灯发展史

灯发展史
1、光源及电照明介绍
光源分类：自然光源-太阳灯
电光源-利用电能做工，产生可见光的光源
电照明：利用电光源照明
电照明按照发光的分类：电阻发光、电弧发光、气体发光和荧光粉发光电照明按照使用的分类：一般照明、局部照明、装饰照明电阻发光：利用导体自身的固有电阻通电后产生热效应，达到炽热程度而发光，如：白炽灯、碘钨灯…
电弧发光：利用二电极的放电产生高热电弧后发光。

如：炭精灯。

荧光粉发光：在透明玻璃管内注入稀薄气体或微量金属，并在玻璃管内壁涂上一层荧光粉，借二极放电后利用气体的发光时荧光粉吸收而发光。

如：荧光灯…
气体发光：在透明玻璃管内注入稀薄气体和金属蒸汽，利用二级放电使气体高热而发光。

如：钠灯、镝灯…
2、光源发展进展
人类对电光源的研究始于18世纪末。

19世
纪初，英国的H.戴维发明碳弧灯。

1879年，美国的T.A.爱迪生发明了具有实用价值的碳丝白炽灯，使人类从漫长的火光照明进入电气照明时代。

1907年采用拉制的钨丝作为白炽体。

1912年，美国的I.朗缪尔等人对充气白炽灯进行研究，提高了白炽灯的发光效率并延长了寿命，扩大了白炽灯应用范围。

20世纪30年代初，低压钠灯研制成功。

1938年，欧洲和美国研制出荧光灯，发光效率和寿命均为白炽灯的3倍以上，这是电光源技术的一大突破。

40年代高压汞灯进入实用阶段。

50年代末，体积和光衰极小的卤钨灯问世，改变了热辐射光源技术进展滞缓的状态，这是电光源技术的又一重大突破。

60年代开发了金属卤化物灯和高压钠灯，其发光效率远高于高压汞灯。

80年代出现了细管径紧凑型节能荧光灯、小功率高压钠灯和小功率金属卤化物灯，使电光源进入了小型化、节能化和电子化的新时期。

光源发展到现在130多年，经历了几次重要的变革，几代光源的产生见证了这一历史的演变，因此，下面从几代光源的介绍为主线进行综述。

3、第一代光源 --白炽灯
1879年,美国爱迪生发明了具有实用价值的碳丝白炽灯,使人类从漫长的火光照明时代进入电气照明时代。

也宣告了第一代光源-白炽灯的诞生。

现代白炽灯是靠电流加热灯丝至白炽状态而发光。

其具有光谱连续，显色性好，结构简单，可调光，无频闪等优点，使得其在随后的数十年间取得了快速发展。

3.1白炽灯原理
不同类型的电光源有不同的结构，但一般都具有以下几部分的零部件：作为发光体的灯丝、电极、荧光粉；作为发光体外壳的玻璃、半透明陶瓷管、石英管；作为引线的导丝、芯柱、灯头；作为充填物的各类气体、汞、金属及其卤化物；消气剂、各类涂层、绝缘件及粘结剂等。

白炽灯的结构及原理：
普通的白炽灯，主要由玻壳、灯丝、导线、感柱、灯头等组成。

玻壳做成圆球形，制作材料是耐热玻璃，它把灯丝和空气隔离，既能透光，又起保护作用。

白炽灯工作的时候，玻壳的温度最高可达100℃左右。

丝灯是用比头发丝还细得多的钨丝，做成螺旋形。

同炭丝一样，白炽灯里的钨丝也害怕空
气。

如果玻壳里充满空气，那么通电以后，钨丝温度升高到2000℃以上，空气就会对它毫不留情地发动袭击，使它很快被烧断，同时生成一种黄白色的三氧化钨，附着在玻壳内壁和灯内部件上。

两条导线由内导线、杜美丝和外导线三部分组成。

内导线用来导电和固定灯丝，用铜丝或镀镍铁丝制做；中间一段很短的红色金属丝叫杜美丝，要求它同玻璃密切结合而不漏气；外导线是铜丝，任务就是连接灯头用以通电。

一个喇叭形的玻璃零件就是感柱，它连着玻壳，起着固定金属部件的作用。

其中的排气管用来把玻壳里的空气抽走，然后将下端烧焊密封，灯就不漏气了。

灯头是连接灯座和接通电源的金属件，用焊泥把它同玻壳粘结在一起。

3.2白炽灯优缺点
白炽灯的优点有：显色性好，成本低，使用安全，设备维护费用低及无污染，仍被大量采用，但白炽灯是通过将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源。

