电气照明3第二章 电光源

1、第一节 白炽发光和热辐射第二节 气体放电第三节 白炽灯和卤钨灯第四节 荧光灯第五节 高强气体放电灯第六节 场致发光第七节 性能比较和选用第三章 电光源电光源发展简史n1802年英国科学家HumphryDavy显示了白炽现象n1879年美国科学家爱迪生发明了第一只白炽灯n1906年研制成功高压汞灯,1930年应用于照明n1938年荧光灯问世n60年代金属卤化物灯研制成功n70年代发明了铝酸盐系列三基色荧光粉n1979年PHILIPS发明了第一只节能灯电光源发展简史n光源分三类 热辐射电光源：白炽灯（1879年）、卤钨灯（1959年） 气体放电光源： 低气压放电灯：低压钠灯(1931年)、T12荧

2、光灯(1936年)、三基色荧光灯(1973年)、紧凑型荧光灯(1980年)、T5荧光灯(1995年) 、无极灯(2003年) 高强度气体放电灯：高压汞灯(1936)、高压钠灯(1965年)、金属卤化物灯(1964年) 固体电致发光光源：主要有半导体发光二极管(LED)，但替代目前常见照明产品仍需很长时间。 电光源发展简史n 第二代和第三代电光源 20世纪30-40年代，人类又相续发明了直管荧光灯、低压钠灯、高压汞灯（第二代电光源）。到本世纪70年代细管径荧光灯、紧凑型荧光灯、高压钠灯、金卤灯也相续被人类发明（第三代电光源），此时期电光源产品得到了快速的发展，已成为人类不可或缺的产品。电光源发展

3、简史n第四代光源-无极灯 无极灯属于第四代照明产品，无灯丝，无电极，是无电极气体放电荧光灯的简称。无极灯是综合应用光学、功率电子学、等离子体学、磁性材料学等领域最新科技成果研制开发出来的高新技术产品，是一种高光效、长寿命、高显色性，代表照明技术未来发展方向的新型光源。 无极灯分内耦合无级灯和外耦合无级灯。电光源发展简史n第四代光源-LED 同样为第四代电光源的LED也经过了一个相当长的历史过程。 1907年Henry Joseph Round第一次在一块碳化硅里观察到电致发光现象。 二十世纪50年代，英国科学家在电致发光的实验中使用半导体砷化镓发明了第一个具有现代意义的LED,并于60年代面世

4、。 20世纪90年代后期，研制出通过蓝光激发YAG荧光粉产生白光的LED，但色泽不均，使用寿命短，价格高。随着技术的不断进步，近年来白光LED的发展相当 迅速，白光LED的发光效率已经超过100lm/W，实验室研究成果可以 达到230lm/W，大大超过白炽灯。 电光源固体发光光源气体放电光源热辐射光源：白炽灯、卤钨灯电致发光光源：半导体灯（发光二极管）辉光放电光源：霓虹灯弧光放电光源低压：低压汞灯/钠灯高压：高压汞灯/钠灯、金卤灯电光源的分类n白炽体的重要特征：随着辐射体的温度升高，辐射的色表从暗红，经过橘黄，发白，然后是炽蓝。即色温随着辐射体的温度升高而提高。n热辐射发光光源是利用电流将灯丝

5、加热到白炽程度而产生热辐射发光的一种光源。n例如白炽灯和卤钨灯，它们都是以钨丝作为辐射体，通电后使之达到白炽程度时产生热辐射。 （白炽状态：物体温度达到1700以上就发白光，这种状态叫白炽状态。）u钨丝辐射的范围很广，可见光占很少比例，紫外线也很少，绝大部分是红外线，辐射随温度升高而增加，可见光增加更快，工作温度越高，灯的光效率越高。一、白炽发光和热辐射1、气体放电的伏安特性 A V U0 R 109 106 103 101 10 非自持放电非自持放电 自持放电自持放电 G F E D C B A O U2 U 辉光放电辉光放电 弧光放电弧光放电 OC段：非自持放电,电流约在 106A以下具有

