【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 光是因?yàn)楸砻鏈囟冉咏?000K，所有固體、液體及氣體如達(dá)到足夠高的溫度，都會(huì)產(chǎn) 生可見(jiàn)光。白熾燈中的固體鎢在大約 3000K 時(shí)的熾熱就是我們常見(jiàn)的光源。白熾體的重要Page 7特性:輻射的色表隨著輻射體的溫度的升高從暗紅、經(jīng)過(guò)桔黃、發(fā)白，最后到熾藍(lán)。色溫也 隨著輻射體的溫度升高而提高。白熾燈之所以使用鎢做燈絲材料是因?yàn)殒u在高溫下的低蒸氣速率以及可以被抽成細(xì)絲等其 他性質(zhì)。電流在金屬導(dǎo)線(xiàn)中流過(guò)時(shí)會(huì)有一定的消耗，當(dāng)輸入功率與輻射功率及其他功率損失 的總和精確平衡時(shí)，就達(dá)到了一個(gè)穩(wěn)定態(tài)。影響一些光源壽命的因素，主要原因是由于鎢燈 絲的蒸發(fā)損失，主要是熱點(diǎn)和填充氣體。鹵鎢燈維恩位移定律表明:溫度越高光效越高。如鎢絲表面在 3200K 時(shí)的光效(每一瓦電力所發(fā)出的光量，其數(shù)值越高表示光源的效率愈高)為36 ，而在2800K 時(shí)為22 。如果在高壓下使用一種低熱導(dǎo)氣體，如氪，使蒸發(fā)受到抑制，就可以使用較高的燈絲溫度。要安全承受這種高壓，就需要一種小而結(jié)實(shí)的燈泡。非常小量的鹵素，如各種形式的碘、溴，可以用來(lái)與到達(dá)燈泡殼壁的鎢起反應(yīng)，確保泡殼的干凈。通過(guò)這種手段制造出燈絲溫度達(dá)到 3450K 的燈泡，同時(shí)也改進(jìn)了光效。如果沒(méi)有充入鹵素，這種燈泡會(huì)在幾小時(shí)內(nèi)變黑。改善鎢絲燈的方法是只允許可見(jiàn)輻射出射。如果紅外輻射被反射回來(lái)并被燈絲吸收，則維護(hù)燈絲溫度的功率就可以減小。商業(yè)化實(shí)現(xiàn)方法:發(fā)明制造低費(fèi)用、低損耗、高質(zhì)量的紅外反 射膜，我們也可稱(chēng)之為紅外反射濾光器。氣體放電放電通常比白熾燈更有效，這是由于其輻射來(lái)自高于固體燈絲能達(dá)到的溫度區(qū)域。放電是比 鎢更有選擇的發(fā)射體(可移向可見(jiàn)區(qū)或者紫外區(qū)而遠(yuǎn)離紅外輻射區(qū))，因此在紅外輻射區(qū)有 更少的能量浪費(fèi)。放電形成等離子體，它是離子、電子形成的混合體，平均呈電中性。一般必須有與等離子體 的電子連接，通常是電極，但無(wú)電極連接也是可能的。?帶電極的氣體放電氣體放電示意圖:空心圓表示可被電離和形成等離子體的氣體原子。當(dāng)帶有正電荷的粒子在 電場(chǎng)作用下定向位移時(shí)，就形成了放電電流。陰極必須能發(fā)射出足夠多的電子，以維持電流 的持續(xù)，而陽(yáng)極則接收電流。圖中的電阻是直流放電時(shí)起限制電流作用的鎮(zhèn)流器。圓中有* 符號(hào)的表示是被高能電子激發(fā)的原子，他們會(huì)產(chǎn)生輻射。當(dāng)一個(gè)足夠大的電場(chǎng)加在氣體上，氣體被擊穿而導(dǎo)電。最熟悉的例子是閃電。產(chǎn)生擊穿是由 于自然界中總有數(shù)量很小的、由宇宙射線(xiàn)或者自然放射所產(chǎn)生的以電子離子對(duì)形式存在的 電離。外加的電場(chǎng)使電子加速(離子相對(duì)是靜止的)，一部分可能獲得足夠能量從而電離氣 體原子。當(dāng)施加足夠大的電場(chǎng)時(shí)，電離的速率可能超過(guò)離子與電子復(fù)合的損失速率。那么放電電流就 會(huì)迅速增長(zhǎng)。電荷攜帶者的產(chǎn)生率比電流增長(zhǎng)得更迅速。