03第三章《电光源》

1、概述 3.1 白炽发光和热辐射 3.2 气体放电 3.3 白炽灯和卤钨灯 3.4 荧光灯 3.5 高强度气体放电灯 3.6 场致发光 3.7 各种常用电光源的性能比较与选用 第三章 电光源 概述 一、定义一、定义 电光源：将电能转换成光学辐射能的器件。 二、分类：二、分类：按照工作原理分类 （1）热辐射光源：白炽灯、卤钨灯； （2）气体放电光源：荧光灯、高压钠灯、金属卤化 物灯等； 一、黑体辐射一、黑体辐射 （一）普朗克公式 （二）维恩(Wien)位移定律 （三）斯特藩玻尔兹曼(Stefan-Boltzmann) 定律 二、钨丝的辐射二、钨丝的辐射 3.1 白炽发光和热辐射 图 3-1 黑体辐

2、射曲线 光光谱谱辐辐射射出出射射度度/( (kW m-2 nm-1) ) . . 20 15 10 5 50010001500波长波长/nm 4500 4000 T(K) max 3500 3000 2500 2000 维恩位移定律维恩位移定律 图 3-2 同温度( (3000K) )下黑体和钨辐射的曲线 相相对对能能量量 波长波长/nm 0 2 4 6 8 10 黑体黑体( (每每1cm2) ) 钨钨( (每每2.27cm2) ) 钨钨( (每每1cm2) ) 50010001500200025003000 可见可见 光区光区 3.2 气体放电 在电场的作用下，载流子 在气体（或蒸气）中产生

3、 和运动，从而使电流通过 气体（或蒸气）媒质时所 发生的物理过程称为“气气 体放电体放电”。 图 3-3 气体放电灯的结构示意 G AC B 一、气体放电的全伏安特性一、气体放电的全伏安特性 通过改变电源电压 ，测量在不同放电电 流时的灯管电压 ，就可得到气体放电的 “全伏安特性曲线”。 b) ) 全全伏伏安安特特性性 非非自自持持放放电电自自持持放放电电 辉辉光光放放电电弧弧光光放放电电 a) ) 工工作作电电路路 图 3-4 气体放电灯 A R U0 U I A O B C D EF G H UZ 10-910-610-110I /A U / V 10-3 0 U U 二、辉光放电灯二、辉

4、光放电灯 辉光放电灯的光强、 电位等沿灯管轴向 的分布情况。 图 3-5 辉光放电时光强沿管轴的分布 12345 阴极阴极阳极阳极 光强光强 电位差电位差 1- -阴极暗区阴极暗区2- -负辉区负辉区3- -法拉第暗区法拉第暗区 4- -正柱区正柱区5- -阳极辉区阳极辉区 三、弧光放电灯三、弧光放电灯 （一） 低气压弧光放电灯 （二） 高气压弧光放电灯 四、气体放电灯的稳定工作四、气体放电灯的稳定工作 图 3-6 放电灯与电阻串联时的伏安特性 I U2 U3 U1 U I2I1I3 b a c 0 3.3 白炽灯和卤钨灯 一、白炽灯一、白炽灯 （一）结构 图3-7 白炽灯结构图 图3-8 各

5、种白炽灯的外形 （二）白炽灯的类别 1、规格：一般可以分为真空灯泡和充气灯泡 2、型号意义： 譬如，普通照明灯泡的型号为“PZ220-100”。 其中，P“普(pu)”的第一个字母；Z“照 (zhao)”的第一个字母；220灯泡的额定电 压(V)；100灯泡额定功率(W)。 （三）光电参数 （1）额定电压 （2）功率 （3）额定光通量 （4）发光效率 （5）寿命 （6）光谱能量分布 （7）色温 （8）显色指数 N E N U N P c T a R 光光 通通 光光 效效 寿寿 命命 功功 率率 电电 流流 图 3-10 白 炽 灯 光 电 参 数 与 电 源 电 压 的 关 系 额额 定定

6、电电 压压 百百 分分 比比 100102104106108 100 140 180 220 60 20 989694 100 110 120 130 90 80 寿寿命命( (%) ) 电电流流、 功功率率、 光光效效、 光光通通( (%) ) （四）特点 便于控光 适于频繁开关 辐射光谱连续 显色性好 价格便宜 缺点：光效较低 二、卤钨灯二、卤钨灯 定义：填充气体内含有部分卤族元素或卤化物 的充气白炽灯 （一）卤钨循环的原理 白炽灯丝蒸发出来的钨，其中部分朝着泡壳壁 方向扩散。在灯丝与泡壳之间的一定范围内， 其温度条件有利于钨和卤素结合，生成的卤化 钨分子又会扩散到灯丝上重新分解，使钨又送

