孙俊青: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×h54mm，灯丝稳定性和抗震性都很优良，灯泡壳有透明和磨砂两种，内含保险丝，符合IECA32-2标准，灯头易于连接，使用与白炽灯一样。这类涂有红外反射膜的新型高压卤钨灯的结构逐步小型化，寿命和发光效率都比白炽灯有较大提高，从而极大地扩展了热辐射电光源的应用范围。



卤钨灯主要用于强光照明，例如，用于公共建筑、交通、拍摄电影和电视节目制作等场合。此外，有一类碘钨灯工作温度稍低，能发出大量红外线，可以作干燥器、烘箱的热源。还有一类碘钨灯可以用在灯光球场、体育场、游泳池等场合，既光亮又色彩逼真。

热辐射电光源特别是卤素电光源与气体放电光源相比也具有很多优势：体积小、价格便宜、不需要启动器和镇流器等附件，启动特性好、高显色性、产品自身不含汞等。它的高显色性和启动特性，特别是低温启动特性，是气体放电电光源不可比拟的。

但是白炽灯的发光效率低、使用寿命短，这是它逐步被荧光灯所取代的主要原因。但由于气体放电电光源  

由于汞具有激发电位低，在室温下饱和蒸气压低而在高温下饱和蒸气压高等特点，所以一般放电灯中都充有金属汞。在荧光灯中，汞的蒸气压很低，约为1Pa左右，这说明汞的实际需要量是很少的，实际上金属汞的含量和灯管内气压的高、低与灯管的启动电压等因素有关（图2）。对图2可以给出气体碰撞电离的如下解释：当灯管内的压力很高时，气体原子之间的平均距离很小，以至于在气体带负电离子和带正电离子被加速到足以电离一个中性气体原子之前，由于和其他原子的碰撞偏转而被减速，随着管内气压的减小，气体正、负离子之间的平均距离增加，因而在它们被碰撞减速之前可以运行的距离增加，气体正、负离子得到较大的加速，使这些气体正、负离子有较大的能量参与气体原子的碰撞，产生足够的气体电离，从而产生气体放电现象。

3、  第三次电光源技术革命——高强度气体放电电光源

高强度放电灯（HID：High Intensity Discharge Lamp）通常指汞灯(Mercury Vapor Lamp)、高压钠灯(High Pressure Sodium Lamp)、金属卤化物灯(Metal Halide Lamp)等。它们的发光效率都远比白炽灯高，按白炽灯、汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯发光效率的上限值排序分别为：25lm/W、60lm/W、120lm/W、140lm/W，高强度气体放电灯（HID）的工作气体压强一般超过10个大气压。

由于高强度气体放电灯的发光效率较高、功率大、寿命长（可达以10000h左右），高强度气体放电灯（HID）在大面积照明和室外照明等场合有着很好的应用。目前，高压汞灯的发光效率可达50lm/W，显色指数Ra超过65，色温为4000~6000K，寿命也达到了10000h，功率范围为35~3500W，并形成产品的系列化。

20世纪30年代初与低压钠灯同时出现的高压汞灯，发出的是蓝紫光颜色，缺少红光波长，灯的发光效率比白炽灯高出2.5倍，约32lm/W。高压汞灯是高强度放电灯中使用最早的，它可以分为两大类：标准型高压汞灯和自镇流型高压汞灯，根据外泡壳是否涂粉以及迷途知返粉种类不同又派生出许多新的类别。由于高压汞灯的光色差，这种灯除了用于道路照明之外，还推广到工厂、码头、车站、广场等照明场合应用。到了20世纪50年代，高压汞灯的电弧管由玻璃改为石英，提高了汞蒸气的压力和灯的功率。同时使电弧管发出365.0nm的紫外线去激发涂在外泡壳内壁的荧光粉，增加红色光谱以改善高压汞灯的光色，灯的发光效率达到50lm/W，显色指数40以上，寿命超过10000h。由于汞灯光色中蓝光较重，已逐渐被光色质量好、发光效率更高的高压钠灯和金属卤化物灯取代。通过实验发现，在高压汞灯的电弧管内填充金属卤化物，碘化物分子进入高温电弧管内将分解为金属原子和碘，金属原子被电离并激发，会发出有特径的光谱线，当金属原子扩散返回管壁时，在靠近管壁的较冷区域与碘原子相遇，重新结合成碘化物分子。20世纪60年代初根据这一原理，美国首先制成了第一个金属卤化物灯——“钪钠灯”之后，荷兰、英国、德国和日本相继开发出钠铊铟体系、镝铊体系及氯化锡分子体系。金属卤化物灯的基本特性已被认识，发光效率比高压汞灯提高40%以上，显色指数Ra超过65，色温4000~6000K，寿命也达到10000h，光的性能指标超过高压汞灯。金属卤化物灯开始推广时发现在寿命期间，出现颜色的分层和电弧的漂移。到了20世纪70年代，在不断改进和提高后，这些问题都得到了解决，使金属卤化物灯显示出高发光效率、高功率、高显色性、高色温、体积小、长寿命的特点，在室内外照明中占有重要的地位。特别对体育场馆、机场、广场和大规模的施工现场和高大建筑的泛光照明，电影外景的拍摄，灯光捕鱼等均具有极大的优势。

有50多种金属卤化物满足相关要求。如果从其中选择几种进行组合，可以制成成千上万种金卤灯。但是，实际的灯并不是这样任意组合，而是根据所要求的灯的光谱特性，进行适当的选择。

而陶瓷金属卤化物灯由于采用陶瓷材料作内管壁避免了灯内金属材料的损失，并且电弧管尺寸可以控制得非常精确，所以具有光电性能一致性好，允许更高电弧温度，可以使灯的发光效率较普通金属卤化物灯提高10%~20%，光色和工作稳定性更好，发光体积小，亮度高，适用作投影电光源的特点。

因此HID灯一般指高压钠灯和金属卤化物灯。高压钠灯是20世纪60年代与金属卤化物灯同步发展起来的一种高强度气体放电灯，该灯是在低压钠灯的基础上发展起来的。当时实验发现，增强钠的蒸气压力，D线会明显加宽，产生自吸收，可以改善钠灯的光色。1962年美国首先解决了钠在高温、高压时的抗腐蚀、半透明多晶氧化铝管材料，又突破了封接工艺，制成第一支高压钠灯，高压钠灯的发光效率为90lm/W，显色指数Ra为25，寿命为5000h，发出的光是金黄色，节能效果很好，很快在道路、港口、车站、工厂、桥梁、广场等照明场合应用。经过数十年的应用，高压钠灯的性能也在不断得到改进和提高，现在高压钠灯的发光效率为120lm/W，寿命达到24000h，品种系列化（30~1000W），同时还开发出高显色性的高压钠灯，显色指数Ra在80左右，发光效率为80lm/W，寿