第4章照明电光源课件.ppt

,随着电光源工业技术的发展，各种新光源产品不仅在数量上，而且在质量上都有很大的提高，各种发光效率高、显色性好、使用寿命长的新型电光源不断出现。本章主要介绍建筑电气照明中常用的电光源的种类、主要性能指标、电光源的结构、工作原理以及电光源的选择和应用。,第4章 照明电光源,一、电光源的分类 根据光的产生原理，电光源可以分为两大类，即热辐射发光光源和气体放电发光光源。电光源分类如图：,第一节 概述,1热辐射发光光源 热辐射发光光源是利用电流将灯丝加热到白炽程度而产生热辐射发光的一种光源。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。目前白炽灯仍是重要的照明光源。（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。）,2 气体放电光源 气体放电光源是利用电流通过灯管中气体而产生放电发光的一种光源，常用的气体放电光源有荧光灯、氖灯、钠灯、荧光高压汞灯和金属卤化物灯等。气体放电光源具有发光效率高、使用寿命长等特点。气体放电光源一般应与相应的附件配套才能接入电源使用。气体放电光源按放电的形式分为弧光放电灯和辉光放电灯。,（1）弧光放电灯 弧光放电灯是利用气体弧光放电产生光。弧光放电的特点是阴极位降较小。【弧光放电：呈现弧状白光并产生高温的气体放电现象。无论在稀薄气体、金属蒸气或大气中，当电源功率较大，能提供足够大的电流（几安到几十安），使气体击穿，发出强烈光辉，产生高温（几千到上万度），这种气体自持放电的形式就是弧光放电。通常产生弧光放电的方法是使两电极接触后随即分开，因短路发热，使阴极表面温度陡增，产生热电子发射。热电子发射使碰撞电离及阴极的二次电子发射急剧增加，从而使两极间的气体具有良好的导电性。弧光放电的特征是电压不高，电流增大的两极间电压反而下降，有强烈光辉。】,【还有一种弧光放电叫做冷阴极弧光放电，阴极由低熔点材料（如汞）做成。阴极表面蒸发出的蒸气被电离，在阴极表面附近堆积成空间正电荷层，此电荷层与阴极间极为狭窄区域内形成的强电场引起场致发射，使电流剧增，产生电弧。弧光放电应用广泛。可用作强光光源，在光谱分析中用作激发元素光谱的光源，在工业上用于冶炼、焊接和高熔点金属的切割，在医学上用作紫外线源（汞弧灯），等等。但是大电流电路开关断开时产生的弧火极其有害，应采取灭弧措施。】,弧光放电灯按其中气体压力的大小，又可分为低压气体放电光源和高压气体放电光源。低压气体放电光源包括荧光灯和低压钠灯，这类光源的气体压力低，组成气体（主要是汞蒸气和钠蒸气）的原子距离比较大，互相影响较小，因此它们的光辐射可以看成是孤立的原子产生的原子辐射，这种原子辐射产生的光辐射是以线光谱形式出现的。如荧光灯由原子辐射主要产生的是紫外线辐射，但因荧光灯管壁上涂有荧光粉，在紫外线辐射作用下，激发形成可见光。,高压气体放电光源包括高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯和氙灯。这类光源的特点是灯管中气压较高，原子之间距离比较近，相互影响比较大，电子在轰击原子时不能直接与一个原子作用，从而影响了原子的辐射，因此这类辐射与低压气体放电光源有较大的区别。但其辐射原理仍然是气体中的原子辐射产生光辐射。高压气体放电光源管壁的负荷一般比较大，也就是灯的表面积（玻璃壳外表面）不大，但灯的功率较大，往往超过3W/cm2，因此又称为高强度气体放电灯，简称HID灯。,（2）辉光放电灯 辉光放电灯是利用气体辉光放电产生光。辉光放电的特点是阴极的位降较大（100V左右）。这类光源通常需要很高的工作电压，如霓虹灯。（辉光放电：气体在低气压状态下的一种自持放电。对玻璃圆柱状放电管两端施加电压，当压力处于10.1托的范围时，由阴极逸出的电子在气体中发生碰撞电离和光电离，此时放电管的大部分区域都呈现弥漫的光辉，其颜色因气体而异，故称辉光放电。）,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。,OC段是非自持放电，如果去掉外致电离，则电流立即停止，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，它包括 辉光放电与弧光放电。,G点之后是弧光放电，一般具有负伏安特性，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，导致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。