白熾燈的基礎(chǔ)知識 (一)

白熾燈的基礎(chǔ)知識

基礎(chǔ)，知識

1.白熾燈的結(jié)構(gòu)

普通白熾燈主要由玻殼、燈絲、導(dǎo)絲、芯柱、燈頭等組成，對于不同用途和要求的白熾燈,

其結(jié)構(gòu)和部件也有所差異。

玻殼玻殼用耐熱性能好的鈉鈣玻璃做成，大功率白熾燈用耐熱性能更好的硼硅酸鹽玻璃，

一些特殊用途的燈泡采用彩色玻璃。玻殼把燈絲和空氣隔離，既能透光，又起保護作用。

白熾燈工作的時候，玻殼的溫度最高可達100℃左右。為避免眩光，有些玻殼進行過磨砂處

理，以形成光的漫反射。為加強其一方向的發(fā)光強度，也有些玻殼上蒸涂了鋁反射層。

燈絲是燈泡的發(fā)光體，用比頭發(fā)絲還細(xì)得多的鴿絲制成，為提高燈絲的發(fā)光效率，一般繞

成單螺旋絲或雙螺旋絲。鐺絲由芯柱上的鋁絲支架支撐，兩端與導(dǎo)絲連接，為安全起見，

高電壓充氣白熾燈外導(dǎo)絲還接有保險絲。

排氣管燈泡內(nèi)的空氣通過芯柱內(nèi)的排氣管抽出，或是抽真空后再充進需要的惰性氣體。排

氣管在抽真空后燒焊密封，燈就不漏氣了。

燈頭根據(jù)外形和用途不同，燈頭主要分為螺口和插口兩種結(jié)構(gòu)，插口燈頭主要用在汽車、

火車等需要抗震的場合。

兩條導(dǎo)線由內(nèi)導(dǎo)線、杜美絲和外導(dǎo)線三部分組成。內(nèi)導(dǎo)線用來導(dǎo)電和固定燈絲，用

銅絲或鍍銀鐵絲制做。中間一段很短的幻一色金屬絲叫杜美絲，要求它同玻璃密切結(jié)合而不

漏氣。外導(dǎo)線是銅絲，任務(wù)就是連接燈頭用以通電。

2.燈絲的制作

白熾燈是根據(jù)熱輻射原理制成的，它依靠電能將燈絲加熱到白熾狀態(tài)而發(fā)光，用作

燈絲的材料應(yīng)當(dāng)滿足如下要求：

a.熔點要高。隨著溫度的升高，多數(shù)物質(zhì)輻射出來的總能量以及可見光的比例都會增加。

b.材料的蒸發(fā)率小，有利于延長燈絲壽命。

C.可見輻射強。在可見區(qū)的光譜發(fā)射率高。

d.有適合的電阻率。

e.機械強度好，較易加工成型，使用時耐振動和沖擊，。

金屬鋁具有熔點高、蒸發(fā)率低，在可見光區(qū)有較高的選擇輻射、高溫下機械強度高、

電阻系數(shù)大、容易加工等優(yōu)點，是迄今為止最適合的燈絲材料。

燈用鴇絲是用粉末冶金方法加工制作的。先將鴇砂（W03）經(jīng)氫氣還原制得金屬鴇粉，

壓制成鴇條放在氫氣爐中直接通電進行燒結(jié)（燒結(jié)溫度在3100C左右）制成鴇的金屬棒，

然后用旋錘機鍛造，通過金剛石細(xì)孔，多次拉拔成細(xì)絲，并卷曲成螺紋狀鴿絲。

拉制出來的鋁絲具有纖維結(jié)構(gòu)，但其溫度到1100—1300C,會發(fā)生再結(jié)晶現(xiàn)象，使纖

維結(jié)構(gòu)遭到破壞。當(dāng)溫度達到1500—1600℃時，則晶粒發(fā)生長大，使鋁變脆，并引起高溫

