照明技術(shù)概述

孟霞 萬建美

摘? 要：照明設(shè)備根據(jù)光的技術(shù)類型和輸出范圍大致分為白熾燈和鹵素?zé)?、熒光燈、高?qiáng)度放電燈、等離子燈和硫燈、發(fā)光二極管等。本文詳細(xì)介紹了這些燈的發(fā)光原理、優(yōu)勢和缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：照明;白熾燈;熒光燈;高強(qiáng)度放電燈;等離子燈;發(fā)光二極管

中圖分類號：S815 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號：1001-0769（2021）01-0007-04

照明技術(shù)的類型可以用多個(gè)變量描述，如光譜輸出量，這可以將其與日光的光譜成分進(jìn)行比較。以下我們將概述光的技術(shù)類型及其輸出范圍（圖1～5）。

1? 白熾燈和鹵素?zé)?/p>

白熾燈通過加熱金屬絲（由鎢制成）直到其發(fā)光運(yùn)行。這些燈絲被封閉在充滿惰性氣體的玻璃燈泡中，以保護(hù)其免受損壞和氧化。這類燈屬于最古老、最不節(jié)能的一類燈，隨著監(jiān)管機(jī)構(gòu)強(qiáng)烈要求提高能源的使用效率，這類燈在歐洲逐漸被淘汰。鹵素?zé)襞c白熾燈的不同之處在于前者所含的鹵素氣體（碘或溴）可延長鎢絲的壽命，并可使燈泡在更高的溫度下工作。這類燈的能量使用效率低，原因之一是它們發(fā)出的許多光超出了（人類）可見光譜（即，它們的發(fā)光效率很低）。

2? 熒光燈

熒光燈通過使電流流過裝有汞蒸氣的充氣玻璃管發(fā)光。電流可激發(fā)汞蒸氣釋放短波紫外線。紫外線被玻璃管內(nèi)的熒光粉涂層吸收后發(fā)出熒光，產(chǎn)生所需的光。熒光燈顏色可以通過更改玻璃管內(nèi)的熒光粉涂層的顏色或向玻璃中添加濾鏡來調(diào)整。熒光燈的發(fā)光效率可以大于100 lm/W。

3? 高強(qiáng)度放電燈

高強(qiáng)度放電（High-intensity Discharge，HID）燈通常分兩種：高壓鈉（High-Pressure Sodium，HPS）燈和金屬鹵化物 （Metal Halide，MH）燈。HID燈通過電弧在兩個(gè)鎢電極之間穿梭實(shí)現(xiàn)發(fā)光的目的，這兩個(gè)鎢電極之間由裝有氣體和金屬鹽的透明管隔開。電弧產(chǎn)生的熱量會蒸發(fā)金屬鹽，這些金屬鹽在工作溫度下會形成發(fā)光的等離子體。HID燈的光譜輸出具有弧光管內(nèi)所含金屬鹽的特性。HPS燈含有汞和鈉。在點(diǎn)火期間，HPS燈會發(fā)出粉紅色的光芒。在此階段，只有汞蒸氣會發(fā)光，因?yàn)殁c的蒸發(fā)僅在達(dá)到工作溫度時(shí)發(fā)生。MH燈含有汞和金屬鹵化物（含有碘或溴的金屬化合物）。HID燈的發(fā)光效率高于熒光燈和鎢絲燈，因?yàn)樗鼈儼l(fā)出的光很大一部分位于光譜的可見光區(qū)域。

4? 等離子燈和硫燈

等離子燈是一種氣體放電燈，通過高頻無線電波加熱密封玻璃容器中的氣體產(chǎn)生光。在硫燈中，玻璃容器含有硫，加熱后硫會形成等離子體。這類燈無內(nèi)部電極，并且體積小于HPS燈和MH燈。燈泡小意味著可以開發(fā)出更高效的反射器。與其他種類的氣體放電燈一樣，改變燈中的氣體混合物組成可以改變光譜，但是一旦氣體混合物建成，光譜則不會變動。