,气体放电光源主要附件,1、镇流器：具有正的伏安特性，回路电流增大其电压降增大，与气体放电灯串联使用，电流就能稳定。可分为电阻、电感、电容、电子镇流器。（1）电阻镇流器 用于直流电源供电的气体放电灯，功率损耗较大，一般不使用在交流情况下。（2）电感镇流器 用于工频交流供电的气体放电灯，起限流作用，同时在启动时产生高压脉冲，使灯管顺利启动。但功率因素低，建议线路末端补偿功率因素。,（3）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。（4）电子镇流器 80年代引进，具有节能环保的特点，优点：在150250V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。3、补偿电容 电感性镇流器功率因素低，利用电容可使它得到有效提高。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、工作特性、使用寿命。,二、电光源的命名方法,各种电光源型号的命名包括以下五部分：第一部分为字母，由电光源名称主要特征的三个以内汉语拼音字母组成。如PZ220-40，PZ是汉语拼音“普通照明”两词的第一个字母的组合。第二部分和第三部分一般为数字，主要表示光源的电参数。如PZ220-100表示灯泡额定工作电压为220V，额定功率为100W。第四部分和第五部分为字母或数字，表示灯结构（玻璃壳形状或灯头型号）特征的12个汉语拼音字母和有关数字组成。规定E表示螺口，B表示插口。数字表示灯头的直径（mm），如PZ220-100-E27，E27表示螺口式灯头，灯头的直径为27mm。第四和第五部分作为补充部分，可在生产或流通领域中使用时灵活取舍。,电光源型号的各部分按顺序直接编排。当相邻部分同为字母或数字时，中间用短横线”-”分开（外资产品的命名方式有所不同）。常用电光源型号命名方法见表。例如，20W直管荧光灯的型号为YZ20RR，第一部分YZ指的是直管荧光灯，第二部分20表示灯的额定功率，第三部分RR说明灯的发光色为日光色。,第二节 白炽灯,凡是根据热辐射原理工作的光源都可称为白炽灯。目前常用的白炽灯分两类，即普通白炽灯和卤钨灯。一、白炽灯的构造 白炽灯泡是由钨丝、玻璃泡、灯头、支架和填充气体等构成，见图。灯丝是白炽灯发光的主要部件，常用的灯丝形状有直线灯丝、单螺旋灯丝、双螺旋灯丝等。灯丝的形状和尺寸大小对于白炽灯的寿命、发光效率都有直接的影响，同样长短粗细的钨丝绕成双螺旋型比绕成单螺旋型的光效高。一般来说，灯丝结构紧凑，发光点小，利用率就高。,玻璃壳的形式很多，但一般都采用与灯泡纵轴对称的形式，如梨形、圆柱形、球型等，仅有很少的特殊灯泡是不对称的（如全反射灯泡的玻壳等）。玻壳的尺寸及采用的玻璃材料则视灯泡的功率和用途而定。玻壳一般是透明的，但有些特种用途的灯泡则采用各种有色玻璃。为了避免眩光，玻壳可以进行“磨砂“或“内涂“使其能形成漫反射；还有些灯泡为了加强在某一方向上的发光强度，在玻壳上蒸镀了反射铝层。下图给出了各种功率、用途的白炽灯的外形。,普通白炽灯玻璃泡内一般先抽成真空，然后充以一定比例的氩、氮混合气体。充气的主要作用是抑制灯丝上钨的蒸发，减小白炽灯光通量的衰减。40W及以下的普通白炽灯，由于其工作温度不高，一般不填充其他混合气体，仅抽成真空即可。,普通白炽灯的灯头起着固定灯泡和接通电源的作用。常用的灯头形式有插口（B15、B22）与螺口（E14、E27、E40）两种。插口灯头接触面较小，灯功率大时接触处温度较高，所以常用于小功率普通白炽灯；反之，螺口灯头接触面大，可用于大功率灯泡。下图是几种常用白炽灯头的外形。,二、白炽灯的工作原理,白炽灯泡是利用通过电流的钨丝被加热到白炽状态而发光的一种热辐射光源。普通白炽灯点燃时，随着钨丝的温度上升和长时间的工作，钨丝逐渐蒸发变细，灯泡壳发黑，最后灯丝细到一定的程度就会熔断。特别是在白炽灯开灯的瞬间电流很大，由于温度的快速变化而产生机械应力，更容易使灯丝损坏。为了防止钨丝氧化，抑制钨丝的蒸发，常在大功率白炽灯的玻璃壳中充入情性气体，提高白炽灯的光效，增加白炽灯的寿命。,三、白炽灯的分类,白炽灯的规格很多，分类方法不一，总的可分为真空灯泡和充气灯泡。但白炽灯的分类方法较多的是根据其特性和用途来分的，如普通白炽灯、舞台灯、照相灯、矿用灯、装饰灯、反射灯、信号灯等。