作者：刘木清 主编
出版社：化学工业出版社
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LED及其应用技术试读：
前言
20世纪90年代LED在蓝光LED技术上的突破以来，LED技术受到世界上科技发达国家的高度重视，通过各自的国家科技计划推动LED的发展。在这种情况下，LED无论从技术与产业的角度都获得很大的发展，并且还在快速发展之中。目前LED已经成为照明的重要光源并且在不久的将来有望成为主流光源，同时LED的特点也诞生出许多传统光源不能实现的应用领域，特别是LED的非视觉应用。因此，我国大专院校很多相关的专业都从事LED知识的讲授，各地都有很多科研机构进行LED的相关科研工作，进行LED生产或应用的企业更是非常多。鉴于此，本书对LED相关的主要环节进行介绍，试图使读者对LED有较深入的了解。
全书按照LED产业链的主线进行编写，试图从LED的原理、材料、芯片、封装、应用等阐述LED。全书分为16章，第1章电光源综述，介绍光源的历史并对LED与传统光源进行比较；第2章介绍LED的发光原理；第3章介绍LED的材料体系；第4章介绍LED的光取出；第5章介绍LED的芯片制造技术；第6章介绍LED的封装技术；第7章介绍白光LED；第8章介绍LED的器件的性能；第9章介绍LED光及热特性的测试；第10～12章分别介绍LED应用技术三个重要方面，即光学设计、驱动技术与散热技术；第13、14章分别介绍用于普通照明的中小功率、大功率LED灯具；第15章介绍LED的信号显示与背光应用；第16章介绍LED的非视觉应用。
本书可作为大专院校建筑、光源与照明等相关专业的研究生和本专科学生教材，也可以作为光源照明和建筑行业的工程师及相关爱好者的参考书。
本书由复旦大学电光源研究所几位老师与研究生共同编写，其中刘木清多年在复旦大学进行“LED及其应用技术”课程的讲授，并长期在LED应用技术领域进行科研工作，相关的多个科研成果在书中有表述。崔旭高负责第2、3、4、5章的大部分编写工作；江磊负责第11章编写；刘颖负责第6章的编写，其余章节与内容由刘木清负责编写。全书由刘木清、高维惜统稿。
感谢韩凯、甘媛媛、顾鑫等同学在编写过程中的帮助。另外，特别要感谢复旦大学客座教授、国际电光源委员会主席Devonshire博士为本书作序、编写英文目录，感谢Devonshire博士及复旦大学客座教授、CIE前主席Van Bommel先生对本书多个问题的讨论。
由于编者水平有限，书中试图涉及LED直接相关的各个领域，而这些领域跨度很大，因此疏漏之处在所难免。同时LED目前仍然处于高速发展阶段，许多内容处于不断的更新之中。鉴于此，书中如有疑问或不当部分，请联系mqliu@fudan.edu.cn。编者2013年6月第1章 电光源综述1.1 光源发展史
人类的生活离不开光，每天近一半的时间生活在太阳光下，这是利用自然光源。但深夜茫茫，人类需要人造光源进行照明。人类对光源的使用要追溯到原始人对篝火的发现和人类自身对照明的需求。早在石器时代，人类就开始有目的地使用火，用火取暖、烤熟食品，使用松明和人造火把（用动物油脂浸渍木条）作为光源，从而揭开了照明的序幕。
