常见电光源的工作原理

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R_a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的显色性相对较差，要使灯正常工作需要启动器和镇流器等附件，需一定的启动时间和体积相对较大等缺点。但由于气体放电光源的节能和寿命优势，现代科技正在逐步克服它的劣势，气体放电光源的适用领域也在不断被拓宽。

2、 第二次电光源技术革命——荧光灯

到20世纪40年代初，荧光灯问世了，灯管的直径为38mm，长度为1.2m，灯的发光效率比白炽灯提高4倍，灯的显色指数R_a在40以上，当时成为一种全新的灯，配上镇流器和灯具，很快被应用于工厂、商业、道路的照明，改变了白炽灯长期一统天下的局面。随着荧光灯的不断改进和提高，又扩大应用到办公大楼、教室、图书馆、医院、超市等。荧光灯的品种逐渐系列化，还增加了进入家庭照明的环形荧光灯。现在的荧光灯，已从φ38mm(T12)改为φ26mm(T8)，灯的发光效率超过了80lm/W，寿命在10000h以上，显色指数R_a为50以上。荧光灯从整体上来讲，发光效率高、寿命长、光色好、节能效果显著，在灯泡总产量中排列第二，仅次于白炽灯，但它也有不足的地方，如结构不紧凑，灯具造型不美观，要大量推向家庭、宾馆、商场的照明，应使灯结构紧凑，这是十分关键的。自20世纪80年代以来，紧凑型荧光灯（CFL）完成了系列化、电子化、一体化和大功率化的进展，紧凑型荧光灯已成为室内照明中取代白炽灯的最有节能价值的气体放电电光源。

荧光灯是一种充有氩气的低气压汞蒸气的气体放电灯，荧光灯是通过引燃灯管内稀薄汞蒸气进行弧光放电，汞离子受激产生紫外线，激发灯管内壁涂层荧光粉发出可见光。灯的发光效率和使用寿命都比白炽灯高。荧光灯的发光效率约为23%，红外、热能分别占总耗能的36%、41%。荧光灯的发光均匀、亮度适中、光色柔和，是理想的室内照明电光源，在照明中得到了广泛的应用。

随着细管径荧光灯的Ar（氩气）和Hg（汞）低压放电机理的深入研究和优质卤磷酸钙荧光粉和三基色荧光粉的研制成功，首先出了T8荧光灯管（φ=26mm，注：在美国荧光灯的命名采用4符号命名法——FPTD，其中F表示荧光灯，P表示灯输入功率值，T表示管形荧光灯，D表示灯管直径1/8ni(lin≈2.54cm。)的倍数值。例如，型号为F32T8的荧光灯，表示灯的输入功率为32W、灯管直径为8×1/8=lin的荧光灯灯管；再如型号为F40T12的荧光灯表示灯的输入功率为40W、管径为1.5in的荧光灯灯管）。T8荧光灯管具有节能和与T12荧光灯管兼容的优点，T8灯管可以直接安装于T12荧光灯灯具中，和T12灯管相比具有节能10%的优点，显色指数R_a可达51~76，如果再使用电子镇流器和三基色荧光粉，节能效果还可以提高10%，显色指数R_a可达80~85，最高发光效率可达104lm/W。

在低压汞蒸气放电过程中会产生大量的波长为253.7mm的紫外线，以及少量波长为185nm的紫外线和可见光。在灯管表面涂有荧光粉，可以将波长为253.7nm的紫外线转化为可见光，所以我们把工作于这种工作方式的气体放电电光源称之为荧光灯。常用的荧光粉有卤磷酸钙荧光粉和三基色荧光粉。三基色粉的光转换效率比卤粉高15%，显色指数大于80，而且抗波长为185nm的紫外线能力强，所以在细管径荧光灯中得到了广泛应用。

