节能灯何以节电

第四课 节能灯何以节电

20世纪70-80年代，全球面临能源危机及全球环境保护浪潮的兴起，节约能源，保护

全球环境即成为全人类的共识，而照明耗电在各个国家的总发电量中占有很大比例。目前我

国照明耗电大体占全国发电量的10-12%。2001年我国总发电量为14332.5亿千瓦时（度），

年照明耗电达1433.25～1719.9亿度为三峡水力发电工程正常投产后发电能的两倍以上，为

此照明节电，具有重要意义。

节能灯（指普通家用节能灯），又称“自镇流单端荧光灯”取代白炽灯能节电70-80%。

其在节能领域的作用是巨大的，节能灯何以节电呢？我们从节能灯的工作原理来加以说明。

自镇流荧光灯（Self-ballasted lamp）指含有灯头、镇流器和灯管，并使之成为一体

的荧光灯，基本工作原理与传统的直管型电感镇流器荧光灯的工作原理有相似之处，所以我

们从传统的荧光灯（日光灯）的工作原理谈起。

日光灯电路的工作原理

日光灯灯管的两端各有

一个灯丝，灯管内充有微量的

氩和稀薄的汞蒸气，灯管内壁

上涂有荧光粉(图1)．两个灯

丝之间的气体导电时发出紫外

线，使涂在管壁上的荧光粉发

图1

出柔和的可见光，管内所充气

体不同、管壁所涂的荧光粉不

同，发光的颜色就不同．通常，我们在家庭和学校使用发白色光的日光灯。

由于日光灯管发光要使管内气体导电，而激发气体导电所需的电压比220 V的电源电

压高得多，因此，日光灯在开始点燃时，需要一个高出电源电压很多的瞬时电压．当日光灯

点燃后正常发光时，灯管的电阻变得很小，只允许通过不大的电流，电流过强就会烧毁灯管，

这时又要使加在灯管上的电压低于电源电压．这两方面的要求都是利用跟灯管串联的镇流器

来实现的。

图2

图3

图2是日光灯的电路图，

日光灯主要由灯管、镇流器、

启动器组成．镇流器是一个带

铁芯的线圈，自感系数很大

(图3)。

启动器的构造如图4所

图4

示，它主要是一个充有氖气的小玻璃泡，里面装有两个电极，一个是固定不动的静触片，另

一个是用双金属片制成的U形动触片，通常，动、静触片间不接触，有一小缝隙．

双金属片受热时，两层金属膨胀的程度不同，下层的膨胀多些，会使U形动触片稍稍伸

开一些，而与静触片接触．除了小氖泡之外，还有一个电容器做为附件与小氖泡并联。

在图2所示的电路中，当开关闭合后，电源把电压加在启动器的两极之间，使氖气放电

而发出辉光．辉光产生的热量使U形动触片膨胀伸长，跟静触片接触而把电路接通．于是镇

流器的线圈和灯管的灯丝中就有电流通过．电路接通后，启动器中的氖气停止放电，U形动

触片冷却收缩，两个触片分离，电路自动断开．在电路突然中断的瞬间，由于镇流器中的电

流急剧减小，会产生很高的自感电动势，方向与原来电压的方向相同，这个自感电动势与电

源电压加在一起，形成一个瞬时高电压，加在灯管两端，使灯管中的气体开始放电，于是日

光灯管成为电流的通路开始发光。

日光灯使用的是交变电流，电流的大小和方向都在不断地变化。在日光灯正常发光时，

由于交变电流通过镇流器的线圈，线圈中就会产生自感电动势，它总是阻碍电流变化的．这

时镇流器就起着降压限流的作用，保证日光灯的正常工作。

启动器中的电容器能使动、静触片在分离时不产生火花，以免烧坏触点，同时避免电路

产生电磁干扰。没有电容器，启动器也能工作。

稀土元素三基色荧光粉对卤粉的替代

从荧光灯的工作和荧光灯的制造工艺出发，所用的荧光粉应满足以下要求：

（1）对低压汞放电所产生的253.7nm紫外线有强的吸收和弱的反射。

（2）有效地将紫外线辐射转换成所需波长的荧光辐射，变为可见光，即荧光粉的量子

转换效率要高。

