Transcript 照明电光源

照明工程
信电学院：谢秀颖
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照明工程
第二章 照明电光源
第一节
照明电光源的分类及性能指标
第二节
白炽灯
第三节
卤钨灯
第四节
荧光灯
第五节
高强度气体放电灯
第六节
低压钠灯
第七节
场致发光灯和半导体灯
第八节
照明电光源性能比较和选用
第二章
第一节 照明电光源的分类及性能指标
主要介绍:
一、电光源的分类
二、照明电光源的主要性能指标
三、光源型号命名
小
结
2-1
一、电光源的分类（3-1）
1、分类
固体发
光光源
电光源
气体放
电光源
热辐射光源：白炽灯、卤钨灯
电致发光光源：半导体灯（发光二极
管）
辉光放电光源：霓虹灯
低压：低压汞灯/钠灯
弧光放电光源
高压：高压汞灯/钠灯、金卤灯
2-1
一、电光源的分类（3-2）
2、气体放电的伏安特性
V
★OC段：非自持放电,电流约在
10－6A以下
A
★D点：着火点,可自持放电
U0
R
★E点：稳定的自持放电点
★自持放电
辉光放电
U
弧光放电
U2
非自持放电
自持放电
G
D
C
B
具有负的伏安特性
E
辉光放电→
A
单独接电源时无法稳定工作
O
10
－9
F
10
－6
10
－3
10
←弧光放电
－1
10
2-1
一、电光源的分类（3-3）
3、气体放电光源的电气附件
1)镇流器
★功能：防止电流失控、保证放电灯在正常电特性下工作
★常用镇流器：
电感、节能型电感、电子 、电子调光
双金属片
2)启辉器
静触头
★功能：预热灯的电极,并与串联的镇流器
外壳
一起产生脉冲电压使灯启动
电极
3)补偿电容器
★功能：提高功率因数cos , 减少线路损耗
启辉器示意图
2-1
二、照明电光源的主要性能指标（3-1）
保证电光源正常工作、经济运行
1. 额定电压(V)
——光源能产生额定的光通量
光源及其附件组成的回路所需电源电压的额定值
2. 额定功率(W)
光源在额定电压下工作时所具有的有功功率值
灯泡(灯管)的设计功率值
3. 光通量(lm)
两种定义形式
新光源刚开始点燃时的光通量(初始光通量)
新光源点燃100h以后的光通量
灯泡(灯管)额定工作时所发出的光通量(额定光通量)
4. 发光效率(lm/W)
灯泡(灯管)在额定状态下消耗单位电功率所发出的光通量
——简称光效
光源供电电压是额定的、电功率是额
定的、且光源在使用的有效寿命期内
2-1
二、照明电光源的主要性能指标（3-2）
寿命的定义
5. 寿命(h)
全寿命:从第1次点燃起到损坏止累计点燃的小时数
累积点燃的小时数 平均寿命: 同一组光源试样从一同点燃起到50%损
坏止累计点燃的小时数
6. 颜色特性
(光色指标)
色表和显色性
取决于光源的色温
有效寿命: 从点燃起到光通量衰减为初始值的某一
百分数时累计点燃的小时数
是指保证光通量额定值的损耗≮20%～30%的时间
取决于光源的光谱能量分布，用显色指数描述
分暖、中间、冷色
7. 启(点)燃时间与再启(点)燃时间(min)
启燃时间：从光源接通电源起到光通量达稳定值所需的时间
再启燃时间：正常工作的光源熄灭后将其重新点燃所需的时间
2-1
二、照明电光源的主要性能指标（3-3）
8. 闪烁与频闪效应
★闪烁
交流供电的光源点燃时,其光通量随电流的增减发生周期性
明暗变化的现象
★频闪效应
在以一定频率变化的光线照射下,观察到的物体运动呈现静
止或不同于实际运动状态的现象
★消除频闪效应的方法
移相、使用电子镇流器
2-1
三、光源型号命名（1-1）
1. 白炽光源的型号命名
第1部分：字母，表征光源名称特征的汉语拼音首字母
第2、3部分：数字，表征电光源的光电特性
2. 气体放电光源的型号命名
第1部分：字母，表征光源名称特征的汉语拼音首字母
