照明光源的种类及特点

电光源的种类

有许多物理和化学过程都能产生电磁辐射。为了照明的目的,人们最感兴趣的是在可见光范围内辐射的获得,也就是说波长为380～780nm范围内的辐射。但是,紫外和红外辐射也是重要的,因为它们也能有效地转换成可见光。

在照明工程中,使用各种各样的电光源,按其工作原理可分为两大类:固体发光光源和气体放电发光光源。通过实验及分析可知:当电流通过白炽灯中的螺旋形钨丝时,会发生热效应,从而使白炽灯辐射出可见光和红外光。从钨丝热辐射的波长范围很广,其中可见光部分仅占很小的比例,紫外线也很少,绝大部分是红外线。钨丝辐射随着工作温度升高而增加,其中可见光部分比红外线增加得更快.因此钨丝的工作温度越高,灯的光效率就越高。辐射的可见光从暗红，经过橙黄、发白,然后是炽蓝。这样,色温也就随着辐射体的温度升高而提高。热辐射光源一般分为白炽灯和卤钨灯。

1） 白炽灯

(1) 白炽灯的光电参数及其特性

① 额定电压和额定功率

普通照明和反射型白炽灯的额定电压一般为220V和110V,局部照明灯泡的额定电压大多为36V、12V、6V,船用灯泡的额定电压等级有24V、110V、220V几种。

普通照明灯泡的额定功率一般在15～1000W;局部照明灯泡和船用灯泡的额定功率一般较小,大多为10～100W,反射型灯泡的额定功率一般为几十至几百瓦。

② 光通量和发光效率

白炽灯的额定光通量一般是指点燃100h以后的光通量输出。白炽灯根据不同的功率,其输出的光通量一般在几十到1000lm之间。

白炽灯总功率的75％以上都以红外线的方式辐射掉(产生热能),仅有小部分能量产生可见光。因此普通白炽灯的光效不高,约为10～15lm／W。

③ 寿命和启燃时间

白炽灯的平均寿命一般为1000h,使用寿命较短。影响白炽灯使用寿命的主要原因是:在额定状态下,钨丝在工作过程中会蒸发钨而使灯丝变细,从而导致断丝。

钨丝通电加热过程十分迅速,对于大多数白炽光源来说,能够瞬时启燃和再启燃。

④ 色温、显色指数

白炽灯的色温取决于它的工作温度。实际使用的普通白炽灯能达到的色温不超过3000K,所以白炽灯属于低色温、暖色调光源。

白炽灯的显色性取决于它的光谱能量分布。白炽灯属于热辐射光源,具有与黑体一样的连续光谱,因而其显色性很好,显色指数Ra平均可达99。

⑤ 光电参数与电源电压的关系

当电源电压发生变化时,对白炽灯性能的影响极大,将改变白炽灯的电阻、电流、功率、效率、光通量和寿命。当电源电压高于光源要求的额定电压时,将会大大降低白炽灯的使用者命;当电源电压低于额定电压时,将会使白炽灯的光通量输出大大降低,但却不至于熄灭。因此，常采用调压方式对白炽灯进行调光控制,如局部照明用的调光灯和影剧院用的调光灯一般均用白炽灯。

⑥ 灯的开关及调光特性

在正常情况下,灯的开关并不影响灯的寿命.只有当点燃后灯丝变得相当细时,由于开关造成的快速的温度变化而产生的机械应力,才会使灯丝损坏。但开关灯时要注意,在灯启动的瞬间灯的电流很大,这是由于钨有正的电阻特性,在工作温度时的电阻远大于冷态(20℃)时的电阻，一般白炽灯灯丝的热电阻是冷电阻的12～16倍，因此,当使用大批量白炽灯时,灯要分批启动。

普通白炽灯可以进行调光,调光灯的灯丝工作温降低,从而使灯的色温降低,灯的光效降低,但寿命延长。因此,在灯几乎被连续调光的情况下,一般说来采用功率较小的白炽灯为好。当白炽灯工作在标称电压的50％以下时,灯几乎不发光,然而,此时的能量损耗依然是不小的。因此,建议当调光到这一程度时不如干脆将灯瞬间关熄。