荧光灯按外形结构可以分为两大类：直管型荧光灯和异型荧光灯。按所涂荧光粉的不同又有日光色、冷色和暖色荧光灯之分。直管型可分为T12、T8、T5、T4、T3、T2等几种，有各种灯功率可供选用，但一般不超过100W。异形荧光灯包括环形灯、弯管荧光灯（例如常用的U形灯和环形灯等）、节能灯、无极灯、组合荧光灯管（在实用中为了降低灯管的长度和直径，将各灯管组合在一起，这样可以获得较宽的光输出功率范围，由于它的节能效果好，有可能取代白炽灯的应用场合。这种灯的镇流器和灯管是不组装在一体的）和紧凑型一体荧光灯（CFL）（这种灯是将灯管和镇流电路做成一体，具有使用方便的优点）等。

20世纪70年代，荷兰发明了三基色荧光粉，可承受更强的紫外线，三基色荧光粉是稀土材料制成的，价格昂贵，比普通荧光粉（卤磷酸钙）高出数十倍，制成的荧光灯不易推广。直到1979年，荷兰首先推出紧凑型三基色荧光灯，灯管的直径为12.5mm，用粉量大大减少，经过弯曲折叠、接桥等工艺处理，成为紧凑型号的PL灯和SL灯，功率有7W、9W、11W、13W、18W、25W等规格，发光效率为45~60lm/W，显色指数在80以上，色温2700~2800K，寿命5000h。紧凑型荧光灯的问世是近代照明史上的重大贡献，引起世界各国照明界的关注。继荷兰之后，德国、英国、美国、日本、中国也相继开发出单π、双π、3π、双D、螺旋、双H、3HV、单U、双U、UH、UHV、细管环形等以及粗管径的单π、单H、双U球形灯。紧凑型荧光灯经过十多年的改进和提高，已向系列化电子一体化方向发展，结构更接近白炽灯，与同功率白炽灯相比，可节电80%，灯的寿命已达10000h，成为逐步取代耗能大的白炽灯的最有竞争力的产品。目前这类灯价格还很高，进入千家万户的家庭照明，还要有一个宣传、比较和认识的过程。

严格来说，在荧光灯中，从节能的角度考虑，应该推广使用的是细管径、涂有三基色荧光粉且配有高频电子镇流器的荧光灯，而不单是节能灯。而节能灯是满足上述三个条件的一个典型代表。节能灯受到了广泛的欢迎，它的发展很快。20世纪的节能灯的灯型仅有H、U和Ⅱ型三种，逐步发展为双H、双U和双Ⅱ型，现在又开发出3U、3Ⅱ、4U、4Ⅱ和螺旋型，还有调光型的节能灯产品问世。节能灯的功率也不断增大，现已有85W和125W的大功率节能灯问世。它们的镇流器已从分立元件发展到使用表面贴装元件，甚至集成电路。灯电路的功率因数可以达到0.98，总谐波失真（TDH）小于10%。

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R_a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R_a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R_a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R_a在80左右，发光效率为80lm/W，寿命为8000h，适用于室内和商场的照明，效果与白炽灯相似。高压钠灯是高压放电灯中发光效率最高的一种，发出的金黄色光投向建筑物，显得金碧辉煌。世界各国都选用高压钠灯特有的色彩（金黄色光）作泛光照明，投射于建筑物上，使建筑物在夜间显示出庄严、富丽、美观的效果。

（1） 高压汞灯

高压汞灯的功率范围为50~1000W，标准型高压汞灯和自镇流型高压汞灯相比有以下区别：

① 标准型高压汞灯寿命较自镇流型高压汞灯高，标准型高压汞灯寿命一般为10000h左右，在自镇流型中由于用作镇流元件的灯丝容易烧毁，因此寿命缩短，为5000h左右。

② 标准型高压汞灯的发光效率和光通量维持率较自镇流型高压汞灯好，以250W为例，标准型高压汞灯的发光效率为52lm/W，使用6300h以后的光通量维持率为80%；自镇流型高压汞灯的发光效率为21lm/W，使用3500h以后的光通量维持率为70%。

