淺談白熾燈

本帖最後由 bouli 於 2012-1-2 15:25 編輯

我來轉貼一個連結，是我在之前的另個論壇寫的，內容提到一些跟白熾燈相關的基本概念。
如果您有意看全文，在http://www.knifeedgeforums.com/forums/showthread.php?t=2021，煩請移駕。
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所謂的白熾燈泡，就是我們所說的一般燈泡，只因為它是利用燈絲的"白熾現象"來產生光線，所以稱呼它們為白熾燈泡。

白熾現象，簡單來說，就是加熱發光的現象。
其本質，就是熱傳遞的三大途徑──熱傳導，熱對流，以及熱輻射──當中的熱輻射。

凡是溫度高於絕對零度(攝氏零下273度)的物體，都會將它的部分熱能以電磁波的方式傳遞出來，這就是熱輻射。
熱輻射就是一種電磁波，而這種電磁波的頻率分佈，跟發射體的溫度有關。
溫度低時，頻率主要在紅外光的範圍，所以人類眼睛看不見。
但隨著溫度的提昇，物體發射熱輻射的頻率，就會開始進入可見光的範圍。
所以，一般室溫下的物體，我們看不到它主動發射出來的光線，但是大約把它加熱到攝氏500~600度，我們就可隱約看到它呈現暗紅色。這就是因為在此溫度時，物體熱輻射的頻率範圍，開始進入可見紅色光的波段了。
如果把上述紅熱狀態的物體繼續加熱昇溫，我們會看到它的顏色逐漸由暗紅變到亮黃甚至白熱。
白熾燈泡裡面的燈絲，就是進行類似的過程來發光的。

這就是白熾燈泡的基本發光原理。

由於白熾燈的燈絲，必須在高溫下操作才能發光，所以需要一些附加的裝置來確保它在高溫下的壽命。
這裡所說的，就是燈絲外面附加的透明玻璃罩。
如各位所週知的，燈泡的這個基本架構──燈絲，加上玻璃燈罩──就是燈泡發明人，愛迪生先生所確立下來的。
經過長久的改良與生產，這個基本架構都沒有改變，讓我們不得不佩服愛迪生先生的睿智。

但是，如同上述說的，燈泡是一個經過長時間改良與大產量生產過的東西。
所以基本架構雖沒改變，但其他相關的部件，則跟當初愛迪生先生的發明，有很大的變異與改進。
比方說，在玻璃燈罩與燈絲之間，所充填的氣體。

充填氣體？
我們聽說當初愛迪生先生所發明的燈泡，不是抽真空的嗎？怎會充填氣體呢？
是的，沒錯，白熾燈一開始的時候，的確是抽真空的。
高溫之下的金屬燈絲，很怕碰到氧氣之類的高活性元素，因為燈絲很容易在高溫下跟這些高活性元素化合而變成其它物質而逸散。
所以當初就想到，乾脆把這些會礙事的氣體全部抽除，就可以解決金屬燈絲高溫氧化的問題。

而且，燈罩裡面抽真空，還帶來額外的好處──可以讓燈絲的能源轉換效率更高一些。
因為燈罩內沒有氣體，就不可能有熱對流，所以燈絲的熱能，就必須以更大比例來進行熱輻射。換句話來說，就是會有更多的電能變成光能，當然就會讓能源轉校效率高一些些啦。
事實上，抽真空的燈泡，截至目前為止還是存在的，有一些高功率的攝影用燈泡，就還是採取這樣的設計。

燈罩內抽真空，不是延伸燈泡壽命的唯一選擇，或許也不是最佳選擇。
所以，我們還可以見到其它的燈泡製作方式，比方說，充填惰性氣體。
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繼續上次聊到的東西──在白熾燈泡的玻璃燈罩內抽真空，可以減少燈絲在高熱下氧化的可能，也順便可以稍微增加一點點能源轉換的效率。
但，燈泡內抽真空並不是沒有缺點的。
最顯而易見的缺點，就是燈絲在真空高溫下的汽化問題。這些汽化的金屬燈絲(最常見的就是金屬鎢)，在熄燈冷卻之後，就很會還原凝固成固態金屬鎢，而凝固的地點卻不一定在原先的燈絲上面，事實上它們可能沉積在燈罩內的所有地方，包括我們很不想要有沉積的地方，玻璃燈罩內側。
因為這一來，玻璃燈罩看起來會髒髒的，透光度會因而減少。