(2) 白炽灯的类型

白炽灯的规格很多,分类方法不一,总的来说可分为真空灯泡和充气灯泡。但一般的分类基本上是根据用途和特性,从大的类别来说，可分为普通照明灯泡、电影舞台用灯泡、照相用灯泡、铁路用灯泡、船用灯泡、汽车用灯泡、仪器灯泡、指示灯泡、红外线灯泡等。

在有些场合,如商店的橱窗和展览厅等处,并不需要将各处都照得很亮,而只希望有很好的局部照明,适应于这样的需求,各种反射型的白炽灯迅速发展起来。根据泡壳的加工方法,反射型白炽灯可分为吹制泡壳反射型白炽灯和压制泡壳封闭光束灯两类,俗称“PAR”灯。PAR灯可分聚光型和泛光型两大类。

PAR灯的前头镜也可以是彩色的,常用的颜色有红、黄、蓝、绿和琥珀色。为了减少出射光的热量,在透镜上涂以红外反射膜,做成冷光型的PAR灯,广泛用于各种需要冷光照明的场合。另外,PAR灯的聚光性强,光的利用率高,比同功率的白炽灯(包括一般反射灯)产生的照度高,因此常用于室内外投光照明。各种白炽灯。

但是,白炽灯仍然存在发光效率低,散热量大、寿命短等缺点,因而在设计上受到限制。除开关频繁场所,需要调光的场所及严格要求防止电磁波干扰的场所外,其余场所不推荐使用,尽量以紧凑型节能荧光灯或紧凑型节能卤钨灯取代。

2） 卤钨灯

填充气体内含有部分卤族元素或卤化物的充气白炽灯称为卤钨灯。卤钨灯也是一种热辐射光源,性能比普通钨丝白炽灯有很大改进。

(1) 卤钨循环的原理

普通白炽充气灯泡由于它的灯丝在高温工作时的蒸发,会导致灯丝的损耗,蒸发出来的钨沉积在泡壳上。当卤素加进填充气体后，如果灯内达到某种温度和设计条件,钨与卤素将发生可逆的化学反应。简单地讲,就是白炽灯灯丝蒸发出来的钨,其中部分朝着泡壳壁方向扩散。在灯丝与泡壳之间的一定范围内,其温度条件有利于钨和卤素结合,生成的卤化钨分子又会扩散到灯丝上更新分解,使钨又送回到了灯丝。分解后的卤素则又可参加下一轮的循环反应,这一过程称为卤钨循环或再生循环。卤钨再生循环能防止钨沉积在玻壳上,使灯泡在整个寿命期间保持良好的透明度,光通量输出降低很少。

(2) 卤素的选择

理论上，所有卤素都能在灯泡内产生卤钨再生循环。根据灯内所充入的微量卤素元素的不同,可制成氟钨灯、氯钨灯、碘钨灯和溴钨灯。这些灯的区别在于卤钨循环时发生化学反应所需要的温度不同。目前技术成熟而使用广泛的是碘钨灯和溴钨灯两种。

(3) 结构与性能参数

卤钨灯分为两端引出和单端引出两种。两端引出的灯管用于普通照明,单端引出的灯管用于投光照明、电视、电影、摄影等场所。

卤钨灯的特点是：由于卤钨循环使蒸发的钨又不断地回到钨丝上,抑制了钨的蒸发,并且因灯管内被充入较高压力的惰性气体而进一步抑制了钨蒸发,使灯的寿命有所提高,最高可达2000h，平均寿命为1500h,为白炽灯的1.5倍；因灯管工作温度提高,辐射的可见光量增加,使得发光效率提高,光效可达10～30lm／W；工作温度高,光色得到改善,显色性也好,一般照明用的卤钨灯的色温为2800～3200K。卤钨灯与一般白炽灯比较,它的优点是体积小、效率较高、功率集中,因而可使照明灯具尺寸缩小,便于光的控制。因此，灯具制作简单,价格便宜,运输方便。

