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第7章 绪论(6)

寿命

在荧光灯的寿命期内,光通量逐渐下降。点燃8000h后,灯的光通量下降到初始值的70%左右。光通量下降的主要原因是荧光粉的效率逐渐降低;光通量降低的另一个原因是由于电子发射材料的沉积,使灯管管壁(尤其是灯管两端)发黑,影响了光输出。

调光

现在荧光灯的调光器可采用可控硅调光器,也可采用变频型的高频电子调光器。采用可控硅调光器,各种型式的荧光灯的电流都可调节到正常值的50%,因而光输出大致上也就下降50%,对室内照明而言,光输出不应调得更低。当电流小于正常灯电流的50%时,放电提供的能量不足以使电极维持在合适的温度,无法产生要求的电子发射。因而,必须采用单独的变压器对灯丝提供独立的加热电流,工作于此模式下的灯,光输出可以调节到几乎为0。

(3)主要类型

荧光灯按其阴极工作类型可分为热阴极和冷阴极两类。绝大多数普通照明荧光灯是热阴极型;冷阴极型荧光灯大多为装饰照明用,如霓虹灯、液晶背光显示等。

荧光灯按其外形可分为双端荧光灯和单端荧光灯。双端荧光灯绝大多数是直管形,两端各有一个灯头。单端荧光灯外形众多,如H形、U形、双U形、环形、球形、螺旋形等,灯头均在一端。

根据灯管的直径不同,预热式直管荧光灯有准38mm(T12)、准26mm(T8)、准16mm(T5)等几种,其中T12直管荧光灯已逐渐被淘汰。T12灯、T8灯可配电感式或高频电子镇流器;T5灯采用电子镇流器。

(4)应用

荧光灯是应用最广泛、用量最大的气体放电光源。发光效率高,一般可达45lm/W,有的可达70lm/W以上,是白炽灯的4~5倍。寿命是白炽灯的3~8倍,是高效节能光源。

在1940年前后,荧光灯最初用于普通照明并迅速普及,到1970年,荧光灯管已成为最主要的人造光源。目前,荧光灯正在全世界广泛使用,尤其在工业和商业照明领域,其他照明方式几乎都被排除在外。其高效能、良好的光输出、光输出的持久性、颜色的多样性以及较长的使用寿命,使之成为上述照明领域中的理想选择。

带有镇流器和标准灯头并使之成为一体的荧光灯称为自镇流荧光灯。自镇流荧光灯集白炽灯和荧光灯的优点,具有光效高、寿命长、显色性好、使用方便等特点,它与各种类型的灯具配套,可制成台灯、壁灯、吊灯、装饰灯等,适用于家庭、宾馆等照明。

2)荧光高压汞灯

荧光高压汞灯是高强气体放电灯中结构简单、寿命较长的产品。但高压汞灯光效低,特别是自镇流高压汞灯光效更低,已属限制使用的产品。高压汞灯分为透明外壳高压汞灯、荧光高压汞灯、反射型高压汞灯、自镇流荧光高压汞灯。

荧光高压汞灯是玻壳内表面涂有荧光粉的高压汞蒸气放电灯,它的特点是寿命长、耐振性较好,但显色指数低。

自镇流荧光高压汞灯是利用汞放电管、钨丝和荧光质三种发光要素同时发光的一种复合光源。钨丝兼作镇流器,因此不需要外接镇流器,可以像普通灯泡那样直接接入灯座使用,非常方便。但该灯光效低,耗电较多,寿命因灯丝而缩短,一般不再使用。

3)金属卤化物灯

金属卤化物灯是在高压汞灯和卤钨灯工作原理基础上发展起来的新型高效光源,其基本原理是将多种金属以卤化物的方式加入到高压汞灯的电弧管中,使这些金属原子像汞一样电离、发光。汞弧放电决定了它的电性能和热损耗,而充入灯管内的低气压金属卤化物决定了灯的发光性能。充入不同的金属卤化物,可以制成不同特性的光源。

金属卤化物光效高、寿命长、显色性好,而且可以根据不同需要设计制造出所需的光色。

(1)分类

金属卤化物灯按照填充的金属卤化物及发光特性不同分成四类:

充钠、铊、铟等的金属卤化物灯,光效约为70~80lm/W,色温3800~4200K,显色指数70~75,灯的寿命可达数千小时,常用于一般照明。

充入钪、钠等的金属卤化物灯,光效高,约为90~100lm/W,显色指数60~70,色温范围3600~4200K。但此类灯需配用LC顶峰超前式镇流器(CWA型),常用做室内或道路、商场照明。

充入镝、钬、铥等的金属卤化物灯,光效约为70~80lm/W,显色指数80~95,色温3800~5600K。但灯的寿命较短,可用于电视台、体育场、礼堂等对光色要求很高的大面积照明场所。

