近代照明光源性能剖析

近代照明兴源牲能剖斫刘先德她晓乌OSRAM佛山照明有限公司528000果好，有的照明质量高，有的使用方便，有的价格便宜等等。场合不同，对照明的具体要求不同。基于此，本文对三大传统照明光源的特点进行了简要剖析。 体放电灯m（严格地说应是德国钟表JohannHeinrich在1854年）发明了**支碳丝白炽灯；到1905年0SRAM公司用金属丝取代碳丝，将白炽灯的光效和寿命大大向前推进了一步；到1938年突光灯诞生，标志着气体放电光源正式走上了历史舞台，光源产品不断发展。 由于气体放电灯在光效寿命方面具有白识灯无可比拟的优势，因此，从它诞生起就一直受到人们的广泛关注，由此派生的产品可谓异采纷呈。目前市场上已有约5000多种光源。但就目前得到广泛应用的室内外照明的光源的工作原理来说，主要可分为二大类别：热辐射光源和气体放电光源。热辐射光源以普通白炽灯泡和卤钨系列灯为代表。气体放电光源，主要是弧光放电光源，辉光放电光源如霓虹灯、冷阴极光源在室内外用于照明的很少。弧光放电光源又可分为低气压放电光源和高强度放电光源。低气压放电光源以日光灯及节能灯为代表；高气压放电光源以高压水银荧光灯、高压见灯（国外还有低压钠灯）和金卤灯为代表。 近些年来，许多其他类别的新型光源也在不断地产生和发展，如准分子光源（ELS）、微波光源以及固体光源（LED）等。但近几十年内，将还是传统光源主宰天下，为了大家选用的方便，将这两大类传统光源的工作原理及优缺点作一下比较，以方便大家选用。 1普通白炽灯普通白炽灯（简称普泡），一般装有钨做的灯丝，内部被抽成真空或充人少量惰性气体。灯丝通电后，钨丝呈炽热状态并福射发光。灯丝温度越高，辐射的可见光的比例就越高，即灯将电能转换为可见光的效率（简称光效，单位为lm/W）就越高。随着光效的增加，灯丝温度的升高，钨的蒸发速度也增加，从而灯的寿命将缩短。较大功率的灯泡内填充约80kPa的惰性气体，可以在一定程度上抑制钨的蒸发，从延长灯的寿命。 普通白炽灯的典型光效为llm/W，灯的寿命为2卤钨灯为进一步提高灯丝的工作温度，在白炽灯内冲人2~8个大气压的惰性气体及少量的卤素气体，这就是卤钨灯。它的外壳一般采用耐高温且强度高的石英玻璃或硬质玻离。 伽弈搞卤钨灯与普通白炽灯相比有以下明显优势：玻壳尺寸可以做得更小；由于玻壳尺寸减小，泡壳强度得到提高，使提高充气压力成为可能，也可以填充比较昂贵的惰性气体，如氪、氙，使灯丝可以工作在更高的温度下，随之而来的是光效的提高和寿命的延长；由于卤钨循环（如所示），减少了泡壳的黑化，卤钨灯的光输出在整个寿命过程基本可以维持不变。 正是由于卤钨灯的以上优势，其用途日趋广泛。 下面就介绍两种OSRAM公司生产的低压卤钨灯和线电压卤钨灯。 低电压卤钨灯的工作电压一般为12/24V，主要的产品有G4，GY6.35灯珠，MR11，MR16反光杯灯等等，功率选择很多，从10W到50W不等，它们的主要特点有：色温为2900K，显色指数为95100，因此，更加适宜色彩丰富的高档商品照明；光效为16~20lm/W，寿命为3000h；MR11，MR16反光杯灯，是由单端石英卤钨灯与具有几何光学性能的玻璃反射杯接合起来，可以做出100/240/380/600等具有不同光出射角度的反光杯灯，为不同的照明要求提供更多的选择；MR11，MR16反光杯灯，因为灯杯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，而让可见光被反射。这样，出射光的温度大降低，因之，被广泛用于冷光照明场所，如超市食品照明。 低压卤钨灯有很多优点，但是由市电转换到低压时需要变压器，往往使人在设计安装时感到不便。线电压卤钨灯就不存在这个问题，它可以直接使用。但线电压卤钨灯的应用必须克服一个技术难题跳电造成的灯泡爆炸。目前国内绝大多数灯泡制造商所采取的对策是在灯泡的外导丝上焊接保险丝。但是由于灯泡尺寸的限制，保险丝的长度一般只有几毫米，无法完全避免跳电炸泡的发生。 OSRAM公司的专利夹封技术可以从原理上避免炸泡的发生。以线电压卤钨灯HalopinG9产品为例，它完全取消了灯内的钼杆导电支架，灯丝尾部直接焊在钼片上，并一起被封接在石英玻璃里。当灯丝寿终产生电弧时，被封接在玻璃里的丝尾部分产生“烟囱效应”，吹灭电弧，避免了炸泡的发生。另外由于取消了灯内支架和玻珠，减少了组件的放气量，大幅度提高了寿命。其与一般的线电压卤钨灯相比有以优势：除了跳电炸泡的风险，可以在开放环境中使用，完全达到了EC60432―2的安全规定；（―般线电压卤钨灯不超过1000h）；采用了防紫外玻璃，有效滤除了有害的紫外线。 