交通工程

[拼音]：baichideng

[英文]：incandescent lamp

將燈絲通電加熱到白熾狀態，利用熱輻射發出可見光的電光源。

簡史

19世紀後半葉，人們開始試製用電流加熱真空中燈絲的白熾電燈泡。1879年，美國的T.A.愛迪生製成了碳化纖維（即碳絲）白熾燈，率先將電光源送入家庭。1907年，A.賈斯脫髮明拉制鎢絲，製成鎢絲白熾燈。隨後不久，美國的I.朗繆爾發明螺旋鎢絲，並在玻殼內充入惰性氣體氮，以抑制鎢絲的蒸發;1915年發展到充入氬氮混合氣。1912年，日本的三浦順一為使燈絲和氣體的接觸面儘量減小，將鎢絲從單螺旋發展成雙螺旋，發光效率有很大提高。1935年，法國的A.克洛德在燈泡內充入氪氣、氙氣，進一步提高了發光效率。1959年，美國在白熾燈的基礎上發展了體積和光衰極小的滷鎢燈。白熾燈的發展史是提高燈泡發光效率的歷史。

白熾燈生產的效率也提高得很快。80年代，普通白熾燈高速生產線的產量已達8000只/小時，並已採用計算機進行質量控制。

結構

不同用途和要求的白熾燈，其結構和部件不盡相同。普通白熾燈泡（見圖）的主要部件是玻殼和燈絲。

玻殼

一般用透明玻璃製成。為避免燈絲眩光，對玻殼可進行內塗覆或磨砂處理，以形成光的漫反射。透明玻璃燈泡的數量則已逐漸減少。為加強某一方向的發光強度，還在玻殼上蒸塗鋁反射層。一些特殊用途的燈泡採用彩色玻璃。

燈絲

又稱白熾體。是燈泡的發光體，常用鎢製成單螺旋絲或雙螺旋絲。鎢絲由芯柱上的鉬絲支架支撐，兩端與導絲連線。為安全起見，高電壓充氣白熾燈外導絲還接有保險絲。為提高燈絲的發光效率，燈泡內的空氣通過芯柱內的排氣管抽出，或是抽真空後再充進需要的惰性氣體。

燈絲有如下基本要求：

（1）熔點溫度高。燈絲的熔點溫度高則燈泡的放光效率也高。

（2）蒸發速率小。一般燈絲的壽命隨蒸發速率減小而延長。此外，蒸發還會引起玻殼內部汙染而吸收可見光，減少光通量。

（3）輻射選擇性好。燈絲應能使大部分能量在可見光區域內輻射。

（4）機械加工效能好。燈絲材料用機械方法拉制成合格的細絲並能繞製成螺旋狀。

（5）在高溫下能充分定型。螺旋燈絲在高溫工作時由於本身重量出現下垂變形，會造成燈絲各段的溫度不勻，影響壽命。應儘量避免這種變形。

（6）有較大的電阻率。鎢的上述效能較其他材料的好，因此在白熾燈中已普遍採用。鎢的熔點為3680±20K，此時發光效率可達52lm/W。白熾燈中鎢絲的實際工作溫度為2800～3000K。為了提高鎢絲的堅韌性，防止在高溫時變形，通常在鎢絲中加入微量氧化物，如氧化矽、氧化鋁、氧化鉀等。

燈絲的燒燬

鎢有正的電阻特性，一般白熾燈燈絲在工作時的熱電阻是室溫時的10～13倍。所以，在燈泡每次啟點的瞬間，鎢絲的電流較大，容易燒燬。燈絲燒燬的另一個原因是燈絲區域性區段可產生“熱點”。產生區域性熱點的原因有以下4種：

（1）由於鎢絲區域性區段直徑減縮；

（2）鎢絲中的新增劑鉀產生的微小鉀泡在高溫下聚合成大的鉀泡；

（3）燈泡中的殘餘氣體（如H2O、O2、CO2等）與鎢發生化學反應，生成揮發性的鎢化物，使鎢絲區域性區段直徑減縮。

（4）鎢段區域性螺距過密。以上情況會使鎢絲區域性區段電阻增加，溫度升高，形成熱點。熱點反過來又導致鎢的蒸發加快，使該區段電阻和溫度進一步增大，從而加快了鎢絲的燒燬過程。這種惡性迴圈稱為熱點效應。此外，在鎢絲的生產、拉制和繞制螺旋過程中，任何雜質或不均勻都可導致燈絲燒燬。

燈泡設計和壽命

燈泡的設計主要有3種方法：

（1）設計新燈泡時，使用建立在白熾燈內部能量平衡上的統一公式。

（2）修正燈泡引數時，使用外推公式。

（3）在實際生產中，常使用經驗公式。

設計燈泡時，應保證其能承受比額定值高15％的瞬時電壓而不致燒燬；在額定電壓下燃點時，其平均壽命不低於1000小時；壽終時，個別燈泡的光通不應低於初始光通的72％。

壽命是燈泡的一項基本引數，一般分為全壽命和有效壽命，以小時計。從燈泡開始點燃直到燒燬為止，各段使用壽命的迭加稱為全壽命。在燈泡工作過程中，玻殼內壁逐漸覆蓋一層暗黑薄層，光通逐漸衰減，從燈泡開始使用到衰減至一定值時，這段實際使用時間稱為有效壽命。白熾燈的各項壽命引數和電源電壓波動的關係是：

式中a、b、c、d 為特性指數，隨燈泡的型別而異。

用途

白熾燈的光效雖低，但光色和集光效能好，易於大量生產、成本低、使用方便。因此，它始終是產量最大、應用最廣泛的電光源。除作普通照明燈外，還可作航空、車輛、船舶用燈，醫療衛生、儀器、訊號指示燈，舞臺、放映、照相用燈，紅外線加熱，礦用、農用、集魚和測光標準燈等。車輛用燈中汽車和拖拉機燈泡用得最多，有的是雙絲燈泡（遠光、近光），也有與反光罩整體結合的，電源電壓一般有6V和12V兩種，光強從3燭光到50燭光。目前很多型別的白熾燈已向滷鎢燈發展。

發展趨勢

白熾燈的發展趨勢主要是研製節能型燈泡。對普通白熾燈而言，若輸入能量為100％，則輻射在可見光區域的能量為7.1～10％（其中人眼感受到的為2～4％），輻射在不可見區域的為72～86.4％，被導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％。白熾燈和滷鎢燈等熱輻射光源可能達到的極限能量轉換髮光效率是14％，而現有的白熾燈距這一限度還很遠。

由於白熾燈使用量大，每提高1％的發光效率都有巨大的節能意義。提高白熾燈的效率可循兩條途徑：

（1）提高燈絲的工作溫度。

（2）減少能量損耗。已設計使用的充氪白熾燈可節電 8～10％而不犧牲光輸出或壽命。但純氪不能使用，須加氮成為混合氣。充入氪、氮混合氣也有利於玻殼的小型化。另一種正在試驗研究中的白熾燈是採用塗層二氧化鈦－銀－二氧化鈦(TiO2-Ag-TiO2)等作為熱反射膜，以反射紅外輻射、透見光，它可得到與普通白熾燈相同的光輸出而節能高達30％。