人类的第一盏灯是在空心石、贝壳或其他类似物中放入浸满了动物油脂的苔藓等植物来点燃照明。到了中世纪，人工照明由简单的木柴蘸油演化为使用油灯和蜡烛，大约在蜡烛作为光源的时期，出现了专门的灯具。1802年，俄国彼德罗夫教授论述了碳极电弧发光现象，并提出了弧光照明，这是人类关于电光源照明的最早论述。1867年，Charles W Heatstone和Werner Siemens发明了自激发（self-excited）发电机，电弧灯开始照亮法国巴黎街道，取代了几万盏煤气灯。电应用于照明是从碳极弧光灯开始的（图1.1），碳极弧光灯的问世开辟了电光源照明的新时代，它标志着人类实现了由电到光的转化过程。图1.1 碳极弧光灯
进入19世纪，人类开始步入电气照明时代，人造照明光源经历了四个发展阶段：白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯和半导体固体光源。
1878年，英国物理家Joseph Swan和美国发明家托马斯·爱迪生（Thomas Alva Edison）各自独立地研制出具有实用意义的真空白炽灯泡，图1.2所示为爱迪生研制的铂丝白炽灯。1879年10月，爱迪生小组研制出寿命为14h的真空炭丝白炽灯，12月开始商业化生产，其炭丝是用棉线烧成的。图1.2 铂丝白炽灯
白炽灯从此取代了传统的火焰光源，引发了一场照明技术的革命，开创了人类电光源照明的新时代。使用钨丝作灯丝制作白炽灯，是照明技术发展史上的又一座里程碑。钨丝的引进使得白炽灯在同煤油灯、煤气灯、汽油灯的竞争中取得了决定性的胜利。但白炽灯用电能转换为光能的平均效率只有10％，其余90％的能量被浪费。
19世纪30年代，荧光灯被发现，并且可使用的荧光灯照明系统也被设计出来。由于荧光灯输出光与日光相似，因此又称为日光灯。从此，日光灯开始得到广泛地应用，其光效从最初的30lm/W逐步提高至目前的105lm/W。图1.3所示为1950年GE公司的14W Mazda荧光灯。图1.3 GE公司的14W Mazda荧光灯
1962年，美国GE公司宣布研制出金属卤化物灯（金卤灯），并在1964年应用于世界博览会上。1972年，德国慕尼黑奥运会第一次使用金属卤化物灯作为体育场馆照明。现今的金卤灯光效在80lm/W以上。
1965年，Monsanto和惠普（HP）公司推出了用GaAsP材料制作的商用化红色LED，其光效为0.11m/W。1968年，利用氮掺杂工艺使GaAsP器件的效率达到了1lm/W，并且能够发出红光、橙光和黄光，图1.4所示为1969年Monsanto MV2型红色LED。1971年，研制出具有相同效率的GaP绿色LED。1991年，日本日亚（Nichia）公司研制出蓝色LED。1996年，日本日亚公司研制出白色LED。图1.5所示为1996年研制成功的InGaN基LED。图1.4 MV2型红色LED图1.5 InGaN基LED
随着半导体技术的发展，科研人员研制开发出了多种半导体发光材料。在一开始，由于LED是单色光源，主要用于电子设备的指示灯，未能引入照明领域。20世纪90年代末，随着半导体材料氮化镓材料研究实现突破，蓝光、绿光、白光LED光源相继问世，半导体引入照明领域取得重大突破，半导体照明成了新的产业方向。1.2 几种主要电光源简介
从原理上分，目前主要的电光源包括热辐射光源、气体放电发光光源与电致发光光源。前两者已经有几十年甚至上百年的发展历史，技术比较成熟。电致发光光源包括场致发光板与LED及OLED。其中，场致发光板由于使用有限而较少提及，而LED及OLED统称为固态光源，是近几年来快速发展的光源。为区别起见，本书将热辐射光源、气体放电发光光源称为传统光源。本节简要介绍各类传统光源的结构、类型、特性和应用。1.2.1 白炽灯
