热辐射光源

1．2．2　热辐射光源

通过实验及分析可知:当电流通过白炽灯中的螺旋形钨丝时，会发生热效应，从而使白炽灯辐射出可见光和红外光。从钨丝热辐射的波长范围很广，其中可见光部分仅占很小的比例，紫外线也很少，绝大部分是红外线。钨丝辐射随着工作温度升高而增加，其中可见光部分比红外线增加得更快．因此钨丝的工作温度越高，灯的光效率就越高。辐射的可见光从暗红，经过橙黄、发白，然后是炽蓝。这样，色温也就随着辐射体的温度升高而提高。热辐射光源一般分为白炽灯和卤钨灯。

1）白炽灯

（1）白炽灯的光电参数及其特性

①额定电压和额定功率

普通照明和反射型白炽灯的额定电压一般为220V和110V，局部照明灯泡的额定电压大多为36V、12V、6V，船用灯泡的额定电压等级有24V、110V、220V几种。

普通照明灯泡的额定功率一般在15～1 000W；局部照明灯泡和船用灯泡的额定功率一般较小，大多为10～100W，反射型灯泡的额定功率一般为几十至几百瓦。

②光通量和发光效率

白炽灯的额定光通量一般是指点燃100h以后的光通量输出。白炽灯根据不同的功率，其输出的光通量一般在几十到1 000lm之间。

白炽灯总功率的75%以上都以红外线的方式辐射掉（产生热能），仅有小部分能量产生可见光。因此普通白炽灯的光效不高，约为10～15lm／W。

③寿命和启燃时间

白炽灯的平均寿命一般为1 000h，使用寿命较短。影响白炽灯使用寿命的主要原因是:在额定状态下，钨丝在工作过程中会蒸发钨而使灯丝变细，从而导致断丝。

钨丝通电加热过程十分迅速，对于大多数白炽光源来说，能够瞬时启燃和再启燃。

④色温、显色指数

白炽灯的色温取决于它的工作温度。实际使用的普通白炽灯能达到的色温不超过3 000K，所以白炽灯属于低色温、暖色调光源。

白炽灯的显色性取决于它的光谱能量分布。白炽灯属于热辐射光源，具有与黑体一样的连续光谱，因而其显色性很好，显色指数R_a平均可达99。

⑤光电参数与电源电压的关系

当电源电压发生变化时，对白炽灯性能的影响极大，将改变白炽灯的电阻、电流、功率、效率、光通量和寿命。当电源电压高于光源要求的额定电压时，将会大大降低白炽灯的使用者命；当电源电压低于额定电压时，将会使白炽灯的光通量输出大大降低，但却不至于熄灭。因此，常采用调压方式对白炽灯进行调光控制，如局部照明用的调光灯和影剧院用的调光灯一般均用白炽灯。

⑥灯的开关及调光特性

在正常情况下，灯的开关并不影响灯的寿命．只有当点燃后灯丝变得相当细时，由于开关造成的快速的温度变化而产生的机械应力，才会使灯丝损坏。但开关灯时要注意，在灯启动的瞬间灯的电流很大，这是由于钨有正的电阻特性，在工作温度时的电阻远大于冷态（20℃）时的电阻，一般白炽灯灯丝的热电阻是冷电阻的12～16倍，因此，当使用大批量白炽灯时，灯要分批启动。

普通白炽灯可以进行调光，调光灯的灯丝工作温降低，从而使灯的色温降低，灯的光效降低，但寿命延长。因此，在灯几乎被连续调光的情况下，一般说来采用功率较小的白炽灯为好。当白炽灯工作在标称电压的50%以下时，灯几乎不发光，然而，此时的能量损耗依然是不小的。因此，建议当调光到这一程度时不如干脆将灯瞬间关熄。

（2）白炽灯的类型

白炽灯的规格很多，分类方法不一，总的来说可分为真空灯泡和充气灯泡。但一般的分类基本上是根据用途和特性，从大的类别来说，可分为普通照明灯泡、电影舞台用灯泡、照相用灯泡、铁路用灯泡、船用灯泡、汽车用灯泡、仪器灯泡、指示灯泡、红外线灯泡等。

在有些场合，如商店的橱窗和展览厅等处，并不需要将各处都照得很亮，而只希望有很好的局部照明，适应于这样的需求，各种反射型的白炽灯迅速发展起来。根据泡壳的加工方法，反射型白炽灯可分为吹制泡壳反射型白炽灯和压制泡壳封闭光束灯两类，俗称“PAR”灯。PAR灯可分聚光型和泛光型两大类。

