照明技術概述

孟霞 萬建美

摘? 要：照明設備根據光的技術類型和輸出范圍大致分為白熾燈和鹵素燈、熒光燈、高強度放電燈、等離子燈和硫燈、發光二極管等。本文詳細介紹了這些燈的發光原理、優勢和缺點。

關鍵詞：照明;白熾燈;熒光燈;高強度放電燈;等離子燈;發光二極管

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

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

1? 白熾燈和鹵素燈

白熾燈通過加熱金屬絲（由鎢制成）直到其發光運行。這些燈絲被封閉在充滿惰性氣體的玻璃燈泡中，以保護其免受損壞和氧化。這類燈屬于最古老、最不節能的一類燈，隨著監管機構強烈要求提高能源的使用效率，這類燈在歐洲逐漸被淘汰。鹵素燈與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，原因之一是它們發出的許多光超出了（人類）可見光譜（即，它們的發光效率很低）。

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光。電流可激發汞蒸氣釋放短波紫外線。紫外線被玻璃管內的熒光粉涂層吸收后發出熒光，產生所需的光。熒光燈顏色可以通過更改玻璃管內的熒光粉涂層的顏色或向玻璃中添加濾鏡來調整。熒光燈的發光效率可以大于100 lm/W。

3? 高強度放電燈

高強度放電（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燈通過電弧在兩個鎢電極之間穿梭實現發光的目的，這兩個鎢電極之間由裝有氣體和金屬鹽的透明管隔開。電弧產生的熱量會蒸發金屬鹽，這些金屬鹽在工作溫度下會形成發光的等離子體。HID燈的光譜輸出具有弧光管內所含金屬鹽的特性。HPS燈含有汞和鈉。在點火期間，HPS燈會發出粉紅色的光芒。在此階段，只有汞蒸氣會發光，因為鈉的蒸發僅在達到工作溫度時發生。MH燈含有汞和金屬鹵化物（含有碘或溴的金屬化合物）。HID燈的發光效率高于熒光燈和鎢絲燈，因為它們發出的光很大一部分位于光譜的可見光區域。

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。這類燈無內部電極，并且體積小于HPS燈和MH燈。燈泡小意味著可以開發出更高效的反射器。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? 發光二極管

與其他所有人造照明系統不同，發光二極管（Light Emitting Diodes，LED）不含玻璃或氣體：所有成分均為固態。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成風險的地方。LED由彼此接觸的兩層半導體材料構成。當電流流過LED時，電子移動通過兩種材料之間的接合點。在通過接合點時，電子會下降到較低的能級，并在此過程中釋放出光子。LED中的化學物質控制著能量下降的程度，并因此控制了所發出光子的波長。目前，LED能夠發出240 nm～4 000 nm的幾乎任何波長，不過它們的發光效率隨LED的顏色不同而有所不同（紅色LED和藍色LED最節能）。

白光可以通過以下兩種方法產生：⑴將紅色LED、藍色LED和綠色LED組合在一起;⑵直接使用白色LED。白色LED可通過在藍色LED上添加熒光粉涂層制成。熒光粉會吸收LED發出的一部分光，重新發出波長更長的光（與熒光燈管壁處發生的過程相同）。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整。白光LED的發光效率比標準LED的低，主要有兩個原因：首先，熒光粉涂層會散射LED發出的光，這可以有效地將某些光捕獲在LED內;其次，隨著熒光粉吸收藍色光子并像波長較長的光子一樣重新發射能量，一些能量會被轉換成熱量（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的主要優點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照明系統的效率時要注意的方面很多，但應注意，LED技術正在以相當大的速度發展。LED的效率每10年會提高大約20倍，而發射的每個流明單位的成本卻下降了10倍（海茲定律）。

LED技術的優勢可以從其燈具的設計中看出。與其他種類的照明系統不同，LED發出的光是定向的。因此，LED燈的光學設計與其他燈的設計不同。LED的背面不會發生反射光，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的照明系統不用反射器而用透鏡將光束引導到所需的位置。高質量的光學器件可以減少雜散光的數量，并確保將光導向所需的位置。與其他種類的照明系統一樣，LED發射的光譜是無法更改的。然而，出于不同的應用目的，LED燈發出的全部光譜可以通過更改安裝在該照明系統中的LED的數量和顏色進行調整。LED燈也可以設計成能夠改變每一種光顏色的強度，因此發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