7、 回到了灯丝。 反应形式：)()(靠近灯泡靠近灯丝AWXnnXW 钼箔处最高温度为钼箔处最高温度为350 图 3-11 卤钨循环的简化机理 灯丝支架灯丝支架 钨丝钨丝 焊泥焊泥 区区域域1区区域域2区区域域3 灯管壁最低温度为灯管壁最低温度为250C C WI2+A+I2 WI2+AW+2I+A W+2I+A （二）卤素的选择 （1）碘钨灯：维持碘再生循环的温度适合许 多使用灯泡的设计 （2）溴钨灯：能在室温下以气体的形式填充 入泡壳内，简化了生产过程 （三）结构与技术参数 图3-12 卤钨灯外形 （四）特点 提高灯的使用寿命 比一般白炽灯的紫外辐射多 （五）应用 一般照明用 投光照明用 其他

8、 （六）注意事项 要避免出现冷端 管壁温度高，不能与易燃物接近；引线 应采用耐高温导线 避免震动和撞击，不宜作移动式局部照 明 3.4 荧光灯 荧光灯：荧光灯： 为了把放电过程中产生的紫外线辐射转 化为可见光，低压汞蒸气弧放电灯在它 的玻璃管内壁上涂有荧光材料. 特点特点：高效能，良好的光输出，光输出 的持久性，颜色的多样性，较长的使用 寿命 一、结构与材料一、结构与材料 图 3-13 荧光灯的结构 两两引引线线的的灯灯帽帽引引线线汞汞阴阴极极 芯芯柱柱氩氩和和汞汞蒸蒸气气电电极极屏屏罩罩荧荧光光粉粉涂涂层层 二、工作电路二、工作电路 （一）开关型启动电路(预热式) 荧光灯最常用的工作电路是开

9、关启动电路， 如图3-14a所示 图 3-14 荧光灯的启动电路 b) ) 快快速速启启动动 c) ) 瞬瞬时时启启动动a) ) 预预热热启启动动 S LN Un Un Un N NL L （二）变压器型启动电路 （1）快速启动(预热式) 荧光灯的快速启动工作电路，如图3-14b 所示。 （2）瞬时启动(冷阴极式) 典型的电路，如图3-14c所示。 三、工作特性三、工作特性 （一）电源电压变化的影响 电压增高灯管电流变大电极过热灯管发 黑、寿命缩短 电压偏低工作电流小加剧阴极发射物质的 溅射寿命缩短 图3-15 荧光灯光电参数随电压的变化 （二）光色： 可利用改变荧光粉的成分来得到不同的光 色

10、、色温和显色指数。 荧光粉： （1）卤磷酸盐荧光粉， （2）三基色稀土银光粉， （3）多光谱带荧光粉 （三）环境温、湿度的影响 最佳工作环境：温度-2035，相对湿 度60% 图3-16 典型荧光灯的光输出随温度的变化 （四）控制电路的影响 启辉器预热电路中，灯的寿命取决于开 关次数 高频电子镇流器点灯点灯电路中，频繁 开关不影响灯管寿命 （五）寿命： 发射物质，开关次数 （六）流明维持（光通量衰减）： 灯管在寿命期间光输出随点燃时间变化 的情况 因素：荧光粉材料的损伤，钠含量，污 染物质的沉积 （七）闪烁与频闪效应 （八）高频工作特性 图3-18 荧光灯的高频工作特性曲线 四、电子镇流器四、

11、电子镇流器 一种电源转换器，将输入的恶电源进行 频率和幅度的改变，给灯管提供符合要 求的能源，同时还具有灯的启动和输入 功率的控制等作用。 图 3-19 电子镇流器的组成框图 电电 源源 或或 滤滤波波器器 交交流流直直流流 整整流流器器 直直流流交交流流 逆逆变变器器 灯 管 EMI电电磁磁干干扰扰RFI射射频频干干扰扰 EMIRFI50/60 Hz 五、荧光灯的种类五、荧光灯的种类 （一）按功率： 标准型、高功率型、超高功率型 （二）按工作电源频率： 工频灯管、高频灯管、直流灯管 （三）按形状和结构： 直管型、高光通量单端型、紧凑型 （四）按启动线路方式： 预热型、快速启动型、冷阴极瞬时启

