气体放电发光光源

1．2．3　气体放电发光光源

在电场的作用下，载流子在气体（或蒸气）中产生和运动，从而使电流通过气体（或蒸气）媒质时所发生的物理过程，称为气体放电。利用气体放电发光的原理制成的灯便是气体放电灯。

1）荧光灯

（1）结构与工作原理

荧光灯是一种低压汞放电灯。它的灯管两端各有一个密封的电极，管内充有低压汞蒸气及少量帮助启燃的氮气。灯管内壁涂有一层荧光粉，当灯管的两个电极上通电后加热灯丝，达到一定温度就发射电子，电子在电场作用下逐渐达到高速，冲击汞原子，使其电离而产生紫外线。紫外线射到管壁上的荧光物质，刺激其发出可见光。

大部分荧光灯在启动之前电极都要经过电流预热。在开关启动电路中，电极的预热是由单独的辉光启动器或电子启动器来完成的。由于气体放电灯的负伏安特性，荧光灯还必须与镇流器配合才能稳定地工作，灯管启燃后，电源电压就分布在镇流器和灯管上，灯管两端的电压降远远低于电源电压，致使启辉器上的电压达不到启辉电压而不再启辉。镇流器在灯管预热和启燃后，都起着限制和在一定程度上稳定预热及工作电流的作用。

（2）工作特性

①色温和显色性

荧光灯内壁所涂荧光粉主要有三类:一是以前最常用的卤磷盐酸荧光粉，卤磷盐酸荧光粉可以做成2 500～7 500K各种色温的荧光粉，对应的荧光灯主要有日光色、冷白色、白色和暖白色这几种类型，用卤磷盐酸荧光粉所做的灯显色性较差；二是目前细管径荧光灯中广泛采用的三基色荧光粉，又称为稀土荧光粉。采用不同配比的三基色荧光粉，可以做成各种色温的高性能荧光灯，这些灯不仅光效高，而且显色性好，R_a可达到80以上，这种荧光粉还有耐高温和承受强短波紫外辐射的能力，所以广泛应用于细管径的荧光灯中；三是多带荧光粉，多带荧光粉产生的多个谱带能覆盖整个可见光区，所以多带荧光灯的显色性最好，R_a高达95以上，又称为全光谱荧光灯。

②环境对性能的影响

荧光灯自身的光效除由采用的荧光粉所决定外，还与另外两个因素即环境温度和电源频率有密切关系，在静止的空气环境中，当环境温度为25℃时，40W荧光灯的光输出最大，当环境温度低于15℃时，灯的光输出随温度的降低很快减少。温度高于最佳温度时，光输出也要减少，但降低速度较慢。

③寿命

在荧光灯的寿命期内，光通量逐渐下降。点燃8 000h后，灯的光通量下降到初始值的70%左右。光通量下降的主要原因是荧光粉的效率逐渐降低；光通量降低的另一个原因是由于电子发射材料的沉积，使灯管管壁（尤其是灯管两端）发黑，影响了光输出。

④调光

现在荧光灯的调光器可采用可控硅调光器，也可采用变频型的高频电子调光器。采用可控硅调光器，各种型式的荧光灯的电流都可调节到正常值的50%，因而光输出大致上也就下降50%，对室内照明而言，光输出不应调得更低。当电流小于正常灯电流的50%时，放电提供的能量不足以使电极维持在合适的温度，无法产生要求的电子发射。因而，必须采用单独的变压器对灯丝提供独立的加热电流，工作于此模式下的灯，光输出可以调节到几乎为0。

（3）主要类型

荧光灯按其阴极工作类型可分为热阴极和冷阴极两类。绝大多数普通照明荧光灯是热阴极型；冷阴极型荧光灯大多为装饰照明用，如霓虹灯、液晶背光显示等。

荧光灯按其外形可分为双端荧光灯和单端荧光灯。双端荧光灯绝大多数是直管形，两端各有一个灯头。单端荧光灯外形众多，如H形、U形、双U形、环形、球形、螺旋形等，灯头均在一端。

根据灯管的直径不同，预热式直管荧光灯有φ38mm（T12）、φ26mm（T8）、φ16mm（T5）等几种，其中T12直管荧光灯已逐渐被淘汰。T12灯、T8灯可配电感式或高频电子镇流器；T5灯采用电子镇流器。

（4）应用

荧光灯是应用最广泛、用量最大的气体放电光源。发光效率高，一般可达45lm／W，有的可达70lm／W以上，是白炽灯的4～5倍。寿命是白炽灯的3～8倍，是高效节能光源。

在1940年前后，荧光灯最初用于普通照明并迅速普及，到1970年，荧光灯管已成为最主要的人造光源。目前，荧光灯正在全世界广泛使用，尤其在工业和商业照明领域，其他照明方式几乎都被排除在外。其高效能、良好的光输出、光输出的持久性、颜色的多样性以及较长的使用寿命，使之成为上述照明领域中的理想选择。

带有镇流器和标准灯头并使之成为一体的荧光灯称为自镇流荧光灯。自镇流荧光灯集白炽灯和荧光灯的优点，具有光效高、寿命长、显色性好、使用方便等特点，它与各种类型的灯具配套，可制成台灯、壁灯、吊灯、装饰灯等，适用于家庭、宾馆等照明。

2）荧光高压汞灯

荧光高压汞灯是高强气体放电灯中结构简单、寿命较长的产品。但高压汞灯光效低，特别是自镇流高压汞灯光效更低，已属限制使用的产品。高压汞灯分为透明外壳高压汞灯、荧光高压汞灯、反射型高压汞灯、自镇流荧光高压汞灯。

