你需要知道的關于日光燈的小知識

你需要知道的關于日光燈的小知識

耿書娟1袁海泉1計佳欣2

(1.蘇州大學物理科學與技術學院，江蘇蘇州215006；

2.江蘇省無錫市洛社高級中學，江蘇無錫214187)

日光燈是我們生活中常見的用電器，也是電感的一個典型應用.在以前版本的教材中都明確提出這部分內容，然而現行的人教版選修教材中卻沒有出現，不得不說是個遺憾.現今教學中最多講到習題時老師會提及日光燈，但也只是停留在控制電路上，簡單帶過電感鎮流器、啟動器，并不會仔細分析日光燈的工作原理.久而久之很多老師自己對于日光燈也不甚了解，更不用說能解答學生提出來的問題：為什么有些日光燈并沒有看到啟動器？反觀學生，因為常見到日光燈，興趣特別濃厚，老師的冷處理硬生生扼殺了學生的求知欲.無論老師還是學生都有必要了解日光燈的工作原理.

1日光燈的發光原理

原子的核外電子處在不同的能級，當原子獲得能量時，就會躍遷到更高的能級上.但是高能級是不穩定狀態，電子在這個軌道上短暫停留又會向低能級躍遷.在躍遷的同時，會放出光子.這就是我們常說的原子的核外電子受激發，原子就會釋放光子.不同種類的原子釋放出不同種類的光子，表現為不同的顏色.

各種光源產生的區別在于激發原子的過程.普通的白熾燈泡，原子是受熱激發；而在日光燈管中，原子是碰撞激發.

日光燈的主要元件是密封的玻璃管：

(1)管內主要氣體為氬氣(另包含氖或氪)，還包含幾滴水銀(形成微量的水銀蒸汽，水銀原子約占所有氣體原子的千分之一的比例).這些氣體保持在低壓下，氣壓約為大氣壓的0.3%.

(2)燈管的每一端都有一個與電路相連的電極.電源接通，電極之間就會有很大的電壓，于是管中自由電子和離子就會被加速，穿過氣體從燈管的一端游離到另一端，形成導通的電流.

(3)在穿過燈管的過程中，自由電子會和氣體原子產生頻繁的碰撞.由于電子的質量遠小于氣體原子的質量，因此多數的碰撞過程中電子并沒有損失能量，只是一直改變運動方向.在某些碰撞過程中，氣態汞原子激發，其核外電子躍遷到更高的能級上，再返回低能級時釋放光子；在某些碰撞過程中，核外電子獲得的能量足夠電離，于是產生新的電子及正離子對.這些被電離的電子及正離子對繼續被加速，也就會繼續的電離，如此循環，則管內變成越來越容易導通電流，即管內的電阻會突然下降許多，于是可以導通大量的電流.兩極所需的電壓會比剛接通時初始電壓降低很多.

(4)汞原子激發釋放出的光大多屬于紫外光范疇，無法穿透日光燈管，也不是可見光，但是燈管內壁涂有螢光物質(主要為磷粉)吸收紫外光，當光子撞擊磷原子的時候，磷的核外電子就會躍遷到一個較高的能級，原子會變熱.因為一些能量以熱的形式散失了，當核外電子恢復常態能級時，磷原子釋放出另一種比紫外光能量低一些的光子，即發出可見光，當然也包含了部份的紅外光.

可見日光燈要發光需要滿足以下條件：

(1)燈管兩極存在高電壓，有足夠電場加速電子(長度越長的燈管，需要越高的電壓)，但穩定后電壓較低；

(2)燈管中存在最初始的自由電子.問題在于日光燈管中氣體，本身幾乎沒有離子和自由電子，所以大多數氣體都很難傳導電流.如何從兩個電極中引入許多自由電子成為關鍵所在.日光燈啟動方式有多種，但都不外乎兩極引入電壓產生自由電子.如此日光燈發光的所有問題演變為提供一種合適的電壓在兩極：啟動時要高壓，發光穩定后需要較低的電壓.

2日光燈的控制調節電路

圖1

正因為上述特點，決定了它調控線路的復雜.我們以最基本的日光燈線路為例來分析.如圖1所示，閉合開關，電流流經燈管兩端的燈絲，加熱燈絲，產生熱電子.逃脫的電子在兩極電壓作用下加速，碰撞氣體原子使管內氣體放電，所以閉合開關時，兩電極附近會看見微弱的閃光，但電壓不夠高不足以使燈管內氣體放電.