热辐射光源的典型代表是白炽灯。光源在辐射过程中内能不变，只要通过加热来维持其温度，辐射就能持续不断地进行下去。外部输入的能量等于辐射、传导和对流损失的能量。自从1879年爱迪生发明白炽灯以来，尽管出现了大量新型的光源，但白炽灯由于其光色好、安装简便等优点仍然被大量使用。随着其他光源的相继出现，白炽灯效率低的特点日益显现。目前，很多国家为节约能源和保护环境，正在采取各种措施，希望用其他更节能的光源替代白炽灯。
白炽灯的工作原理很简单：由于物体具有温度，因而都能产生热辐射，例如炭或金属加热到500℃左右时会产生暗红色的可见光，随着温度的上升，光会变得更亮更白。白炽灯就是利用这个原理发光的。白炽灯的光效之所以比较低，主要是由于它的大部分能量都变成红外辐射，可见辐射所占的比例很小，一般不到10％。
普通白炽灯色温较低，约为2800K。与6000K的太阳光相比，白炽灯的光带黄色，显得温暖。白炽灯的辐射覆盖了整个可见光区，在人造光源中它的显色性是首屈一指的，一般显色指数Ra接近100。
在正常情况下，白炽灯的开关并不影响灯的寿命。只有当点燃后灯丝变得相当细时，由于开关造成快速的温度变化而产生机械应力，才会使灯丝损坏。但开关灯时有一点要注意，即在启动的瞬间灯的电流很大，这是由于钨有正的电阻特性，在工作温度时的电阻远大于冷态（20℃）时的电阻。一般白炽灯灯丝的热电阻是冷电阻的12～16倍，因此，当使用大批量白炽灯时，灯要分批启动。
当电源电压变化时，白炽灯的工作特性要发生变化。例如，当电源电压升高时，灯的工作电流和功率增大，灯丝工作温度升高，光效和光通量增加，寿命缩短。图1.6用曲线的形式表示当电源电压在一定范围内变化时，普通照明白炽灯的光、电参数和寿命情况。图1.6 电源电压变化时灯的其他参数变化1.2.2 荧光灯
1937年，荧光灯被开发出来，由于其具有光效高、寿命长、颜色多样等优点，迅速在照明领域普及。荧光灯历经荧光粉和电子镇流器的重大变革，目前仍然是最重要的室内照明光源。尤其是20世纪70年代末发明的紧凑型荧光灯，历经20多年的技术进步，已逐步替代白炽灯。
荧光灯包括直管型荧光灯、紧凑型荧光灯（节能灯）与无极荧光灯。前两者原理基本相似，主要区别是紧凑型荧光灯将灯管弯成各种形状，效率要比直管型的低一些。无极荧光灯与前两者的区别是没有电极，直接靠电场形成灯管内的等离子体发光体。本节仅对直管型荧光灯进行介绍。1.2.2.1 荧光灯工作原理
图1.7描绘了荧光灯的工作原理。荧光灯通常为管状，两端各封有一个电极，灯内包含有低气压的汞蒸气和少量的稀有气体，灯管的内表面涂有荧光粉层。工作时灯内的低气压汞蒸气放电将60％左右的输入电能转变成波长为254nm的紫外辐射，荧光粉能有效地将254nm紫外辐射转变成可见光。图1.7 荧光灯的工作原理1.2.2.2 荧光灯的结构
7管状荧光灯的主要部件有泡壳、荧光粉涂层、电极、填充气体和灯头等。
电极是气体放电灯的心脏部件，它是决定灯寿命的主要因素。荧光灯的电极通常由钨丝绕成双螺旋或三螺旋制成，在螺旋上涂以电子发射材料（一般为三元碱土氧化物）。荧光灯电极产生热电子发射，用以维持放电，将外部的电能输入到灯中。
大部分荧光灯在启动前，电极要经过电流预热。在开关启动电路中，电极的预热是由单独的启辉器或电子启动器来完成的。有些荧光灯电极是由外电路持续加热的，快速启动的荧光灯就是如此。如果荧光灯完全不预热，即为冷启动或瞬时启动荧光灯。在后两种类型的荧光灯工作电路中没有单独的启动器，但常常应用辅助电极或导电带来帮助启动。