6、负的伏安特性 D点：着火点,可自持放电E点：稳定的自持放电点自持放电辉光放电弧光放电单独接电源时无法稳定工作 二、气体放电常用镇流器： 电感、节能型电感、电子 、电子调光 2、气体放电光源的电气附件1)镇流器功能：防止电流失控、保证放电灯在正常电特性下工作 2)启辉器功能：预热灯的电极,并与串联的镇流器 一起产生脉冲电压使灯启动 静触头静触头 双金属片双金属片 外壳外壳 电极电极 启辉器示意图启辉器示意图 3)补偿电容器功能：提高功率因数cos , 减少线路损耗二、气体放电1. 额定电压(V)光源及其附件组成的回路所需电源电压的额定值灯泡(灯管)的设计功率值2. 额定功率(W)三、照明电光源的

7、主要性能指标两种定义形式新光源刚开始点燃时的光通量(初始光通量)新光源点燃100h以后的光通量保证电光源正常工作、经济运行光源能产生额定的光通量光源在额定电压下工作时所具有的有功功率值三、照明电光源的主要性能指标灯泡(灯管)额定工作时所发出的光通量(额定光通量)3. 光通量(lm)灯泡(灯管)在额定状态下消耗单位电功率所发出的光通量简称光效4. 发光效率(lm/W)两种定义形式新光源刚开始点燃时的光通量(初始光通量)新光源点燃100h以后的光通量光源供电电压是额定的、电功率是额定的、且光源在使用的有效寿命期内累积点燃的小时数 5. 寿命(h)三、照明电光源的主要性能指标寿命的定义全寿命:从第1

8、次点燃起到损坏止累计点燃的小时数平均寿命: 同一组光源试样从一同点燃起到50%损 坏止累计点燃的小时数有效寿命: 从点燃起到光通量衰减为初始值的某一 百分数时累计点燃的小时数色表和显色性6. 颜色特性 (光色指标)取决于光源的光谱能量分布，用显色指数描述 取决于光源的色温分暖、中间、冷色7. 启(点)燃时间与再启(点)燃时间(min)启燃时间：从光源接通电源起到光通量达稳定值所需的时间再启燃时间：正常工作的光源熄灭后将其重新点燃所需的时间是指保证光通量额定值的损耗20%30%的时间闪烁 交流供电的光源点燃时,其光通量随电流的增减发生周期性明暗变化的现象 8. 闪烁与频闪效应频闪效应 在以一定频

9、率变化的光线照射下,观察到的物体运动呈现静止或不同于实际运动状态的现象 消除频闪效应的方法 移相、使用电子镇流器三、照明电光源的主要性能指标1. 白炽光源的型号命名 2. 气体放电光源的型号命名 第1部分：字母，表征光源名称特征的汉语拼音首字母第2、3部分：数字，表征电光源的光电特性 第1部分：字母，表征光源名称特征的汉语拼音首字母第2部分：数字，表征电光源的光电特性注意： 型号的各部分应直接连写当相邻的两部分同为字母（数字）时，则需要用“”分开四、光源型号命名四、光源型号命名一、构造特点一、构造特点二、主要类别二、主要类别三、光电参数及特性三、光电参数及特性第二节 白炽灯 特点： 曲线柔美、

10、外形小巧；极低的初始成本 令人愉悦的暖色光；优异的显色性 多样的外形和涂层；简便的安装特性1. 灯丝白炽灯泡的发光体材料：钨丝 直径和长度：由灯泡的规格决定 形状：螺旋型(单螺旋、双螺旋、三螺旋) 一、构造特点减少气体热传导引起的热损，提高灯的发光效率多用于40W以上的充气灯泡中 2. 玻壳用透明玻璃吹制或压制成对称或不对称形状 表面处理：彩色、磨砂或乳白 在反光镜部位蒸镀反射铝层或介质膜反射面 一、构造特点采用彩色玻璃或在玻璃内壁/外壳敷涂上彩色涂层 避免由灯丝引起的眩光光利用率高、集光性好，能使光束定向发射3. 灯头 作用：固定灯泡、接通电源 种类：螺口式E 卡(插)口式B 聚焦式P 机械

