燈是能量轉換器。 儘管它可能執行次要功能，但其主要目的是將電能轉化為可見的電磁輻射。 有許多方法可以創造光。 創建普通照明的標準方法是將電能轉換為光能。

光的類型

白熾

當固體和液體被加熱時，它們會在 1,000 K 以上的溫度下發出可見輻射； 這被稱為白熾。

這種加熱是白熾燈發光的基礎：電流通過細鎢絲，根據燈的類型及其應用，鎢絲的溫度會上升到 2,500 至 3,200 K 左右。

這種方法有一個局限性，它由普朗克定律描述的黑體輻射器性能，根據該定律，輻射能量的光譜分佈隨溫度增加。 在大約 3,600 K 及以上，可見輻射的發射有顯著增益，最大功率的波長轉移到可見波段。 該溫度接近用於燈絲的鎢的熔點，因此實際溫度限制在 2,700 K 左右，高於此溫度燈絲蒸髮變得過多。 這些光譜偏移的一個結果是，發出的大部分輻射不是以光的形式發出，而是以紅外區域的熱形式發出。 因此，白熾燈可以成為有效的加熱設備，並用於為打印乾燥、食物準備和動物飼養而設計的燈中。

放電

放電是現代商業和工業光源中使用的一種技術，因為它可以更有效地產生光。 一些燈類型將放電與光致發光相結合。

通過氣體的電流將激發原子和分子，發出具有存在元素特徵的光譜輻射。 通常使用兩種金屬，鈉和汞，因為它們的特性在可見光譜內提供有用的輻射。 這兩種金屬都不會發出連續光譜，而放電燈具有選擇性光譜。 它們的顯色性永遠不會與連續光譜相同。 放電燈通常分為高壓燈或低壓燈，儘管這些術語只是相對的，高壓鈉燈在低於一個大氣壓的條件下工作。

發光類型

光致發光 當輻射被固體吸收，然後以不同的波長重新發射時，就會發生這種情況。 當重新發射的輻射在可見光譜內時，該過程稱為 螢光 or 磷光.

電致發光 當電流通過某些固體（如磷光材料）產生光時，就會發生這種情況。 它用於自發光標誌和儀表板，但尚未證明是建築物或外部照明的實用光源。

電燈的演變

雖然技術進步使不同的燈具得以生產，但影響其發展的主要因素一直是外部市場力量。 例如，本世紀初使用的白熾燈的生產只有在良好的真空泵可用和鎢絲拉製之後才有可能。 然而，正是大規模發電和配電以滿足對電力照明的需求決定了市場增長。 與燃氣或石油產生的光相比，電照明具有許多優勢，例如不需要經常維護的穩定照明以及沒有外露火焰和沒有局部燃燒副產物的更高安全性。

二戰後的複蘇時期，重點是生產力。 熒光管燈成為主要光源，因為它使工廠和辦公室的無陰影和相對無熱量的照明成為可能，從而最大限度地利用空間。 表 1,500 給出了典型 1 毫米管狀熒光燈的光輸出和瓦數要求。

表 1. 一些典型 1,500 毫米熒光管燈的光輸出和瓦數要求得到改進

到 1970 年代，油價上漲，能源成本成為運營成本的重要組成部分。 市場需要以更少的電力消耗產生相同光量的熒光燈。 燈的設計在幾個方面得到了改進。 隨著世紀的結束，人們越來越意識到全球環境問題。 更好地利用日益減少的原材料、回收或安全處置產品以及對能源消耗（特別是化石燃料產生的能源）的持續關注正在影響當前的燈設計。

績效標準

性能標準因應用而異。 一般而言，這些標準的重要性沒有特定的等級。

光輸出：燈的流明輸出將決定其在安裝規模和所需照明量方面的適用性。

顯色性和顯色性：單獨的比例和數值適用於顏色外觀和顯色性。 重要的是要記住，這些數字僅提供指導，有些只是近似值。 只要有可能，應使用實際燈以及適用於該情況的顏色或材料來評估適用性。

燈泡壽命：大多數燈具在照明裝置的使用壽命期間需要多次更換，設計師應盡量減少奇怪的故障和維護給居住者帶來的不便。 燈用於各種各樣的應用。 預期的平均壽命通常是成本和性能之間的折衷。 例如，幻燈機的燈泡壽命為幾百小時，因為最大光輸出對圖像質量很重要。 相比之下，一些道路照明燈可能每兩年更換一次，這意味著約有 8,000 個燃燒小時。