荧光灯中充入汞，在灯正常工作时，灯内既有汞蒸气，也有液态汞。也就是说荧光灯工作在饱和汞蒸气状态。灯内汞蒸气压由灯的冷端温度决定。不同管径的荧光灯的最佳汞蒸气压不同，因而要求的最佳冷端温度也不同。
为了帮助灯启动、维持灯正常工作，灯中还必须充入适量的稀有气体。最常用的稀有气体为氩和氪。稀有气体的气压约为2500Pa（约0.025atm），比汞蒸气的压强（约0.8Pa）要高得多。因此，稀有气体还有调整荧光灯电参数的作用。
决定荧光灯特性的最重要因素是荧光粉的种类及其组分。荧光粉不仅决定了灯的色温和显色性，而且在很大程度上决定了灯的光效。现在主要有三类荧光粉，用它们所生产的灯具有各种不同的颜色特性。
卤磷酸盐荧光粉是以前最常用的荧光粉。通过控制荧光粉的组成，用卤磷酸盐荧光粉可以做成2500～7500K各种色温的荧光粉。图1.8给出几种标准荧光灯中卤磷酸盐荧光粉发射光谱。不难看出，用卤磷酸盐荧光粉所做的灯在红色区域的辐射少，这使得灯的显色性较差。图1.8 卤磷酸盐荧光粉的发射光谱
三基色荧光粉是稀土荧光粉，能分别在光谱的蓝、绿和红3个区域产生狭窄的光谱带（图1.9）。采用不同配比的三基色荧光粉，可以做成各种色温的高性能荧光灯。这些灯不仅光效高，而且显色性好，Ra可以达到80以上。由于这种荧光粉还有耐高温和承受强短波紫外辐射的能力，故被广泛应用于细管径的荧光灯中。图1.9 三基色荧光粉的发射光谱
荧光灯采用多带荧光粉时，荧光粉产生的多个谱带能覆盖整个可见光区，在各种荧光灯中，这种多带荧光灯的显色性最好，Ra高达95～98，又称为全光谱荧光灯。1.2.2.3 荧光灯的工作特性（1）光效
荧光灯自身的光效除由所采用的荧光粉决定外，还与另外两个因素，即环境温度和电源频率有密切关系。
在静止的空气环境中，当环境温度为25℃时，40W荧光灯的输出光通量较高。当环境温度低于15℃时，灯的光输出随温度的降低很快减少。温度高于最佳温度时，光输出也要减少，但减少速度较慢。图1.10显示了荧光灯光通量随环境温度变化的情况。图1.10 荧光灯光通量随环境温度的变化（2）荧光灯的颜色特性
一般照明用的荧光灯根据颜色主要分为四种：暖白色、白色、冷白色和日光色。它们的色温、色坐标及40W T12灯的光通量列于表1.1中，这些灯采用卤磷酸盐荧光粉。表1.1 40WT12荧光灯的光参数
引入稀土三基色荧光粉后，荧光灯的光效大为提高，显色性也得到了很大改善。现在有各种管状荧光灯，具有不同的色表、显色性和光效，以满足各种不同的照明要求。（3）光输出维持特性
在荧光灯的寿命期内，光通量逐渐下降。点燃8000h后，灯的光通量下降到初始值的70％～80％。光通量下降的主要原因是荧光粉的效率逐渐降低。如果荧光灯采用的是几种荧光粉的混合物，与新的灯相比，有时会发现寿命后期灯的光色变了。光通量降低的另一个原因是由于电子发射材料的沉积，使灯管管壁（尤其是灯管两端）发黑，影响了光输出。1.2.2.4 荧光灯的工作电路
与其他气体电灯一样，荧光灯的伏安特性是负的。具有负阻特性的器件单独工作不稳定。假如灯工作于某一电压U，流过电流是I，11如果由于某种原因，电流从I瞬时增加到I，这时就产生了一个过剩12的电压能力（U-U），它将使电流进一步增加。同样，如果电流从I121瞬时减少到I，这时要维持，电压能力就差（U-U），这又导致电流331进一步减小。因而，将荧光灯单独接到电网中时，工作是不稳定的，将导致电流无限制地增加，最后直到灯被电流烧毁为止。因此，荧光灯必须与作为限流器件的镇流器一同工作。
