。按所涂荧光粉的不同又有日光色、冷色和暖色荧光灯之分。直管型可分为T12、T8、T5、T4、T3、T2等几种,有各种灯功率可供选用,但一般不超过100W。异形荧光灯包括环形灯、弯管荧光灯(例如常用的U形灯和环形灯等)、节能灯、无极灯、组合荧光灯管(在实用中为了降低灯管的长度和直径,将各灯管组合在一起,这样可以获得较宽的光输出功率范围,由于它的节能效果好,有可能取代白炽灯的应用场合。这种灯的镇流器和灯管是不组装在一体的)和紧凑型一体荧光灯(CFL)(这种灯是将灯管和镇流电路做成一体,具有使用方便的优点)等。

20世纪70年代,荷兰发明了三基色荧光粉,可承受更强的紫外线,三基色荧光粉是稀土材料制成的,价格昂贵,比普通荧光粉(卤磷酸钙)高出数十倍,制成的荧光灯不易推广。直到1979年,荷兰首先推出紧凑型三基色荧光灯,灯管的直径为12.5mm,用粉量大大减少,经过弯曲折叠、接桥等工艺处理,成为紧凑型号的PL灯和SL灯,功率有7W、9W、11W、13W、18W、25W等规格,发光效率为45~60lm/W,显色指数在80以上,色温2700~2800K,寿命5000h。紧凑型荧光灯的问世是近代照明史上的重大贡献,引起世界各国照明界的关注。继荷兰之后,德国、英国、美国、日本、中国也相继开发出单π、双π、3π、双D、螺旋、双H、3HV、单U、双U、UH、UHV、细管环形等以及粗管径的单π、单H、双U球形灯。紧凑型荧光灯经过十多年的改进和提高,已向系列化电子一体化方向发展,结构更接近白炽灯,与同功率白炽灯相比,可节电80%,灯的寿命已达10000h,成为逐步取代耗能大的白炽灯的最有竞争力的产品。目前这类灯价格还很高,进入千家万户的家庭照明,还要有一个宣传、比较和认识的过程。

Paschen 曲线严格来说,在荧光灯中,从节能的角度考虑,应该推广使用的是细管径、涂有三基色荧光粉且配有高频电子镇流器的荧光灯,而不单是节能灯。而节能灯是满足上述三个条件的一个典型代表。节能灯受到了广泛的欢迎,它的发展很快。20世纪的节能灯的灯型仅有H、U和Ⅱ型三种,逐步发展为双H、双U和双Ⅱ型,现在又开发出3U、3Ⅱ、4U、4Ⅱ和螺旋型,还有调光型的节能灯产品问世。节能灯的功率也不断增大,现已有85W和125W的大功率节能灯问世。它们的镇流器已从分立元件发展到使用表面贴装元件,甚至集成电路。灯电路的功率因数可以达到0.98,总谐波失真(TDH)小于10%。

由于汞具有激发电位低,在室温下饱和蒸气压低而在高温下饱和蒸气压高等特点,所以一般放电灯中都充有金属汞。在荧光灯中,汞的蒸气压很低,约为1Pa左右,这说明汞的实际需要量是很少的,实际上金属汞的含量和灯管内气压的高、低与灯管的启动电压等因素有关(图2)。对图2可以给出气体碰撞电离的如下解释:当灯管内的压力很高时,气体原子之间的平均距离很小,以至于在气体带负电离子和带正电离子被加速到足以电离一个中性气体原子之前,由于和其他原子的碰撞偏转而被减速,随着管内气压的减小,气体正、负离子之间的平均距离增加,因而在它们被碰撞减速之前可以运行的距离增加,气体正、负离子得到较大的加速,使这些气体正、负离子有较大的能量参与气体原子的碰撞,产生足够的气体电离,从而产生气体放电现象。

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