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第三章 荧光灯
荧光灯是日常照明的主力军，我国也已成为生产荧光灯大国。
荧光灯生产似乎简单，但要成为世界名牌还需努力。本章介绍荧光灯基本原理、荧光灯结构和设计、荧光灯用原材料、荧光灯制造、荧光灯驱动电路，供有关技术人员参考。

第一节 荧光灯基本原理
一、荧光灯中的低压气体放电
荧光灯是一种低汞蒸气压放电灯。它把电能转变为可见光的过程可以分为二个阶段。
首先是通过低压汞蒸气放电，在气体放电中消耗的电能转变为人眼看不见的紫外辐射和少量可见光，其中约占65%的电能转化为波长185nm、254nm和365nm等紫外线，3%的电能直接转化为波长405nm、436nm、546nm和577nm等可见光，其余部分大多数以热量的形式消耗。
其次是管内产生的紫外线辐射到玻璃管壁上涂的荧光粉材料，荧光材料再把紫外线转换为可见光。因此，我们可以说荧光灯的发光是包含着汞蒸气低压放电和激发荧光材料发光二个物理过程。
（一）低压气体放电建立
当一个足够高的电场加在充有气体的玻璃管二端电极上，气体就能被击穿而导电，这一原始电离现场是由宇宙射线或自然放射所产生的电子和离子对形成的，但这种电离形成的电流是十分微弱的。当外电场使电子加速而离子可以看作是相对静止的，这时一部分电子可能获得足够的能量从而电离气体原子。
汞蒸气是荧光灯放电中的工作气体，汞原子中的电子分别处在原子核外的一系列电子壳层中，当汞原子和动能(又称电子温度)很大的电子相碰撞，汞原子从电子吸收能量并被激发。电子会跃迁到所吸收的能量相当的激发能级上去，如果吸收的能量超过原子核对其的引力时，电子就将和原子脱离关系成为自由电子，剩下这种带正电的粒子就称为正离子。我们把原子离介成自由电子和正离子的过程称为电离。
当电子在电场中加速，电子的功能达到足以产生电离的能量时，就会产生再一次电离，原来一个电子变成二个电子，二个电子继续在电场作用下向前移动，当它们再次积起足以产生电离的能量时，就会发生一次新的电离过程，现在二个电子就会变成四个、八个，同时就产生相同数量的正离子。这种现象就是电子雪崩。电子移向阳极，正离子向阴极移动。正离子在运动途中也有可能发生少量电离，但由于这种电离概率仅是千分之几，因此在通常情况下离子的电离作用可以忽略不计。
通过上述分析，我们知道在荧光灯管两端电极上加上一定电压，由于管子内原始电离的存在，气体中就会有微弱电流通过，电子和带正电的离子就会向二极移动，原始电离维持的放电是一种非持续放电，即原始电离消失，放电立即停止。电子在移动中又会与汞蒸气碰撞，不断产生新的电离现象，形成电子雪崩。
在雪崩放电过程中，正离子打在阴极上，使阴极产生二次电子，这样阴极发射电子就能获得再生。
这时即使除去原始电离，放电照样能够维持下去，这种放电就称为自持放电。一旦达到自持放电状态。
气体的电离是很强烈的，与此同时在放电空间又会产生大量激发，从而辐射出一定的放电光谱。
（二）低汞气压放电光谱
汞原子在高速电子的撞击下，除产生电离，还有有许多汞的电子没脱离原子，而是跃迁到和所获得的能量相对应的较高能级上去，这种能级发生变化的过程称为激发。激发要吸收的能量，正好是跃迁前后两个能级的能量差。通常采用电子伏特（eV）作为能量单位，也称为激发电位。
汞原子能级很多，为了便于简单叙说，现将汞原子能级简化成如图12-3-1。
当汞原子61S0基态能级上的电子吸收4.86eV能量，被激发到63P1激发态能级，随后自发跃迁回到基态61S0，同时将激发能量以254nm的紫外光辐射出来；又如61P1激发态能级跃迁回到基态61S0就会产生185nm紫外光。当61S0基态能级上的电子吸收例如4.66eV，被激发到63P0亚稳态能级，它不会跃迁回基态,而是待再吸收能量达更高能级，然后跃迁回亚稳态或激发态，发出相应辐射光；63P3 也是亚稳态能级。63D、73S亦有下标区分的能级，图中简化了；另外还有诸如73P等能级，作用较小，不一一列出。
63P1是最低激发态，需要能量最少，所以从基态激发到此级的电子最多。与63P1能级差不多的63P0、63P2亚稳态级，从基态激发到此两能级的电子亦不少，当它们再被激发到高能级，回到63P1能级的几率很大；据理论计算，63P1能级上电子约有三分之二由亚稳态转移而来。