在交流工作的情况下，电感是最常用的镇流器。与电阻相比，电感镇流有很多优点，除电感功耗小外，一个重要的优点是灯的管压（或灯的电流）滞后电源电压一定位相，因此这种电路称为滞后型电路。当灯管管压为零时，电源电压已上升到比较高的值，有利于重复着火，从而使灯无电流的时间基本上消除，灯的工作更为稳定。目前常用的镇流器有电感镇流器与电子镇流器。（1）电子镇流器
出现于20世纪80年代后期，工作于高频的电子镇流器日益得到广泛应用。与电感镇流器相比，电子镇流器具有如下优点：灯和系统的光效提高；无闪烁现象；能瞬时启动，且无需启动器；灯的寿命延长；有良好的调光性能；无需进行功率因数校正；温升小；无噪声；体积小，重量轻；能工作于直流电源。如图1.11所示，电子镇流器是由a低通滤波器、b整流器、c滤波电容、d高频功率振荡器和e灯电流稳定器等五部分组成。低通滤波器的主要作用是减少高次谐波、抑制来自高频电路的无线电干扰和保护电子开关元件不被电源电压峰值破坏；整流器将交流转变成直流，并对电容充电；高频功率振荡器将直流电压转换成频率为20～100kHz的高频方波电压信号，此方波电压就是灯的电源；作为灯电流稳定器，可以采用电子稳定电路，也可用传统的电感（但由于是高频工作，因而电感要小得多）。图1.11 电子镇流器的原理图（2）电感镇流器
所谓气体放电灯的启动，就是使灯内的气体由不导电的状态变为导电状态的过程。冷态的荧光灯内阻非常大，当接上电源时，不能自动启动。为了帮助灯启动，需要采用一些方法。就启动而言，荧光灯的工作电路可分为三类：带启动器的预热启动电路、不带启动器的预热启动电路和冷启动电路。
①带启动器的预热启动电路。启动器具有辉光放电启动器和电子启动器两种，前者又叫启辉器，俗称跳泡。图1.12是采用启辉器的预热启动电路。当启辉器的双金属片闭合时，有电流流过灯丝，对灯丝进行预热，使灯的启动电压降低。在双金属片断开的瞬间，自感电动势产生高压，使灯击穿，产生放电。如果电极预热不充分或产生的高压不够，则启辉器会重复动作，直至灯启动。电子启动器在预热电极后，也产生高压使灯启动。如果灯在大约1s内不能启动，则电子启动器会自动停止工作。电子启动器能保证更可靠地启动，尤其是在环境温度低时，采用电子启动器还可使灯的寿命延长。图1.12 带启辉器的荧光灯预热启动电路
图1.12所示电路中，在电源的两端并接的电容是用于修正功率因子的。在滞后式的镇流电路中，电路的电流，即灯电流滞后电源电压一个相位φ，在不考虑畸变时，电路的功率为P=UIcosφ （1-1）
式中，cosφ称为电路的功率因数。显然，cosφ越接近1越好，至少要达到0.85～0.9。为此，对工作于50Hz的36W或40W荧光灯，典型的电容值为4.2μF；而对于58W或65W的荧光灯，电容值取为6.5μF。
除了上述单灯功率补偿外，更常用的是双灯功率补偿，其电路加图1.13所示。该电路常用在双灯灯具中，一盏灯采用电感镇流，另一盏灯采用电感-电容镇流，容抗是感抗的2倍。图1.13 双灯功率补偿电路
②不带启动器的预热启动电路。不带启动器时，有两种预热电极的方法，即并联预热和串联预热，图1.14和图1.15分别给出了这两种方法的电路原理图。在并联预热的情况下，电极直接连到低内阻电压源上，预热电流与灯丝的电阻有关，灯丝的电阻在冷态时比热态时小得多，在此条件下，电极被很快地加热，这种电路也称为快速启动电路。而在串联预热的情况下，电极与高电阻相串联，预热电流与灯丝电阻关系不大，电极加热比较缓慢，灯的启动也迟一些，但在串联预热电路中无需再进行功率补偿。图1.14 无启动器并联电极预热电路图1.15 无启动器串联电极预热电路
