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

(4) 高压钠灯

高压钠灯的放电物质是金属钠,高压钠灯的工作介质是金属钠蒸气,内部一般都充有金属汞和惰性气体,但它们不是放电物质。高压钠灯的发光谱线主要是钠双黄线的展宽,其双黄线波长约为589.0mm和589.6mm。因此,高压钠灯中不含紫外线,灯发光呈黄色。由于双黄线接近人眼最为灵敏的绿色谱线(555nm),所以高压钠灯的发光效率比高压汞灯和金卤灯都高很多,一般可以达到100lm/W。

高压钠灯可以分为三大类:标准型、代替高压汞灯型及高显色性型。它们又分别有内触发和外触发、T形玻璃壳和椭球形壳之分。高压钠灯具有发光效率更高、灯使用寿命长,可接受的显色性以及不诱虫、不易使被照物褪色等特点,这使得高压钠灯被广泛地应用于显色性要求不高的室内外照明应用场合。

三大类高压钠灯相比各有以下特点。

① 标准型高压钠灯的灯光效率和灯寿命最高。

② 代替高压汞灯型的灯启动电压最低,可直接在市电下启动,普通型高压钠灯的灯触发电压在3000V左右。

③ 高显色性高压钠灯的显色性最好,显色指数Ra可达到80,而普通型的高压钠灯的显色指数Ra仅为25左右。

高压钠灯的镇流电路可分为滞后型、恒功率型、超前型等三种镇流形式。下面是它们的性能比较。

由于高压钠灯在寿命期内管压上升很显著,再加上它比较高的灯再启动电压,因此,以前的高压钠灯镇流电路通常采用滞后型。随着高压钠灯性能的不断改进,灯电压在寿命期内的上升问题已获得一定程度的解决,因此,超前型镇流电路被大量使用,而恒功率型镇流器最适合用于在电网电压波动较大的应用场合。

高压钠灯是我国正在推广使用的第三代绿色照明节能光源。当高压钠灯启动后,电弧管两端电极之间产生电弧,由于电弧的高温作用使管内的钠汞齐受热蒸发成为汞蒸气和钠蒸气,阴极发射的电子在向阳极的运动过程中,撞击放电物质的原子,使其获得能量产生电离激发,然后由激发态回复到稳定态;或由电离态变为激发态,再回到基态无限循环,多余的能量以光辐射的形式释放,从而产生光输出。高压钠灯中放电物质蒸气压很高,即钠原子密度高,电子与钠原子这间碰撞次数频繁,使共振辐射谱线加宽,出现其他可见光谱的辐射,因此高压钠灯的光色优于低压钠灯。

高压钠灯具有高效、节能、光通量高、透雾性强、光色柔和及寿命长等优点,广泛应用在广场、街道、机场、港口、隧道、大桥、工矿厂房等照明应用场所。高显色高压钠灯主要应用于体育馆、展览厅、娱乐场、百货商店和宾馆等场所照明应用场合。

(5) 高压氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯

氙灯是20世纪50年代发展起来的一种惰性气体放电灯,当氙原子在高气压和超高电压下被除数激发到更高的能级而大量地电离,发射出连续光谱并叠加有少量的线光谱。氙灯发出的光近似于日光,称为人造小太阳。当灯的工作电流和气压变化时,灯的能量分布变化很小。与高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯相比较,氙灯的光色更好,并且非常稳定,色温在6000K,显色指数Ra大于94。但氙灯作为常规照明还存在不少问题,主要是灯的发光效率比较低,电位梯度较小,氙灯的发光效率随着功率增大而提高,一般1~3kW的氙灯,发光效率在15~20lm/W,10~20kW在25~30lm/W,100kW也只有在40~45lm/W,功率越高,灯管越长,加上启动装置比较复杂,触发电压在3500~8000V之间才能使灯管触发击穿,给使用带来不便,只能用于特殊照明的应用场合。大功率管型氙灯,曾应用于室外体育场、广场、机场等大面积照明。后来,被高发光效率的金卤灯所取代。高压氙灯虽没有在常规照明中发挥作用,但后来向短弧氙灯和脉冲氙灯方面发展,并在特殊照明中取得成功,短弧氙灯内充有4~6个大气压的氙气,工作状态时达到12~18个大气压,灯的高亮发光区集中在阴极光斑附近,是一种高亮度的光源,用于电影放映是非常理想的。由于光色好、寿命长、电弧稳定,景幕效果逼真,各项指标都超过了碳弧光源,很快在电影放映中得到全面推广和应用,取代了碳弧光源。由于短弧氙灯的优点是光斑小、亮度高、即开即亮,如配上合理的反光器,能集成较强的光束,可用于海上急救的控照灯。近年来,还应用于大型活动的庆祝场面,作为动态使用的白色或彩色探照灯,以此增加活动的欢乐气氛和光彩夺目的效果。