在最佳激发条件下，约有60%的电能可转化为254 nm辐射。转换率可用ηUV254表示，简记为ηUV。激发条件恶化，ηUV下降。
（三）辉光放电和弧光放电
从图12-3-2中可以看到，在二电极间加上电压，放电管内就会有电流通过。图中OA段，电压由低逐渐升高，电流也随之升高。外加电压继续升高，电流会出现一个急剧增加的过渡区AB段，这时气体被击穿，这个电压称为击穿电压。
气体被击穿以后，从非持续放电进入自持放电，图中BC段称为辉光放电。辉光放电的电位降落绝大部分都是集中在OA、B、C三个区域，因此这三个区域总称为阴极位降区，降落的电位称为阴极位降，一般阴极位降在几十伏到几百伏。
经过DE区以后放电就转化为弧光放电。弧光放电是具有热电子发射，发射密度高特点。发射密度每平方厘米可达几到几十安培电流，甚至数百安培以上。达如此高发射密度时，就不需要很高的电离密度就能产生维持放电所需要的电离，并能够保持足够的阴极发射温度。因此，弧光放电的阴极位降是很低的，通常与电离电位相接近。
弧光放电特点是随着电流的增加放电电压随之降低，如图12-3-2中EF段，这种现象被称为负阻特性或负伏安特性。具有负伏安特性的器件不能直接与电源连接，否则放电一旦形成，放电电压立即下降，放电电压下降又促使电流迅速增加，电流的增加又促使放电电压进一步下降……，这样直至灯管或外线路烧坏。为了抑制这种电流无限增涨的情况发生，就应该在弧光放电回路中接一个称为镇流器的限流器件，例如电感、电容或电阻等元件。
在气体放电中，弧光放电的几乎全区域均为正柱区，即具有发光均匀，电位梯度小和发光效率高等特点。荧光灯就是利用这些特点制成具有自己特色的电光源。
（四）荧光灯的放电过渡
上节介绍的放电是在理想的直流电源下进行的，而荧光灯通常是在交流状态下工作。在交流放电中，两个电极是按放电同期交替作为阳极和阴极参加放电。
在直流电源下，弧光放电回路中的镇流器只能是电阻。交流电源时镇流器可用电抗性元
件，功耗大大减少。
荧光灯的启亮过程与前面所述的气体放电的启动过程并不完全相同，荧光灯启亮时首先是通电预热灯丝阴极，当灯丝温度达到900℃左右时，涂在灯丝阴极上的电子粉开始发射电子。同时对灯丝加热的电流在灯丝二端产生十几伏的电位降，这一电位降使灯丝二端形成小电弧如图12-3-3所示A点→B点，会出现一种白色光辉。
当图12-3-3中启动器簧片断开时，灯丝加热电流被切断，小电弧立即向主电弧过渡，这时由于刚在灯丝加热时提供了充足的初始电子，大电弧建立变得非常容易，荧光灯管就能迅速启亮，在灯管大电弧放电形成后在灯管二端灯丝上的A点和C点就存在二个热点。保持热点存在一方面是由于灯丝作为阴极时受到正离子的轰击而获得热能，另一方面是由于另一个半周在作为阳极时受到大量电子的轰击而发热，电子轰击发热量往往更大。
当灯管进入弧光放电后，除在阴极和阳极附近出现很小的阴极位降区和阳极位降区外，二个电极间的绝大部分空间都属于正柱区。在正柱区均匀地产生汞原子的激发和电离，将会辐射出如“1.2低汞气压放电光谱”中所述的光谱，其中254nm及185nm是汞原子光谱中的特征谱线，可见光主要是405nm(蓝紫光)、436nm(蓝光)、546nm(绿光)和577nm(黄光)的光混合在一起产生的淡蓝色光。如果灯管没有涂荧光粉，灯管放电时就可以看到这种淡蓝色光。
形成气体放电输入的电能另外一部分在放电的正柱区和电极内部会以热量的形式散失。在正柱区的能量损耗是由于在放电过程中离子和气体原子之间的碰撞，也有一些电子和汞离子扩散到管壁并在那里复合导致能量损耗，电极损耗主要有阴极和阳极电阻损耗造成。
二、荧光灯的发光
（一）荧光灯发光过程
上节中我们分析了在荧光灯放电的过程中会产生254nm等紫外辐射。与汞原子吸收电子能发出汞光谱相似，当254nm紫外线辐射到灯管内壁的荧光粉涂层上，荧光粉体内形成的一些“发光中心”在紫外辐射过程中吸收此能量，使处在基态的电子跃迁到比基态高的某个激发态能级，随后这些个电子再跃迁到某个次高能级上，同时辐射一个光子。
光子的波长是由跃迁过程的能级差所决定，由于荧光粉发光中心材料，这些波长绝大部分为可见光。由于在激发时材料发光中心所处的振动能级不一样，以及辐射终止的能级也不一样，如图12-3-4所示。因此即使吸收了同样波长紫外光的发光中心会辐射出不同波长的可见光子，即在254nm紫外光辐射到荧光材料上就能够发出不同波长的荧光光谱。