对卤钨灯也能进行调光。但应注意,当灯的功率下调到某一值时,由于泡壳温度降得太多,卤钨循环不能进行,于是卤钨灯变成了普通白炽灯。这时,由于泡壳小,泡壳易于发黑,另外,游离的溴要腐蚀灯的内导丝。因此,不主张对卤钨灯进行过分的调光。

(4) 应用

一般照明用的卤钨灯主要是两端引出的管状卤钨灯。寿命大于2000h,功率0.1～2kW,灯管直径8～10mm,灯管长80～330mm。两端采用RTS的标准磁接头,需要时在磁管内还装有熔丝,一般照明也有单端引出的,还可将小型卤钨灯泡装在灯头为E26／E27的外泡壳内,做成二重管形的卤钨灯泡。在原有灯具中可直接代替普通白炽灯。

投光照明用的卤钨灯主要有带介质冷反光镜的定向照明卤钨灯(MR型)、卤钨FAR灯以及放映卤钨灯。MR型是将反光镜和灯泡一体化的卤钨灯。反射镜内表面涂镀多层介质膜,以反射可见光透过红外(滤掉),俗称冷光束卤钨灯,反射镜可以是抛物面也可以是多棱面,光束可做成宽、中、窄三种,电压有6V／12V／24V,功率10～75W,色温3000K,寿命2000～3000h,广泛用于橱窗、展厅、宾馆以及家庭。卤钨PAR灯比普通白炽灯效率高,可节电40％左右,广泛用于舞台、影视、橱窗、展厅、室外照明和红外加热。

1.2.3气体放电发光光源

在电场的作用下,载流子在气体(或蒸气)中产生和运动,从而使电流通过气体(或蒸气)媒质时所发生的物理过程，称为气体放电。利用气体放电发光的原理制成的灯便是气体放电灯。

1） 荧光灯

(1) 结构与工作原理

荧光灯是一种低压汞放电灯。它的灯管两端各有一个密封的电极,管内充有低压汞蒸气及少量帮助启燃的氮气。灯管内壁涂有一层荧光粉,当灯管的两个电极上通电后加热灯丝,达到一定温度就发射电子,电子在电场作用下逐渐达到高速,冲击汞原子,使其电离而产生紫外线。紫外线射到管壁上的荧光物质,刺激其发出可见光。

大部分荧光灯在启动之前电极都要经过电流预热。在开关启动电路中,电极的预热是由单独的辉光启动器或电子启动器来完成的。由于气体放电灯的负伏安特性,荧光灯还必须与镇流器配合才能稳定地工作,灯管启燃后,电源电压就分布在镇流器和灯管上,灯管两端的电压降远远低于电源电压,致使启辉器上的电压达不到启辉电压而不再启辉。镇流器在灯管预热和启燃后,都起着限制和在一定程度上稳定预热及工作电流的作用。

(2) 工作特性

① 色温和显色性

荧光灯内壁所涂荧光粉主要有三类:一是以前最常用的卤磷盐酸荧光粉，卤磷盐酸荧光粉可以做成2500～7500K各种色温的荧光粉,对应的荧光灯主要有日光色、冷白色、白色和暖白色这几种类型,用卤磷盐酸荧光粉所做的灯显色性较差;二是目前细管径荧光灯中广泛采用的三基色荧光粉,又称为稀土荧光粉。采用不同配比的三基色荧光粉,可以做成各种色温的高性能荧光灯，这些灯不仅光效高,而且显色性好,Ra可达到80以上，这种荧光粉还有耐高温和承受强短波紫外辐射的能力,所以广泛应用于细管径的荧光灯中;三是多带荧光粉，多带荧光粉产生的多个谱带能覆盖整个可见光区,所以多带荧光灯的显色性最好,Ra高达95以上,又称为全光谱荧光灯。

② 环境对性能的影响

荧光灯自身的光效除由采用的荧光粉所决定外,还与另外两个因素即环境温度和电源频率有密切关系,在静止的空气环境中,当环境温度为25℃时,40W荧光灯的光输出最大,当环境温度低于15℃时,灯的光输出随温度的降低很快减少。温度高于最佳温度时,光输出也要减少,但降低速度较慢。