第2部分：数字，表征电光源的光电特性
注意：
型号的各部分应直接连写
当相邻的两部分同为字母（数字）时，则需要用“－”分开
第二章
第一节 照明电光源的分类及性能指标
本节小结:
一、电光源的分类：熟悉各类光源原理及常用光源
二、照明电光源的主要性能指标：掌握含义
三、光源型号命名：熟悉方法
第二章
第二节 白炽灯
主要内容:
一、构造特点
二、主要类别
三、光电参数及特性
小
结
2-2
一、构造特点（1-1）
1. 灯丝
★白炽灯泡的发光体
★材料：钨丝
直径和长度：由灯泡的规格决定
多用于40W以上的充气灯泡中
形状：螺旋型(单螺旋、双螺旋、三螺旋)
2. 玻壳
减少气体热传导引起的热损，提高灯的发光效率
★用透明玻璃吹制或压制成对称或不对称形状
★表面处理：彩色、磨砂或乳白
避免由灯丝引起的眩光
采用彩色玻璃或 在反光镜部位蒸镀反射铝层或介质膜反射面
在玻璃内壁/外壳
敷涂上彩色涂层
光利用率高、集光性好，能使光束定向发射
2-2
一、构造特点（1-1）
3. 灯头 ——是灯的电连接和机械连接部分
★作用：固定灯泡、接通电源
★种类：螺口式E
卡(插)口式B
聚焦式P
普通灯泡
光通分布或灯丝的位置有严格要求
机械夹紧式
双金属插脚式
大功率灯泡
体积大、功率大灯泡
4. 灯内成分
★作用：防止钨丝蒸发，提高光效，延长寿命
★氮气体：光效为11 lm/W(单螺旋)
氩氮混合气体：光效为12.5 lm/W(单)或13.5 lm/W(双螺旋)
特别强调发光效率时充氪气体：光效为15 lm/W(双螺旋)
2-2
二、主要类别（1-1）
1. 普通照明用白炽灯
用于民用建筑(住宅、宾馆、餐厅、
商店等场所)
2. 装饰用白炽灯
与建筑灯具相配，形成多种艺术
风格(蜡烛形灯泡与节日彩泡)
3. 反射型灯泡
用于商店橱窗照明、物品展示照
明等需要光线集中的场合
4. 局部照明灯泡(俗称低压灯泡)
用于便携式手提灯、机床照明灯等
2-2
三、光电参数及特性（1-1）
1. 光电参数
光
效：低，约为10～15 lm/W（8～21.5 lm/W）
寿
命：低，平均寿命约为1000 h
启燃时间：短，瞬时启燃/再启燃
色
表：暖，约2400～2900 K（2700～3000K）
显 色 性：好，Ra达99～100（接近太阳光）
2. 特性
电压特性：端电压＞额定值→寿命降低
端电压＜额定值→光通量降低
调光特性：可在0～100%范围内即时连续均匀反复调光
开关性能：开启瞬间产生很大的脉冲电流
但开关次数对寿命影响很小
第二章
第二节 白炽灯
本节小结:
一、构造特点：灯丝、玻壳、灯头及灯内成分的作用
二、主要类别：各类灯的特点及应用场所
三、光电参数及特性：主要参数
电压特性
调光特性
开关性能
第二章
第三节 卤钨灯
主要内容:
一、卤钨循环
二、卤钨灯的结构特点
三、主要类型及其光电参数
小
结
2-3
一、卤钨循环（1-1）
1. 卤钨循环反应
低温时产生化合反应
高温时产生分解反应
2. 卤钨循环过程
钨丝通电其温度↑→蒸发钨→钨朝
石 英 管 壁 温 度 2 5 0 C 以 上
泡壁方向扩散，并与卤素反应产生卤
化钨→卤化物扩散到灯丝周围并分解
W I 2 + A + I 2 (3 区 )
W I2
钨丝
W
→钨沉积在灯丝上，卤素再扩散到泡
区域 1
壁区参与下一轮循环
区域 3
3. 卤钨循环温度
区域 2
热
A + W I2
冷
A + W + 2 I (2 区 )
W + 2 I+ A (1 区 )
碘钨灯：250～600℃
W — 钨 ； A — 惰 性 气 体 ； I— 碘 原 子
溴钨灯：200～1100℃
钨和多种卤素成分生成无色卤化钨的玻壳温度范围不同
2-3
二、卤钨灯的结构特点（1-1）
1. 泡壳尺寸小，机械强度高
★充分的卤钨循环反应要求玻壳温度高，因此灯内气体压强高
