电光源的特性分析

1、实验 7 电光源的特性分析实验的目的1、了解电光源的发展过程。2、了解与测试常用电光源的特性。实验背景凡是可以将其他形式的能量转换成光能（即一定波长范围内的电磁波，包括可见光、紫外、红外与X射线等不可见光） 的设备称为光源，而其中将电能转换为光能的设备称为电光源。电光源最主要的性能指标有：（1）光通量光通量是指人眼所能感觉到的辐射能量，它表征着光源的发光能力，它与辐射能对应的波长及光源工作时间有关，额定光通量指光源在额定电压，额定功率条件下工作，正常发出的光通量。（2）发光效率光源的光通量输出与它取用的电功率之比，简称光效，光效越高，光源越好。（3）寿命（4）额定功率 灯箱设计的功率值常用的电

2、光源为：（1）热致发光电光源（白炽灯，卤钨灯等）（2）气体放电发光电光源（荧光灯、汞灯、钠灯、氙灯等）（3）固体发光电光源（如LED一发光二极管）下面，将对各类电光源的构造，性能作一个简单的介绍。（一）热致发光电光源以热辐射作为光辐射的电光源，包括白炽灯和卤钨灯，它们都是以灯丝为辐射体，通电后把灯丝加热到白炽状态使之发光。电灯外壳用玻璃制成，并将壳内抽成真空，防止灯丝在高温下迅速氧化。真正使电灯大放光明的是美国发明家爱迪生。他总结前人造电灯的经验后，做了两方面的工作。一是改进抽空设备，使灯泡有高真空度；二是分类试验了1600多种耐热材料。其中白金丝性能最好，但价格太贵。1879年，爱迪生最后决

3、定用炭丝来作灯丝，电灯竟然连续工作了45个小时，这年新年，爱迪生电灯公司所在地洛帕克街灯火通明。接着他又试验了6000多种植物纤维，最后又选用了竹丝，加工后制成了炭化竹丝，电灯连续工作时间达到了1200小时。电灯的发明，曾使得煤气股票3天内急跌了12%。1906年，通用电器发明了用钨丝作灯丝的方法，使得成本急剧下跌，钨丝灯泡一直使用至今。电灯泡的最大问题是灯丝的蒸发。因为钨丝上细微的电阻差会造成温度差，在电阻较大的地方，温度升高较快，钨丝也就蒸发较快。如此恶性循环，最终会令钨丝烧断。后来发现可以在壳内注入惰性气体以减缓钨丝的蒸发。卤素灯泡是在灯泡内注入碘或溴等卤素气体。在高温下，蒸发的钨丝与卤

4、素进行化学作用，蒸发的钨会重新凝固在钨丝上，形成平衡的循环，所以钨丝不会很快变细，灯管也不会发黑。故卤钨灯具有寿命长，光效高的特点。卤素灯泡也比一般白炽灯更耐高温，不过在这温度下，普通玻璃可能会软化，所以卤素灯泡需要采用溶点更高的石英玻璃，而石英玻璃不能阻隔紫外线，故卤素灯泡通常都要另外使用紫外线滤镜。白炽灯与卤素灯都是依靠电流通过灯内的钨丝产生热效应而发光的，钨丝是金属导体，在电路中显纯电阻性，不影响供电源的交流参数，对电源设备不构成影响。一般白炽灯只能将消耗能量的60%以下转化为光能，而卤素灯泡的光效为其一倍。一个60W的卤素灯泡，其亮度可等同一个100W的普通灯泡。但卤素灯泡体积小，运作

5、温度高，家居应用时应小心防止火灾。现代普通白炽灯寿命约1000小时，而卤素灯泡的寿命约2000小时，且光通量稳定。目前普通白炽灯国内已有由220V 15W到220V 1000W不同规格的系列产品，卤钨灯常做成管状，功率为300W到1000W。普通白炽灯具有开灯即亮，可连续调光，结构简单价格低廉的特点，但寿命短，光效低。一般用于居室、客厅、商店、庭院。卤素灯光效寿命较普通白炽灯高一倍，且体积小，一般用于会议室，展示厅，商业照明，影视舞台，仪器仪表，汽车及飞机等。目前这类光源需求量仍然很大，仍是一种重要的照明光源。（二）气体放电发光电光源白炽灯泡中是有钨丝的，其电阻大又耐高温，故灯泡工作时，既发热

6、也发光，所以光效较低。气体放电光源是没有灯丝的，故光效非常高。一般气体到220V电压下是不导电的，我们不会因为靠近墙上的电源插座而触电。但借助于尖端放电产生强电场的方式或直接使用强电场，气体会产生电离而放电（发光），气体放电通常在被抽成真空的气体放电管内进行，如日光灯管。气体放电光源需要在气体放电管两端加上高电压，气体分子才能被激活，所以它们不能简单接在220V电源上，还需要一些其它装置（如镇流器），这个装置作用如下：（1）加热灯管两端的金属丝，激发出电子。（2）在灯管两端加瞬时高电压以加速电子，电离气体，灯管的电阻急剧变小，电流增大。（3）降低两端的电压，维持稳定的电流。氙灯（HID）是在抗

