摘要：文章分析了白熾燈、熒光燈、HID燈（高壓鈉燈、高壓汞燈、各種金屬鹵化物燈）、低壓鈉燈的輻射能量分布和LED光源特性，給出了光源的能量平衡圖，從而得出各種光源對(duì)應(yīng)的能量所占的主次關(guān)系。根據(jù)各種光源的能量分布，闡述了燈具熱試驗(yàn)時(shí)應(yīng)關(guān)注的被聚光照射的物體的測(cè)量點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：光源；輻射；輻射能量；燈具；熱試驗(yàn)；LED燈具
光是能量的一種形態(tài)，這種能量能從一個(gè)物體傳播到另一個(gè)物體，在傳播過程中無需任何物體作為媒介。這種能量的傳遞方式被稱為輻射，輻射的含義是指能量從能源出發(fā)沿直線向四面八方傳播，盡管實(shí)際上它并不總是沿直線方向傳播的，特別在通過物體時(shí)方向會(huì)有所改變。有些形式的輻射是由粒子組成的，例如由放射性物質(zhì)引起的輻射。光一度被認(rèn)為是粒子束，但后來經(jīng)實(shí)踐證明，用波動(dòng)來描述光的特性更為恰當(dāng)，光線的方向也就是波傳播的方向。約100年前，人們已證實(shí)了光的本質(zhì)是電磁波，后來又搞清了在波長(zhǎng)范圍極其寬廣的電磁波中，可見光波僅占了極小的部分。
電磁波可見光部分的波長(zhǎng)范圍約在380nm~780nm之間，在這個(gè)范圍內(nèi)的各種波長(zhǎng)，都可憑眼睛的顏色感覺來加以區(qū)別。藍(lán)色和紫色屬于短波，紅色屬于長(zhǎng)波，黃色和綠色處于可見波長(zhǎng)范圍的中間部分。
波長(zhǎng)超過可見光譜的紫色和紅色兩端的電磁輻射，分別稱為紫外輻射和紅外輻射。
光源的輻射能量是指光源輻射出來的光的能量，包括紫外輻射能量、可見光輻射能量和紅外輻射能量。輻射以外的能量為非輻射損失，包括傳導(dǎo)和對(duì)流損失。
一、光源的輻射能量分析
1、白熾燈的能量分析
一些白熾燈的可見光輻射、紅外線輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流損失的能量輸出見表1。
由表1可以看出，以100W白熾燈為例，可見光輻射能量所占比例為10.0%。紅外線輻射能量所占比例為72.0%。用光的形式輻射出去的能量所占的比例為82.0%。傳導(dǎo)和對(duì)流損失占18%。
白熾燈的非輻射損失包括泡殼燈頭吸收損失、氣體損失和支架等熱損失。
真空白熾燈、單螺旋和雙螺旋充氣白熾燈的可見光輻射、紅外線輻射和非輻射的熱損失的能量分配見表2。
由表2可以看出，白熾燈的絕大部分功率都變成了紅外線輻射，可見光輻射功率所占的比例很小，一般不到10%。紅外線輻射占比例為67%~87%。
100W 普通照明燈泡（GLS）的能量平衡的例子如圖1所示。
1.可見光輻射5W； 2. 來自燈絲的紅外輻射61W；
3.燈絲至泡壁的傳導(dǎo)和對(duì)流損失34W； 4. 來自泡殼的紅外輻射22W；
5.總的傳導(dǎo)和對(duì)流損失12W； 6. 總的紅外輻射83W。
圖1 100W GLS燈的能量平衡
由圖1可以看出，所舉的100W GLS例子而言，可見光輻射僅占5%，紅外輻射占83%，傳導(dǎo)和對(duì)流損失占12%。
總的來說，向前的紅外輻射占白熾燈能量的絕大部分，大量能量用于向前的發(fā)熱，僅小部分能量用于向前的發(fā)光。
2、熒光燈的能量分析
幾種典型熒光燈的可見光輻射、紅外線輻射和非輻射的熱損失的能量平衡見表3。
從表3可以看出，以36W(T8)熒光燈為例，可見光輻射27.7%，紅外輻射占38.1%（含少量的紫外輻射），傳導(dǎo)和對(duì)流損失占34.2%。