玻壳采用耐高温石英玻璃或低碱硬质玻璃——成本高
★泡壳尺寸较小，机械强度高，一般为细管形或小球形
灯的体积缩小到同功率白炽灯的0.5%～3%
2. 灯丝密且较长
要用支架托住灯丝，不致产生下垂
3. 灯管封接要求高
要采用高稳定性的钼箔作为导电体
2-3
三、主要类型及其光电参数（11）
市电型：工作电压为100～240V
1. 主要类型
低电压型:工作电压有6、12、36V
★双端管形卤钨灯——市电型
特点：发光体呈线状
功率：100～2000W
应用：泛光照明
★单端卤钨灯——市电型
特点：点状或面状
功率：75～250W
应用：影视/舞台/剧场照明
展示照明
★反射型卤钨灯——低电压型
台灯、落地灯
功率：5～300W
小型射灯
应用：聚光、泛光和定向照明
2-3
三、主要类型及光电参数（1-1）
2. 光电参数
色温：2700～3200K
光效：15～30lm/W
寿命：1500～2000h(双端)、1000～3500h(低电压冷光束)
注意：
电压特性：与白炽灯相似，但电压变化→色温变化明显
可调光性：调光范围大，但频繁调光时应注意灯的热学特
性，保证管壁温度处于黑化范围之上
寿命特性：影响寿命因素较多，从使用角度来说以震动为主
第二章
第三节 卤钨灯
本节小结:
一、卤钨循环：原理
二、卤钨灯的结构特点：尺寸、强度、封接
三、主要类型及其光电参数：应用
第二章
第四节 荧光灯
主要内容:
一、结构及工作原理
二、主要类型
三、参数及其工作特性
小
结
2-4
1. 玻管
一、结构及工作原理
（1-1）
T代表1/8英寸(3.175mm)
管径约为T后面的数乘3.175mm
形状：细长管型玻管
长度：约每英尺10W
管径：T12、T8、T5
2. 荧光粉
将紫外辐射转换成可见光
3. 电极
发射电子
4. 汞和惰性气体
汞：放电介质
惰性气体：抑制电极上电子发射材料的蒸发与溅散
2-4
二、主要类型（1-1）
1. 直管型荧光灯
T12（管径38mm）
T8（管径25mm）
T5（管径16mm）
2-4
二、主要类型（1-1）
2. 环形荧光灯
分体式环形荧光灯
一体化环形荧光灯
2-4
二、主要类型（1-1）
2. 紧凑型荧光灯
一体化紧凑型荧光灯
插拔式紧凑型荧光灯
2-4
三、参数及工作特性（1-1）
1. 灯管电压和灯管功率
灯管电压：工作电流在灯管上产生的电压降
灯管功率：灯管在额定电流下消耗的功率
2. 颜色特性
卤磷酸钙荧光粉
三基色荧光粉
荧光灯的颜色特性取决于荧光粉的配方
色温：常用三种标准白色
暖白光(2900K)、冷白光(4300K)、日光(6500K)
Ra：卤粉(50～70)、三基色(80～85)、三基色多谱带(＞90)
3. 光通量和发光效率
额定光通量指点燃100h后的输出光通量
光效：一般在27～82lm/W
2-4
三、参数及工作特性（1-1）
4. 寿命
平均寿命：3000～5000h（国产）
注意：
140
130
使用寿命与其启动的频繁程度有关
5. 电压特性
★电压↑→灯管电流↑→电极过
热→电子发射物消耗↑→寿命↓
灯管功率
光通量
120
各量变化率（ %）
启动越频繁，使用寿命越短
灯管电流
灯管电压
11 0
100
90
80
70
60
80
85
90
95
100
1 0 5 11 0
11 5
电源电压（ %）
★电压↓→灯管电流↓→电极温度↓→需多次启动→电子发射
物消耗↑→寿命↓
★调光较困难
2-4
三、参数及工作特性（1-1）
6. 温湿度对灯性能的影响
★温度的影响
温度变→蒸气压强变→光通量输出变→影响光效
最佳点灯环境温度: 20～35℃
★湿度的影响
湿度过高(75%～80%)会使
灯具启动困难、缩短寿命
相对湿度在60%以下对荧光
灯工作有利
7. 频闪效应
★频闪效应较明显
第二章
第四节 荧光灯
本节小结:
