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

3、 第三次电光源技术革命——高强度气体放电电光源

高强度放电灯(HID:High Intensity Discharge Lamp)通常指汞灯(Mercury Vapor Lamp)、高压钠灯(High Pressure Sodium Lamp)、金属卤化物灯(Metal Halide Lamp)等。它们的发光效率都远比白炽灯高,按白炽灯、汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯发光效率的上限值排序分别为:25lm/W、60lm/W、120lm/W、140lm/W,高强度气体放电灯(HID)的工作气体压强一般超过10个大气压。

由于高强度气体放电灯的发光效率较高、功率大、寿命长(可达以10000h左右),高强度气体放电灯(HID)在大面积照明和室外照明等场合有着很好的应用。目前,高压汞灯的发光效率可达50lm/W,显色指数Ra超过65,色温为4000~6000K,寿命也达到了10000h,功率范围为35~3500W,并形成产品的系列化。

20世纪30年代初与低压钠灯同时出现的高压汞灯,发出的是蓝紫光颜色,缺少红光波长,灯的发光效率比白炽灯高出2.5倍,约32lm/W。高压汞灯是高强度放电灯中使用最早的,它可以分为两大类:标准型高压汞灯和自镇流型高压汞灯,根据外泡壳是否涂粉以及迷途知返粉种类不同又派生出许多新的类别。由于高压汞灯的光色差,这种灯除了用于道路照明之外,还推广到工厂、码头、车站、广场等照明场合应用。到了20世纪50年代,高压汞灯的电弧管由玻璃改为石英,提高了汞蒸气的压力和灯的功率。同时使电弧管发出365.0nm的紫外线去激发涂在外泡壳内壁的荧光粉,增加红色光谱以改善高压汞灯的光色,灯的发光效率达到50lm/W,显色指数40以上,寿命超过10000h。由于汞灯光色中蓝光较重,已逐渐被光色质量好、发光效率更高的高压钠灯和金属卤化物灯取代。通过实验发现,在高压汞灯的电弧管内填充金属卤化物,碘化物分子进入高温电弧管内将分解为金属原子和碘,金属原子被电离并激发,会发出有特径的光谱线,当金属原子扩散返回管壁时,在靠近管壁的较冷区域与碘原子相遇,重新结合成碘化物分子。20世纪60年代初根据这一原理,美国首先制成了第一个金属卤化物灯——“钪钠灯”之后,荷兰、英国、德国和日本相继开发出钠铊铟体系、镝铊体系及氯化锡分子体系。金属卤化物灯的基本特性已被认识,发光效率比高压汞灯提高40%以上,显色指数Ra超过65,色温4000~6000K,寿命也达到10000h,光的性能指标超过高压汞灯。金属卤化物灯开始推广时发现在寿命期间,出现颜色的分层和电弧的漂移。到了20世纪70年代,在不断改进和提高后,这些问题都得到了解决,使金属卤化物灯显示出高发光效率、高功率、高显色性、高色温、体积小、长寿命的特点,在室内外照明中占有重要的地位。特别对体育场馆、机场、广场和大规模的施工现场和高大建筑的泛光照明,电影外景的拍摄,灯光捕鱼等均具有极大的优势。

有50多种金属卤化物满足相关要求。如果从其中选择几种进行组合,可以制成成千上万种金卤灯。但是,实际的灯并不是这样任意组合,而是根据所要求的灯的光谱特性,进行适当的选择。

而陶瓷金属卤化物灯由于采用陶瓷材料作内管壁避免了灯内金属材料的损失,并且电弧管尺寸可以控制得非常精确,所以具有光电性能一致性好,允许更高电弧温度,可以使灯的发光效率较普通金属卤化物灯提高10%~20%,光色和工作稳定性更好,发光体积小,亮度高,适用作投影电光源的特点。