結(jié)果是放電電壓將隨著電流的上升 而下降。電流限制通過(guò)鎮(zhèn)流器來(lái)實(shí)現(xiàn)，以阻止電流上漲到使保險(xiǎn)絲熔斷或者一些別的破壞性 結(jié)果的產(chǎn)生。為了維持放電電流，在陽(yáng)極返回外部電路的電子必須被從陰極發(fā)射的電子代替。陰極是典型 的鎢絲結(jié)構(gòu)(卷狀或者穗狀)。來(lái)自放電過(guò)程的離子轟擊陰極使之加熱。電子能夠逃離陰極 的可能幾率指數(shù)地依賴(lài)于它的溫度以及表面的障礙因素。放電通常工作在交流電網(wǎng)頻率條件 下。高頻電子鎮(zhèn)流器能提供一些好處，對(duì)于熒光燈來(lái)說(shuō)，在20KHZ 或者更高頻處的工作實(shí) 質(zhì)上減少了電極損失，并且消除了某些用戶(hù)需要的光輸出調(diào)制。?在更高頻率下，制造完全省卻電極的無(wú)極燈是可能的。現(xiàn)在有三種電感耦合放電。通常由 幾兆赫驅(qū)動(dòng)的一個(gè)線(xiàn)圈構(gòu)成變壓器的初級(jí)，次級(jí)由環(huán)狀的等離子體形成，因此脫離了熒光燈 的長(zhǎng)而細(xì)的幾何形狀，允許與熟悉的燈泡相似的高效燈的產(chǎn)生。沒(méi)有了電極，理論上放電中Page 8就沒(méi)有什么壽命限制，導(dǎo)致燈出現(xiàn)問(wèn)題的原因可能是鎮(zhèn)流器中電子元器件損壞或者熒光粉因 為時(shí)間長(zhǎng)而失效，所以其經(jīng)濟(jì)壽命可能短于真實(shí)壽命。低壓放電用在照明中的低壓放電中的金屬主要是汞和鈉。氖放電用于指示燈和警告燈。低壓放 電的大部分長(zhǎng)度被一個(gè)很均勻的稱(chēng)為正柱區(qū)的等離子體占有。在熒光燈和低壓鈉燈中，這是產(chǎn)生高效輻射的區(qū)域。在熒光燈中包含的汞蒸氣氣壓約為 6*103Torr()，稀有氣體如氬 的典型氣壓為2 Torr(266Pa)。熒光燈(低壓鈉燈)工作需要一個(gè)最佳汞氣壓(鈉氣壓)，而且熒光燈要細(xì)且長(zhǎng)。為了使熒 光燈工作穩(wěn)定，燈的電壓必須是 100V，長(zhǎng)度必須約為 1M。在緊湊型燈中使用的窄管具有 更高的電場(chǎng)，放電長(zhǎng)度更短，管子必須折疊起來(lái)以獲得必要的燈長(zhǎng)度。在無(wú)極燈中，加在燈電壓上的約束不再適用。這就是為什么無(wú)極燈可以制成類(lèi)似于白熾燈的形狀的原因。惰性氣 體(氖、氬、氪或是它們的混合氣體)在放電過(guò)程中起著非常重要的作用。高壓放電低氣壓放電中的氣壓升高，氣體被加熱，最后處在一個(gè)大氣壓范圍內(nèi)，氣體溫度僅比電子溫 度(主要在 4000K~6000K 的范圍)低幾K，要維持如此高的氣體溫度，則必然存在溫度梯 度，中心區(qū)域變熱。沿著溫度梯度方向流向管壁的熱能損失限制此種電弧的輻射效率約為 60%。蒸氣的參數(shù)由于選擇性輻射可以調(diào)整使輻射主要發(fā)生在可見(jiàn)光區(qū)域。高的氣體溫度有助于激 發(fā)和電離，由于大部分的電流通過(guò)中心區(qū)域，電弧中心區(qū)域非常熱，絕大多數(shù)的光在中心產(chǎn) 生，這就是為什么高氣壓放電電弧繩化的原因。中心熱區(qū)域的氣體密度低于外部冷區(qū)域。如 果該放電沿水平方向，則熱的中心區(qū)域就會(huì)朝上彎曲，這就是為什么把此種放電稱(chēng)為電弧的 原因。這也解釋了為什么高氣壓放電并非全體都是高熱的，彎曲引起的微小變化也能引起光 色的顯著變化，在極端的情況下，它可能引起管壁過(guò)熱而損壞。