11、夹紧式 双金属插脚式 普通灯泡大功率灯泡体积大、功率大灯泡4. 灯内成分 作用：防止钨丝蒸发，提高光效，延长寿命 氮气体：光效为11 lm/W(单螺旋) 氩氮混合气体：光效为12.5 lm/W(单)或13.5 lm/W(双螺旋) 特别强调发光效率时充氪气体：光效为15 lm/W(双螺旋)一、构造特点是灯的电连接和机械连接部分 光通分布或灯丝的位置有严格要求1. 普通照明用白炽灯 用于民用建筑(住宅、宾馆、餐厅、商店等场所) 2. 装饰用白炽灯 与建筑灯具相配，形成多种艺术风格(蜡烛形灯泡与节日彩泡) 3. 反射型灯泡 用于商店橱窗照明、物品展示照明等需要光线集中的场合 4. 局部照明灯泡(俗称

12、低压灯泡) 用于便携式手提灯、机床照明灯等 二、主要类别1. 光电参数光 效：低，约为1015 lm/W（821.5 lm/W） 寿 命：低，平均寿命约为1000 h 启燃时间：短，瞬时启燃/再启燃 色 表：暖，约24002900 K（27003000K）显 色 性：好，Ra达99100（接近太阳光）2. 特性电压特性：端电压额定值寿命降低 端电压额定值光通量降低调光特性：可在0100%范围内即时连续均匀反复调光开关性能：开启瞬间产生很大的脉冲电流 但开关次数对寿命影响很小三、光电参数及特性一、卤钨循环一、卤钨循环二、二、卤钨灯的结构特点卤钨灯的结构特点三、主要类型及其光电参数三、主要类型及其

13、光电参数第三节 卤钨灯一、卤钨循环（1-1）1. 卤钨循环反应低温时产生化合反应高温时产生分解反应2. 卤钨循环过程 钨丝通电其温度蒸发钨钨朝泡壁方向扩散，并与卤素反应产生卤化钨卤化物扩散到灯丝周围并分解钨沉积在灯丝上，卤素再扩散到泡壁区参与下一轮循环 区域区域 2 石英管壁温度石英管壁温度 250 C 以上以上 WI2+A+I2 (3 区区) A+WI2 W+2I+A (1 区区) 钨丝钨丝 W钨；钨；A惰性气体；惰性气体；I碘原子碘原子 W WI2 区域区域 1 区域区域 3 A+W+2I (2 区区) 热热 冷冷 3. 卤钨循环温度 钨和多种卤素成分生成无色卤化钨的玻壳温度范围不同碘钨灯

14、：250600溴钨灯：20011001. 泡壳尺寸小，机械强度高 充分的卤钨循环反应要求玻壳温度高，因此灯内气体压强高 玻壳采用耐高温石英玻璃或低碱硬质玻璃成本高2. 灯丝密且较长 要用支架托住灯丝，不致产生下垂 泡壳尺寸较小，机械强度高，一般为细管形或小球形 灯的体积缩小到同功率白炽灯的0.5%3%3. 灯管封接要求高 要采用高稳定性的钼箔作为导电体 二、卤钨灯的结构特点1. 主要类型 双端管形卤钨灯市电型特点：发光体呈线状功率：1002000W应用：泛光照明单端卤钨灯市电型特点：点状或面状功率：75250W应用：影视/舞台/剧场照明 展示照明 台灯、落地灯 小型射灯 三、主要类型及其光电参

15、数反射型卤钨灯低电压型 功率：5300W 应用：聚光、泛光和定向照明市电型：工作电压为100240V低电压型:工作电压有6、12、36V 色温：27003200K 光效：1530lm/W 寿命：15002000h(双端)、10003500h(低电压冷光束)2. 光电参数 注意： 电压特性：与白炽灯相似，但电压变化色温变化明显 可调光性：调光范围大，但频繁调光时应注意灯的热学特 性，保证管壁温度处于黑化范围之上 寿命特性：影响寿命因素较多，从使用角度来说以震动为主 三、主要类型及光电参数四、卤钨灯的型号L Z J 光束角 额定功率 额定电压 介质膜反光镜 照明 卤钨灯一、结构及工作原理一、结构及

