器物小理:家用灯泡(更新)-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,题图来源:topmetrology.ro

前言

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,白炽灯通过「热辐射」发光,荧光灯利用「气体放电」发光,LED 灯采用「固体电致发光」。

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。白炽灯结构简单,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?按下开关,电路接通,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,玻璃壳就会变黑。

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钨丝蒸发出钨原子,来源:edisontechcenter.org

玻璃壳变黑,温度随之上升,长期使用,灯泡可能鼓起或破裂。怎么处理?方法之一是在填充气体内加入卤族元素,改造结构,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

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。荧光灯是「气体放电灯」的一种,高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯同属气体放电灯。

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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。

荧光灯有「单头」和「双头」两种样式,双头多为直管造型,单头有 H 形、U 形、双 U 形、环形、球形、螺旋形等等造型。

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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

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:

器物小理:家用灯泡(更新)-器物与我荧光灯的启动(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,旧式的「电感镇流器」和新式的「电子镇流器」。

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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。

LED 灯

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一种灯泡形 LED 的各组件,来源:mashable.com

LED 就是「发光二极管」(Light Emitting Diode),种类和用途不一,本文只讨论用于照明的白光 LED 灯。

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LED 的各式用途,来源:「LED封装技术」 – 苏永道

LED 灯的构造比白炽灯和荧光灯复杂,一般包含散热基板、半导体晶片、荧光体、树脂材料、封装材料、光学透镜等等,我们放大看看:

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传统 LED 的构造,来源:「LED照明驱动电源与灯具设计」 – 毛兴武

LED 灯采用电致发光(Electroluminescence)原理,直接将电能转化为光能,一般用「固体材料」在「电场」激发下发光,所以也叫做「电激发光」、「场致发光」。除开 LED 灯,利用电致发光的还有「OLED 灯」和「EL 灯」。

我们先简单概括 LED 的发光步骤:

  • 两个半导体,电子多的为 N 型(Negative,负的),空穴多的为 P 型(Positive,正的),中间的区域叫「 PN 结」。

  • 通电,N 型半导体上的「电子」与 P 型半导体上的「空穴」相对流动。

  • 「电子」与「空穴」在 PN 结上一结合,便发射出「光子」,电能就此转换为光能。

PS:电子带负电。「空穴」(Electron Hole),也叫「电洞」,电子流失留下的空位,可视为带正电。

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LED 发光原理示意,来源:「LED封装技术」 – 苏永道

拆分来看,第一步,拿出两种半导体,一个种为 P 型,另一种为 N 型。

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来源:youtube.com

第二步,把两个挨在一起,通电。

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来源:youtube.com

第三步,N 型半导体身上有「电子」,P 型半导体身上有「空穴」,两者相对运动:

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来源:youtube.com

最后,发出「光线」(光子):

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来源:youtube.com

让我们再从外到内看一遍:

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从 LED 灯外面进入里面,来源:youtube.com

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带电子(负电荷)与带空穴(正电荷)的两种半导体,来源:youtube.com

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电子与空穴结合发光,来源:youtube.com

能发光,不代表能发出日常照明所需的白光。白有多种类型,也有很多种实现方式,白炽灯通过热辐射发光,只要把灯丝加热到一定温度就会发出「白光」,荧光灯通过激发水银蒸汽发出紫外线,只需加上荧光体就可以把「紫外线」变成「白光」。

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三原色混合产生白色,「照明基础知识」 – 飞利浦照明

红绿蓝按照一定比例混合就能产生白色,三种颜色的 LED 灯,组合使用就能发出白光,所以直到上世纪 90 年代蓝光 LED 出现,白光 LED 才诞生。

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三色 LED 混合产生白光,「LED封装技术」 – 苏永道

对于人眼来说,蓝光和黄光混合就可以得到近似白光的光线,所以也可以用单色 LED + 荧光体的方式发出白光。

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三种实现白光 LED 的方式,来源:「白光LED照明技术」- 田民波、朱焰焰

  • 蓝光 LED + 黄色荧光体,就有了近似白光的、质量一般的白光。

  • 蓝光 LED + 红色荧光体 + 绿色/黄色荧光体,就有了质量较高的白光。

  • 紫外线 LED +红色荧光体 + 绿色荧光体 +蓝色荧光灯,产生的就是高质量的白光。

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蓝光 LED + 黄色荧光体产生白光,来源:edisontechcenter.org

主要信息来源

edisontechcenter.org

popularmechanics.com

howstuffworks.com

youtube.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

照明设计入门 – 中岛龙兴

照明基础知识 – 飞利浦照明

白光 LED 照明技术 – 田民波、朱焰焰

LED 封装技术 – 苏永道