荧光灯中的辐射光(波长长)能量比吸收光(波长短)能量小，称为斯托克斯发光。在这种发光过程中，二者之间的能量差转化为热量，并在荧光粉涂层中耗损。
因此，荧光灯中发出的可见光包括二个部分：第一是紫外辐射在荧光涂层中发出的可见光，第二是在放电过程中直接产生的可见光，二者总和约相当输入到荧光灯内能量的28%。
（二）荧光灯的光色
光源的光色是评价光源质量的一个重要指标，分为舒适性及显色性两类，与人类长期照明习惯有关。
1.发光(颜)色
物体不同颜色是由于各种不同波长的光波在人眼中的视觉感觉，也就是说不同的波长的光就会有不同颜色。太阳光具有可见光380nm-780nm全部光色，并按一定的比例混合而成。可见光波长和颜色的关系如表12-3-1。
表12-3-1 波长与颜色
波长(nm)
380-424
424-455
455-492
492-565
565-580
580-640
640-780
颜色
紫
蓝
青
绿
黄
橙
红
照明光颜色近于白色，如第一章所述，可用黑体被施加温度后所发的光色来表示，即“相关色温”，大多数人简称为色温，单位K(开尔文)。
色温在3000K以下光色有偏红的现象，给人温暖的感觉，若色温越低，则光色越趋于红色。色温在3000K以上时，光色就开始偏向蓝光，给人们一种清冷的感觉，若色温越高则光色越蓝。例如晴朗白天的日光其色温高，4000K中白色相当于早上9:00-10:00太阳光色，正午12:00太阳光色为6500K左右称为日光色，而在日出之后或日落前的光色温低，为2500K左右，接近白炽灯光色。荧光灯的光色可以在2500K-7000K范围内有多款色温可供选择使用。
由于人类长期照明习惯，对灯的发光色就有“习惯”要求，即舒适性。
舒适性与人长期生活地区以及照明场所有关。例如非洲人喜欢偏高色温，欧洲人喜欢偏低色温。又例如照度要求较高的教室、办公室照明色温需偏高，照度要求较低的卧室照明色温宜偏低。
2.显色性
显色性是指与参照标准下相比较，一个光源对物体颜色外貌所产生的效果。现下评价显色性用的“显色指数”是CIE1974年推荐的。因人类长时期照明，白天用太阳，夜晚用篝火(后加油灯及蜡烛)。为表征显色性，科学家们把全辐射的黑体受热所发光谱(5500K以下)以及太阳光谱(5500K并以上)作为评价显色性的“参照标准”光源。
由于种种原因(详见第一章)，显色指数Ra只能粗略表征灯的显色性，起码相差2到3才有意义，数值越大(接近100)精度越高。为了提高表征显色性能力，CIE正在试行新的方法。
光源显色性与舒适性无必然联系。舒适性只与灯发光颜色有关，而显色性不仅与发光颜色有关，(因同色异谱)更与光谱有关，即光谱中是否含有需显示颜色的光。
荧光灯很容易做到太阳光颜色，但要做到太阳光照射的显示颜色效果需作些努力。
（三）荧光灯的光效
光源的发光效率是评价光源质量的另一个重要指标。发光效率是光源每消耗一瓦所发出的光通量。
荧光灯的光效既决定于ηUV，以及由254nm通过荧光粉转化为可见光的效率。另外还与玻璃管对可见光的吸收，灯丝消耗的电功率等荧光灯结构和工作条件有关。因此，理论上荧光灯效功率可以达到300ml/W左右，但荧光灯早期充氩气T12荧光灯管的光效仅在60ml/W左右，后来在T8荧光灯管内充氪、氩混合气体，减少了电极损耗使荧光灯管光效达到70-80ml/W，在1995年诞生的T5荧光灯管，管径变细，使用稀土三基色荧光粉，光效提高到104ml/W。
发光效率一直是人们十分关注的重要指标，尤其在强调“节能”的今天，光效更是主要追求目标。目前荧光灯所能达到的实际光效仅是荧光灯理想发光效率的1/4-1/3。
（四）发光色一致性
在多灯共同照明时，各灯的发光色应一致。按色度学，精确表示发光色应该是色坐标加亮度。色坐标较抽象，人们才用“色温”来表示。在色度图上，同相关色温(简称色温)是一条线，即相同相关色温不能保证颜色相同，很可能有明显差异。
为使同类色温灯的发光色一致，我国采用国际上流行的方法，规定某种色温的发光色须在一定的色坐标范围内，俗称光圈。表12-3-2是我国的有关国家标准。其中日光色号称6500K，因中心色坐标的相关色温才6430K，故有人也称其为6400K。
表12-3-2 我国荧光灯发光色国家标准
