《照明行业各种灯具》PPT课件.ppt

光源原理与设计绪论诸定昌第一章 绪论光源原理与设计绪论诸定昌一. 光源的定义能把其他形式的能量转换为光学波段的电磁辐射的器件称为光源1.能量的形式 热能 化学能 生物能 电能电光源光源原理与设计绪论诸定昌2. 转换方式 加热辐射（eg白炽灯）热辐射光源连续谱 原子激发辐射线光谱 带电粒子的速度变化（轫致辐射）连续谱3. 光学波段光源原理与设计绪论诸定昌 可见光区 380780 nm 红外光近红外区 7801500 nm中红外区 1500110 nm4远红外区 110 110 nm46光源原理与设计绪论诸定昌 紫外光真空紫外 1200 nm远紫外 200300 nm近紫外 300380 nm紫外A区 UVA 400315 nm 化学线 黑斑线紫外B区 UVB 315280 nm 健康线（红斑线）紫外C区 UVC 280200 nm 灭菌线光源原理与设计绪论诸定昌二. 光源发展简史1. 第一代光源白炽灯碳丝白炽灯 1879(Edison) 1.43 几小时锇丝白炽灯 1898 55.5 几十小时钨丝白炽灯 1907 58 几百小时真空钨丝白炽灯 1910 89 接近一千小时充N2螺旋钨丝白炽灯 1913 11充Ar(Kr,Xe)钨丝白炽灯 1917 12充Ar(Kr,Xe)双螺旋钨丝白炽灯 14 碘钨灯 1959 30 溴钨灯 1964 32光效寿命光源原理与设计绪论诸定昌2. 第二代光源荧光灯霓虹灯(Neon lamp) 1910 用于广告汞蒸汽放电灯 1930 38 差荧光灯(卤粉) 1935 40 好涂钒酸钇荧光粉灯 1967 65 好细管径荧光灯(T12T8T5) 1973 85 好异型荧光灯(CFC) 1977 代替白炽灯Ra光源原理与设计绪论诸定昌3. 第三代光源钠灯与金卤灯低压钠灯 1932 40 差外壳涂红外反射层的低压钠灯 1965 200 差高压钠灯 1965 150 差钠-铊-铟灯 1961 75 好镉-钬-铥灯 1971 90 很好95络合物(Sc-Na)金卤灯 1976 80 65无极放电灯 寿命长Ra光源原理与设计绪论诸定昌三. 光源的参量1. 技术参量 光通量 F(lm) 功率 P(w) 寿命 H(hrs)全寿命 从亮到熄有效寿命 F衰减到初始值的一定比例光源原理与设计绪论诸定昌2. 运行参量 光效 (lm/w) 1 转换成辐射的功率占总功率的比例 2 辐射中可见辐射的比例每单位输入功率产生的光通量光源原理与设计绪论诸定昌光源的颜色色表: 人眼观察光源颜色时的舒适程度(与背景光有关)色温照度 E(lux)房间 E150lux Tc500lux Tc6000K光源原理与设计绪论诸定昌显色性: 被照物体本色被光源显色的程度指标: Ra太阳光下最大,为100钠灯 28 高压汞灯 40价格光源原理与设计绪论诸定昌四. 光源的分类1. 以放电类型分类辉光放电,弧光放电2. 以工作气压分类低气压,高气压,超高气压3. 以工作气体种类分类汞灯,荧光灯,惰性气体,金属蒸汽光源原理与设计绪论诸定昌4. 按用途分类5. 按灯种类分按发光原理热辐射光源气体放电光源光源原理与设计绪论诸定昌电光源固体光源类气体放电灯类钨丝灯类白炽灯(普灯)卤素灯荧光灯类高强度气体放电灯(HID)类无极灯高压汞灯高压钠灯金属卤化物灯 直管/环形日光灯紧凑型节能灯发光二极管(LED)光源原理与设计绪论诸定昌五. 光源的应用1. 照明体育场照明, 泛光照明2. 加热3. 光化学照像, 加快化学反应速度光源原理与设计绪论诸定昌4. 光生物杀菌, 保健, 光合作用5. 高科技模拟室, 光电效应, 军事(夜视仪)LCOS PDPDBD光源原理与设计绪论诸定昌References:1. “电光源原理引论” 蔡祖泉等 (1988) 2. “气体与真空中电现象” 卡普卓夫 (1952)3. “Light Sources” Elenbass (1972)4. “Gas Discharge Lamp” Johr.F.Vaymouth光源原理与设计绪论诸定昌谢谢观看!光源原理与设计白炽灯诸定昌第二章 白炽灯光源原理与设计白炽灯诸定昌白炽灯主要特性：使用方便，外型多样，价格低廉=815 lm/w H=1*103 小时灯丝色温 Tc=27002900K(灯光黄）Ra100光源原理与设计白炽灯诸定昌2.1 热辐射的性质光源原理与设计白炽灯诸定昌一、热辐射的定义（温度辐射）因温度而产生的辐射TE（thermal Equilibrium)热力学平衡状态LTE（local thermal Equilibrium)局部热力学平衡状态光源原理与设计白炽灯诸定昌二、基尔霍夫定律（Kirchholf Law)1.光辐射出度Me(T)Me(T)=Pe(T)/S 单位（W/m2)Pe单位时间辐射的能量。