此外，燈泡壽命受操作條件的影響，因此沒有適用於所有條件的簡單數字。 此外，燈的有效壽命可能由不同的故障模式決定。 燈絲或燈泡破裂等物理故障之前可能會出現光輸出減少或顏色外觀變化。 燈泡壽命受溫度、振動、啟動頻率、電源電壓波動、方向等外部環境條件的影響。

需要注意的是，對於一種燈類型，所引用的平均壽命是指一批測試燈出現 50% 故障時的時間。 這種壽命定義不太可能適用於許多商業或工業設施； 因此，實際燈泡壽命通常低於公佈值，僅供比較之用。

效率：一般來說，給定類型的燈的效率會隨著額定功率的增加而提高，因為大多數燈都有一些固定損耗。 然而，不同類型的燈在效率上有顯著差異。 應使用效率最高的燈，前提是尺寸、顏色和壽命的標準也得到滿足。 節能不應以犧牲視覺舒適度或居住者的工作能力為代價。 表 2 給出了一些典型的功效。

表 2. 典型燈效

主要燈種

多年來，國家和國際標準和註冊已經開發了幾個命名系統。

1993 年，國際電工委員會 (IEC) 發布了新的國際燈編碼系統 (ILCOS)，旨在取代現有的國家和地區編碼系統。 表 3 列出了各種燈的一些 ILCOS 縮寫代碼。

表 3. 某些燈類型的國際燈編碼系統 (ILCOS) 短格式編碼系統

白熾燈

這些燈在惰性氣體或真空中使用帶有玻璃外殼的鎢絲。 惰性氣體抑制鎢蒸發並減少外殼變黑。 燈形種類繁多，外觀裝飾性居多。 圖 1 給出了典型的通用照明服務 (GLS) 燈的結構。

圖 1. GLS 燈的結構

白熾燈也有多種顏色和飾面可供選擇。 ILCOS 代碼和一些典型的形狀包括表 4 中所示的那些。

表 4. 白熾燈的常見顏色和形狀及其 ILCOS 代碼

白熾燈由於成本低、尺寸小，在家庭照明中仍然很受歡迎。 然而，對於商業和工業照明而言，低光效會產生非常高的運營成本，因此放電燈是正常的選擇。 100 W 燈的典型光效為 14 流明/瓦，而 96 W 熒光燈的典型光效為 36 流明/瓦。

白熾燈很容易通過降低電源電壓進行調光，並且仍在需要調光的地方使用。

鎢絲是一種緊湊型光源，很容易被反射器或透鏡聚焦。 白熾燈可用於需要方向控制的顯示照明。

鹵鎢燈

它們類似於白熾燈，並以相同的方式從鎢絲中產生光。 然而，燈泡中含有鹵素氣體（溴或碘），可有效控制鎢的蒸發。 見圖 2。

圖 2. 鹵素循環

鹵素循環的基礎是燈泡壁的最低溫度為 250 °C，以確保鹵化鎢保持氣態並且不會在燈泡壁上凝結。 這個溫度意味著用石英代替玻璃製成的燈泡。 使用石英可以減小燈泡尺寸。

大多數鹵鎢燈的壽命都比白熾燈長，而且燈絲的溫度更高，從而產生更多的光和更白的顏色。

鹵鎢燈在小尺寸和高性能是主要要求的地方變得流行。 典型的例子是舞台照明，包括電影和電視，其中方向控制和調光是常見的要求。

低壓鹵鎢燈

這些最初是為幻燈機和電影放映機設計的。 在 12 V 時，與 230 V 相同瓦數的燈絲變得更小更粗。 這可以更有效地聚焦，並且更大的燈絲質量允許更高的工作溫度，從而增加光輸出。 粗絲更堅固。 這些優勢被認為對商業展示市場很有用，儘管需要降壓變壓器，但這些燈現在在商店櫥窗照明中佔據主導地位。 見圖 3。

圖 3. 低壓二向色反射燈

儘管電影放映機的用戶希望獲得盡可能多的光線，但過多的熱量會損壞透明介質。 已經開發出一種特殊類型的反射器，它只反射可見輻射，允許紅外輻射（熱）通過燈的背面。 現在，此功能已成為許多用於顯示照明和投影儀設備的低壓反射燈的一部分。