利用锡、铝分子发光的金属卤化物灯,显色性好,显色指数在90以上,但光效较低,约为50~60lm/W,光效一致性差,灯的启动也较困难。

金属卤化物灯还可以分为带外玻壳的金属卤化物灯、不带外玻壳的管形金属卤化物灯、陶瓷电弧管金属卤化物灯、球形中短弧金属卤化物灯。带外玻壳的金属卤化物灯结构与高压汞灯相似,一些小功率的金属卤化物灯外形尺寸与高压汞灯相同;管形金属卤化物灯结构简单、体积小,不仅可以使灯具的体积缩小,灯具的效率也高,而且成本低、使用方便;由于透明或半透明陶瓷管能耐高温,化学性能极稳定,因而制成的光源光效更高,显色性更好,光色稳定,寿命更长,其功率范围为20~400W,广泛应用于室内照明;球形金属卤化物灯光效高、光色好、外形尺寸小,便于提高灯具的效率,该类灯主要用于电影、电视摄影中。

(2)工作电路

与其他气体放电灯一样,金属卤化物灯也需要采用镇流器。一般说来,金属卤化物灯并不需要特殊设计的镇流器,对钠、铊、铟灯,可以采用高压汞灯的镇流器。而很多稀土金属卤化物灯和卤化锡灯能在高压钠灯镇流器上工作得很好,钪、钠灯需要采用恒功率的镇流器。

电感镇流器的开路电压不足以启动金属卤化物灯,所以需要外加启动器。只有钪、钠灯和少数小功率的钠、铊、铟灯采用辅助电极的方法来帮助启动。

当灯熄灭后,由于灯内气压太高,在原来启动电压的作用下不能立即再启动,要在5~20min后才能再启动,具体时间视灯的冷却速度而定。在某些应用场合,希望灯在熄灭后能立即再启动,这时,需要采用能产生30~60kV高压的启动器。

(3)外界条件对灯的影响

与高压汞灯相比,金属卤化物灯对电源电压的波动更为敏感。电源电压在额定值上下变化大于10%时,就会造成灯颜色的变化,尤其对钠、铊、铟灯和钪、钠灯,电源电压太高还会缩短灯的寿命。

4)高压钠灯与低压钠灯

(1)高压钠灯

高压钠灯是一种高压钠蒸气放电灯,其放电管采用抗钠腐蚀的半透明多晶氧化铝陶瓷制成,工作时发出金白色光。它具有发光效率高(光效可达120lm/W)、寿命长、透雾性能好等优点。广泛用于道路、机场、码头、车站、广场及工矿企业照明,是一种理想的节能光源,缺点是显色指数低。

中显色高压钠灯和高显色高压钠灯是在普通高压钠灯基础上,适当提高电弧管内的钠蒸气气压,从而提高高压钠灯的色温,改善灯的显色性。中显色性高压钠灯相关色温为2200K,平均显色指数提高到60;高显色高压钠灯相关色温为2500K,平均显色指数提高到85。但与标准型高压钠灯相比,它们的光效明显降低。高压钠灯适用于高大厂房、商业区、游泳池、体育馆、娱乐场所等处的室内照明。

(2)低压钠灯

低压钠灯是电光源中光效最高的品种,光效可达140~180lm/W,光色柔和,眩光小,透雾能力极强,适用于公路、隧道、港口、货场和矿区等场所的照明,也可作为特技摄影和光学仪器的光源。但低压钠灯辐射近乎单色黄光,分辨颜色的能力差,不宜用于繁华的市区街道和室内照明。

1.2.4其他光源

1)发光二极管(LED)

LED是一种半导体发光二极管,利用固体半导体芯片作为发光材料,当两端加上正向电压,半导体中的载流子发生复合发出过剩的能量,从而引起光子发射产生可见光。目前大功率LED发光效率可达30lm/W,辐射颜色为多元化色彩,寿命达到数万小时。

LED发光的颜色由组成半导体的材料决定。磷化铝、磷化镓、磷化铟的合金可以做成红色、橙色、黄色;氮化镓和氮化铟的合金可以做成绿色、蓝色和白色。

与目前常用的光源相比,LED的光输出相对比较低,因此需要采用阵列或其他结构来组成照明灯。

LED作为一种新颖的半导体光源,其特点主要表现在以下几个方面。

(1)寿命长

LED的使用寿命可以长达10万h,传统的光源在这方面无法与之相比。因此,在一些维护和换灯困难的场合使用LED作为光源,可大大降低人工费用。

(2)启动时间短

气体放电光源从启动至光辐射稳定输出,需要几十秒至几十分钟的时间,这是由气体放电光源本身的特性决定的,因为多数气体放电灯的工作物质在常温下是液体或固体,启动后需要一个加热气化的过程,才能达到稳定的工作状态。白炽灯是热辐射光源,其启动后放电有零点几秒的上升时间。而LED的响应时间只有几十纳秒,因此在一些需要快速响应或高速运动的场合,应用LED作为光源是很合适的。