化學(xué)種類(lèi)及金屬鹵化物電弧能在高氣壓電弧的器壁溫度下(如 1000K)維持足夠高的蒸氣壓，并且能產(chǎn)生明顯的可見(jiàn)光 輻射的元素的種類(lèi)非常少，實(shí)際上用于照明光源的填充元素通常只有氙、鈉和汞，但絕大多 數(shù)金屬元素產(chǎn)生的金屬鹵化物比它們自身還要活潑得多。許多元素，尤其是元素周期表中那 些過(guò)渡金屬和稀土金屬元素，具有非常多的能級(jí)數(shù)目，并且能輻射出數(shù)千條光譜線(xiàn)。其中的 一些元素如鈧、鏑等，在可見(jiàn)光區(qū)域能產(chǎn)生非常豐富的輻射。其他的一些元素，如銦、鉈和 鈉，可以產(chǎn)生非常強(qiáng)的線(xiàn)光譜(分別對(duì)應(yīng)藍(lán)色、綠色和黃色)。以上這些事實(shí)構(gòu)成了金屬鹵化物燈的理論基礎(chǔ)。假如我們將幾毫克的金屬鹵化物碘化鉈(TlI)與汞和稀有氣體一起放入放電管中，在放電 被觸發(fā)的過(guò)程中，汞迅速被蒸發(fā)，管壁變得足夠熱使部分碘化鉈被蒸發(fā)出來(lái)。這些碘化鉈通 過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入最高溫度約為 6000K 的汞電弧，在高溫下，碘化鉈分解為原子:TlI=Tl+I。鉈原 子能輻射出很強(qiáng)的 535nm 的綠色光譜線(xiàn)。與鉈相比碘的激發(fā)能要大得多，因此幾乎沒(méi)有碘 的輻射。對(duì)于相當(dāng)簡(jiǎn)單的僅充有鉈、鈉、汞和碘元素的金屬鹵化物燈，假定燈內(nèi)已達(dá)到局部熱平衡的 工作狀態(tài)，為簡(jiǎn)化分析，我們忽略了Hg、HgI、HgII、I2 和Na2 等化學(xué)種類(lèi)。在非常低 的溫度下，僅有少量的Na2I2 的二聚物，隨著溫度上升，TlI 和NaI 的分子就會(huì)分解成原子，并可能產(chǎn)生輻射。進(jìn)一步升高溫度，這類(lèi)原子還會(huì)被電離。由于NaI 比TlI 更易電離，所以在這類(lèi)金屬鹵化物燈內(nèi)，在電弧溫度最高處的大多數(shù)電子來(lái)自鈉原子，因此光譜由鈉決定。鈉比汞要容易電離。由于電子可以通過(guò)鈉的電離得到補(bǔ)充，這意味著碘化鈉蒸發(fā)時(shí)，電弧溫 度將下降，電弧溫度的下降導(dǎo)致汞的線(xiàn)光譜發(fā)射的減少，因此其光譜將內(nèi)鈉和鉈所決定。這Page 9也就是為什么在充有 100Torr 鈉和 1000Torr 汞的高壓鈉放電中幾乎沒(méi)有汞原子輻射的原因。在穩(wěn)定狀態(tài)下，汞原子所起的作用主要是減少熱傳導(dǎo)損失，從而提高輻射效率。雖然金屬鹵 化物電弧常被描述成帶有附加萬(wàn)分的汞電弧，但這是完全錯(cuò)誤的，因?yàn)槟切┙饘冫u化物完全 控制了電弧的行為。以上的這些觀(guān)點(diǎn)適用于任何一種金屬鹵化物放電形式。為了得到一個(gè)高效的顯色指數(shù)優(yōu)良的 白色光源，金屬鹵化物燈的設(shè)計(jì)者們可以有許多方法，包括所添加的金屬鹵化物的種類(lèi)和數(shù) 目等等。這些設(shè)計(jì)上的自由也伴隨著一些麻煩:比如金屬鹵化物會(huì)與燈電極及管壁發(fā)生緩慢 的反應(yīng)。這樣，燈的壽命、光色的穩(wěn)定性、光色的可變性、電弧中光色的分層、燈的維護(hù)、啟動(dòng)以及閃爍等等都將受到這些化學(xué)反應(yīng)的影響。這也是為什么自從金屬鹵化物燈在 1959 年問(wèn)世 35 年后，仍然沒(méi)有完全取代其他高強(qiáng)度氣體放電光源的原因。盡管這樣，適當(dāng)?shù)貞?yīng) 用金屬鹵化物燈還是帶來(lái)了很多好處。今天，金屬鹵化物燈能夠獲得銷(xiāo)售成功是 30 年來(lái)長(zhǎng) 足進(jìn)步的結(jié)果。