下垂。由于實際應(yīng)用中筲絲的工作溫度一般高達2400K—2600K以上，為了減緩高溫下的再

結(jié)晶和克服高溫時燈絲下垂，在燒結(jié)過程中常加添加劑，如Na20,K2O,SiO2,ThO2、Ga、

Co和Re等，以改變鐺絲的再結(jié)晶組織，提高高溫抗蠕變能力與鴇絲的高溫抗下垂能力。

根據(jù)鋁絲制作工藝可知，鴇絲燒結(jié)溫度低于熔點，鴇原子擴散不很充分，添加劑的使

用及鴇粉的純度不可能百分之百的純凈，就勢必造成晶間夾雜，存在成分結(jié)構(gòu)不均勻。又

經(jīng)多次拉拔，產(chǎn)生過量塑變，使鋁絲內(nèi)部存在大量的空位和位錯°雖經(jīng)退火處理，但位錯

仍以網(wǎng)狀存在于燈絲之中。又鶴系體心立方晶格，電子層分布不對稱，使原子結(jié)合力具有

方向性，其位錯阻力（Peteres應(yīng)力）較大。又晶體本身脆性較大金屬的力學(xué)性能，對溫度

急變與應(yīng)變速度極為敏感，故鋁絲在點燃前就是一個存在著隨機缺陷敏感組織的裂紋體。

3.白熾燈的充氣

銬與氧在高溫下會生成高價氧化物三氧化鴇，所以抽空燈泡內(nèi)的空氣可減小鴿絲的氧化耗

蝕。但是燈泡內(nèi)的空氣不可能抽到完全真空，仍有空氣使鴇氧化而短壽。另外，因為燈泡

內(nèi)氣壓很低，鑄粒子從鋁絲表面逸出的速度也加快，這將導(dǎo)致鵠絲壽命縮短。

燈泡充入惰性氣體，可以減弱鴇絲的氧化耗蝕，并且隨著所充氣壓越高，效果越好，從而

可以延長燈的壽命。從1913年美國的朗繆爾制成充氧氣的白熾燈后，白熾燈技術(shù)的到快速

發(fā)展。

現(xiàn)在我們知道，惰性氣體的分子量越大，抑制鴇蒸發(fā)的效果越好，氣體的熱導(dǎo)損失也越小。

因此，充氯氣比充氧氣好，充掠氣比氨氣更好。不過，由于氯氣和掠氣比息氣更容易產(chǎn)生

放電并且價格較貴，現(xiàn)在的小功寶低壓燈泡為簡便起見都不充氣，大功率低壓燈泡充入約

0.IMpa的氫-氮混合氣體，高壓燈泡則充含氮約15%的氧氣，在礦燈等特種燈泡內(nèi)才充入

氨氣或氤氣。

惰性氣體不但減弱了燈絲的蒸發(fā)逸出，而且因為惰性氣體的熱傳導(dǎo)系數(shù)很小，還在燈絲周

圍形成一個保溫層，從而將燈絲溫度提高到2700~3000K,輻射出來的見光的比例會有一定

增加。但是，由于氣體對流產(chǎn)生的內(nèi)摩擦?xí)斐刹糠譄釗p失，充氣燈泡會損失一定的功率,

并隨著氣壓增加而增加。從總體上來說，充氣燈泡的光效比同溫度的真空燈泡要低。

減小泡殼尺寸可以獲得更高的機械強度，氣壓可以充得更高，抑制燈絲蒸發(fā)的效果更好。

但是由于玻殼溫度上升，普通玻璃承受不了，必須改用硬質(zhì)玻璃或石英玻璃。同時，玻殼

縮小后沉積的鴇更多，燈泡更容易變黑，這反而使光效降低。

由于工藝技術(shù)限制以及快速生產(chǎn)的需要，燈泡內(nèi)仍然含有微量的氧氣、水氣等雜質(zhì)，通常