③ 自镇流型高压汞灯对燃点位置有要求，而且容易熄弧。

④ 自镇流型高压汞灯不需外接镇流器、灯可以迅速达到正常亮度，灯的显色性较好。

由于高压汞灯一半以上的可见光集中在几根接近紫外区的特征谱线上，因此它的光色偏蓝绿，缺少红色成分，显色指数Ra只有20左右。为了克服它的不足，在玻璃内壳上涂上荧光粉，将紫外线转化为可见红光，增加红色光的成分，这样可以使高压汞灯的显色指数R_a达到40~50。

高压汞灯是利用汞放电时产生的高气压来获得可见光的电光源，它由荧光泡壳和放电管两部分组成。放电管又细又短，只有人的手指大小，内装高压汞蒸气，放电管外面有一球状的荧光泡壳。通电后放电管产生很强的可见光和紫外线，紫外线照射在荧光泡壳上，经转换发出大量可见光。它在发光管的内部充有汞和氩气，有的在内壳上涂以荧光粉，有的是完全透明的。

在高压汞灯的放电管内有一个或两个辅助电极，它能帮助高压汞灯的启动。因此高压汞灯不需外设启动电路。由于某种原因灯熄灭了，此时灯内的汞蒸气压很高，放电将难以建立，因此，必须待灯冷却后才能再重新启动高压汞灯，高压钠灯和金卤灯在使用中也有类似情况。

高压汞灯的发光效率与普通荧光灯差不多，使用寿命却比较长。它的缺点是显色性差，发出蓝绿色的光，缺少红色成分，除照到绿色物体上外，其他多呈灰暗色，而且不能瞬时启动。

高压汞灯适于高大厂房、体育场馆、仓储货栈、公路街道、广场、车站、码头、停车厂、立交桥、交易市场等照明场合应用，是在公共应用场合中应用很广的一种灯。高压汞灯刚启动时的电流很大，约为正常工作电流的2倍。这主要是因为高压汞灯在刚启动时，灯管内汞的蒸气压很低，电子很容易流动的原因，随着放电灯管温度的上升，灯管内汞蒸气不断上升，电子越来越不容易流动，灯电流就逐步变小，最后达到平衡。灯电压的变化对灯电流、灯功率和灯的光通量影响是正相关的。当灯电压升高时，放电灯管两端的电压上升，灯内电场强度升高，电子的运动速度上升，撞击汞原子的机会升高，因此灯电流上升，灯光通量变大。需注意的是，高压汞灯和金卤灯内的汞，由于处于非饱和状态，因此，灯电压引起的电参数的变化相对较少，而高压钠灯的汞处于饱和状态，因此灯电压引起的灯光电参数的变化相对较大。在金卤灯内，由于灯电压变化而引起的灯光电参数的变化要明显一些，这主要和灯电压变化而引起的灯放电管壁的温度变化有关，另外，金卤灯灯电压的变化还会引起灯发光颜色的漂移。

（2） 金属卤化物灯

金属卤化物灯(Metal Halide)又称金属卤素灯，它是20世纪60年代发展起来的第三代电光源产品。它是由汞灯演变而来的，灯管内加入卤盐（铟、铊、钪、碘化钠等），使汞蒸气浓缩，发光效率较汞灯大为提高；同时增加了红光和黄光成分，使光色接近白炽灯。由于它具有优良的显色性、较高的发光效率，并可以制造出多种色温，且灯的体积小，便于光学控制，因此，可以广泛用于彩色电影、电视的录制播放、印刷制版、体育场馆、广场、街道、铁路、码头、施工工地、大型厂房等的照明应用场合。金属卤化物灯利用电极之间通过电流形成的电子束与气体分子碰撞，激发产生光线，金属卤化物灯在参与整个发光过程中，绝大部分能量被转换成可见光，仅有很小部分能量转换成热量，从而产生很高的发光效率。