大功率的短弧氙灯还适用于太阳模拟器和红外加热器。在充分发挥氙灯的近似日光的光谱特性基础上,脉冲氙灯应用脉冲技术,使灯在很短的时间内发极强的光,产生极高的亮度,利用脉冲氙灯的人造光源来补充摄影或照相时光线的不足,达到最佳的拍摄效果。现在几乎所有照相机都配有脉冲氙灯。脉冲氙灯还适用于照相制版、激光光泵、航标和特殊的闪雷电的效果灯。

(6) 高频无极灯

20世纪90年代,荷兰、日本和美国相继推出新颖的无极荧光灯,通称为QL灯,发光效率为65lm/W左右,寿命在40000~60000h,高频无极灯(Electrodeless Discharge Lamp),亦称高频等离子体无极放电灯,或高频等离子体放电无极灯,它利用电磁感应的原理,利用荧光粉将高频电磁波的能量转换为可见光,这样就省掉了灯电极,具有使用寿命长的优点,灯功率从55~165W,可以获得各种色温的光输出,有较好的发展前途。高频无极灯是国际上新近推出的一种新型照明器具,它是基于荧光灯的气体放电原理和高频电磁感应原理相结合的一种新颖光源;它是综合利用功率电子学、等离子体、磁性材料等领域最新成果的高新技术产品。这种灯通过频率很高的电磁场(2.65MHz以上)来加速灯内的气体,利用通过多次碰撞产生的等离子体来激发汞原子发出253.7nm的紫外线,然后再去激发涂在玻璃球泡内壁的三基色荧光粉,变为可见光。这类无极荧光灯,都带有高频发生器,对抗干扰屏蔽要求是十分严格的,灯的发光效率与功率耦合器的设计有密切关系,目前正进入发展和完善的阶段,已开始在特殊的环境下使用。高频无极灯由高频发生器、功率耦合器和涂有稀土三基色荧光粉的灯泡三部分组成。

高频无极放电灯的主要特点是无灯丝或电极,因而寿命特别长,可达数万小时,是其他电光源产品无可比拟的。同时,高频无极放电灯的发光效率也很高,可达60lm/W以上,并且显色性好,无发光闪烁,可以瞬时启动。

高频无极放电灯特别适合于需要长期照明而更换灯具困难的应用场所,如商业照明和公用照明、商场、办公大楼、大厅、博物馆、车站、码头、机场、高速公路、隧道、市政道路设施等照明应用场合。

4、 第四次电光源技术革命——半导体发光二极管

半导体电光源是一种无灯丝的电光源,是一种将电能转换成光能的半导体器件,它是靠半导体化合物制成的特殊结构把电能转换成光能,称为发光二极管,英文为Light Emitting Diode,简称LED。发光二极管的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加正向偏压之后,使电子和空穴分别注入P区和N区,当非平衡少数载流子与多数载流子复合时,就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。其发光过程包括三个部分:正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。发光二极管有许多的优点,如工作电压低、耗电量少、性能稳定、使用寿命长(一般为1×105~1×107h)、抗冲击、耐振动性强、重量轻、体积小、成本低、电路简单、使用方便。半导体灯开始只有一种颜色,现在发展为红、黄、绿等多种发光颜色。加上其调制性能好,可制作成大面积的显示屏作为动态广告和体育新闻传播之用,还可用于显示器的指示灯,应用前景看好。