7、紫外线水晶石英玻璃管内，以多种化学气体充填，其中大部分为氙气与碘化物等惰性气体，再通过增压器将低压（12V，直流）瞬间增压至高压，使管内氙气电子游离，在两电极间产生光源。由氙气所产生的白色超强电弧光，亮度为传统卤素灯泡的三倍，而工作电流仅为3.5A，使用寿命比传统卤素灯泡长10倍，它是目前世界上最亮的光源。氙灯还有一个特点，当出现故障时，它是逐渐变暗，而不是突然不亮，这可以使驾驶者有调整时间，故汽车前照灯常常使用它。一只35W的氙灯产生的亮度为一只55W卤素灯的3倍，它不但光效高，而且电力损耗比卤素灯节约近40%。由于氙灯的特性，它最常常应用于光电材料测试，光谱分析，医疗器械等。本实验采用的氙

8、灯为低压气体放电型，亮度与卤素灯相当，但寿命与节能指标优于卤素灯，且光线为白色、柔和。日光灯（荧光灯），低气压放电灯，日光灯两端各有一灯丝，灯管内充有微量的氙和稀薄的汞蒸气，灯管内壁上涂有荧光粉，两个灯丝之间的气体导电时发出紫外线，使荧光粉发出柔和的可见光。灯管开始点燃时需要一个高电压，这由启辉器提供，再通过镇流器的作用，使日光灯管两端电压下降至100V左右，这时日光灯就能连续稳定工作了。它的光效为白炽灯8倍左右，寿命15005000小时，功率从6W至40W，最高可达120W，是一种很好的节能灯，节电约为白炽灯的80%左右，使用时应配备相应的镇流器和启辉器。所有气体放电型电光源的发光效率比热辐

9、射型高得多，这是实现节能的先决条件，加上其工作寿命长也长得多，所以近年来发展迅速，品种众多，它使得我们的成城市变得五光十色，流光溢彩。但是气体放电型光源工作时必须有镇流器的配合，而镇流器多为电感线圈式结构，它对电源的交流参数会产生影响，如功率下降，波形畸变，这就必须采用无功补偿和其他技术校正。随着科学技术的发展，第四代电光源LED的出现，不但有效的弥补了这一缺陷。而且为人们提供了更节能、简单、环保的新光源。（三）固体半导体光源1、LED的结构及发光原理人们早已了解半导体材料可产生光线的基本知识，第一个商用二极管产生于1960年。LED是英文light emitting diode（发光二极管）

10、的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。LED结构图如下图所示发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体

11、就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。2、LED光源的特点（1）电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。（2）效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%，一只发光面积小于1平方厘米、功耗为3瓦的白色发光二极管，能产生相当于60瓦白炽灯泡发出的光强。（3） 适用性：每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境（4）寿命：. 10万小时（5）环境保护：无有害金属汞，环保性好（6） 价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只

12、白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300500只二极管构成。（7）健康性：如果灯光仅能保证亮度却存在频闪、光线不够稳定，那么这样的灯具同样是不理想的。当频闪超过一定范围时，人们会产生视觉疲劳，而长期的视觉疲劳会对人的视觉系统造成损伤。长时间在这种照明环境中阅读或工作会损伤眼睛，并有眼胀、头痛等不适症状。在电脑日益普及的今天，许多人在灯光下使用电脑，通常电感镇流器荧光灯的频闪和荧光屏的帧幅闪动（每秒更换画面50100次）重叠，形成光共振，对人的视觉系统伤害更大。所以，欧洲电工委员会在1997年就禁止在有电脑荧光屏的办公室安装使用电感镇流器的荧光灯，以保护电脑操作人员的健康。但是我国目前对此

13、尚无相应法规，尚未引起人们的重视。但随着“城市灯光综合症”发病率的日益增高，相信有关法规的出台只是时间问题了。而LED的优点之一就是无任何频闪。又由于LED光谱中没有紫外线和红外线，故不产生有害辐射，不会给人眼带来负面影响，长时间阅读或工作也不会出现眼睛发疼发胀的症状。3、单色光LED的应用各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源。经红色滤光片后，光损失90%。而在新设计的灯中，LumiLEDs公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，

14、即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（钠秒级），可以及早让尾随车辆的司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩显示屏，匙扣式微型电筒等领域都得到了应用。4、白光LED的开发  对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998年发白光的LED开发成功。这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（p=465nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光发射，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反

15、射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。 LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。（如下图所示）LED灯泡具有健康、节能、环保的优点。在能源形势日渐严峻、生活生产环境问题日渐突出的今天，节能、健康、环保应该是设计师、生产者和使用者共同的追求。实验仪器白炽灯10及灯座，节能灯8及灯座， 卤素灯50及灯座 ，氙灯40W 及灯座、钠光源、汞光源、LED一只及灯座 ，10只LED组成的面光源、He-Ne激光光源、固体半导体激光光源，直流电源(上12V及下6V)，光强测定仪 （D光电转换器件，将光信号转为电信号，G光电流放大器，记录显示光电流大小），220交流电源，钠（汞）电源,GY-10激光电源, XY-200稳压电源,万用表一只。实验内容 1、在220交流电源下，连接白炽灯与节能灯，在同一间距下测其光强，并与比较 ，对节能灯要测出初始值及稳定值（15分钟后光强值）。完成表1。2、在12直流电源 下，测定卤素灯，氙灯的光强。完成表2。3、在6直流电源下，测单只的光强,然后测其工作直流电流及电压