1.2.1 电光源

光是由光源产生的，如太阳、蜡烛和电灯。其中太阳是天然光源，蜡烛和电灯是人工光源。由于可利用的天然光源所产生的光仅占整个光家族的很小部分，所以人类一直在努力开发和利用各种各样的人工光源。任何一种新人工光源的发明和利用，都标志着人类文明新的进步，美国发明家爱迪生成功地制造出第一只可使用的白炽灯泡，开创了人类电气照明的新纪元。1905年奥地利人优斯特与哈纳曼采用积压绕结的方法第一次成功地制造出钨丝白炽灯泡，也是一个重要的里程碑。

电光源是指将电能转换为光能的器件或装置，广泛用于日常照明、工农业生产、国防和科研等方面。人类对电光源的研究始于18世纪末。19世纪初，英国的戴维发明碳弧灯。1879年，美国的爱迪生发明了具有实用价值的碳丝白炽灯，使人类从漫长的火光照明进入电气照明时代。1907年采用拉制的钨丝作为白炽体。1912年，美国的朗缪尔等人对充气白炽灯进行研究，提高了白炽灯的发光效率并延长了寿命，扩大了白炽灯的应用范围。20世纪30年代初，低压钠灯研制成功。1938年，欧洲和美国研制出荧光灯，发光效率和寿命均为白炽灯的3倍以上，这是电光源技术的一大突破。20世纪40年代，高压汞灯进入实用阶段。20世纪50年代末，体积和光衰极小的卤钨灯问世，改变了热辐射光源技术进展滞缓的状态，这是电光源技术的又一重大突破。20世纪60年代开发了金属卤化物灯和高压钠灯，其发光效率远高于高压汞灯。20世纪80年代出现了细管径紧凑型节能荧光灯、小功率高压钠灯和小功率金属卤化物灯，使电光源进入了小型化、节能化和电子化的新时期。

电光源自19世纪80年代发明以来，至今已有100多年的历史。人类社会的发展，科学技术的进步，使电光源技术获得了突飞猛进的发展。配合各种光源的使用，产生了造型多姿多彩、风格各异的灯具，为照明设计提供了广阔的发挥空间。今天的人工照明已不是单一的灯光，而是将多种照明电器与环境装饰紧密结合，形成了一门照明电器装饰综合艺术。

近年来，装饰与艺术照明在建筑中的美化作用与日俱增，灯光不仅为人们的工作、学习和生活提供了良好的视觉条件，并体现出一定的风格，增加了建筑艺术的美感，使环境空间更加符合人们的心理和生理上的需求，从而得到美的享受和心理平衡。

现代建筑物不仅注重室内空间的构成要素，更为重视的是电气对室内空间环境的美学效果及由此对人们所产生的心理效应。因此，一切居住、娱乐、社交场所的照明设计的首要任务是艺术主题和视觉的舒适性，电光源的迅速发展，使现代设计不但能提供良好的光照条件，而且在此基础上可利用光的表现力对室内空间进行艺术加工，从而共同创造现代生活的文明。

不同的国家，不同的人们在不同的时期，由于生活习惯、经济文化和环境的差异，人们对照明的要求是不同的，于是产生了不同的照明设计风格和手法。所以在照明设计时要考虑上述情况，并要结合当时的光源、灯具及使用环境等因素。

电光源的发明促进了电力装置的建设。电光源的转换效率高，电能供给稳定，控制和使用方便，安全可靠，并可方便地用仪表计量耗能，故在其问世后100多年中，很快得到了普及。它不仅成为人类日常生活的必需品，而且在工业、农业、交通运输及国防和科学研究中，都发挥着重要作用。电光源的发光方法有：

①电阻发光，这是一种利用导体自身的固有电阻通电后产生热效应，达到炽热程度而发光的方法，如常用的白炽灯、碘钨灯等。

②电弧发光，这是一种利用两个电极放电产生高热电弧而发光的方法，如碳精灯。

③气体发光，这是一种在透明玻璃管内注入稀薄气体和金属蒸气，利用两个电极放电使气体高热而发光的方法，如钠灯、镝灯等。

④荧光粉发光，这是一种在透明玻璃管内注入稀薄气体或微量金属，并在玻璃管内壁涂上一层荧光粉，利用两个电极放电后借气体的发光作用使荧光粉吸收再发出另一种光的方法，如荧光灯等。