汽化而後隨處凝固的金屬鎢，這就是燈罩內側積污的由來。
要知道，這些不受歡迎的積污，事實上就是原先燈泡賴以發光的燈絲呢。

那是燈絲？
這樣不好吧，這一來，隨著積污的增加，燈絲不就越用越薄，越用越細，越用掛得越快？
沒錯！
這就是為什麼，有經驗的白熾燈泡用家，都有一套絕學──從觀察燈泡內側玻璃積污程度，來推測燈泡壽命──這下您知道原因了吧。

燈罩內側的積污若是嚴重，這就代表燈絲本身已經損耗到一個程度了。
越是細的金屬絲，各位知道，它的電阻值就會相應的越是增加，再根據電學公式來推想，輸入電壓不變的前提下，它的功率就會越是降低。
也就是說，這燈泡就會更加得不夠亮。
這下您知道燈泡內側玻璃積污的壞處了吧。

好吧，這下我們都知道，燈罩內側玻璃積污不好，而且真空燈泡產生積污的情況蠻嚴重的。
那，有沒有減少積污的方法呢？
當然有的！
燈泡內不要抽真空，改充填一些惰性氣體就可以了。
充填惰性氣體之後，一則可以解決燈絲高溫氧化的問題，所謂的惰性氣體嘛，就是化學活性比較低的氣體，這樣就有跟抽真空類似的效果了。
再則，燈罩玻璃裡面充填惰性氣體之後，就存在一個氣體壓力，而這個壓力，可以有效減少燈絲高溫汽化的速率，您還記得"飽和蒸氣壓"這件事吧。
簡單來說，這些存在於燈罩內的惰性氣體分子，可以協助把那些因為高溫而蠢蠢欲動的金屬鎢分子，"撞"回原先它在燈絲的位置。
讓金屬鎢分子從燈絲上面脫逃的機率大幅減少，從根本上面解決燈絲消耗積污的問題。

聽起來很完美，好！那就以"充填惰性氣體"取代"真空"吧。
一開始，充填的是一些相對比較廉價的惰性氣體，最常見的就是氮氣。
說它相對廉價，那是因為氮氣在地球上面的存量是很豐富的。
事實上，我們呼吸的空氣，裡面有80%就是氮氣，這下您知道它有多麼多了吧。
(ps.所以，這是一個冷笑話，給各位消消暑──布利所使用的充氣輪胎，上至汽車機車，下至腳踏車，都一律對外宣稱是灌高檔的氮氣的，而且都是高達80%純度的氮氣喔。羨慕吧！───您看懂笑點了嗎？)
所以充填氮氣，在燈泡的製作上，實在算不上是很貴的措施。
但問題是，以實際使用上面來說，這實在也算不上是很好的措施。

怎說呢，難道應驗"便宜沒好貨色"的俗話，非得搞一些很貴的才好用？
有一點這樣的味道喔。
您知道的，這氮氣在常溫下是很安定，不然一堆競賽用的車輛，卯起來在輪胎裡面灌氮氣，是在搞笑嗎。
(當然，像是Cool董，可能要直接灌氦氣比較能對應身份。灌氦氣，一則保護輪胎以增進壽命，再者也可以減重，沒忘記氦氣比空氣輕吧。)
問題是，常溫下安定的氮氣，一旦到了高溫下，不巧還是有相當的活性的，還是會跟燈絲裡面的金屬鎢來結合的。
哇勒ooxx啦，這樣不就很有監守自盜的意味了。
本來要防止鎢絲汽化損失的東西，反過頭來自己把鎢絲弄走了。這筆帳，怎麼打都不划算啊。

有沒有好一點的選擇啊，這個氮氣直接死當不給補考，換個別人上來吧。
可以啊，翻翻看您塵封已久的國中理化課本吧，那裡頭有張元素週期表。
瞧瞧它的最右邊，VIIIA族元素，鈍氣，沒錯，就是它們啦。
He 氦，Ne 氖，Ar 氬，Kr 氪，Xe 氙。
ㄟ，怎麼瞧怎麼熟悉啊，好像都看過耶，而且不是小時候痛苦的回憶呢。
沒錯，鈍氣族元素，掐頭去尾，就除了一個具有放射性的Rn氡之外，幾乎都已經被白熾燈泡的製作廠拿來用齊了。
這下您知道VIIIA族元素看起來有點熟悉原因了吧。
一般家用燈泡通常充填 Ar 氬氣，汽機車燈泡市場充斥著 Kr 氪氣燈泡， Xe 氙氣燈泡。
這些，就都是充填鈍氣的白熾燈泡啦。

