調(diào)光對陶瓷金鹵燈性能的影響

調(diào)光對陶瓷金鹵燈性能的影響

中小功率陶瓷金鹵燈的調(diào)光特性金鹵燈是高強(qiáng)度氣體放電光源，具有高光效果和良好的顯色性，深受應(yīng)用。陶瓷金鹵燈(CMH)是目前性能最為優(yōu)越的氣體放電光源。由于多晶氧化鋁陶瓷管耐酸耐堿,在1150℃以下與金屬鹵化物不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng),化學(xué)穩(wěn)定性高,顯著提高了金屬鹵化物的蒸氣壓,使陶瓷金鹵燈在顯色性提高的同時(shí)也提高了光效。一般來說,陶瓷金鹵燈光效可達(dá)110lm/W甚至更高,即使小功率燈也能達(dá)85lm/W以上;顯色指數(shù)通常不低于85,并且很容易達(dá)到95以上;壽命最佳可達(dá)15000h。近年來,隨著小功率陶瓷金鹵燈的生產(chǎn)技術(shù)、多晶氧化鋁透明陶瓷管制造技術(shù)和高效稀土金屬鹵化物發(fā)光體系的日趨成熟,國產(chǎn)小功率陶瓷金鹵燈也實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化。表1為當(dāng)前主流的中小功率單端陶瓷金鹵燈的參數(shù)和規(guī)格。中小功率陶瓷金鹵燈雖然功率不大,但在某些應(yīng)用場合(如室內(nèi)照明)仍有調(diào)光的余地,實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步節(jié)能。目前對于中小功率陶瓷金鹵燈調(diào)光特性的研究報(bào)道很少。Guest等人研究了用于道路照明的150W陶瓷金鹵燈的調(diào)光特性,發(fā)現(xiàn)在不同頻率下使用方波電子鎮(zhèn)流器對陶瓷金鹵燈調(diào)光時(shí),對燈的壽命、流明維持和燈電壓沒有不利影響。對小于100W的陶瓷金鹵燈的調(diào)光特性尚無研究報(bào)道。本研究以70W和150W兩種功率的單端陶瓷金鹵燈作為對象,對其在210Hz方波頻率下進(jìn)行調(diào)光,測量燈的光、色、電參數(shù)隨調(diào)光深度的變化,從而直觀驗(yàn)證調(diào)光的可行性,并找出調(diào)光過程中潛在的問題。1實(shí)驗(yàn)1.1光譜采集系統(tǒng)(1)上海亞明燈泡廠有限公司生產(chǎn)的陶瓷金鹵燈,規(guī)格分別為:70W/4000K、150W/3000K、150W/4000K,以及亞明配套的可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器,調(diào)光深度:70W為60%;150W為70%;(2)杭州遠(yuǎn)方公司制造的直徑2m的詩貝倫積分球;(3)杭州遠(yuǎn)方公司的PMS-80紫外-可見-近紅外光譜分析系統(tǒng),光譜采樣間隔為1nm;(4)四通道TektronixTDS2014B數(shù)字存儲(chǔ)示波器,帶寬200MHz,采樣頻率1GS/s;(5)電壓探頭使用SapphireInstrumentsSI-9010高壓差分探頭,有1/1000和1/100兩檔,線性范圍分別為±7000V和±700V;(6)電流探頭為PearsonP110,靈敏度為0.1V/A。1.2后積分積分的測量使陶瓷金鹵燈置于積分球中心,豎直燃點(diǎn)。在探頭前放置擋屏。光纖采樣的光信號(hào)傳入光譜儀,測得380~780nm的光譜輻射功率,與視見函數(shù)V(λ)相乘后積分得到光通量等參數(shù)。燈的電壓和電流由電壓探頭和電流探頭采樣,接入示波器進(jìn)行測量。電壓、電流信號(hào)相乘可得瞬時(shí)功率,對整周期積分后得到有效功率。實(shí)驗(yàn)時(shí),利用可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器點(diǎn)燈,燃點(diǎn)15min后,使用示波器和光譜儀測量光、色、電參數(shù)。電子鎮(zhèn)流器的調(diào)光間隔為5%,每次重新穩(wěn)定的時(shí)間間隔約8min。電壓、電流由示波器測得,而光通量、光效、顯色指數(shù)(CRI)、相關(guān)色溫(CCT)、色坐標(biāo)(u,v)、色坐標(biāo)距黑體線偏移量(DUV)等使用光譜儀測得。2結(jié)果與討論本實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與GE150W道路照明用陶瓷金鹵燈的調(diào)光實(shí)驗(yàn)結(jié)果就光效、顯色指數(shù)、色溫進(jìn)行了對比。2.1最大平均燈光效降為6.調(diào)光時(shí)光通量和光效的變化趨勢如圖1、圖2所示。調(diào)光時(shí)隨著燈功率的減小,光通量線性下降。因此可以很方便地通過改變功率來精確調(diào)光。調(diào)光后光效也會(huì)降低,在調(diào)光深度為70%時(shí),150W/3000K的燈光效降低最少(3%);150W/4000K的燈光效降低最多(11%),但仍與GE燈差不多。