36W、colour 82的熒光燈的能量平衡的例子如圖2所示。
1.電正柱功率30.1W； 2. 電極熱損失5.9W；
3. 來自放電正柱的可見光1.2W； 4. 來自放電正柱的紫外輻射22.5W；
5. 放電正柱的熱損失6.5W； 6. 來自熒光粉層的可見光輻射8.8W；
7. 紫外輻射0.2W； 8. 紅外輻射13.5W；
9.總的可見光輻射10W； 10. 紅外輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流25.8W。
圖2 36W、colour 82的熒光燈的能量平衡
由圖2可以看出，所舉的36W、colour82的熒光燈例子而言，可見光輻射占27.8%，紅外輻射占37.5%，紫外輻射占0.6%，傳導(dǎo)和對(duì)流損失占34.1%。
總的來說，向前的紅外輻射占的比例比白熾燈小得多，差不多為白熾燈的一半。傳導(dǎo)和對(duì)流損失占的比例比白熾燈大得多，差不多為白熾燈的一倍。
3、低壓鈉燈和HID燈的能量分析
400W高壓汞燈的總可見光輻射和熱損失的能量平衡見表4。
從表4可以看出，400W高壓汞燈，可見光輻射占17.5%-20%，紅外輻射占15%，熱損失占80%-82.5%。
100W超高性能光源的可見光輻射、紅外輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流損失等的能量平衡見表5。
從表5可以看出，100W UHP燈，可見光輻射占25%，紅外輻射占34%，傳導(dǎo)和對(duì)流損失占11%。
400W高壓鈉燈的可見光輻射、紅外輻射、電極損失、氣體熱損失和吸收的能量平衡見表6。
從表6可以看出，各種類型的400W高壓鈉燈，可見光輻射占25%-36%，紅外輻射占20%-30%。
500W鈉-鉈-銦燈和高壓汞燈的可見光輻射、紅外輻射、非輻射等的能量平衡見表7。
從表7可以看出：500W鈉-鉈-銦燈，可見光輻射占24%，紅外輻射占30.2%，紫外輻射占8.8%，非輻射部分占37%；500W高壓汞燈，可見光輻射占14.6%，紅外輻射占15%，紫外輻射占22.4%，吸收輻射占22%，非輻射部分占22%。
400W鈉-鉈-銦燈的可見光輻射、紅外輻射、紫外輻射、非輻射的能量平衡見表8。
從表8可以看出：400W鈉-鉈-銦燈，可見光輻射占23.9%，紅外輻射占37.0%，紫外輻射占3.1%，非輻射部分占36%；400W高壓汞燈，可見光輻射占15.2%，紅外輻射占14.3%，紫外輻射占1.8%，非輻射部分68.7%。
400W透明玻殼的高壓汞燈的能量平衡的例子如圖3所示。
1.放電正柱功率360W； 2. 電極熱損失40W； 3. 可見光輻射50W；
4.來自放電正柱的紫外輻射90W； 5. 來自放電正柱的紅外輻射60W；
6. 放電正柱的熱損失160W； 7. 紫外輻射10W； 8. 紅外輻射80W；
9. 總的紅外輻射260W； 10. 傳導(dǎo)和對(duì)流80W。
圖3 400W透明玻殼的高壓汞燈的能量平衡
從圖3可以看出，400W透明玻殼的高壓汞燈，可見光輻射占12.5%，紫外輻射占2.5%，紅外輻射占65%，傳導(dǎo)和對(duì)流占20%。
400W涂熒光粉玻殼的高壓汞燈的能量平衡的例子如圖4所示。
1. 放電正柱功率370W； 2. 電極熱損失30W； 3. 來自放電正柱的可見光輻射59W；
4. 來自放電正柱的紫外輻射73W； 5. 來自放電正柱的紅外輻射60W；
6. 放電正柱的熱損失178W； 7. 來自熒光粉層的可見光輻射8W；
8. 紫外輻射15W； 9. 紅外輻射50W； 10. 總的可見光輻射67W； 11. 總的紅外輻射226W； 12.傳導(dǎo)和對(duì)流92W。