(3)结构牢固

LED是用环氧树脂封装的半导体发光的固体光源,其结构中不包含玻璃、灯丝等易损坏的部件,是一种实心的全固休结构,因此能够经受得住震动、冲击而不致引起损坏。LED的这一特性使它可以应用于使用条件较为苛刻和恶劣的场合。

(4)发光体接近点光源

LED的发光体芯片尺寸很小,在进行灯具设计时基本上可以把它看做点光源,这样能给灯具设计带来许多方便。

(5)可以做成薄型灯具

LED发光的方向性很强,很多情况下只需用透镜将其发出的光线进行准直、偏折,而不需要使用反射器,这样设计的灯具厚度较小,可以做成薄型美观的灯具,尤其适合于没有太多灯具安装空间的场合应用。

LED为低压供电,具有附件简单、结构紧凑、可控性好、色彩丰富纯正、高亮度、防潮和防震性能好、节能环保等优点,因而有着十分广阔的应用前景,不仅可以用做指示灯、显示光源和信号光源,而且可以组合起来,取代白炽灯等用于一般照明。现在,大家认为LED是继白炽灯、荧光灯和高压气体放电灯(HID)光源之后的第4代光源。在21世纪的照明中占有举足轻重的地位。

2)光纤照明

光纤照明是近年新发展起来的一门新照明技术。它是采用光导纤维(简称光纤),利用全反射原理,通过光纤把光传送到需要的部位进行照明的一种新的照明方式。

光纤照明具有其他方式不可替代的优势:一是装饰性强,通过光纤输出的光,不仅明暗可调,而且颜色可变,是动态夜景照明相当理想的方法;二是安全,光纤本身只导光不导电,不怕水,不易破损,而且体积小,柔软可弯曲,是一种十分安全的变色发光塑料条,可以安全地用在高温、低温、高湿、水下、露天等场所,在博物馆照明中,可以免除光线中的红外线和紫外线对展品的损伤,在具有火险、爆炸性气体和蒸汽的场所,它也是一种安全的照明方式。

作为照明用的电光源,其主要性能指标有:光效、寿命、色温、显色指数、启动和再启动时间等。这些性能指标之间,有时是相互矛盾的。在实际选用时,一般应先考虑光效高、寿命长,其次再考虑显色指数、启动性能等。在同一场所,当采用一种光源的光色较差时(显色指数低于50),一般均考虑采用两种或多种光源混光照明的办法。

1.3照明灯具

灯具与电光源的组合称为照明器。灯具能重新分配光源发出的光通量、限制光源的眩光作用、减少和防止光源的污染、保护光源免遭机械破坏、安装和固定光源、与光源配合起一定的装饰作用。

1.3.1照明器的配光特性

各种灯具分配光通量的特性可以由各种灯具的配光曲线来表示。

灯具的配光曲线是表示灯具的发光强度在空间的分布状况,所以又称光强分布曲线。

大部分灯具的形状是它的轴线旋转体,所以它们的发光强度在空间分布也是与轴线对称的。

因此,只需通过灯具轴线的一个截面上的配光曲线,就能说明该灯具发光强度在空间分布的状况,这种配光称为对称配光。也有一些灯具的形状是不对称的,则需通过灯具轴线的几个截面上的配光曲线才能说明该灯具的发光强度在空间的分布状况,这种配光称为非对称配光。

配光曲线上的每一点表示灯具在该方向上的发光强度。为便于比较,配光曲线都是假定光源的光通量为1000lm来绘制的。实际光源发出的光通量不是1000lm时,在配光曲线上查出的发光强度应加以修正,即乘以实际光源发出的光通量与1000之比。

1.3.2照明器的亮度分布和保护角

1)照明器的亮度分布

根据亮度的定义,有:

Lθ=Iθ/Acosθ(1.34)

式中:Iθ——由配光特性求得;Acosθ——发光面在与观察方向相垂直的平面上的投影面积。

常用灯具的亮度分布如下。

球形照明器:

Acosθ=πr2(1.35)

式中:r——球或圆形灯罩的半径(m)。

下方敞口灯罩(圆形):

Acosθ=πr2cosθ(1.36)

下方敞口灯罩(方形):

Acosθ=abcosθ(1.37)

式中:a、b——分别为长方形灯罩敞口的边长。