电光源的形态有千万种，按其发光源划分可分为固体发光和气体发光两大类。固体发光光源包括白炽类光源和LED（发光二极管）。凡可以将其他形式的能量转换成光能，从而提供光通量的设备、器具统称为光源；而其中可以将电能转换为光能，从而提供光通量的设备、器具则称为电光源。电光源一般可分为照明光源和辐射光源两大类。照明光源是以照明为目的的，辐射出的光谱主要为人眼视觉的可见光谱（380～780nm），其规格品种繁多，功率从0.1W到20kW，产量占电光源总产量的95%以上。辐射光源是不以照明为目的的，能辐射大量紫外光谱（1～380nm）和红外光谱（780～1×106nm）的电光源，它包括紫外光源、红外光源和非照明用的可见光源。以上两大类光源均为非相干光源。此外，还有一类相干光源，它通过激发态粒子在受激辐射作用下发光，输出光波波长从短波紫外线直到远红外线，这种光源称为激光光源。

照明光源品种很多，按发光形式分为热辐射电光源、气体放电电光源和电致发光电光源三类。

①热辐射电光源。电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的光源。包括白炽灯和卤素灯两种。

②气体放电电光源。电流流经气体或金属蒸气，使之产生气体放电而发光的光源。气体放电有弧光放电和辉光放电两种，放电电压有低气压、高气压和超高气压三种。弧光放电电光源包括：荧光灯、低压钠灯等低气压气体放电灯，高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯等高强度气体放电灯，超高压汞灯等超高气压气体放电灯，以及碳弧灯、氙灯；此外，还有某些光谱光源。辉光放电电光源包括：利用负辉区辉光放电的辉光指示光源和利用正柱区辉光放电的霓虹灯，二者均为低气压放电灯；此外，还有某些光谱光源。

③电致发光电光源。在电场作用下，使固体物质发光的光源。它将电能直接转变为光能。包括场致发光光源和发光二极管两种。

在这三类电光源中，各种电光源的发光效率有较大差别，热辐射电光源如白炽灯，它利用斯忒藩－玻耳兹曼定律：物体温度越高，它辐射出的能量越大。这可用下式表示：

E＝μξT4（1－1）

式中，E为物体在温度T时单位面积和单位时间内的辐射总能量；μ为斯忒藩－玻耳兹曼常数（μ＝5.6697×10－12W/（cm2·K4））；ξ为比辐射率，即物体表面辐射本领与黑体辐射本领的比值；T为物体的绝对温度。

利用热致发光原理制成电光源的特点是：制作简单、成本低，但发光效率低，其余的能量则以热的形式消耗掉。白炽灯的发光效率一般为7～20lm/W，仅有11%，红外、热能消耗分别占69%、20%，大部分能量被发热损耗了。

由于气体放电灯的功率可以做得较大（数千瓦），发光效率又高，所以是一种绿色照明电光源。常用照明电光源分类图如图1－1所示。

由于气体放电电光源在灯的发光效率和工作寿命方面具有白炽灯无可比拟的优势，因此，从它诞生之日起就一直受到人们的广泛关注，由此派生的产品可谓异彩纷呈。目前，市场上已有约5000多种电光源。热辐射电光源以普通白炽灯泡和卤钨系列灯泡为代表。气体放电电光源，主要是指弧光放电电光源和辉光放电电光源，如荧光灯、高强度气体放电灯和霓虹灯等。弧光放电电光源又可分为低气压气体放电电光源和高强度气体放电电光源。

低气压气体放电电光源以荧光灯及节能灯为代表；高强度气体放电电光源以高压水银荧光灯、高压钠灯和金属卤化物灯为代表。例如，高压钠灯的发光效率是白炽灯的8～10倍，寿命长、特性稳定、光通量维持率高，适用于显色性要求不高的道路、广场、码头、室内高大的厂房、仓库等场所。

（1）气体放电电光源按放电形式划分为弧光放电灯、辉光放电灯。

①弧光放电灯。这类气体放电电光源主要利用弧光放电柱产生光。阴极工作在较高温度下，所以又叫热阴极气体放电电光源。这类气体放电电光源通常需要专门的启动器才能工作，主要有荧光灯、汞灯、钠灯等。

②辉光放电灯。这类气体放电电光源由辉光放电柱产生光，放电时阴极温度不高，所以又叫冷阴极气体放电电光源。阳极到阴极的电压降较大（100V左右），电流密度小。霓虹灯即属此类。

（2）气体放电电光源按放电时电流经过的媒质划分为气体放电灯、金属蒸气灯。

①气体放电灯。利用气体的放电发光，如氙灯、荧光灯和氖灯等。

②金属蒸气灯。利用金属蒸气（如汞蒸气、钠蒸气等）产生光，如汞灯、钠灯等。

（3）气体放电电光源按放电时灯内大气压的高低划分为低气压灯、高气压灯和超高气压灯。

①低气压灯。放电时，灯内气压为1%个大气压左右，如荧光灯、低压钠灯等。

②高气压灯。放电时，灯内气压为1～5个大气压，如高压汞灯、高压钠灯、高压氙灯等。

③超高气压灯。放电时，灯内气压大于10个大气压，如镝灯、钪钠灯、钠钪烟灯等。

其中高压汞灯的发光效率可达50lm/W，显色指数Ra超过65，色温为4000～6000K，寿命也可达到10000h，功率规格有35～3500W，已形成系列化。高压钠灯发光效率达到120lm/W，显色指数Ra为25，寿命达到24000h，功率规格有30～1000W。HID灯所散发的热量只是卤素灯的一半，灯具寿命可达2500h以上。