,四、白炽灯的光电参数,白炽灯是建筑和其他照明用得最广泛的一种光源，为了便于选择和使用，对白炽灯的主要特性参数介绍如下：（1）额定电压（Ur）灯泡上标注的电压即为额定电压。光源（灯泡）只有在额定电压下工作，才能获得各种规定的特性。白炽灯在工作时对电压的变化比较敏感，如果低于额定电压工作，光源的寿命虽可延长，但发光强度不足，发光效率降低；如果在高于额定电压下工作，发光强度变强，但寿命将缩短。,（2）额定功率（Pr）白炽灯的额定功率是指灯泡上标注的功率，也是指所设计的灯泡在额定电压下工作时应能输出的功率。（3）额定光通量（）白炽灯参数中所给出的光通量是指灯泡在其额定电压下工作时，光源所辐射出的光通量。它一般也是指光源在工作100h后的初始光通量。白炽灯泡的光通量会随着使用时间的增长、灯泡真空度的下降、钨丝的蒸发而衰减。,（4）发光效率（）白炽灯泡的发光效率是指灯泡消耗单位电功率所发出的光通量（简称光效），单位为流明每瓦。（5）使用寿命（）白炽灯泡的使用寿命是指从开始使用到点燃失效的累计时间。由于使用时情况比较复杂，条件不尽相同，使每个灯泡的使用寿命也不一样。因此参数中所列使用寿命通常是指平均使用寿命，即在规定条件下，同批寿命实验所测得的寿命算术平均值。影响灯泡使用寿命的主要因素是电压。（6）色温、显色指数 白炽灯的色温较低，一般为2400-2900K，但显色性较高，显色指数Ra高达99100。,如前所述，当电压变化时，白炽灯除了使用寿命有很大变化外，对光通量、发光效率等都有较大影响。下图给出了白炽灯光电参数与电源电压的关系。,五、白炽灯的应用,白炽灯是各类建筑和其他场所照明应用最广泛的光源之一，它作为第一代电光源已有一百多年历史，虽然各种新光源发展很迅速，但白炽灯仍然是在不断研究和开发中的光源。这是因为白炽灯具有体积小、结构简单、造价低、不需要其他附件，使用时受环境影响小，而且方便、光色优良、显色性好、无频闪现象等优点。所以，普通白炽灯常用于日常生活照明，工矿企业照明，剧场、宾馆、商店、洒吧等照明。,装饰白炽灯是利用白炽灯玻璃壳的外形变化和色彩的不同，工作时起到一定的照明和装饰效果。通过装饰白炽灯不同的排列组合安装，能形成多种灯光艺术风格。装饰白炽灯常用于会议室、客厅、节日装饰照明等。反射型灯泡是在白炽灯玻璃泡的内壁上涂有部分反射层，能使光线定向反射。反射型白炽灯适用于灯光广告、橱窗、体育设置、展览馆等需要光线集中的场合。,第三节 卤钨灯,卤钨灯属于热辐射光源，工作原理基本上与普通白炽灯一样，但结构上有较大的差别，最突出的差别就是卤钨灯泡内所填充的气体含有部分卤族元素或卤化物。一、卤钨灯的结构 卤钨灯是由钨丝、充入卤素的玻璃泡和灯头等构成。卤钨灯有双端、单端和双泡壳之分。上图为常用卤钨等的外形。图a为双端管状卤钨灯的典型结构，灯呈管状，功率为100-2000W，灯管的直径为8-10mm，长80-330mm。两端采用磁接头，需要时在磁管内还装有保险丝。这种灯主要用于室内外泛光照明。图b为单端引出的卤钨灯，这类灯的功率有75W、100W、150W和250W等多种规格，灯的泡壳有磨砂的和透明泡的，单端型灯头采用E27。,500W以上的大功率卤钨灯一般制成管状。为了使生成的卤化物不附在管壁上，必须提高管壁的温度，所以卤钨灯的玻璃管一般用耐高温的石英玻璃或高硅氧玻璃制成。目前国内用的卤钨灯主要有两类：一类是灯内充入微量的碘化物，称为碘钨灯；另一类是灯内充入微量的溴化物，即为溴钨灯。由于碘蒸气呈紫红色，吸收5%的光线，所以碘钨灯的光效比溴钨灯低45%，但碘在温度为1700以上的灯丝和250左右的管壁间循环，对钨丝没有腐蚀作用，故需要灯管寿命长些就用碘钨灯；需要光效高的灯管可用溴钨灯，但寿命短些。,二、卤钨灯的分类,按充入灯泡内的不同卤素可分为碘钨灯和溴钨灯；按灯泡外壳材料的不同可分为硬质玻璃卤钨灯、石英玻璃卤钨灯；按工作电压的高低不同可分市电型卤钨灯（220V）和低电压型卤钨灯（6V/12V/24V）；按灯头结构的不同可分为双端、单端卤钨灯。,三、卤钨灯的工作原理,当充入卤素物质的灯泡通电工作时，从灯丝蒸发出来的钨，在灯泡壁区域内与卤素化合，形成一种挥发性的卤钨化合物。卤钨化合物在灯泡中扩散运动，当扩散到较热的灯丝周围区域时，卤钨化合物分解成卤素和钨，释放出来的钨沉积在灯丝上，而卤素再继续扩散到温度较低的灯泡壁区域与钨化合，形成卤钨循环。由于卤钨循环有效地抑制了钨的蒸发，所以可以延长卤钨灯的使用寿命，同时可以进一步提高灯丝温度，获得较高的光效，并减小了使用过程中的光通量的衰减。