白炽灯、日光灯、LED的发光原理

白炽灯、日光灯、LED的发光原理

评论:1 条 查看:2240 次 taoluezheLED 发表于 2008-01-05 14:24

1．白炽灯

根据白炽灯技术，主要有四种灯泡形式，分别为钨丝灯（tungsten-

filament）、卤钨灯(tungsten halogen)、石英卤素灯(quartz halogen)及红外线

反射灯(infra-lamps，简称IR灯)。

1.1 白炽灯的发光原理

白炽灯是将电能转化为光能以提供照明的设备。其工作原理是：电首先被转化

成了热，将灯丝加热至极高的温度（钨丝，熔点达3000℃多），这时候组成灯丝

的元素的原子核外电子会被激发，从而使得其向较高能量的外层跃迁，当电子再次

向低能量的电子层跃迁时，多余的能量便以光的形式放出来了。同时产生热量，螺

旋状的灯丝不断将热量聚集，使得灯丝的温度达2000℃以上，灯丝在处于白炽状

态时，就象烧红了的铁能发光一样而发出光来。灯丝的温度越高，发出的光就越

亮。故称之为白炽灯。

白炽灯是由发光用的金属钨丝、与外界电源相通的电极，尾部的密封部分组

成。一般将灯泡里面抽成真空或充入其它儿童没有身份证怎么坐高铁 惰性气体，利用钨的熔点高的特点，将其

制造成丝状，通入电流后，钨丝便发光，并有一部分电能转化为热能。在使用白炽

灯时，注意不要去处接触灯泡，第一，灯泡表面温度很高，容易烫着手；第二，灯

泡在工作时，钨丝在很高的温度下变软，如果晃动灯泡，容易使灯泡损坏。在刚开

关刚闭合时钨丝最容易烧断。

1.2 灯丝材料

做灯丝的材料要求具有一定的电阻率、机械强度、化学稳定性和低挥发(即高

熔点)。钨满足以上这些基本要求，当然这并不是说只有这一种材料，事实上还有

铼，钼，钽，锇以及金属碳化物。

1.3 为何选择钨丝？

一是因为其电阻大，当电流通过时钨丝时，就可以消耗电流，以发热，当达到

一定温度时小学生天地 就可以发光，当然这个加热过程是非常快的。

二是因为其挥发的慢，同时，在灯泡里充满着惰性气体，可以有助于降低钨丝

的挥发。为什么选钨丝，那时人们长久以来经验的结果。当爱迪生发明电灯的时

候，传说他试验了包括植物纤维、动物毛发和人的头发在内的一千多种（也有说两

千多种）材料，很多不适合作灯丝。主要原因是内阻小，或者熔点低，或者亮度不

合适等等。最后爱迪生选择的并不是今天我们广泛采用的钨丝。后来人们经过多次

改进才选择了钨作灯丝。

1.4为何叫碘钨灯？

利用电流通过钨丝的时候产生几千度的高温并且发光，钨丝在高温下会挥发，

并在温度较低的灯泡玻璃上凝结，导致透明度严重降低，照明效率下降，钨丝挥发

严重时会断裂，完全损坏。为了解决钨丝高温下挥发的问题，现在普遍的做法是向

灯泡内充入碘等卤素，碘会在高温下和钨原子结合，并在高温的钨丝上将碘化钨还

原为钨，从而大大延长了灯泡的使用寿命。这也是现在很多灯泡简称碘钨灯的原

因。卤素灯工作在高温下，很多电能白白的变成了熊猫的英文怎么写 热能，而没有转化为光能，因

此，卤素灯发光效率低。灯丝工作在高温下，在车辆行驶中的颠簸十分不利，容易

损毁。家里的灯泡更脆弱，碰几下就完蛋了。卤素灯丝工作在密闭的玻璃球或者管

内，外壳一旦破损，灯泡就牺牲了。

白炽灯的显色性：白炽灯发出的光是全色光，但各种色光的成份比例是由发

光物质（钨）以及温度决定的。比例不平衡就导致了光的颜色的偏色，所以在白炽

灯下物体的颜色不够真实。（即显色性不高）在商场购衣物时很容易上当。

白炽的寿命眼镜清洗方法 与功率：白炽灯的寿命跟灯丝的温度有关，因为温度越高，灯丝

就越容易升华（钨直接变成钨气）。所以，白炽灯的功率（瓦数）越大，寿命就越

短。

2. 日光灯

2.1 日光灯构造

日光灯管两端装有灯丝，玻璃管内壁涂有一层均匀的薄荧光粉，管内被抽成真

空度103-104毫米汞柱以后，充入少量惰性气体，同时还注入微量的液态水银。灯

管内壁上涂有荧光粉，两个灯丝之间的气体导电时发出紫外线，使荧光粉发出柔和

的可见光。

2.2 日光灯工作特点

灯管开始点燃时需要一个高电压，正常发光时只允许通过不大的电流，这时灯

管两端的电压低于电源电压。

2.3 电感整流器与启辉器作用

电感镇流器是一个铁芯电感线圈，电感的性质是当线圈中的电流发生变化时，

则在线圈中将引起磁通的变化，从而产生感应电动势，其方向与电流的方向相反，

因而阻碍着电流变化。起辉器在电路中起开关作用，它由一个氖气放电管与一个电

容并联而成，电容的作用为消除对电源的电磁干扰并与镇流器形成振荡回路，增加

启动脉冲电压幅度。放电管中一个电极用双金属片组成，利用氖泡放电加热，使双

金属片在开闭时，引起电感镇流器电流突变并产生高压脉冲加到灯管两端。在正常

发光过程中，镇流器的自感还起着稳定电路中电流的作用。

图1 日光灯电路图

2.4 日光灯的工作原理

日光灯的整体电路如图1所示。其工作原理是：当开关接通的时候，电源电压

立即通过镇流器和灯管灯丝加到启辉器的两极。220伏的电压立即使启辉器的惰性

气体电离，产生辉光放电。辉光放电的热量使双金属片受热膨胀，两极接触。电流

通过镇流器、启辉器触极和两端灯丝构成通路。灯丝很快

被电流加热，发射出大量电子。这时，由于启辉器两极闭合，两极间电压为零，辉

