灯泡系列:光从何处来?(上)-器物与我

X 光下的灯泡,从左至右分别为白炽灯、(紧凑型)荧光灯和 LED 灯,来源:topmetrology.ro

前言

如上一篇《器物小史:灯泡》中所言,在民用领域,现今已是白炽灯、荧光灯和 LED 灯三分天下。

白炽灯垂垂老矣,荧光灯已值中年,LED 羽翼渐丰。

三种灯的原理不一,分别对应三种发光方式:白炽灯对应『热辐射』,荧光灯对应『气体放电』,LED 灯对应『电致发光』。

本文只谈发光原理,上篇聊白炽灯和荧光灯,下一篇再说 LED 灯,至于色温、显色性、发光效率和寿命等具体特性的比较,放到另一篇文章中探讨。

(为了便于理解,本文尽量简化原理,有不妥之处,还请多多包涵。)

热辐射发光的白炽灯

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各式白炽灯,来源:gelighting.com

白炽灯(Incandescent Lamp),顾名思义,光色偏白、炽热如火。

其结构简单,主体就是灯丝+玻璃壳+灯头,再充入含少量氮的氩气。

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白炽灯的构造,《照明手册》 - 日本照明学会


白炽灯怎么发光?


按下白炽灯的开关,接通电路,电子流经灯丝(钨丝),灯丝逐渐升温。

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通电发热的白炽灯丝,来源:discovermagazine.com

随着温度升高,灯丝即可散发出包含『可见光』在内的热辐射。

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发光的钨丝,来源:youtube.com

白炽灯点亮过程中钨丝会蒸发出钨原子,其附着在玻璃壳上,时间一长,玻璃壳越来越黑。

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钨丝蒸发出钨原子,来源:edisontechcenter.org

玻璃壳一变黑,温度就上升,温度一高,灯泡指不定那天就鼓起或破裂,怎么缓解这一问题?

方法之一就是在填充气体内加入卤族元素,把它的构造和外壳改一改,白炽灯就变身为卤素灯(Halogen Lamp,也叫卤钨灯)。

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各式卤素灯,来源:gelighting.com

气体放电发光的荧光灯

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各式荧光灯,来源:edisontechcenter.org


荧光灯『Fluorescent Lamp』,顾名思义,利用『荧光粉』发光的一种灯。

它是『气体放电灯』的一种高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯也属气体放电灯。

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直管荧光灯构造,来源:《照明手册》 - 日本照明学会

荧光灯的类型和样式众多,有『热阴极』和『冷阴极』之别,热阴极一般用于照明,冷阴极一般用于显示器背光。

样式上有『单头』和『双头』的,双头多为直管样式。

单头样式多样,有 H 形、U 形、双 U 形、环形、球形、螺旋形等等。

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不同形状的荧光灯,来源:《照明手册》 - 日本照明学会

灯泡样式的荧光灯就是坊间所谓的『节能灯』,全称是『紧凑型荧光灯』(Compact Fluorescent Lamp,缩写为 CFL ),自带镇流器,灯座和白炽灯通用。

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节能灯内置镇流器,来源:edisontechcenter.org

荧光灯怎么发光?


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荧光灯的发光原理简图,来源:《照明手册》 - 日本照明学会


按下开关,电流先经『镇流器』调整,再流过灯丝(钨丝),灯丝发射『热电子』。

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灯丝发射热电子,来源:edisontechcenter.org

热电子碰撞『水银蒸气』中的『水银原子』,原子激发而发出『紫外线』。

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热电子碰撞水银蒸气中的水银原子,来源:edisontechcenter.org
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水银原子受电子激发发出紫外线,来源:edisontechcenter.org

最后一步,紫外线到达玻璃管,经荧光粉转换,变为『可见光』。

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荧光粉把紫外线转换为可见光,来源:edisontechcenter.org
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套上荧光粉外壳的灯管,来源:edisontechcenter.org

下面便是是荧光灯启动(点灯)的整个过程:

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荧光灯的启动(点灯)过程,来源:edisontechcenter.org

荧光灯需要电流维持在适当的值,因此需要镇流器来启动和控制电流。

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各式镇流器,来源:tradeee.com

常见的镇流器有两种,『电感镇流器』和『电子镇流器』,前者属旧式,后者为新式。

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左为电子镇流器,右为电感镇流器,来源:touchstoneenergy.com

旧式的直管形荧光灯通常需要『电感镇流器』和『启辉器』(提供点灯启动时的高压)相互配合。

新式的荧光灯(如节能灯)一般用『电子镇流器』,无需启辉器。

以上便是白炽灯和荧光灯的发光原理,至于 LED 灯,留待下回分解。

主要信息来源


edisontechcenter.org

popularmechanics.com

howstuffworks.com

《 Lamps and Light 》 - Jeremy Myerson、Sylvia Katz

《照明手册》- 日本照明学会

《照明设计手册》 - 北京照明学会

《白光LED照明技术》- 田民波、朱焰焰

《照明设计入门》 - 中岛龙兴

《照明基础知识》 - 飞利浦照明