的辦法是在燈泡內(nèi)使用消氣劑來提高真空度，常用的消氣劑有紅磷和五氧化三磷。

4.白熾燈的外形

白熾燈的燈絲是用金屬鴿拉制的，這種材料的熔點很高，一只點亮的白熾燈的燈絲溫度高

達3000℃。在高溫下一些鋁原子會升華成氣體向外擴散，這些鋁氣體遇到溫度較低的玻璃

后又凝華在內(nèi)壁上，呈烏黑色，這就是白熾燈用久發(fā)黑的原因。

白熾燈普遍被設(shè)計成球型，這可以使鐺原子能在一個比較大的表面上沉積，避免燈泡在很

短的時間內(nèi)就被熏黑,造成光通量的快速下降。

5.實用白熾燈的再改進

直形或U形燈絲的溫度并不高，而卷成螺旋狀的燈絲溫度更高，在充氣燈中采用螺旋形燈

絲來縮短燈絲長度，這有利于延長燈絲壽命和減小燈的熱導(dǎo)損失。這種單螺旋燈絲的又一

好處在于，能在燈泡內(nèi)狹小的體積里做成較長的燈絲，以取得更大的電阻。為了進一步提

高燈絲溫度，1912年，日本的三浦順一為使燈絲和氣體的接觸面盡量減小，將鴇絲從單螺旋

發(fā)展成雙螺旋，燈絲溫度高達2700K,這使白熾燈的發(fā)光效率由6—9Lm/W提高到約13Lm/肌

比單螺旋燈絲燈泡提高發(fā)光強度10%o1935年，法國的A?克洛德在燈泡內(nèi)充入氮氣、筑氣,

進一步提高了發(fā)光效率。雙螺旋燈絲白熾燈幾經(jīng)改進，雖然發(fā)光效率提高到當(dāng)今的50Lm/W,

但在所有用電的照明燈具中的效型仍是最低的，它所消耗的電能只有約10%的電能轉(zhuǎn)化為光

能，其余部分都以熱能的形式散失了。

為適應(yīng)市場需求，人們不斷對白熾燈進行改進，大大拓展了白熾燈的應(yīng)用范圍，開辟了白

熾燈的新時代。1949年，碘鋁燈在美國誕生，它比普通白熾燈提高光效30—60%,后來，

人們又制成了各式各樣的碘鴇燈。它已成為公共場所照明的重要燈具。

6.白熾燈的分類

6.1普通照明燈泡

為了防I卜燈絲氧化并且減少熱對流，這種燈泡玻殼內(nèi)抽成直空.因而提高了發(fā)光效率，并

且具有了耐高溫的品質(zhì)，不怕封閉燈具內(nèi)的高溫，環(huán)境溫度200℃以內(nèi)都能正常工作。但是

在長時間高溫下工作，金屬鴇會逐漸蒸發(fā)并均勻地粘附在玻殼內(nèi)壁，導(dǎo)致燈泡發(fā)光量逐漸

衰減，所以這種產(chǎn)品壽命期內(nèi)光通保持性能欠佳。另外普通照明燈泡的眩光是一個固有的

缺陷，而裸露使用難登大雅，為此又有磨砂玻璃、乳白玻璃和涂白玻璃幾種產(chǎn)品，只是透

光性受到影響。

6.2PAR燈泡

為了防止燈絲氧化，這種燈泡選擇了充惰性氣體的方式，并且玻殼涂白。高溫蒸發(fā)的鈣蒸

氣在燈泡玻殼內(nèi)部熱對流的作用下向上運動，最終粘附在燈把部位，因此壽命期內(nèi)光通保

持較好，適用于照明質(zhì)量要求較高的豪華裝修場所，并且可以裸露安裝，不產(chǎn)生眩光。美

中不足的是，PAR燈不宜用于高溫場所，100℃環(huán)境溫度下其壽命將縮短40%。