（3）发光应在可视光的范围，并与灯放电产生的微弱蓝绿光相叠加后，能得到所需的

光色和光谱分布。

（4）耐185nm短波紫外线辐射，耐电子和离子轰击，在数千小时长时间工作期间，保

持性能稳定。

（5）易于制造，获得高纯原材料，无毒性，价格便宜。

早年荧光灯用的荧光粉，多属于以含氧酸盐为主的化合物。如钨酸钙、硅酸锌、钨酸镁

等，1949年开发了较复杂的复合化合物——卤磷酸钙，它基本上能满足以上要求，其优点

是量子效率较高、稳定性好、原料易得、价格便宜，通过改变配方中各种成分的比例，可以

得到冷白、暖白和日光色输出。因此，在大管径日光灯管中得到广泛采用，并一直沿用至今。

卤磷酸钙粉通常称为卤粉，其价格虽然便宜，但发光效率不够高。发光效率与显色指数

之间存在矛盾，即发光效率高，则显色性能变坏，而且热稳定性也不好。对于高功率密度的

荧光灯，它的光衰较大，光通维持率低，100小时光通（流明）下降达12%～15%，因此它不

适宜用于细管径紧凑型荧光灯中。

20世纪70年代初，荷兰科学家从理论上确认，只要荧光粉发出的可见辐射光位于几个

特殊的窄发射带上，通过适当选择发射带的波长（450nm、550nm和610nm）和这些发射带强

度之间的比例，再适当地选取荧光粉，就可以获得既有高的发光效率又有非常好的显色性能

的荧光粉。

1974年荷兰飞利浦公司首先研制成功了具有三个窄发射带的荧光粉，即发蓝色光，发

2+

射峰值在450nm的多铝酸镁钡BaMgAlO:Eu（铕激活）；发绿色光，发射峰值在541nm的

21627

3+3+3+

多铝酸镁MgAlO：Ce,Tb，再配上已有的发红色光，发射峰值在611nm的氧化钇YO:Eu。

111923

就得到了所需要的荧光粉，这就是稀土元素三基色荧光粉。按照一定的配比将上述三种粉加

以混合，可以制成色温为2500～6500K的任意光色的荧光粉，其平均光效在801m/W以上，

显色指数在85左右。

稀土元素三基色荧光粉的优点：

（1）它的发光效率高，这是由于它的辐射相对集中在人眼比较灵敏的区域，与发射连

续光谱的荧光粉相比，可见辐射的发光效率要提高50%左右，再加上它的量子转换效率又

比卤粉高15%。因此三基色粉的发光效率与白炽灯相比，可提高到5倍，所耗电能仅为其

1/5，高效节能荧光灯之名即同此而来。

（2）它的稳定性高，抗185nm紫外辐射的能力强，粉层的光衰小。

（3）高温特性好，在120℃以下工作，仍能保持高的亮度，这为荧光灯的小型化开辟

了新的途径。可以说稀土元素三基色荧光粉的开发与应用是荧光灯发展史上的一个重要的里

程碑，没有三基色荧光粉，就不可能有新一代细管径紧凑型荧光灯的今天。

三基色荧光粉的缺点是价格昂贵，三种粉的光衰及稳定性不同，随着灯的点燃，灯的光

色会发生变化，显色指数会下降。

目前用稀土元素三基色荧光粉做成的节能荧光灯管大多为单端型，形状有H型、U形、

Ⅱ形、UⅡ形、2U、2UⅡ、2Ⅱ、2H、3U、3UⅡ、3Ⅱ、平行3U、平行3UⅡ、4U、4UⅡ、5U、

5UⅡ、螺旋形等。玻璃管的直径有Φ9、Φ12.5、Φ16（Φ17）等几种。直管有T4

（）））等几种。 、T5（、T8（

458



12.5mm16mm26mm

888

电子镇流器对电感镇流器的替代

1、电子镇流器的组成

电子镇流器是将低频的交流电通过整流转变为直流电，再经过逆变器变换为较高频率的

交流电，由高频能量来驱动一只或几只灯管，使之启辉点亮并正常工作。逆变器一般工作于

20～70kHz的高频，输出级采用LC串联谐振电路，通过高频高压将灯点燃，在正常点亮以

后电感限制灯的电流。因为频率很高，所以所用的电感体积小而重量轻。

