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鎢絲膽

白熾（ci3）燈，俗名鎢絲膽，是一種透過通電，利用電阻把幼細絲線（現代通常為鎢絲）加熱至白熾，用來發光的燈。鎢絲膽的燈泡外圍由玻璃製造，把燈絲保持在真空，或低壓的惰性氣體（如鹵素燈）之下，作用是防止燈絲在高溫之下氧化。

鎢絲膽泡，E27螺旋型燈頭
鎢絲膽泡的鎢絲的掃描電子顯微鏡圖像。

歷史

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）跟克羅地亞發明家哈那曼（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（英語：Tungsram）開始在許多歐洲國家銷售鎢絲燈泡。

1906年，通用電氣從發明家亞歷山大·洛迪金（英語：Alexander Lodygin）手中購得鎢絲膽專利，開始了鎢絲膽的工業化生產。[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。

現代的鎢絲膽一般壽命為2,000小時左右。

構造

 
鎢絲膽構造圖
  1. 鎢絲膽外形輪廓。
  2. 低壓惰性氣體。
  3. 燈絲，鎢絲。
  4. 細金屬線（連接至燈頭尖端）
  5. 細金屬線（連接至銅片）
  6. 支撐金屬線
  7. 支撐棒
  8. 細金屬線
  9. 銅片
  10. 絕緣體
  11. 燈頭尖端

種類

介面類型

拋物面鍍鋁反射燈

鹵素燈泡

主條目：鹵素燈泡
 
紫外線濾鏡下的鹵素燈泡

鹵素燈泡，亦稱鎢鹵燈泡，是鎢絲膽的一種。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。因此鹵素燈泡比鎢絲膽更長壽。此外，鹵素燈泡亦能以比一般鎢絲膽更高的溫度運作，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

 
200瓦鎢絲膽的燈芯

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。而鎢絲膽是由亞歷山大·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。

最早發展成功的燈芯是由來自竹子的碳所製成，後來由鎢取代。

優缺點

缺點

 
22–175 °C = 71–347 °F.

大部分鎢絲膽會把消耗能量中的90%轉化成無用的熱能，只少於10%的能量會成為光。相比之下，熒光燈的效率高很多，接近40%，所產生的熱只是相同亮度的鎢絲膽的六分一。故此很多地方，特別是夏天需要空氣調節的商場、大樓都會使用熒光燈照明以節省電力。小型的熒光燈（節能燈泡）把熒光燈及啟動電子結合，使用標準電燈泡的愛迪生螺旋接口，用以替代普通鎢絲膽泡。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瓦的鎢絲膽泡耗電多四倍，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鎢絲膽為主。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。

由於鎢絲膽只有少於10%的能量會成為光。各光源的光效及使用開支比較如下：

燈泡性能與開支比較（美國電價，相當於60瓦鎢絲膽亮度）
鎢絲膽[4] 鹵素燈[5] 慳電膽[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（流明） 860 750 775[8] 800
光效（流明/瓦特） 14.3 17.4 55.4 94.1
色溫（開爾文） 2700 2920 2700 2700
演色性（CRI） 100 100 82 80
壽命（小時） 1,000 1,000 10,000 15,000
可用年數（每天6小時） 0.46 0.46 4.6 6.8
20年電費（0.11美元/KWh） $289 $207 $67 $41
20年總開支 $307 $259 $70 $53
（按鎢絲膽亮度比例折合） $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鎢絲膽泡，以下是時間表：

鎢絲膽淘汰進度
歐盟 2012年
愛爾蘭 2009年初
澳大利亞 2010年
阿根廷 2010年
意大利 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，則以發光二極管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

傳統慳電膽並不耐經常點滅及潮濕，對於需要經常點滅的場所，鎢絲膽及LED照明較為合適；對於潮濕的場所（例如：浴室、廁所、陽台），鎢絲膽較慳電膽及有防水防潮設計的LED燈更為適合。

光線不會閃爍

參見：脈衝寬度調變 § 亮度調節

鎢絲膽的光線不會閃爍、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產品及熒光燈，是採用低頻PWM的方式來調節亮度，熒光燈使用這種調光方式比較不傷眼，因為熒光燈有餘輝效應，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照明及低價熒光燈，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

 
中間鎢絲膽的光譜較下方的齊全。
參見：演色性

鎢絲膽（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；而熒光燈、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：

  1. 採用鹵素燈：用鹵素燈取代鎢絲膽大約能減少30%的電力、且鹵素燈演色性及色溫與鎢絲膽幾乎相同，代表光線品質足以全面取代鎢絲膽，因此國際大廠有推出接頭與鎢絲膽一樣的鹵素燈。只是鹵素燈壽命的延長比價格的增加少。
  2. 改進鎢絲膽泡：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激光處理鎢絲，也可以節省相當能源[13]。
  3. 以CCFL慳電膽取代傳統使用熒光燈的慳電膽，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。
  4. 高演色性慳電膽：若能提高傳統熒光燈的演色性，可以讓更多人願意淘汰鎢絲膽，但高演色性產品仍然不夠普及，而光線品質能完全取代鎢絲膽的熒光燈/CCFL/LED則在等待技術上的大突破。
  5. CCFL/LED：傳統慳電膽並不耐經常點滅，對於需要經常點滅、又不嚴格要求演色性的場合，CCFL、LED技術的慳電膽較為適合。
  6. 目前CCFL/熒光燈管/LED雖然可以調光、但大多不能使用傳統鎢絲膽的調光器、而且調光成本高；若調光頻率不高、很傷眼。

參見

參考文獻

  1. ^ ISBN 978-3-86674-006-8
  2. ^ Josephson, Matthew. Edison: a biography. McGraw Hill. 1959. 
  3. ^ Комната - музей А.Н.Лодыгина. www.tstu.ru. [2023-07-25]. （原始內容存檔於2022-11-09）. 
  4. ^ Philips 60-Watt Household Incandescent Light Bulb. Home Depot. 
  5. ^ EcoSmart 60-Watt Equivalent Eco-Incandescent A19 Household Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [5 March 2017]. 
  6. ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White (2700K) Twister CFL Light Bulb (4-pack). [20 January 2014]. 
  7. ^ EcoSmart 60W Equivalent Soft White A19 Energy Star and Dimmable LED Light Bulb (4-Pack). Home Depot. [12 March 2017]. 
  8. ^ Lightbulbs – LEDs and CFLs offer more choices and savings (PDF). ConsumerReports. 2011 [21 January 2014]. 
  9. ^ 鎢絲膽倒數計時 節能照明起飛 韓婷婷/台北/中央社 2011/11/26 15:33 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2016-03-04.
  10. ^ 中國逐步淘汰鎢絲膽路線圖 2011年第28號公告[永久失效連結] 發改委公告 -> 2011年
  11. ^ 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））. 
  12. ^ Halogená Energy Saver 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2011-12-20.
  13. ^ Laser boosts light bulb efficiency. [2011-02-18]. （原始內容存檔於2011-11-04）. 
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