探究节能日光灯原理.docx

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探究节能日光灯原理

第一部分、节能日光灯原理

一、日光灯简介

日光灯又称荧光灯：

灯管里面装入一些特殊的气体，又在灯管的管壁上涂上荧光粉，通电之后由于放电而产生光。

日光灯：

它不含红外线，所以它的光是很温和的，不伤眼睛；因为不含有热线，日光灯用起来比较省电；它也会发出许多美丽有色的光。

这就是由荧光粉里所含的化学药品的性质来定了，例如涂上钨酸镁的，发蓝白色光，涂上硼酸镉的发淡红色光。

日光灯管两端装有灯丝，玻璃管内壁涂有一层均匀的薄荧光粉，管内被抽成真空度103-104毫米汞柱以后，充入少量惰性气体，同时还注入微量的液态水银。

电感镇流器是一个铁芯电感线圈，电感的性质是当线圈中的电流发生变化时，则在线圈中将引起磁通的变化，从而产生感应电动势，其方向与电流的方向相反，因而阻碍着电流变化。

起辉器在电路中起开关作用，它由一个氖气放电管与一个电容并联而成，电容的作用为消除对电源的电磁的干扰并与镇流器形成振荡回路，增加启动脉冲电压幅度。

放电管中一个电极用双金属片组成，利用氖泡放电加热，使双金属片在开闭时，引起电感镇流器电流突变并产生高压脉冲加到灯管两端。

当日光灯接入电路以后，起辉器两个电极间开始辉光放电，使双金属片受热膨胀而与静触极接触，于是电源、镇流器、灯丝和起辉器构成一个闭合回路，电流使灯丝预热，当受热时间1-3秒后，起辉器的两个电极间的辉光放电熄灭，随之双金属片冷却而与静触极断开，当两个电极断开的瞬间，电路中的电流突然消失，于是镇流器产生一个高压脉冲，它与电源叠加后，加到灯管两端，使灯管内的惰性气体电离而引起弧光放电，在正常发光过程中，镇流器的自感还起着稳定电路中电流的作用。

节能灯也属于荧光灯之类，但是，节能灯这个名词是相对的。

就拿我们生活中常见的灯来讲吧：

爱迪生最早发明的灯是白炽灯，以后出现了用感应镇流器的日光灯→用电子镇流器的日光灯→现在又出现了LED灯。

后出现的都比以前的到产品节电。

所以说“节能灯”这个词，应该是相对的。

就目前，我们习惯称呼的“节能灯”这个词，泛指是：

用电子镇流器的日光灯。

日光灯，即低压汞灯，其原理是汞蒸气辐射紫外线，紫外线激发灯管上的荧光粉而最终发出白光，其光谱是不连续的，即为明线光谱.

二、日光灯，节能灯工作原理

（一）、荧光灯中的低压气体放电

荧光灯是一种低汞蒸气压放电灯。

它把电能转变为可见光的过程可以分为二个阶段。

首先是通过低压汞蒸气放电，在气体放电中消耗的电能转变为人眼看不见的紫外辐射和少量可见光，其中约占65%的电能转化为波长185nm、254nm和365nm等紫外线，3%的电能直接转化为波长405nm、436nm、546nm和577nm等可见光，其余部分大多数以热量的形式消耗。

其次是管内产生的紫外线辐射到玻璃管壁上涂的荧光粉材料，荧光材料再把紫外线转换为可见光。

因此，我们可以说荧光灯的发光是包含着汞蒸气低压放电和激发荧光材料发光二个物理过程。

1、低压气体放电建立

当一个足够高的电场加在充有气体的玻璃管二端电极上，气体就能被击穿而导电，这一原始电离现场是由宇宙射线或自然放射所产生的电子和离子对形成的，但这种电离形成的电流是十分微弱的。

当外电场使电子加速而离子可以看作是相对静止的，这时一部分电子可能获得足够的能量从而电离气体原子。

汞蒸气是荧光灯放电中的工作气体，汞原子中的电子分别处在原子核外的一系列电子壳层中，当汞原子和动能（又称电子温度）很大的电子相碰撞，汞原子从电子吸收能量并被激发。

电子会跃迁到所吸收的能量相当的激发能级上去，如果吸收的能量超过原子核对其的引力时，电子就将和原子脱离关系成为自由电子，剩下这种带正电的粒子就称为正离子。

我们把原子离介成自由电子和正离子的过程称为电离。

当电子在电场中加速，电子的功能达到足以产生电离的能量时，就会产生再一次电离，原来一个电子变成二个电子，二个电子继续在电场作用下向前移动，当它们再次积起足以产生电离的能量时，就会发生一次新的电离过程，现在二个电子就会变成四个、八个，同时就产生相同数量的正离子。