大部分白炽灯会把消耗能量中的90%转化成无用的热能，只少
于10%的能量会成为光，因此它的发光效率低，能耗大，寿命短为其缺点。

3.3白炽灯的发展趋势
随着澳大利亚作为世界上第一个计划全面禁止使用白炽灯的国家，其他各国纷纷推出了禁用白炽灯的计划，加拿大、日本、美国、中国、欧盟各国均计划在未来10年内逐步淘汰白炽灯的使用。

4.第二代光源--低气压气体放电灯
20世纪30年代，荷兰科学家开发出第一支荧光灯，随后又开发出了集成镇流器于一体的紧凑型荧光灯。

由于其采用创新性的气体放电原理，即由受激发的汞蒸气放电时发出的紫外线激发管内荧光粉而发光。

其具有发光效率高，寿命长，光色好等优点，使得其在家居、办公、商业照明灯领域逐渐取代白炽灯成为使用最广泛、最成功的灯种之一。

近年来欧、美等发达国家以及古巴、菲律宾等发展中国家都颁布法令或制定逐步淘汰白炽灯的计划，大力推广高效节能的荧光灯。

同时也对荧光灯提出了更高的要求，要求更长的寿命，更高的光效，更紧凑的结构，更环保的固汞，更少的汞量等绿色环保节能要求。

4.1荧光灯介绍
普通的荧光灯是最早诞生的气体放电型光源，能够发出近似自然光的白光，光色好，显色指数高。

节能型荧光灯是上世纪八十年代后发展起来的，显色指数较早期的荧光灯高，发光效率也有了较大的提高，性能非常的优越。

4.2荧光灯原理
传统型荧光灯内装有两个灯丝。

灯丝上涂有电子发射材料三元碳酸盐，（碳酸钡、碳酸锶和碳酸钙），俗称电子粉。

在交流电压作用下，灯丝交替地作为阴极和阳极。

灯管内壁涂有荧光粉。

管内充有400Pa-500Pa压力的氩气和少量的汞。

通电后，液态汞蒸发成压力为0.8 Pa的汞蒸气。

在电场作用下，汞原子不断从原始状态被激发成激发态，继而自发跃迁到基态，并辐射出波长253.7nm和185nm的紫外线(主峰值波长是253.7nm，约占全部辐射能的70-80%；次峰值波长是185nm，约占全部辐射能的10%)，以释放多余的能量。

荧光粉吸收紫外线的辐射能后发出可见光。

荧光粉不同，发出的光线也不同，这就是荧光灯可做成白色和各种彩色的缘由。

由于荧光灯所消耗的电能大部分用于产生紫外线，因
此，荧光灯的发光效率远比白炽灯和卤钨灯高，是目前节能的电光源。

荧光灯管中是压力约为0.8Pa的汞蒸汽，在电场作用下放电，在放电过程中，汞原子的价电子不断地从原始状态被激发成激发态，同时由激发态自发的返回到基态，将价电子的电能转化为电磁辐射能，并辐射出3.7nm的紫外线（另外还约有10%的85nm的短波紫外线）。

载波管内壁上的荧光粉吸收353.7nm的紫外线，把它转化为可见光。

无极荧光灯即无极灯，它取消了对传统荧光灯的灯丝和电极，利用电磁耦合的原理，使汞原子从原始状态激发成激发态，其发光原理和原统荧光灯相似，是现今最新型的节能光源。

从荧光灯的发光机制可见，荧光粉对荧光灯的质量起关键作用。

20世纪50年代以后的荧光灯大都采用卤磷酸钙，俗称卤粉。

卤粉价格便宜，但发光效率不够高，热稳定性差，光衰较大，光通维持率低，因此，它不适用于细管径紧凑型荧光灯中。

1974年，荷兰飞利蒲首先研制成功了将能够发出人眼敏感的红、绿、蓝三色光的荧光粉氧化钇（发红光，峰值波长为611nm）、多铝酸镁（发绿光，峰值波长为541nm）和多铝酸镁钡
（发蓝光，峰值波长为450nm）按一定比例混合成三基色荧光粉（完整名称是稀土元素三基色荧光粉），它的发光效率高（平均光效在80lm/W 以上，约为白炽灯的5倍），色温为2500K-6500K，显色指数在85左右，用它作荧光灯的原料可大大节省能源，这就是高效节能荧光灯的来由。