现有的金属卤化物灯已系列化（功率从35~3500W），目前正在发展小功率金属卤化物灯（35W以下）用于汽车前灯的照明，为今后取代卤钨灯作准备。超大功率金属卤化物灯的功率为6000~20000W，用于大面积、高照度的特殊照明环境中，同时还发展彩色金属卤化物灯，红、蓝、绿、紫等用于特定的建筑物作彩色的泛光照明，使建筑物在夜间，产生透亮色彩的效果照明。

金属卤化物灯作为一种新型电光源，具有发光效率高、光色好、应用范围广，是一种重要的节能光源。与发出暗黄色光的高压钠灯和发出蓝色光的高压汞灯相比，金卤灯所发出的舒适、纯白色光受到大多数工业场所和商业场所喜爱，它可使暗室内或夜色下的景致如同在阳光照耀下一样色彩艳丽。金卤灯是放电灯家庭的最新成员，它在许多领域已经取代了白炽灯、高压钠灯和高压汞灯。金卤灯的主要优越性在于其体积较小，一只100W的金卤灯电弧管直径只有1in，可安装在很小的外管中。

日光色金属卤化物灯是国际上最新一代节能光源，显色指数R_a达65~90，适用于照明要求较高的各种场所的泛光照明，发光效率高，为80~100lm/W，使用寿命长，平均寿命为10000h。

与高压汞灯、钠灯相比，金卤灯的启动更困难，重复着火电压也更高。在北美，采用超前峰值式镇流电路，在欧洲采用镇流器（电感）加触发器的电路。在我国，两者都有采用，灯-镇流器-触发器-三者间的关系比较复杂。

金卤灯的放电管一般是采用石英玻璃作为外壳。近年来，也有公司推出了陶瓷内管金属卤化物灯。现已有35W、70W和150W三种产品面市，结构有单端型、又端型及反射型，灯的发光效率达到90lm/W，显色指数R_a在80以上，有效使用寿命在10000h以上。陶瓷内管金卤灯与石英金卤灯相比具有以下优势：

① 避免了灯内放电金属物质的损失，保证了灯发光颜色的稳定性。

② 灯电弧管尺寸可以得到精确的控制，这样灯光电性能的一致性和稳定性好。

③ 灯允许更高的电弧温度，发光效率可提高10%~20%。

在使用用金卤灯时应注意以下问题：

① 灯的安装方向应根据制造商的推荐安装。因为不同的灯安装方向、灯冷端温度不同，会有不同的灯发光效率和颜色。

② 金卤灯对电源电压的稳定性有较高要求。因为灯电压变化时，灯的功率也会发生变化，灯的冷端温度与灯的功率有关。这样放电物质的饱和蒸气压会发生变化，从而引起灯发光颜色的大幅度漂移。

（3） 陶瓷金属卤化物灯

陶瓷金属卤化物灯（CDM）的问世是HID电光源在近些年发展中最为引人注目的成果。由于多晶氧化铝（PCA）陶瓷材料及其与金属封接工艺研究取得很大的突破，人们成功地制造出陶瓷外壳的性能明显地优于石英为玻壳的金属卤化物灯。采用陶瓷材料作外壳避免了灯内金属材料的损失，而且电弧管尺寸可以控制得非常精确，因此光电性能一致性和稳定性好，允许更高的电弧温度，灯的发光效率可提高10%~20%；并且发光体小，亮度高，便于投影照明系统的设计。现在35W、70W和150W三种产品，结构为单端型、双端型及反射型，光效达到90lm/W，亮度为290cd/m²，显色指数R_a为83，有效寿命可达12000h。

（4） 高压钠灯

高压钠灯的放电物质是金属钠，高压钠灯的工作介质是金属钠蒸气，内部一般都充有金属汞和惰性气体，但它们不是放电物质。高压钠灯的发光谱线主要是钠双黄线的展宽，其双黄线波长约为589.0mm和589.6mm。因此，高压钠灯中不含紫外线，灯发光呈黄色。由于双黄线接近人眼最为灵敏的绿色谱线(555nm)，所以高压钠灯的发光效率比高压汞灯和金卤灯都高很多，一般可以达到100lm/W。