在一些室內(nèi)應(yīng)用的場合,調(diào)光后的照度衰減,但仍然能夠滿足其照度的要求。以9m×9m×3.45m的圖書館目錄區(qū)為例,額定功率下70W的陶瓷金鹵燈大約30只就能夠達(dá)到近800lx的照度,而調(diào)光深度達(dá)60%時(shí)也能夠達(dá)到400lx。一般閱覽室等要求的照度大致不超過200lx;部分室內(nèi)場所,比如工藝室、設(shè)計(jì)室等要求的照度標(biāo)準(zhǔn)值一般也都在500lx左右,因此調(diào)光到70%左右不會(huì)對一般要求的室內(nèi)照度產(chǎn)生太大影響。由于調(diào)光通常應(yīng)用在照度要求并不是太高的場合,所以對于想要節(jié)約能源的一般照明,或者情景照明,選擇陶瓷金鹵燈是可行的。2.2cri光對wsfnpi的影響測得70%調(diào)光深度下陶瓷金鹵燈顯色指數(shù)(CRI)的下降小于15%,如圖3所示。從圖中看出調(diào)光對70W燈CRI的影響比150W燈小。顯色指數(shù)在80~100之間則顯色性優(yōu)良,150W/4000K燈在進(jìn)行調(diào)光后,其顯色指數(shù)仍能保持在75以上。對于高光效的150W/3000K燈,調(diào)光后其顯色指數(shù)也大于50。因此,調(diào)光時(shí)陶瓷金鹵燈在顯色性方面仍有很強(qiáng)的競爭力。2.3顏色漂移的觀察調(diào)光時(shí)色溫的變化見圖4。隨著燈功率減小,色溫略有上升,但上升幅度都在500K左右,因此人眼觀察到的顏色漂移不會(huì)太大。特別是小功率陶瓷金鹵燈在調(diào)光深度70%以上時(shí),色溫的變化很小。2.4陶瓷金鹵燈調(diào)光的選擇可能會(huì)比流體速度傳播至凈化后,其光也好于土地圖5、圖6顯示了調(diào)光時(shí)色坐標(biāo)偏移黑體軌跡的程度和色坐標(biāo)的變化趨勢。由圖看出,隨著燈功率的降低,色坐標(biāo)離黑體線越來越遠(yuǎn)。對于150W燈,3000K燈偏離黑體軌跡的程度比4000K燈更小,因此3000K陶瓷金鹵燈在調(diào)光時(shí)所發(fā)出的光更接近自然光,可能會(huì)是調(diào)光的更好選擇;色溫都為4000K的燈,調(diào)光時(shí)70W燈相對黑體線的偏離比150W燈小。2.5稀土-鈉-類物質(zhì)組成70W/4000K燈的調(diào)光光譜見圖7,150W的3000K和4000K燈有與之類似的光譜功率分布。由譜線峰值可見,樣燈中填充的是稀土-鈉-鉈的鹵化物。由于光譜分布隨調(diào)光的改變來源于陶瓷金鹵燈填充物在不同溫度時(shí)蒸氣壓的改變程度,所以光譜的改變決定了光、色參數(shù)的變化。2.5.1光通量所占比例的變化將520~620nm的光譜分為520~548nm,548~580nm,580~620nm三段,如圖8所示。光譜圖中520~620nm的光譜強(qiáng)度高,此區(qū)間內(nèi)視見函數(shù)也近于峰值。圖9(a)中520~620nm的光通量占總光通量比例非常高,約在80%以上。因此,陶瓷金鹵燈的光通量主要取決于峰值附近的光譜。從圖9(b)~(d)所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)占總光通量百分比的變化趨勢可以看出,隨著功率的降低,I區(qū)強(qiáng)光光譜的光通量所占百分比反而升高,Ⅰ區(qū)對光通量的貢獻(xiàn)越來越大;Ⅱ區(qū)加強(qiáng)的連續(xù)光譜對光通量貢獻(xiàn)隨功率的降低則不斷降低;Ⅲ區(qū)放寬程度較大的線譜隨功率降低強(qiáng)度變化很小,峰值波長向藍(lán)光區(qū)域移動(dòng)(如圖7(b)所示)。2.5.2光有關(guān)存在實(shí)際應(yīng)用的問題從圖7(a)的光譜圖上可以看出,Ⅲ區(qū)輻射功率隨調(diào)光而衰減;但在Ⅰ區(qū)和藍(lán)光區(qū)域約418nm附近輻射功率隨著調(diào)光反而相對增長,原本位于紅光部分比較重要的592nm的輻射峰越來越向藍(lán)光部分漂移。這可能與其填充的不同金屬鹵化物在不同溫度下蒸氣壓的改變程度有關(guān)。因此可以推斷出,調(diào)光對顯色性的影響應(yīng)該是其紅光部分和藍(lán)光部分衰減程度不同造成的。同時(shí),從光通量百分比圖上還可以看出,Ⅱ區(qū)的光通量隨著調(diào)光不斷降低,也對顯色性降低產(chǎn)生了一定影響。2.5.3tli的使用從圖7可見,調(diào)光時(shí)藍(lán)光區(qū)特別是I區(qū)譜線所占比例不斷增大,引致色溫不斷升高。原因可能與燈內(nèi)填充的TlI有關(guān)。Tl的使用是因?yàn)樗淖V線接近人眼最敏感的波長,而且在相同功率下光效很高。TlI工作在非飽和蒸氣壓下,而其他金屬碘化物工作在飽和蒸氣壓下。調(diào)光引起的冷端溫度降低對Tl蒸氣壓的影響小,使Tl蒸氣壓在總氣壓中的比例提高,這導(dǎo)致光色偏綠,因此色溫隨調(diào)光不