光源原理与设计 — 白炽灯

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌第二章白炽灯

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌白炽灯主要特性：使用方便，外型多样，价格低廉 η=8~15 lm/w H=1*103 小时灯丝色温 Tc=2700~2900K(灯光黄） Ra≈100

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌 2.1 热辐射的性质

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌一、热辐射的定义（温度辐射）因温度而产生的辐射 TE（thermal Equilibrium)热力学平衡状态 LTE（local thermal Equilibrium)局部热力学平衡状态

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌二、基尔霍夫定律（Kirchholf Law) 1.光辐射出度Me(T) Me(T)=Pe(T)/S 单位（W/m2) Pe——单位时间辐射的能量。 2.光谱辐射出度Mλ（λ,T) Mλ（λ,T) =dMe(T)/dλ=dPe(T)/Sdλ

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌 3.光谱的吸收率α(λ,T) α (λ,T)=dPe ’(λ,T)=/dPe (λ,T) 4.Kirchholf Law

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌三、黑体辐射的基本性质 1.黑体的定义：黑体就是能够在任何温度下将辐射到它表面上的任何波长的能量全部吸收。 αB（λ,T)≡1

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌 2.普朗克公式 MλB(λ,T)=C1λ-5[exp(C2/λT)-1]-1 其中C1=2πhc2=3.74*10-16(W· m2) C2=hc/kB=1.44*10-2(m· K) 当λ不是很大，T不是很高时 MλB(λ,T)=C1λ-5e-C2/λT 讨论：1）T↑——→MλB↑ 2）T↑——→λmax(峰值波长)向短波方向移动 3）T低时——→红外为主随T上升，可见光部分增加

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌 3．斯忒藩——玻尔兹曼定律 MeB(T)=∫0∞MλB(λ,T)dλ=σSBT4 σSB=5.67*10-8W/(m2· K4) 4．维恩位移定律 λm· T=b=2.89779*10-3(m·K)

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌四、实际表面的辐射实际上，所有的辐射体都不是黑体，它们的光谱辐射出度Mλ(λ,T)总是比黑体的MλB(λ,T)小。定义光谱发射率： ε(λ,T)=Mλ(λ,T)/ MλB(λ,T)＜1

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌 2.2 白炽灯的结构与材料

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌一、结构二、对白炽辐射体（灯丝）的要求 1.熔点高 3.可见辐射选择性好 2.蒸发率V小 4.机械强度高，易加工 Tf 自身的蒸汽化影响V的因素 5.有适当的电阻率环境气氛灯丝的结构三、钨的主要性质

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌 2.3真空白炽灯中的基本物理现象

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌一、真空白炽灯的光效 Pin(输入)=Pr（辐射）+Pc（热损耗）实际中Pc≈（3~8）% Pin

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌 1.理想直钨丝灯的光效 Pc=0 光效 η0=Km∫∞MλB(λ,T)ε(λ,T)V(λ)dλ /∫∞MλB(λ,T) ε(λ,T) dλ 2.实际灯丝的光效螺旋型灯丝因“遮挡”效应使η下降。 η=η0/δ，（遮挡因子） δ，=1.12~1.15

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌二、真空白炽灯中钨的蒸发和寿命 1.真空中的钨的蒸发率Vap 单位时间撞击单位钨表面的原子数： N1=1/4 nV=n√(kT/2πm) 单位时间单位表面沉积的钨质量为： Vap=α0N1m =α0 n√(kTm/2π) =0.06α0P/T0.5

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌 2.蒸发率与灯寿命的关系实验：d=0.1m/m 在不同Tf下的Vap 可以看出Vap* H=const

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌 a)灯丝质量损耗临界百分比G直 G直=H内蒸发的质量/灯丝原有总质量 =4Vap H/ρdf G直∝1/df df灯丝直径 b)螺旋灯丝的损耗临界百分比G螺 G螺≈（50~60）% G直

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌三、总结基本矛盾 T↑——→η↑（Me∝T4） T↑——→Vap↑——→H↓ ∴ Tf=2300~2600K H=1*103hrs η=8~10lm/W

