电气照明技术2课件

第二章照明电光源概述通电后能发光的器件称电光源，用作照明的叫照明电光源。已有100多年的历史。主要有白炽灯、卤钨灯、荧光灯、高强气体放电灯用作照明领域，场致发光灯、半导体灯主要用作指示照明灯或作为显示器件。本章内容介绍电光源的种类、性能指标，常用电光源的结构特点、光电参数及其特性。第一节照明电光源的分类及性能指标电光源的分类按工作原理分为固体发光光源和气体发光光源两大类。1、固体发光光源包括热辐射光源和电致发光光源（1）热辐射光源是以热辐射作为辐射的电光源，包括白炽灯、卤钨灯，它们是以钨丝为辐射体，通电后达到白炽温度，产生光辐射。（2）电致发光光源直接把电能转换成光能的电光源，包括场致发光灯、半导体灯。弧光放电灯的分类按压力分低气压、高气压高气压弧光放电灯包括高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯低气压弧光放电灯包括荧光灯、低压钠灯高压弧光放电灯表面积小而功率很大，因此管壁负荷很高达3W/CM2，又叫高强度气体放电灯，简称HID灯。气体放电的全伏安特性通过改变电源电压来测量不同电流时灯管电压，可得到气体放电灯的全伏安特性。图中OC段是非自持放电去掉外电离，电流停止，电流值在10-6A以下。当电荷积累后，达到着火点D就可自持放电。稳定的自持放电从E点开始。自持放电包括辉光放电与弧光放电G点之后是弧光放电具有负伏安特性，它是不稳定的工作特性，单独接到电源上，会导致电流无限增大或减小。灯管熄灭或被电流击穿，因此必须用具有正伏安特性的限流装置抵消负伏安特性，才能稳定工作。电容镇流器一般用于高频交流而不适用工频电源，否则会使灯的光通输出具有脉冲性质。电子镇流器80年代引进，具有节能环保特点，优点：在150~250V下可正常工作，，一次性快速启动，损耗小，寿命长，效率高。功率因素高，对设备无干扰，外形美观，结构紧凑，重量轻，安装方便，安全可靠，无闪烁，无噪音。(2)启辉器用作灯丝自动接通断开，采用双金属片自动通断加热电路。补偿电容电感性镇流器功率因素低，利用电容可将它得到有效提高。HID灯的电气附件不能随意调换，否则将影响光源的启动特性，工作特长，使用寿命。二、照明电光源的主要性能指标是选择和使用光源的依据1、额定电压光源及其附件组成的贿赂所需电源电压的额定值。2、灯管功率是灯泡的设计功率值，灯泡在工作时消耗的功率。是在额定电流下消耗的功率。3、光通量输出灯泡在工作时小发出的光通。光源在额定电压、额定功率下的光通量输出，主要与点燃时间有关。在前100小时衰减多，之后衰减慢。6、颜色特性包括色表和显色性。色表取决于色温，可以分暖色调光源、中间色调光源、冷色调光源。显色性取决于光谱功率分布，用显色指数表示。7、启燃、再启燃时间启燃时间接通电源到光通量输出达额定值需要的时间。再启燃时间熄灭后再点燃需要的时间，HID灯的比启燃时间长。频繁开关的光源场所不用，应急照明用的光源选用瞬时启燃短的光源。闪烁与频闪效应闪烁光源的光通随电流的增减周期变化的现象。频闪效应在一定频率变化的光线照射下，运动物体呈现静止或不同于实际运动状态的现象。三、光源型号命名白炽灯由三部分组成第一部分由表征光源名称特征的首字母组成，如“普通照明灯泡”用“PZ”；第二部分和第三部分由表征光源的光电特性额定电压、额定功率，两数字间用小横线隔开。荧光灯由两部分组成，表示的意义同上，有时增加第三部分如颜色特征，不同结构形式的顺序号。