关于电光源发明以来基本属性的描述

关于电光源发明以来基本属性的描述 李进 【摘要】由于原始灯丝通电发光技术的使用，大部分的能源在点燃灯丝后以热的形式扩散传递到了空间白白消耗掉，而不是以光的现形式呈现作用于发光本体用它来进行照明。所以不同程度的存在着光电转换效率低于12%，发光效率低于10~15Lm/W的不足。 随着时代的发展与科学的进步，这一代应用了135年的白炽灯类型的电光源原始应用技术，到2015年为止在世界范围提倡节能环保的新浪潮中，以淘汰高耗能的落后电光源中画上了一个终结的句号。 本文简要描述了电致发光白炽灯的发明、场致发光LED产品的问世、光致发光冷光源的优点、磁致发光磁能灯、电磁感应灯、无极灯、微波流灯的新光源的发展。这些影响世界科学发展在各个时期、各个阶段发明的电光源新产品的形成过程。 关键词 闭合磁路、磁能、电磁感应、无极、微波流灯、磁致发光、电致、场致、光致、APFC电路、电子镇流器、无汞荧光灯、白炽灯、无汞陶瓷金卤灯、钠灯、OLED、LED、纳米反光新材料。 1879 年美国大发明家爱迪生在实验室带领工程 技术人员经过近万次的试验，发明了各种使用灯丝材料通电发光的白炽灯。经过世界各国家科学家的多次改进后定位使用了现在的钨丝。这类发光方式的典型灯种有白炽灯、石英灯、碘钨灯等灯种，这些电光源的伟大发明改变了人类的生活方式，开创了一个电光源应用的新纪元。 由于原始灯丝通电发光技术的使用，大部分的能源在点燃灯丝后以热的形式扩散传递到了空间白白消耗掉，而不是以光的表现形式呈现作用于发光本体用它来进行照明和发光。所以不同程度的存在着光电转换效率低于12%，发光效率低于10~15Lm/W 的不足。 随着时代的发展与科学的进步，这一代应用了135年的白炽灯类型的电光源原始应用技术，到2015 年为止在世界范围提倡节能环保的新浪潮中，以淘汰高耗能的落后电光源中画上了一个终结的句号。 使用钨丝通电后的发光灯体，在1920 年后世界各国的电光源发明家相继将灯体内的发光物质进行了各种各样的试验，先后进行了灯体内的混合气体的充填配方的创新与各种发光材料的涂覆，包括对以保护灯丝的涂覆材料和陶瓷护管的物理性能试验，直至衍生出了氙灯、UV 紫外灯、远红外灯、稀土三基色荧光灯、高压汞灯、冷阴极荧光灯、高压单端电极的霓虹灯、紧凑型荧光灯（节能灯）等与应用了电子镇流器替代传统电感镇流器加启辉器启动方式的新灯种。 电子镇流器的技术应用，使这一代的电光源的光电转换效率在原有电感启动装置35~40% 的基础上提高了到了55~58% 的较高技术水平。从发明了直径36mm的T12 荧光灯，到改进为直径16.5mm 的T5 荧光灯。 这种T5 灯管不但节省了原材料，而且借助于新的无源PPFC、有源APFC 高功率因素高频电子镇流器与T5 发光灯体的匹配使用，将T5 荧光灯的发光效率提高到了115~120Lm/W。特别是使用了灯丝涂覆工艺、材料和陶瓷护层、护管的改进，使T5 荧光灯的使用寿命提高到了10000~12000 小时。随即德国、美国、日本、中国发明了不再使用液态汞元素的荧光灯，这种电离激活发光材料新配方的新方式，很大程度上解决了荧光灯回收的环境污染问题。无汞荧光灯的发明，减轻了頩闪效应、消除并减轻了部分眩光对眼睛产生的伤害。使荧光灯发光柔和更长寿、更节能、更加利于环保健康。90 年代末中国首创的紧凑型大功率荧光灯的8U 单灯输入功率达到了180W，螺旋形大功率紧凑型荧光灯的单灯输入功率达到了260W，光效普遍达到了55~60Lm/W，显色性指数达到或超过了82，扩大了紧凑型荧光灯的使用范围，有力的占领了世界产品市场。奠定了中国成为了世界节能灯生产大国的地位。 特别指出的是新的纳米反光材料的问世在T5 荧光灯原115~120Lm/W 的光效基础上，又将荧光灯的光照度提高了85~90%。基于新材料纳米发光板灯具的匹配，使T5 荧光灯的发光指数提高到了212.75~222Lm/W，甚至高于235Lm/W 技术指标。随即德国、美国、日本、中国等国家的发明家对T5 荧光灯与纳米反光板新灯具的结合，和对于不再使用液态汞元素荧光灯的新的发光材料配方的激活方式的这种新技术对外进行了发布，使这种不再使用汞元素的荧光灯真正达到了一个新的高效节能环保的领先技术水平。 （无汞激活方式与新三基色荧光粉的配方的改进的发明、高效节能原来相关发明年代、国家、发明人及技术应用参数及各个国家生产的产品发光效率等技术指标参数略。） 