③ 寿命

在荧光灯的寿命期内,光通量逐渐下降。点燃8000h后,灯的光通量下降到初始值的70％左右。光通量下降的主要原因是荧光粉的效率逐渐降低；光通量降低的另一个原因是由于电子发射材料的沉积,使灯管管壁(尤其是灯管两端)发黑,影响了光输出。

④ 调光

现在荧光灯的调光器可采用可控硅调光器,也可采用变频型的高频电子调光器。采用可控硅调光器,各种型式的荧光灯的电流都可调节到正常值的50％，因而光输出大致上也就下降50％,对室内照明而言,光输出不应调得更低。当电流小于正常灯电流的50％时,放电提供的能量不足以使电极维持在合适的温度,无法产生要求的电子发射。因而,必须采用单独的变压器对灯丝提供独立的加热电流,工作于此模式下的灯,光输出可以调节到几乎为0。

(3) 主要类型

荧光灯按其阴极工作类型可分为热阴极和冷阴极两类。绝大多数普通照明荧光灯是热阴极型;冷阴极型荧光灯大多为装饰照明用,如霓虹灯、液晶背光显示等。

荧光灯按其外形可分为双端荧光灯和单端荧光灯。双端荧光灯绝大多数是直管形,两端各有一个灯头。单端荧光灯外形众多,如H形、U形、双U形、环形、球形、螺旋形等,灯头均在一端。

根据灯管的直径不同,预热式直管荧光灯有38mm(T12)、26mm(T8)、16mm(T5)等几种,其中T12直管荧光灯已逐渐被淘汰。T12灯、T8灯可配电感式或高频电子镇流器;T5灯采用电子镇流器。

(4) 应用

荧光灯是应用最广泛、用量最大的气体放电光源。发光效率高,一般可达45lm／W,有的可达70lm／W以上,是白炽灯的4～5倍。寿命是白炽灯的3～8倍,是高效节能光源。

在1940年前后，荧光灯最初用于普通照明并迅速普及,到1970年,荧光灯管已成为最主要的人造光源。目前,荧光灯正在全世界广泛使用,尤其在工业和商业照明领域,其他照明方式几乎都被排除在外。其高效能、良好的光输出、光输出的持久性、颜色的多样性以及较长的使用寿命,使之成为上述照明领域中的理想选择。

带有镇流器和标准灯头并使之成为一体的荧光灯称为自镇流荧光灯。自镇流荧光灯集白炽灯和荧光灯的优点,具有光效高、寿命长、显色性好、使用方便等特点,它与各种类型的灯具配套,可制成台灯、壁灯、吊灯、装饰灯等,适用于家庭、宾馆等照明。

2） 荧光高压汞灯

荧光高压汞灯是高强气体放电灯中结构简单、寿命较长的产品。但高压汞灯光效低,特别是自镇流高压汞灯光效更低,已属限制使用的产品。高压汞灯分为透明外壳高压汞灯、荧光高压汞灯、反射型高压汞灯、自镇流荧光高压汞灯。

荧光高压汞灯是玻壳内表面涂有荧光粉的高压汞蒸气放电灯,它的特点是寿命长、耐振性较好,但显色指数低。

自镇流荧光高压汞灯是利用汞放电管、钨丝和荧光质三种发光要素同时发光的一种复合光源。钨丝兼作镇流器,因此不需要外接镇流器,可以像普通灯泡那样直接接入灯座使用,非常方便。但该灯光效低,耗电较多,寿命因灯丝而缩短,一般不再使用。

3） 金属卤化物灯

金属卤化物灯是在高压汞灯和卤钨灯工作原理基础上发展起来的新型高效光源,其基本原理是将多种金属以卤化物的方式加入到高压汞灯的电弧管中,使这些金属原子像汞一样电离、发光。汞弧放电决定了它的电性能和热损耗,而充入灯管内的低气压金属卤化物决定了灯的发光性能。充入不同的金属卤化物,可以制成不同特性的光源。

