白炽灯 Incandescent lamps

2022-11-17 10:17:49 浏览:190

定义

从电加热灯丝产生热辐射的光源。

白炽灯是从电加热灯丝产生热辐射的光源。 通常,该灯丝由钨制成,允许在2400至2800 K的相对较高的温度下工作,卤素灯甚至可以在3200 K左右运行。 早期的白炽灯是用碳丝制成的,这种碳丝的耐温性要差得多。

灯丝可以仅由两根载流线支撑,也可以由固定在中空玻璃支架中的附加支撑线支撑。

为了防止灯丝快速氧化,将其放置在玻璃灯泡中,玻璃灯泡要么抽真空,要么(更频繁地)充满一些低压惰性气体,如氮气、氩气或氪气,这会减慢灯丝材料的蒸发,但也带走一些热量。 通过选择具有重原子量的气体(例如氪或氙气),可以将后一种效应降至最低。 (请注意,这些不应该被称为氪灯或氙气灯,因为这些是气体放电灯。 气体填充也应不含任何水蒸气,这可能会大大缩短使用寿命。 玻璃灯泡的尺寸选择得足够大,以避免操作过程中温度过高,并限制蒸发的金属丝变暗的影响。 玻璃可以是透明的,使灯丝从外部可见,也可以磨砂(见图1)以减少眩光。

白炽灯 Incandescent lamps

图1:家用白炽灯,带有常见的 E14(左和中)和 E27(右)插座。中间的有一个磨砂玻璃。

大多数白炽灯都有一些常见的电源插座。 例如,E27和E14插座(见图1)是普通家用灯的常见。 它们可以简单地拧入合适的夹具中。

白炽灯可以针对不同的工作电压制造。 家用灯通常在 230 V 或 110 V 等电网电压下运行,因此需要相当细的灯丝,不幸的是,这使得它们对机械冲击更敏感,也对操作过程中材料的逐渐蒸发更敏感。 低压灯,例如 6 V 和 12 V,可以用更厚的灯丝制成,因为它们需要具有较低的电阻。

图2:带有透明玻璃的白炽灯,可以看到盘绕的灯丝。

用于高工作电压的灯丝必须非常细和长。 它通常是双线圈的,这意味着人们使用细线线圈并再次线圈。 这种配置改善了效率和寿命之间的权衡(见下文)。 对于低压灯,单线圈甚至根本不线圈就足够了。

灯丝应该具有非常均匀的直径,因为直径仅略微减小的部件会因其电阻增加而变得更热,并且灯管寿命可能会大大缩短。 不幸的是,在操作过程中可能会出现越来越多的直径不均匀性,其中蒸发造成的材料损失可能不完全均匀。

白炽灯的能源效率和使用寿命

白炽灯中可见光的产生效率相当低,因为大部分热辐射都在红外光谱区域。 红外光通常无法使用,除了它可以在某种程度上支持建筑物的供暖系统(见下文)。 对于与照明应用相关的发光效率,只有可见光输出很重要(具有与波长相关的权重因子),而红外发射被视为浪费的能量。 家用灯的典型实现值约为 15 lm/W,而高功率灯泡则暂时更高。

在发光效率和灯寿命之间需要权衡。

发光效率随着工作温度的升高而显着提高,但同时也会迅速缩短灯的使用寿命。 对于典型的照明应用,效率和寿命之间的权衡导致设计寿命约为1000小时。 对于某些寿命比效率更重要的应用,例如对于某些信号灯,使用较低的工作温度。 这种方法对于照明应用来说是不合理的,因为偶尔需要更换相对便宜的灯是可以接受的,而电力消耗则造成了大部分的生命周期成本。 对于某些应用,如摄影实验室中的投影仪,人们使用更高的工作温度来获得最大亮度,从而牺牲了大部分潜在的设备寿命。

对于以较低电压(例如 110 V 而不是 230 V)运行的灯,上述权衡有些宽松,因为较厚的灯丝可以在更高的温度下工作。 然而,非常低的电压(几伏)也是有问题的,因为当时需要的粗电线会从灯丝上传导大量的热能。

在运行过程中,由于灯泡内表面灯丝中蒸发的金属沉积,灯泡通常会显着变暗。 这进一步降低了光输出和效率。

加热效应不是对低光产生效率的补偿吗?