③冷启动电路。冷电极启动要比预热电极启动困难得多。为了保证可靠地冷启动，常采用辅助电极的方法。辅助电极是灯管内部的一条导电带，一头与灯的一个电极相连，另一头则尽可能靠近对面的电极。当开关合上时，在辅助电极和对面的电极之间发生辉光放电，而这一放电很快过渡到灯的两个电极之间的放电。放电通道的电阻远比金属带小，故灯一旦启动后，在辅助电极与对面主电极之间的辉光放电就停止了。冷启动的灯和电路特别适用于可燃或有易爆物体的场合。（3）调光
现在荧光灯的调光有采用可控硅调光器的，也有采用变频的高频电子调光器的。
采用可控硅调光器，各种形式的荧光灯的电流都可调节到正常值的50％甚至更低，因而光输出大致下降50％。对室内照明而言，光输出不应调得更低。当电流小于正常灯电流的50％时，放电提供的能量不足以使电极维持在合适的温度，无法产生要求的电子发射，因而必须采用单独的变压器对灯丝提供独立的加热电流。有独立灯丝加热的荧光灯，光输出可以调节到几乎为零。
图1.16是飞利浦高频电子调光电路的原理图。采用这种调光器，灯的电流可以调到正常值的10％左右。这里，调光是靠增加电源的频率来实现的。当频率从28kHz增加到45kHz时，光输出从100％调低到25％；当灯处于调光状态时，镇流器仍保证给电极提供加热电流。图1.16 高频电子调光电路的原理图1.2.3 HID
HID是高强度放电灯的缩写，包括高压钠灯、金卤灯、微波硫灯等。这类光源的一个共同特点是其高强度放电是建立在高气压基础上的，而高温度是引发高气压的必要因素。如高压钠灯放电管温度超过1000℃，金卤灯超过2000℃。这样高的温度必然造成与周边温度的梯度，而高的温度梯度引起散热能量损失。这是这类光源能量效率提高的瓶颈。下面着重介绍高压汞灯、高压钠灯和金卤灯。1.2.3.1 高压汞灯（1）高压汞灯的原理
高压汞灯的启动借助于辅助电极，它通过一个约25kΩ的电阻与对面的主电极相连（图1.17）。电源接通之后，电源电压加在两个主电极之间，但由于主电极之间的距离太大，放电不能发生。然而，同样的电压也加在辅助电极和相邻主电极之间，由于它们之间的距离很近，所以有很强的电场，足以使气体击穿，产生辉光放电。辉光放电使管内温度上升，管内汞蒸气压也升高，电弧开始收缩并产生电离激发，形成放电管内电子、原子和离子间的碰撞而在两个主电极之间产生弧光（击穿）放电。随着主电极间的弧光放电，放电管内的汞逐渐汽化，放电时波长为253.7nm的汞谱线被吸收。随着管内汞蒸气的压力进一步提高，可见光谱辐射逐步加强，这时主要辐射为404.7nm、435.8nm、546.1nm和577.0～579.0nm的可见光谱线，并有一定的365.0nm的紫外线，灯管就稳定工作了。紫外线激发玻璃外壳内壁的荧光粉，发出了近似日光的可见光。灯工作时，石英放电管内汞蒸气的压力很高，故称这种灯为高压汞灯。图1.17 高压汞灯的启动（2）高压汞灯的结构
图1.18所示是照明用高压汞灯的典型结构。电弧管由石英玻璃制成，常用钨作主电极并填充碱土金属氧化物（电子发射物质），电弧管内充一定量汞和少量稀有气体（通常为氩气）以帮助启动。外泡壳除保温之外，还可防止环境对灯的影响。可在外泡壳表面涂荧光粉使光色更柔和。图1.18 高压汞灯的典型结构（3）高压汞灯的特性
①光输出特性 由于灯的辐射集中在蓝绿区域，完全缺少红色，因而色温高，显色性很差，采用涂荧光粉的外泡壳后，普通型高压汞灯的相关色温为3700～4300K、Ra为30～50，高级光色型的高压汞灯的相关色温为3300～3500K、Ra为50～58，自镇流高压汞灯的显色指数Ra为50～62，100～500W自镇流高压汞灯的光通量为1000～14000lm。图1.19是高压汞灯的典型光谱图。图1.19 高压汞灯的典型光谱图