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌 2.4充气白炽灯中的基本物理现象

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌一、气体稳定层在炽热的灯丝附近，气体变得非常粘滞，几乎可以看成是不流动的；而在泡壁附近的区域里，由于气体温度较低、粘滞度小，气体强烈对流。因此，可以认为，紧贴灯丝周围存在着一层厚度的稳定气体层，直径为b。

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌二、充气对抑制钨蒸发的作用在充气灯中钨的损失主要是由于在稳定层内钨的浓度扩散。 N1为1m长的灯丝表面在一秒种内扩散出去的钨原子数。

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌三、充气的热损失单位长度灯丝损失功率： Pc`=-2πrλ(dT/dr) 整个灯丝损失功率： Pc= Pc`lf lf灯丝的长度讨论：影响Pc的因素 1）充气气体的种类 2）充气压力 3）lf 4）df

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌对于充氩—氮混合气的白炽灯，每厘米长度灯丝的气体热损失Pc`约为4W。对于电压为220V的灯泡，螺丝长度必须大于2cm，否则两根导丝之间有放电的危险。因此，充气灯泡的最小热损失值为8W左右。显然，对220V小功率白炽灯不宜充气，25W以下的白炽灯只能是真空，否则热损失占输入的主要部分，得不偿失。

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌四、本节结论 1．充气可抑制蒸发 2．充气引起热损耗 3．充入分子量大的气体可更好抑制蒸发和减小热耗。 4．采用螺旋灯丝可使Pc下降 5．采用螺旋灯丝可增加寿命（机械强度增大了）

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌 2.5白炽灯灯丝的设计

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌一、统一公式 1.灯丝参数 ①直径d ②长度l a)直线型灯丝 ①直径d ②长度l ③螺距系数Ks=S/d ④芯丝系数 Kc=dc/d b)单螺旋灯丝 c)双螺旋灯丝 ①直径d ②长度l ③第一螺距系数Ks1=S1/d ④第一芯丝系数 Kc1=dc1/d ⑤第二螺距系数Ks2=S2/(2d+dc1) ⑥第二芯丝系数 Kc2=dc2/(2d+dc1) d)Ks和Kc的合理选取

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌 2．灯丝的计算能量平衡方程Pl=Pr+Pc+Ph 白炽灯钨丝直径和长度的统一公式

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌二、经验公式 Q200=π/4 * d2 *200 *ρ 钨丝份量 d=k√Q200 (mm) 三、外推公式修正灯泡的一些参数四、误差百分比计算公式五、设计中注意的问题

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌 2.6白炽灯的运用特性白炽灯的光效虽然比较低，但由于它使用极其方便，辐射光谱是连续的，显色性好，因此到目前为止仍是应用最广的一种光源。

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌一、运用参量 1．高色温白炽灯 ——主要用与摄影和放映电影以及电视和舞台照明。 Tc≥3200K η=30 H=50~100hrs 2．普通照明灯 ——一般照明 η=10~20 Tc=2600~3000K H≥1*103hrs 3．红外线灯 ——用于红外加热干燥、温室保温和医疗保健等。 η≤10 Tc≤2500K H≥1*103hrs

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌二、白炽灯的指数特性 H——寿命 F——光通量 η——光效 V——灯电压 I——电流 P——功率 R——电阻

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌三、指数特性的应用例1：H的加速试验 d(充气泡)=13.1 电压提高10% H1/H2=（242/220）13.1=3.48 例2：内在质量因数 qa b=7 所以定义

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌 2.7白炽灯的发展方向

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌一、探索新的灯丝材料 ——更高的熔点，有更好的辐射选择性二、改善灯丝材料的结构，以及使周围的介质环境更理想化！ 1．小型化 2．反射型 3．涂红外反射层

IRC technology Thin film multilayer coatings (Filter) Stack Construction Wavelength  SiO2 /TiO2 Stack High refractiveindex }/2 Transmittance SiO2 Low refractiveindex SiO2 SiO2 Substrate (glass bulb) glass bulb Wavelenght  [nm]

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌三、绿色照明的含义 1.采用光效高的照明光源。 CFL 2.采用寿命长的照明光源。 3.采用对环境污染少的填充物质。

光源原理与设计—白炽灯 诸定昌谢谢观看！

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