这种现象就是电子雪崩。

电子移向阳极，正离子向阴极移动。

正离子在运动途中也有可能发生少量电离，但由于这种电离概率仅是千分之几，因此在通常情况下离子的电离作用可以忽略不计。

通过上述分析，我们知道在荧光灯管两端电极上加上一定电压，由于管子内原始电离的存在，气体中就会有微弱电流通过，电子和带正电的离子就会向二极移动，原始电离维持的放电是一种非持续放电，即原始电离消失，放电立即停止。

电子在移动中又会与汞蒸气碰撞，不断产生新的电离现象，形成电子雪崩。

在雪崩放电过程中，正离子打在阴极上，使阴极产生二次电子，这样阴极发射电子就能获得再生。

这时即使除去原始电离，放电照样能够维持下去，这种放电就称为自持放电。

一旦达到自持放电状态。

气体的电离是很强烈的，与此同时在放电空间又会产生大量激发，从而辐射出一定的放电光谱。

2、低汞气压放电光谱

汞原子在高速电子的撞击下，除产生电离，还有有许多汞的电子没脱离原子，而是跃迁到和所获得的能量相对应的较高能级上去，这种能级发生变化的过程称为激发。

激发要吸收的能量，正好是跃迁前后两个能级的能量差。

通常采用电子伏特（eV）作为能量单位，也称为激发电位。

汞原子能级很多，当汞原子61S0基态能级上的电子吸收4.86eV能量，被激发到63P1激发态能级，随后自发跃迁回到基态61S0，同时将激发能量以254nm的紫外光辐射出来；又如61P1激发态能级跃迁回到基态61S0就会产生185nm紫外光。

当61S0基态能级上的电子吸收例如4.66eV，被激发到63P0亚稳态能级，它不会跃迁回基态,而是待再吸收能量达更高能级，然后跃迁回亚稳态或激发态，发出相应辐射光；63P3也是亚稳态能级。

63D、73S亦有下标区分的能级，图中简化了；另外还有诸如73P等能级，作用较小，不一一列出。

63P1是最低激发态，需要能量最少，所以从基态激发到此级的电子最多。

与63P1能级差不多的63P0、63P2亚稳态级，从基态激发到此两能级的电子亦不少，当它们再被激发到高能级，回到63P1能级的几率很大；据理论计算，63P1能级上电子约有三分之二由亚稳态转移而来。

在最佳激发条件下，约有60%的电能可转化为254nm辐射。

转换率可用ηUV254表示，简记为ηUV。

激发条件恶化，ηUV下降。

3、辉光放电和弧光放电

在二电极间加上电压，放电管内就会有电流通过。

电压由低逐渐升高，电流也随之升高。

外加电压继续升高，电流会出现一个急剧增加的过渡区，这时气体被击穿，这个电压称为击穿电压。

气体被击穿以后，从非持续放电进入自持放电，图中BC段称为辉光放电。

辉光放电的电位降落绝大部分都是集中在OA、B、C三个区域，因此这三个区域总称为阴极位降区，降落的电位称为阴极位降，一般阴极位降在几十伏到几百伏。

经过DE区以后放电就转化为弧光放电。

弧光放电是具有热电子发射，发射密度高特点。

发射密度每平方厘米可达几到几十安培电流，甚至数百安培以上。

达如此高发射密度时，就不需要很高的电离密度就能产生维持放电所需要的电离，并能够保持足够的阴极发射温度。

因此，弧光放电的阴极位降是很低的，通常与电离电位相接近。

弧光放电特点是随着电流的增加放电电压随之降低，如图12-3-2中EF段，这种现象被称为负阻特性或负伏安特性。

具有负伏安特性的器件不能直接与电源连接，否则放电一旦形成，放电电压立即下降，放电电压下降又促使电流迅速增加，电流的增加又促使放电电压进一步下降……，这样直至灯管或外线路烧坏。