②启动特性与再启动 高压汞灯从启动到稳定工作，需要4～5min，如图1.20所示。灯一旦熄灭后，要等它充分冷却，当灯内汞蒸气压降低到一定程度时，才能再次点燃。这段时间称为再启动时间，一般约为5min。图1.20 启动期内自镇流高压汞灯光输出的变化情况Φ—高压汞灯的总光通量；Φ—电弧管内汞放电发出的光通量；Φ—主电极钨发出的光通量tdf
在启动过程中，自镇流高压汞灯光通量Φ的变化规律有些特殊，t如图1.20所示。图中Φ和Φ分别表示由汞放电和主电极钨发出的光df通量。
③外部环境的影响 环境温度对高压汞灯的光输出、灯电压和灯寿命的影响很小，但温度太低时会使灯启动困难。对高压汞灯，其工作方位没有什么限制。此外，很重要的一点是相对于其他放电灯，高压汞灯的特性受电源电压变化的影响较小，因而在质量比较差的电网中还能工作。1.2.3.2 高压钠灯
与高压钠灯相对应，还有低压钠灯。低压钠灯效率很高，是目前所有光源中最高的，但是其显色性很差，故应用受限，因而本节只介绍高压钠灯。（1）高压钠灯工作原理
当灯泡两端施加电压后，首先在灯内电弧管两端电极之间产生电弧，由于电弧的高温作用使管内的钠和汞齐受热蒸发成为汞蒸气和钠蒸气，阴极发射的电子在向阳极运动过程中，撞击放电物质，使其获得能量产生电离激发，然后由激发态回复到稳定态，多余的能量以光辐射的形式释放，便产生了光。高压钠灯中放电物质蒸气压很高，在放电管内钠蒸气压升高到约7kPa时，共振D线大大地放宽，基本上覆盖了可见光谱的主要区域。D线的中心部位由于自吸收受到了很强的抑制，出现了由原来D线位置处的暗区隔开的两个峰，这称为自反现象，从而使辐射效率第二次上升到极大值，光谱的放宽使放电的颜色变白，灯的显色性相较于低压钠灯得到了明显的改善。
几乎所有的高压钠灯都含有汞和氙气。氙气在室温下气压约3kPa，主要起启动气体的作用。高压钠灯电弧中约20kPa的汞蒸气起缓冲气体的作用，汞蒸气的这个作用较氙气影响为大。缓冲气体能提高灯的光效。（2）高压钠灯的结构
高压钠灯的结构示意如图1.21所示。高压钠灯的电弧管采用半透明的多晶氧化铝（PCA）陶瓷管，跟高压汞灯的石英电弧管不同。该陶瓷管的积分透过率很高，达97％以上。之所以采用陶瓷作为电弧管材料，主要是因为它不仅能承受更高的工作温度，而且能抵抗高温钠腐蚀。与高压汞灯电弧管明显不同的另一点是高压钠灯的电弧管呈细长形，这主要是为了减少光辐射的自吸收损失。图1.21 典型高压钠灯的结构（3）高压钠灯的特性
①光输出特性 高压钠灯的发光特性与灯内钠蒸气压有关。光效最高时，灯内钠蒸气压约为10kPa，标准型高压钠灯就是工作于这一气压下。这时，灯发出的光呈现金黄色，相关色温为1950K，显色指数Ra=23。通过增加灯内的钠蒸气压，可以提高高压钠灯的色温，改善灯的显色性。高压钠灯的典型光谱图见图1.22。图1.22 高压钠灯的典型光谱图
光效随着灯泡功率的减小而降低，这是由电弧功率负载降低和电极损耗比例增加引起的。在高压钠灯的使用寿命期间，会产生汞齐（汞合金）温度和比例的变化，这会造成电弧中钠蒸气压和汞蒸气压逐渐变化。这个作用会使高压钠灯的颜色产生偏移，它可能是由于汞齐温度的增加，使光变得更白；也可能由于钠的损失而使光变成粉红色。这两种变化都会导致灯的光效降低。