光放电消失，管内温度降低；双金属片自动复位，两极断开。在两极断开的瞬间，

电路电流突然切断，镇流器产生很大的自感电动势，与电源电压叠加后作用于管两

端。灯丝受热时发射出来的大量电子，在灯管两端高电压作用下，以极大的速度由

低电势端向高电势端运动。在加速运动的过程中，碰撞管内氩气分子，使之迅速电

离。氩气电离生热，热量使水银产生蒸气，随之水银蒸气也被电离，并发出强烈的

紫外线。在紫外线的激发下，管壁内的荧光粉发出近乎白色的可见光。

日光灯正常发光后，由于交流电不断通过镇流器的线圈，线圈中产生自感电动

势，自感电动势阻碍线圈中的电流变化，这时镇流器起降压限流的作用，使电流稳

定在灯管的额定电流范围内，灯管两端电压也稳定在额定工作电压范围内。由于这

个电压低于启辉器的电离电压，所以并联在两端的启辉器也就不再起作用了。

灯管两端发黑原因：钨丝的升华直接变成钨气，这些钨气体遇到温度较低的

灯管壁又凝华在灯管壁上而发黑的，当钨丝升华到比较细瘦时，通电后就很容易烧

断，从而结束了灯的寿命。

图2 LED发光原理

3. LED赠医生锦旗 的发光原理

发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、G承诺书范文 aAsP

（磷砷化镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P-N结的I-V特

性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特

性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的

少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图2所示。

假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，

或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子

被非发光中心（这个中心介于导带、介带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每

次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例

越大，光量子效率就高。由惊讶的近义词是什么 于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN

结面数m以内产生。

理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度Ｅg有

关，即≈1240/Eg（mm）；式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光

（波长在380nm紫光～780nm红光），半导体材料的Eg应在3.26～1.63eV之间。

比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其

中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。

4. LED光源和常见光源的性能比较

表1-1 LED光源和常见光源的性能比较

名称 耗电量(W) 工作电压(V) 协调控制 发热量 可靠性 使用寿命

金属卤素灯 100 220 不易 较高 低 3000

霓虹灯 500 较高 高 高 低 3000

镁氖灯 16W/m 220 较好 较高 较好 6000

荧光灯 4-100 220 不易 较高 低 5000-8000

冷阴极 15W/m 需逆变 较好 较低 较好 10000

钨丝灯 15-200 220 不易 高 低 3000

节能灯 3-150 220 不易调光 低 低 5000

LED灯 极低 直流 多种形式 极低 极高 100,000

表1-2 几种光源的性价比

光效寿命(小时) 市售价价格(元/Lm) 名称 功率光通量

(Lm/W) (支) (W) (Lm)

白炽灯 12 <2000 1.5元 0.0031 40 480

普通荧光灯 55 >5000 3.5-4.0元 0.0016-36 2000

0.002

三基色荧光灯 28 2680 96 10000 带镇流器0.0149-

40-60元 0.0224

H型荧光灯 9 500-540 55-60 <8000 带镇流器0.020-0.022

10-12元

螺旋节能灯 26 1540 60 <8000 2.5-5.5元 0.0162

5白光LED 0.065 1.3-1.8 25-35 ＞10000 0.5-1.5元 0.02-0.0428

2002年白光LED 1 20 20 20000 65元 3.25

2010年白光LED 1 120 120 100000 35 0.2917

2020年后白光1 200 200 ＞100000 15 0.075

LED

日本白炽灯 60 720 12 ＜2000 0.50美元 ＄0.0007/Lm