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照明技术的变迁

发布时间:2020-06-30 19:40:45 阅读: 来源:电磁阀厂家

人类在大约50万年前就以燃烧树木产生的火焰及光作为光源使用,这就是最早的光源。随着人类文明的进步,之后烧植物油及矿物油来产生光。1876年爱迪生发明了白炽灯(Incandescent Lamp),它以碳棒作为灯丝,是照明技术的巨大改进,1938年发明的日光灯(或称为荧光灯,Fluorescent Lamp)可以减少热的损失,节省能源的消耗,这又是一大进步,后来紧凑型日光灯(Compact Florescent Lamp)的开发使其应用更为普遍,同时高压气体放电(HID:High Intensity Discharge)灯如水银灯(Mercury Lamp)、金属卤素灯(Metal Halide Lamp)及钠灯(Sodium Lamp)等的发明可在室外实现照明,满足了各方面的需要。目前约有21%的电源用于照明,如果能在固体照明领域节省一半的能源,则会对人类的节约能源作出巨大的贡献。

采用半导体材料(Semiconducting Meterial)做成红光、黄光及绿光发光二极管(LED:Light Emitting Diode)已在约十年前研制成功,这些LED大都用AlInGaP材料做成,但直到数年前,用AlGaInN材料成功制成蓝光LED,这才使白光LED 的梦终成现实。用半导体材料制作白光LED被称为固体照明(Solid State Lighting),下面将介绍以前的光源的性能。

1、 白炽灯

白炽灯是用黑体(BB:Black Body)发热,主要以钨(Tungsten)丝作灯丝(Filament),因为钨有高熔点(3683K)及低蒸发率。只是白炽灯的大部分的光是红外线(Infrared),钨丝放热比黑体稍微蓝移(Blue Shift)即向短波长方向移,如图1所示,所以发光效率(Luminous Efficiency)比较高,而蓝移也不影响演色性(CRI:Color Rending Index)。一般钨丝都卷成螺旋形放在球形玻璃壳中,并充入不起反应的惰性气体,例如氩气(Ar)及少数氮气(Nitrogen),而40W以下的白炽灯则多数是抽真空。因为白炽灯的大部分辐射光是红外线,所以120V白炽灯的照明效率在2400K时约为81m/W,一般100W白炽灯只有7%的电功率转变为可见光。白炽灯寿命衰减的主要原因是钨丝蒸发,白炽灯的一般寿命约750~1000h,但是因为白炽灯价廉,所以被大量应用在住宅。

2、 钨丝卤素灯

为减少钨丝蒸发率以增加其寿命及工作温度,在灯泡中添加卤素气体做成的钨丝卤素灯(Tungsten Halogen Lamp)也颇为流行。钨丝卤素灯的原理是在化学反应时,钨产生卤化物从高温灯丝扩散到冷玻璃壳壁上,由于这是一个可逆反应,所以同时钨的卤化物分解成钨而反方向扩散在钨丝上,结果钨丝的分量没有改变,因此温度可以高达3450K。一般钨丝卤素灯均在高温工作,灯泡也较小,用的是比较硬的玻璃壳,其寿命比钨丝白炽灯要高两倍。{{分页}}

以上介绍的两种灯均是热辐射发光,下面将介绍气体放电发光。

3、 日光灯

当高压电通过气体时,气体会分离而离子化,产生由电子、离子及中性粒子等组成的等离子(Plasma)气体,限制电流使其不致产生雪崩(Avalanche)而逐渐稳定。一般日光灯用低压放电可以产生11000~13000K的高温,目前日光灯可用的材料有汞即水银和钠,但是钠灯光是黄色多用在街道上,而汞灯则释放紫外线(UV:Ultraviolet)故多用于一般日光灯,灯管涂上荧光粉(Phosphor)以产生白光。

日光灯的荧光粉可以由UV激发产生白光,卤化磷酸盐(Halophosphate)Ca5(PO4)3(CL3F):(Sb3+,Mn2+)是最早使用的荧光粉,其中锑(Sb)的作用是增感(Sensitizer)及发光中心(Activator),锑受UV激发产生近480nm宽带,而锰(Mn)则产生580nm宽带,其光谱如图2(a)所示,改变Sb及Mn的掺杂量可以得到不同的色温(Color Temperature)2700~6500K,但是因为缺少红光,所以其演色性值Ra只有50~76左右。如果要得到高的演色性,可以使用混合物,例如Sr5(PO4)3(CL,F)(Sb3+,Mn2+)及Sr3(PO4)Sn2+,但是其发光效率较差。在1970年,三色荧光粉研发成功,得到如图2(b)所示的光谱,其中有600nm、550nm及450nm波长的波峰。三色荧光粉中的红色多用Y2O3:Eu2+;绿色用CeMgAL11O12:Tb3+,LaPO4:Ce3+,Tb3+及CeMgB5O10:Ce3+;Tb3+;蓝色则用BaMg2AL16O37:Eu2+及Sr5-x-yBaxCay(PO4)3CL:Eu2+。用稀土族Eu、Tb等材料可以得到高量子效率,但稀土族元素较昂贵。用三色荧光粉Ra值可达80~85。若要得到Ra>90,则需要具有如图2(c)所示宽带光谱的五种荧光粉,包括卤化磷酸盐、三色荧光粉以及宽带红色(620nm)Mn2+活性化的五硼(Pentaborate)酸盐等材料。

目前日光灯正朝着小管径紧凑型发展,这种灯被称为紧凑型荧光灯(CFL:Compact Fluorescent Lamp),小直径(10~16mm)管可以直接用在灯座上,转换效率可达28%,比100W白炽灯要高四倍。这种灯因为省电、寿命长,并可与普通灯互换,已逐渐被普遍采用。{{分页}}

日光灯比白炽灯效率高、寿命长并且可选择光色,是室内照明光源中发展最快的光源,目前发光效率可达100lm/W,寿命可达24000h,Ra值大于83。日光灯的最大缺点是光输出与温度有关,在室温下具有最高输出功率,增加或减少温度均会使光输出功率减少,其他缺点是演色性不够高、受无线电波长影响较大以及有噪声,同时因为含汞对环境有影响,但是已在公共场所被大量使用。

4、 低压钠灯

低压钠灯(Low Pressure Sodium Lamp)用钠代替汞可得到含有589nm及589.6nm(D线)的黄光,但钠熔点比汞高,也比汞活泼,要用抗钠玻璃。因为D线的发光效率约为 530lm/W,所以低压钠灯的发光效率可达100~200lm/W,只是其演色性很低,Ra=-44,另外要长时间才能暖起来,所以大部分应用在街道及公路上。

5、 高压汞灯

高压汞(HPMV:High Pressure Mercury Vapor)灯在2~10 atm(1 atm=1.01325

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