高压钠灯可以分为三大类：标准型、代替高压汞灯型及高显色性型。它们又分别有内触发和外触发、T形玻璃壳和椭球形壳之分。高压钠灯具有发光效率更高、灯使用寿命长，可接受的显色性以及不诱虫、不易使被照物褪色等特点，这使得高压钠灯被广泛地应用于显色性要求不高的室内外照明应用场合。

三大类高压钠灯相比各有以下特点。

① 标准型高压钠灯的灯光效率和灯寿命最高。

② 代替高压汞灯型的灯启动电压最低，可直接在市电下启动，普通型高压钠灯的灯触发电压在3000V左右。

③ 高显色性高压钠灯的显色性最好，显色指数R_a可达到80，而普通型的高压钠灯的显色指数R_a仅为25左右。

高压钠灯的镇流电路可分为滞后型、恒功率型、超前型等三种镇流形式。下面是它们的性能比较。

由于高压钠灯在寿命期内管压上升很显著，再加上它比较高的灯再启动电压，因此，以前的高压钠灯镇流电路通常采用滞后型。随着高压钠灯性能的不断改进，灯电压在寿命期内的上升问题已获得一定程度的解决，因此，超前型镇流电路被大量使用，而恒功率型镇流器最适合用于在电网电压波动较大的应用场合。

高压钠灯是我国正在推广使用的第三代绿色照明节能光源。当高压钠灯启动后，电弧管两端电极之间产生电弧，由于电弧的高温作用使管内的钠汞齐受热蒸发成为汞蒸气和钠蒸气，阴极发射的电子在向阳极的运动过程中，撞击放电物质的原子，使其获得能量产生电离激发，然后由激发态回复到稳定态；或由电离态变为激发态，再回到基态无限循环，多余的能量以光辐射的形式释放，从而产生光输出。高压钠灯中放电物质蒸气压很高，即钠原子密度高，电子与钠原子这间碰撞次数频繁，使共振辐射谱线加宽，出现其他可见光谱的辐射，因此高压钠灯的光色优于低压钠灯。

高压钠灯具有高效、节能、光通量高、透雾性强、光色柔和及寿命长等优点，广泛应用在广场、街道、机场、港口、隧道、大桥、工矿厂房等照明应用场所。高显色高压钠灯主要应用于体育馆、展览厅、娱乐场、百货商店和宾馆等场所照明应用场合。

（5） 高压氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯

氙灯是20世纪50年代发展起来的一种惰性气体放电灯，当氙原子在高气压和超高电压下被除数激发到更高的能级而大量地电离，发射出连续光谱并叠加有少量的线光谱。氙灯发出的光近似于日光，称为人造小太阳。当灯的工作电流和气压变化时，灯的能量分布变化很小。与高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯相比较，氙灯的光色更好，并且非常稳定，色温在6000K，显色指数R_a大于94。但氙灯作为常规照明还存在不少问题，主要是灯的发光效率比较低，电位梯度较小，氙灯的发光效率随着功率增大而提高，一般1~3kW的氙灯，发光效率在15~20lm/W，10~20kW在25~30lm/W，100kW也只有在40~45lm/W，功率越高，灯管越长，加上启动装置比较复杂，触发电压在3500~8000V之间才能使灯管触发击穿，给使用带来不便，只能用于特殊照明的应用场合。大功率管型氙灯，曾应用于室外体育场、广场、机场等大面积照明。后来，被高发光效率的金卤灯所取代。高压氙灯虽没有在常规照明中发挥作用，但后来向短弧氙灯和脉冲氙灯方面发展，并在特殊照明中取得成功，短弧氙灯内充有4~6个大气压的氙气，工作状态时达到12~18个大气压，灯的高亮发光区集中在阴极光斑附近，是一种高亮度的光源，用于电影放映是非常理想的。由于光色好、寿命长、电弧稳定，景幕效果逼真，各项指标都超过了碳弧光源，很快在电影放映中得到全面推广和应用，取代了碳弧光源。由于短弧氙灯的优点是光斑小、亮度高、即开即亮，如配上合理的反光器，能集成较强的光束，可用于海上急救的控照灯。近年来，还应用于大型活动的庆祝场面，作为动态使用的白色或彩色探照灯，以此增加活动的欢乐气氛和光彩夺目的效果。