金属卤化物光效高、寿命长、显色性好,而且可以根据不同需要设计制造出所需的光色。

(1) 分类

金属卤化物灯按照填充的金属卤化物及发光特性不同分成四类:

① 充钠、铊、铟等的金属卤化物灯,光效约为70～80lm／W,色温3800～4200K,显色指数70～75,灯的寿命可达数千小时,常用于一般照明。

②

充入钪、钠等的金属卤化物灯,光效高,约为90～100lm／W,显色指数60～70,色温范围3600～4200K。但此类灯需配用LC顶峰超前式镇流器(CWA型),常用做室内或道路、商场照明。

③

充入镝、钬、铥等的金属卤化物灯,光效约为70～80lm／W,显色指数80～95,色温3800～5600K。但灯的寿命较短,可用于电视台、体育场、礼堂等对光色要求很高的大面积照明场所。

④ 利用锡、铝分子发光的金属卤化物灯,显色性好,显色指数在90以上,但光效较低,约为50～60lm／W,光效一致性差,灯的启动也较困难。

金属卤化物灯还可以分为带外玻壳的金属卤化物灯、不带外玻壳的管形金属卤化物灯、陶瓷电弧管金属卤化物灯、球形中短弧金属卤化物灯。带外玻壳的金属卤化物灯结构与高压汞灯相似,一些小功率的金属卤化物灯外形尺寸与高压汞灯相同;管形金属卤化物灯结构简单、体积小,不仅可以使灯具的体积缩小,灯具的效率也高,而且成本低、使用方便;由于透明或半透明陶瓷管能耐高温，化学性能极稳定,因而制成的光源光效更高,显色性更好,光色稳定,寿命更长,其功率范围为20～400W,广泛应用于室内照明;球形金属卤化物灯光效高、光色好、外形尺寸小,便于提高灯具的效率,该类灯主要用于电影、电视摄影中。

(2) 工作电路

与其他气体放电灯一样,金属卤化物灯也需要采用镇流器。一般说来,金属卤化物灯并不需要特殊设计的镇流器,对钠、铊、铟灯,可以采用高压汞灯的镇流器。而很多稀土金属卤化物灯和卤化锡灯能在高压钠灯镇流器上工作得很好,钪、钠灯需要采用恒功率的镇流器。

电感镇流器的开路电压不足以启动金属卤化物灯,所以需要外加启动器。只有钪、钠灯和少数小功率的钠、铊、铟灯采用辅助电极的方法来帮助启动。

当灯熄灭后,由于灯内气压太高,在原来启动电压的作用下不能立即再启动,要在5～20min后才能再启动,具体时间视灯的冷却速度而定。在某些应用场合,希望灯在熄灭后能立即再启动,这时,需要采用能产生30～60kV高压的启动器。

(3) 外界条件对灯的影响

与高压汞灯相比,金属卤化物灯对电源电压的波动更为敏感。电源电压在额定值上下变化大于10％时,就会造成灯颜色的变化,尤其对钠、铊、铟灯和钪、钠灯,电源电压太高还会缩短灯的寿命。

4） 高压钠灯与低压钠灯

(1) 高压钠灯

高压钠灯是一种高压钠蒸气放电灯,其放电管采用抗钠腐蚀的半透明多晶氧化铝陶瓷制成,工作时发出金白色光。它具有发光效率高(光效可达120lm／W)、寿命长、透雾性能好等优点。广泛用于道路、机场、码头、车站、广场及工矿企业照明,是一种理想的节能光源,缺点是显色指数低。

中显色高压钠灯和高显色高压钠灯是在普通高压钠灯基础上,适当提高电弧管内的钠蒸气气压,从而提高高压钠灯的色温,改善灯的显色性。中显色性高压钠灯相关色温为2200K,平均显色指数提高到60;高显色高压钠灯相关色温为2500K,平均显色指数提高到85。但与标准型高压钠灯相比,它们的光效明显降低。高压钠灯适用于高大厂房、商业区、游泳池、体育馆、娱乐场所等处的室内照明。