,四、卤钨灯的工作特性,（1）发光效率 卤钨灯与普通白炽灯相比，其光效要比普通白炽灯高上许多倍。另外，由于卤钨灯工作时是采用卤钨循环原理，较好地抑制了钨的蒸发，从而防止卤钨灯泡的发黑，使得卤钨灯在寿命期内的光维持率基本维持在100%。（2）色温和显色性 卤钨灯属低色温光源，其色温一般在28003200K之间，与普通白炽灯相比，光色更白一些，色调更冷一些，但显色性较好，显色指数Ra=100。（3）调光性能 卤钨灯也可以进行调光，但当灯的功率下调到某一值时，由于其玻璃泡的温度下降较多，于是卤钨循环不能进行，这时相当于做白炽灯使用。同时由于卤钨灯的玻璃泡很小，此时玻璃泡容易发黑；另外游离的溴要腐蚀灯丝，因此一般不主张对卤钨灯进行调光。,常见卤钨灯参数见表：,五、卤钨灯的应用,由于卤钨灯与白炽灯相比，具有光效高、体积小、便于控制且具有良好的色温和显色性、寿命长、输出光通量稳定、输出功率大等优点，所以在各个照明领域中都具有广泛的应用，尤其是被广泛地应用在大面积照明与定向投影照明场所，如建筑工地施工照明、展厅、广场、舞台、影视照明、商店橱窗照明及较大区域的泛光照明等。,卤钨灯在使用时应注意以下问题：1）为了使在灯泡壁生成的卤化物处于气态，卤钨灯不适用于低温场合。双端卤钨灯工作时，灯管应水平安装，其倾斜角度不得超过4，否则会缩短其使用寿命。2）由于卤钨灯工作时产生高温（管壁温度600），因此，卤钨灯附近不准放易燃物质，且灯脚引入线应用耐高温的导线。另外，由于卤钨灯灯丝细长又脆，卤钨灯使用时，要避免震动和撞击，也不宜作为移动照明灯具。,第四节 荧光灯,荧光灯是低气压汞蒸气弧光放电灯，也被称为第二代光源。与白炽灯相比，具有光效高、寿命长、光色和显色性都比较好的特点，因此在大部分场合取代了白炽灯。一、荧光灯的结构与原理 1.荧光灯的结构 荧光灯主要由灯管和电极组成，如图。灯管内壁涂有荧光粉，将灯管内抽真空后加入一定量的汞、氩、氪、氖等气体。常见的荧光灯是直管状的，根据需要，灯管也可以弯成环形或其他形状。灯管两端有电极，它是气体放电灯的关键部件，并引出管外，也是决定灯的寿命的主要因素。荧光灯的电极通常由钨丝绕成双螺旋或三螺旋形状，在灯丝上涂以发射材料（一般为三氧化物）。荧光灯的电极主要是用来产生热电子发射，维持灯管的放电。,荧光灯的附件有启辉器和镇流器。启辉器（俗称跳泡）的主要元件是一个由两种膨胀系数不同的金属材料压制而成的双金属片（冷态触头常开）和一个固定触头。启辉器的主要作用是在灯管刚接电路时，启辉器双金属片闭合，有电流通过灯丝，对灯丝进行预热；双金属片断开的瞬间，镇流器产生高压脉冲，两电极之间气体被击穿，产生气体放电。镇流器是一个有铁心的线圈，其主要作用就是启动时在启辉器的作用下产生高压脉冲，在工作时用于平衡灯管电压。,为使荧光灯能正常工作，选用与灯管配套的镇流器是非常重要的。近年来，电子镇流器得到广泛应用，与电感镇流器相比，电子镇流器具有如下优点：能够提高灯的光效；光无闪烁；能瞬时启动且无启辉器；调光性能好；功率因数高；温升小；无噪声；体积小；重量轻。电子镇流器是由低通滤波器、整流器、缓冲电容、高频功率振荡器和灯电流稳压器等五部分组成，上图所示为电子镇流器原理图。,2荧光灯的工作原理 当荧光灯接通电源时，在电源电压的作用下，启辉器产生辉光放电，其动触片受热膨胀与静触点接触形成通路，电流通过并加热灯丝发射电子。,但这时由于双金属片接触后金属片之间没有电压，辉光放电停止，动触片冷却恢复原来形状，在使触点断开的瞬间，电路突然切断，镇流器产生较高的自感电动势，当接线正确时，电动势与电源电压叠加，在灯管两端形成高电压。在高电压作用下，灯丝通电、加热和发射电子流，电子撞击汞原子，使其电离而放电。放电过程中发射出的紫外线又激发灯管内壁的荧光粉，从而发出可见光。荧光粉的化学成分可决定其发光颜色，有日光色、暖白色、白色、蓝色、黄色、绿色、粉红色等。,二、荧光灯的分类,1.按灯管形状和结构分类1）直管型 直管型荧光灯按启动方式又可分为预热启动式、快速启动式和瞬时启动式。（1）预热启动式：是荧光灯中用量最大的一种，这种荧光灯在工作时，需要有镇流器、启辉器附件组成的工作电路。预热式荧光灯有T12、T8和T5等几种。T12（管径35mm）的功率范围为20125W。T8（管径25mm）的有用电感镇流器的，功率范围为1570W；有用高频电子镇流器的，功率范围为1650W。