5? 發(fā)光二極管

與其他所有人造照明系統(tǒng)不同，發(fā)光二極管（Light Emitting Diodes，LED）不含玻璃或氣體：所有成分均為固態(tài)。因此，LED不像其他種類的燈那樣易碎，它們可用于其他燈可能會被損壞并對使用人的健康和安全構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)的地方。LED由彼此接觸的兩層半導(dǎo)體材料構(gòu)成。當(dāng)電流流過LED時(shí)，電子移動通過兩種材料之間的接合點(diǎn)。在通過接合點(diǎn)時(shí)，電子會下降到較低的能級，并在此過程中釋放出光子。LED中的化學(xué)物質(zhì)控制著能量下降的程度，并因此控制了所發(fā)出光子的波長。目前，LED能夠發(fā)出240 nm～4 000 nm的幾乎任何波長，不過它們的發(fā)光效率隨LED的顏色不同而有所不同（紅色LED和藍(lán)色LED最節(jié)能）。

白光可以通過以下兩種方法產(chǎn)生：⑴將紅色LED、藍(lán)色LED和綠色LED組合在一起;⑵直接使用白色LED。白色LED可通過在藍(lán)色LED上添加熒光粉涂層制成。熒光粉會吸收LED發(fā)出的一部分光，重新發(fā)出波長更長的光（與熒光燈管壁處發(fā)生的過程相同）。白色LED的顏色可以在制造過程中通過改變熒光粉混合物的組成調(diào)整。白光LED的發(fā)光效率比標(biāo)準(zhǔn)LED的低，主要有兩個(gè)原因：首先，熒光粉涂層會散射LED發(fā)出的光，這可以有效地將某些光捕獲在LED內(nèi);其次，隨著熒光粉吸收藍(lán)色光子并像波長較長的光子一樣重新發(fā)射能量，一些能量會被轉(zhuǎn)換成熱量（這種能量損失稱為斯托克斯位移損失）。斯托克斯位移損失可達(dá)30%，但是最高效的熒光粉（釔鋁石榴石，YAG）的斯托克斯位移損失僅10%左右。因此，與紅色LED相比，產(chǎn)生大量紅光的“白色”LED在斯托克斯位移損失方面更大。LED的主要優(yōu)點(diǎn)之一是具有比其他光源更高的效率（光能輸出/電能輸入）。雖然在估測LED照明系統(tǒng)的效率時(shí)要注意的方面很多，但應(yīng)注意，LED技術(shù)正在以相當(dāng)大的速度發(fā)展。LED的效率每10年會提高大約20倍，而發(fā)射的每個(gè)流明單位的成本卻下降了10倍（海茲定律）。

LED技術(shù)的優(yōu)勢可以從其燈具的設(shè)計(jì)中看出。與其他種類的照明系統(tǒng)不同，LED發(fā)出的光是定向的。因此，LED燈的光學(xué)設(shè)計(jì)與其他燈的設(shè)計(jì)不同。LED的背面不會發(fā)生反射光，因此LED燈對反射器的需求減少，不過反射鏡仍可用于整形光束。許多基于LED的照明系統(tǒng)不用反射器而用透鏡將光束引導(dǎo)到所需的位置。高質(zhì)量的光學(xué)器件可以減少雜散光的數(shù)量，并確保將光導(dǎo)向所需的位置。與其他種類的照明系統(tǒng)一樣，LED發(fā)射的光譜是無法更改的。然而，出于不同的應(yīng)用目的，LED燈發(fā)出的全部光譜可以通過更改安裝在該照明系統(tǒng)中的LED的數(shù)量和顏色進(jìn)行調(diào)整。LED燈也可以設(shè)計(jì)成能夠改變每一種光顏色的強(qiáng)度，因此發(fā)射光譜可以隨意修改。

原題名：Lighting in pig buildings： the principles（英文）

原作者：Phillip Davis、Nina Wainwright、Sandra Edwards和AHDB