照明技术概述

孟霞 万建美

摘  要：照明设备根据光的技术类型和输出范围大致分为白炽灯和卤素灯、荧光灯、高强度放电灯、等离子灯和硫灯、发光二极管等。本文详细介绍了这些灯的发光原理、优势和缺点。

关键词：照明;白炽灯;荧光灯;高强度放电灯;等离子灯;发光二极管

中图分类号：S815 文献标志码：C 文章编号：1001-0769（2021）01-0007-04

照明技术的类型可以用多个变量描述，如光谱输出量，这可以将其与日光的光谱成分进行比较。以下我们将概述光的技术类型及其输出范围（图1～5）。

1  白炽灯和卤素灯

白炽灯通过加热金属丝（由钨制成）直到其发光运行。这些灯丝被封闭在充满惰性气体的玻璃灯泡中，以保护其免受损坏和氧化。这类灯属于最古老、最不节能的一类灯，随着监管机构强烈要求提高能源的使用效率，这类灯在欧洲逐渐被淘汰。卤素灯与白炽灯的不同之处在于前者所含的卤素气体（碘或溴）可延长钨丝的寿命，并可使灯泡在更高的温度下工作。这类灯的能量使用效率低，原因之一是它们发出的许多光超出了（人类）可见光谱（即，它们的发光效率很低）。

2  荧光灯

荧光灯通过使电流流过装有汞蒸气的充气玻璃管发光。电流可激发汞蒸气释放短波紫外线。紫外线被玻璃管内的荧光粉涂层吸收后发出荧光，产生所需的光。荧光灯颜色可以通过更改玻璃管内的荧光粉涂层的颜色或向玻璃中添加滤镜来调整。荧光灯的发光效率可以大于100 lm/W。

3  高强度放电灯

高强度放电（High-intensity Discharge，HID）灯通常分两种：高压钠（High-Pressure Sodium，HPS）灯和金属卤化物 （Metal Halide，MH）灯。HID灯通过电弧在两个钨电极之间穿梭实现发光的目的，这两个钨电极之间由装有气体和金属盐的透明管隔开。电弧产生的热量会蒸发金属盐，这些金属盐在工作温度下会形成发光的等离子体。HID灯的光谱输出具有弧光管内所含金属盐的特性。HPS灯含有汞和钠。在点火期间，HPS灯会发出粉红色的光芒。在此阶段，只有汞蒸气会发光，因为钠的蒸发仅在达到工作温度时发生。MH灯含有汞和金属卤化物（含有碘或溴的金属化合物）。HID灯的发光效率高于荧光灯和钨丝灯，因为它们发出的光很大一部分位于光谱的可见光区域。

4  等离子灯和硫灯

等离子灯是一种气体放电灯，通过高频无线电波加热密封玻璃容器中的气体产生光。在硫灯中，玻璃容器含有硫，加热后硫会形成等离子体。这类灯无内部电极，并且体积小于HPS灯和MH灯。灯泡小意味着可以开发出更高效的反射器。与其他种类的气体放电灯一样，改变灯中的气体混合物组成可以改变光谱，但是一旦气体混合物建成，光谱则不会变动。

5  发光二极管

与其他所有人造照明系统不同，发光二极管（Light Emitting Diodes，LED）不含玻璃或气体：所有成分均为固态。因此，LED不像其他种类的灯那样易碎，它们可用于其他灯可能会被损坏并对使用人的健康和安全构成风险的地方。LED由彼此接触的两层半导体材料构成。当电流流过LED时，电子移动通过两种材料之间的接合点。在通过接合点时，电子会下降到较低的能级，并在此过程中释放出光子。LED中的化学物质控制着能量下降的程度，并因此控制了所发出光子的波长。目前，LED能够发出240 nm～4 000 nm的几乎任何波长，不过它们的发光效率随LED的颜色不同而有所不同（红色LED和蓝色LED最节能）。

白光可以通过以下两种方法产生：⑴将红色LED、蓝色LED和绿色LED组合在一起;⑵直接使用白色LED。白色LED可通过在蓝色LED上添加荧光粉涂层制成。荧光粉会吸收LED发出的一部分光，重新发出波长更长的光（与荧光灯管壁处发生的过程相同）。白色LED的颜色可以在制造过程中通过改变荧光粉混合物的组成调整。白光LED的发光效率比标准LED的低，主要有两个原因：首先，荧光粉涂层会散射LED发出的光，这可以有效地将某些光捕获在LED内;其次，随着荧光粉吸收蓝色光子并像波长较长的光子一样重新发射能量，一些能量会被转换成热量（这种能量损失称为斯托克斯位移損失）。斯托克斯位移损失可达30%，但是最高效的荧光粉（钇铝石榴石，YAG）的斯托克斯位移损失仅10%左右。因此，与红色LED相比，产生大量红光的“白色”LED在斯托克斯位移损失方面更大。LED的主要优点之一是具有比其他光源更高的效率（光能输出/电能输入）。虽然在估测LED照明系统的效率时要注意的方面很多，但应注意，LED技术正在以相当大的速度发展。LED的效率每10年会提高大约20倍，而发射的每个流明单位的成本却下降了10倍（海兹定律）。

LED技术的优势可以从其灯具的设计中看出。与其他种类的照明系统不同，LED发出的光是定向的。因此，LED灯的光学设计与其他灯的设计不同。LED的背面不会发生反射光，因此LED灯对反射器的需求减少，不过反射镜仍可用于整形光束。许多基于LED的照明系统不用反射器而用透镜将光束引导到所需的位置。高质量的光学器件可以减少杂散光的数量，并确保将光导向所需的位置。与其他种类的照明系统一样，LED发射的光谱是无法更改的。然而，出于不同的应用目的，LED灯发出的全部光谱可以通过更改安装在该照明系统中的LED的数量和颜色进行调整。LED灯也可以设计成能够改变每一种光颜色的强度，因此发射光谱可以随意修改。

原题名：Lighting in pig buildings： the principles（英文）

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