2.光谱辐射出度M（,T)M（,T) =dMe(T)/d=dPe(T)/Sd光源原理与设计白炽灯诸定昌3.光谱的吸收率(,T) (,T)=dPe (,T)=/dPe (,T)4.Kirchholf Law光源原理与设计白炽灯诸定昌三、黑体辐射的基本性质1.黑体的定义： 黑体就是能够在任何温度下将辐射到它表面上的任何波长的能量全部吸收 B（,T)1光源原理与设计白炽灯诸定昌2.普朗克公式MB(,T)=C1-5exp(C2/T)-1-1 其中C1=2hc2=3.74*10-16(W m2) C2=hc/kB=1.44*10-2(m K)当不是很大，T不是很高时 MB(,T)=C1-5e-C2/T讨论：1）TMB 2）Tmax(峰值波长)向短波方 向移动 3）T低时红外为主 随T上升，可见光部分增加 光源原理与设计白炽灯诸定昌3斯忒藩玻尔兹曼定律 MeB(T)=0MB(,T)d=SBT4 SB=5.67*10-8W/(m2 K4)4维恩位移定律 m T=b=2.89779*10-3(mK)光源原理与设计白炽灯诸定昌四、实际表面的辐射 实际上，所有的辐射体都不是黑体，它们的光谱辐射出度M(,T)总是比黑体的MB(,T)小。

定义光谱发射率： (,T)=M(,T)/ MB(,T)1光源原理与设计白炽灯诸定昌2.2 白炽灯的结构与材料光源原理与设计白炽灯诸定昌一、结构二、对白炽辐射体（灯丝）的要求1.熔点高2.蒸发率V小 影响V的因素 Tf 自身的蒸汽化 环境气氛灯丝的结构3.可见辐射选择性好4.机械强度高，易加工5.有适当的电阻率三、钨的主要性质 光源原理与设计白炽灯诸定昌2.3真空白炽灯中的基本物理现象光源原理与设计白炽灯诸定昌一、真空白炽灯的光效Pin(输入)=Pr（辐射）+Pc（热损耗） 实际中Pc（38）% Pin光源原理与设计白炽灯诸定昌1.理想直钨丝灯的光效 Pc=0光效 0=KmMB(,T)(,T)V()d /MB(,T) (,T) d2.实际灯丝的光效螺旋型灯丝因“遮挡”效应使下降0/，（遮挡因子） ，=1.121.15光源原理与设计白炽灯诸定昌二、真空白炽灯中钨的蒸发和寿命1.真空中的钨的蒸发率Vap单位时间撞击单位钨表面的原子数：N1=1/4 nV=n(kT/2m)单位时间单位表面沉积的钨质量为 ：Vap=0N1m =0 n(kTm/2) =0.060P/T0.5光源原理与设计白炽灯诸定昌2.蒸发率与灯寿命的关系温度T（K） Vap（g/cm2*s） H(hr) Vap* H 2200 2.24*10-12 7.2*104 5.8*10-42400 1.38*10-10 1.14*103 5.5*10-4 2600 4.17*10-9 3.86*101 5.8*10-4 3000 1.05*10-6 0.15 5.7*10-4 可以看出 Vap* H=const实验 ：d=0.1m/m 在不同Tf下的Vap光源原理与设计白炽灯诸定昌a)灯丝质量损耗临界百分比G直G直=H内蒸发的质量/灯丝原有总质量=4Vap H/dfG直1/df df灯丝直径b)螺旋灯丝的损耗临界百分比G螺G螺（5060）% G直光源原理与设计白炽灯诸定昌三、总结 基本矛盾 T（MeT4） TVapH Tf=23002600K H=1*103hrs =810lm/W光源原理与设计白炽灯诸定昌2.4充气白炽灯中的基本物理现象光源原理与设计白炽灯诸定昌一、气体稳定层 在炽热的灯丝附近，气体变得非常粘滞，几乎可以看成是不流动的；而在泡壁附近的区域里，由于气体温度较低、粘滞度小，气体强烈对流。