荧光高压汞灯是玻壳内表面涂有荧光粉的高压汞蒸气放电灯，它的特点是寿命长、耐振性较好，但显色指数低。

自镇流荧光高压汞灯是利用汞放电管、钨丝和荧光质三种发光要素同时发光的一种复合光源。钨丝兼作镇流器，因此不需要外接镇流器，可以像普通灯泡那样直接接入灯座使用，非常方便。但该灯光效低，耗电较多，寿命因灯丝而缩短，一般不再使用。

3）金属卤化物灯

金属卤化物灯是在高压汞灯和卤钨灯工作原理基础上发展起来的新型高效光源，其基本原理是将多种金属以卤化物的方式加入到高压汞灯的电弧管中，使这些金属原子像汞一样电离、发光。汞弧放电决定了它的电性能和热损耗，而充入灯管内的低气压金属卤化物决定了灯的发光性能。充入不同的金属卤化物，可以制成不同特性的光源。

金属卤化物光效高、寿命长、显色性好，而且可以根据不同需要设计制造出所需的光色。

（1）分类

金属卤化物灯按照填充的金属卤化物及发光特性不同分成四类:

①充钠、铊、铟等的金属卤化物灯，光效约为70～80lm／W，色温3 800～4 200K，显色指数70～75，灯的寿命可达数千小时，常用于一般照明。

②充入钪、钠等的金属卤化物灯，光效高，约为90～100lm／W，显色指数60～70，色温范围3 600～4 200K。但此类灯需配用LC顶峰超前式镇流器（CWA型），常用做室内或道路、商场照明。

③充入镝、钬、铥等的金属卤化物灯，光效约为70～80lm／W，显色指数80～95，色温3 800～5 600K。但灯的寿命较短，可用于电视台、体育场、礼堂等对光色要求很高的大面积照明场所。

④利用锡、铝分子发光的金属卤化物灯，显色性好，显色指数在90以上，但光效较低，约为50～60lm／W，光效一致性差，灯的启动也较困难。

金属卤化物灯还可以分为带外玻壳的金属卤化物灯、不带外玻壳的管形金属卤化物灯、陶瓷电弧管金属卤化物灯、球形中短弧金属卤化物灯。带外玻壳的金属卤化物灯结构与高压汞灯相似，一些小功率的金属卤化物灯外形尺寸与高压汞灯相同；管形金属卤化物灯结构简单、体积小，不仅可以使灯具的体积缩小，灯具的效率也高，而且成本低、使用方便；由于透明或半透明陶瓷管能耐高温，化学性能极稳定，因而制成的光源光效更高，显色性更好，光色稳定，寿命更长，其功率范围为20～400W，广泛应用于室内照明；球形金属卤化物灯光效高、光色好、外形尺寸小，便于提高灯具的效率，该类灯主要用于电影、电视摄影中。

（2）工作电路

与其他气体放电灯一样，金属卤化物灯也需要采用镇流器。一般说来，金属卤化物灯并不需要特殊设计的镇流器，对钠、铊、铟灯，可以采用高压汞灯的镇流器。而很多稀土金属卤化物灯和卤化锡灯能在高压钠灯镇流器上工作得很好，钪、钠灯需要采用恒功率的镇流器。

电感镇流器的开路电压不足以启动金属卤化物灯，所以需要外加启动器。只有钪、钠灯和少数小功率的钠、铊、铟灯采用辅助电极的方法来帮助启动。

当灯熄灭后，由于灯内气压太高，在原来启动电压的作用下不能立即再启动，要在5～20min后才能再启动，具体时间视灯的冷却速度而定。在某些应用场合，希望灯在熄灭后能立即再启动，这时，需要采用能产生30～60kV高压的启动器。

（3）外界条件对灯的影响

与高压汞灯相比，金属卤化物灯对电源电压的波动更为敏感。电源电压在额定值上下变化大于10%时，就会造成灯颜色的变化，尤其对钠、铊、铟灯和钪、钠灯，电源电压太高还会缩短灯的寿命。

4）高压钠灯与低压钠灯

（1）高压钠灯

高压钠灯是一种高压钠蒸气放电灯，其放电管采用抗钠腐蚀的半透明多晶氧化铝陶瓷制成，工作时发出金白色光。它具有发光效率高（光效可达120lm／W）、寿命长、透雾性能好等优点。广泛用于道路、机场、码头、车站、广场及工矿企业照明，是一种理想的节能光源，缺点是显色指数低。

中显色高压钠灯和高显色高压钠灯是在普通高压钠灯基础上，适当提高电弧管内的钠蒸气气压，从而提高高压钠灯的色温，改善灯的显色性。中显色性高压钠灯相关色温为2 200K，平均显色指数提高到60；高显色高压钠灯相关色温为2 500K，平均显色指数提高到85。但与标准型高压钠灯相比，它们的光效明显降低。高压钠灯适用于高大厂房、商业区、游泳池、体育馆、娱乐场所等处的室内照明。

（2）低压钠灯

低压钠灯是电光源中光效最高的品种，光效可达140～180lm／W，光色柔和，眩光小，透雾能力极强，适用于公路、隧道、港口、货场和矿区等场所的照明，也可作为特技摄影和光学仪器的光源。但低压钠灯辐射近乎单色黄光，分辨颜色的能力差，不宜用于繁华的市区街道和室内照明。