一、结构及工作原理：结构特点(电极、荧光粉)
工作原理(预热式)
二、主要类型：直管式、环形、紧凑型
三、参数及其工作特性
参数：功率、光效、颜色、寿命
工作特性：电压、温度、湿度、寿命、频闪
第二章
第五节 高强度气体放电灯(HID灯)
主要内容:
一、荧光高压汞灯
二、金属卤化物灯
三、高压钠灯
小
结
2-5
一、荧光高压汞灯（2-1）
1. 结构
★灯头：一般为螺口灯头
★放电管：封装有主、辅电极
充有汞和氩气
★玻璃外壳：减少放电管的热量损失，且内壁涂有荧光粉以提高
光效或改善光色
2. 类型及应用
★普通型：道路/广场照明
★自镇流型：一般不用
★反射型：聚光/泛光照明
主要用于室外照明
2-5
一、荧光高压汞灯（2-2）
3. 基本性能
★启燃时间： 4～8min，再启燃时间: 5～10min
★发光效率： 普通/反射型——40～60lm/W
自镇流型——12～30lm/W
★颜色特性：色温—— 5000～5400K，显色指数—— 30～40
★有效寿命：普通/反射型—— 5000h，自镇流型—— 3000h
★电压特性：
电压过低→不启动/自熄
电压过高→寿命降低
2-5
二、金属卤化物灯（1-1）
1. 结构
与汞灯相似，但放电管内充有金
属卤化物，以提高光效、改善光色
2. 主要类型及参数
★钠铊铟灯：80lm/W、5500K、Ra＝60～70
★镝灯：75lm/W、色温接近日光、 Ra＝ 90
★钪钠灯：80lm/W、 Ra＝ 60～70
3. 基本性能
★启燃时间：4～15min ，再启燃时间：10min左右
★电压特性：电压变化10%→色温将降低500K或升高1000K
电压突降→自熄
2-5
三、高压钠灯（1-1）
1. 结构
与汞灯相似，但属于高
压钠蒸气放电光源
2. 主要类型
★普通：色温2000～2100K，显色指数约20～25
光效约90～150lm/W,平均寿命约28500 h
★改显：色温约2300～2500K,显色指数约60左右
★高显：色温约2500～3000K,显色指数约80左右
3. 基本特性
★启燃时间: 4～8min ,再启燃时间: 10～15min
★电源电压变化主要影响光通量输出和灯的稳定工作
第二章
第五节 高强度气体放电灯(HID灯)
本节小结:
一、荧光高压汞灯
二、金属卤化物灯
三、高压钠灯
特点和应用
第二章
第六节 低压钠灯
主要内容:
一、结构
二、特点及应用
小
结
2-6
一、结构（1-1）
1. 放电管
直径约14～18mm的U形管
2. 电极
封装在U形放电管的两端，多为三螺旋钨丝电极
3. 外管
抽真空，内壁涂上透明红外线反射膜，以维持放电管的温度
2-6
二、特点及应用（1-1）
1. 特点
发出的光主要是589nm和589.6nm两条谐振谱线
色温很低(黄光),显色性很差,但光效很高(达150lm/W)
2. 应用
特别适用于铁路、高架路、隧道和交叉路口等能见度要求
高而对显色性要求不高的场所的照明
第二章
第六节 低压钠灯
本节小结:
低压钠灯的特点及应用
第二章
第七节 场致发光灯和半导体灯
主要内容:
一、场致发光灯
二、半导体灯
小
结
2-7
一、场致发光灯（1-1）
1. 构成
★组合成平板状——场致发光屏（EL）
★由玻璃板、透明导电膜、荧光粉层、高介电常数反射层、铝
箔等迭合而成
2. 特点
★光效：低于15 lm/W、寿命：超过5000 h
★耗电省、响应快、发光条件要求不高、便于控制
★通过电极的分割使电源分开，做成图案与文字
3. 应用
指示照明或飞机、轮船仪表的夜间显示
2-7
二、半导体灯（3-1）
1. 构成
P-N结：当PN结加正向偏压，电子和空穴克服PN结的势垒，
分别迁入P层和N层，电子与空穴结合时其能量差以光子的形式
释放出来
2. 特点
体积小、重量轻、耗电省、寿命长、亮度高、响应快
3. 发展
