1、實(shí)驗(yàn) 7 電光源的特性分析實(shí)驗(yàn)的目的1、了解電光源的發(fā)展過程。2、了解與測試常用電光源的特性。實(shí)驗(yàn)背景凡是可以將其他形式的能量轉(zhuǎn)換成光能（即一定波長范圍內(nèi)的電磁波，包括可見光、紫外、紅外與X射線等不可見光） 的設(shè)備稱為光源，而其中將電能轉(zhuǎn)換為光能的設(shè)備稱為電光源。電光源最主要的性能指標(biāo)有：（1）光通量光通量是指人眼所能感覺到的輻射能量，它表征著光源的發(fā)光能力，它與輻射能對(duì)應(yīng)的波長及光源工作時(shí)間有關(guān)，額定光通量指光源在額定電壓，額定功率條件下工作，正常發(fā)出的光通量。（2）發(fā)光效率光源的光通量輸出與它取用的電功率之比，簡稱光效，光效越高，光源越好。（3）壽命（4）額定功率 燈箱設(shè)計(jì)的功率值常用的電

2、光源為：（1）熱致發(fā)光電光源（白熾燈，鹵鎢燈等）（2）氣體放電發(fā)光電光源（熒光燈、汞燈、鈉燈、氙燈等）（3）固體發(fā)光電光源（如LED一發(fā)光二極管）下面，將對(duì)各類電光源的構(gòu)造，性能作一個(gè)簡單的介紹。（一）熱致發(fā)光電光源以熱輻射作為光輻射的電光源，包括白熾燈和鹵鎢燈，它們都是以燈絲為輻射體，通電后把燈絲加熱到白熾狀態(tài)使之發(fā)光。電燈外殼用玻璃制成，并將殼內(nèi)抽成真空，防止燈絲在高溫下迅速氧化。真正使電燈大放光明的是美國發(fā)明家愛迪生。他總結(jié)前人造電燈的經(jīng)驗(yàn)后，做了兩方面的工作。一是改進(jìn)抽空設(shè)備，使燈泡有高真空度；二是分類試驗(yàn)了1600多種耐熱材料。其中白金絲性能最好，但價(jià)格太貴。1879年，愛迪生最后決

3、定用炭絲來作燈絲，電燈竟然連續(xù)工作了45個(gè)小時(shí)，這年新年，愛迪生電燈公司所在地洛帕克街燈火通明。接著他又試驗(yàn)了6000多種植物纖維，最后又選用了竹絲，加工后制成了炭化竹絲，電燈連續(xù)工作時(shí)間達(dá)到了1200小時(shí)。電燈的發(fā)明，曾使得煤氣股票3天內(nèi)急跌了12%。1906年，通用電器發(fā)明了用鎢絲作燈絲的方法，使得成本急劇下跌，鎢絲燈泡一直使用至今。電燈泡的最大問題是燈絲的蒸發(fā)。因?yàn)殒u絲上細(xì)微的電阻差會(huì)造成溫度差，在電阻較大的地方，溫度升高較快，鎢絲也就蒸發(fā)較快。如此惡性循環(huán)，最終會(huì)令鎢絲燒斷。后來發(fā)現(xiàn)可以在殼內(nèi)注入惰性氣體以減緩鎢絲的蒸發(fā)。鹵素?zé)襞菔窃跓襞輧?nèi)注入碘或溴等鹵素氣體。在高溫下，蒸發(fā)的鎢絲與鹵

4、素進(jìn)行化學(xué)作用，蒸發(fā)的鎢會(huì)重新凝固在鎢絲上，形成平衡的循環(huán)，所以鎢絲不會(huì)很快變細(xì)，燈管也不會(huì)發(fā)黑。故鹵鎢燈具有壽命長，光效高的特點(diǎn)。鹵素?zé)襞菀脖纫话惆谉霟舾透邷兀贿^在這溫度下，普通玻璃可能會(huì)軟化，所以鹵素?zé)襞菪枰捎萌茳c(diǎn)更高的石英玻璃，而石英玻璃不能阻隔紫外線，故鹵素?zé)襞萃ǔ６家硗馐褂米贤饩€濾鏡。白熾燈與鹵素?zé)舳际且揽侩娏魍ㄟ^燈內(nèi)的鎢絲產(chǎn)生熱效應(yīng)而發(fā)光的，鎢絲是金屬導(dǎo)體，在電路中顯純電阻性，不影響供電源的交流參數(shù)，對(duì)電源設(shè)備不構(gòu)成影響。一般白熾燈只能將消耗能量的60%以下轉(zhuǎn)化為光能，而鹵素?zé)襞莸墓庑槠湟槐?。一個(gè)60W的鹵素?zé)襞?，其亮度可等同一個(gè)100W的普通燈泡。但鹵素?zé)襞蒹w積小，運(yùn)作