发光二极管发明于20世纪60年代,在后来的数十年中,其基本用途是作为收录机等电子设备的指示灯。为了充分发挥发光二极管的照明潜力,近年来科学家们开发出用于照明的新型发光二极管灯泡。

早期的半导体发光二极管亮度小,视角窄,颜色仅红光一种,并且质量不稳定。近年来利用掺氧工艺和新的半导体材料,使发光二极管的亮度提高了10倍以上,达到1~5cd/m2级水平,具有红、黄、橙、绿、蓝和白等多种发光颜色,从而可以应用于国民经济的各种照明领域,除传统的小型指示器外,还有图文显示、标志照明、汽车照明、交通信号等多种应用,具有效率高、使用寿命长、高亮度、低功耗和响应快等其他传统光源难于比拟的优点,逐步占据了照明领域的一席之地。例如采用半导体发光二极管的标志灯,其发光亮度为20~30cd/m2,有效寿命1×105h,可以使用25年以上,比普通白炽灯泡长100倍。半导体发光二极管这种电光源有可能取代白炽灯和紧凑型荧光灯,有人预言10年后半导体发光二极管可以取代10%的紧凑型荧光灯(CFL),30年后可以取代30%的白炽灯,引起了产业界和科技界的极大关注,被公认为是21世纪最有前途的电光源。据统计到2005年,LED的市场规模会迅速增长至30亿美元。

英国剑桥大学的科技人员在实验中研制出可发白光的发光二极管,这种发光二极管发出的光线与阳光十分接近,具有良好的应用前景。这种发光二极管可以做得很小,只有几毫米,将其安装在墙壁或天花板上,如果不开灯,几乎察觉不到它们的存在。白光发光二极管的寿命很长,白炽灯的平均寿命为1000~1500h,质量最好的荧光灯管最多只能使用5×104h,这就是说,如果每天开灯10h,可以使用15年。除经久耐用外,发光二极管在节能方面也有很大潜力。据统计,如果全美国的灯泡中有一半使用发光二极管照明,则可以关闭24座发电站,节省数十亿美元,二氧化碳的排放量也将明显下降。正因为如此,美国计划到2006年,所有的交通灯都使用二极管灯泡,这样每个交叉路口每年可节省750美元。当然,用LED取代普通灯泡还需要相当长的时间,在现今的工艺条件下,制造一只3W的白色发光二极管成本约为100美元,而与之亮度相当的60W白炽灯只需0.5美元。白色发光二极管的大批量生产也许会大幅度降低成本,但价格上的差异,无疑是白色发光二极管取代普通照明灯泡的一大障碍。

目前的发光二极管主要用于显示器件和短距离、低速率的光纤通信用光源,如各种仪器仪表指示器的文字、数字及其他符号的显示等。由于亮度和颜色等原因,目前LED还不能用于普通的照明场合,而这正是LED的重要的应用发展方向之一。目前汽车刹车灯、交通红绿灯等纷纷开始采用发光二极管。当今国内外现代化都市,不少标志性景观和夜景照明都开始使用LED这一类新型的固体节能新光源。据专家预测,随着发光二极管制作成本的逐步降低,它必将在更多领域发挥积极作用。从照明市场看,1999年全球白光LED销售额为0.88亿美元,2000年增长到1.18亿美元,2003年超过2.7亿美元,年增长超过预测的40%,未来需求量将继续增长。

近年来,发光二极管的制造技术不断取得突破,应用越来越广泛,开发应用LED固体光源已成为本世纪的发展目标。美国、西欧、日本等国家与中国台湾地区,竞相投资开发白光LED绿色光源。我国国家科技部、国家发展与改革委员会与信息产业部等有关部门共同组织实施的“国家半导体照明工程”的正式启动,标志着中国高亮度LED产业进入加速发展的新阶段,为LED产业的发展提供了良好契机。

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