可以说，稀土元素三基色荧光粉的开发与应用是荧光灯发展史上的一个重要里程碑。

4.3荧光灯优缺点
荧光灯的优点是发光效率要比白炽灯高得多，在使用寿命方面也优于白炽灯；缺点是荧光灯的显色性较差（光谱是断续的）特别是它的频闪效应，容易使人眼产生错觉，应采取措施消除频闪效应。

另外，荧光灯需要启辉器和镇流器，使用比较复杂。

紧凑型荧光灯可逐步替代白炽灯：其节电率高，１５Ｗ的紧凑型荧光灯亮度与７５Ｗ的白炽灯相当寿命长，平均寿命８０００小时，最长达２００００小时，白炽灯只有１０００小时～２０００小时。

4.4荧光灯的发展趋势
目前常见的荧光灯及应用如下：
1、直管形荧光灯：对色彩丰富的物品及环境有比较理想的照明效果，光衰小，寿命长，平均寿命达10000小时。

适用于服装、百货、超级市场、食品、水果、图片、展示窗等色彩绚丽的场合使用。

T8色光、亮度、节能、寿命都较佳，适合宾馆、办公室、商店、医院、图书馆及家庭等色彩朴素但要求亮度高的场合使用。

2、彩色直管型荧光灯：适用于商店橱窗、广告或类似场所的装饰和色彩显示。

3、环形荧光灯：主要提供给吸顶灯、吊灯等作配套光源，供家庭、商场等照明用。

4、单端紧凑型节能荧光灯：这种荧光灯也是自镇流荧光灯和内启动荧光灯，可方便地直接取代白炽灯。

5、第三代光源 --HID高强度气体放电灯
20世纪40-60年代，科学家发现提高气体放电的工作压力表现出的优异特性，又不断地开发出高压汞灯，高压钠灯，金属卤化物灯等高强度气体放电灯,由于其具有功率密度高，结构紧凑，光效高，寿命长等优点，使得其在大面积泛光照明、室外照明、道路照明及商业照明等领域得到
广泛应用。

其中较有代表的为金卤灯、钠灯。

5.1金卤灯介绍
在汞和稀有金属的卤化物混合蒸气中产生电弧放电发光的放电灯，金属卤化物灯是在高压汞灯基础上添加各种金属卤化物制成的第三代光源。

照明采用钪钠型金属卤化物灯，该灯具有发光效率高、显色性能好、寿命长等特点，是一种接近日光色的节能新光源，广泛应用于体育场馆、展览中心、大型商场、工业厂房、街道广场、车站、码头等场所的室内照明。

5.1.1金卤灯的工作原理
电弧管内充有汞、惰性气体和一种以上的金属卤化物。

工作时，汞蒸发，电弧管内汞蒸气压达几个大气压（零点几个兆帕）；卤化物也从管壁上蒸发，扩散进入高温电弧柱内分解，金属原子被电离激发，辐射出特征谱线。

当金属离子扩散返回管壁时，在靠近管壁的较冷区域中与卤原子相遇，并且重新结合生成卤化物分子。

这种循环过程不断地向电弧提供金属蒸气。

电弧轴心处的金属蒸气分压与管壁处卤化物蒸气的分压相近，一般为 1330～13300Pa。

通常采用的金属平
均激发电位为4eV左右，而汞的激发电位为7.8eV。

金属光谱的总辐射功率可以大幅度超过汞的辐射功率。

结果，典型的金属卤化物灯输出的谱线主要是金属光谱。

充填不同种金属卤化物可改善灯的显色性（平均显色指数Ra为70～95）。

汞电弧总辐射中仅有23%在可见光区域内，而金属卤化物电弧的总辐射则有50%以上在可见光区域内，灯的发光效率可高达120lm/W以上。

金属卤化物与电极、石英玻璃之间以及卤化物相互之间在高温下都会引起化学反应。

金属卤化物容易潮解，极少量水的吸入可造成放电不正常，使灯管发黑。

电极电子发射物质系采用氧化镝、氧化钇、氧化钪等，以防止发射物质与卤素发生反应。

电弧管内有些金属(如钠)会迁移，结果会使卤素过量，导致卤素负电性极强，引起电弧收缩和启动电压、工作电压升高。

金属卤化物灯仅靠触发电极的作用是不能可靠启动的，一般采用双金属片启动器，或者采用有足够高启动电压的漏磁变压器，也有采用电子触发器的。

金属卤化物灯的点燃还需要限流器（即镇流器），其工作电流比同功率高压汞灯的要大一些。

5.1.2金卤灯的优缺点
金属卤化灯市针对高压汞灯光色差的致命缺点研制出来的第三代新光源，它综合了汞灯、荧光灯及白炽灯的优点，具有光效高、节能、显色性好、寿命长的优点。

