常見電光源的工作原理

   自19世紀(jì)初電能開始用于照明后，電光源技術(shù)經(jīng)歷了幾次有代表性的發(fā)展，人們相繼制成了白熾燈、高壓汞燈、低壓汞燈、鹵鎢燈，近年來又制成了高壓納燈和金屬鹵化物燈等新型照明電光源，電光源的發(fā)光效率、壽命、顯色性等性能指標(biāo)不斷得到提高。

1、 第一次電光源技術(shù)革命——白熾燈

　　以愛迪生為代表發(fā)明的白熾燈，經(jīng)過幾代科技人員120多年的努力，白熾燈的發(fā)光效率平均每年增長0.11lm/W，至今燈發(fā)光效率增加了10倍、壽命提高了500倍、價(jià)格下降了10倍，滿足了人們對400~2000lm光通量的室內(nèi)照明的需要。

（1）普通白熾燈

　　普通白熾燈（簡稱普通燈泡），一般內(nèi)部安裝有金屬鎢做的燈絲，內(nèi)部被抽成真空或充入少量惰性氣體，燈絲通電后，鎢絲呈熾熱狀態(tài)并輻射發(fā)光。燈絲溫度越高，輻射的可見光比例就越高，即燈將電通轉(zhuǎn)換為可見光的效率就越高。隨著白熾燈發(fā)光效率的增加，燈絲溫度的升高，鎢燈絲的蒸發(fā)速度也增加，從而使燈的壽命縮短。較大功率的白熾燈泡內(nèi)充有約80kPa氣壓的惰性氣體，可以在一定程度上抑制金屬鎢的蒸發(fā)，從而延長了白熾燈的使用壽命。普通白熾燈的典型發(fā)光效率為10lm/W，使用壽命為1000h左右。

（2）鹵鎢燈

　　1959年人們發(fā)明了鹵鎢循環(huán)原理的石英白熾燈，給普通白熾燈注入了新的活力，鹵鎢石英白熾燈具有體積小、燈發(fā)光效率維持率在95%以上，燈發(fā)光效率和使用壽命有了很大的提高。

　　“鹵”字代表元素周期表中的鹵族元素，如氟、氯、溴、碘這類元素。鹵鎢燈就是充有鹵素的鎢絲白熾燈，現(xiàn)在常用的鹵鎢燈有碘鎢燈和溴鎢燈。根據(jù)鹵鎢循環(huán)原理制造出的鹵鎢燈，給熱輻射光源注入了新的活力。這類燈的體積小，光通量維持率高（可達(dá)95%以上），燈發(fā)光效率和使用壽命明顯優(yōu)于白熾燈，鹵鎢燈的外殼一般采用耐高溫并且高強(qiáng)度的石英玻璃或硬質(zhì)玻璃，燈內(nèi)充有2~8個(gè)大氣壓的惰性氣體及少量的鹵素氣體，從而可以進(jìn)一步提高燈絲的工作溫度。

　　普通白熾燈燈絲上的鎢原子蒸發(fā)出去后，沉積在玻璃泡殼上，時(shí)間一長，燈絲越來越細(xì)，泡殼越變越黑。經(jīng)過長期的努力，人們找到了鹵族元素——氟、氯、溴、碘。比如碘，它在250℃以上的溫度下和鎢很親近，會(huì)和鎢結(jié)合在一起變?yōu)榈饣u分子；而在1500℃以上的高溫下，碘化鎢又分解成碘和鎢原子。如果在白熾燈內(nèi)充上碘，燈泡壁上溫度超過250℃時(shí)，碘就會(huì)把泡殼上的鎢化合成碘化鎢蒸氣，從泡殼上將鎢拉走，向燈絲方向移動(dòng)。在燈絲附近因?yàn)闇囟雀吡?，碘化鎢分解，把鎢交還給燈絲，剩下的碘又移到溫度較低的泡殼上去拉鎢原子，這樣，人們也就不必?fù)?dān)心鎢的蒸發(fā)了。消除了燈絲鎢蒸發(fā)的問題后，就可以提高燈絲的工作溫度了。燈絲工作溫度提高，意味著通過燈絲的電流增加，也就增加了燈的功率，這樣小小體積的碘鎢燈就能比體積大很多的普通白熾燈更亮。鹵鎢燈與普通白熾燈相比，發(fā)光效率可提高到30%左右，高質(zhì)量的鹵鎢燈壽命可以提高到普通白熾燈壽命的3倍左右。

　　由于鹵鎢循環(huán)（見圖1），減少了燈泡玻璃殼的黑化，鹵鎢燈的光輸出在整個(gè)壽命過程中基本可以維持不變。

　　正是由于鹵鎢燈的以上優(yōu)勢，使其用途日趨廣泛。低壓鹵鎢燈的工作電壓一般為12V/24V，燈功率從10~50W不等，它們的主要特點(diǎn)是：色溫為2900K，顯色指數(shù)Ra為95~100，發(fā)光效率為16~20lm/W，使用壽命為3000h，因此更加適宜色彩豐富的高檔商品照明。鹵鎢燈電光源的另一種改進(jìn)措施是采用浸涂法、真空蒸鍍法或化學(xué)蒸鍍法，在石英泡殼上采用紅外反射層技術(shù)制成的新型鹵鎢燈，讓可見光透過，而將紅外線反射回?zé)艚z，使燈的發(fā)光效率提高30%~45%，壽命可達(dá)3000h。由于可以在燈反射面上交替真空蒸鍍20層以上的高折射率物質(zhì)，它可以將75%的紅外線透射掉，這樣出射光的溫度大為降低，因而被廣泛用于如超市食品冷光照明的應(yīng)用場所。低壓鹵鎢燈雖然有以上很多優(yōu)點(diǎn)，但是由市電電壓轉(zhuǎn)換到低電壓時(shí)需要用變壓器，往往使用戶在設(shè)計(jì)安裝時(shí)感到不便?，F(xiàn)在已生產(chǎn)出可以直接應(yīng)用于電網(wǎng)電壓為220V/110V的鹵鎢燈，體積最小可達(dá)φ14mm