色调名
符号
色温名
中心色坐标
中心相关色温
x
y
日光色
RR
6500K
.313
.337
6430K
中性白色
RZ
5000K
.346
.359
5000K
冷白色
RL
4000K
.380
.380
4040K
白色
RB
3500K
.409
.394
3450K
暖白色
RN
3000K
.440
.403
2940K
白炽灯色
RD
2700K
.463
.420
2720K
由于色调名、符号、尤其色坐标难记且抽象，现下流行的发光色称呼多用“色温名”。此时的色温只是一名称，只要其发光色的坐标在规定范围内，不管实际相关色温是多少，均可称为是某色温。
既然是为了发光色一致，离中心距离也与人眼可察觉颜色差异的敏感程度有关。就现下的颜色坐标系统，人眼对颜色差异的敏感程度是不均匀的。为此，在CIE 1931-XYZ系统中，各色温离中心距离不同，而且一中心各方向离中心距离也不同，它们各成一长短轴不同、倾斜角不同的椭圆，单位称SDCM。表12-3-3为六个常用色温“同色圈”的椭圆参数。
表12-3-3 常用色温“同色圈”参数
名称
G11
G12
G22
a
b
θ
日光色
860
-400
450
223
95
58°23’
中性白色
560
-250
280
274
118
59°37’
冷白色
395
-215
260
313
134
54°00’
白色
380
-200
250
317
139
52°58’
暖白色
390
-195
275
278
136
53°10’
白炽灯色
440
-186
270
258
137
57°17’
表中：G11、G12、G22 是各发光色范围的参数，计算式如下：
G11 Δx 2 + 2 G12 Δx Δy + G22 Δy 2 = K2 SDCM ①
a、b、θ 是由上式K为1时导出的发光色范围长半轴、短半轴，长轴与x轴夹角。
色差是矢量，SDCM是无方向的标量，故而同SDCM值的两灯并不保证互换性。国家标准规定的光圈是一大范围，对具体的制灯公司，尤其是该公司某种型号的灯，还须把发光色控制在小范围内，以保证互换性。控制方法可用：灯的色坐标点在坐标图上，视其是否出控制范围；或在CIE 1931-XYZ系统中确定一中心x、y坐标，利用所在光圈的三个G值，把荧光灯与中心的Δx、 Δy代入①式算得自我需控制的SDCM值。

第二节 荧光灯的结构和设计
一、荧光灯的基本结构
（一）荧光灯的结构
荧光灯通常由内壁涂有荧光粉的玻璃管，装有电极的玻璃—金属封接芯柱及电极引出的灯脚支架等部分组成，管内充入汞和惰性气体，如12-3-5所示。
灯丝电极是由细螺旋钨丝烧制而成，在钨丝电极涂电子发射材料，固定电极采用玻璃—金属封装芯柱，二端有灯脚固定支架将电极导丝引出。荧光灯结构简单，加工方便，是其获得迅速发展和普及的又一优势，现下它已成为最主要的人造光源。
（二）荧光灯的分类
随着荧光灯的不断发展荧光灯的分类方式也愈来愈多，本文大致分为下述几类。
1.直管型
直管型荧光灯采用标准化尺寸和额定功率已经在IEC81(1984)文件中作了明确规定。按直管型荧光灯灯管直径可以分为T5、T6、T8和T12等，T下数字表示1/8英寸(3.175mm)，例如T8表示灯管直径为1英寸，T12表示灯管直径为1.5英寸。
最早荧光灯是按T12(φ38mm)灯管设计的。
到了七十年代后期开始设计生产T8(Φ26mm)荧光灯，它使用了细管径，管内充入氪、氩混合气体（氪:氩≈75:25），相比只充氩气的T12灯管具有更高的发光效率，T8荧光灯比T12荧光灯节电10%。
在九十年代中期又设计生产了管径更细的T5(Φ15mm)荧光灯，并将原来使用的卤磷酸盐荧光粉改用稀土三基色荧光粉。进一步提高了光效，比T8荧光灯节电20%。大大改善了荧光灯的显色性，显色指数Ra由原来50-70提高到80-85。灯管的平均寿命也提高到8000-10000小时。
早期还生产过普通小功率T5荧光灯，采用涂卤磷酸盐荧光粉，填充氩气，但其光效较低。
2.环形荧光灯
环形荧光灯是将直形玻璃管弯制成园环形，如图12-3-6。目前常用的环形荧光灯直径为29mm ，它的功率和环形尺寸有20W、Φ227mm，30W、Φ308mm，40W、Φ397mm。