圖4 400W涂熒光粉玻殼的高壓汞燈的能量平衡
從圖4可以看出，400W涂熒光粉玻殼的高壓汞燈，可見光輻射占16.8%，紫外輻射占3.7%，紅外輻射占56.5%，傳導(dǎo)和對(duì)流占23%。
160W自鎮(zhèn)流高壓鈉燈的能量平衡的例子如圖5所示。
1. 放電管功率50W； 2. 燈絲功率110W； 3. 放電正柱功率24W； 4.電極熱損失26W；
5. 來自燈絲的紅外輻射37W； 6. 傳導(dǎo)和對(duì)流損失67.5W；
7. 來自燈絲的可見光輻射5.5W； 8. 來自放電的可見光輻射7.5W；
9. 來自放電的紫外輻射9W； 10. 來自放電的紅外輻射7.5W；
11. 來自熒光粉層得可見光輻射1.5W； 12. 紅外輻射7W；
13. 來自放電加上燈絲的總的紅外輻射70.5W； 14. 總的可見光輻射14.5W；
15. 紫外輻射0.5W； 16. 總的紅外加上傳導(dǎo)和對(duì)流145W。
圖5 160W自鎮(zhèn)流高壓鈉燈的能量平衡
從圖5可以看出，160W自鎮(zhèn)流高壓鈉燈，可見光輻射占9.1%，紫外輻射占0.3%，紅外輻射占48.4%，傳導(dǎo)和對(duì)流占42.2%。
典型的三種光譜金屬鹵化物燈的能量平衡的例子如圖6所示。
1. 放電正柱功率364W； 2. 電極熱損失36W； 3. 可見光輻射97W；
4. 來自放電的紫外輻射15W； 5. 來自放電的紅外輻射98W；
6. 放電正柱的熱損失154W； 7. 紫外輻射5W； 8. 紅外輻射10W；
9. 總的紅外輻射237W； 10. 傳導(dǎo)和對(duì)流61W。
圖6 典型的三種光譜金屬鹵化物燈的能量平衡
從圖6可以看出，400W典型的三種光譜金屬鹵化物燈，可見光輻射占24.25%，紫外輻射占1.25%，紅外輻射占59.25%，傳導(dǎo)和對(duì)流占15.25%。
180W低壓鈉燈的能量平衡的例子如圖7所示。
1. 放電正柱功率158W； 2. 電極熱損失22W； 3. 可見光輻射63W；
4. 紅外輻射5W；5. 放電正柱的熱損失90W； 6. 總的紅外輻射62W； 7. 傳導(dǎo)和對(duì)流55W。
圖7 180W低壓鈉燈的能量平衡
從圖7可以看出，180W低壓鈉燈，可見光輻射占35%，紅外輻射占34.5%，傳導(dǎo)和對(duì)流占30.5%。
400W高壓鈉燈的能量平衡的例子如圖8所示。
1. 放電正柱功率376W； 2. 電極熱損失24W； 3. 可見光輻射118W； 4. 紫外輻射2W；
5. 紅外輻射80W； 6. 放電正柱的熱損失176W； 7. 紫外輻射1W； 8. 紅外輻射1W；
9. 總的紅外輻射221W； 10. 傳導(dǎo)和對(duì)流60W。
圖8 400W高壓鈉燈的能量平衡
從圖8可以看出，400W高壓鈉燈，可見光輻射占29.5%，紫外輻射占0.25%，紅外輻射占55.25%，傳導(dǎo)和對(duì)流占15%。
總的來說，高壓汞燈的紅外輻射占14.3%~65%，傳導(dǎo)和對(duì)流占20%~68.7%。高壓鈉燈的紅外輻射占20%~55.25%，傳導(dǎo)和對(duì)流占15%~42.2%。金屬鹵化物燈的紅外輻射占30.2%~59.25%，傳導(dǎo)和對(duì)流占15.25%~37%。低壓鈉燈的紅外輻射占34.5%，傳導(dǎo)和對(duì)流占30.5%。
4、LED的能量分析
LED有25%-30%的可見光，紅外輻射沒有，70%-75%熱量（非輻射熱）。LED向前照的可見光只有25%-30%，沒有紅外線出來。其他都是熱，不是輻射熱，而是傳導(dǎo)熱。
根據(jù)各種光源的輻射能量分析，得到各種光源對(duì)應(yīng)的能量所占的主次關(guān)系如表9所示。