大功率的短弧氙灯还适用于太阳模拟器和红外加热器。在充分发挥氙灯的近似日光的光谱特性基础上，脉冲氙灯应用脉冲技术，使灯在很短的时间内发极强的光，产生极高的亮度，利用脉冲氙灯的人造光源来补充摄影或照相时光线的不足，达到最佳的拍摄效果。现在几乎所有照相机都配有脉冲氙灯。脉冲氙灯还适用于照相制版、激光光泵、航标和特殊的闪雷电的效果灯。

（6） 高频无极灯

20世纪90年代，荷兰、日本和美国相继推出新颖的无极荧光灯，通称为QL灯，发光效率为65lm/W左右，寿命在40000~60000h，高频无极灯（Electrodeless Discharge Lamp），亦称高频等离子体无极放电灯，或高频等离子体放电无极灯，它利用电磁感应的原理，利用荧光粉将高频电磁波的能量转换为可见光，这样就省掉了灯电极，具有使用寿命长的优点，灯功率从55~165W，可以获得各种色温的光输出，有较好的发展前途。高频无极灯是国际上新近推出的一种新型照明器具，它是基于荧光灯的气体放电原理和高频电磁感应原理相结合的一种新颖光源；它是综合利用功率电子学、等离子体、磁性材料等领域最新成果的高新技术产品。这种灯通过频率很高的电磁场（2.65MHz以上）来加速灯内的气体，利用通过多次碰撞产生的等离子体来激发汞原子发出253.7nm的紫外线，然后再去激发涂在玻璃球泡内壁的三基色荧光粉，变为可见光。这类无极荧光灯，都带有高频发生器，对抗干扰屏蔽要求是十分严格的，灯的发光效率与功率耦合器的设计有密切关系，目前正进入发展和完善的阶段，已开始在特殊的环境下使用。高频无极灯由高频发生器、功率耦合器和涂有稀土三基色荧光粉的灯泡三部分组成。

高频无极放电灯的主要特点是无灯丝或电极，因而寿命特别长，可达数万小时，是其他电光源产品无可比拟的。同时，高频无极放电灯的发光效率也很高，可达60lm/W以上，并且显色性好，无发光闪烁，可以瞬时启动。

高频无极放电灯特别适合于需要长期照明而更换灯具困难的应用场所，如商业照明和公用照明、商场、办公大楼、大厅、博物馆、车站、码头、机场、高速公路、隧道、市政道路设施等照明应用场合。

4、 第四次电光源技术革命——半导体发光二极管

半导体电光源是一种无灯丝的电光源，是一种将电能转换成光能的半导体器件，它是靠半导体化合物制成的特殊结构把电能转换成光能，称为发光二极管，英文为Light Emitting Diode，简称LED。发光二极管的结构主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。当在电极上加正向偏压之后，使电子和空穴分别注入P区和N区，当非平衡少数载流子与多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。其发光过程包括三个部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。发光二极管有许多的优点，如工作电压低、耗电量少、性能稳定、使用寿命长（一般为1×10⁵~1×10⁷h）、抗冲击、耐振动性强、重量轻、体积小、成本低、电路简单、使用方便。半导体灯开始只有一种颜色，现在发展为红、黄、绿等多种发光颜色。加上其调制性能好，可制作成大面积的显示屏作为动态广告和体育新闻传播之用，还可用于显示器的指示灯，应用前景看好。