T5（管径5mm）灯用电子镇流器，功率范围为1435W。,（2）快速启动式：是在灯管的内壁涂敷透明的导电薄膜（或在管内壁或外壁敷设导电条），提高极间电场。在镇流器内附加灯丝预热回路，且镇流器的工作电压设计得比启动电压高，所以在电源电压施加后的1s就可启动。（3）瞬时启动荧光灯 这种荧光灯不需要预热，可以采用漏磁变压器产生的高压瞬时启动灯管。,2）紧凑型 它一般使用直径为1016mm的细管弯曲或拼结成一定的形状（U形、H形、螺旋形等），以缩短放电管线形的长度。它可以广泛地用于替代白炽灯，在达到同样光输出的情况下，可以节约大量电能。紧凑形荧光灯不仅光色好、光效高、能耗低，而且寿命长。国外厂家（如飞利浦公司等）产品的寿命已达到800010000h。下图为几种常见的紧凑形荧光灯。,3）高光通单端荧光灯 这种灯管在一端有四个插脚，主要灯管有18W（255mm）、24W（320mm）、36W（415mm）、40W（535mm）、55W（535mm）。它与直管型荧光灯相比优点为：结构紧凑、光通输出高、光通维持好、在灯具中的布线简单许多、灯具尺寸与室内吊顶可以很好地配合。,2.按功率分类1）标准型 在标准点灯条件（环境温度2025、湿度65%以下）下，为获得应有的发光效率，将管壁温度设计在最佳值（约40），管壁负荷约300W/m2。2）高功率型 为了提高单位长度的光通输出，增加了灯的电流，管壁负荷设计约500W/m2。3）超高功率型 为进一步提高光输出，管壁负荷设计约900W/m2。为此，灯管内通常充入氖氩混合气和蒸气压低的汞齐（以控制汞蒸气压不要太高）。高功率型灯和超高功率型灯一般是采用快速启动的方式工作的。,3.按灯管工作电源的频率分类 荧光灯是非纯电阻性元件，工作在不同频率的电源电压情况下，管压降不同。1）工频灯管：工作在电源频率为50Hz或60Hz回路的灯管，一般与电感镇流器配套使用。目前市场中生产的主要是此种灯管。2）高频灯管：工作在20100kHz高频状态下的灯管，高频电流是与其配套的电子镇流器产生的。3）直流灯管：工作在直流状态下的灯管。点灯回路从市电取用工频（50Hz或60Hz）交流电源经整流成直流后向灯管供电。,4.特种荧光灯1）高频无极感应灯（无极荧光灯）它不需要电极，是利用在气体放电管内建立的高频（频率可达几兆赫）电磁场，使灯管内气体发生电离而产生紫外辐射激发玻壳内荧光粉层而发光的气体放电灯。因为它没有电极，故寿命可以很长，市场上已有的灯达60000h。2）平板（平面）荧光灯 两个互相平行的玻璃平板构成的密闭容器，里面充入惰性气体和它的混合气体（如氙、氙-氖），内壁涂上荧光粉，容器外装上一对电极，就构成了平面荧光灯。当电极上加上高频电压后，容器中开始形成介质阻挡放电，氙原子被激发并形成了氙准分子光，产生紫外线，紫外线激发荧光粉发出可见光，成为平面光源。它光线柔和、悦目，可以与室内墙面、顶棚融为一体，同时它不充汞，没有污染。,三、荧光灯的特性,（1）电源电压变化的影响 电压的变化对荧光灯光电参数是有影响的，电压增高时，灯管的电流变大，电极过热，加速灯管两端过早发黑，使用寿命缩短。电压过低时，灯管启动困难，启辉器往往多次工作才能启动，不仅影响照明效果，而且也会缩短灯管寿命。（2）光色 荧光灯可利用改变管壁所涂荧光粉的成分来得到不同的光色、色温和显色指数。,（3）环境温度的影响 环境温度的变化对荧光灯的工作也有较大影响，温度过低时会使荧光灯难以启燃。这主要是荧光灯发出的光通量与汞蒸气放电激发紫外线的强度有关，紫外线强度又与汞蒸气压力有关，汞蒸气压力与灯管直径、冷端温度（冷端温度与环境温度有关）等因素有关。一般对直管形荧光灯，在环境温度2030、冷端温度3840 时发光效率最高。一般来说，环境温度低于10 会使灯管启动困难。图示为荧光灯发光效率与环境温度的关系。,（4）闪烁与频闪效应 随着供电电源频率的变化，荧光灯发出的光线会有闪烁感。这种由电源频率变化所造成荧光灯的这种周期性的闪烁现象称为频闪效应。在正弦交流电作用下，当电流每次过零时，光通即为零，由此会产生闪烁感。由于电流变化较快，加之荧光粉的余辉作用，使得人们的感觉不甚明显，只有在灯管老化时才能较明显地感觉出来。但由于频闪效应的客观存在，对于特殊工作场所（高速旋转的设备环境），频闪效应可能引发人身和设备安全事故。因此，对照明要求较高的场所应采取必要的补偿措施，如在大面积照明场所以及在双管、三管灯具中采用分相供电，即可明显地消除频闪效应。图示为光通量与电源频率的关系。