荧光灯

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荧光灯(Fluorescent Lamps)

定义:发射荧光的灯,通常是荧光体中气体电子放电产生的辐射。

荧光灯是辐射荧光的器件。荧光通常发生在荧光体(荧光材料)中,是由有些气体(例如,汞蒸气)放电产生的紫外光激发的。发射的光通常是白光。

最常见的荧光灯包含长度在20cm-2.5m之间、直径在1cm到几厘米的玻璃管中充满的汞蒸气(还混合有氩气或者氙气)。放电过程通过电子的非弹性散射激发汞原子:电子受到管中电场的作用而加速,与汞原子碰撞过程中,电子的一部分动能转化为汞原子的激发能。之后,汞原子发射光,主要是发射波长在185nm-254nm之间的紫外光谱区域的光。这一过程并不是荧光过程,而是电子致发光(参阅发光)。

后来,在管子内表面的荧光膜(荧光体)吸收紫外光,并且将其转化为荧光,主要是可见光光谱区域。(剩余的紫外光则在玻璃管中被吸收。)磷光体包含多种材料,从而总的辐射光谱为白光。


目录

色调

荧光灯的辐射光谱由光谱分析仪接收,很容易与白炽灯的光谱区分:前者更具结构性,在有些光谱区域具有很高的功率谱密度,而其它波长处功率谱密度则低很多。然而,在白天通过人眼很难辨别开来。主要是因为人眼只有三种感光细胞来区分颜色;只有激发强度与三种感光细胞相关的才对人眼看到的颜色有影响。另外,人的视觉神经会迅速根据周围的光线而进行色彩校正;因此,日光中光谱的强烈变化,例如在中午和下午之间,人眼很难感觉到。

通过改变荧光体的组分,可以观察到不同的色彩。较柔和的色彩适合住宅,它可以在夜晚模仿日光中较柔和的色彩,营造更加轻松的氛围。另一方面,较冷的色调(色温更高)则更适合办公环境,最好匹配中午的太阳光线,从而能够更加集中精力的工作。

尽管荧光灯的色调根据应用进行了优化,荧光灯的非均匀光谱会改变其照射物体显示的颜色。这主要是因为物体的光学性质只能在强辐射的波长区域被探测到,而弱辐射光谱区域的性质对整体的视觉效应没有很大的共线。这一性质可定量化的有显色指数(CRI)来表征。有些荧光灯具有较低的显色指数,因此在很小的色彩差别都有很大影响的情况下不适合采用,例如在摄影工作室中。然而,这也与荧光体的组分有很大的关系;现在很多等采用三种混合物的荧光粉,包含铕和铽可以得到很高的显色指数。市场中用很多表述形式来表征灯具有很高的显色指数,例如“全光谱”,“高清晰度”和“日光灯”等。


电子学角度

电子放电发生在两钨丝之间。大多数荧光灯都涂覆各种氧化涂层有利于热电子辐射。在开始阶段,电极由远大于正常的电流进行加热,然后放电由一脉冲高电压开始。一旦气体被电离,其电导率迅速变大,然后维持放电过程所需的电压降低到200V一下。电流需要采用一些镇流器维持稳定,由于气体放电中电流越高会降低电阻值,从而进一步增加电流。

更大的荧光灯通常采用感应线圈作为镇流器,可以工作在正常的AC电流下。感应线圈提供脉冲高电压开始放电过程。在该阶段,放电气体被绕过,于是相对较大的电流流向电极和感应线圈。几秒钟之后,电子通道消除,电流的迅速减小导致电磁线圈产生脉冲高压开始放电过程。在稳态,电流远小于开始阶段的电流,于是对电极的加热过程变弱。开始阶段由一个小的启动器(自动启动开关)控制,它包含一个辉光管和双金属材料开关。

除了这种简单的感应线圈,也可以采用更加复杂的电子回路作为开始阶段的镇流器。(严格来说,这种电子学并不称为镇流器。)它具有以下的优势:

  1. 电子学器件更加紧凑,可应用于小型荧光灯(见下面描述)。
  2. 采用合适的电路可以工作在DC电流下,这种情况下简单的感应线圈不适用。
  3. 电子学器件可以工作在频率远大于线电压的情况。这可以得到更高的功率效率。另外,也会消除闪烁效应。

另外,这种方法存在电子雾的问题(见下面描述)。

灯光调暗只能采用特殊的电子学器件,这些器件并不常见。用于白炽灯的电子调光器并不适用于调节荧光灯的亮度。

荧光灯在达到最高亮度前需要一定时间,主要是需要达到足够的汞蒸气压力。这一时间可能只有几秒钟,但有的情况可能需要1分钟。在建筑之外的荧光灯,在冬季可能无法达到其峰值温度,因此亮度会降低。

还有一种冷阴极荧光灯(CCFL),它不采用阴极的热电子放电:电极没有涂覆氧化涂层,工作温度也低于热电子辐射温度。它在阴极存在更高的电压降,因此降低了功率效率。这一荧光灯的优势在于其寿命更长,并且能够实现快速开关。


图1:小型荧光灯,采用欧洲常用的E27灯座。

小型荧光灯

通常直的或弯曲的荧光管太大,从而无法取代白炽灯。因此,发展了小型荧光灯,其尺寸与普通的白炽灯可比拟,并且可以采用相同的灯组件。这一紧凑的形式采用了相对更小的管(有时为弯曲形状)和更小的电子镇流器,同时增强功率效率,减小闪烁效应。还有非集成的小型灯,采用单独的电子镇流器,这样在灯寿命结束后可以单独更换,而长寿命的电子镇流器可以接着使用。


