你需要知道的关于日光灯的小知识

你需要知道的关于日光灯的小知识

耿书娟1袁海泉1计佳欣2

(1.苏州大学物理科学与技术学院，江苏苏州215006；

2.江苏省无锡市洛社高级中学，江苏无锡214187)

日光灯是我们生活中常见的用电器，也是电感的一个典型应用.在以前版本的教材中都明确提出这部分内容，然而现行的人教版选修教材中却没有出现，不得不说是个遗憾.现今教学中最多讲到习题时老师会提及日光灯，但也只是停留在控制电路上，简单带过电感镇流器、启动器，并不会仔细分析日光灯的工作原理.久而久之很多老师自己对于日光灯也不甚了解，更不用说能解答学生提出来的问题：为什么有些日光灯并没有看到启动器？反观学生，因为常见到日光灯，兴趣特别浓厚，老师的冷处理硬生生扼杀了学生的求知欲.无论老师还是学生都有必要了解日光灯的工作原理.

1日光灯的发光原理

原子的核外电子处在不同的能级，当原子获得能量时，就会跃迁到更高的能级上.但是高能级是不稳定状态，电子在这个轨道上短暂停留又会向低能级跃迁.在跃迁的同时，会放出光子.这就是我们常说的原子的核外电子受激发，原子就会释放光子.不同种类的原子释放出不同种类的光子，表现为不同的颜色.

各种光源产生的区别在于激发原子的过程.普通的白炽灯泡，原子是受热激发；而在日光灯管中，原子是碰撞激发.

日光灯的主要元件是密封的玻璃管：

(1)管内主要气体为氩气(另包含氖或氪)，还包含几滴水银(形成微量的水银蒸汽，水银原子约占所有气体原子的千分之一的比例).这些气体保持在低压下，气压约为大气压的0.3%.

(2)灯管的每一端都有一个与电路相连的电极.电源接通，电极之间就会有很大的电压，于是管中自由电子和离子就会被加速，穿过气体从灯管的一端游离到另一端，形成导通的电流.

(3)在穿过灯管的过程中，自由电子会和气体原子产生频繁的碰撞.由于电子的质量远小于气体原子的质量，因此多数的碰撞过程中电子并没有损失能量，只是一直改变运动方向.在某些碰撞过程中，气态汞原子激发，其核外电子跃迁到更高的能级上，再返回低能级时释放光子；在某些碰撞过程中，核外电子获得的能量足够电离，于是产生新的电子及正离子对.这些被电离的电子及正离子对继续被加速，也就会继续的电离，如此循环，则管内变成越来越容易导通电流，即管内的电阻会突然下降许多，于是可以导通大量的电流.两极所需的电压会比刚接通时初始电压降低很多.

(4)汞原子激发释放出的光大多属于紫外光范畴，无法穿透日光灯管，也不是可见光，但是灯管内壁涂有萤光物质(主要为磷粉)吸收紫外光，当光子撞击磷原子的时候，磷的核外电子就会跃迁到一个较高的能级，原子会变热.因为一些能量以热的形式散失了，当核外电子恢复常态能级时，磷原子释放出另一种比紫外光能量低一些的光子，即发出可见光，当然也包含了部份的红外光.

可见日光灯要发光需要满足以下条件：

(1)灯管两极存在高电压，有足够电场加速电子(长度越长的灯管，需要越高的电压)，但稳定后电压较低；

(2)灯管中存在最初始的自由电子.问题在于日光灯管中气体，本身几乎没有离子和自由电子，所以大多数气体都很难传导电流.如何从两个电极中引入许多自由电子成为关键所在.日光灯启动方式有多种，但都不外乎两极引入电压产生自由电子.如此日光灯发光的所有问题演变为提供一种合适的电压在两极：启动时要高压，发光稳定后需要较低的电压.

2日光灯的控制调节电路

图1

正因为上述特点，决定了它调控线路的复杂.我们以最基本的日光灯线路为例来分析.如图1所示，闭合开关，电流流经灯管两端的灯丝，加热灯丝，产生热电子.逃脱的电子在两极电压作用下加速，碰撞气体原子使管内气体放电，所以闭合开关时，两电极附近会看见微弱的闪光，但电压不够高不足以使灯管内气体放电.