16、工作原理二、主要类型二、主要类型三、参数及其工作特性三、参数及其工作特性第四节 荧光灯特点： 高光效、发光均匀、光色柔和、结构简单、安装方便一、结构及工作原理1. 玻管形状：细长管型玻管长度：约每英尺10W管径：T12、T8、T5T代表代表1/8英寸英寸( (3.175mm) )管径管径约为约为T后面的数乘后面的数乘3.175mm一、结构及工作原理2. 荧光粉3. 电极4. 汞和惰性气体将紫外辐射转换成可见光发射电子汞：放电介质惰性气体：抑制电极上电子发射材料的蒸发与溅散 1. 直管型荧光灯 T12（管径38mm）T8（管径25mm）T5（管径16mm）趋势二、主要类型2. 环形荧光灯 分体式

17、环形荧光灯 一体化环形荧光灯 二、主要类型2. 紧凑型荧光灯 一体化紧凑型荧光灯 插拔式紧凑型荧光灯 二、主要类型1. 灯管电压和灯管功率 灯管电压：工作电流在灯管上产生的电压降灯管功率：灯管在额定电流下消耗的功率2. 颜色特性 荧光灯的颜色特性取决于荧光粉的配方 色温：常用三种标准白色 暖白光(2900K)、冷白光(4300K)、日光(6500K)Ra：卤粉(5070)、三基色(8085)、三基色多谱带(90)三、参数及工作特性 卤磷酸钙荧光粉 三基色荧光粉3. 光通量和发光效率 额定光通量指点燃100h后的输出光通量光效：一般在2782lm/W4. 寿命 平均寿命：30005000h（国产

18、） 注意： 使用寿命与其启动的频繁程度有关 启动越频繁，使用寿命越短三、参数及工作特性 80 85 90 95 100 140 130 120 110 100 90 80 70 60 灯管电流灯管电流 灯管功率灯管功率 光通量光通量 灯管电压灯管电压 各量变化率（各量变化率（%） 105 110 115 电源电压（电源电压（%） 5. 电压特性 电压灯管电流电极过 热电子发射物消耗寿命电压灯管电流电极温度需多次启动电子发射 物消耗寿命调光较困难6. 温湿度对灯性能的影响 温度的影响 温度变蒸气压强变光通量输出变影响光效 最佳点灯环境温度: 2035 湿度的影响 湿度过高(75%80%)会使灯具

19、启动困难、缩短寿命 相对湿度在60%以下对荧光灯工作有利 7. 频闪效应 频闪效应较明显三、参数及工作特性四、荧光灯的种类和变形n荧光灯按其材料和功能来分类，有以下一些种类：n普通卤粉荧光灯（普通照明用）n三基色荧光灯（普通照明用）n紫外荧光灯（保健、消毒用）n彩色荧光灯（装饰用）n其它特殊荧光灯（如暗室胶片冲洗用、生物生长用等）一、荧光高压汞灯一、荧光高压汞灯二、金属卤化物灯二、金属卤化物灯三、高压钠灯三、高压钠灯第五节 高强度气体放电灯(HID灯)1. 结构2. 类型及应用灯头：一般为螺口灯头放电管：封装有主、辅电极 充有汞和氩气玻璃外壳：减少放电管的热量损失，且内壁涂有荧光粉以提高 光效

20、或改善光色普通型：道路/广场照明 反射型：聚光/泛光照明 自镇流型：一般不用一、荧光高压汞灯主要用于室外照明 3. 基本性能 启燃时间： 48min，再启燃时间: 510min发光效率： 普通/反射型4060lm/W 自镇流型1230lm/W颜色特性：色温 50005400K，显色指数 3040有效寿命：普通/反射型 5000h，自镇流型 3000h电压特性： 电压过低不启动/自熄 电压过高寿命降低一、荧光高压汞灯4.高压钠灯的应用n 高压钠灯光效高，但显色指数偏低，光色偏黄，所以常用于对光色要求不是太高，但亮度要求高的场所。n 高压钠灯适用于：道路、广场、停车场、码头、大型工场、矿区照明等。

