照明技術(shù)的變遷
人類(lèi)在大約50萬(wàn)年前就以燃燒樹(shù)木產(chǎn)生的火焰及光作為光源使用,這就是最早的光源。隨著人類(lèi)文明的進(jìn)步,之后燒植物油及礦物油來(lái)產(chǎn)生光。1876年愛(ài)迪生發(fā)明了白熾燈(Incandescent Lamp),它以碳棒作為燈絲,是照明技術(shù)的巨大改進(jìn),1938年發(fā)明的日光燈(或稱(chēng)為熒光燈,F(xiàn)luorescent Lamp)可以減少熱的損失,節(jié)省能源的消耗,這又是一大進(jìn)步,后來(lái)緊湊型日光燈(Compact Florescent Lamp)的開(kāi)發(fā)使其應(yīng)用更為普遍,同時(shí)高壓氣體放電(HID:High Intensity Discharge)燈如水銀燈(Mercury Lamp)、金屬鹵素?zé)簦∕etal Halide Lamp)及鈉燈(Sodium Lamp)等的發(fā)明可在室外實(shí)現(xiàn)照明,滿(mǎn)足了各方面的需要。目前約有21%的電源用于照明,如果能在固體照明領(lǐng)域節(jié)省一半的能源,則會(huì)對(duì)人類(lèi)的節(jié)約能源作出巨大的貢獻(xiàn)。
采用半導(dǎo)體材料(Semiconducting Meterial)做成紅光、黃光及綠光發(fā)光二極管(LED:Light Emitting Diode)已在約十年前研制成功,這些LED大都用AlInGaP材料做成,但直到數(shù)年前,用AlGaInN材料成功制成藍(lán)光LED,這才使白光LED 的夢(mèng)終成現(xiàn)實(shí)。用半導(dǎo)體材料制作白光LED被稱(chēng)為固體照明(Solid State Lighting),下面將介紹以前的光源的性能。
1、 白熾燈
白熾燈是用黑體(BB:Black Body)發(fā)熱,主要以鎢(Tungsten)絲作燈絲(Filament),因?yàn)殒u有高熔點(diǎn)(3683K)及低蒸發(fā)率。只是白熾燈的大部分的光是紅外線(xiàn)(Infrared),鎢絲放熱比黑體稍微藍(lán)移(Blue Shift)即向短波長(zhǎng)方向移,如圖1所示,所以發(fā)光效率(Luminous Efficiency)比較高,而藍(lán)移也不影響演色性(CRI:Color Rending Index)。一般鎢絲都卷成螺旋形放在球形玻璃殼中,并充入不起反應(yīng)的惰性氣體,例如氬氣(Ar)及少數(shù)氮?dú)?Nitrogen),而40W以下的白熾燈則多數(shù)是抽真空。因?yàn)榘谉霟舻拇蟛糠州椛涔馐羌t外線(xiàn),所以120V白熾燈的照明效率在2400K時(shí)約為81m/W,一般100W白熾燈只有7%的電功率轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)光。白熾燈壽命衰減的主要原因是鎢絲蒸發(fā),白熾燈的一般壽命約750~1000h,但是因?yàn)榘谉霟魞r(jià)廉,所以被大量應(yīng)用在住宅。
2、 鎢絲鹵素?zé)?/P>
為減少鎢絲蒸發(fā)率以增加其壽命及工作溫度,在燈泡中添加鹵素氣體做成的鎢絲鹵素?zé)簦═ungsten Halogen Lamp)也頗為流行。鎢絲鹵素?zé)舻脑硎窃诨瘜W(xué)反應(yīng)時(shí),鎢產(chǎn)生鹵化物從高溫?zé)艚z擴(kuò)散到冷玻璃殼壁上,由于這是一個(gè)可逆反應(yīng),所以同時(shí)鎢的鹵化物分解成鎢而反方向擴(kuò)散在鎢絲上,結(jié)果鎢絲的分量沒(méi)有改變,因此溫度可以高達(dá)3450K。一般鎢絲鹵素?zé)艟诟邷毓ぷ?,燈泡也較小,用的是比較硬的玻璃殼,其壽命比鎢絲白熾燈要高兩倍。{{分頁(yè)}}
以上介紹的兩種燈均是熱輻射發(fā)光,下面將介紹氣體放電發(fā)光。
3、 日光燈