②寿命 高压钠灯的寿命很长，普通高压钠灯的寿命达到24000h，由于电网等原因实际工作寿命要短许多。灯管最终损坏的主要原因是由于灯管电压升高到电源无法维持放电，随即熄弧。但在适当冷却后，触发脉冲使其能再点燃时，灯又点燃，使灯进入连续的开关状态，每次间隔时间为几分钟。1.2.3.3 金属卤化物灯
金属卤化物灯（金卤灯）在结构上与高压汞灯十分相似，两种灯最主要的区别在于前者的电弧管中除充入定量的汞外，还充入了一些金属卤化物，这些金属卤化物在灯达到正常工作温度时会部分汽化，参与放电、辐射。（1）金属卤化物灯的分类
金属卤化物灯的光谱主要是由添加的金属的辐射光谱所决定，汞的辐射光谱贡献很小。根据辐射光谱的特性，金属卤化物可以分成以下四大类。
①选择几种发出强线光谱的金属的卤化物，将它们加在一起得到白色的光源，如钠铊铟灯。
②利用在可见光区能发射大量密集线光谱的稀土金属得到类似日光的白光，镝灯就是典型的例子。
③利用超高气压的金属蒸气放电或分子发光产生连续辐射获得白色的光，超高压铟灯和锡灯属于这一类。
④利用具有很强的、近乎单色辐射的金属产生色纯度很高的光，如铊灯产生绿光，铟灯产生蓝光。（2）金属卤化物灯的结构
金属卤化物灯的结构与高压汞灯相似，但其电弧管比同功率的高压汞灯小。金属卤化物的电弧管目前大部分采用石英玻璃制成，最近有些金属卤化物灯的电弧管已采用更耐高温、高温下化学稳定性更好的半透明氧化铝陶瓷管。其电极形状与高压汞灯类似，但电子发射材料有些特殊。当采用石英玻璃制成电弧管时，为了提高电弧管的冷端温度，在电极周围的泡壳区域涂以白色的氧化锆红外反射层。
金属卤化物灯的光效和寿命与其工作位置有关。绝大多数的金属卤化物灯被设计成工作于垂直位置。这样的灯在水平位置工作时，由于对流使电弧向上弯曲，一方面使金属卤化物的蒸气压降低，从而使灯光效下降；另一方面又使电弧管上部过热，造成灯寿命缩短。（3）金属卤化物灯的特性
①金属卤化物灯的光度和色度特性 作为一个例子，表1.2给出了500W钠铊铟灯的能量平衡情况。表1.2 钠铊铟灯的能量平衡
几种主要的金属卤化物灯的光度和色度特性由表1.3给出。表1.3 典型的金属卤化物灯的特性
②外界条件对灯的影响 与高压汞灯相比，金属卤化物灯对电源电压的波动更为敏感。电源电压在额定值附近变化大于10％时，就会造成灯颜色变化，尤其是对钠铊铟灯和钪钠灯。电源电压太高还会缩短灯的寿命。
金属卤化物灯的颜色特性在很大程度上取决于电弧管的冷端温度，而冷端温度又与灯的工作位置有关，不同的工作位置不仅会造成灯的颜色有差异，还会对灯的寿命产生影响。金属卤化物灯的允许工作位置在灯的相关文件中应有说明。
金属卤化物灯由于内部填充物的不同或激发方式的差异而有很多变种，如微波硫灯、Cosmopolis光源等。1.3 LED的优势——与传统光源比较
前面介绍的几种电光源，包括白炽灯、荧光灯及HID等，都经历了几十年甚至上百年的发展历史，技术相对成熟。但它们的发光原理也限制了这些光源的进一步发展。半导体发光二极管是近年来快速发展的光源，本节对它进行介绍。1.3.1 LED光源的主要特点
在各种新光源中，最受关注的就是半导体发光二极管，简称LED（Light Emitting Diode）。目前，LED在指示灯、信号灯、显示器、装饰性照明等领域得到了广泛应用。其中，最具潜力的应用当属大规模的通用照明应用。
LED较之传统光源有很多优点，下面介绍其几个主要的特点。
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