近年来又有生产单位开发灯管管径为15mm的T5环形灯管。这类环形荧光灯又可分为二种类型：高光效型和高光通型，据介绍高光效型耗电比T9环形荧光灯节省10%左右；高光通型的光通量比T9型环形荧光灯提高30%左右。
3.高光通单端荧光灯
单端荧光灯是一种具有单灯头的装有内启动装置或使用外启动装置并连接在外电路上工作的荧光灯。按此分类法的定义，好多形状的灯都归此类，包括上述环形灯、下述一些紧凑型灯以及双D灯等等，本段介绍一种较典型的双管高光通单端荧光灯。
高光通单端荧光灯是在一端有四个灯丝引出脚，与直管相比，同功率灯管长度仅为直管形一半左右，如图12-3-7所示。
高光通单端荧光灯不仅结构紧凑，并由于采用稀土三基色荧光粉，光通量、光效均高、维持率亦好。这种灯单端接线，故而在灯具中的布线简单方便。其灯管直径20mm(相当于T6)。
4.紧凑型荧光灯
紧凑型荧光灯它是以其形状非常紧凑而得名，通常管径较细(20mm以下)。它先将玻璃管弯成一定形状，再采用桥接技术把它们连接成一个直通的灯管。紧凑型荧光灯通常有二种结构：一种是柱状型的如H型、U型和П型等，另一种灯管成螺旋型。各类紧凑型荧光灯的外形如图12-3-8所示，其中多为单端型。
紧凑型荧光灯灯管直径有Φ7、Φ9、Φ12、Φ14、Φ16、Φ20mm等，其功率从3W至120W，各种规格应有尽有。正规紧凑型荧光灯均使用稀土三基色荧光粉，一般的整灯光效可达65-70lm/W，优质的球形荧光灯整灯光效可达到75-80流明/瓦，平均寿命8000-10000小时。
紧凑型荧光灯的驱动控制电路可以做成一体式或者分体式。一体化紧凑型荧光灯自带镇流器等控制电路，可直接装在标准灯座上使用，小功率紧凑型荧光灯直接替代白炽灯十分方便。分体式是指镇流器等控制电路与灯管分开安装，由于镇流器及控制电路不受安装空间限制，电路设计比较完善，质量也比较好，同时在灯管损坏时不必同时更换镇流器，特别适合在各类工矿企业中使用。
5.球型荧光灯
2000年，针对传统紧凑型荧光灯的缺陷，我国成功研发一种外貌成球形状的荧光灯，见图12-3-8。这种荧光灯既有紧凑型优点：占空间小、安装方便等，又克服紧凑型缺陷：管壁光直接利用率低、管壁温度偏高等。
球形荧光灯是将灯管先弯成一定弧度，并按照球面展开桥接成一个整灯，成为新一类紧凑型荧光灯。它按新颖三维结构设计，使灯管内侧光透过灯管间隙无遮挡射出比率提高，大大提高了光利用率。图12-3-9为三种紧凑型灯中某一个灯管的管壁光直接利用率示意图。
管状荧光灯，微分圆柱截面，那么微截面按360°均匀向外发光。因种种原因，有部分光被遮挡后要经过反射、透射(有损失)才能被利用，还有少部分光被遮挡后全部被吸收。无损失而直接可利用的光与截面360°发出光之百分比称为管壁光直接利用率。无疑，管壁光直接利用率越高则越节能。图12-3-9中，球形灯的灯管直径16.5mm，球外径132mm，可直接利用的管外侧光角度为204°，内侧无遮挡射出的角度为(6+12+15+15+12+6)°= 66°，合计270°，与360°百分比为75.0% ，即直接利用率为75.0% 。4Ｕ灯的灯管直径16.5mm，外径70mm，同上理，174°与360°百分比等于直接利用率，为48.3% ，螺旋灯的灯管直径12mm，管距14mm，直接利用率为47.7% 。
这种灯结构因管间空隙大，有利灯管散热，加上遮挡光转换成热的比率极低，与其它同功率紧凑型灯相比管壁温度大大降低。此性能不仅对最佳环境温度要求放宽，更有用的是十分适合在各类密封、防爆灯具内使用。表12-3-4是试验性的BAD54系列隔爆型防爆灯中用球形灯替代传统防爆用灯的比对数据。
表12-3-4 BAD54系列隔爆型防爆灯(ⅡB)
原配用光源
替代光源
替换结果比对
自镇流汞灯250W、白炽灯300W
T4 36W椭球形荧光灯
1.节约电能70%以上。
2.壳体最高温度降低，等级由四级升到六级。
3.光源使用寿命提高。
高压汞灯125W、250W
T5 48W椭球形荧光灯
T5 65W球形荧光灯
T5 75W球形荧光灯
高压钠灯150W、250W
金卤灯175W、250W
球形灯功率从18W到110W，尺寸随功率增大。
球形荧光灯是一个比较均匀的球体光源，有利于与各类灯具配套，获得较高的灯具效率。球形荧光灯是一种很有发展潜力的紧凑型荧光灯。
6.无极荧光灯