21、一、荧光高压汞灯1. 结构2. 主要类型及参数 与汞灯相似，但放电管内充有金属卤化物，以提高光效、改善光色 钠铊铟灯：80lm/W、5500K、Ra6070镝灯：75lm/W、色温接近日光、 Ra 90 钪钠灯：80lm/W、 Ra 6070 二、金属卤化物灯二、金属卤化物灯3. 基本性能 启燃时间：415min ，再启燃时间：10min左右 电压特性：电压变化10%色温将降低500K或升高1000K 电压突降自熄 4.特点n发光效率高(60-90Lm/W);n显色性好(Ra:7090);n寿命长(10000-20000H);n功率范围宽(35-2000w);二、金属卤化物灯3. 应用 n金卤

22、灯光效高、寿命长、显色指数高、除了常归照明用途外，还可以制成多种彩色灯，因此，应用十分广泛。n金卤灯常用于以下场所如：道路、广场、体育场馆、商场、广告标牌、建筑物立面照明、园林景观装饰照明等等。1. 结构2. 主要类型 与汞灯相似，但属于高压钠蒸气放电光源普通：色温20002100K，显色指数约2025 光效约90150lm/W,平均寿命约28500 h 改显：色温约23002500K,显色指数约60左右 高显：色温约25003000K,显色指数约80左右三、高压钠灯n高光效（120LM/W）；n功率范围宽（从35W-1000W）n结构简单紧凑；n寿命长（15000-20000h）；n光色金白

23、色。3. 基本特性 启燃时间: 48min ,再启燃时间: 1015min 电源电压变化主要影响光通量输出和灯的稳定工作 三、高压钠灯一、结构一、结构二、特点及应用二、特点及应用第六节 低压钠灯1. 放电管直径约1418mm的U形管2. 电极封装在U形放电管的两端，多为三螺旋钨丝电极3. 外管抽真空，内壁涂上透明红外线反射膜，以维持放电管的温度 一、结构1. 特点 发出的光主要是589nm和589.6nm两条谐振谱线色温很低(黄光),显色性很差,但光效很高(达150lm/W) 特别适用于铁路、高架路、隧道和交叉路口等能见度要求高而对显色性要求不高的场所的照明 2. 应用 二、特点及应用一、场致

24、发光灯一、场致发光灯二、半导体灯二、半导体灯第七节 场致发光灯和半导体灯1. 构成 组合成平板状场致发光屏（EL）由玻璃板、透明导电膜、荧光粉层、高介电常数反射层、铝 箔等迭合而成一、场致发光灯a某些材料(荧光粉)在电场中直接把电磁场能转化为光能. 粉质场致发光屏：如平面显示器(ELP) 场致发光膜：如数字指示器(FEL)2. 特点 光效：低于15 lm/W、寿命：超过5000 h耗电省、响应快、发光条件要求不高、便于控制通过电极的分割使电源分开，做成图案与文字3. 应用 指示照明或飞机、轮船仪表的夜间显示 一、场致发光灯1. 构成 P-N结：当PN结加正向偏压，电子和空穴克服PN结的势垒，分

25、别迁入P层和N层，电子与空穴结合时其能量差以光子的形式释放出来2. 特点 体积小、重量轻、耗电省、寿命长、亮度高、响应快 3. 发展 20世纪60年代：0.1lm/W，红色光（650nm）20世纪70年代：1lm/W，颜色扩大到红色至绿黄色20世纪80年代：10lm/W20世纪90年代：红黄光、绿蓝光、白光二、半导体灯4. 白色发光二极管与白炽灯泡的特性比较 结论： 寿命长，达到白炽灯的10倍以上 光效较高，可以与白炽灯媲美 单只LED的光通量太小，若达到60W白炽灯的光通量 需1500只发光二极管组合在一起 价格昂贵灯种类光通量(lm)发光效率(lm/W)色温(K)显色指数(Ra)价格(美元)寿命(h)灯寿命一半时光衰白炽灯(普灯60W)9001528001001.36100090%白色LED(5mm)0.610600085110000(50%)75%二、半导体灯5. 现状 作为照明光源，LED不具备替换白炽灯的可能性，但高效率、长寿命的LED发展成为普通照明光源已不是梦想6. 应用 显示器：图像与文字显示器，广泛用于广告行业指示灯：各种电器的指示灯或双色、三色、多色指示器交通信号灯：18只LED组成一个12英寸、14W的交通信号灯标