白炽灯的能源效率低下有时可以原谅它们对建筑物供暖的贡献。 然而,这种说法并不是很有力。 首先,根据气候条件,每年运行时间的很大一部分可能会落入不需要加热效果甚至不受欢迎的时间。 (在最坏的情况下,空调会消耗额外的能量来去除废热。 其次,电加热效率很低,通常需要比燃气燃烧器加热所需的一次能源多两到三倍。

电气特性

钨丝的电阻随着温度的升高而增加。 虽然这为整个灯丝创造了一种自稳定效应,但温度不均匀性被放大了:由于某种原因比其他灯丝更热的灯丝部分将受到增加的电加热。 此外,像往常一样,它会导致相当高的导通电流,以便在恒定电压下运行。 使用寿命通常在开启期间达到。

白炽灯 Incandescent lamps

图3:用于在 230 V 电网电压下运行的卤素灯。

与气体放电灯和发光二极管等许多其他光源相比,白炽灯通常不需要任何额外的电气元件即可连接到电网。 然而,许多卤素灯需要一些变压器或一种电子设备来提供所需的较低工作电压。 其他设计用于在电网电压下运行(见图3)。

白炽灯是纯电阻负载,即它们具有统一的功率因数,并且没有无功电流。 此外,在很大程度上避免了电谐波的产生。 然而,当使用调光器时,所有这些都可以改变。

特殊形式的白炽灯

一些白炽灯充满了卤素气体,这在一定程度上放松了效率和寿命之间的权衡。 这种卤素灯在低工作电压下工作得特别好,但也可以用于典型的电网电压。

在较低程度上,使用氪气或氙气等特殊气体填充物可以在一定程度上提高效率。 然而,由于成本高,这种方法或多或少仅限于小灯泡。

各种实践方面

灯的亮度可以通过相对简单的调光器电路来降低,通常通过相位角控制。 然而,变暗的白炽灯甚至比全功率运行的灯效率低得多。 此外,色温会变低,这可能会受欢迎,也可能不受欢迎。

白炽灯的光谱非常平滑,色温为2500 K,明显低于普通日光。 这种“暖光色调”通常被认为适合照明应用,但不适用于摄影。 对于办公室照明,更高的色温是可取的,因为它们可以提高生产率;人员往往不那么疲倦。

产生的光即使在 50 Hz 的交流电下运行时也不会闪烁,例如,由于灯丝的热容量。 然而,对于需要快速开关或光脉冲生成的应用,该容量是一个限制因素。 另请注意,频繁切换会缩短灯泡寿命;每个开启过程都会耗费大量的使用寿命。 这种影响可以通过较慢的开启来大大降低,例如使用调光器电路。

白炽灯的生产相当便宜,不需要有问题的材料,因此处置并不重要。 然而,由于发电的副作用,特别是当使用燃煤发电站的电力时,该操作可能会对环境产生重大影响。 在这种情况下,汞对环境的污染可能远远超过使用汞基荧光灯的环境污染,即使没有适当的灯回收。

白炽灯的应用

白炽灯仍然广泛用于一般照明目的,例如在家庭中。 然而,由于能源效率低下,它们越来越多地被逐步淘汰,部分原因是政府法规的推动。 在早些年,它们通常被荧光灯取代 - 最初是大管,后来也被紧凑型荧光灯(CFL)取代,通常可以插入与白炽灯相同的灯具中(如果有足够的空间用于暂定更大的灯)。 如今,照明越来越多地使用发光二极管(LED),其效率甚至比荧光灯更高,通常更紧凑,更环保,因为它们不需要汞。

在某些应用中,白炽灯很难被其他光源取代。 例如,它们能够在非常宽的环境温度范围内运行,这对于在烤箱中操作非常重要。 但请注意,高温操作需要特殊的无水灯泡玻璃。

特殊形式的小型白炽灯用作红外发射器,例如用于红外吸收光谱。

基础光学

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