缺点：对原材料要求苛刻，工艺复杂，尺寸和精度要求高，技术设计有难点等。

5.1.3金卤灯的发展趋势
除了性能表现优秀之外，金卤灯还具有良好的系统兼容性，可在汞灯或钠灯镇流器系统上使用，轻松方便地替换钠灯、汞灯，如：HPI-BUS 型不需要触发器就可以直接替换汞灯。

因此工厂在不做任何电器改装，节省额外成本的情况下，能立刻完成节能改造和提升照明环境。

5.2钠灯介绍
钠灯利用钠蒸气放电产生可见光的电光源。

钠灯又分低压钠灯和高压钠灯。

低压钠灯的工作蒸气压不超过几个帕。

低压钠灯的放电辐射集中在589.0纳米和589.6纳米的两条双D谱线上，它们非常接近人眼视觉曲线的最高值（555纳米），故其发光效率极高。

高压钠灯的工作蒸气压大于0.01兆帕。

高压钠灯是针对低压钠灯单
色性太强，显色性很差，放电管过长等缺点而研制的。

5.2.1钠灯的工作原理
灯泡启动后，电弧管两端电极之间产生电弧，由于电弧的高温作用使管内的钠汞齐受热蒸发成为汞蒸气和钠蒸气，阴极发射的电子在向阳极运动过程中，撞击放电物质有原子，使其获得能量产生电离激发，然后由激发态回复到稳定态；或由电离态变为激发态，再回到基戊无限循环，多余的能量以光辐射的形式释放，便产生了光。

钠灯是一种高强度气体放电灯泡。

由于气体放电灯泡的负阻特性，如果把灯泡单独接到电网中去，其工作状态是不稳定的，随着放电过程继续，它必将导致电路中电流无限上升，最后直至灯光或电路中的零、部件被过流烧毁。

钠灯同其他气体放电灯泡一样，工作是弧光放电状态，伏—安特性曲线为负斜率，即灯泡电流上升，而灯泡电压却下降。

在恒定电源条件下，为了保证灯泡稳定地工作，电路中必须串联一具有正阻特性的电路元件来平衡这种负阻特性，稳
定工作电流，该元件称为镇流器或限流器。

电阻器、电容器、电感受器等均肯有限流作用。

电阻性镇流器体积小，价格便宜，与高压钠灯配套使用会发生启动困难，工作时电阻产生很高的热量，需有较大的散热空间、消耗功率很大，将会使电路总照明效率下降。

它一般在直流电路中使用，在交流电路中使用灯光有明显所闪烁现象。

5.2.2钠灯的优缺点
低压钠灯，是利用低压钠蒸气（工作蒸气压不超过几个帕）放电产生可见光的电光源，发明于1930年。

低压钠灯系统具有光效高，温升低，重量轻，自身功耗小，功率因数大等特点，可以最大限度的提高低压钠灯的光效。

低压钠灯辐射单色黄光，显色性一般，适用于照度要求高但对显色性无要求的照明场所，如高速公路、高架铁路、公路、隧道、桥梁、港口、堤岸、货场、建筑物标记以及各类建筑物安全防盗照明。