另一方面，電壓加到啟動器(又稱啟輝器)兩端，啟動器實質就是如圖2中的一個氖泡，燈泡內充滿氖氣，且有兩個相鄰的電極(由不接觸間距很短的雙金屬片制成，U形動觸片和靜觸片，受熱會彎曲).當電壓加在電極兩端時，產生放電(發出紅紅的光)而導通.這一過程類似于日光燈管內的氣體放電，只是其間距短，需要的電壓不高.由于放電使得電極溫度增高而彎曲，進而使U形動觸片和靜觸片接觸.一旦接觸，電路導通，兩極的電壓急劇下降，不再發生氣體放電過程，溫度下降，金屬片再度分離，電路斷開.

圖2

在電路斷開瞬間，電感鎮流器中電流急劇減小，產生較高感應電動勢，這個電壓和交流電壓一起加到日光燈管兩端，產生瞬間高壓.加上之前預熱燈絲已經產生的自由電子，日光燈管內氣體順利放電，點亮發光.事實上，在此同時啟動器兩極的電壓也是很高的，可以再次放電導通.(只是由于日光燈發光，看不出其發光.)不過一旦日光燈導通后，其電阻會急劇下降，加到日光燈管兩端的電壓也急劇下降，同樣啟動器兩極電壓也下降，以后不會再重復放電.

穩定后，由于日光燈管不需要很高電壓，所以鎮流器就起到了降壓限流的作用.很多實驗中為證實這一點會在此時用一燈泡或電阻代替鎮流器，發現日光燈依然發光.

3日光燈的啟動方式

上面分析過，日光燈要啟動，主要是要提供一個瞬間高壓和自由電子，上述的啟動方式是借助電感鎮流器和氖泡啟動器以及燈絲做到的，我們稱之為預熱式啟動.這種燈的問題是它需要幾秒鐘的時間來啟動.還有其他啟動方式，如快速啟動型：電源導通同時加熱燈絲(燈絲一直處于加熱狀態)，直到有足夠電子時，電流便導通.其原理類同傳統的預熱式啟動，但它沒有啟輝器，而是依靠鎮流器不斷地引導電流通過兩個電極，這種啟動方式是目前比較流行的.當然還有一種稱為瞬間啟動型：最大的特點是它沒有燈絲，完全靠鎮流器加升壓變壓裝置產生的高壓造成電暈放電，瞬間導通.

4電子鎮流器

在不需要啟輝器的啟動方式中，全靠鎮流器的調節，顯然傳統的電感鎮流器是無法做到這一點的.所以這種日光燈配套的并不是電感鎮流器而是電子鎮流器，現在的日光燈拆開后很容易看到這個器件.電子鎮流器是一個將工頻交流電源(普通市電)轉換成高頻交流電源的變換器，其基本工作原理如圖3：

圖3

工頻電源(市電)經過濾波器，全波整流和功率因數校正器(PPFC或APFC)后，變為直流電源.通過DC/AC變換器，轉換成20k-150kHz的高頻交流電源，加到LC諧振電路加熱燈絲，同時在電容器上產生諧振高壓，加在與電容并聯的燈管兩端.在電子整流器通電的瞬時，電容處于諧振狀態獲得高壓使得燈管點亮進入穩態.導通后高頻電感起限制電流增大的作用，保證燈管正常工作所需的電壓和電流，為了提高可靠性，常增設各種保護電路.

在電子鎮流器的使用中，用到了高頻交流電，這是因為一方面電感的阻抗ZL=2πfL，當供電頻率較高時，鎮流器的體積和尺寸可以小很多.另一方面氣體放電燈在低頻交流(50Hz)供電時，阻抗在整個交流周期內一直變化，工作在高頻時，氣體電離狀態不再隨著燈的工作電流而迅速變化趨于穩定，發光效率可以提高很多，還可以有效地克服發光閃爍現象.

5日光燈效率優于白熾燈

綜上所述，我們可以發現日光燈的制作和工作電路是很復雜的，如此繁瑣為何不選擇簡單明了的白熾燈呢？這自然源于日光燈的發光效率要優于白熾燈很多.在日光燈發光原理中我們已經闡述過，日光燈是管壁上的熒光物質吸收汞原子激發的紫外光后釋放出可見光.一般消耗電能的60%可以轉換為紫外光，紫外光轉換為可見光的效率約為40%.因此日光燈的效率約為24%.傳統的鎢絲白熾燈也發出大量的紫外光，但并不把任何紫外光轉化為可見光.大部分能量都浪費了，留下發光成分，而且散發的熱量也比日光燈多.日光燈的效率是同功率的白熾燈的效率的3倍多，甚至更多.

日光燈是我們身邊最常見的電器，但其中蘊含的物理原理是很巧妙的，值得我們探索.