举例：PZ220-100,YZ36RR表示的意义？第二节白炽灯是第一代光源，19世纪60年代发明，经历了100多年的历程，，它结构简单、成本低廉、使用方便、显色性好、点燃迅速、容易调光，因此应用广泛。灯丝灯的关键部分，是灯的发光体，形状和尺寸很关键，直接影响寿命光效光利用率。一般把灯丝绕成单、双、三螺旋减少灯丝的长度，减少热损耗。如40W普通白炽灯双螺旋比单螺旋光效高20%。玻壳用一般玻璃做成不同形状。有透明的磨砂的乳白玻璃的或反射型的（蒸镀反光铝膜）。为提高寿命防止钨丝氧化燃烧，充惰性气体氩氮混合气体，60W以上重氪氙，这样吧蒸发的钨带到灯头部分，减少沉积增加亮度。灯头固定灯泡接通电源用。螺口插口、聚焦灯头特种灯头。螺口用于大功率，插口用于小功率具有防震动。交通工具中采用。二、主要类别依据结构不同分1、普通照明用白炽灯用于工业、民用建筑照明。一般以利梨形透明玻璃灯泡。特点是：结构简单、价格低廉、亮度大容易产生眩光。派生系列磨砂、乳白玻璃灯泡光线柔和。蘑菇形可增强装饰性，乳白灯泡是发展趋势。2、装饰白炽灯特点：外形多样、彩色多变与建筑相配。国内较多的是烛光形灯泡，彩色玻璃制作的节日彩泡，水下用彩色灯泡（承受高气压）。3、反射型灯泡内壁镀发射层，光速定向发射，用在灯光广告、橱窗、展览馆需要光线集中的场合。4、局部照明灯泡（低压灯泡）外形相似，额定电压低。主要用于采用安全电压的场所，便携式手提灯、机床照明，工厂车间的台灯。2.光通量、发光效率光通量是在点燃100小时后的光通量，在几十到1100流明。发光效率75%以上以红外线方式辐射而产生热能，光效只有10~13LM/W。3、寿命、启燃时间寿命平均寿命一般为1000H，影响寿命的原因是钨丝蒸发变细，导致断丝。启燃时间0.07~0.38S是瞬时燃和再启燃。4、色温、显色指数色温取决于工作温度，钨的熔点约为3680K，实际使用的普通灯达到的色温不超过3000K，在2400~2900K，白炽灯属于低色温、暖色调光源。显色指数取决于光谱能量分布，白炽灯具有与黑体一样的连续光谱，显色性好，显色指数达99.5、光电参数与电压电压的关系电压变化将影响寿命和光通量电压变化影响光通量输出但不会突然熄灭，具有良好的调光性能。，一般局部照明调光灯，影剧院调光灯均采用。卤钨循环在一定的温度下，从灯丝蒸发出来的钨蒸汽向泡壁方向扩散，并与卤素反应形成挥发性的卤钨化合物，当卤钨化合物扩散到灯丝周围遇到高温重新分解成卤素和钨，钨沉积在灯丝上，分解后的卤素扩散到温度低的泡壁区域与钨化合，参加下一轮循环反应。根据灯内充入的卤素不同，有氟钨灯、氯钨灯、碘钨灯、溴钨灯。它们的区别是发生卤钨化学反应所需要的温度不同。碘钨灯最线推广使用，溴钨灯也已经得到使用，另两种氟氯对灯丝具有腐蚀作用没有得到广泛应用。上图就是一种单端碘钨灯。工作温度在2359~3150度，灯管温度高压250度。从灯丝到泡壁分三个区域如上图：区域三WI2+A+I2区域二A+WI2=A+W+2I区域一WI2+A+I2二、卤钨灯的结构特点卤钨循环是卤钨灯的一大特点，必须使管壁处卤化钨是气态，所以管壁温度比普通白炽灯高很多（碘钨灯大于250度，溴钨灯大于200度）。与白炽灯比结构特点：（1）体积小，采用耐高温而膨胀系数小的石英玻璃或硬质玻璃，500W的灯泡体积仅是白炽灯的1%。