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。