因此，可以认为，紧贴灯丝周围存在着一层厚度的稳定气体层，直径为b光源原理与设计白炽灯诸定昌 二、充气对抑制钨蒸发的作用 在充气灯中钨的损失主要是由于在稳定层内钨的浓度扩散 N1为1m长的灯丝表面在一秒种内扩散出去的钨原子数光源原理与设计白炽灯诸定昌三、充气的热损失单位长度灯丝损失功率：Pc=-2r(dT/dr) 整个灯丝损失功率：Pc= Pclf lf灯丝的长度 讨论：影响Pc的因素 1）充气气体的种类2）充气压力3）lf4）df光源原理与设计白炽灯诸定昌 对于充氩氮混合气的白炽灯，每厘米长度灯丝的气体热损失Pc约为4W对于电压为220V的灯泡，螺丝长度必须大于2cm，否则两根导丝之间有放电的危险因此，充气灯泡的最小热损失值为8W左右 显然，对220V小功率白炽灯不宜充气，25W以下的白炽灯只能是真空，否则热损失占输入的主要部分，得不偿失光源原理与设计白炽灯诸定昌四、本节结论1充气可抑制蒸发2充气引起热损耗3充入分子量大的气体可更好抑制蒸发和减小热耗4采用螺旋灯丝可使Pc下降5采用螺旋灯丝可增加寿命（机械强度增大了）光源原理与设计白炽灯诸定昌2.5白炽灯灯丝的设计光源原理与设计白炽灯诸定昌一、统一公式1.灯丝参数a)直线型灯丝 直径d 长度l b)单螺旋灯丝 直径d 长度l 螺距系数Ks=S/d 芯丝系数 Kc=dc/d c)双螺旋灯丝 直径d 长度l 第一螺距系数Ks1=S1/d 第一芯丝系数 Kc1=dc1/d 第二螺距系数Ks2=S2/(2d+dc1) 第二芯丝系数 Kc2=dc2/(2d+dc1)d)Ks和Kc的合理选取光源原理与设计白炽灯诸定昌2灯丝的计算能量平衡方程Pl=Pr+Pc+Ph白炽灯钨丝直径和长度的统一公式光源原理与设计白炽灯诸定昌二、经验公式钨丝份量 Q200=/4 * d2 *200 * d=kQ200 (mm) 三、外推公式修正灯泡的一些参数 四、误差百分比计算公式五、设计中注意的问题光源原理与设计白炽灯诸定昌2.6白炽灯的运用特性 白炽灯的光效虽然比较低，但由于它使用极其方便，辐射光谱是连续的，显色性好，因此到目前为止仍是应用最广的一种光源。

光源原理与设计白炽灯诸定昌一、运用参量1高色温白炽灯 主要用与摄影和放映电影以及电视和舞台照明 Tc3200K =30 H=50100hrs2普通照明灯 一般照明=1020 Tc=26003000K H1*103hrs 3红外线灯 用于红外加热干燥、温室保温和医疗保健等 10 Tc2500K H1*103hrs光源原理与设计白炽灯诸定昌二、白炽灯的指数特性H寿命 F光通量 光效 V灯电压 I电流P功率 R电阻光源原理与设计白炽灯诸定昌三、指数特性的应用例1：H的加速试验d(充气泡)=13.1 电压提高10%H1/H2=（242/220）13.1=3.48例2：内在质量因数 qa b=7 所以定义光源原理与设计白炽灯诸定昌2.7白炽灯的发展方向光源原理与设计白炽灯诸定昌一、探索新的灯丝材料更高的熔点，有更好的辐射选择性二、改善灯丝材料的结构，以及使周围的介质环境更理想化！1小型化 2反射型 3涂红外反射层IRC technologyThin film multilayer coatings(Filter) Stack ConstructionWavelengthHigh refractiveindexLow refractiveindexSubstrate (glass bulb)glass bulbSiO2SiO2SiO。