電壓靈敏度：所有白熾燈都對電壓變化敏感，光輸出和壽命都會受到影響。 通過擴大發電當局可以操作的容差，正在實現將整個歐洲的電源電壓“協調”為 230 V 的舉措。 移動方向為 ±10%，即 207 至 253 V 的電壓範圍。白熾燈和鹵鎢燈無法在此範圍內正常工作，因此有必要使實際電源電壓與燈的額定值相匹配。 見圖 4。

圖 4. GLS 白熾燈和電源電壓

放電燈也會受到這種寬電壓變化的影響，因此控制裝置的正確規格變得很重要。

管狀熒光燈

這些是低壓汞燈，有“熱陰極”和“冷陰極”版本。 前者是辦公室和工廠用的常規日光燈管； “熱陰極”涉及通過預熱電極使氣體和汞蒸氣充分電離以建立放電來啟動燈。

冷陰極燈主要用於標牌和廣告。 見圖 5。

圖 5. 日光燈原理

熒光燈需要外部控制裝置來啟動和控制燈電流。 除了少量的汞蒸氣外，還有一種起始氣體（氬氣或氪氣）。

汞的低壓會產生淡藍色的光。 輻射的主要部分位於 254 nm 的紫外線區域，這是汞的特徵輻射頻率。 管壁內部是一層薄薄的熒光粉塗層，它吸收紫外線並將能量以可見光的形式輻射出來。 光的顏色質量由熒光粉塗層決定。 可提供一系列具有不同顏色外觀和顯色性的熒光粉。

在 1950 年代，可用的熒光粉提供了合理功效（60 流明/瓦）的選擇，紅色和藍色光不足，或者從較低效率（40 流明/瓦）的“豪華”熒光粉中改進了顯色性。

到 1970 年代，已經開發出新的窄帶熒光粉。 它們分別發出紅光、藍光和綠光，但結合起來會產生白光。 調整比例可以得到一系列不同的顏色外觀，所有這些都具有相似的出色顯色性。 這些三基熒光粉比早期類型更高效，代表了最經濟的照明解決方案，儘管這些燈更貴。 提高效率可降低運營和安裝成本。

三基色原理已通過多基色燈擴展，其中需要臨界顯色性，例如藝術畫廊和工業配色。

現代窄帶熒光粉更耐用，流明維持率更好，並延長了燈泡壽命。

緊湊型熒光燈

熒光管由於其線性形狀而不能實際替代白熾燈。 小的、窄口徑的燈管可以配置成與白熾燈大致相同的尺寸，但這會對磷光體材料施加更高的電負載。 三磷的使用對於實現可接受的燈壽命至關重要。 見圖 6。

圖 6. 四腳緊湊型熒光燈

緊湊型熒光燈均採用三基色，因此與線性熒光燈配套使用時，後者也應為三基色，以保證顏色的一致性。

一些緊湊型燈包括操作控制裝置以形成用於白熾燈的改裝裝置。 範圍正在增加，並且可以輕鬆地將現有裝置升級為更節能的照明。 這些一體式裝置不適合作為原始控件一部分的調光。

高頻電控齒輪：如果將 50 或 60 Hz 的正常電源頻率提高到 30 kHz，熒光燈管的效率將提高 10%。 電子電路可以在這樣的頻率下操作單個燈。 電子電路旨在通過降低燈功率提供與線繞控制裝置相同的光輸出。 這提供了流明封裝的兼容性，其優點是減少燈負載將顯著延長燈壽命。 電子控制裝置能夠在一定範圍的電源電壓下工作。

電子控制裝置沒有通用標準，燈的性能可能與燈製造商發布的信息不同。

高頻電子齒輪的使用消除了一些乘員可能敏感的正常閃爍問題。

無極燈

最近市場上出現了利用感應原理的燈。 它們是帶有三磷塗層的低壓汞燈，作為發光體類似於熒光燈。 能量通過位於燈內中央的天線以大約 2.5 MHz 的頻率通過高頻輻射傳輸到燈。 燈泡和線圈之間沒有物理連接。 沒有電極或其他電線連接，放電容器的構造更簡單且更耐用。 燈泡壽命主要取決於電子元件的可靠性和熒光粉塗層的流明維持率。

高壓汞燈

高壓放電更緊湊，具有更高的電氣負載； 因此，它們需要石英電弧管來承受壓力和溫度。 電弧管包含在具有氮氣或氬氮氣氛的外部玻璃外殼中，以減少氧化和電弧。 燈泡有效地過濾來自電弧管的紫外線輻射。 見圖 7。