(2) 低压钠灯

低压钠灯是电光源中光效最高的品种,光效可达140～180lm／W,光色柔和,眩光小，透雾能力极强,适用于公路、隧道、港口、货场和矿区等场所的照明,也可作为特技摄影和光学仪器的光源。但低压钠灯辐射近乎单色黄光,分辨颜色的能力差,不宜用于繁华的市区街道和室内照明。

1.2.4其他光源

1） 发光二极管(LED)

LED是一种半导体发光二极管,利用固体半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压,半导体中的载流子发生复合发出过剩的能量,从而引起光子发射产生可见光。目前大功率LED发光效率可达30lm／W,辐射颜色为多元化色彩,寿命达到数万小时。

LED发光的颜色由组成半导体的材料决定。磷化铝、磷化镓、磷化铟的合金可以做成红色、橙色、黄色;氮化镓和氮化铟的合金可以做成绿色、蓝色和白色。

与目前常用的光源相比,LED的光输出相对比较低,因此需要采用阵列或其他结构来组成照明灯。

LED作为一种新颖的半导体光源,其特点主要表现在以下几个方面。

(1) 寿命长

LED的使用寿命可以长达10万h,传统的光源在这方面无法与之相比。因此,在一些维护和换灯困难的场合使用LED作为光源,可大大降低人工费用。

(2) 启动时间短

气体放电光源从启动至光辐射稳定输出,需要几十秒至几十分钟的时间,这是由气体放电光源本身的特性决定的,因为多数气体放电灯的工作物质在常温下是液体或固体,启动后需要一个加热气化的过程,才能达到稳定的工作状态。白炽灯是热辐射光源,其启动后放电有零点几秒的上升时间。而LED的响应时间只有几十纳秒,因此在一些需要快速响应或高速运动的场合,应用LED作为光源是很合适的。

(3) 结构牢固

LED是用环氧树脂封装的半导体发光的固体光源,其结构中不包含玻璃、灯丝等易损坏的部件,是一种实心的全固休结构,因此能够经受得住震动、冲击而不致引起损坏。LED的这一特性使它可以应用于使用条件较为苛刻和恶劣的场合。

(4) 发光体接近点光源

LED的发光体芯片尺寸很小,在进行灯具设计时基本上可以把它看做点光源,这样能给灯具设计带来许多方便。

(5) 可以做成薄型灯具

LED发光的方向性很强,很多情况下只需用透镜将其发出的光线进行准直、偏折,而不需要使用反射器,这样设计的灯具厚度较小,可以做成薄型美观的灯具,尤其适合于没有太多灯具安装空间的场合应用。

LED为低压供电,具有附件简单、结构紧凑、可控性好、色彩丰富纯正、高亮度、防潮和防震性能好、节能环保等优点,因而有着十分广阔的应用前景,不仅可以用做指示灯、显示光源和信号光源,而且可以组合起来,取代白炽灯等用于一般照明。现在,大家认为LED是继白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯(HID)光源之后的第4代光源。在21世纪的照明中占有举足轻重的地位。

2） 光纤照明

光纤照明是近年新发展起来的一门新照明技术。它是采用光导纤维(简称光纤),利用全反射原理,通过光纤把光传送到需要的部位进行照明的一种新的照明方式。

光纤照明具有其他方式不可替代的优势：一是装饰性强，通过光纤输出的光,不仅明暗可调,而且颜色可变,是动态夜景照明相当理想的方法;二是安全，光纤本身只导光不导电,不怕水，不易破损,而且体积小，柔软可弯曲,是一种十分安全的变色发光塑料条,可以安全地用在高温、低温、高湿、水下、露天等场所，在博物馆照明中,可以免除光线中的红外线和紫外线对展品的损伤,在具有火险、爆炸性气体和蒸汽的场所,它也是一种安全的照明方式。

作为照明用的电光源,其主要性能指标有:光效、寿命、色温、显色指数、启动和再启动时间等。这些性能指标之间,有时是相互矛盾的。在实际选用时,一般应先考虑光效高、寿命长,其次再考虑显色指数、启动性能等。在同一场所,当采用一种光源的光色较差时(显色指数低于50),一般均考虑采用两种或多种光源混光照明的办法。