好，回顧一下吧。
燈泡的構造，主要就是一條燈絲，利用它的白熾現象來發光，一般現在都是用金屬鎢來製作。
因為鎢絲在高溫下容易氧化，所以用玻璃燈罩來包覆它。
為了怕燈罩裡面的氧氣壞事，所以燈罩內要抽真空。
抽真空之後，又嫌鎢絲高溫汽化速率過快，產生積污影響壽命。
就改充填氣體。
充填的氣體，氮氣雖然便宜，但是表現並不是特別優異。
所以改充填昂貴的鈍氣，於是一堆氦氣燈泡，氖氣燈泡，氬氣燈泡，以及大家朗朗上口的，氙氣燈泡，就紛紛問市啦。

這樣就結束了嗎？
當然沒有，還有一堆東西沒說呢。
比方說，高壓充填燈泡，就是常常看到的high pressure Xenon bulb -- 高壓氙氣燈泡。氙氣我知道了，那幹嘛高壓勒？
還有，鹵素燈泡 -- halogen bulb，加鹵素作什麼呢？
而且鹵素不是高活性元素嗎？那到底是添加鹵素，還是鹵化物？
白熾燈除了這些高壓充填，鹵素....之外，還有沒有新的科技引入呢？
當然有，SOFT-START保護電路，PWM的穩壓電路，IRC鍍膜，誰說老狗學不會新把戲？

或許，您也已經發現了，這看似平凡無奇，古老而又落後的白熾燈泡，或許並不是如您所想的那麼簡單。
有興趣的話，一起來多聊聊吧。
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接下來，繼續來說"高壓充填"這件事兒吧。

如果您不健忘，應該還記得燈泡裡面要充填氣體的原因吧。
一則要設法減少鎢絲在高溫下的氧化損耗，一則要設法減少鎢絲在高溫下汽化所造成的積污。
所以，我們要充填惰性氣體，但是便宜的氮氣效果不夠好，所以改充填元素週期表裡面，VIIIA族的鈍氣元素。

但，儘管如此，金屬鎢燈絲還是會汽化，還是會造成積污。
高溫汽化，這是物質共通的天性，能減少，但是無法避免。
所以，金屬燈絲還是會越用越薄，還是經過一段時間的損耗之後就掛。
雖說燈泡掛了就讓它掛，了不起換上一顆新的燈泡，又是另一尾活龍，耗材嘛。
但是，您不要忘記，在某些特定的情境下，換燈泡還是很不方便的，甚至還是有潛在危險性的。
比方說，一些高掛的，不容易更換的燈泡，像是交通繁忙路段的路燈，您不會想它三天兩頭就掛吧。不說換起來麻煩，要很高的梯子或者雲梯車，這換燈泡的時候造成"交通果醬"，準保被用路人詰譙個半死。
又比方說，深夜野外身上的唯一把手電筒，您也不會冀望能夠在燈泡意外掛點之後，還能順利為它換上備用燈泡吧。更不要說還不一定帶有備用燈泡。
所以，合理地提昇燈泡的可靠度，讓燈泡的壽命達到一個合理的程度，就一直是燈泡廠的研究方向之一。
當然，也有一些蠻有效的方案備發展出來，"高壓充填"就是其中之一。

"高壓充填"，顧名思義，就是把充填進燈泡裡面惰性氣體的壓力提昇，用高於一般大氣壓力的數值來充填。
或者，更白話一點來說，就是比一般情況下，設法灌更多的惰性氣體進燈泡裡面。
作什麼呢？
難道這像是給汽機車加油？設法灌飽一點，可以讓車跑更遠？
當然不是的，您別誤會了。

您不妨回頭想一下，當初我們聊到的，充填惰性氣體之後，可以減少鎢絲汽化積污的機制。
這個部分，請容許我偷個懶，引用一下自己打過的字：

引用:
燈罩玻璃裡面充填惰性氣體之後，就存在一個氣體壓力，而這個壓力，可以有效減少燈絲高溫汽化的速率，您還記得"飽和蒸氣壓"這件事吧。
簡單來說，這些存在於燈罩內的惰性氣體分子，可以協助把那些因為高溫而蠢蠢欲動的金屬鎢分子，"撞"回原先它在燈絲的位置。
讓金屬鎢分子從燈絲上面脫逃的機率大幅減少，從根本上面解決燈絲消耗積污的問題。

看完之後，您想到什麼了沒？
沒錯！
正如您所想，充填的惰性氣體分子，本來就是要用來把鎢絲分子，"撞"回原先的位置的。
所以，如果我們可以讓更多的氣體分子，一起來擔任這個工作，效果應該會更好吧。
這正是高壓充填的初衷。