圖 7. 汞燈結構

在高壓下，汞放電主要是藍色和綠色輻射。 為了改善顏色，外燈泡的磷光體塗層增加了紅光。 有增加紅色含量的豪華版本，可提供更高的光輸出和改進的顯色性。

所有高壓放電燈都需要時間才能達到全輸出。 初始放電通過導電氣體填充，金屬隨著燈溫升高而蒸發。

在穩定的壓力下，如果沒有特殊的控制裝置，燈不會立即重新啟動。 在燈充分冷卻並且壓力降低時存在延遲，因此正常的電源電壓或點火器電路足以重新建立電弧。

放電燈具有負阻特性，因此需要外部控制裝置來控制電流。 由於這些控制裝置組件存在損耗，因此用戶在考慮運營成本和電氣安裝時應考慮總瓦數。 高壓汞燈是個例外，其中一種包含鎢絲，它既可以作為限流裝置，又可以為藍/綠放電增添暖色。 這使得能夠直接替換白熾燈。

雖然汞燈的壽命很長，約為20,000小時，但在此期間結束時，光輸出會下降到初始輸出的55%左右，因此經濟壽命可能會更短。

金屬鹵化物燈

通過在汞弧中添加不同的金屬，可以改善汞放電燈的顏色和光輸出。 對於每盞燈，劑量很小，為了準確應用，將粉末形式的金屬作為鹵化物處理更方便。 當燈升溫並釋放金屬時，它會分解。

金屬鹵化物燈可以使用多種不同的金屬，每種金屬都會發出特定的特徵顏色。 這些包括：

• 鏑——寬藍綠色
• 銦—窄藍色
• 鋰—窄紅色
• 鈧——寬藍綠色
• 鈉—窄黃色
• 鉈——窄綠
• 錫——寬橙紅色

沒有標準的金屬混合物，因此不同製造商的金屬鹵化物燈在外觀或操作性能上可能不兼容。 對於 35 至 150 W 的較低額定功率的燈，與通用標準的物理和電氣兼容性更緊密。

金鹵燈需要控制裝置，但缺乏兼容性意味著必須匹配每個燈和裝置的組合，以確保正確的啟動和運行條件。

低壓鈉燈

弧光管的尺寸與熒光管相似，但由特殊的夾層玻璃製成，內部有耐鈉塗層。 電弧管呈狹窄的“U”形，並包含在外部真空護套中以確保熱穩定性。 在啟動過程中，燈會發出來自氖氣填充物的強烈紅光。

來自低壓鈉蒸氣的特徵輻射是單色黃色。 這接近人眼的峰值靈敏度，低壓鈉燈是最高效的燈，其亮度接近 200 流明/瓦。 然而，應用僅限於顏色區分在視覺上不重要的地方，例如主幹道和地下通道以及住宅街道。

在許多情況下，這些燈正在被高壓鈉燈取代。 它們更小的尺寸提供更好的光學控制，特別是對於人們越來越擔心過度的天空輝光的道路照明。

高壓鈉燈

這些燈類似於高壓汞燈，但提供更好的功效（超過 100 流明/瓦）和出色的流明維持率。 鈉的反應性要求電弧管由半透明的多晶氧化鋁製成，因為玻璃或石英不適合。 外部玻璃燈泡包含真空以防止電弧和氧化。 鈉放電沒有紫外線輻射，因此熒光粉塗層沒有任何價值。 一些燈泡經過磨砂或塗層處理以擴散光源。 見圖 8。

圖 8. 高壓鈉燈結構

隨著鈉壓的增加，輻射在黃色峰周圍變成一條寬帶，外觀呈金白色。 然而，隨著壓力增加，效率降低。 目前有三種不同類型的高壓鈉燈可用，如表 5 所示。

表 5. 高壓鈉燈的種類

通常，標準燈用於外部照明，豪華燈用於工業內部，White SON 用於商業/展示應用。

放電燈調光

高壓燈不能令人滿意地調光，因為改變燈功率會改變壓力，從而改變燈的基本特性。

熒光燈可以使用通常在電子控制裝置內產生的高頻電源進行調光。 顏色外觀保持非常穩定。 此外，光輸出與燈功率大致成正比，因此當光輸出降低時可節省電能。 通過將燈的光輸出與自然日光的主要水平相結合，可以在室內提供接近恆定水平的照度。

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