白熾燈
白
歷史
[編輯]美國人亨利·戈培爾比愛迪生早數十年已發明了相同原理和物料，而且可靠的電燈泡，而在愛迪生之前很多其他人亦對電燈的發明作出了不少貢獻。[1]
1801年，英國化學家漢弗里·戴維將鉑絲通電發光。他亦在1810年發明了電燭，利用兩根碳棒之間的電弧照明。1854年亨利·戈培爾使用一根炭化的竹絲，放在真空的玻璃瓶下通電發光。他的發明今天看來是首個有實際效用的白熾燈。他當時試驗的燈泡已可維持400小時，但是並沒有即時申請設計專利。[2]
1850年，英國人約瑟夫·威爾森·斯旺開始研究電燈。1878年，他以真空下用碳絲通電的燈泡得到英國的專利，並開始在英國建立公司，在各家庭安裝電燈。
1874年，加拿大的兩名電氣技師（Henry Woodward、Matthew Evans）申請了一項電燈專利。他們在玻璃泡之下充入氮氣，以通電的碳桿發光。但是他們無足夠財力繼續發展這發明，於是在1875年把專利賣給愛迪生。
愛迪生購下專利後，嘗試改良使用的燈絲。1879年他改以碳絲造燈泡，成功維持13個小時。到了1880年，他造出的炭化竹絲燈泡曾成功在實驗室維持1200小時。但是在英國，斯旺控告愛迪生侵犯專利，並且獲得勝訴。愛迪生在英國的電燈公司被迫讓斯旺加入為合夥人。但後來斯旺把他的權益及專利都賣了給愛迪生。在美國，愛迪生的專利亦被挑戰。美國專利局曾判決他的發明已有前科，屬於無效。最後經過多年的官司，愛迪生才取得碳絲白熾燈的專利權。
匈牙利化學家約斯特（Sándor Just）跟克羅埃西亞發明家哈那曼（Franjo Hanaman）發現比起碳燈絲，使用鎢當作燈絲能夠使燈泡更亮並且壽命更長，他們兩人在1904年獲得了匈牙利的專利（No. 34541），並且匈牙利的通斯朗公司開始在許多歐洲國家銷售鎢絲燈泡。
1906年，奇異從發明家亞歷山大·洛迪金手中購得白熾燈專利，開始了白熾燈的工業化生產。[3]
鎢絲燈的最大問題是燈絲的升華。因為鎢絲上細微的電阻差別造成溫度不一，在電阻較大的地方，溫度升得較高，鎢絲亦升華得較快，於是造成鎢絲變細，電阻進一步增大的循環；最終令鎢絲燒斷。後來發現以惰性氣體代替真空可以減慢鎢絲的升華。今天多數的鎢絲燈內都是注入氮、氬或氪氣。
現代的白熾燈一般壽命為2,000小時左右。
構造
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- 白熾燈外形輪廓。
- 低壓惰性氣體。
- 燈絲，鎢絲。
- 細金屬線（連接至燈頭尖端）
- 細金屬線（連接至銅片）
- 支撐金屬線
- 支撐棒
- 細金屬線
- 銅片
- 絕緣體
- 燈頭尖端
種類
[編輯]介面類型
[編輯]拋物面鍍鋁反射燈
[編輯]鹵素燈泡
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鹵素燈泡，亦稱鎢鹵燈泡，是白熾燈的一種。原理是在燈泡內注入碘或溴等鹵素氣體。在高溫下，蒸發的鎢絲與鹵素進行化學作用，蒸發的鎢會重新凝固在鎢絲上，形成平衡的循環，避免鎢絲過早斷裂。因此鹵素燈泡比白熾燈更長壽。此外，鹵素燈泡亦能以比一般白熾燈更高的溫度運作，它們的亮度及效率亦更高。不過在這溫度下，普通玻璃可能會軟化。因此鹵素燈泡需要採用熔點更高的熔凝石英或硬的玻璃。
鹵素燈泡上的水晶玻璃如果有油，會造成玻璃上溫度不一，減低燈泡的壽命。因此換鹵素燈泡時要避免人手觸及燈泡的玻璃。如果手指摸到應以消毒酒精清潔。
燈芯
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電燈的燈芯或燈絲指的是通過電流或燃燒時，發出光芒的金屬纖維，通常是用鎢來作為燈絲轉換電能為光能，和真空管元件轉換電能為熱能之用。而白熾燈是由亞歷山大·洛地均（Alexander Lodygin，於1874年）與約瑟夫·威爾森·斯旺（Joseph Wilson Swan，於1878年）所發展。
優缺點
[編輯]缺點
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大部分白熾燈會把消耗能量中的90%轉化成無用的熱能，只少於10%的能量會成為光。相比之下，螢光燈的效率高很多，接近40%，所產生的熱只是相同亮度的白熾燈的六分一。故此很多地方，特別是夏天需要空氣調節的商場、大樓都會使用螢光燈照明以節省電力。小型的螢光燈（節能燈泡）把螢光燈及啟動電子結合，使用標準電燈泡的愛迪生螺旋接口，用以替代普通白熾燈泡。例如一個26瓦的節能燈泡，發出的亮度為11瓦，熱量為15瓦。發出相同亮度11瓦的白熾燈泡耗電多四倍，達100瓦；放出熱量多六倍，達90瓦。