二、燈具熱試驗(yàn)時(shí)應(yīng)關(guān)注的被聚光照射的物體的測(cè)量點(diǎn)
對(duì)白熾燈而言，關(guān)注反射型白熾燈，因?yàn)槠溆袕?qiáng)的集光性。一般的反射型燈泡采用拋物面形狀的反射鏡面，還有一種橢球反射面的反射型白熾燈。常用的有鍍鋁拋物反射型燈（PAR燈）和多層介質(zhì)膜反射型燈（MR燈）。PAR燈有聚光型和泛光型兩大類，光束角為5o~60o。RF為泛光反射型，RS為聚光反射型，BRF為封閉泛光反射型，BRS為封閉聚光反射型。反射型白熾燈根據(jù)泡殼的加工方法，可分為吹制泡殼反射型白熾燈和壓制泡殼反射型白熾燈兩類。PAR燈采用壓制泡殼封閉式光束燈結(jié)構(gòu)。為了減少出射光線的熱量，在透鏡上涂以紅外反射膜，可做成冷光型的PAR燈。MR型鹵鎢燈是將反光鏡和燈泡一體化的鹵鎢燈。拋物反光鏡是由玻璃壓制而成，內(nèi)表面涂以多層介質(zhì)膜。這層膜作用是反射可見光，而透紅外光?？梢姽獗环瓷涞叫枰彰鞯奈矬w上，所發(fā)射的紅外線大部分透過反射鏡被濾掉了。在目標(biāo)所接受的光中幾乎沒有紅外輻射，因而MR型鹵鎢燈又俗稱冷光束鹵鎢燈。MR型鹵鎢燈可做成寬、中和窄三種光束型號(hào)。
反射型白熾燈可分為熱量向前的反射型白熾燈和熱量向后的反射型白熾燈。熱量向前的反射型白熾燈是指熱量與光的出射方向相同，又稱一般反射型燈。熱量向后的反射型白熾燈是指熱量與光的出射方向相反。熱量向前的反射型白熾燈和熱量向后的反射型白熾燈形狀可能相同，應(yīng)注意防止誤用。
熱量向前的反射型白熾燈燈具中一旦使用了熱量向后的反射型白熾燈時(shí)，可能會(huì)使燈座、電線、燈罩等的部位溫度超過規(guī)定值，而發(fā)生危險(xiǎn)。如果存在這種危險(xiǎn)情況的話，GB7000.1的3.2.11要求燈具標(biāo)記符號(hào) ，以警告不能使用冷光束燈。
熱量向后的反射型白熾燈一旦使用了熱量向前的反射型白熾燈時(shí)，可能會(huì)使被照物的溫度超過規(guī)定值，可能存在著火危險(xiǎn)。如果存在這種危險(xiǎn)情況的話，GB7000.1的3.2.15要求燈具標(biāo)記符號(hào) ，以告知使用者該燈具設(shè)計(jì)使用碗形鏡面反射燈泡。
對(duì)白熾燈而言，尤其對(duì)熱量向前的反射型白熾燈，應(yīng)關(guān)注被照射物體的測(cè)溫點(diǎn)。
對(duì)于HID燈和低壓鈉燈，應(yīng)關(guān)注被照射物體的測(cè)溫點(diǎn)。
從表9可以看出，GB 7000.1的3.2.13要求燈具標(biāo)記的離被照物Zui短距離的符號(hào)，不適用LED光源。LED燈具熱試驗(yàn)時(shí)的關(guān)注點(diǎn)不是向前的輻射熱，而是向后的傳導(dǎo)熱。
三、結(jié)束語
燈具熱試驗(yàn)時(shí)應(yīng)關(guān)注的被聚光照射的物體的測(cè)量點(diǎn)，取決于根據(jù)各種光源的輻射能量分析，不是所有的光源都需要測(cè)量照射面的溫度。LED燈具無需測(cè)量向前的照射面的溫度。
參考文獻(xiàn)
[1] 《光源與照明（第四版）》，[英]J·R·柯頓 A·M·馬斯登 主編 陳大華 劉九昌 徐慶輝 劉 動(dòng) 譯，復(fù)旦大學(xué)出版社2000年1月第一次印刷；
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[3] THE IESNA LIGHTING HANDBOOK NINTH EDITION；
[4] LIGHTING MANUAL Philips Lighting fifth edition。