荧光灯

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荧光灯

荧光灯概述

荧光灯，或称日光灯、光管、荧光管，是一种照明装置，属于弧光灯的一种。它使用电力在氩或氖气中激发水银蒸汽，形成等离子并发出短波紫外线，紫外线被磷质吸收后，磷会发出可见的光以照明，这样发出可见光的方式属于荧光。
一般的荧光管以玻璃制造，在两端装有插口以连接电源及固定荧光管的位置。
与电灯泡不同，荧光管必须设有镇流器，与启辉器配合产生让气体发生电离的瞬间高压。
为了取代传统白炽灯，近年来发展出将灯管、镇流器、启辉器结合在一起，配合使用白炽灯灯座的改良型荧光灯泡，称为节能灯、“节能灯”或“悭电胆”，可以在不更换灯具基座的情况下，直接取代白炽灯使用。

                               
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不同款式的荧光管

荧光灯的原理

荧光管内充满了低压氩气或氩氖混合气体及水银蒸汽，而在玻璃荧光管的内侧表面，则涂上一层磷质荧光漆，在灯管的两端设有由钨制成的灯丝线圈。当电源接通后，首先电流通过灯丝加热并释放出电子，电子会把管内气体变成等离子(plasma)，并令管内电流加大，当两组灯丝间的电压超过一定值之后灯管开始产生放电, 使水银蒸汽发放出253.7nm 及185nm波长的紫外线，荧光管内侧表面的磷质荧光漆会吸收紫外线，并释放出较长波长的可见光。发出的光线颜色由磷质成份的比例控制，而玻璃管则避免有害的紫外线及其他有害物质如水银泄漏出来。
    荧光管的放电电流与导通电阻之间存在一个正反馈关系：当更多电流流进荧光管后使得更多气体被离子化，使得管内的导通电阻不断降低，如此便会令更多电流入荧光管内。如果将荧光管直接接到固定电压的电源，荧光管将会因电流不断上升而很快被烧毁，因此需要以一个辅助电路控制进入荧光管的电流在一固定水平，而这个电流控制电路通常被称为镇流器。镇流器实际上是一个电感，当导通电阻降到很低的时候，镇流器固定的感抗和铜耗使导通电流近似于定值，开始稳定工作。传统镇流器需搭配一个称为启辉器(Starter，俗称“士达他”、“跳泡”)的小元件才能使灯丝间的压差达到使荧光管足以放电的程度, 最新的电子式镇流器则不需要启辉器，因为启动工作已被包含在镇流器内。

                               
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荧光管的光谱分析图

荧光灯的规格

日光灯管如果按照直径来分类，可分成T2、T3.5、T4、T5、T6、T8、T9、T10、T12等规格，所谓的T5就是直径为5/8英吋(约16厘米)的日光灯管；T8直径为1英吋(约25厘米)；T9直径为9/8英吋(约29厘米)的日光灯管。目前全世界的主流为T5、T6和T8，目前台湾厂商主要推广的是T5灯管。

T8、T9和白炽灯的比较优点

T8、T9荧光管与同一光度的传统电灯泡（白炽灯）相比有更高的发光效率，因为所消耗的能量中较高比例被转化为可见光，较少被转化为热能而浪费掉，所以使用中的同一光度的荧光管比白炽灯温度要低。白炽灯一般只能把大约10%的输入能量转化为可见光，同一光度的T8、T9荧光管一般只需前者消耗的约1/3至1/4的电能，使用寿命亦较传统灯泡长大约10至20倍之多。
荧光灯管可以提供多种色温选择，相较于白炽灯及卤素灯色温多介于2700~3300k之间，荧光灯还可以买到6500k、5500k、5000k、4000k等多种色温。
虽然T8、T9荧光灯的购买成本略高于白炽灯，但它可节省更多能源及电费，较长的寿命亦令其更换成本相对下降，对商业而言亦可节省更换灯泡的人力成本。
缺点