6.3鹵素?zé)?/p>

鹵素?zé)粲纸宣u鴇燈，分為浪鴇燈和碘鋁燈兩類，浪鴇燈壽命不如碘鴇燈（澳鴇燈約1000小

時，碘鴇燈可達1500小時），但澳鴇燈的發(fā)光效率比碘鴇燈高5樂鹵素?zé)舻牟な怯檬?/p>

玻璃制成，所以又叫石英燈。

普通白熾燈中的惰性氣體只能減弱燈絲的蒸發(fā)，而鹵素?zé)舻奶厥庑跃驮谟邙澖z可以“自我

再生”。在這種燈的玻殼中充有一些鹵族元素（如碘和溟），當(dāng)燈絲發(fā)熱時，鴇絲在高溫

下逐漸蒸發(fā)，逸出的鴇原子向溫度較低的玻璃管壁方向移動。在它們接近玻璃管時，鴇蒸

汽被“冷卻”到大約800c并和鹵素原子結(jié)合在一起，形成鹵化鋁（碘化鴇、溟化鋁）o鹵

化鋁有向高溫遷移的傾向，所以鹵化鴇又向燈泡中央移動，最后落到被腐蝕的燈絲上。因

為鹵化鐺很不穩(wěn)定，遇熱后就會分解成鹵素蒸汽和鴇，這樣鵠又在燈絲上沉積下來，彌補

了被蒸發(fā)的部分，這個過程叫做“鹵鴿循環(huán)”。這種燈不但可以消除鴿粒附在燈泡玻璃內(nèi)

壁上發(fā)黑的現(xiàn)象和延長燈絲壽命，而且燈絲可以做的相對較小，燈體也很小巧。鹵素?zé)舻?/p>

燈絲溫度可達3200K,顯色性好，發(fā)光強度和發(fā)光效率得到大大提高。

鹵素?zé)舻耐庑斡袩艄芎蜔襞輧煞N，分別適用于不同的燈具。鹵素?zé)舭l(fā)熱量較大，不適合環(huán)

境溫度較高的場合使用，因此使月時需要注意散熱，防止高溫灼傷附近低熔點物質(zhì)。

鹵素?zé)舭垂ぷ麟妷嚎梢苑譃榫€電壓和低電壓兩種，低電壓鹵素?zé)舻碾娫措妷阂话銥?2伏或

24V,功率在10~200W之間°低電床鹵素?zé)舻镍d絲可以做的較粗.額建壽命較長,光色也更

接近日光色。它配置的聚光杯可以使光線集合成一個向前的強光束，卻可以透過紅外線，

強光照射在需要突出表現(xiàn)的物品上非常醒目，但減少了被照物品受到的熱輻射。主要用于

需要光線集中照射的地方，比如月于櫥窗、寫字臺及居室的局部照明。

低壓石英燈必須配備降壓變壓器才能使用，如果用于調(diào)光場合，必須注意電子變壓器是否

適合，而電感變壓器可以直接使用。因在調(diào)壓變光過程中較低的溫度對鹵鴇循環(huán)不利。

7.白熾燈的發(fā)展趨勢

對普通白熾燈而言，若輸入能量為100%,則輻射在可見光區(qū)域的能量為7.1—10%(其中

人眼感受到的為2?4%),輻射在不可見區(qū)域的為72?86.4%,被導(dǎo)線和支架以熱形式傳

出的為6.5%,充氣燈泡中被氣體傳出的能量為11.5%。白熾燈和鹵色燈等熱輻射光源可

能達到的極限能量轉(zhuǎn)換發(fā)光效率是14%,而現(xiàn)有的白熾燈距這一限度還很遠。

研制節(jié)能型燈泡是白熾燈發(fā)展的主要趨勢，提高白熾燈的光效、延長使用壽命可循兩條途

徑：

①減小玻殼尺寸，提高燈絲的工作溫度。

②減少能量損耗。比如在玻殼上交替涂覆二氧化鈦一銀一二氧化鈦(Ti02-Ag-TiO2