發(fā)光和熒光粉 熒光粉用于將紫外輻射轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)輻射。在熒光燈中，為了產(chǎn)生光的需要，熒光粉也被用來(lái) 增加紅色輻射以求改善高壓汞燈與金屬鹵化物燈的顏色?！鞍l(fā)光”一詞被用于描述能量被物質(zhì)吸收，并以光子的形式被重新發(fā)射出來(lái)的一般過(guò)程。其中。入射的光子被吸收，然后以一個(gè)較長(zhǎng)的波長(zhǎng)再發(fā)射，這是在燈中的一種形式稱(chēng)作“熒光”普遍使用的一個(gè)過(guò)程。在吸收與發(fā)射期間有一個(gè)延遲，可能在 109S 和幾分之一秒之間。伴有 長(zhǎng)時(shí)間延遲的過(guò)程通常是指磷光?！八雇锌怂?Stocks)位移”指的是波長(zhǎng)增長(zhǎng)而能量損失，這是熒光燈工作的一個(gè)固有部分。波長(zhǎng)的變換是通過(guò)將入射光子的一部分能量轉(zhuǎn)化為晶格振動(dòng)而完成的。在由放電產(chǎn)生的紫外波長(zhǎng)處，熒光粉必須有很強(qiáng)的吸收帶，它也必須在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有一 個(gè)發(fā)射帶。高效要求在可見(jiàn)光區(qū)吸收率低，一般說(shuō)來(lái)，QE 在高溫時(shí)下降，因此為特定燈選 用的熒光粉，必須在管壁溫度下能夠有效地工作。固體熒光粉可以是離子的、半導(dǎo)體的、或者是有機(jī)的。只有第一種具有燈工作需要的特性。離子熒光粉包含堅(jiān)固的晶格結(jié)構(gòu)，在其中，催化劑原子被引入，但其濃度為 1%。催化劑形 成一個(gè)在確定的晶格座上的離子，并受到電力— 晶場(chǎng)—它相對(duì)于自由離子改變它的能級(jí)。離 子與晶格振動(dòng)耦合，這是由于當(dāng)周?chē)Ц裾駝?dòng)時(shí)，晶場(chǎng)波動(dòng)，使催化劑承受不同的力，因此 催化劑離子的能級(jí)取決于周?chē)Ц裰械碾x子的相對(duì)位置。熒光燈中的熒光粉暴露于離子與光子有害混合物的轟擊下，使光輸出在壽命期間退化。這就 導(dǎo)致紫外與可見(jiàn)光的吸收，從而降低熒光粉的轉(zhuǎn)換效率。退化的主要原因是: ?形成光或紫外吸收色心的紫外轟擊，這是由晶格缺陷中的電子陷井而引起的。?激發(fā)和電離的汞到達(dá)熒光粉表面，引起在暴露于放電的熒光粉表面吸收汞原子的光注入。?在熒光粉與玻璃的交界處形成鈉(來(lái)自玻璃)與汞的吸收混合物。用于緊湊型熒光燈中的 稀土激活熒光粉具有特別抗傷害的晶格以及出色的維持率，正是這些熒光粉的發(fā)明使緊湊型 熒光燈的設(shè)想變?yōu)樯虡I(yè)現(xiàn)實(shí)。三基色熒光粉:紅(610nm)粉、綠(545nm)粉、藍(lán)(6450nm)粉。稀土金屬材料熒光粉 三種基色為紅、綠、藍(lán)。即稀土金屬在紫外線(xiàn)照射呈三種基本色，再按比例混成各種顔色的 可見(jiàn)光。場(chǎng)致發(fā)光這是將電直接轉(zhuǎn)化為光的過(guò)程。最近幾年，發(fā)光二極管(LEDs)憶作為公共場(chǎng)所的指示燈，而且具有不同的顯示。它們正 變得更有效、更亮。已經(jīng)制造出效率大于 20%的紅色發(fā)光二極管，具有現(xiàn)實(shí)效率的藍(lán)色與Page 10綠色的二極管也剛出現(xiàn)。人們正計(jì)劃把它們應(yīng)用于需要大量光和高亮度的地方，例如汽車(chē)剎 車(chē)明明以及交通信號(hào)。