（2）灯管的机械强度很大，可充入压力较大的惰性气体，进一步抑制钨的蒸发，提高灯泡的质量。（3）工作温度高，单位面积光通量大，灯丝绕成细长的单螺旋或双螺旋，设置钨质支架固定灯丝。（4）引出端采用高稳定性的钼箔做导电体。结构、工艺、材料比白炽灯复杂，价格高几倍至几十倍。管形卤钨灯使用注意事项：（1）需要水平安装，倾角不大于正负4度，否则卤化物向一端集中，破坏卤钨循环，寿命大大缩短。（2）工作管壁温度达200度以上，不能与易燃物接近，灯脚引入线应采用耐高温导线。（3）引线封口是全灯最薄弱的环节，使用时避免弯折、扭曲或过大压力，否则造成管子爆裂漏气或引线折断。（4）灯丝细长又脆，避免震动和撞击。单端卤钨灯（1）特点是：体积小，定向性好，装饰性强，安装方便。（2）使用场所：仪器，电影，电视，摄影，舞台，歌舞厅，家庭住宅（新型台灯，射灯，落地灯，聚光卤钨灯）。（３）参数是功率１０～几千瓦，色温３０００Ｋ，额定电压６＼１２＼２４＼３６＼１１０＼２２０Ｖ，选择和适应方便。综述：（１）卤钨循环以及充入的惰性气体抑制钨蒸发，避免玻壳黑化。（2）寿命期间光通量不变，寿命1500~200H为白炽灯的1.5倍；光效10~30LM是白炽灯的两倍。（3）显色性好和色温适应电视播放剧场，绘画摄影建筑物投光照明。（4）缺点是价格高，灯丝耐震性差，玻壳温度高，不适用振动易燃易爆灰尘多，移动的场合。第四节荧光灯是第二代光源，1936年产生属于低气压汞蒸气弧光放电灯，优点是光效为白炽灯的4倍，寿命为白炽灯的2~3倍，光色好。成为主要的一般照明光源。一、结构工作原理结构特点组成：灯头、热阴极、涂荧光粉的玻璃管。（1）灯管由玻璃制成，内涂荧光粉，两端装钨丝,内封装汞蒸汽及惰性气体。（2）电极用钨丝绕成螺旋形状，上涂电子发射物（钡、锶、钙等的氧化物）它们溢出功低，在电极温度较低时候就可产生热电子。电极与引入线焊接在玻璃芯柱上，引入线与灯的管脚连接，管脚与灯座连接。（3）荧光粉用来吸收紫外线并转化成可见光。只有3%的输入功率转变可见光，63%转变为紫外线，其中最强烈的为253.7和185.0NM的紫外线，它们射向灯管内壁荧光粉，发生光致发光，产生可见光辐射。单独一种荧光粉可以产生某种色彩的荧光灯，蓝、绿、黄、白、淡红、金白等彩色荧光灯；改变荧光粉构成物质含量，可得到日光色，冷白色，白色，暖白色等荧光灯；把几种荧光粉混合使用可得到三基色荧光灯。关于荧光粉最广泛的荧光粉卤磷酸钙粉，价格低，光效较高，显色性较差。日本首先使用三基色荧光粉得到5000K的三基色荧光灯。三基色荧光粉成分含有钇、铕、铈等稀土元素，并由红粉、绿粉（主要用来提高光效）、蓝粉按一定比例制成。得到的荧光灯光效可达到100LM/W，显色指数在80~90之间，改变三种荧光粉的混合比例，可制造出各种不同光色的高效荧光灯，价格为普通的2~3倍或更高，所以未能得到推广使用。2、工作原理荧光灯的工作电路

工作原理：合上开关，电压全加在启辉器上产生辉光放电发热，双金属片膨胀接通阴极电路预热灯丝，双金属片触点闭合后，辉光放电停止，触点分离，镇流器产生自感电动势，加在灯管的两端，灯管内发射大量的电子，使汞蒸汽电离而导电。汞蒸汽放电产生的紫外光激发荧光物质发出可见光。灯管启然后电源电压加在灯管和镇流器上，灯管电压远小于电源电压，启辉器不再启辉。镇流器在灯管预热及启燃后起着限制工作电流稳定预热的作用。二、荧光灯的主要类型1、按启动线路分（1）预热式：采用启辉器预热阴极，并施加反冲电压使灯管点燃。