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高强度气体放电灯 更新时间:2011-05-27 18:40

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高强度气体放电(High-intensity discharge,以下简称HID)灯泡内引出两根电极棒,并充以各种不同成份的化学元素物质,通电正常工作后,放射出不同色彩的光。高压钠灯、金属卤化物灯、镝灯、氙灯等等,均属高压气体放电灯。这些灯的发光元件是一颗置于耐高温灯管(弧光管)内安定的电弧放电器,并有超过 3 W/cm²(19.4 W/in.²) 的发光能力。高强度气体放电灯以其光效高、节能、显色性好、寿命长等特点而广泛用于工业和人们的日常生活中。

高强度气体放电发光机理

  • 高强度气体放电(HID)灯属于典型气体放电光源,采用用密闭气体替换传统热辐射光源中的光辐射体灯丝。光从密封在筒形石英玻璃管里相隔电极之间的放电弧光中发出。所有高强度放电灯的光都由通过金属蒸气的电流产生。自由电子与蒸气中的原子频繁碰撞并轰击出原子外层轨道的电子。当被击出的电子重新落回原轨道位置时,便发射一个量子辐射。辐射的波长取决于被轰击电子的能级和灯管中的金属蒸气。下图为高强度气体放电灯发光机理的示意。

    HID灯初点燃时产生的光输出仅只有5%,通常须15 - 20秒后才达到全部光输出。并且,如果此时灯失去电源或者关闭,必须待弧光管冷却到一定温度后,才允许通电重新点燃。一般来说,冷却时间大约也在15 - 20秒范围之内。

高强度气体放电灯分类及特性

  • 高强度气体放电灯实际上包括了水银蒸气(MV),金属卤化物(MH)以及高、低压钠(HPS或LPS) 三种不同类型的照明产品。高强度气体放电灯与日光灯都属气体放电灯,故高强度气体放电灯的放电原理与日光灯相似,但关键区别是高强度气体放电灯里的压力更高。各类高强度气体放电灯都有其自身的特点和应用范围。

    型式
    光源效率(LM/W)
    平均寿命(小时)
    特性
    使用范围
    高压水银灯泡
    40-61
    1000-12000
    效率高、寿命长、适当的演色性
    住宅区之公共照明、运动场、工厂
    免用安定器水银灯泡
    -
    6000
    寿命长、演色性佳、安装容易,效率较白炽灯泡高
    可以直接取代白炽灯泡,用于小型工业场所、公共区域用植栽照明
    金属卤化物灯泡
    66-108
    4000-10000
    效率高、寿命长、适当的演色性
    适合彩色电视转播的运动场投光照明、工业照明、道路照明、植栽照明
    高压钠气灯泡
    68-150
    8000-10000
    效率高、寿命长、光输出稳定
    道路、隧道等公共照明,投光照明、工业照明、植栽照明
    低压钠气灯泡
    99-203
    12000
    效率高、寿命长、明视度高,演色性差为单一色光
    要求节约能源及效率而颜色不重要的各种场所。

     

高强度气体放电灯的应用

  • 高强度气体放电灯通常应用在大面积区域且需要高品质的光线时,或针对能源效率、光源密度等特殊要求时。这些地方包括体育馆、大面积的公共区域、仓库、电影院、户外活动区域、道路、停车场或巷道。最近高强度气体放电灯如金属卤化灯,常被用于零售店和住宅环境。高强度气体放电灯更实现到室内栽培上,特别是一些需要高品质强光的植物,如蔬菜和花卉。它们也可用于室内水族馆,重建近似于热带地区的强光。

    有些高强度气体放电灯像是水银灯会发出大量的紫外线,因此需要扩散器(diffusers)来阻挡紫外线的辐射。近几年来经常发生几个案件,因为瑕疵的扩散器,造成人们受到严重晒伤和电弧眼。现在均以规格来监控灯泡品质,否则灯泡会因为外层灯管破裂就马上烧掉。

    最近高强度气体放电灯常被使用于汽机车的头灯。这项应用在汽机车业界仍有各种不同的意见,主要在于高强度气体放电灯有时会导致让人刺眼的强光。业界通常使用自动转向头灯(Automatic Self-leveling System)来降低这个问题,但这类的配备在大多车种都是昂贵的选配规格。然而,许多业者偏好使用这类光线,因为他们比一般头灯能发出较清澈、较明亮、较自然的光线。

