《光源原理与设计课件第2章 白炽灯》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光源原理与设计课件第2章 白炽灯（44页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二章 白炽灯第二章 白炽灯张天佑张天佑主要内容主要内容2 1 热辐射2.1热辐射2 2 普通白炽灯的材料和结构2 3 白炽灯的充气问题2.2普通白炽灯的材料和结构2.3白炽灯的充气问题2 4 白炽灯的灯丝设计2.4白炽灯的灯丝设计2 5白炽灯的运用特性2.5白炽灯的运用特性2 6 白炽灯的发展动向2.6白炽灯的发展动向2.1热辐射.热辐射一、基尔霍夫定律（Kirchholf一、基尔霍夫定律（Kirchholf)LawLaw)1.光辐射出度Me(T)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M2.光谱辐射出度M(,T)(,T)M
2、（,T)=dMe(T)/d=dPe(T)/Sd光谱的吸收率光谱的吸收率()()3.3.光谱的吸收率光谱的吸收率(,T,T)(,T)=dPe(,T)/dPe(,T)4.Kirchholf Law4.Kirchholf Law黑体辐射的基本性质黑体辐射的基本性质二、二、黑体辐射的基本性质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它表面上的任何波长的能量全部吸收。B（T)1B（,T)1黑体辐射的功率最大黑体辐射的功率最大黑体辐射的功率最大黑体辐射的功率最大！/Me=/S=Le2 2 普朗克公式普朗克公式2 2.普朗克公式普朗克公式MM(T T)
3、=C)=C -5 5 expexp(C(C/TT)-11-1 1MMBB(,T T)=C)=C1 1 5 5 expexp(C(C2 2/TT)111 1其其中C中C1 1=2hc=2hc2 2=3.74*10=3.74*10-16-16(W m(W m2 2)其其1 1C C2 2=hc/k=hc/kB B=1.44*10=1.44*10-2-2(m K)(m K)当当 不是很大不是很大不是很高时不是很高时当当 不是很大不是很大，T，T不是很高时不是很高时MMBB(,T T)=C=C1 1-5-5e e-C2/T-C2/T讨论：1）TMB；2）T(峰值波长)向短波方BB(,)1 1e e2）
4、Tmax(峰值波长)向短波方向移动；3）T低时红外为主3）T低时红外为主；随T上升，可见光部分增加。2 2 普朗克公式普朗克公式2 2.普朗克公式普朗克公式3斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律个黑体表面单位面积在单位时3斯忒藩斯忒藩玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律一个黑体表面单位面积在单位时间内辐射出的总能量与黑体本身间内辐射出的总能量与黑体本身的热力学温度T 的四次方成正比。MM(T)(T)MM(T T)ddT T4 4MMeBeB(T)(T)=0 0MMBB(,T T)dd=SBSBT T4 4 SBSB=5.67*10=5.67*10-8-8W/(mW/(m2 2 K K4 4)4维维恩恩位移
5、定律位移定律在定温度下绝对黑体的温度与辐射本维位移定律维位移定律在一定温度下，绝对黑体的温度与辐射本领最大值相对应的波长1的乘积为一常数微米数，即m*T=b（微米）。mT=b=2.89779*10mT=b=2.89779*10-3-3(mK)(mK)四四实际表面的辐射实际表面的辐射四四、实际表面的辐射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M(T)总是体，它们的光谱辐射出度M(,T)总是比黑体的MB(,T)小。定义光谱发射率：定义光谱发射率：(,T)=M(,T)/MB(,T)1如果辐射体的光谱发射率是一个不随波长而变的常数个不随波长而变的常数，那么这个辐射体就称为灰体。
6、2.2普通白炽灯的材料和结构用作灯丝的材料应当满足以下几方面的要求：1.熔点高1.熔点高2 2 蒸发率蒸发率V V小小2 2.蒸发率蒸发率V V小小3.3.可见辐射选择性好可见辐射选择性好3.3.可见辐射选择性好可见辐射选择性好4.机械强度高，易加工4.机械强度高，易加工5.有适当的电阻率5.有适当的电阻率钨有正的电阻特性，在工作温度时的电阻远大于冷态（20）时的电阻一般白炽灯灯丝的热电阻是冷电阻的1212-1616倍，所以时的电阻般白炽灯灯丝的热电阻是冷电阻的1212 1616倍，所以在灯启动的瞬时有较大的电流流过。白炽灯常用的灯丝形状白炽灯常用的灯丝形状白炽灯常用的灯丝形状白炽灯常用的灯丝
7、形状白炽灯的典型外形白炽灯的典型外形白炽灯的典型外形白炽灯的典型外形灯头的灯头的外形外形灯头的灯头的外形外形2.3白炽灯的充气问题T （MeT4）基本矛盾TV HT Vap H Tf=23002600 K H=1*103 hrs8 10 l/W=810 lm/W在炽热的灯丝附近，气体变得非在炽热的灯丝附近，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，气体强烈对流流。此以认为紧贴灯丝周围存因此，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。二二充气对抑制钨蒸发的作用充气对抑制钨蒸发的作用二二、充气对抑制钨