（2）快速启动式：镇流器内附加灯丝预热回路，提高工作电压（高于启动电压），灯管在施加电源电压1S后就可启动。（3）冷阴极瞬时启动式：利于漏磁变压器产生的高压瞬时启动，因此电极不需要预热，灯管瞬时启动。2、按灯管工作电源频率分类：（1）工频灯管：工作在50HZ或60HZ回路的灯管，与电感镇流器配套，现在以此为主。（2）高频灯管：工作在电源频率为20~100KHZ高频状态的灯管，与电子镇流器配套工作。（3）直流灯管：工作在直流状态下的灯管。对市电工频50或60HZ交流电整流成直流对灯管供电。3、按灯管形状和结构分（1）直管荧光灯：使用量产量最大的一种照明光源。按直径大小分类：T12、T10、T8、T5，其中T12已经不再生产。目前主要有T8\T5两种类型。T代表1/8IN即3.175MM。T12管径约38MM，T8管径约25MM。T12与T8比较：相同点：A、均采用卤磷酸钙粉，改变荧光粉中锑锰的比例就可以制成色温为6500K、3000K日光色与暖白色之间多种荧光灯。B、镇流器、灯座、灯头完全匹配，主要规格基本相同。T8的优点：（1）高光效：光效在60LM/W以上更高的光效；（2）更省电：36W相当于40W省电达10%；（3）省材料：管径小更环保；（4）寿命长：寿命高达8000H。T5特点：管径约15MM，采用三基色荧光粉。优点：显色性好在85以上，高光效达到85~96LM/W，节电20%，寿命7500、9000H。另外T5镇流器、灯头、灯座与T8不匹配，并且价格贵，技术不成熟没有推广使用。（2）高光通单端荧光灯具有结构紧凑、光通输出高、灯具布线简单。其功率：18、24、36、40、55W等规格。使用在有吊顶的场所。（3）环形荧光灯普通形须外接镇流器与启辉器；一体化电子节能环形荧光灯。优点是光源集中，照度均匀，造型美观。使用在车厢，家庭，民用建筑。（4）紧凑型荧光灯具有白炽灯、荧光灯的优点用9~16MM细灯管弯曲拼成，结构紧凑，外形美观。1974年荷兰飞利浦开始研制，1979年研制成功。外形类似白炽灯但体积稍大。优点是：寿命长8000~10000H；光效高耗电为普通白炽灯的1/4；暖色调高显色性，可接在螺口或卡口灯座。紧凑型的管径小约9MM，单位荧光粉层面积受到紫外辐射强度大，采用普通荧光粉光通衰减很大影响等的寿命，必须采用三基色荧光粉。因此成本高价格昂贵，制约了推广使用。三、荧光灯的参数及工作特性1、额定电流、灯管电压、灯管功率（1）额定工作电流由灯管功率、灯管结构以及最有利的电流密度决定的。（2）额定启动电流比前面大，在启动时预热灯丝，保证短时间内将灯丝预热到某个温度。（3）灯管电压比电源电压小（因为要串入镇流器）约是它的1/2~2/3，是工作电流在灯管上的压降与长度有关。（4）灯管功率灯管在额定电流下消耗的功率。在工作时须保证管内一定的汞蒸汽压力，要求管壁温度低于40。C，因此管内电流密度功率受到限制，以功率均较小。2、颜色特性（光谱能量分布、色温显色性）与荧光粉密切相关，卤磷酸钙荧光粉三基色荧光粉配方不同则光谱能量分布不同，得到不同的光色，色温显色指数。两种荧光粉都可得到三种标准的白色：暖白色（2900K）、冷白色(4300K)、日光色(6500K)。见图涂有三种荧光粉的荧光灯的光谱能量分布。3、光通量与光效光通量是指点燃100H后的值。因为在浅100H光通会有2%~4%的衰减。