热辐射光源特别是卤素光源与气体放电光源相也具有很多优势：体积小、价格便宜、不需要启动和镇流器等附件，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光源不可比拟的。因此，试图用某种光源完全取代另一种光源也不是一件容易的事。 在低气压汞蒸气放电中会产生大量253.7nm紫外线，及少量185紫外线和可见光。在灯管表面涂有荧光粉，以将253.7紫外线转化为可见光，因之，我们称之为荧光灯。常用的荧光粉有两种：卤磷钙荧光粉和三基色荧光粉。三基色粉的光效比卤粉高15%，显色指数大于80，而且抗185mn紫外线能力强，因此，在细管径荧光灯中得到广泛使用。 荧光灯可分为两大类：直管型荧光灯和异型荧光灯。因所涂荧光粉的不同又分别有日光色、冷色和暖色之分。直管型可分为T12、T8、T5、T4、T3、T2等几种，有各种功率设计，但一般不会超过lW.异形荧光灯包括环形灯、节能灯、无极灯等等。从工作原理和光电寿特性上说，除无极灯因高频的引人稍有不同外，我们完全可在二者之间划上等号。我们常说的电子节能灯，它是现代电子技术和三基色荧光粉的产物，可将节能灯当作工作环境被改善了的异形化了的直管型荧光灯。 在荧光灯中，严格地说，作为节能的考虑，应该推介的是细管径、涂有三基色荧光粉且配有高频电子镇流器的荧光灯，而不单单是节能灯。不过，节能灯是满足上述三个条件的一个典型代表。 节能灯在光效上比白炽灯高5倍，寿命上白炽灯长5倍；在结构上比直管型紧凑而且使用方便；它的显色指数在80以上。因此，节能灯很受欢迎，它的发展很快。上世纪的节能灯仅有H、U和n型三种，逐步发展为双H、双U和双n型，现在又开发出3U，3IT、4U、4n和螺旋型，还有调光型产品问世。灯的功率也在不断做大，已有85W和125W大功率节能灯问世。它们的镇流器已从分列元件发展到使用贴片，甚至集成电路。 功率因素达到0.98，谐波失真总量小于10%.必，教揠染各气体放电光源都存在启动和镇流问题。荧光灯的启动有两种方式：双金属片启动和高压快速启动。镇流也有两种方式：电感镇流和电子镇流。 电子镇流有以下好处：自身功耗低，省电约10%；可实现调光；无频闪。 由于永具有激发电位低，在室温下饱和蒸气压低而在高温下饱和蒸气压高等特性，因此，一般放电灯中都有汞。在荧光灯中，汞的蒸气压很低，约为lpa左右，这说明汞的实际需要量是很少的。由于在突光灯中汞工作在饱和状态，汞量用多了，对灯的性能没有影响。 荧光灯中一般注入的液态汞，它的量很不好控制。考虑到成本问题，制造商往往倾向于在灯内注人过量的汞，因此给环境带来了很大的危害。OSRAM公司采用在灯内注人铁包汞的方法，严格控制了灯内的汞量，大大减少了汞污染。在节能灯内，他们还采用加人碟铟汞齐或辅助汞齐的方法，不仅严格控制了用隶量，而且在更宽温度范围内保证了灯内的*佳采蒸汽压，使灯的实际光效率得以提高。 1高压汞灯高压汞灯是高强度放电灯中*古老的，它可分为两大类：标准型高压汞灯和自镇型高压汞灯，又根据外泡壳是否涂粉以及涂粉种类不同而派生出新的类另！）。功率范围从50~ 1000W.两类高压汞灯相比有以下区别：标准型寿命较高：一般为10，000h左右，在自镇型中由于用作镇流元件的灯丝容易烧毁，因此寿命被缩短至5000h左右；标准型的光效和光通维持较好：以250W为例。 标准型光效为521m/W，6300h后的光通维持率为80%；自镇型的光效为211m/W，3500h后的光通维持率为70%；自镇型对燃点位置有要求而且容易熄弧；⑷自镇灯不需外接镇流器、可迅速达到正常亮度、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，缺少红色成份，显色指数只有20左右。为了克服它的不足，在玻壳上涂上荧光粉以将紫外线转化为红光，增加红色成份。这样显色指数可达40~50.在高压汞灯的放电管内有一个或两个辅助电极，它能帮助其启动。因此，高压隶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，高压钠灯和金卤灯中也有类似情况。 灯刚启动时的电流很大，约为正常工作时的2倍。 这主要是因为灯刚启动时，管内汞的蒸气压很低，电子很容易通过的缘故，随着放电管温度的上升，管内汞蒸气压不断上升，电子越来越不容易通过，电流就会逐步变小，*后达到平衡。电压的变化对电流、功率和光通的影响是正相关的。当电压升高时，放电管两端的电压上升，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，因此电流上升，光通变大。