为了抑制这种电流无限增涨的情况发生，就应该在弧光放电回路中接一个称为镇流器的限流器件，例如电感、电容或电阻等元件。

在气体放电中，弧光放电的几乎全区域均为正柱区，即具有发光均匀，电位梯度小和发光效率高等特点。

荧光灯就是利用这些特点制成具有自己特色的电光源。

4、荧光灯的放电过渡

上节介绍的放电是在理想的直流电源下进行的，而荧光灯通常是在交流状态下工作。

在交流放电中，两个电极是按放电同期交替作为阳极和阴极参加放电。

在直流电源下，弧光放电回路中的镇流器只能是电阻。

交流电源时镇流器可用电抗性元件，功耗大大减少。

荧光灯的启亮过程与前面所述的气体放电的启动过程并不完全相同，荧光灯启亮时首先是通电预热灯丝阴极，当灯丝温度达到900℃左右时，涂在灯丝阴极上的电子粉开始发射电子。

同时对灯丝加热的电流在灯丝二端产生十几伏的电位降，这一电位降使灯丝二端形成小电弧,会出现一种白色光辉。

当启动器簧片断开时，灯丝加热电流被切断，小电弧立即向主电弧过渡，这时由于刚在灯丝加热时提供了充足的初始电子，大电弧建立变得非常容易，荧光灯管就能迅速启亮，在灯管大电弧放电形成后在灯管二端灯丝上的A点和C点就存在二个热点。

保持热点存在一方面是由于灯丝作为阴极时受到正离子的轰击而获得热能，另一方面是由于另一个半周在作为阳极时受到大量电子的轰击而发热，电子轰击发热量往往更大。

当灯管进入弧光放电后，除在阴极和阳极附近出现很小的阴极位降区和阳极位降区外，二个电极间的绝大部分空间都属于正柱区。

在正柱区均匀地产生汞原子的激发和电离，将会辐射出如“1.2低汞气压放电光谱”中所述的光谱，其中254nm及185nm是汞原子光谱中的特征谱线，可见光主要是405nm（蓝紫光）、436nm（蓝光）、546nm（绿光）和577nm（黄光）的光混合在一起产生的淡蓝色光。

如果灯管没有涂荧光粉，灯管放电时就可以看到这种淡蓝色光。

形成气体放电输入的电能另外一部分在放电的正柱区和电极内部会以热量的形式散失。

在正柱区的能量损耗是由于在放电过程中离子和气体原子之间的碰撞，也有一些电子和汞离子扩散到管壁并在那里复合导致能量损耗，电极损耗主要有阴极和阳极电阻损耗造成。

（二）、荧光灯的发光

1、荧光灯发光过程

上节中我们分析了在荧光灯放电的过程中会产生254nm等紫外辐射。

与汞原子吸收电子能发出汞光谱相似，当254nm紫外线辐射到灯管内壁的荧光粉涂层上，荧光粉体内形成的一些“发光中心”在紫外辐射过程中吸收此能量，使处在基态的电子跃迁到比基态高的某个激发态能级，随后这些个电子再跃迁到某个次高能级上，同时辐射一个光子。

光子的波长是由跃迁过程的能级差所决定，由于荧光粉发光中心材料，这些波长绝大部分为可见光。

由于在激发时材料发光中心所处的振动能级不一样，以及辐射终止的能级也不一样，因此即使吸收了同样波长紫外光的发光中心会辐射出不同波长的可见光子，即在254nm紫外光辐射到荧光材料上就能够发出不同波长的荧光光谱。

荧光灯中的辐射光（波长长）能量比吸收光（波长短）能量小，称为斯托克斯发光。

在这种发光过程中，二者之间的能量差转化为热量，并在荧光粉涂层中耗损。

因此，荧光灯中发出的可见光包括二个部分：

第一是紫外辐射在荧光涂层中发出的可见光，第二是在放电过程中直接产生的可见光，二者总和约相当输入到荧光灯内能量的28%。

2荧光灯的光色

光源的光色是评价光源质量的一个重要指标，分为舒适性及显色性两类，与人类长期照明习惯有关。

（1）.发光（颜）色

物体不同颜色是由于各种不同波长的光波在人眼中的视觉感觉，也就是说不同的波长的光就会有不同颜色。

太阳光具有可见光380nm-780nm全部光色，并按一定的比例混合而成。

可见光波长和颜色的关系如表12-3-1。

波长与颜色

波长（nm）380-424424-455455-492492-565565-580580-640640-780

颜色紫蓝青绿黄橙红

照明光颜色近于白色，如第一章所述，可用黑体被施加温度后所发的光色来表示，即“相关色温”，大多数人简称为色温，单位K（开尔文）。

色温在3000K以下光色有偏红的现象，给人温暖的感觉，若色温越低，则光色越趋于红色。

色温在3000K以上时，光色就开始偏向蓝光，给人们一种清冷的感觉，若色温越高则光色越蓝。

例如晴朗白天的日光其色温高，4000K中白色相当于早上9:

00-10