5、溫度高，家居應(yīng)用時(shí)應(yīng)小心防止火災(zāi)?，F(xiàn)代普通白熾燈壽命約1000小時(shí)，而鹵素?zé)襞莸膲勖s2000小時(shí)，且光通量穩(wěn)定。目前普通白熾燈國內(nèi)已有由220V 15W到220V 1000W不同規(guī)格的系列產(chǎn)品，鹵鎢燈常做成管狀，功率為300W到1000W。普通白熾燈具有開燈即亮，可連續(xù)調(diào)光，結(jié)構(gòu)簡單價(jià)格低廉的特點(diǎn)，但壽命短，光效低。一般用于居室、客廳、商店、庭院。鹵素?zé)艄庑勖^普通白熾燈高一倍，且體積小，一般用于會(huì)議室，展示廳，商業(yè)照明，影視舞臺(tái)，儀器儀表，汽車及飛機(jī)等。目前這類光源需求量仍然很大，仍是一種重要的照明光源。（二）氣體放電發(fā)光電光源白熾燈泡中是有鎢絲的，其電阻大又耐高溫，故燈泡工作時(shí)，既發(fā)熱

6、也發(fā)光，所以光效較低。氣體放電光源是沒有燈絲的，故光效非常高。一般氣體到220V電壓下是不導(dǎo)電的，我們不會(huì)因?yàn)榭拷鼔ι系碾娫床遄|電。但借助于尖端放電產(chǎn)生強(qiáng)電場的方式或直接使用強(qiáng)電場，氣體會(huì)產(chǎn)生電離而放電（發(fā)光），氣體放電通常在被抽成真空的氣體放電管內(nèi)進(jìn)行，如日光燈管。氣體放電光源需要在氣體放電管兩端加上高電壓，氣體分子才能被激活，所以它們不能簡單接在220V電源上，還需要一些其它裝置（如鎮(zhèn)流器），這個(gè)裝置作用如下：（1）加熱燈管兩端的金屬絲，激發(fā)出電子。（2）在燈管兩端加瞬時(shí)高電壓以加速電子，電離氣體，燈管的電阻急劇變小，電流增大。（3）降低兩端的電壓，維持穩(wěn)定的電流。氙燈（HID）是在抗

7、紫外線水晶石英玻璃管內(nèi)，以多種化學(xué)氣體充填，其中大部分為氙氣與碘化物等惰性氣體，再通過增壓器將低壓（12V，直流）瞬間增壓至高壓，使管內(nèi)氙氣電子游離，在兩電極間產(chǎn)生光源。由氙氣所產(chǎn)生的白色超強(qiáng)電弧光，亮度為傳統(tǒng)鹵素?zé)襞莸娜?，而工作電流僅為3.5A，使用壽命比傳統(tǒng)鹵素?zé)襞蓍L10倍，它是目前世界上最亮的光源。氙燈還有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，它是逐漸變暗，而不是突然不亮，這可以使駕駛者有調(diào)整時(shí)間，故汽車前照燈常常使用它。一只35W的氙燈產(chǎn)生的亮度為一只55W鹵素?zé)舻?倍，它不但光效高，而且電力損耗比鹵素?zé)艄?jié)約近40%。由于氙燈的特性，它最常常應(yīng)用于光電材料測試，光譜分析，醫(yī)療器械等。本實(shí)驗(yàn)采用的氙

8、燈為低壓氣體放電型，亮度與鹵素?zé)粝喈?dāng)，但壽命與節(jié)能指標(biāo)優(yōu)于鹵素?zé)?，且光線為白色、柔和。日光燈（熒光燈），低氣壓放電燈，日光燈兩端各有一燈絲，燈管內(nèi)充有微量的氙和稀薄的汞蒸氣，燈管內(nèi)壁上涂有熒光粉，兩個(gè)燈絲之間的氣體導(dǎo)電時(shí)發(fā)出紫外線，使熒光粉發(fā)出柔和的可見光。燈管開始點(diǎn)燃時(shí)需要一個(gè)高電壓，這由啟輝器提供，再通過鎮(zhèn)流器的作用，使日光燈管兩端電壓下降至100V左右，這時(shí)日光燈就能連續(xù)穩(wěn)定工作了。它的光效為白熾燈8倍左右，壽命15005000小時(shí)，功率從6W至40W，最高可達(dá)120W，是一種很好的節(jié)能燈，節(jié)電約為白熾燈的80%左右，使用時(shí)應(yīng)配備相應(yīng)的鎮(zhèn)流器和啟輝器。所有氣體放電型電光源的發(fā)光效率比熱輻

9、射型高得多，這是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的先決條件，加上其工作壽命長也長得多，所以近年來發(fā)展迅速，品種眾多，它使得我們的成城市變得五光十色，流光溢彩。但是氣體放電型光源工作時(shí)必須有鎮(zhèn)流器的配合，而鎮(zhèn)流器多為電感線圈式結(jié)構(gòu)，它對(duì)電源的交流參數(shù)會(huì)產(chǎn)生影響，如功率下降，波形畸變，這就必須采用無功補(bǔ)償和其他技術(shù)校正。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，第四代電光源LED的出現(xiàn)，不但有效的彌補(bǔ)了這一缺陷。而且為人們提供了更節(jié)能、簡單、環(huán)保的新光源。（三）固體半導(dǎo)體光源1、LED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理人們?cè)缫蚜私獍雽?dǎo)體材料可產(chǎn)生光線的基本知識(shí)，第一個(gè)商用二極管產(chǎn)生于1960年。LED是英文light emitting diode（發(fā)光二極管）