高压钠灯、金卤灯与其相似，将不再赘述。必须提及的是，高压汞灯和金卤灯内的汞，处于非饱和状态，因此，电压引起的光电参数变化相对较少，而高压钠灯内的汞处于饱和状态，因此电压引起的光电参数的变化相对较大。在金卤灯内，由于电源电压变化引起的光参数的变化比金卤灯要明显一些，这主要与电压变化引起放电管壁的温度变化有关，此外，它还会引起颜色的漂移。 2钠灯篼压钠灯的放电物质是金属钠，内部一般都充有汞和惰性气体，但它们不是放电物质。高压钠灯的发光谱线主要是钠的双黄线的展宽，其双黄线波长为589.0nm和589.6nm.因此，高压钠灯中不含紫外线，光线呈黄色。由于双黄线接近人眼*为灵敏的绿色谱线（555nm），所以高压钠灯的光效比高压汞灯和金卤灯都高很多，一般可达到llm/W.高压钠灯可分为三大类：标准型、代替高压汞灯型、高显色性型。它又分别有内触发和外触发、T型玻壳和椭球型之分。高压钠灯具有光效更高、寿命更长，可接受的显色性以及不诱虫、不易使被照物褪色等特点，这就使高压钠灯被广泛地应用于显色性要求不高的室内外照明。三大类高压钠灯相比各有以下特点：标准型的光效和寿命*高：这也不是绝对的。OSRAM的SUPERNAV-T250W型的光效可达1301m/w，而对应的普通型为lllm/W；代替高压汞灯型的启动电压*低，可直接在市电下启动，而普通型的触发电压在3000V左右；⑶高显色性型的显色性*好，显色指数可达到80，而普通型的仅为25左右。 高压钠灯的镇流电路可分为滞后型、恒功率型、超前型等三种镇流型式。下表是它们的优劣比较：由于高压钠灯在寿命期内管压上升很显著，再加上它比较篼的再启动电压，因此，以前的篼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的缓解，因此，超前型镇流电路被大量使用。恒功率型镇流器*适合于在电网电压波动较大的场合。在实际选用时，可根据自身情况，参照上表灵活选用。 3金卤灯可简单地认为，在高压汞灯中加人了放电物质金属卤化物就成了金属卤化物灯。有50多种金属的卤化物满足相关要求。如果从其中选择几种进行组合，可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，而是根据所要求的光谱特性，进行适当的选择。 金卤灯是20世纪60年代发展起来的第三代光源产品。由于其具有优良的显色性、较高的光效、并可制造出多种色温，而且体积小，便于光学控制，因此，在需要高质量照明的场合被广泛使用。 金卤灯的光度色度指标很大程度上取决于金卤丸的配方，采用不同的金卤丸配方可制出不同效果的金卤灯。它可分为Dy-Tl、Sc-Na、Na-Tl-In三大系列。增加金卤丸中的添加元素，有利于提高显色指数和光效。OSRAM公司所用的金卤丸中含有Tm、Tl、H、Cs、Dy等元素，由于是多种元素的组合，且含有多种稀土元素，因此，它的光效和显色性比一般的金卤灯高。 与高压汞灯、钠灯相比，它启动更困难，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，目前比较混乱，两者都采用，灯-镇流器-触发器三者关系很复杂。 金卤灯的放电管一般是使用石英玻璃作为其外壳，近年来，OSRAM公司，推出了陶瓷内管金属卤化物灯。现有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901m/W，显色指数在80以上，有效寿命在lOOOOh以上。陶瓷内管金卤灯与石英金卤灯相比具有以下优势：避免了灯内放电金属物质的损失，保证了灯颜色的稳定性；电弧管尺寸可以精确控制，这样，光电性能一致性和稳定好；允许更高电弧温度，灯的光效可提高10%~20%.在使用金卤灯时应注意以下问题：点灯方向应根据制造商的推荐安装：因为不同的点灯方向，冷端温度不同，会有不同的光效和颜色；对电源电压的稳定性有较高要求：因为电压变化灯的功率会跟着变，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，进而引起颜色的大幅度漂移。 灯寿终时可能爆炸，要按时更换：因为金商灯的管壁负载大，表面温度高，用作放电管的石英玻璃会结晶而使其强度降低。 就总体来说，白炽光源的光效低、寿命短，这是它逐步被荧光灯所取代的主要原因。但由于气体放电光源的显色性相对较差，需要启动和镇流附件，启动时间长、体积相对较大等缺点，企图在各个领域完全取代白炽灯也很困难。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，它们的适用领域也在不断被拓宽。