因此HID灯一般指高压钠灯和金属卤化物灯。高压钠灯是20世纪60年代与金属卤化物灯同步发展起来的一种高强度气体放电灯,该灯是在低压钠灯的基础上发展起来的。当时实验发现,增强钠的蒸气压力,D线会明显加宽,产生自吸收,可以改善钠灯的光色。1962年美国首先解决了钠在高温、高压时的抗腐蚀、半透明多晶氧化铝管材料,又突破了封接工艺,制成第一支高压钠灯,高压钠灯的发光效率为90lm/W,显色指数Ra为25,寿命为5000h,发出的光是金黄色,节能效果很好,很快在道路、港口、车站、工厂、桥梁、广场等照明场合应用。经过数十年的应用,高压钠灯的性能也在不断得到改进和提高,现在高压钠灯的发光效率为120lm/W,寿命达到24000h,品种系列化(30~1000W),同时还开发出高显色性的高压钠灯,显色指数Ra在80左右,发光效率为80lm/W,寿命为8000h,适用于室内和商场的照明,效果与白炽灯相似。高压钠灯是高压放电灯中发光效率最高的一种,发出的金黄色光投向建筑物,显得金碧辉煌。世界各国都选用高压钠灯特有的色彩(金黄色光)作泛光照明,投射于建筑物上,使建筑物在夜间显示出庄严、富丽、美观的效果。

(1) 高压汞灯

高压汞灯的功率范围为50~1000W,标准型高压汞灯和自镇流型高压汞灯相比有以下区别:

① 标准型高压汞灯寿命较自镇流型高压汞灯高,标准型高压汞灯寿命一般为10000h左右,在自镇流型中由于用作镇流元件的灯丝容易烧毁,因此寿命缩短,为5000h左右。

② 标准型高压汞灯的发光效率和光通量维持率较自镇流型高压汞灯好,以250W为例,标准型高压汞灯的发光效率为52lm/W,使用6300h以后的光通量维持率为80%;自镇流型高压汞灯的发光效率为21lm/W,使用3500h以后的光通量维持率为70%。

③ 自镇流型高压汞灯对燃点位置有要求,而且容易熄弧。

④ 自镇流型高压汞灯不需外接镇流器、灯可以迅速达到正常亮度,灯的显色性较好。

由于高压汞灯一半以上的可见光集中在几根接近紫外区的特征谱线上,因此它的光色偏蓝绿,缺少红色成分,显色指数Ra只有20左右。为了克服它的不足,在玻璃内壳上涂上荧光粉,将紫外线转化为可见红光,增加红色光的成分,这样可以使高压汞灯的显色指数Ra达到40~50。

高压汞灯是利用汞放电时产生的高气压来获得可见光的电光源,它由荧光泡壳和放电管两部分组成。放电管又细又短,只有人的手指大小,内装高压汞蒸气,放电管外面有一球状的荧光泡壳。通电后放电管产生很强的可见光和紫外线,紫外线照射在荧光泡壳上,经转换发出大量可见光。它在发光管的内部充有汞和氩气,有的在内壳上涂以荧光粉,有的是完全透明的。

在高压汞灯的放电管内有一个或两个辅助电极,它能帮助高压汞灯的启动。因此高压汞灯不需外设启动电路。由于某种原因灯熄灭了,此时灯内的汞蒸气压很高,放电将难以建立,因此,必须待灯冷却后才能再重新启动高压汞灯,高压钠灯和金卤灯在使用中也有类似情况。

高压汞灯的发光效率与普通荧光灯差不多,使用寿命却比较长。它的缺点是显色性差,发出蓝绿色的光,缺少红色成分,除照到绿色物体上外,其他多呈灰暗色,而且不能瞬时启动。

高压汞灯适于高大厂房、体育场馆、仓储货栈、公路街道、广场、车站、码头、停车厂、立交桥、交易市场等照明场合应用,是在公共应用场合中应用很广的一种灯。高压汞灯刚启动时的电流很大,约为正常工作电流的2倍。这主要是因为高压汞灯在刚启动时,灯管内汞的蒸气压很低,电子很容易流动的原因,随着放电灯管温度的上升,灯管内汞蒸气不断上升,电子越来越不容易流动,灯电流就逐步变小,最后达到平衡。灯电压的变化对灯电流、灯功率和灯的光通量影响是正相关的。当灯电压升高时,放电灯管两端的电压上升,灯内电场强度升高,电子的运动速度上升,撞击汞原子的机会升高,因此灯电流上升,灯光通量变大。需注意的是,高压汞灯和金卤灯内的汞,由于处于非饱和状态,因此,灯电压引起的电参数的变化相对较少,而高压钠灯的汞处于饱和状态,因此灯电压引起的灯光电参数的变化相对较大。在金卤灯内,由于灯电压变化而引起的灯光电参数的变化要明显一些,这主要和灯电压变化而引起的灯放电管壁的温度变化有关,另外,金卤灯灯电压的变化还会引起灯发光颜色的漂移。