无极荧光灯又称电磁感应荧光灯。感应无极荧光灯早在1907年就由pc·Hewitt申请了专利，但由于材料和技术等原因，没有研发成功实用产品，没有进入市场。直到二十世纪九十年代，日本松下公司、Philips公司、GE公司和OSRAM公司相继推出了自己的无极荧光灯。二十一世纪我国也研制出自己的无极荧光灯。
电磁无极荧光灯由高频发生器、功率耦合线圈和无极荧光灯管三部分组合而成，如图12-3-10所示。由于没有电极，故而该种灯寿命长，是一般荧光灯的好几倍。目前生产的无极荧光灯功率范围在20W-200W。
7.平面荧光灯
平面荧光灯是由二块相互平行的平板玻璃，并保持一定间隔的密封器件组成。玻璃板的内侧涂有荧光灯，密封容器内充有汞、惰性气体氙或氖-氙，在二端各装上一电极，如此构成一个平面荧光灯。在二端电极上加高频电压后，密封容器内则形成气体放电，产生紫外线，再由紫外线激发玻璃内壁的荧光粉发出可见光，形成发光均匀的平面光源。
（三）荧光灯主要光电参数
荧光灯主要光电参数有灯电压、灯电流、灯功率、光通量、光通量维持率(光衰率)、光效、寿命、色坐标(色温)、显色指数等。这些参数大多数与灯的工作状态有关，以下所指均是在环境温度25℃、灯达稳定后的数据。
灯电压：灯管二电极间的电压，单位V。
灯电流：通过灯管的电流，单位mA。
灯功率：灯管消耗功率，单位W。
额定灯功率：灯管的设计功率值，单位W。
光通量：单位时间内发出的可见光量，单位lm。
光通量维持率：荧光灯在给定点亮时间后(通常为2000小时)的光通量与其初始光通量之比，通常用百分比来表示。也可用光衰率表示，即1减去光通量维持率。
光效：光源输出光通量与消耗功率的比值，单位lm/W。
寿命：取若干个灯点亮，当这些灯有50%损坏时，得这批灯的寿命，又称平均寿命，单位小时。
色温：通常先测出灯的发光光谱，算出色坐标，然后得出色温(与黑体辐射色坐标相等)，或相关色温(与黑体辐射轨迹上最接近的对应坐标点的色温)，单位K。为使同类灯发光色一致(人眼察不出明显区别)，国家标准规定几种色温灯的中心色坐标，要求相应灯的色坐标离中心坐标不得超过一定距离，单位SDCM。
显色指数：测出灯的发光光谱，按CIE推荐的计算方法算得显色指数。

二、 荧光灯设计原则
（一）荧光灯设计主要技术参数
荧光灯设计主要依据有二方面技术参数：安全要求和性能要求。
1.安全要求
它指荧光灯的设计和结构保证在正常使用中，荧光灯不会对用户和环境造成危害。主要有以下几个方面：
荧光灯灯丝引出脚与灯头插脚的连接要安全可靠，并采用标准灯头。
荧光灯与带电部件绝缘的金属部件不得带电。如灯头的金属，部件和连接在一起的插脚绝缘电阻不得小于0.5MW。
荧光灯安装的塑料支架，塑料材料必须是阻燃型抗紫外和耐160℃高温，符合防火要求。
2.性能要求
它指荧光灯光电性能和工作特性等性能，主要有以下几个方面：
使用条件参数：如额定工作电压、线路电流、额定功率、启动特性等。
光电性能参数：光通量、光效、色温、色坐标和显色指数。
可靠性参数：光通量维持率、平均寿命。
由于荧光灯品种繁多，对每种类型的荧光灯的安全要求和性能要求有所不同，可查阅相关资料了解具体要求。
（二）荧光灯基本设计方法
荧光灯基本设计方法包括以下几个步骤：
①根据设计要求确定灯管的形状和结构，选择灯管的几何尺寸，即灯管直径和长度。
②选择制定制造工艺方案，主要包括：灯管内充入气体种类和压强、管壁涂敷的荧光粉、品种规格、灯丝选择以及加工制造的工艺方法。
③规定荧光灯管使用条件和使用范围
从目前荧光灯设计方法中各制造工厂在产品结构和形状方面有较大的一致性，但其制造工厂的制造工艺及工艺水平常常会有很大差异，并且灯管到达用户手中所提供的使用条件和方法又会有很大差别和水平的高低。因此，荧光灯实际反映出来的各项应用参数会与设计参数有很大差别。
我们设计荧光灯最关键的是灯的光效。荧光灯的发光效率主要决定于输入电能转化为紫外辐射的效率和由紫外辐射在荧光粉上转化为可见光的效率。为了提高荧光灯的发光效率，在设计荧光灯时首先确定了灯管的直径（指内径）和灯管长度也即二电极之间的放电弧的长度，之后应该特点注意灯管内填充惰性气体种类和压强，以及汞种类(液态汞或固态汞)与量。同时根据设计荧光灯的辐射光谱和灯管表面负荷功率要求选用合适的荧光粉。