10、的縮寫，它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以LED的抗震性能好。LED結(jié)構(gòu)圖如下圖所示發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體

11、就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。2、LED光源的特點(diǎn)（1）電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在6-24V之間，根據(jù)產(chǎn)品不同而異，所以它是一個(gè)比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。（2）效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%，一只發(fā)光面積小于1平方厘米、功耗為3瓦的白色發(fā)光二極管，能產(chǎn)生相當(dāng)于60瓦白熾燈泡發(fā)出的光強(qiáng)。（3） 適用性：每個(gè)單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境（4）壽命：. 10萬小時(shí)（5）環(huán)境保護(hù)：無有害金屬汞，環(huán)保性好（6） 價(jià)格：LED的價(jià)格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價(jià)格就可以與一只

12、白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，而通常每組信號(hào)燈需由上300500只二極管構(gòu)成。（7）健康性：如果燈光僅能保證亮度卻存在頻閃、光線不夠穩(wěn)定，那么這樣的燈具同樣是不理想的。當(dāng)頻閃超過一定范圍時(shí)，人們會(huì)產(chǎn)生視覺疲勞，而長期的視覺疲勞會(huì)對(duì)人的視覺系統(tǒng)造成損傷。長時(shí)間在這種照明環(huán)境中閱讀或工作會(huì)損傷眼睛，并有眼脹、頭痛等不適癥狀。在電腦日益普及的今天，許多人在燈光下使用電腦，通常電感鎮(zhèn)流器熒光燈的頻閃和熒光屏的幀幅閃動(dòng)（每秒更換畫面50100次）重疊，形成光共振，對(duì)人的視覺系統(tǒng)傷害更大。所以，歐洲電工委員會(huì)在1997年就禁止在有電腦熒光屏的辦公室安裝使用電感鎮(zhèn)流器的熒光燈，以保護(hù)電腦操作人員的健康。但是我國目前對(duì)此

13、尚無相應(yīng)法規(guī)，尚未引起人們的重視。但隨著“城市燈光綜合癥”發(fā)病率的日益增高，相信有關(guān)法規(guī)的出臺(tái)只是時(shí)間問題了。而LED的優(yōu)點(diǎn)之一就是無任何頻閃。又由于LED光譜中沒有紫外線和紅外線，故不產(chǎn)生有害輻射，不會(huì)給人眼帶來負(fù)面影響，長時(shí)間閱讀或工作也不會(huì)出現(xiàn)眼睛發(fā)疼發(fā)脹的癥狀。3、單色光LED的應(yīng)用各種光色的LED在交通信號(hào)燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。以12英寸的紅色交通信號(hào)燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%。而在新設(shè)計(jì)的燈中，LumiLEDs公司采用了18個(gè)紅色LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，

14、即可產(chǎn)生同樣的光效。汽車信號(hào)燈也是LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED響應(yīng)速度快（鈉秒級(jí)），可以及早讓尾隨車輛的司機(jī)知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發(fā)生。另外，LED燈在室外紅、綠、藍(lán)全彩顯示屏，匙扣式微型電筒等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。4、白光LED的開發(fā)  對(duì)于一般照明而言，人們更需要白色的光源。1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功。這種LED是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍(lán)光（p=465nm），高溫?zé)Y(jié)制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550nm。藍(lán)光LED基片安裝在碗形反

15、射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。 LED基片發(fā)出的藍(lán)光部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光?，F(xiàn)在，對(duì)于InGaN/YAG白色LED，通過改變YAG熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。（如下圖所示）LED燈泡具有健康、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。在能源形勢日漸嚴(yán)峻、生活生產(chǎn)環(huán)境問題日漸突出的今天，節(jié)能、健康、環(huán)保應(yīng)該是設(shè)計(jì)師、生產(chǎn)者和使用者共同的追求。實(shí)驗(yàn)儀器白熾燈10及燈座，節(jié)能燈8及燈座， 鹵素?zé)?0及燈座 ，氙燈40W 及燈座、鈉光源、汞光源、LED一只及燈座 ，10只LED組成的面光源、He-Ne激光光源、固體半導(dǎo)體激光光源，直流電源(上12V及下6V)，光強(qiáng)測定儀 （D光電轉(zhuǎn)換器件，將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，G光電流放大器，記錄顯示光電流大?。?，220交流電源，鈉（汞）電源,GY-10激光電源, XY-200穩(wěn)壓電源,萬用表一只。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、在220交流電源下，連接白熾燈與節(jié)能燈，在同一間距下測其光強(qiáng)，并與比較 ，對(duì)節(jié)能燈要測出初始值及穩(wěn)定值（15分鐘后光強(qiáng)值）。完成表1。2、在12直流電源 下，測定鹵素?zé)?，氙燈的光?qiáng)。完成表2。3、在6直流電源下，測單只的光強(qiáng),然后測其工作直流電流及電壓