常见电光源的工作原理

   自19世纪初电能开始用于照明后，电光源技术经历了几次有代表性的发展，人们相继制成了白炽灯、高压汞灯、低压汞灯、卤钨灯，近年来又制成了高压纳灯和金属卤化物灯等新型照明电光源，电光源的发光效率、寿命、显色性等性能指标不断得到提高。

1、 第一次电光源技术革命——白炽灯

　　以爱迪生为代表发明的白炽灯，经过几代科技人员120多年的努力，白炽灯的发光效率平均每年增长0.11lm/W，至今灯发光效率增加了10倍、寿命提高了500倍、价格下降了10倍，满足了人们对400~2000lm光通量的室内照明的需要。

（1）普通白炽灯

　　普通白炽灯（简称普通灯泡），一般内部安装有金属钨做的灯丝，内部被抽成真空或充入少量惰性气体，灯丝通电后，钨丝呈炽热状态并辐射发光。灯丝温度越高，辐射的可见光比例就越高，即灯将电通转换为可见光的效率就越高。随着白炽灯发光效率的增加，灯丝温度的升高，钨灯丝的蒸发速度也增加，从而使灯的寿命缩短。较大功率的白炽灯泡内充有约80kPa气压的惰性气体，可以在一定程度上抑制金属钨的蒸发，从而延长了白炽灯的使用寿命。普通白炽灯的典型发光效率为10lm/W，使用寿命为1000h左右。

（2）卤钨灯

　　1959年人们发明了卤钨循环原理的石英白炽灯，给普通白炽灯注入了新的活力，卤钨石英白炽灯具有体积小、灯发光效率维持率在95%以上，灯发光效率和使用寿命有了很大的提高。

　　“卤”字代表元素周期表中的卤族元素，如氟、氯、溴、碘这类元素。卤钨灯就是充有卤素的钨丝白炽灯，现在常用的卤钨灯有碘钨灯和溴钨灯。根据卤钨循环原理制造出的卤钨灯，给热辐射光源注入了新的活力。这类灯的体积小，光通量维持率高（可达95%以上），灯发光效率和使用寿命明显优于白炽灯，卤钨灯的外壳一般采用耐高温并且高强度的石英玻璃或硬质玻璃，灯内充有2~8个大气压的惰性气体及少量的卤素气体，从而可以进一步提高灯丝的工作温度。

　　普通白炽灯灯丝上的钨原子蒸发出去后，沉积在玻璃泡壳上，时间一长，灯丝越来越细，泡壳越变越黑。经过长期的努力，人们找到了卤族元素——氟、氯、溴、碘。比如碘，它在250℃以上的温度下和钨很亲近，会和钨结合在一起变为碘化钨分子；而在1500℃以上的高温下，碘化钨又分解成碘和钨原子。如果在白炽灯内充上碘，灯泡壁上温度超过250℃时，碘就会把泡壳上的钨化合成碘化钨蒸气，从泡壳上将钨拉走，向灯丝方向移动。在灯丝附近因为温度高了，碘化钨分解，把钨交还给灯丝，剩下的碘又移到温度较低的泡壳上去拉钨原子，这样，人们也就不必担心钨的蒸发了。消除了灯丝钨蒸发的问题后，就可以提高灯丝的工作温度了。灯丝工作温度提高，意味着通过灯丝的电流增加，也就增加了灯的功率，这样小小体积的碘钨灯就能比体积大很多的普通白炽灯更亮。卤钨灯与普通白炽灯相比，发光效率可提高到30%左右，高质量的卤钨灯寿命可以提高到普通白炽灯寿命的3倍左右。

　　由于卤钨循环（见图1），减少了灯泡玻璃壳的黑化，卤钨灯的光输出在整个寿命过程中基本可以维持不变。

　　正是由于卤钨灯的以上优势，使其用途日趋广泛。低压卤钨灯的工作电压一般为12V/24V，灯功率从10~50W不等，它们的主要特点是：色温为2900K，显色指数Ra为95~100，发光效率为16~20lm/W，使用寿命为3000h，因此更加适宜色彩丰富的高档商品照明。卤钨灯电光源的另一种改进措施是采用浸涂法、真空蒸镀法或化学蒸镀法，在石英泡壳上采用红外反射层技术制成的新型卤钨灯，让可见光透过，而将红外线反射回灯丝，使灯的发光效率提高30%~45%，寿命可达3000h。由于可以在灯反射面上交替真空蒸镀20层以上的高折射率物质，它可以将75%的红外线透射掉，这样出射光的温度大为降低，因而被广泛用于如超市食品冷光照明的应用场所。低压卤钨灯虽然有以上很多优点，但是由市电电压转换到低电压时需要用变压器，往往使用户在设计安装时感到不便。现在已生产出可以直接应用于电网电压为220V/110V的卤钨灯，体积最小可达φ14mm