PAR灯的前头镜也可以是彩色的，常用的颜色有红、黄、蓝、绿和琥珀色。为了减少出射光的热量，在透镜上涂以红外反射膜，做成冷光型的PAR灯，广泛用于各种需要冷光照明的场合。另外，PAR灯的聚光性强，光的利用率高，比同功率的白炽灯（包括一般反射灯）产生的照度高，因此常用于室内外投光照明。各种白炽灯如图1．15所示。

图1．15　各种类型的白炽灯泡

但是，白炽灯仍然存在发光效率低，散热量大、寿命短等缺点，因而在设计上受到限制。除开关频繁场所，需要调光的场所及严格要求防止电磁波干扰的场所外，其余场所不推荐使用，尽量以紧凑型节能荧光灯或紧凑型节能卤钨灯取代。

2）卤钨灯

填充气体内含有部分卤族元素或卤化物的充气白炽灯称为卤钨灯。卤钨灯也是一种热辐射光源，性能比普通钨丝白炽灯有很大改进。

（1）卤钨循环的原理

普通白炽充气灯泡由于它的灯丝在高温工作时的蒸发，会导致灯丝的损耗，蒸发出来的钨沉积在泡壳上。当卤素加进填充气体后，如果灯内达到某种温度和设计条件，钨与卤素将发生可逆的化学反应。简单地讲，就是白炽灯灯丝蒸发出来的钨，其中部分朝着泡壳壁方向扩散。在灯丝与泡壳之间的一定范围内，其温度条件有利于钨和卤素结合，生成的卤化钨分子又会扩散到灯丝上更新分解，使钨又送回到了灯丝。分解后的卤素则又可参加下一轮的循环反应，这一过程称为卤钨循环或再生循环。卤钨再生循环能防止钨沉积在玻壳上，使灯泡在整个寿命期间保持良好的透明度，光通量输出降低很少。

（2）卤素的选择

理论上，所有卤素都能在灯泡内产生卤钨再生循环。根据灯内所充入的微量卤素元素的不同，可制成氟钨灯、氯钨灯、碘钨灯和溴钨灯。这些灯的区别在于卤钨循环时发生化学反应所需要的温度不同。目前技术成熟而使用广泛的是碘钨灯和溴钨灯两种。

（3）结构与性能参数

卤钨灯分为两端引出和单端引出两种。如图1．16所示。两端引出的灯管用于普通照明，单端引出的灯管用于投光照明、电视、电影、摄影等场所。

图1．16　卤钨灯外形

卤钨灯的特点是:由于卤钨循环使蒸发的钨又不断地回到钨丝上，抑制了钨的蒸发，并且因灯管内被充入较高压力的惰性气体而进一步抑制了钨蒸发，使灯的寿命有所提高，最高可达2 000h，平均寿命为1 500h，为白炽灯的1．5倍；因灯管工作温度提高，辐射的可见光量增加，使得发光效率提高，光效可达10～30lm／W；工作温度高，光色得到改善，显色性也好，一般照明用的卤钨灯的色温为2 800～3 200K。卤钨灯与一般白炽灯比较，它的优点是体积小、效率较高、功率集中，因而可使照明灯具尺寸缩小，便于光的控制。因此，灯具制作简单，价格便宜，运输方便。

对卤钨灯也能进行调光。但应注意，当灯的功率下调到某一值时，由于泡壳温度降得太多，卤钨循环不能进行，于是卤钨灯变成了普通白炽灯。这时，由于泡壳小，泡壳易于发黑，另外，游离的溴要腐蚀灯的内导丝。因此，不主张对卤钨灯进行过分的调光。

（4）应用

一般照明用的卤钨灯主要是两端引出的管状卤钨灯。寿命大于2 000h，功率0．1～2kW，灯管直径8～10mm，灯管长80～330mm。两端采用RTS的标准磁接头，需要时在磁管内还装有熔丝，一般照明也有单端引出的，还可将小型卤钨灯泡装在灯头为E26／E27的外泡壳内，做成二重管形的卤钨灯泡。在原有灯具中可直接代替普通白炽灯。

投光照明用的卤钨灯主要有带介质冷反光镜的定向照明卤钨灯（MR型）、卤钨FAR灯以及放映卤钨灯。MR型是将反光镜和灯泡一体化的卤钨灯。反射镜内表面涂镀多层介质膜，以反射可见光透过红外（滤掉），俗称冷光束卤钨灯，反射镜可以是抛物面也可以是多棱面，光束可做成宽、中、窄三种，电压有6V／12V／24V，功率10～75W，色温3 000K，寿命2 000～3 000h，广泛用于橱窗、展厅、宾馆以及家庭。卤钨PAR灯比普通白炽灯效率高，可节电40%左右，广泛用于舞台、影视、橱窗、展厅、室外照明和红外加热。