由于黄色光透雾性强，该灯也适宜于多雾区域的照明。

因此，太阳能低压钠灯系统是应用于太阳能照明领域的最佳选择。

高压钠灯具有发光效率高，耗电少，寿命长，透
雾强和不诱虫等特点。

主要有普通型，高显色型，高光效型，低汞型，农用型等。

钠灯的长寿命，高光通，高光效，透雾性能佳等特性，常用于道路照明，泛光照明，广场照明等。

5.2.3钠灯的发展趋势
钠灯主要应用场合：道路、机场码头、港口、车站、广场、无显色要求的工矿照明等。

用做路灯的钠灯，在夜间可产生良好的路面能见度。

这种桔黄色的灯光，在雾天的透射力强而且柔和，在这种灯光下的物体，可以看得很清楚。

所以不少交通要道和人工照明上，都使用钠气灯来减少汽车的交通事故。

在功能性照明领域，现今节能光源产品如无极灯和LED灯仍然处于技术发展阶段，钠灯还将是这类照明场所的主流产品。

六、第四代光源--LED发光二极管
20世纪60年代，科学家开发出第一个实用可见光LED，随后又相继开发出各种单色光LED。

近年来，LED光效不断提升，并突破单一颜色的局限性，向白色光照明迈进。

由于其采用固体半导体材料作为发光材料，加电后，半导体中的载流子发生复合，从而引起光子发射发出可见光。

其具有结构紧凑，可控性好，启动快，
寿命长，环保节能等优点。

从而开启了其在照明应用领域新的一页。

高频无极灯和半导体LED灯都是当代照明电光源发展的最新技术，高频无极灯是基于电磁感应和荧光气体放电的原理，高频无极灯的原理及实际应用在文献《高频无极灯原理和发展前景及在实际工程中的应用》一文中有详细的介绍。

6.1 LED的介绍
LED(Light-Emitting-Diode中文意思为发光二极管)是一种能够将电能转化为光能的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。

LED的特点非常明显，寿命长、光效高、无辐射与低功耗。

6.2 LED的工作原理
LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。

LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附着在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。

半导体晶片由两部分组成，一部分是P 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。

但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N
结”。

当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。

而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料决定的。

6.3 LED的优缺点
LED的内在特征决定了它具有以下优点：
1、体积小：LED基本上是一块很小的晶片被封装在环氧树脂里面，所以它非常小，非常轻。

2、耗电量低：LED耗电相当低，直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦），电光功率转换接近30%。

一般来说LED的工作电压是2-3.6V，工作电流是0.02-0.03A；这就是说，它消耗的电能不超过0.1W，相同照明效果比传统光源节能近80%。

3、使用寿命长：有人称LED光源为长寿灯。

它为固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，在恰当的电流和电压下，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。

4、高亮度、低热量：LED使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。

5、环保：LED是由无毒的材料作成，不像荧光灯
含水银会造成污染，同时LED也可以回收再利用。

光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源
6、坚固耐用：LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固。

灯体内也没有松动的部分，使得LED不易损坏。

7、多变幻：LED光源可利用红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生256×256×256=16777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。

8、技术先进：与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品。

它成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。

LED 也有以下缺点：
1、节能是否就一定环保？由于其高能效，人们普遍认为用LED灯取代传统的灯泡、荧光灯是一种非常环保的做法。

然而，近日由美国加州大
学艾尔文分校进行的一项调查却显示，这些LED 灯中包含有锑、砷、铬、铅以及其他多种金属元素。

其中，部分LED灯的有毒元素含量已经超过了监管部门制定的标准。

比如在低亮度红色LED灯中，研究人员发现铅含量超标达到8倍，镍含量也超标2.5倍。

简单的说，大家应该清楚，虽然LED的能效非常高，但它绝非完全环保的选择，只是蕴含的潜在危险和其他照明技术不同罢了。

2、散热不理想：LED需要由于单个发光面比较窄，通常大规模集成在线路板上，形成一个比较大的发光源，由此会造成大量热量积累，有时会击穿电路板。

所以LED灯的散热一定要好。

3、对人眼的伤害较大：人眼最不能接受的是蓝光和UV光(即紫外线光)，蓝光杀伤人眼活性细胞的能力是绿光的10倍，人们为了追求亮度，通常更会加强LED的蓝光强度，从而对人眼造成伤害。

所以LED灯具在道路交通的LED导航指示、LED路灯、LED台灯的使用上具有一定的不利因素，容易让人在使用过程中产生头晕眼花、不舒服的感觉，甚至长期使用会变成眼晴伤害，使
得患眼病的机率会有所提高。

6.4 LED的发展趋势
LED在各个领域的应用
(1) 显示屏、交通讯号、广告业多媒体、城市亮化显示光源的应用LED 灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、三色和单色显示屏，全国有100 多个单位在开发生产。

交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED, 因为采用LED 信号灯既节能，可靠性又高，所以在全国范围内，交通信号灯正在逐步更新换代，而且推广速度快，市场需求量很大，是个很好的市场机会。

(2) 汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。

汽车用白炽灯不耐震动撞击、易损坏、寿命短，需要经常更换。

1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯。

由于LED响应速度快, 可以及早提醒司机刹车，减少汽车追尾事故，在发达国家，使用LED 制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件，美国HP 公司在1996年三种颜色的。