设计时我们并没有一个绝对标准，重要的是材料选择和工艺要坟要有一个良好的匹配，才能制造出符合设计要求品质上乘的荧光灯管。
（三）诸条件对ηUV的影响
本小节讨论灯原始设计条件对电能转化为254nm效率ηUV的影响，制灯工艺及原材料对光效的影响将在以后探讨。为了便于阐述，以下讨论变动某条件时假定其它条件不变，ηUV的趋势。ηUV高，直接影响荧光灯光效。同时，因ηUV高而两次激发的长波长光减少，对较高色温灯的显色指数有利。
1.冷端温度
冷端温度低，汞气化量少使汞气压低、即汞原子浓度低，使得电子轰击汞原子几率降低，ηUV也就低。随温度升高，ηUV提高，以管径38mm、电流400mA、氩气300Pa为例，从10℃升到40℃，ηUV提高三倍多。温度再升高，63P1激发态的禁锢效应增强，即该态跃迁回基态的时间延长，从而增大了该态与电子发生第二类非弹性碰撞而猝灭的几率，ηUV下降；同时汞气压升高，也增大了该态被电子激发到更高能级的几率，可见光增加，ηUV下降。
2.灯管电流
紫外输出随电流增大而增加，因第二类非弹性碰撞的几率随电流增大而增加。当电流大到一定程度，63P态浓度达饱和，两次激发大增，使长波长紫外辐射及可见光随电流增大而增加，ηUV下降。同时，管电流大使得电极等其它部件耗电量上升，灯效率下降。理论上电流小，ηUV高。为使灯达到一定的功率，以及保持冷端温度的需要，电流也不能过小。
3.灯管直径
管径过粗，辐射的禁锢时间长使ηUV下降。管径过细，带电粒子的管壁损失大增，为维持平衡，电子运动能量大大升高，汞原子被激发到更高能级的几率激增，使ηUV下降。
最佳灯管直径与汞气压相关，研究表明，10mm细管径的节能灯, 汞气压在0.9到1.0Pa，即冷端温度50℃左右时最佳。
4.惰性气体
ηUV还与灯管中惰性气体的压强有关。在压强偏低时，随气压升高，电子平均自由程降低，使得它们与汞原子激发碰撞几率大大上升，同时带电粒子损失减小，使ηUV上升。但是，随气压升高，弹性碰撞损失也增大。当气压超过约200Pa时，后者开始起主要作用，使ηUV下降。为保护灯丝，气压还是应该高些。
5.灯管长度
同样功率，灯管长，管电压高，电流小；电能消耗在电极等其它部件的比例小，效率上升，故而低汞压荧光灯均为长管形。灯管长到一定程度，再增加时，电极等其它部件的耗能率下降极少，所增加长度就失去了意义。加上冷端温度需要，灯管长度也受牵制。
6.交流频率
交流频率高，电子平均自由程降低，与汞原子激发碰撞几率上升，带电粒子损失减小，ηUV上升。另外，交流频率高，镇流器及电极损耗降低，对效率也有利。
在测试6500K灯时可发现：同一灯，用高频电子镇流器比用“标准”电感镇流器光效及显色指数都有所提高。

第三节 荧光灯制备材料
一、灯用荧光粉
灯用荧光粉是被用来将紫外辐射转化为可见光。灯的发光光谱（包括显色性）主要决定于荧光粉，灯的光效以及光衰也与荧光粉有极大的关系。因此，对荧光粉的选择就显得十分重要，对它的要求可归纳为以下几点：
要求能有效地吸收254nm紫外线，对其的反射应尽量小，而对可见光的吸收率低。
要求在低压汞放电254nm紫外线激发下发射可见光的量子效率(QE)达到0.85%或以上。
要求对于波长小于200nm的紫外线具有较好的化学稳定性和热稳定性。
要求物理性能如粒度分布、分散性、表面活性等适合涂管要求，既荧光粉的二次特性好。
要求具有良好的性价比。
（一）卤磷酸钙荧光粉
以前荧光灯中使用最普遍的荧光粉是卤磷酸盐类。由于它无毒，价格便宜，生产工艺简单易控制，比较稳定等，因而从1942年研制成功至今还被采用，从某种意义上说它促进了荧光灯的迅速发展。
在上世纪五十年代前生产白色荧光灯几乎全部采用卤磷酸盐荧光粉，那时的光效仅为50lm/W。如今不断得到改进和提高的卤磷酸钙荧光粉光效已达到75lm/W左右，提高了百分之五十左右。
在卤磷酸盐荧光粉中Sb3+敏化离子吸收254nm紫外线后，从51S基态跃迁到单态51P和三态53P。弛豫发生在三态3P较低的能级上。锑离子辐射部分是峰值在480nm附近的一个发蓝光的带谱，能量同时又会传递给Mn2+离子，从而就会辐射出峰值在580nm附近的另一个发橙黄光的带谱，若增加Mn2+离子的浓度，就能辐射出更多橙黄光。从Sb3+到Mn2+的能量传递过程中，能获得蓝至橙之间混色的白光。
