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常见电光源的工作原理

发布日期:2014-07-08 点击:1976

   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。

  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

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