(2) 金属卤化物灯

金属卤化物灯(Metal Halide)又称金属卤素灯,它是20世纪60年代发展起来的第三代电光源产品。它是由汞灯演变而来的,灯管内加入卤盐(铟、铊、钪、碘化钠等),使汞蒸气浓缩,发光效率较汞灯大为提高;同时增加了红光和黄光成分,使光色接近白炽灯。由于它具有优良的显色性、较高的发光效率,并可以制造出多种色温,且灯的体积小,便于光学控制,因此,可以广泛用于彩色电影、电视的录制播放、印刷制版、体育场馆、广场、街道、铁路、码头、施工工地、大型厂房等的照明应用场合。金属卤化物灯利用电极之间通过电流形成的电子束与气体分子碰撞,激发产生光线,金属卤化物灯在参与整个发光过程中,绝大部分能量被转换成可见光,仅有很小部分能量转换成热量,从而产生很高的发光效率。

现有的金属卤化物灯已系列化(功率从35~3500W),目前正在发展小功率金属卤化物灯(35W以下)用于汽车前灯的照明,为今后取代卤钨灯作准备。超大功率金属卤化物灯的功率为6000~20000W,用于大面积、高照度的特殊照明环境中,同时还发展彩色金属卤化物灯,红、蓝、绿、紫等用于特定的建筑物作彩色的泛光照明,使建筑物在夜间,产生透亮色彩的效果照明。

金属卤化物灯作为一种新型电光源,具有发光效率高、光色好、应用范围广,是一种重要的节能光源。与发出暗黄色光的高压钠灯和发出蓝色光的高压汞灯相比,金卤灯所发出的舒适、纯白色光受到大多数工业场所和商业场所喜爱,它可使暗室内或夜色下的景致如同在阳光照耀下一样色彩艳丽。金卤灯是放电灯家庭的最新成员,它在许多领域已经取代了白炽灯、高压钠灯和高压汞灯。金卤灯的主要优越性在于其体积较小,一只100W的金卤灯电弧管直径只有1in,可安装在很小的外管中。

日光色金属卤化物灯是国际上最新一代节能光源,显色指数Ra达65~90,适用于照明要求较高的各种场所的泛光照明,发光效率高,为80~100lm/W,使用寿命长,平均寿命为10000h。

与高压汞灯、钠灯相比,金卤灯的启动更困难,重复着火电压也更高。在北美,采用超前峰值式镇流电路,在欧洲采用镇流器(电感)加触发器的电路。在我国,两者都有采用,灯-镇流器-触发器-三者间的关系比较复杂。

金卤灯的放电管一般是采用石英玻璃作为外壳。近年来,也有公司推出了陶瓷内管金属卤化物灯。现已有35W、70W和150W三种产品面市,结构有单端型、又端型及反射型,灯的发光效率达到90lm/W,显色指数Ra在80以上,有效使用寿命在10000h以上。陶瓷内管金卤灯与石英金卤灯相比具有以下优势:

① 避免了灯内放电金属物质的损失,保证了灯发光颜色的稳定性。

② 灯电弧管尺寸可以得到精确的控制,这样灯光电性能的一致性和稳定性好。

③ 灯允许更高的电弧温度,发光效率可提高10%~20%。

在使用用金卤灯时应注意以下问题:

① 灯的安装方向应根据制造商的推荐安装。因为不同的灯安装方向、灯冷端温度不同,会有不同的灯发光效率和颜色。

② 金卤灯对电源电压的稳定性有较高要求。因为灯电压变化时,灯的功率也会发生变化,灯的冷端温度与灯的功率有关。这样放电物质的饱和蒸气压会发生变化,从而引起灯发光颜色的大幅度漂移。

(3) 陶瓷金属卤化物灯

陶瓷金属卤化物灯(CDM)的问世是HID电光源在近些年发展中最为引人注目的成果。由于多晶氧化铝(PCA)陶瓷材料及其与金属封接工艺研究取得很大的突破,人们成功地制造出陶瓷外壳的性能明显地优于石英为玻壳的金属卤化物灯。采用陶瓷材料作外壳避免了灯内金属材料的损失,而且电弧管尺寸可以控制得非常精确,因此光电性能一致性和稳定性好,允许更高的电弧温度,灯的发光效率可提高10%~20%;并且发光体小,亮度高,便于投影照明系统的设计。现在35W、70W和150W三种产品,结构为单端型、双端型及反射型,光效达到90lm/W,亮度为290cd/m2,显色指数Ra为83,有效寿命可达12000h。

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