12、动型 （五）特种荧光灯： 平板（平面）荧光灯、高频无极感应灯 3.5 高强度气体放电灯（HID） “高强度气体放电灯(HID-High Intensity Discharge)”是高压汞灯、金属卤化物灯和高 压钠灯的统称，是高压弧光放电灯。 荧光高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯。 一、HID灯的结构 （一）荧光高压汞灯 （二）金属卤化物灯 （三）高压钠灯。 图3-21 HID灯的结构 二、二、HIDHID灯的工作特性灯的工作特性 （一）灯的启动与再启动 启动时间：410min 再启动时间：510min （二）电源电压变化的影响 灯在点燃过程中，电源电压允许有一定的变化范围 （三）寿命与光通量维

13、持 （四）灯的点燃位置 图3-23 HID灯各参数与电源电压的关系 三、三、HIDHID灯的工作线路灯的工作线路 图 3-25 HID灯的工作线路 a) ) H HI ID D灯灯通通用用线线路路b) ) 金金属属卤卤化化物物灯灯的的外外触触发发电电路路c) ) 高高压压钠钠灯灯的的外外触触发发电电路路 900V峰峰值值 控控制制极极 控控制制极极 灯灯灯灯 灯灯C L Un UnUn C C1 C C1 DTR L a b c TRD L 34kV峰峰值值 图 3 - 2 5 H I D 灯 的 工 作 线 路 a ) ) H H I I D D 灯灯 通通 用用 线线 路路b ) ) 金金

14、 属属 卤卤 化化 物物 灯灯 的的 外外 触触 发发 电电 路路c ) ) 高高 压压 钠钠 灯灯 的的 外外 触触 发发 电电 路路 9 0 0 V 峰峰 值值 控控 制制 极极 控控 制制 极极 灯灯灯灯 灯灯C L U n U n U n C C 1 C C 1 D T R L abc T RD L 3 4 k V 峰峰 值值 图3-25 HID灯的工作电路 四、四、HIDHID灯常用产品及应用灯常用产品及应用 （一）荧光高压汞灯 （二）金属卤化物灯： 钠铊铟金属卤化物灯 、稀土金属卤化物灯 、 短弧金属卤化物灯 、单色性金属卤化物灯 （三）高压钠灯： 普通型高压钠灯 、直接替代荧光高

15、压汞灯的高压 钠灯 、舒适型高压钠灯(SON Comfort型) 、高光 效型的高压钠灯(SONplus型)、高显色性高压钠 灯(White SON型) 3.6 场致发光 场致发光（电致发光）场致发光（电致发光）：由于某种适当物质与电场 相互作用而发光的现象。 发光二极管发光二极管：一种将电能直接转化为光能的固体元 件，可作为有效的辐射光源 特点特点：体积小，寿命长，可靠性高，便于控制 一、一、LEDLED的原理和结构的原理和结构 （一）单色LED：由发光片来产生光，其材料的 分子结构决定了发光的波长（光的颜色） （二）白色LED：先产生蓝光，再借助于荧光物 质间接产生宽带光谱来合成白光。 （

16、1）光转换型 （2）多色直接组合型 （3）多量子阱型 二、二、LEDLED的性能的性能 表3-2 白色LED与白炽灯的性能比较 性性 能能发光二极管发光二极管白炽灯白炽灯 色温/K30001000025003000 光效/(lm/W)1515 冲击电流无额定电流的10倍 寿命/h200001000 耐冲击性很强 封接玻璃、灯丝易断 裂 可靠性非常高低 三、三、LEDLED的常用产品及其应用的常用产品及其应用 常用产品 （1）单个LED发光器 （2）LED组合模块 （3）LED灯具 应用 （1）各类仪器指示灯 （2）交通信号灯 （3）城市景观照明 四、有机发光二极管四、有机发光二极管 （Organic Light Emitting Diode即OLED） OLED除了具有省电、超薄、重量轻、响应速度快、 易于安装等特点外，还具有制备工艺简单、发光 颜色可在可见光区内任意调节、易于大面积和柔 韧弯曲、不存在视角问题