在电子镇流器中，还可以增加一些附加电路，如保护电路、调光电路等，这样无形中增

加了电子镇流器的功能，扩大了它的应用范围。

2、电子镇流器的优点

（1）能耗低、效率高

电感的功耗较大，例如，一支40W的荧光灯所用的电感镇流器大约要消耗8W的功率，

而用了电子镇流器只要消耗4W的功率，如果用一只电子镇流器驱动2或3支灯管，它所增

加的功耗并不多，此时，电子镇流器的效率会更高，节能的效果会更加明显。在大量的采用

照明灯具的场所如工厂、学校及机关等，通过采用高效节能灯管和电子镇流器，就可以大量

节约用电，减少因发电而产生的SO、CO、CO及NO等废气和尘埃，达到减少污染、保护环

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境的目的。可见，绿色照明归根到底工就是节能。我国于1996年实施的绿色照明工程就是

在提高人们生活质量的前提下提高用电效率，节约电力，减少污染，保护环境。因此，大力

推广和应用节能的电子镇流器，自然成为实施绿色照明工程中一项重要工作。

（2）发光效率高、光色柔和

荧光灯的发光效率（简称发光）和供电的频率相关。即随工作频率的增加而增加。当频

率由50Hz增加到20kHz以上时，光效可提高10%左右。美国能源这星要求节能灯工作频率

在40kHz以上，其目的之一就是为了提高光效。高效节能荧光灯采用了三基色荧光粉，通过

调节荧光粉的配比，能得到不同的色温的灯光，如暖色（2700ºK）或冷色（6400ºK），以适

应人们的不同喜好的需要。

（3）重量轻、无闪烁及无噪声

电子镇流器一般工作在20kHz以上的频率，它没有铁心电感所特有的令人十分心烦的嗡

嗡噪声，避免了噪声干扰，提高了照明环境的质量。由于工作频率高，只须用体积很小、重

量很轻的铁氧体磁心做成电感，整个电子线路占用空间也很小，很容易实现荧光灯和电子镇

流器的一体化，即所谓紧凑型荧光灯。这种荧光灯能直接代替白炽灯，安装与更换十分方便，

而且它的发光效率很高，省电、发热轻、美观、是家庭装修的一种理想光源。

如果镇流器的设计合理，灯电流就比较平滑，电流波峰系数就小，灯的亮度就不会出现

闪烁现象，就可以避免人的视觉疲劳。目前市场有一种保护视力的台灯出售，应该是属于这

一类灯，但严格来说，对这种灯的灯电流、电流波峰系数及工作频率等都应该有一定的严格

要求，并不是说只要是电子节能灯就具备保护异常现象，那么对它的要求还要更加苛刻，例

如工作频率应大于50kHz，灯电流波形十分平稳等等，在这种情况下，用电感镇流器是根本

不能满足要求的。

（4）有异常状态保护功能

在灯出异常状态如灯丝断、灯不启动、灯管脱落等现象时，镇流器都会得到保护而不损

坏，延长了镇流器的寿命。

（5）有预热启动功能

启动时，装有电子镇流器的日光灯不会像装有电感镇流器的日光灯那样出现闪烁、多次

反复启辉现象，在低电压或电压波动范围较大时，也能很容易将灯管启动，对于电网电压波

动较大的地区，如在偏远的乡村地区，这一点是很重要的。用电感镇流器的日光灯，冬天电

压很低时往往不容易启动，如用电子镇流器的日光灯就不会出现这种情况了。

（6）可实现调光和智能控制。

电子镇流器在采用调频、脉宽调制及光控等技术的前提下，容易实现可调光的和智能化

的照明系统。

了解了节能灯的工作原理就不难理解其之所以节能的原因了。

（1）、以稀土元素三基色荧光粉代替卤粉使荧光灯更紧凑，适用范围更广泛，发光效率

是白炽灯的5倍。

（2）、以电子镇流器代替电感镇流器提高工作频率，效率高，节电效果明显。

思考题：1、请比较稀土元素三基色荧光粉与“卤粉”的区别。

2、电子镇流器和电感镇流器的最显著区别是什么？