,（5）寿命和光通衰减 荧光灯的寿命与发光效率没有直接的关系，灯的寿命主要由电极电子辐射物质的耐久性来决定。但启动电流过大、电源电压过高或过低、开关次数频繁程度等都对灯的寿命有很大影响。灯在启动时电子发射物质的飞溅最为激烈，所以灯的启动频率越高，寿命就越短。灯的寿命试验是按每开关一次点燃3h计算的。由实验可知，每开关一次相当于连续点燃2h。在点灯过程中荧光粉的老化、管内残留不纯气体使荧光膜黑化、电极物质飞溅使管壳发黑、玻璃的老化等等都会使光通量下降。这一变化在点燃初期100h内非常明显，100h后光通量衰减变慢。荧光灯点燃到光通输出稳定也需要一段时间，如图所示。,荧光灯的特点是光效高、寿命长、光谱接近日光（常称日光灯）、显色性好。它的表温低、表面亮度低、眩光影响小。荧光灯的颜色分为暖白色、白色、冷白色、日光色和彩色，它们的色温为30006700K，一般显色指数Ra=70。荧光灯的缺点是功率因数低，发光效率与环境温度和电源频率有关，而且有频闪效应、附件多、有噪声，不宜频繁开关。采用电子镇流器的荧光灯工作在高频状态，可明显地消除频闪效应；采用直流供电的荧光灯可以做到几乎无频闪效应。常见荧光灯电光参数见表。,荧光灯具有良好的显色性和发光效率，因此荧光灯被广泛用于图书馆照明、教室照明、隧道照明、地铁照明、商店照明、办公室照明及其他对显色性要求较高的照明场所。异型荧光灯（环形、U形、紧凑形等）、反射式荧光灯、彩色荧光灯常用于室内装饰照明。,四、荧光灯的应用,第五节 高强度气体放电灯（HID灯）,由于管壁温度而建立发光电弧，其发光管表面负荷超过3W/cm2的放电灯称为高强度气体放电灯（HID灯），如高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯、氙灯等。,一、高压汞灯,高压汞灯又名高压水银灯，它是靠高压汞蒸气放电而发光。这里所说的“高压”是指工作状态下的气体压力为15个大气压，以区别于一般低压荧光灯。高压汞灯具有光效高、寿命长、省电、耐震等优点；但启动时间较长，显色性差，对电压要求较高，也不宜频繁启动（开关频繁则寿命缩短）。高压汞灯不宜于作室内照明光源，也不能单独做为事故照明光源，多用于车间、礼堂、展览馆等室内照明，或道路、广场的室外照明。,高压汞灯的结构如图所示。高汞灯采用耐高温、高压的透明石英玻璃做放电管，管内除充汞外，同时充有压力为2666.44Pa的氩气以降低启动电压和保护电极。放电管,两端采用钼箔封接电极。用钨作主电极，并在其中填充有碱土氧化物作为电子发射物质。外泡壳有保持放电管工作湿度、防止金属零部件氧化、切断有害的紫外线等作用，还涂有荧光粉，成为荧光高压汞灯，外泡壳内通常也充入数十千帕的氖气或氖氩作绝热用，还设有帮助启动用的辅助电极。高压汞灯主要辐射来源于汞原子激发后产生的紫外线和可见光，荧光高压汞灯是采用涂有荧光粉的外玻壳将紫外线转换为可见光的。,二、金属卤化物灯,金属卤化物灯是在高压汞灯的基础上，在放电管中加入了各种不同的金属卤化物，它依靠这些金属原子的辐射，提高灯管内金属蒸气的压力，有利于发光效率的提高，从而获得了比高压汞灯更高的光效和显色性。,1.金属卤化物灯的结构与原理 金属卤化物灯的结构和高压汞灯极其相似，是由电弧管（石英玻璃管或陶瓷管）、玻璃外壳、电极和灯头等构成。在金属卤化物灯管中虽然像高压汞灯那样也充入汞，但这些金属的激发电位低于汞，因此在放电辐射中金属谱线占主要地位。由于金属卤化物比汞难蒸发，充入汞的作用就是为了使灯容易启燃。刚启燃时，金属卤化物灯就如高压汞灯；启燃后，金属卤化物被蒸发，放电辐射的主导地位转移到金属原子的辐射。,由于能充入放电管内的金属元素种类很多，各种原子各有自己的特征谱线，所以只要选择适当比例，金属卤化物灯就可以制成多种光色不同的光源，如白色型光源钠-铊-铟灯、日光型光源镝灯、绿光光源铊灯、蓝光光源铟灯等。,2.金属卤化物灯的分类 按渗入的金属原子种类分为碘化钠-碘化铊-碘化铟灯（简称钠铊铟灯）、镝灯、卤化锡灯与碘化铝灯等。按其特点可分为紧凑金属卤化物灯、中大功率金属卤化物灯、陶瓷金属卤化物灯。按结构可分为双泡壳单端型、双泡壳双端型和单泡壳双端型。按发光颜色分为白色金属卤化物灯和彩色金属卤化物灯。,3.金属卤化物灯的特性 金属卤化物灯工作时需要镇流器，但不需要特殊设计。对钠-铊-铟灯可以采用高压汞灯的镇流器，而对很多稀土金属卤化物灯和卤化锡灯也可以采用高压钠灯镇流器。金属卤化物灯熄灭后，由于灯内气压太高，不能立即再启燃，一般需要520min后才能再启燃。