高压气体放电灯
高压气体放电灯
高压气体放电灯是一类通过灯管中的弧光放电,结合惰性气体或金属蒸气产生的强烈光线的灯具。
特点
辐射光谱具有可选择性
通过选择适当的发光物质,可使辐射光谱集中于特定波长,也可同时使用多种发光物质,以获取最佳的组合光谱。
具有高效率
高压气体放电灯能把25~30%的输入电能转化为光输出。
寿命长
此类灯泡的使用寿命较长。
光输出维持特性好
即使在寿命结束时,仍能提供60~80%的初始光输出。
常见种类
高压钠灯
高压钠灯发出金白色的光,具有发光效率高、耗电量少、寿命长、穿透雾能力较强和不易吸引昆虫等优点。常用于道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、工厂、公园、庭院照明及植物栽培。高显色高压钠灯适用于体育馆、展览馆、娱乐场所、百货商店和酒店等场所照明。灯泡启动后,电弧管两端电极之间的电弧产生高温,使得管内的钠汞齐蒸发成为汞蒸气和钠蒸气。电子在向阳极移动的过程中,撞击放电物质的原子,使其获得能量产生电离激发,多余的能量以光辐射形式释放,形成光。由于放电物质蒸气压高,钠原子密度大,电子与钠原子间的碰撞频繁,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。高压钠灯是一种高强度气体放电灯泡,由于其负阻特性,必须串联合适的镇流器才能稳定工作。常用的镇流器包括电阻性、电容性和电感性三种,其中电感性镇流器因其损耗小、阻抗稳定、使用寿命长等优点,常与高压钠灯搭配使用。高压钠灯的工作电路是非线性的,功率因数较低,因此在使用时应考虑接入补偿电容,以提高网络的功率因数。
高压汞灯
高压汞灯是玻壳内表面涂有荧光粉的高压汞蒸气放电灯,发出柔和的白色光,结构简单,成本低,维修费用少,可直接替换普通白炽灯。具有光效长、寿命长、省电经济的特点,适用于工业照明、仓库照明、街道照明、泛光照明安全照明等。高压汞灯发出的光不含红色,照射下的物体呈蓝色,因此主要用于广场、街道的照明。除了普通的高压汞灯,还有反射型灯(HR)、复印灯、黑光灯、太阳灯、紫外线硬化用的汞灯等特殊类型。高压汞灯由石英电弧管、外泡壳(通常内涂荧光粉)、金属支架、电阻件和灯头组成。电弧管内充有汞与惰性气体,放电时内部汞蒸气压为2-15个大气压,因此称为高压汞灯。高压汞灯的应用技术先进,光效高,寿命长。发白光,色温4100K左右,经济实惠,广泛应用于室内外工业照明、道路照明等领域。自镇流高压汞灯无需外部镇流器,使用方便,光效是白炽灯的两倍,寿命是白炽灯的十倍,经济实惠,适用于工业照明、庭院照明、街区照明等领域。高压汞灯通常采用并联补偿电容器电感镇流器。另一种自镇流高压汞灯,由于在外泡壳内安装了一根钨丝作为镇流器,因此不必再外接镇流器而方便使用。高压汞灯是紫外固化的标准灯,发热大,要用空气或水冷却,但功率高,适用于要求固化速率快的光固化涂料、油墨涂覆流水线。缺点是要求冷启动,就是说关灯后马上在开灯,是开不了的,必须等几分钟灯管冷却下来以后才能重新开启,这是和白炽灯是不同的。该灯光谱有效范围在350-450nm之间,主波峰为365nm,有700多个品种,功率在100w-25kw。UV固化广泛用于竹木地板、家俱、装饰材料、印刷上光、印铁制罐、塑胶涂装等行业;也是半导体、标牌、电路板、电子元件的光敏油墨固化;更有理想点光源,便携式光源及实验室专用光源可供选择。
氙气灯