光通量衰减主要原因：荧光粉老化；管内残留不纯气体作用使荧光粉黑化；电子发射物使管端黑化；灯管老化使透光比下降。光效：一般是27~82LM/W。与荧光粉很大的关系。（1）三基色的最高；多光谱带的最低；卤磷酸钙的次之。4、寿命荧光灯的寿命指有效寿命，是光通量到额定光通量的70%为止，国内约3000~5000H。影响光通量输出的因素都影响它的寿命，最主要的原因是阴极电子发射物质飞溅，实验表面每半小时开关一次寿命将减半。不适宜在频繁开关的场所使用。5、电压特性灯管电流、灯管电功率、光通量与电压基本成正比，与光效成反比。影响最大的是对寿命，电压过高过低都将缩短寿命，因此要求电压波动在正负10%之内。6、环境温度湿度对性能的影响荧光灯的最高光效是工作时管壁最冷端温度为40度，，环境温度约20~35度，环境温度过高过低都影响管内汞蒸汽压力，从而使得253.7NM的紫外线辐射减弱降低光效。湿度达到75%~80%空气中的水分子形成的薄膜相当于电阻跨接在灯管两端，降低了启动电压，启动困难。因此环境温度低于10度，湿度达到70%~80%对它的工作不利。荧光灯适宜在环境条件较好的场所使用如家庭、学校、办公室、医院等。7、闪烁与频闪效应荧光灯的光通量以两倍电压频率闪烁。当照射快速运动的物体，会降低视觉能量产生频闪效应。因此不适宜在有车床等旋转运动的机械场所。消除方法：（1）双管或三管采用分相供电（2）单管采用移相电路（3）单管也可采用电子镇流器市灯管工作在高频状态，或采用直流电源。第五节高强气体放电灯（HID）产生：20世纪30年代在第一、二代光源基础上产生。特点：光效高、寿命长、光色好技术成熟推广使用的：高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯。光源表面负载：3W/CM2，因此叫高强气体放电灯。一、荧光高压汞灯1、结构与原理结构：灯头、放电管、玻璃外壳放电管：核心部件，内充汞和少量的氩气，里面装有钨丝做成的主电及极和辅助电极，钨丝上涂电子发射物质。玻璃外壳：放电管工作温度很高达到400~600度，为了保持高温具有良好的工作性能，将它装在玻璃外壳中，，外壳涂荧光粉，提高光效改善光色。，内充惰性气体。荧光高压汞灯的三种类型普通型与反射型：结构基本相同，须与镇流器配套使用。但反射型内壁涂铝反射层再涂荧光粉，具有定向反射功能，不需要灯具。自镇流型：在放电管与外管之间装有钨丝，可以代替外接镇流器并能产生白炽灯那样的可见光。可见它是具有热辐射和气体放电灯的混光光源。2、基本性能（1）启燃与再启燃启动燃时间约4~8分钟。低温时会影响它的启动甚至不能启动。再启动时间大约5~10分钟。（2）光通量输出和发光效率：普通型反射型达到40~60LM/W，自镇流型为12~30LM/W。主要取决于制造工艺以及邓的设计。（3）颜色特性：具有连续光谱和线光谱，光色是淡蓝绿色，显色性差为30~40.可通过不同配比的荧光粉制成各种颜色的汞灯使用语庭院、商场、接到、娱乐场所灯装饰照明。（4）寿命：影响寿命的原因有管壁黑化；电子发射物质的消耗；启燃频繁。普通型反射型寿命约5000H，自镇流型为3000H，国际上达到24000H。（5）电源电压变化的影响：会引起光通、功率、灯管电压、灯管电流的变化。总结：特点是光效高、亮度高、寿命长、显色性差。一般用在广场、车站、街道、工地、高大厂房灯需要大范围照明而不需要分辨颜色的地方。