荧光管未能提供稳定的光源，而是闪烁的光源，其闪烁频率与驱动电压的频率有关，虽然人眼不易察觉，但可产生闪光灯效应(strobe effect)，在一些工作环境可能造成危险，例如转动的风扇，假如其频率与荧光管相同，就会看似停止不动。荧光管亦会令摄录机拍摄的片段出现闪烁，虽然传统灯泡亦会出现闪烁，但其强度则较低。荧光管亦不能使用标准的亮度调节开关。
目前电子式镇流器已经基本解决这个问题。传统的电感式镇流器采用市电（频率为50~60Hz）直接驱动荧光管，而电子式镇流器采用高频振荡反馈式镇流（高频开关切换式谐振电路限流），其输出的驱动电压频率已大大提高，荧光管的闪烁频率也相应提高，人的肉眼已经不会被这种高频闪烁影响。
目前国际大厂已经开始陆续停产T9灯管，改而推广新一代的T5灯管，可以预期在供给量减少的情况下，T9灯管将会逐渐变贵且慢慢被淘汰。然T8灯管因为没有T9灯管的主要缺点--汞含量过高；且目前仍广泛使用，若非T5灯具与光源显著降价，预期T8灯仍然将被广泛使用相当长的时间。
荧光灯管的演色性较低，传统白炽灯及卤素灯有100的演色性，市售荧光灯管的演色性大多只超过80，演色性超过90的荧光灯管就比较难购买；因此荧光灯管的光线较为不自然不舒适。
T8、T9和节能灯的比较优点

相对于相同亮度的节能灯，灯管的价格较为便宜。
最高级的T8灯管可以达到99的高演色性，而最高级的节能灯的演色性只能超过90，演色性高的光源会让颜色自然，且对视力及健康有利。不少人会因为认为日光灯/节能灯是劣质光线而使用白炽灯或卤素灯，但若使用演色性达99的灯管，则会有更多人能接受荧光灯管，则可以减少发热光源的需求。
缺点随着科技不断进步，目前的节能灯已较年代久远的T8、T9日光灯配合传统镇流器省电，特别是螺旋状的日光灯。然新一代T8灯管配上预热型电子镇流器，仍远较节能灯省电。节能灯的发光效率约每瓦55~60流明，而配合电子镇流器的新一代T8灯管，其发光效率可达每瓦80流明以上。
许多T8/T9灯管的演色性差，多数节能灯能达到80以上的演色性。
节能灯更换容易。

T5日光灯

T5日光灯最早出现于1995年，是目前已商业化生产的日光灯中，最为省电的一种，然而其灯具和T8、T9的管并不相容，必须花钱采购专用灯具，此为其普及的障碍之一。
理论上T5管必需配合电子镇流器使用，在T8配合电子镇流器可以在理论上在接近T5管的效率，但实际环境下仍是T5管明显地有较高效率，原因是两者的最佳工作温度不同。 T5使用固态汞，其最佳工作温度约为摄氏35度，而T8使用的是液态汞，其最佳工作温度大约是25℃。根据香港机电工程署的一份测试报告，荧光灯在操作时，其本身温度会比环境温度高约10℃，若有加灯罩的情况下更会比环境温度高15℃。因此在一般有空调的环境中，加上萤火灯自身的发热后，萤火灯的工作温度约在35至40℃之间，刚好是T5萤火灯的最高效率的工作温度内；而在更高温度的环境中(无空调的地方)，T5也比T8有更高效率。
不过，T5灯有高输出和高效率两种，前者在同样长度、同瓦数时较亮，后者较省电，选购时要略为注意。

                               
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电子式镇流器电路图

T5管内在磷的表面加上了一层薄膜，这层薄膜防止汞被磷吸收，因此T5管使用的汞较少；同时也防止了因为磷吸收了汞后效率降低，所以T5管在长期使用后光度比较稳定，在工作经过其寿命的40%后，光度也只有5%的下跌。
T5日光灯省电效果也比现今的传统灯泡、节能灯和LED都来的好；由于直径比较小，故使用的玻璃、荧光粉和汞都较传统的T8、T9节省，可以说是目前最省电也相对环保的照明工具，但缺点是价格较高(但仍比LED便宜很多很多)。 T5灯管的演色性比不上演色性最高的T8灯管。
T5日光灯最好是采用预热型启动电子镇流器，但仍有些产品采用传统的电感式镇流器或是瞬时启动无预热型电子镇流器，此类产品较为耗电、易产生闪烁，而且也使荧光灯的寿命缩短，购买时宜特别留意。
而T5灯管的最大对手是CCFL灯管，CCFL灯管的效率或许略低于T5灯管、但也相差不远，CCFL寿命极长、耐点灭、单支含汞量已经很低、整体汞消耗量则更低，因此整体环保效益更佳。
对目前仍使用传统型镇流器配合T8灯管之使用者而言，最具成本效益的升级方式乃是更换成新型的预热式电子镇流器（优点是不闪烁、省电、相对耐点灭、延长灯管寿命，缺点是要1~2秒才能点亮），如果需要高品质光线则是在换了镇流器后、再换成演色性大于90甚至达98的T8灯管，如果想要长寿命、最低汞污染及经常点灭则是换成CCFL灯管，而不是换成T5灯。
发光效率