8、蒸发的作用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。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。扩散去钨子数三三充气的热损失充气的热损失三三、充气的热损失充气的热损失单位长度灯丝损失功率单位长度灯丝损失功率：P=-2r(dT/dr)Pc2r(dT/dr)整个灯丝损失功率：Pc=Pclflf 灯丝的长度讨论：影响P 的因素讨论：影响Pc的因素1）充气气体的种类2）充气压力3）lf f4）df对于充氩氮混合气的白炽灯每厘米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。对于电压为的灯泡螺丝长度必须大于否为220V的灯泡
9、，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。四四、本节结论本节结论四四、本节结论本节结论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）强度增大了）2.4白炽灯的灯丝设计炽螺旋灯丝的螺距系数螺距系数Ks和芯丝系数芯丝系数Kc2 2灯丝的计算灯丝的计算2 2灯丝的计算灯丝的计算一统
10、一公式一、统一公式：能量平衡方程P=P+P+P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二二经验公式经验公式二二、经验公式经验公式单螺旋灯丝寿命为1000h，200mm长钨丝的重量Q200（mg）（通常称为钨丝分量）和每伏钨丝的长度l（mm）分别为：三、外推公式三、外推公式修正灯泡的一些参数2.5白炽灯的运用特性一一、运用参量运用参量、运用参量运用参量1高色温白炽灯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。Tc3200K 主要用与摄影和放映电影以及电视和舞台照明。Tc3200K =30 H=50100hrs=30 H=50100hrs 2普通照明灯2普通照明
11、灯一般照明=1020 Tc=26003000K H1*10一般照明=1020 Tc=26003000K H1*103 3hrshrs3红外线灯3红外线灯红外加热干燥、温室保温和医疗保健等。红外加热干燥、温室保温和医疗保健等。10 Tc10 Tc2500KH2500KH1 1*10103 3hrshrs白炽灯的指数特性白炽灯的指数特性二、二、白炽灯的指数特性白炽灯的指数特性H寿命F光通量光效 V灯电压I电流P功率R电阻P功率R电阻2.6白炽灯的发展动向改善改善灯丝材料的结构灯丝材料的结构以及使周围以及使周围改善改善灯丝材料的结构灯丝材料的结构，以及使周围以及使周围的介质环境更理想化的介质环境更理
12、想化！的介质环境更理想化的介质环境更理想化！1小型化2反射型3涂红外反射层3涂红外反射层1 1小型化小型化1 1小型化小型化泡壳尺寸缩小，机械强度增高机械强度增高，气压气压可以充得更高高，抑抑制灯丝蒸发制灯丝蒸发的效果更好，因而可以提高灯丝工作温度，高灯的光效也相应得到提高。工作温度上升，必须采用硬硬质玻璃质玻璃或石英玻璃石英玻璃质玻璃质玻璃或石英玻璃石英玻璃。2 2反射型反射型2 2反射型反射型一一吹制泡壳反射型白炽灯吹制泡壳反射型白炽灯灯被装在种遮挡得很好的下照灯具中、吹制泡壳反射型白炽灯吹制泡壳反射型白炽灯抛物面形状的反射镜面灯被装在一种遮挡得很好的下照灯具中（见图2.6.3）。虽然眩光
13、的部分被挡住了，但是灯光的利用效率也低了。灯丝为CC6结构，置于椭球的第一个焦点F1上根据椭球面反光镜的原理，灯丝所发在焦会发出的光在第二焦点F2处会聚后再开而这个第二焦点在灯面的前在灯面的前方约51mm处，也就是靠近灯具的底部（见图图2.6.3（b）。2.6.3（b）下照光的强度比同功率的抛物面反射型高；特点：下照光的强度比同功率的抛物面反射型高；特点：产生眩光的角度范围内灯的亮度很低。产生眩光的角度范围内灯的亮度很低。二次反射型白炽灯二次反射型白炽灯二二、压制泡壳封闭光束灯压制泡壳封闭光束灯二二、压制泡壳封闭光束灯压制泡壳封闭光束灯其抛物形反光镜玻璃和前面的玻璃透镜面都是压制成形的在玻璃反
14、光镜内表面一般以真空蒸镀铝作为反射材料灯丝位于反射铝作为反射材料，灯丝位于反射镜的焦点，常称为PAR灯(Parabolic Aluminum Reflector light)(ParabolicAluminumReflectorlight)有聚光型和泛光型两大类，集光性强。有聚光型和泛光型两大类，集光性强。帕灯应用场所：迪厅、舞厅、酒吧、夜总会及各种大型表演场地3涂红外反射层3涂红外反射层IRC technologyIRC technologyIRCtechnologyIRCtechnologyThin film multilayer coatingsThin film multilayer coatings(Filter)Stack Construction80100WavelengthSiO/TiO Stk4060High refractiveindexLow refractiveindexSiO2SiO/2nsmittanceSiO2/TiO2 Stack020SiO2SiO2Tran4000800120016002000Substrate(glass bulb)glass bulbWavelenght nmRefrective index折射率1.3 照明光源的光学特性1.3照明光源的光学特性