很多家居內的電燈仍然是以普通白熾燈為主。鹵素燈泡近年亦變得較為流行，特別是光源需要集中的情況，例如家居的射燈，汽車車頭燈，經常會使用鹵素燈泡。良好的鹵素燈泡可以達到15%的效率。例如一個60瓦的鹵素燈泡，亮度可等同一個100瓦的普通燈泡。但是鹵素燈泡體積細小，運作時溫度非常高。在家居應用時需要特別防護，防止引起火災。
由於白熾燈只有少於10%的能量會成為光。各光源的光效及使用開支比較如下：
| 白熾燈[4] | 鹵素燈[5] | 省電燈泡[6] | LED[7] | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 售價 | $0.41 | $1.17 | $0.99 | $3.99 | ||
| 功率（瓦特） | 60 | 43 | 14 | 8.5 | ||
| 平均光通 |
860 | 750 | 775[8] | 800 | ||
| 光效 |
14.3 | 17.4 | 55.4 | 94.1 | ||
| 色溫 |
2700 | 2920 | 2700 | 2700 | ||
| 演色性 |
100 | 100 | 82 | 80 | ||
| 壽命 |
1,000 | 1,000 | 10,000 | 15,000 | ||
| 可用年數 |
0.46 | 0.46 | 4.6 | 6.8 | ||
| 20年電費 |
$289 | $207 | $67 | $41 | ||
| 20年總開支 | $307 | $259 | $70 | $53 | ||
| （按白熾燈亮度比例折合） | $307 | $297 | $78 | $57 | ||
| 基於每日六小時用量計算（20年共43,800小時） | ||||||
| 型式 | 光源效率 （LM/W） |
平均壽命 （小時） |
特性 | 使用範圍 |
|---|---|---|---|---|
| 普通燈泡 Normal Incandescent |
8--20 | 1500-2000 | 安裝及使用容易，立即可以啟動，成本低 | 住宅之基本照明及裝飾性照明 |
| 反射燈泡 Reflector |
8--25 | 1500-2000 | 反射燈泡可以做聚光投射 | 反射燈泡可用於重點照明 |
| 一般鹵素燈和特殊儀器用鹵素燈 Halogen |
12–35 | 4000-10000以上 | 體積小，亮度高，光色較白，安裝易，壽命較普通燈光超長，釋出紫外線較多，部分甚至會超過太陽，需選用帶有紫外線濾鏡的產品。 | 商業空間之重點照明，
不易更換或高階產品 |
許多地方已經開始淘汰白熾燈泡，以下是時間表：
| 白熾燈淘汰進度 | |
|---|---|
| 歐盟 | 2012年 |
| 愛爾蘭 | 2009年初 |
| 澳大利亞 | 2010年 |
| 阿根廷 | 2010年 |
| 義大利 | 2010年 |
| 法國 | 宣稱2010年但無進一步訊息 |
| 英國 | 零售商2011年不再販售 |
| 荷蘭 | 自願於2011年 |
| 台灣 | 2012年 |
| 日本 | 2012年1月[9] |
| 加拿大 | 2012年 |
| 美國 | 2014年 |
| 中國大陸 | 2012年-2017年逐步淘汰[10] |
| 香港 | 2015年[11] |
至於戶外的街燈照明，以鈉燈最為常見。低壓鈉燈發出的是單調的橙色光線，但是它的效率卻非常高，比鎢絲燈高出約十五倍。高壓鈉燈效率稍低，但顏色較為豐富。
2000年代起，則以發光二極體及高強度氣體放電燈照明開始發展流行。前者的優點是非常長壽，現已陸續地用於交通燈、手電筒、汽車上之剎車燈及指揮燈之上。後者其實是多種技術的統稱（鈉燈亦屬於HID）。很多最新汽車使用的氙氣車頭燈（Xenon HID）、放映機使用的金屬鹵化物燈（Metal Halide），都是屬於HID。
優點
[編輯]傳統省電燈泡並不耐經常點滅及潮濕，對於需要經常點滅的場所，白熾燈及LED照明較為合適；對於潮濕的場所（例如：浴室、廁所、陽台），白熾燈較省電燈泡及有防水防潮設計的LED燈更為適合。
光線不會閃爍
[編輯]白熾燈的光線不會閃爍、這是因為交流電的電壓震盪只會讓鎢絲的溫度有些微震盪，但許多低價的LED產品及螢光燈，是採用低頻PWM的方式來調節亮度，螢光燈使用這種調光方式比較不傷眼，因為螢光燈有餘輝效應，但是沒有餘輝效應的LED燈使用低頻PWM調光就很傷眼。許多無法調整亮度的低價LED照明及低價螢光燈，內部電路過於簡陋、造成無法察覺但很強烈的低頻閃爍，也是很傷眼。