电光源经过近60 年的发展试验，在1950 年后德国、美国、中国的科学家又发明创造出了以两端电极通电后产生高压电弧激活灯柱内的复合金属卤化物与复合金属钠发光新材料的高压金属卤化物灯、高压钠灯和低压钠灯等高压气体放电灯（英文缩写简称HID）等新灯种。这些新光源的发明同样一步一步的渡过了从电感启动方式到电子启动方式的转变。高频电子启动方式和高功率因数电路使用的转变，提高了电光源的稳定性和光电转换效率，使电光源在新的复合发光材料的应用方面有了新的发展和新的变化。 这部分新光源的发明创造，使电光源的转换效率从原来的荧光灯灯种的55~58% 提高到了65~68%，光效有了了明显的提升，低压钠灯达到了135~140Lm/W 的高光效，特别是陶瓷金卤灯与陶瓷钠灯的出现，基于高频电子镇流器的匹配使用，使其产品的使用寿命提高到了25000~28000 小时，单灯输入功率从30W~1000W甚至更高的大功率，光效提高到了120~125Lm/W 的先进水平。1995 年后德国、美国、中国相继发明了不再使用汞元素的新光源激活方式的金属卤化物灯与复合钠元素的钠灯，各种不再使用汞元素的新光源新技术新发明的电离激活方式相继问世，进入到一个电光源的应用新时期。 （相关发明年代、国家、发明人及技术应用参数及各个国家生产的产品发光效率、电参数、图标等数据略。） 上述以灯丝、电极通电电离激活灯体内的气体或发光物质发光方式的发光原理，可称之为“电致发光”。 60 年代世界各地相继出现了不使用汞元素的LED发光体，在添加荧光粉与其他发光材料和发光效率的问题上进行了各种各样的探索，比如讲通过定向改变LED发光体的发光角度的大小，来控制LED 发光体本身的发光强度。使LED 发光体本身的光效随着LED 发光体的射角改变而达到不同的亮度。LED 的发光角度小于15度的时候，其光效可达到115Lm/W~125Lm/W，同时也会产生不利于视觉感官的高强度眩光！ LED 所产生的强眩光辐射对眼睛产生的伤害一直是世界高度重视的问题，由此产生的高强度的眩光使LED 发光体的使用范围应用大打折扣！尤其是一旦LED 的发光角度打开到120度以后，其发光的光效急剧下降，甚至下降到50Lm/W以下，到了不如荧光灯光效的尴尬境地，特别是对处理高强度眩光时添加的磨砂均光罩的使用，使LED 的光效对折的折扣抵消了原来一直标称的高光效，这些难以消除的严重缺陷及技术瓶颈，与“电致发光”的电光源相比其获取的使用价值和性能价格比大大下降，使其在照明方面的利用价值大打折扣！ 另一个方面是封闭状态下的LED 的温度使得LED发光体本身的寿命、光衰受到较大的影响，其单灯的输入灯功率做不大，其输入功率一般都在毫瓦级，所标称的大功率一直徘徊在1~3W 以下。其他的技术指标也不尽人意，国外报到了LED 用以激活电离产生雪崩发光的蓝光对人体视觉器官会产生极大的危害的文章引起了医学界的高度重视！而LED 通过点阵排列的串并所形成的发光体的本身一致性差别较大，为解决散热使用的优质铝合金是贵重有色金属，从开矿到制造过程中对环境的影响特别是铝合金在对LED 的散热的使用比值中出现了负值。为解决LED 发光体散热问题而使用了大量的铝型材，其与所得到的LED 使用价值出现了社会节能环保利用价值的不等值。矛盾的技术瓶颈使LED 的发展和实际可应用的技术范围的发展难以出现较理想的技术突破，一直徘徊在数字、信号、显示阵列的应用范畴中。应当指出以LED 原在数字、信号、显示阵列的技术应用中在OLED 问世前具有一定的实用价值。……　 值得期待的是OLED 的发明改变了LED 的部分不足。性能有了较大的提高，对视觉感官的不良刺激有了较大的改观，较高的科技含量与高附加值使OLED 有了可观的使用拓展空间。OLED 只要突破受制于工作时温升对有机发光材料产生的光衰的技术瓶颈，相信OLED的应用技术研究所给社会带来的发展将是一个新的飞跃！…… LED 是一种可发光的半导体发光二级管，这种器件的两端设置有N 结和Ｐ结两个电极，所设置的两个电极形成的是一个可发生电离进而产生雪崩的电场。OLED 同样是这种相同类型的发光方式，所以这种发光方式的原理可称之为“场致发光”。 （相关发明年代、国家、发明人及技术应用参数及各个国家生产的产品发光效率、电参数等数据略。） 以化学蓄能的蓄光方式将光能收集存蓄在本体内，而在环境光线达到一定的照度不足的时候，所收蓄的光能以高于环境照度的亮度释放出来，达到照明发光指示的应用。这种蓄光放光的方式是较理想的环保节能处理应用技术。