★20世纪60年代：0.1lm/W，红色光（650nm）
★20世纪70年代：1lm/W，颜色扩大到红色至绿～黄色
★20世纪80年代：10lm/W
★20世纪90年代：红黄光、绿蓝光、白光
2-7
二、半导体灯（3-2）
4. 白色发光二极管与白炽灯泡的特性比较
光通 发光效率
量(lm) (lm/W)
灯种类
色温
(K)
显色指 价格
数(Ra) (美元)
寿命
(h)
灯寿命一
半时光衰
白炽灯
(普灯60W)
900
15
2800
100
1.36
1000
＞90%
白色LED
(5mm)
0.6
10
＞6000
85
1
10000
(50%Φ)
75%
结论： ★寿命长，达到白炽灯的10倍以上
★光效较高，可以与白炽灯媲美
★单只LED的光通量太小，若达到60W白炽灯的光通量
需1500只发光二极管组合在一起
★ 价格昂贵
2-7
二、半导体灯（3-3）
5. 现状
作为照明光源，LED不具备替换白炽灯的可能性，但高效率、
长寿命的LED发展成为普通照明光源已不是梦想
6. 应用
★显示器：图像与文字显示器，广泛用于广告行业
★指示灯：各种电器的指示灯或双色、三色、多色指示器
★交通信号灯：18只LED组成一个12英寸、14W的交通信号灯
★标志灯
相当于加红/黄/绿色滤色片的140W白炽灯
★景观照明灯：地埋灯、墙灯、草坪灯
★汽车灯：大功率发光二极管用于汽车的刹车/尾/转向灯
第二章
第七节 场致发光灯和半导体灯
本节小结:
半导体灯的特点、应用及发展前景
第二章
第八节 照明电光源性能比较和选用
主要内容:
一、电光源性能比较
二、电光源的选用
小
结
2-8
光源种类
一、电光源性能比较（1-1）
光效(lm/W) 显色指数(Ra)
色温(K)
平均寿命(h)
普通照明
白炽灯
15
100
2800
1000
卤钨灯
25
100
3000
2000～5000
普通荧光灯
70
70
全系列
10000
三基色荧光灯
93
80～98
全系列
12000
紧凑型荧光灯
60
85
全系列
8000
高压汞灯
50
45
3300～4300
6000
金属卤化物灯
75～95
65～92
3000/4500/5600
6000～20000
高压钠灯
100～200
23/60/85
1950/2200/2500
24000
低压钠灯
200
很差
1750
28000
2-8
二、电光源的选用（3-1）
1. 选择原则
①选用的光源应符合国家现行相关标准的有关规定
②按照明设施的目的和用途选择光源
主要应满足显色性、启动时间等条件
③按环境要求选择
④按投资与运行费用选择
在满足显色性、启动时间等要求条件下，根据光源及镇流
器等的效率、寿命和价格在进行综合技术经济分析比较后确定
2-8
二、电光源的选用（3-2）
2. 选择举例
①高度较低房间,如办公/教室等宜采用细管直管荧光灯
②营业厅宜采用细管直管或紧凑荧光灯或小功率金卤灯
③高度较高的工业厂房宜采用金卤灯或高压钠灯，亦可采用大
功率细管荧光灯
④一般照明场所不宜采用荧光高压汞灯，不应采用自镇流荧光
高压汞灯
⑤一般情况下，室内外照明不应采用普通照明白炽灯；在特殊
情况下需采用时，其额定功率不应超过100W
2-8
二、电光源的选用（3-3）
⑥下列工作场所可采用白炽灯
★要求瞬时启动和连续调光的场所,使用其它光源技术经济不合理时
★对防止电磁干扰要求严格的场所
★开关灯频繁的场所
★照度要求不高，且照明时间较短的场所
★对装饰有特殊要求的场所
⑦应急照明应选用能快速点燃的光源
⑧应根据识别颜色要求和场所特点,选用相应显色指数的光源
第二章
第八节 照明电光源性能比较和选用
本节小结:
一、电光源性能比较：各类光源的主要光电参数
——性能和特点
二、电光源的选用：选择原则(注意结合工程实际加
强对国家标准和规范的理解)