當(dāng)高壓電通過(guò)氣體時(shí),氣體會(huì)分離而離子化,產(chǎn)生由電子、離子及中性粒子等組成的等離子(Plasma)氣體,限制電流使其不致產(chǎn)生雪崩(Avalanche)而逐漸穩(wěn)定。一般日光燈用低壓放電可以產(chǎn)生11000~13000K的高溫,目前日光燈可用的材料有汞即水銀和鈉,但是鈉燈光是黃色多用在街道上,而汞燈則釋放紫外線(xiàn)(UV:Ultraviolet)故多用于一般日光燈,燈管涂上熒光粉(Phosphor)以產(chǎn)生白光。
日光燈的熒光粉可以由UV激發(fā)產(chǎn)生白光,鹵化磷酸鹽(Halophosphate)Ca5(PO4)3(CL3F):(Sb3+,Mn2+)是最早使用的熒光粉,其中銻(Sb)的作用是增感(Sensitizer)及發(fā)光中心(Activator),銻受UV激發(fā)產(chǎn)生近480nm寬帶,而錳(Mn)則產(chǎn)生580nm寬帶,其光譜如圖2(a)所示,改變Sb及Mn的摻雜量可以得到不同的色溫(Color Temperature)2700~6500K,但是因?yàn)槿鄙偌t光,所以其演色性值Ra只有50~76左右。如果要得到高的演色性,可以使用混合物,例如Sr5(PO4)3(CL,F(xiàn))(Sb3+,Mn2+)及Sr3(PO4)Sn2+,但是其發(fā)光效率較差。在1970年,三色熒光粉研發(fā)成功,得到如圖2(b)所示的光譜,其中有600nm、550nm及450nm波長(zhǎng)的波峰。三色熒光粉中的紅色多用Y2O3:Eu2+;綠色用CeMgAL11O12:Tb3+,LaPO4:Ce3+,Tb3+及CeMgB5O10:Ce3+;Tb3+;藍(lán)色則用BaMg2AL16O37:Eu2+及Sr5-x-yBaxCay(PO4)3CL:Eu2+。用稀土族Eu、Tb等材料可以得到高量子效率,但稀土族元素較昂貴。用三色熒光粉Ra值可達(dá)80~85。若要得到Ra>90,則需要具有如圖2(c)所示寬帶光譜的五種熒光粉,包括鹵化磷酸鹽、三色熒光粉以及寬帶紅色(620nm)Mn2+活性化的五硼(Pentaborate)酸鹽等材料。
目前日光燈正朝著小管徑緊湊型發(fā)展,這種燈被稱(chēng)為緊湊型熒光燈(CFL:Compact Fluorescent Lamp),小直徑(10~16mm)管可以直接用在燈座上,轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%,比100W白熾燈要高四倍。這種燈因?yàn)槭‰?、壽命長(zhǎng),并可與普通燈互換,已逐漸被普遍采用。{{分頁(yè)}}
日光燈比白熾燈效率高、壽命長(zhǎng)并且可選擇光色,是室內(nèi)照明光源中發(fā)展最快的光源,目前發(fā)光效率可達(dá)100lm/W,壽命可達(dá)24000h,Ra值大于83。日光燈的最大缺點(diǎn)是光輸出與溫度有關(guān),在室溫下具有最高輸出功率,增加或減少溫度均會(huì)使光輸出功率減少,其他缺點(diǎn)是演色性不夠高、受無(wú)線(xiàn)電波長(zhǎng)影響較大以及有噪聲,同時(shí)因?yàn)楹瘜?duì)環(huán)境有影響,但是已在公共場(chǎng)所被大量使用。
4、 低壓鈉燈
低壓鈉燈(Low Pressure Sodium Lamp)用鈉代替汞可得到含有589nm及589.6nm(D線(xiàn))的黃光,但鈉熔點(diǎn)比汞高,也比汞活潑,要用抗鈉玻璃。因?yàn)镈線(xiàn)的發(fā)光效率約為 530lm/W,所以低壓鈉燈的發(fā)光效率可達(dá)100~200lm/W,只是其演色性很低,Ra=-44,另外要長(zhǎng)時(shí)間才能暖起來(lái),所以大部分應(yīng)用在街道及公路上。
5、 高壓汞燈
高壓汞(HPMV:High Pressure Mercury Vapor)燈在2~10 atm(1 atm=1.01325
評(píng)論