这种以化学的吸蓄释放的转换方式，是冷光源的表现形式，可归纳称之为“光致发光”。 （相关发明年代、国家、发明人及技术应用参数及各个国家生产的产品发光效率、电参数、图标等数据略。） 电的发明后，麦克斯韦计算出了光的速度和电的速度，演绎出了电磁感应方程式，将电、磁、光的属性与线性对应的空间存在方向、形式用数学形象的图形表述出来。得出光波也是电磁波的一种表现形式的科学结论。至此光、电、磁的转换方式与电磁感应转换形式进入了各个学科的科学研究领域。 在白炽灯发明后，以去掉灯丝电极使用电磁逆变的电磁耦合方法产生电磁感应建立磁场获得磁能，用获得的磁能代替灯丝电极，激活封闭腔体内的发光物质的这种新的发光原理于1900~1920 年进入了科学研究领域。 这种科学研究一直延伸到了近代，到90 年代初期随着半导体功率器件性能的不断提高不断创新，和半桥全桥驱动集成电路的出现及高頩高居里温度低损耗软磁铁氧体磁性材料的问世，电磁感应灯、无极灯、微波流灯从实验室走向了实际产品的市场应用阶段。2004 年中国发明了磁能灯，第一次使用一体化双孔８字形连体磁芯，将原世界各国发明的电磁感应灯、无极灯、微波流灯的开合磁路设计为闭合磁路，降低了工作频率，减少了电磁辐射与电磁干扰的当量，220W U 形磁能灯的电磁辐射量大大小于普通13W T4 的直管电子荧光灯。 2013 年5 月16 日前后这项PCT 原创闭合磁路的多种结构的磁能灯新光源新发明获得了多个国家的PCT 发明专利授权。中国发明的这一原创技术的突破，使磁能灯新光源的发光光线柔和、无眩光、无頩闪，使磁能灯新光源的光波、色温、頩谱、光谱与磁场强度设置可控。 目前大功率磁能灯可见光的光效为60~85Lm/W 左右，显色性指数大于82 ，无眩光、无頩闪利于视觉感官的保护与健康。基于纳米反光器具的配套使用，磁能灯的发光效率可提高到115Lm/W~161.5L m/W 的技术水平，照度明显得以提高。 中国原创PCT 发明专利磁能新光源基于在数字网络远程智能控制系统的链接设计，与定性线性无极调光的技术应用中具有其他电光源产品所无法比拟的巨大优势。 磁能灯新光源跨学科的适用范围较广，可广泛应用到植物种子的培育、粮食蔬菜水果及动植物的无公害的绿色环保的室内种植、养殖。特种磁能灯紫外线UV新光源可使用于有机聚合物高分子材料的光固化、光合成生成等领域；磁能新光源UV 紫外灯在处理生活污水、自来水与空气净化消毒等领域的应用中具有显著的效果及性价比。…… 同时新一代的磁能灯、电磁感应灯、无极灯均使用了可回收的固态汞合金（俗称汞齐），减少了对环境的污染。无极灯的单灯输入功率已达到160W，电磁感应灯的单灯输入功率已达到260W；磁能灯新光源产品目前单灯试验成功的输入功率为520W，随着制造工艺的突破磁能灯的单灯输入功率可以突破1500W 的技术水平。 中国原创首先使用的一体化双孔连体磁芯闭合磁路磁能灯新光源，已经试验成功无汞激活发光的新灯种，特别是特种磁能新光源试制出的用于植物光合作用的特种光谱的磁场能量与頩谱光波的控制水平有了新的突破。…… 以上用电磁逆变耦合磁能发生器获得磁能，用获得的磁能代替灯丝电极电离激活灯体内的发光物质，达到发光照明目地的这种发光原理可称之为“磁致发光”。 （相关发明年代、国家、发明人及技术应用参数及各个国家生产的产品发光效率、电参数、图标等数据略。）我对电光源使用寿命的定位是： 电光源本身在使用过程中，发光材料与灯体材料在高温工作状态下的相互渗透时对光衰产生影响的时间定义。这个时间定义是光衰衰减到70% 时不再具有节能的实际实用价值时的时间定义！使用电光源产品的总体使用寿命，当然也包括电子电路的设计与电子元器件在使用过程中参数的合理运用等的整体因素。 通过计算和实际使用时的检验，采用新的配方工艺的磁能灯、电磁感应灯正常使用时光衰到70% 时的使用时间为50000~55000 小时左右，是目前电光源领域里寿命较长的电光源。 （原国外90 年代发明的内置耦合式无极灯的光衰较大，光效保持在70% 时的时间约在15000~20000 小时左右，但也是目前光源寿命较长的优秀电光源之一，这也是目前其他电光源所无法与之相抗衡的。缺点是开合磁路的结构产生的对外电磁辐射可控性较低。） 以“磁致发光原理”发明的无灯丝无电极的磁能灯、电磁感应灯、无极灯、微波流灯的技术产品，将更大程度上广泛应用在跨学科、跨领域应用技术方面的科学发展，是将来新一代的优质新光源及世界照明领域的发展方向。……以上描述了对新一代的电光源发展的讨论，欢迎大家进行各方面的交流探讨。 1