你需要知道的關(guān)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(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215006；

2.江蘇省無錫市洛社高級中學(xué)，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(yīng)用.在以前版本的教材中都明確提出這部分內(nèi)容，然而現(xiàn)行的人教版選修教材中卻沒有出現(xiàn)，不得不說是個遺憾.現(xiàn)今教學(xué)中最多講到習(xí)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(zhèn)流器、啟動器，并不會仔細(xì)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(xué)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(xué)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(xué)生的求知欲.無論老師還是學(xué)生都有必要了解日光燈的工作原理.

1日光燈的發(fā)光原理

原子的核外電子處在不同的能級，當(dāng)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(wěn)定狀態(tài)，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(fā)，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(xiàn)為不同的顏色.

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

日光燈的主要元件是密封的玻璃管：

(1)管內(nèi)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(dǎo)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(chǎn)生頻繁的碰撞.由于電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于氣體原子的質(zhì)量，因此多數(shù)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(tài)汞原子激發(fā)，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(chǎn)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(xù)被加速，也就會繼續(xù)的電離，如此循環(huán)，則管內(nèi)變成越來越容易導(dǎo)通電流，即管內(nèi)的電阻會突然下降許多，于是可以導(dǎo)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(fā)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(nèi)壁涂有螢光物質(zhì)(主要為磷粉)吸收紫外光，當(dāng)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(dāng)核外電子恢復(fù)常態(tài)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(fā)出可見光，當(dāng)然也包含了部份的紅外光.

可見日光燈要發(fā)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(wěn)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(shù)氣體都很難傳導(dǎo)電流.如何從兩個電極中引入許多自由電子成為關(guān)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(chǎn)生自由電子.如此日光燈發(fā)光的所有問題演變?yōu)樘峁┮环N合適的電壓在兩極：啟動時要高壓，發(fā)光穩(wěn)定后需要較低的電壓.

2日光燈的控制調(diào)節(jié)電路

圖1

正因為上述特點，決定了它調(diào)控線路的復(fù)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(guān)，電流流經(jīng)燈管兩端的燈絲，加熱燈絲，產(chǎn)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(nèi)氣體放電，所以閉合開關(guān)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(nèi)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(zhì)就是如圖2中的一個氖泡，燈泡內(nèi)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(dāng)電壓加在電極兩端時，產(chǎn)生放電(發(fā)出紅紅的光)而導(dǎo)通.這一過程類似于日光燈管內(nèi)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(dǎo)通，兩極的電壓急劇下降，不再發(fā)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(zhèn)流器中電流急劇減小，產(chǎn)生較高感應(yīng)電動勢，這個電壓和交流電壓一起加到日光燈管兩端，產(chǎn)生瞬間高壓.加上之前預(yù)熱燈絲已經(jīng)產(chǎn)生的自由電子，日光燈管內(nèi)氣體順利放電，點亮發(fā)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(dǎo)通.(只是由于日光燈發(fā)光，看不出其發(fā)光.)不過一旦日光燈導(dǎo)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(fù)放電.

穩(wěn)定后，由于日光燈管不需要很高電壓，所以鎮(zhèn)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(zhèn)流器，發(fā)現(xiàn)日光燈依然發(fā)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(zhèn)流器和氖泡啟動器以及燈絲做到的，我們稱之為預(yù)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(dǎo)通同時加熱燈絲(燈絲一直處于加熱狀態(tài))，直到有足夠電子時，電流便導(dǎo)通.其原理類同傳統(tǒng)的預(yù)熱式啟動，但它沒有啟輝器，而是依靠鎮(zhèn)流器不斷地引導(dǎo)電流通過兩個電極，這種啟動方式是目前比較流行的.當(dāng)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(zhèn)流器加升壓變壓裝置產(chǎn)生的高壓造成電暈放電，瞬間導(dǎo)通.

4電子鎮(zhèn)流器

在不需要啟輝器的啟動方式中，全靠鎮(zhèn)流器的調(diào)節(jié)，顯然傳統(tǒng)的電感鎮(zhèn)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(zhèn)流器而是電子鎮(zhèn)流器，現(xiàn)在的日光燈拆開后很容易看到這個器件.電子鎮(zhèn)流器是一個將工頻交流電源(普通市電)轉(zhuǎn)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(jīng)過濾波器，全波整流和功率因數(shù)校正器(PPFC或APFC)后，變?yōu)橹绷麟娫?通過DC/AC變換器，轉(zhuǎn)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(chǎn)生諧振高壓，加在與電容并聯(lián)的燈管兩端.在電子整流器通電的瞬時，電容處于諧振狀態(tài)獲得高壓使得燈管點亮進入穩(wěn)態(tài).導(dǎo)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(shè)各種保護電路.

在電子鎮(zhèn)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(dāng)供電頻率較高時，鎮(zhèn)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(nèi)一直變化，工作在高頻時，氣體電離狀態(tài)不再隨著燈的工作電流而迅速變化趨于穩(wěn)定，發(fā)光效率可以提高很多，還可以有效地克服發(fā)光閃爍現(xiàn)象.

5日光燈效率優(yōu)于白熾燈

綜上所述，我們可以發(fā)現(xiàn)日光燈的制作和工作電路是很復(fù)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(fā)光效率要優(yōu)于白熾燈很多.在日光燈發(fā)光原理中我們已經(jīng)闡述過，日光燈是管壁上的熒光物質(zhì)吸收汞原子激發(fā)的紫外光后釋放出可見光.一般消耗電能的60%可以轉(zhuǎn)換為紫外光，紫外光轉(zhuǎn)換為可見光的效率約為40%.因此日光燈的效率約為24%.傳統(tǒng)的鎢絲白熾燈也發(fā)出大量的紫外光，但并不把任何紫外光轉(zhuǎn)化為可見光.大部分能量都浪費了，留下發(fā)光成分，而且散發(fā)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.