二、金属卤化物灯产生：20世纪60年代，爱高压汞灯基础上产生。内充金属卤化物做放电物质，由此得名。1、结构与原理与高压汞灯相似，在放电管中充入汞和氩气外，还充入金属卤化物。，金卤灯靠这些金属原子的辐射发光，还具有卤化物的循环作用因此有更高的光效和更好的显色性。工作原理与前相似2、主要种类、基本参数分三种：一是充入钠、铊、铟碘化物的钠铊铟灯；二是充入镝、铊、铟碘化物的镝灯；三是充入鈧、钠碘化物的鈧钠灯。钠铊铟灯：光谱线是钠铊铟三种金属原子的线光谱叠加，它们波长约这89~589.6和535NM，接近最大光谱光效率，因此光效很高位80LM/W，色温5500K，显色指数是60~70.缺点是光效与光色一致性差，高温会使钠与石英管壁发生化学反应而减少从而使得光效光色变化。镝灯：镝属于稀土类金属。充入金属卤化物灯内在可见光区发出大量密集光谱谱线，类似连续谱线与太阳光接近，因此显色性好大90，光效达到75LM/W。鈧钠灯：鈧发出弱的连续谱线，钠发出强度线光谱，因此鈧钠灯的光效较高80流明每瓦，显色指数为60~70。总结：优点是光效高、光色好、显色指数高、体积小，适用各种场所照明。缺点是启动设备复杂、寿命短、不宜频繁启动、价格昂贵。主要适用场所：机场、体育场的探照灯，公园庭院照明，电影电视拍摄光源，歌舞厅装饰照明。3、工作特性启燃再启燃：金属卤化物更难蒸发，因此启动时间更长，启动时间约4~15MIN，再启动约10MIN。电源电压变化的影响：对光通量、灯管电压电流、功率都有影响；电压的变化不超过正负5%.4、灯的点燃位置点燃位置不同将引起灯电压、光效、光色的变化。使用时保证灯的正确点燃位置。三、高压钠灯原理：利于高压钠蒸汽放电发光的高强度气体放电灯。1、构造与原理构造：放电管用多晶氧化铝陶瓷做成（因为钠对石英玻璃有较强的腐蚀作用），两端各装一个工作电极，内封装钠、汞、氙气，外管用具有耐热冲击的硼酸盐玻璃做成，它可保持放电管的温度在250~300度。其基本结构与高压汞灯相似。启动原理：高压钠灯属于冷启动，量工作电极之间需要1000~2500V的高压脉冲，要设启燃触发装置（接在放电管和外管之间的双金属片、电阻、触头），或外接触发器。工作原理：接通电源后，电流通过双金属片、电阻、触头，电阻发热使双金属片触点断开，在这瞬间镇流器产生脉冲电压，使放电管击穿放电。先是氙气和汞蒸汽放电，光色为红白辉光，随温度上升，过渡到高压钠蒸汽放电，5MIN左右稳定工作，光色为白金色。（启动之后靠灯泡热量使金属片触头保持断开）。启燃时间为4~8MIN，再启燃时间10~20MIN。2、基本性能特点：特征谱线为589NM及其附近谱线，光色呈黄色。色温2000~2100K显色指数20~25，光效高为90~130LM/W。具有体积小，亮度高，紫外辐射量少，透雾性好，寿命长。使用场所：机场跑道，航道，主要交通道路等交通照明。改显型和高显型高压钠灯：针对显色性差而不适宜室内使用的缺点，进行改造，适当提供管内气压就可提高灯的显色性能，但光效会下降。改造后显色指数可达到60~80。可使用在商业、体育馆、娱乐场所需要高照度高显色性的地方。3、电压电压变化的影响电压的变化对高压钠灯的光通输出影响很大，为电压变化率的两倍。电压降低5%就可导致灯管自熄，因此它的镇流器有特殊要求，使灯管电压保持在稳定的工作范围内。第六节、低压钠灯结构由放电管、外管、灯头组成。其中放电管用耐高温、耐腐蚀的玻璃管做成，管径16M