另一方面，电压加到启动器(又称启辉器)两端，启动器实质就是如图2中的一个氖泡，灯泡内充满氖气，且有两个相邻的电极(由不接触间距很短的双金属片制成，U形动触片和静触片，受热会弯曲).当电压加在电极两端时，产生放电(发出红红的光)而导通.这一过程类似于日光灯管内的气体放电，只是其间距短，需要的电压不高.由于放电使得电极温度增高而弯曲，进而使U形动触片和静触片接触.一旦接触，电路导通，两极的电压急剧下降，不再发生气体放电过程，温度下降，金属片再度分离，电路断开.

图2

在电路断开瞬间，电感镇流器中电流急剧减小，产生较高感应电动势，这个电压和交流电压一起加到日光灯管两端，产生瞬间高压.加上之前预热灯丝已经产生的自由电子，日光灯管内气体顺利放电，点亮发光.事实上，在此同时启动器两极的电压也是很高的，可以再次放电导通.(只是由于日光灯发光，看不出其发光.)不过一旦日光灯导通后，其电阻会急剧下降，加到日光灯管两端的电压也急剧下降，同样启动器两极电压也下降，以后不会再重复放电.

稳定后，由于日光灯管不需要很高电压，所以镇流器就起到了降压限流的作用.很多实验中为证实这一点会在此时用一灯泡或电阻代替镇流器，发现日光灯依然发光.

3日光灯的启动方式

上面分析过，日光灯要启动，主要是要提供一个瞬间高压和自由电子，上述的启动方式是借助电感镇流器和氖泡启动器以及灯丝做到的，我们称之为预热式启动.这种灯的问题是它需要几秒钟的时间来启动.还有其他启动方式，如快速启动型：电源导通同时加热灯丝(灯丝一直处于加热状态)，直到有足够电子时，电流便导通.其原理类同传统的预热式启动，但它没有启辉器，而是依靠镇流器不断地引导电流通过两个电极，这种启动方式是目前比较流行的.当然还有一种称为瞬间启动型：最大的特点是它没有灯丝，完全靠镇流器加升压变压装置产生的高压造成电晕放电，瞬间导通.

4电子镇流器

在不需要启辉器的启动方式中，全靠镇流器的调节，显然传统的电感镇流器是无法做到这一点的.所以这种日光灯配套的并不是电感镇流器而是电子镇流器，现在的日光灯拆开后很容易看到这个器件.电子镇流器是一个将工频交流电源(普通市电)转换成高频交流电源的变换器，其基本工作原理如图3：

图3

工频电源(市电)经过滤波器，全波整流和功率因数校正器(PPFC或APFC)后，变为直流电源.通过DC/AC变换器，转换成20k-150kHz的高频交流电源，加到LC谐振电路加热灯丝，同时在电容器上产生谐振高压，加在与电容并联的灯管两端.在电子整流器通电的瞬时，电容处于谐振状态获得高压使得灯管点亮进入稳态.导通后高频电感起限制电流增大的作用，保证灯管正常工作所需的电压和电流，为了提高可靠性，常增设各种保护电路.

在电子镇流器的使用中，用到了高频交流电，这是因为一方面电感的阻抗ZL=2πfL，当供电频率较高时，镇流器的体积和尺寸可以小很多.另一方面气体放电灯在低频交流(50Hz)供电时，阻抗在整个交流周期内一直变化，工作在高频时，气体电离状态不再随着灯的工作电流而迅速变化趋于稳定，发光效率可以提高很多，还可以有效地克服发光闪烁现象.

5日光灯效率优于白炽灯

综上所述，我们可以发现日光灯的制作和工作电路是很复杂的，如此繁琐为何不选择简单明了的白炽灯呢？这自然源于日光灯的发光效率要优于白炽灯很多.在日光灯发光原理中我们已经阐述过，日光灯是管壁上的荧光物质吸收汞原子激发的紫外光后释放出可见光.一般消耗电能的60%可以转换为紫外光，紫外光转换为可见光的效率约为40%.因此日光灯的效率约为24%.传统的钨丝白炽灯也发出大量的紫外光，但并不把任何紫外光转化为可见光.大部分能量都浪费了，留下发光成分，而且散发的热量也比日光灯多.日光灯的效率是同功率的白炽灯的效率的3倍多，甚至更多.

日光灯是我们身边最常见的电器，但其中蕴含的物理原理是很巧妙的，值得我们探索.