荧光灯比白炽灯节电70%，适用于在办公室、宿舍及顶棚高度低于5m的车间等室内场合。紧凑型荧光灯发光效率比普通荧光灯高5%，细管型荧光灯比普通荧光灯节电10%，因此，紧凑型和细管型荧光灯是当今“中国绿色照明工程”实施方案中推出的高效节能电光源。

不同类型的电光源有不同的结构，但一般都具有以下几部分的零部件：作为发光体的灯丝、电极、荧光粉；作为发光体外壳的玻璃、半透明陶瓷管、石英管；作为引线的导丝、芯柱、灯头；作为填充物的各类气体、汞、金属及其卤化物；消气剂、各类涂层、绝缘件及黏结剂等。

电光源主要性能指标有以下六项。

①光量特性指标。包括总光通量、亮度、发光强度、紫外线量和热辐射量等。光源的光通量表征着光源的发光能力，是光源的重要性能指标。光源的额定光通量是指光源在额定电压、额定功率的条件下工作，并能无拘束地发出光的工作环境下的光通量输出。

光源的光通量随光源点燃时间会发生变化，即点燃时间越长，光通量因衰减而变得越小。大部分光源在点燃初期光通量衰减较多，随着点燃时间的增长，衰减也逐渐减小。光源的额定光通量有两种情况：一种指电光源的初始光通量，即新光源刚开始点燃时的光通量输出，它一般用于在整个使用过程中光通量衰减不大的光源，如卤钨灯；另一种情况是指光源使用了100h后的光通量输出，它一般用于光通量衰减较大的光源，如荧光灯。

②光色特性指标。包括光色、色温、显色性、色度和光谱分布等。显色性是光源的一个重要性能指标。通常情况下，光源一般用显色指数衡量其显色性，大概分为四组，在对某些颜色有特殊要求时则采用特殊显色指数。

光源的色表是指其表观颜色，它和光源的显色性是两个不同的概念。例如，高压汞灯的灯光从远处看又白又亮，色表较好，但在该灯光下人的脸部呈现青色，说明它的显色性并不是很好。色表同样是电光源的重要性能指标。光源的色表虽然可以用红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等形容词来表示，但为了定量表示，常用相关色温来度量。

③电气特性指标。包括消耗功率、灯电压、灯电流、启动特性和干扰噪声等。电光源启燃时间是指电光源启燃后达到额定光通量输出所需的时间。热辐射电光源的启燃时间一般不足1s，可认为是瞬时启燃的；气体放电电光源的启燃时间从几秒到几分钟不等，取决于光源的种类。

电光源的再启燃时间是指正常工作的光源熄灭后再将其点燃所需的时间，大部分高压气体放电电光源的再启燃时间比启燃时间更长，这是因为再启燃时要求这种光源冷却到一定的温度才能正常启燃，即增加了冷却所需要的时间。

④机械特性。包括几何尺寸、灯结构和灯头等。

⑤经济特性。包括发光效率、寿命、价格和电费等。光源的光通量输出与它取用的电功率的比称为光源的发光效率，简称光效，单位是lm/W。在照明设计中应优先选用光效高的光源。

●平均寿命。光源从第一次点燃起，一直到损坏熄灭为止，累计点燃小时数称为光源的全寿命。电光源的全寿命有相当大的离散性，即同一批电光源虽然同时点燃，却不会同时损坏，它们将有先有后陆续损坏，且可能有较大的差别，因此常用平均寿命的概念来定义电光源的寿命。取一组电光源作试样，从一同点燃起计时，到50%的电光源试样损坏为止，所经过的小时数就是该组电光源的平均寿命。一般光通量衰减较小的光源常用平均寿命作为其寿命指标。

●有效寿命。电光源在使用过程中光通量将随时间的增加而逐渐衰减。有些电光源的光通量衰减到一定程度时，虽然光源尚未损坏，但它的光效明显下降，继续使用极不经济。电光源从点燃起，一直到光通量衰减到某个百分比所经过的点燃小时数称为光源的有效寿命。一般取70%～80%额定光通量作为更换光源的=据。荧光灯一般用有效寿命作为其寿命指标。

⑥心理特性。包括灯外观和舒适性等。

电光源的主要发展趋势是：提高发光效率，开发体积小的高效节能光源，改善电光源的显色性，延长寿命。达到上述目的的具体途径是开发研制新型材料、采用新工艺，以及进一步研究新的发光机理，开发新型电光源，而最为现实的途径则是改进现有电光源的制造技术，采用新型的、自动化性能好的生产设备。