发光二极管发明于20世纪60年代，在后来的数十年中，其基本用途是作为收录机等电子设备的指示灯。为了充分发挥发光二极管的照明潜力，近年来科学家们开发出用于照明的新型发光二极管灯泡。

早期的半导体发光二极管亮度小，视角窄，颜色仅红光一种，并且质量不稳定。近年来利用掺氧工艺和新的半导体材料，使发光二极管的亮度提高了10倍以上，达到1~5cd/m²级水平，具有红、黄、橙、绿、蓝和白等多种发光颜色，从而可以应用于国民经济的各种照明领域，除传统的小型指示器外，还有图文显示、标志照明、汽车照明、交通信号等多种应用，具有效率高、使用寿命长、高亮度、低功耗和响应快等其他传统光源难于比拟的优点，逐步占据了照明领域的一席之地。例如采用半导体发光二极管的标志灯，其发光亮度为20~30cd/m²，有效寿命1×10⁵h，可以使用25年以上，比普通白炽灯泡长100倍。半导体发光二极管这种电光源有可能取代白炽灯和紧凑型荧光灯，有人预言10年后半导体发光二极管可以取代10%的紧凑型荧光灯（CFL），30年后可以取代30%的白炽灯，引起了产业界和科技界的极大关注，被公认为是21世纪最有前途的电光源。据统计到2005年，LED的市场规模会迅速增长至30亿美元。

英国剑桥大学的科技人员在实验中研制出可发白光的发光二极管，这种发光二极管发出的光线与阳光十分接近，具有良好的应用前景。这种发光二极管可以做得很小，只有几毫米，将其安装在墙壁或天花板上，如果不开灯，几乎察觉不到它们的存在。白光发光二极管的寿命很长，白炽灯的平均寿命为1000~1500h，质量最好的荧光灯管最多只能使用5×10⁴h，这就是说，如果每天开灯10h，可以使用15年。除经久耐用外，发光二极管在节能方面也有很大潜力。据统计，如果全美国的灯泡中有一半使用发光二极管照明，则可以关闭24座发电站，节省数十亿美元，二氧化碳的排放量也将明显下降。正因为如此，美国计划到2006年，所有的交通灯都使用二极管灯泡，这样每个交叉路口每年可节省750美元。当然，用LED取代普通灯泡还需要相当长的时间，在现今的工艺条件下，制造一只3W的白色发光二极管成本约为100美元，而与之亮度相当的60W白炽灯只需0.5美元。白色发光二极管的大批量生产也许会大幅度降低成本，但价格上的差异，无疑是白色发光二极管取代普通照明灯泡的一大障碍。

目前的发光二极管主要用于显示器件和短距离、低速率的光纤通信用光源，如各种仪器仪表指示器的文字、数字及其他符号的显示等。由于亮度和颜色等原因，目前LED还不能用于普通的照明场合，而这正是LED的重要的应用发展方向之一。目前汽车刹车灯、交通红绿灯等纷纷开始采用发光二极管。当今国内外现代化都市，不少标志性景观和夜景照明都开始使用LED这一类新型的固体节能新光源。据专家预测，随着发光二极管制作成本的逐步降低，它必将在更多领域发挥积极作用。从照明市场看，1999年全球白光LED销售额为0.88亿美元，2000年增长到1.18亿美元，2003年超过2.7亿美元，年增长超过预测的40%，未来需求量将继续增长。

近年来，发光二极管的制造技术不断取得突破，应用越来越广泛，开发应用LED固体光源已成为本世纪的发展目标。美国、西欧、日本等国家与中国台湾地区，竞相投资开发白光LED绿色光源。我国国家科技部、国家发展与改革委员会与信息产业部等有关部门共同组织实施的“国家半导体照明工程”的正式启动，标志着中国高亮度LED产业进入加速发展的新阶段，为LED产业的发展提供了良好契机。