采用卤磷酸盐荧光粉制备的荧光灯由于缺少600nm以上的红光，显色性差，显色指数Ra只有65，被照射物体的颜色会有失真。另外，由于卤磷酸盐荧光粉受到汞谱线中的185nm紫外线照射，发光中心容易受到破坏；其粒度也粗，通常要经过球磨才能适合涂管工艺要求，这又会破坏荧光粉原来的晶体结构；这两项使光输出明显下降。人们为了改善荧光粉的显色性，增强抗185nm短紫外能力及热稳定性，以求得高光效及高光通量维持率，在二十世纪七十年代发现稀土三基色荧光粉具有这些特性。
（二）稀土三基色荧光粉
在二十世纪七十年代初荷兰科学家首先应用计算机对荧光粉的光学性能进行优化处理，从理论上得知如果荧光粉的发射谱线由450nm、555nm和600nm三个窄谱组成，因它们与CIE三刺激函数峰值相符，能使得荧光粉的显色性和光效同时提高。
不久，科学家们发现了由稀土离子激活的主峰在450nm(蓝)、545(绿)nm和610nm(红)三种荧光粉。因这三个峰处于CIE三刺激函数峰值附近，与“基色”相近，故称为稀土三基色荧光粉。三种粉按比例可混合成2700K到20000K的灯用荧光粉，其光谱示意图见图12-3-11。
按基质材料的组成不同，稀土三基色灯用荧光粉可分为铝酸盐、磷酸盐和硼酸盐三大系列，三个系列的区别是绿粉和蓝粉采用不同盐类的基质材料。不管用何种基质，绿粉都是用三价铈离子（Ce3+）作为敏化剂、三价铽离子（Tb3+）作激活剂，蓝粉都是用二价铕离子（Eu2+）作激活剂。红粉由氧化钇Y2O3为基质，激活剂为三价铕离子（Eu3+）。图2.3.15稀土三基色荧光粉的发射光谱
三个系列的稀土三基色荧光粉中，铝酸盐绿粉和铝酸盐蓝粉是最早研制成功和被应用的，其制造工艺和技术已经相当成熟，是目前我国主要生产的稀土三基色荧光粉。
为提高4000K到8000K灯的显色指数，出现了“双峰蓝粉”。这是在原来由二价铕离子作激活剂的基础上添加了锰，产生由二价铕离子为敏化剂、二价锰离子为激活剂的主峰515nm的蓝绿光谱。它补充了三基色粉中490到530nm间光谱的短缺，对显色指数有利；但是它的量子效率及刺激函数效率都低于原三基色粉，对光效不利。故而添加这种光谱要视对灯指标要求，并控制添加量。
为提高稀土三基色荧光粉应用效果，必须进一步改进制灯工艺和不断改进稀土荧光粉。在制灯工艺改革方面：例如水浆涂粉工艺，采用长寿命电极和低钠无铅玻管，采用汞齐或汞丸替代液汞严格控制充入灯内的汞量，用氩氪混合气体替代氩气，以及在灯管内表面加涂保护膜等等。对稀土三基色荧光粉自身要求是：能提供光效相同的不同粒径荧光粉，以不球磨来满足不同管径的涂覆要求。
当然人们还十分期望有一种效率更高的荧光粉诞生，最近对含氧酸多光子材料的研究获得可喜进展，目前我们研制的荧光粉是一种单量子发光荧光粉发光机理，即现有荧光粉的量子效率极限值为1，一个紫外光子只能激发一个可见光子。若应用双量子发光荧光粉的发光机理，制成的荧光粉则是一个紫外光子能激发二个可见光子，在二十世纪末美国GE公司发展了254nm紫外光激发的双量子荧光粉，日本松下公司也有类似研究，人们盼望双量子荧光粉早日获得研究成功，并达到实用化水平，这将给荧光粉和荧光灯带来突破性的进展。
为了满足最佳的色还原以及与胶卷及相纸相配应的色温，提出了一种具有一定色温如5200K、5500K和显色指数Ra≥90的高显色荧光灯。这可采用多基色来满足高显色的要求，补充稀土三基色荧光粉中缺少的490nm、620nm左右的荧光粉发光材料，同时尽量减少405nm和436nm汞谱线的强度，这样高显色性稀土多基色荧光粉的显色指数能够达到95左右。

二、荧光灯玻璃
（一）荧光灯玻璃的组份及性能
化学组份
白云石玻璃
轻红丹玻璃
红丹玻璃
SiO2
74.0
65.5
63.5
B2O2
——
2.0
1.0
Al2O3
——
1.0
1.0
MgO
3.6
1.5
——
CaO
5.8
2.0
——
K2O
1.2
4.5
——
Na2O
15.4
11.5
14
PbO
——
12.0
20.5
荧光灯玻璃最常用的是轻红丹玻璃和红丹玻璃，它是由二氧化硅和其它氧化物按一定比例混合而成，其中二氧化硅、三氧 表12-3-4 荧光灯用玻璃的化学组份
化二硼、三氧化二铝等材料是玻璃的主体，而碱性氧化物如氧化钠、氧化钾、氧化镁、氧化铅、氧化铝、氧化硼和氧化锌等是用来改善玻璃物理化学性质，如降低熔化温度，增加机械强度，增加化学稳定性