氙气灯是利用氙气放电而发光的电光源。灯内放电物质是惰性气体氙气,其激发电位电离电位相差较小。氙灯是一种在椭球形石英泡壳内充有0.019~0.0266MPa高压氙气、极间距离小于10mm的氙灯。20世纪40年代初,德国奥斯兰公司发展研究中心实验室率先研究了稀有气体短弧光源的特性,经多年研制和改进,于1951年正式向市场推出超高压短弧氙灯。1954年,在联邦德国科隆世界照明和电影博览会上,蔡司-依康公司展出了第一只作为电影放映光源的氙灯。随后荷兰日本、美国、英国苏联和中国也相继研制和生产各种规格的电影放映用氙灯。此后,超高压短弧氙灯已在世界上大多数影院取代碳弧光源成为新的电影放映光源。氙灯按其使用特点可分为自然冷却、风冷和水冷3种。小功率灯采用自然冷却,功率在 3000~5000W的灯采用风冷,更大功率的灯采用水冷。超高压短弧氙灯发光效率约40lm/W。直流燃点时,在离开阴极0.07lc(lc为极距)处,有一个称之为阴极光斑的最亮点,该点的辐射光达灯的总辐射光通量的70%以上,这使超高压短弧氙灯成为近乎理想的点光源,尤其有利于光学系统的设计和使用。功率为 75~5000W的灯,其峰值亮度为 (50~650)×106cd/m2;2500W的大功率灯,峰值亮度可达2×109cd/m2。超高压短弧氙灯具有几乎瞬态的光学启动特性──一启动即辐射出灯的总光通量的80%,1分钟后达90%,2.5分钟后达到100%。它需配备专用的启动器和直流电源,寿命约为500~1500h。灯可水平或垂直燃点。1000W以上的氙灯,水平燃点时需附加磁场稳弧装置。超高压短弧氙灯因充有高压氙气,贮运、保存均应放在专用盒内,以防爆炸。使用时应采取必要的防爆及防紫外辐射措施。超高压短弧氙灯亮度高、发光区域小、显色性好,光色接近日光且光色稳定,广泛用于电影放映、太阳模拟器、电弧成像炉、D65模拟光源聚光器、印刷制版、复印机、光学仪器、人工气候模拟等。80年代已在研制阻止臭氧发生和有防爆结构的新品种。长弧氙灯是一种在管状石英泡壳内充有适量高纯度氙气、二端封有极距大于 100mm的钍钨、钡钨或铈钨电极的氙灯。1963年,中国电光源专家蔡祖泉试制成功长弧氙灯。长弧氙灯有自然冷却和水冷两种。自然冷却氙灯一般充 (2.66~26.6)×102Pa的氙气,水冷氙灯充(1.33~5.32)×104Pa的氙气,色温为5500~6000K,功率可从102~2×106kW,发光效率为24~37lm/W。水冷式长弧氙灯的发光效率可达60lm/W,一般寿命达3000h。长弧氙灯的功率可以做得很大,伏安特性具有正阻特性,所以只需安装启动装置,其规格有带镇流器的和不带镇流器的两种。长弧氙灯的辐射光谱与日光接近,适于大面积照明,也可用作电影摄影、彩色照相制版、复印等方面的光源;同时,在棉织物的颜色检验、药物和塑料老化试验、植物栽培、光化反应等方面,也可作模拟日光和人工老化光源。此外,大功率长弧氙灯还可作为连续激光光源。80年代由于出现了光色好、光效更高的光源,长弧氙灯作为照明光源已基本上被取代。脉冲氙灯是利用贮存的电能或化学能,在极短时间内发生高强度闪光的氙灯。19世纪中叶,F.塔尔博特首次应用火花隙放电作为高速摄影的曝光光源,这是最早的人造脉冲光源。以后出现了惰性气体脉冲放电光源,才使脉冲光源真正进入实用阶段。1935~1945年,一系列脉冲光源在商业市场出现。50年代,脉冲光源进入工业领域。脉冲氙灯一般由密封在玻璃或石英玻璃体内的两个电极组成,壳体中充以氙等惰性气体。脉冲光源的闪光持续是指1/3峰值光强所对应的时间间隔,称为脉冲宽度。它主要由光源的结构和点灯电路决定。现有脉冲光源的脉冲宽度一般为10-9~10-2s,瞬时亮度可达1010cd/m2,是除激光外亮度最高的人造光源,它的瞬时光通量可达109lm,闪光重复频率为1~106次/分,工作寿命达106次以上,发光效率为40lm/W。脉冲光源有以下5种:①各种管状脉冲氙灯。峰值闪光能量可从用于医学和照明摄影的几个焦到用于弹道空中观察和激光光源的上百万焦。除管状外还有U形、螺旋形和圆盘形等多种形状。②频闪观察仪用脉冲氙灯。频率几千赫,功率几万瓦。③信号脉冲光源。频率1~3Hz,功率10~500W,寿命达106次。④光化学反应和电子仪器用微秒脉冲光源。⑤计算机或其他自动装置用的频闪指示仪。频率102Hz,功率数瓦。
金属卤化物灯