寿命

当工作在很长时间间隔情况下,荧光灯的寿命可能大于10000个小时。频繁的开关荧光灯会减小其寿命。电子镇流器都经过优化以适应频繁开关,使荧光等能够寿命更长。


能量效率和环境问题

尽管在荧光体中一部分汞辐射的紫外光能量耗散了,荧光灯的能量效率还是比白炽灯高了几个数量级。相比于能量转化效率,考虑发光效率更加合理,它考虑了人眼对波长的敏感性。荧光灯的发光效率可以达到100lm/W,而50-70lm/W更为常见,尤其需要高显色指数的情况下。白炽灯的发光效率通常为10-20lm/W(高功率器件该值更大),而卤素灯通常大于20lm/W。因此采用荧光灯的情况下,在给定照度情况下,比白炽灯的功率消耗降低了80%。节省的能量是灯价格增加的几倍,并且能量消耗的降低也相应的降低了污染以及温室气体的辐射量。

另外,生产荧光灯消耗的能量比生产白炽灯高几倍。然而,该部分能量还是小于工作中消耗的能量,并且荧光灯的寿命更长。因此,生产过程中多出的能量可部分由其长寿命补偿,不足以影响荧光灯的使用。

荧光灯的能量效率更高相应的辐射更少的热量。然而,发热在有些加热的应用环境中是有利的,该加热部分在典型的发电站中通常是效率很低的,由于存在能量耗散。在有空调的建筑物里,不需要灯的放热,因为这会提高冷却装置的电能消耗,因此采用高效荧光灯节省的能量比荧光灯中直接节省的更大。需要注意的是,灯的发热过程会产生其它不需要的效应,例如,在木建筑中会增加失火的风险。

荧光灯寿命终结之后,可以重复利用荧光管,主要是因为它包含具有毒性的汞:在小型荧光灯中具有几毫克,更长的管子中具有更多。(对比一下,温度计中通常包含1g的汞,很多其它的电子器件也包含类似质量的汞。)在小型荧光灯中,电子学中可能包含一些有害的成分。但是,消费者通常不了解(尤其是低于小型荧光灯),因此荧光灯被当做普通垃圾被丢弃,尤其是汞会污染环境。但是,也不需要过于夸大这种效应,因为只有一小部分的汞来自于荧光灯。另外,采用煤发电的发电站也会产生很大数量的汞;实际上它们在全球的汞污染中占最大的部分。例如,100W的白炽灯工作超过5000个小时消耗的电量为500kWh,产生的汞为10-20mg,即时电并不只来自于煤发电站。这与25W的荧光灯产生的汞量相当,它在其寿命范围内产生类似的光。因此,即时不循环利用荧光灯,它也不会产生更多的汞,而通过循环利用,这种情况有更大的改善。


电子雾

有些消费者会考虑到荧光灯产生的电子雾。这是由于在小型荧光灯的电子镇流器中会产生更高频的电场和磁场而形成的。然而,高效的荧光灯在电线中产生更小的电流,因此产生的磁场也更小。并且,家用电器中其它的电器也会产生电场和磁场。

问题在于这些电磁辐射是否有安全隐患,以及隐患有多严重。但是由于缺少具体的数据很难回答这一问题。有证据表明低频电磁场会产生一些生物效应,但是如果没有进一步的研究,并没有确切的科学证据表明电磁辐射有严重的安全隐患。因此,可以降低电磁场的暴露程度,但是不能忽视荧光灯很有利的一点就是消耗电能减小。


其它安全考虑

还有一些基于安全方面的考虑反对荧光灯的观点,但是都很少碰到:

  1. 发射的光谱与白炽灯不同:荧光灯光谱结构性更强,并且色温不同。但是,并没有证据显示结构性的光谱存在安全隐患;这只会更难判断颜色。因此,大多数荧光灯不能应用到一些特殊的领域,例如,在艺术方面。另外,有人认为荧光灯光谱中蓝光组分很少是一个隐患,日光中包含更强的蓝光组分。色温与人体健康相关,但是色温是多少合适取决于环境。例如,晚上房间适合低色温(例如,2500K),不然会影响睡眠;而在办公室中,为了防止疲劳需要更高的色温(4000K或者更高,在中午接近6000K)。在给定应用中选取合适色温的灯非常重要,显然如果具有不同色温的模型将非常重要。
  2. 荧光灯中由于荧光体和玻璃不完全吸收,因此会有少量紫外光辐射出来,但是与日光相比,这些量非常少。
  3. 闪烁效应也是一个问题,但是闪烁效应通常发生在存在缺陷的或者接近寿命的灯中。正常工作状态下,线频率为50Hz就会对出射光的调制达100Hz(尽管采用了电子镇流器的情况下,它具有很小的滤波电容)。然而,调制速度太快以至于不能注意到,因此也不存在安全问题。(在美国,60Hz线频率会产生更快的调制。)
  4. 尤其是小型荧光灯的电子部分会辐射一定的有害物质。在不利的情况下,甚至会产生难闻的气味。一般情况下,这些物质的浓度在空气中非常小,也可能来自于其他的物质,包括其他包含电子器件的装置(例如电视)。只有在将荧光灯放置在很小的容积中进行专门的测试情况下才能够测到一定的浓度。


特殊种类的荧光灯

还有无电极荧光感应灯,其中电磁场将电能转移到气体中进行放电,因此不需要采用电极。其优势在于可以进一步提高灯管的寿命,并且可以使用更多种类的发光材料。


有竞争力的技术

  1. 白炽灯更加便宜,并且比荧光灯尺寸更小,但是其能效更低,寿命较短。
  2. 发光二极管(LED)是荧光管的主要对手,因为其效率与荧光管相当,尺寸很小,重量轻和结构稳固。但是其单位瓦特的价格更高。
  3. 有些气体放电灯不涉及荧光过程,例如钠灯,比荧光灯效率更高。


参阅:荧光发光二极管