金属卤化物灯发光效率较高，可达70lm/W，一般为荧光高压汞灯的1.52倍；显色性较好，显色指数Ra=6080。金属卤化物灯型号及参数见下表。,4.金属卤化物灯的应用 金属卤化物灯具有发光体积小、亮度高、重量轻、光色接近太阳光、显色性较好、发光效率高等特点，所以该光源具有很好的发展前途，常作为室外场所的照明，如广场、车站、码头等大面积照明场所。金属卤化物灯在使用时应注意：电源电压波动限制在5；金属卤化物灯在安装或设计造形时应注意，该灯有向上、向下和水平安装方式，要注意参考使用说明书的要求；这类灯的安装高度一般都比较高，如NTY型灯的安装高度最低要求为10m，最高要求为25m。,三、高压钠灯,高压钠灯是利用高压钠蒸气放电发光的一种高强度气体放电光源，广泛应用于对显色性要求不高的场所。1高压钠灯的结构 高压钠灯是由放电管、硬玻璃外壳、双金属片、铌帽金属支架、电极和灯头构成。,放电管是用半透明的氧化铝陶瓷或全透明刚玉制成，耐高温。放电管两端各装有一个工作电极。管内排除空气后充入钠、汞和氙气。在放电管外还套装一个透明的玻璃外管，并抽成真空。双金属片继电器是由两种膨胀系数不同的金属材料压制而成。高压钠灯的灯头和普通白炽灯相同，因此可以通用。,2高压钠灯的工作原理 高压钠灯启动时，附件和镇流器产生3kV的脉冲电压将钠灯点亮，开始时通过氙气和汞进行放电，随着放电管内温度的上升，氙气和汞放电向高压钠蒸气放电转移，钠蒸气气压升高，钠的共振辐射线加宽，光色改善，约5min左右趋于稳定，在稳定工作时可发出一种金白色的光。当工作电流、工作电压均稳定在额定值时，启动过程结束。下图为高压钠灯各参数与电压的关系。,高压钠灯的触发方式可分为内触发、外触发两种。外触发高压钠灯是采用电子触发器在电源接通瞬间，灯管两端获得高压脉冲将灯管点燃。内触发高压钠灯是在灯泡壳内安装一双金属片开关和加热电阻丝。其工作原理是当接通电源时，电流经过加热电阻丝和双金属片开关时对其加热，由于双金属片正反面的膨胀系数不同，在达到一定温度时，双金属片产生弯曲变形，触点分离，在分离的瞬间，在镇流器电感线圈上产生数千伏自感电动势加在灯的两端，将钠灯点亮。灯工作后，由于电弧管的热辐射，外壳内温度升高，使开关触点维持在断开状态。钠灯接线原理如图。,3高压钠灯的基本性能 高压钠灯工作蒸气压为26.67kPa，光色为金黄色，色温为2100K，显色指数Ra=30，故显色性较差，但发光效率比较高，国产高压钠灯的光效可达70130lm/W。高压钠灯的特点是光效接近低压钠灯，光色优于低压钠灯，体积小、功率密度高、亮度高、紫外线辐射少、寿命长，属于节能型电光源，光色偏黄但透雾性能好。,4高压钠灯的应用 由于高压钠灯的发光效率高、寿命长、透雾性能好，所以被广泛用于高大厂房、车站、广场、体育馆，特别是城市道路等处照明。常用高压钠灯的主要特性见下表。,高压钠灯在使用时应注意的问题是：电源电压波动对灯的正常工作影响较大，电压升高易引起灯的自行熄灭；电压降低则光通量减少，光色变坏；灯的再启动时间较长，一般在1020min以内，故不能作应急照明或其他需要迅速点亮的场所；高压钠灯不宜用于需要频繁开启和关闭的地方，否则会影响其使用寿命。,四、氙灯,氙灯是利用高压氙气放电产生强光的电光源，它具有功率大、光色好、体积小、亮度高、启动方便等优点，人们称誉它为“小太阳”，常用于建筑施工现场、广场、车站、码头等需要高照度、大面积照明场所。,氙灯是一种弧光放电灯，光的辐射包括在放电过程中氙被激发而产生的线光谱辐射和被电离的离子与电子复合产生的连续光谱辐射。因此，氙灯的辐射光谱是在连续光谱上重叠着线光谱。氙灯有直流和交流两种形式，在交流下工作会产生频闪现象，在直流下工作则可避免频闪。氙灯的发光效率只有2050lm/W，使用寿命一般为10005000h。氙灯在启燃时需要较高的电压，故启燃时应采用触发器；灯管工作时还应接入镇流器。,氙灯在使用时应注意：当作为室内照明时，为了防止紫外线对人体的伤害，应装设滤光玻璃；因为该光源亮度较高，为避免眩光，应装置在视线不及的高度，一般3kW灯管不低于12m，10kW不低于20m，20kW不低于25m；电压波动限制在5；氙灯安装时要注意参考说明书，使用时必须和相应的附件配套。,第六节 低压钠灯,1低压钠灯的结构 低压钠灯是由抽成真空的玻璃壳（内壁涂以氧化铟红外反射层）、放电管、电极和灯头构成，如图所示。把抗钠玻璃管制成的U形放电管放在圆桶形的外套管内，放电管内除放入钠以外，还充入氖氩混合气体以便于启动。