金属卤化物灯是交流电源工作的,在汞和稀有金属的卤化物混合蒸气中产生电弧放电发光的放电灯,金属卤化物灯是在高压汞灯基础上添加各种金属卤化物制成的第三代光源。照明采用钪钠型金属卤化物灯,金卤灯具有发光效率高、显色性能好、寿命长等特点,是一种接近日光色的节能新光源,广泛应用于体育场馆、展览中心、大型商场、工业厂房、街道广场、车站、码头等场所的室内照明。金属卤化物灯(简称金卤灯)有两种,一种是石英金卤灯,其电弧管泡壳是用石英做的,另一种是陶瓷金卤灯,其电弧管泡壳是用半透明氧化铝陶瓷做的,金卤灯是目前世界上最优秀的电光源之一,它具有高光效(65~140lm/w),长寿命(5000~20000h),显色性好(Ra65~95)结构紧凑、性能稳定等特点。它兼有荧光灯、高压汞灯、高压钠灯的优点、克服了这些灯的缺陷,金卤灯汇集了气体放电光源的主要优点。尤其是光效高、寿命长、光色好三大优点。因此金卤灯发展很快,用途越来越广。市场上的金卤灯同其它气体放电灯一样,灯内的填充物中有汞,汞是有毒物质,制灯注汞时,处理不慎,会造成对生产环境污染,有损工人的身体健康,电弧管排气时,有微量的汞蒸气排出,若处理不当,会直接排入大气,当使用的灯破损,皆会对环境造成污染。由金属蒸汽(例如汞)和卤化物(如镝、钠、铊、铟等元素的卤化物)的分解物的混合物辐射而发光的气体放电灯。具有添加金属的特征光谱线,因而光色改善,也提高了光效。这类灯的相关色温4000K左右,显色指数70,光效在701m/W以上。金属卤化物灯产品参数采用国际领先的电弧管独特橄榄状外形设计,能够带来极佳的光色一致性。有效地解决因光色漂移引起的色彩分布不均现象。采用无焊点的支架安装结构,可以防止因高温氧化或振荡引起的支架焊点断裂,更加提高了灯泡的可靠性。电弧管不受燃点位置的限制,可以实现任意位置的燃点。发光效率极高,比普通金卤灯光效高20%。HPl400/ED/UP/4K的平均光效在110lm/w。在合理的点灯线路上使用,对灯的电极有更好的保护作用,可以使灯的使用寿命更持久。最长可达20000小时以上。高光效和长寿命,可以减少工程中使用光源、电器和灯具的数量,减少灯泡更换的次数,从而降低了整体维护成本。适合垂直燃点和水平燃点,垂直燃点效果更好。最适用于对光色一致性要求较高的厂房、大型卖场、购物中心、建筑物、广告、机场等场所的明。电弧管内充有汞、惰性气体和一种以上的金属卤化物。工作时,汞蒸发,电弧管内汞蒸气压达几个大气压(零点几个兆帕);卤化物也从管壁上蒸发,扩散进入高温电弧柱内分解,金属原子被电离激发,辐射出特征谱线。当金属离子扩散返回管壁时,在靠近管壁的较冷区域中与卤原子相遇,并且重新结合生成卤化物分子。这种热力学循环不断地向电弧提供金属蒸气。电弧轴心处的金属蒸气分压与管壁处卤化物蒸气的分压相近,一般为 1330~13300Pa。通常采用的金属平均激发电位为4eV左右,而汞的激发电位为7.8eV。金属光谱的总辐射功率可以大幅度超过汞的辐射功率。结果,典型的金属卤化物灯输出的谱线主要是金属光谱。充填不同种金属卤化物可改善灯的显色性(平均显色指数Ra为70~95)。汞电弧总辐射中仅有23%在可见光区域内,而金属卤化物电弧的总辐射则有50%以上在可见光区域内,灯的发光效率可高达120lm/W以上。金属卤化物与电极、高纯二氧化硅之间以及卤化物相互之间在高温下都会引起化学反应。金属卤化物容易潮解,极少量水的吸入可造成放电不正常,使灯管发黑。电极电子发射物质系采用氧化镝氧化钇氧化钪等,以防止发射物质与卤族元素发生反应。电弧管内有些金属(如钠)会迁移,结果会使卤素过量,导致卤素负电性极强,引起电弧收缩和启动电压、工作电压升高。金属卤化物灯仅靠触发电极的作用是不能可靠启动的,一般采用双金属片启动器,或者采用有足够高启动电压的漏磁变压器,也有采用电子触发器的。金属卤化物灯的点燃还需要镇流器,其工作电流比同功率高压汞灯的要大一些。
参考资料
高压气体放电灯管.百度学术搜索.2024-11-06
长寿命双电弧管高压气体放电灯泡.百度学术搜索.2024-11-06
高压气体放电灯的谐波测试分析.百度学术搜索.2024-11-06
目录
概述
特点
辐射光谱具有可选择性
具有高效率
寿命长
光输出维持特性好
常见种类
高压钠灯
高压汞灯
氙气灯
金属卤化物灯
参考资料