    高强度气体放电灯也使用于高阶的自行车头灯,因为和一般卤素灯相比,相同瓦特数下 HID 灯能发出更亮的光线。卤素灯光有时偏向于黄色;而HID 自行车灯看起来稍微像蓝紫色。

    高强度气体放电灯也常用于许多飞航器的降落和滑行灯号应用上。

高强度气体放电灯照明设备的选择

  • 高强度气体放电灯照明设备可具有的功率范围从 35 瓦至1,000 瓦或更多,灯的光输出范围从 1400 流明到 140,000 流明或更多。由于光输出流明容量和效率都高,用HID系统替换白炽灯,甚至荧光灯有许多好处,包括照明使用的能量减少、单位面积使用的灯泡和灯具较少、无须频繁替换灯泡、射线控制比萤光灯系统(如显示系统)更好、灯和灯泡封装非常有效可靠、减少建筑物过热、灯具有效输出范围广。由于有大量可用产品,故选择过程可以直接根据基于用户需要的类型和所需光的级别确定,然后再定灯、灯具类型和数量。下表给出各种灯可用效率(每瓦输入的光输出)的比较,供选用时参考。

    各种高强度气体放电灯可用效率的比较
    灯类别
    近似效率(LPW)
    标准白炽灯
    7~15
    钨卤灯
    15~25
    水银蒸气灯
    25~55
    白钠灯
    35~55
    紧凑型荧光灯
    25~75
    荧光灯
    65~95
    金属卤化物灯
    45~95
    高压钠灯
    45~110
    低压钠灯
    80~150
    注:有时由于人眼记录输出光谱方法的影响,LPS灯的计算效率并不低,当对人眼感觉的光作出校正后,就可能低于灯实际上的光输出

    镇流器是高强度气体放电灯照明系统的重要组成,根据应用和预算,镇流器选择涉及选用电子镇流器环是磁性镇流器以及如何具体选择镇流器类型。就能量和效率而言,镇流器的损耗应低。

    此外还必须考虑光反射器的选取。高强度气体放电灯照明系统有多种反射器可选。一般有开放式的、封闭式的和透明或不透明反射性材料或其组合构成。透明和开放式反射器允许光在高于设备的平面上直接发射和反射;不透明和封闭式反射器用于对光源发射的所有或大多数光进行定向投射。

高强度气体放电灯的寿命

  • 当高强度气体放电灯灯泡的产品寿命即将结束时,许多种会呈现出一种现象类似循环闪烁的效应。这些灯泡一开始以相对低的电压启动,但当灯泡加热到运作温度后,电弧管内的内部气压升高,而必须以更高的电压维持电弧放电。当灯泡老旧时,维持电弧的电压会逐渐提高直到超过电子镇流器(Electrical Ballast)所能提供的上限。当灯泡加热到这个点,电弧就会中断而灯泡就会熄灭。然后,当电弧消失后,灯泡又再度冷却下来,接着电弧管内的气压又下降了,此时镇流器可以再度导致电弧触发。这个效应就会使得灯泡看起来像亮了又灭,不断地闪烁。

    更精密设计的镇流器会侦测到循环闪烁的现象并在几次闪烁后停止灯泡重新启动。若当电源移除并重新接上时,镇流器会启动一连串新的初始程序。

高强度气体放电灯的调光技术

  • 近年来, 高强度气体放电灯的调光技术正在不断普及和增长。通过调光适应不同使用空间、不同时刻和环境下的光亮、减少峰值需求,发挥更大灵活性,在使终端用户的满意度最大化的同时减少照明系统的输入功率,以达到节能和减少用户费用的目的。

    调光控制信号可通过或其他时间可编程控制器;空间占用不可预测时,则采用占用传感器,定时器或其他时间可编程控制器的组合方案提供调节灯光的控制信号。在需求最高的时段内,时间可编程控制器按照预定的方案进行调光可以节省设施的最高需求和减轻潜在的需求负荷。占用传感器给出的信号可把空间未占用时的光输出调低,而当空间重新占用时,光输出迅速达到全亮,节能效果非常显著。高强度气体放电灯照明系统是为多目标使用的固定输出系统,不同空间可能需要不同光照。调光应使照明系统能灵活适用不同空间的使用要求。

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