在這些場(chǎng)合它們超過(guò)傳統(tǒng)燈的主要優(yōu)點(diǎn)是壽命長(zhǎng)。高純度的半導(dǎo)體材料具有非常高的電阻率。微量的故意添加物—施主物質(zhì)或者受施物質(zhì)—提 供了能夠攜帶電子的額外電子或空穴(由于電子的離開(kāi)而形成的正電實(shí)體)。這樣能級(jí)就形 成能帶。當(dāng)一個(gè)能(導(dǎo)帶)中的一個(gè)電子與另一個(gè)能帶(價(jià)帶)中的空穴復(fù)合時(shí)，具有由能 帶隙給定能量的光發(fā)射可以發(fā)生。因此，一個(gè)發(fā)光二極管是一個(gè)將電子與空穴注入半導(dǎo)體的 器件。另外，也存在引起損失的過(guò)程，效率可能是低的，但是隨著研究和發(fā)展，它正在改善 之中。紅色發(fā)光二極管是基于象磷砷化鎵這樣的半導(dǎo)體，它在可見(jiàn)光區(qū)發(fā)射相對(duì)窄的譜線(xiàn)，其波長(zhǎng) 由帶隙決定。在紅色與綠色之間不同的波長(zhǎng)可以通過(guò)改變磷與砷的比例獲得。藍(lán)色發(fā)射需要 象碳化硅這樣的材料。第三節(jié)燈具一、燈具的功能基本功能是提供與光源的電氣連接，此外還有許多其他重要的功能。大部分光源全方位地發(fā) 射光線(xiàn)，這對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言是浪費(fèi)的并由此造成眩光。因此，對(duì)大多數(shù)燈具而言，調(diào)整光 線(xiàn)到預(yù)期方位，同時(shí)把光損失降至最低，減少光源的眩光，擁有令人滿(mǎn)意的外形及強(qiáng)化燈點(diǎn) 燃與未點(diǎn)燃環(huán)境的裝飾性是它們的一項(xiàng)功能。燈具必須是耐用的，且能為光源，如有必要，有時(shí)也為控制電氣附件提供一個(gè)電氣、機(jī)械及熱學(xué)上安全的殼體。光源的防護(hù):光源除需要電氣連接以外，還必須有機(jī)械支撐并要受到防護(hù)，防護(hù)程度視要求 而定。適宜的機(jī)械性能:燈具部件必須有足夠強(qiáng)的機(jī)械強(qiáng)度，從而確保在安裝和使用時(shí)有適當(dāng)?shù)哪?久性，同時(shí)有充分強(qiáng)的懸掛強(qiáng)度，金屬部件必須有足夠的耐腐蝕能力。殼體要求:室外用燈必須有嚴(yán)格的防塵和防水要求，而對(duì)某些特殊要求的室內(nèi)燈具也要提供 防護(hù)，以抵御水和塵埃的侵入。為了根據(jù)防塵和防潮的程度來(lái)劃分外殼的防護(hù)等級(jí)，使用了 防護(hù)等級(jí)代碼。序號(hào)IP(International protection)防護(hù)等級(jí) IP68 第二個(gè)號(hào)碼表示防水等級(jí)防護(hù)等級(jí)代碼 第一個(gè)號(hào)碼表示防塵等級(jí) 說(shuō)明 是國(guó)際上用來(lái)認(rèn)定燈具的防護(hù)等級(jí)的代號(hào)，IP 等級(jí)由兩個(gè)數(shù)字組成，第一個(gè)數(shù)字表示燈具防塵。第二個(gè)數(shù)字則表示燈具防水。數(shù)字越大則表示燈具防護(hù)性能越佳。防護(hù) 類(lèi)別 等級(jí)號(hào)碼 防 護(hù) 程 度 定 義 防 塵 等級(jí) 0 無(wú)防護(hù)無(wú)特殊的防護(hù) 防止大于50mm 的物體侵入防止人體不慎碰到燈具內(nèi)部零件。防止直徑大于50mm 物體 侵入 防止大于 12mm 的物體侵入防止手指碰到燈具的內(nèi)部零件 的工具、電線(xiàn)或物體的侵入Page 114 防止大于 的物體侵入防止直徑大于 的蚊蠅、昆蟲(chóng)或物體的侵入 防塵無(wú)法完全防止灰塵侵入，但侵入