色彩表現極佳
[編輯]
白熾燈（包含鹵素燈）的光譜是連續而且平均的，擁有極佳演色性的優點；而螢光燈、LED是離散光譜，演色性低，低演色性光源不但會讓人覺得顏色不好看、對於健康及視力也有害。傳統燈泡還有可調光、耐點滅及無汞的優點。目前的解決方案如下：
- 採用鹵素燈：用鹵素燈取代白熾燈大約能減少30%的電力、且鹵素燈演色性及色溫與白熾燈幾乎相同，代表光線品質足以全面取代白熾燈，因此國際大廠有推出接頭與白熾燈一樣的鹵素燈。只是鹵素燈壽命的延長比價格的增加少。
- 改進白熾燈泡：可以將紅外線反射回燈絲、以減少能耗，目前已推出的產品可以節省30%的能耗[12]，研發中的產品則可以減少50%能耗；但這種燈泡的問題在無法降低整體成本。另外的方法則是利用雷射處理鎢絲，也可以節省相當能源[13]。
- 以CCFL省電燈泡取代傳統使用螢光燈的省電燈泡，可以大幅減少汞使用量；LED燈泡則是無汞、但LED目前有演色性差、不耐熱的問題。
- 高演色性省電燈泡：若能提高傳統螢光燈的演色性，可以讓更多人願意淘汰白熾燈，但高演色性產品仍然不夠普及，而光線品質能完全取代白熾燈的螢光燈/CCFL/LED則在等待技術上的大突破。
- CCFL/LED：傳統省電燈泡並不耐經常點滅，對於需要經常點滅、又不嚴格要求演色性的場合，CCFL、LED技術的省電燈泡較為適合。
- 目前CCFL/螢光燈管/LED雖然可以調光、但大多不能使用傳統白熾燈的調光器、而且調光成本高；若調光頻率不高、很傷眼。
參見
[編輯]參考文獻
[編輯]- ^ ISBN 978-3-86674-006-8
- ^ Josephson, Matthew. Edison: a biography. McGraw Hill. 1959.
- ^ Комната - музей А.Н.Лодыгина. www.tstu.ru. [2023-07-25]. （原始內容存檔於2022-11-09）.
- ^ Philips 60-Watt Household Incandescent Light Bulb. Home Depot.
- ^ EcoSmart 60-Watt Equivalent Eco-Incandescent A19 Household Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [5 March 2017].
- ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White (2700K) Twister CFL Light Bulb (4-pack). [20 January 2014].
- ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White A19 Energy Star and Dimmable LED Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [12 March 2017].
- ^ Lightbulbs – LEDs and CFLs offer more choices and savings (PDF). ConsumerReports. 2011 [21 January 2014].
- ^ 白熾燈倒數計時 節能照明起飛 韓婷婷/台北/中央社 2011/11/26 15:33 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2016-03-04.
- ^ 中國逐步淘汰白熾燈路線圖 2011年第28號公告[永久失效連結] 發改委公告 -> 2011年
- ^ 淘汰鎢絲燈泡 改善能源效益. Hong Kong's Information Services Department. [2017-03-27]. （原始內容存檔於2019-06-10） （中文（香港））.
- ^ Halogená Energy Saver 網際網路檔案館的存檔，存檔日期2011-12-20.
- ^ Laser boosts light bulb efficiency. [2011-02-18]. （原始內容存檔於2011-11-04）.