为减少热损失、提高发光效率，外套管内部抽成真空，且在管内壁上涂上氧化铟之类的透明性红外反射层；在放电管内封入一对电极，电极是三螺旋结构，能储存大量的氧化物电子发射材料。低压钠灯的灯头采用插口灯头。,2低压钠灯的工作原理 低压钠灯是在低气压钠蒸气放电中，钠原子被激发而产生放电发光，放电时大部分辐射能量都集中在共振线上，钠的共振线波长为589nm和589.6nm。低压钠灯的启动电压高，目前大多数钠灯利用开路电压较高的漏磁式变压器直接启动，触发电压在400V以上，从启动到稳定需要810min。,3低压钠灯的特点 低压钠灯的光色呈现橙黄色，显色性差，但发光效率很高，可达150lm/W以上。低压钠灯的使用寿命较长，可达20005000h。低压钠灯的光电参数见下表。4.使用场所 由于低压钠灯显色性差，不宜作为室内照明光源；但它具有耗电省、发光效率高、穿透云雾能力强（黄光透雾性好）等优点，常用于隧道及道路等方面的照明。,第七节 场致发光,场致发光（又称电致发光）是指由于某种适当固体与电场相互作用而发光的现象。目前在照明上应用的有两种：一是场致发光屏（膜）（EL），另一是发光二极管（lighting emitting diode，LED）。,一、场致发光灯（屏）,场致发光灯是利用场致发光现象制成的发光灯（屏）。场致发光屏的厚度仅几十微米。场致发光灯的结构如图所示。,场致发光屏在电场强度（10V/cm）的作用下，自由电子被加速到具有很高的能量，从而激发发光层，使之发光。场致发光屏的发光效率为15lm/W，寿命长，而且耗电少。场致发光屏可以通过分割，做成各种图案与文字，因此场致发光灯可用在指示照明、广告、电脑显示屏、飞机、轮船仪表的夜间显示器（仪）。,二、发光二极管（LED灯）,发光二极管（LED灯）的发光原理：对二极管P-N结加正向电压时，N区的电子越过P-N结向P区注入，与P区的空穴复合，而将能量以光子形式放出。发光二极管结构如图。发光二极管体积小、重量轻、耗电省、寿命长、亮度高、响应快。通过组合，发光二极管常用于广告显示屏、计算机、数字化仪表的显示器件。,第八节 电光源的性能比较与选用,一、电光源性能比较 电光源的性能指标主要是发光效率、使用寿命和显色性。下表给出了常用电光源的性能指标。,在常用的电光源中，电压变化对电光源光通输出影响最大的是高压钠灯，其次是白炽灯和卤钨灯，影响最小的是荧光灯。维持气体放电灯正常工作而不致使之自行熄灭的供电电压波动最低允许值，荧光灯为160V，高强度气体放电灯为190V。气体放电灯受电源频率影响较大，频闪效应较为明显。而热辐射光源（白炽灯、卤钨灯）的发光体（灯丝）热惰性大，闪烁感觉不明显，所以在机械加工车间常常用白炽灯作局部重点照明，以减少频闪效应的影响。电光源能瞬时启动和再启动时间短的有白炽灯、卤钨灯和荧光灯。高压气体灯由于气压缓慢上升等因素影响，启动时间和再启动时间较长，如高压钠灯再启动时间为1015min。,二、电光源的选用,选用电光源首先要满足照明场所的使用要求，如照度、显色性、色温、启动和再启动时间等。尽量优先选择新型、节能型电光源，其次考虑环境条件要求，如光源安装位置、装饰和美化环境的灯光艺术效果等，最后综合考虑初投资与年运行费用。1按照明设施的目的和用途选择电光源 不同场所照明设施的目的和用途不同，对显色性要求较高的场所，应选用平均显色指数80的光源，如美术馆、商店、化学分析实验室、印染车间等常选用日光灯、金属卤化物灯等。,对照度要求较低时（一般200lx）宜采用高色温光源，如室外广告照明、城市夜景照明、体育馆等高照度照明常选用高压气体放电灯。,在下列工作场所可选用白炽灯：1）局部照明场所，如金属加工工作台的重点照明。2）无电磁波干扰的照明场所，如电子、无线电工作室。3）照度要求不高，且经常开关灯的照明场所，如地下室照明。4）应急照明。5）要求有温暖、华丽的艺术照明场所，如大厅、会客室、宴会厅、饭店、咖啡厅等。,由于高压钠灯的发光效率很高，光色偏黄色，在下列工作场所可选用高压钠灯：1）显色性要求不高的照明场所，如仓库、广场等照明。2）多尘、多雾的照明场所，例如码头、车站。3）城市道路照明。,2按环境要求选择电光源 环境条件常常限制了某些电光源的使用。在选择电光源时必须考虑环境条件是否许可该类型电光源，如低压钠灯的发光效率很高，但显色性较差，所以低压钠灯不适合要求显色性很高的场所。低温场所不宜选用电感镇流器的荧光灯和卤钨灯，以免启动困难。在空调房间内不宜选用发热量大的白炽灯、卤钨灯等，