ㄟ，不好意思，布利啊，你這頭說得很愉快，可是那頭，燈廠老闆們，可是很肉痛呢。
這不是嗎，你居然出主意，要讓他們把貴森森的鈍氣，多灌一些進燈泡裡面。
雖說羊毛還出在羊身上，頂多等一下把售價加個兩翻，一併從消費者身上撈回來得了。
可是，這小小一顆燈泡，要那種貴死人的價格，能有多少市場啊。
更不要說，燈泡，本來就是耗材，耗材賣貴了，不管是燈還是燈泡，還能有市場嗎？

對喔，剛剛沒想到，抱歉抱歉。
那，咱們來想個法子好了，看看能不能兩全其美，創造雙贏。
既要高壓充填，又不要太增加成本。
啊，有啦有啦，燈泡做小顆一點就是了嘛。
ㄟ，我是說，燈罩不要做...辣...麼大一顆，把它縮小一點，這一來灌進去的氣體數量差不多，但是實際充填壓力卻也提昇了，那就OK啦。
真的耶，萬歲，兩全其美啦。

嗯，不過是開個玩笑嘛，大家別那麼介意。
反正我跟這個版的值日生還算蠻熟的，想來他應該不會不知趣的來囉唆吧。
玩笑結束，要正經一點啦，不然燈版快要被我搞成歡笑一籮筐啦，雖說歡笑一籮筐也是不錯......
不過玩笑歸玩笑，高壓充填燈泡，就這麼做出來啦。
這下，各位就清楚，所謂的"high pressure bulb"在搞啥啦。

交代完"高壓充填燈泡"的原因之後，還是有些事情要提醒一下的，是有關於高壓充填燈泡的安全問題的。
安全問題，您一定得重視的喔。

一般低壓充填的燈泡，事實上是不會爆炸的。
或者，我該更精確的說，低壓充填燈泡，萬一破裂損毀，是不會"外爆 ex-plosion "的，它只會"內爆 im-plosion "。
當低壓充填燈泡破裂損毀的時候，外界比較大的大氣壓力，會把破片往內壓進燈泡裡面，這就是內爆 -- implosion。
內爆 -- implosion是比較安全的，相對於外爆 -- explosion來說，至少具有殺傷力的破片比較不會四散飛濺。

反過來，高壓充填的燈泡，就是有explosion傾向的了。
因為此時燈泡內部的氣體壓力，會比外界的大氣壓力還高。
所以一旦破裂損毀，破片就比較可能往外飛出傷人，這一點，不得不慎哪。
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說到白熾燈泡的壽命，半由天命半看人為吧。
所謂的由天命，就是看看燈泡本身出廠的時候，有沒有製作上面的瑕疵。
這一類的問題，多半會在新燈泡開始點用就會發作，至多也不會撐超過幾個小時。
這一點，如果您是使用Surefire的燈泡，那就比較不用擔心。
不用擔心，我不是說SF燈泡的製作完全不會出錯，出錯難免，但是他們家會對這一類的情況予以保固更新。

至於半看人為，那就是指沒有製作缺陷的燈泡，可以靠著使用者的一些小小注意，來讓它更有發揮的餘地。
哪一些小注意呢？

其一，不要經常"人工閃爍"您的燈泡。
不知怎地，這似乎是很多人拿到電筒的"基本動作"之一，把燈一開一關，再開再關地閃爍個不停。
依我說，這實在是個不好的習慣，尤其是對白熾燈，更常常是扼殺其壽命的主因。
學理原因方面，請容許布利慢慢補充，或者有請眾家燈王燈聖燈神來協助一下。

其二，盡可能地保持驅動電壓的恆定。
比額定值更高的電壓，固然可以增加白熾燈泡的亮度，但是也會大幅度的縮減其壽命；稍低於額定值的電壓，的確有提升燈泡壽命的效果，但如果在鹵素燈泡上，這樣反而容易造成玻璃燈罩內側積污，對燈泡壽命也是負面影響。

其三，可能的話，每次更換電池時，順便更換驅動的極性。
放心，這樣不會出事的，有固定極性是LED的特性，燈泡沒有。
如此可以讓燈絲汽化損耗比較平均，當然對於壽命是有幫助的。

其四，盡量避免震動，尤其是當燈絲點亮高溫狀態。
相較於常溫下，高溫燈絲是相對脆弱很多的，此時突然的震動，就很容易讓燈絲斷裂。
這裡所謂的震動，當然一般的操作都還是OK的，只要不要讓燈做比較大的碰撞，像是摔落碰撞到堅固地面之類的就可以了。
這方面，或許加上一條手繩，就可以解決掉大部份這方面的顧慮。

Bouli

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