型式	光源效率 （LM/W）	平均寿命 （小时）	特性	使用范围
管型灯管 Tubular-lamp	60至104	5000至12000	有各种不同的光色可以选择，可达到高照度并兼顾经济性	办公室，商场，住宅，一般公共建筑
PL 灯管 PL-LAMP	46至87	8000至10000	体积小，寿命长，效率高，省电	局部照明，安全照明方向指标照明
SL省电灯管	39至50	6000	若演色性要求不高、能直接取代普通白炽灯泡	大部分使用普通白炽灯泡的场所均可以使用

荧光灯的竞争者

除了节能灯外，目前最强力的竞争者为高强度气体放电灯（HID），长远来看最有潜力的竞争者则是CCFL或LED固态照明技术。
但是LED目前有价格偏高、散热器过大、演色性差及发光效率仍待加强等缺点，要和普通T8、T9日光灯管甚至T5日光灯管竞争仍需等到很长一段时间，目前尚未成熟。
CCFL冷阴极管为目前大多数LCD所采用的背光光源，其寿命为一般荧光灯的三倍以上，且具有反复启动也不易光衰的特性。然此项技术目前多在LCD厂商手中，传统三大照明厂目前均不打算推展此项商品，为其普及的障碍。
虽然全世界的专家们都相信LED终将取代所有日光灯管和节能灯，但这一天的来临依旧是遥远而未可知。
鉴于荧光灯的适用场所大都为较低空间的室内一般性照明，HID并非其主要竞争对手。目前来看，LED是其最主要的也是最有潜力的竞争者。国内市场已经开始采用LED照明产品来替代荧光灯的尝试，除了价格仍处不利态势，LED已经超越了荧光灯。如果不是简单地替换灯管，而是灯具整体更换，或者是新建照明系统，则LED甚至在造价方面也没有太显著的劣势。比如一个600*600标准荧光灯盘，若采用同光通量的LED灯盘，其价格后者无非前者的1.5~2倍，而寿命等性能大幅度提升了，更遑论环保意义。
CCFL诞生比LED早得多，在照明中也有应用，但较低质量的光学指标、依然不够环保的制造工艺，比起荧光灯实在没有什么优势，故根本不可能是其竞争对手。甚至可以说，CCFL将比荧光灯更早退出历史舞台。
LED进入照明领域是无可阻挡的，现在已经开始的取代荧光灯的进程，将在几年内进一步加速。本世纪二十年代，LED将全面替换荧光灯。
环境问题

荧光管内有水银成份，对人体有害。胡乱弃置荧光管会对环境造成损害，因此处理弃置的荧光管成为一个问题。目前只有部份国家和地区（例如：韩国、巴西、台湾）会对废弃的荧光管实行回收，并把荧光管安全地处理掉。由于在荧光管内仅能使用水银蒸汽，实际的水银含量是很低的(少于1mg)，回收时要先抽气 也造成回收的困难度。而固态汞荧光灯管的逐渐普及则可以减轻这方面的难度。
荧光灯在机器视觉中的应用

在早期的机器视觉照明中，较多的使用了荧光灯；或者是在现在一些要求不高的照明场所，依然还是可以使用荧光灯的。荧光灯因为其使用的是交流电，因此有一定的闪烁，对于精度要求比较高的场所，这些闪烁是有较大影响的。而对于精度要求不高的应用场所，荧光灯还是有一定的可用性的。
在一些大尺寸测量（如几米）时，我们也可以考虑日光灯用于照明测量。因为较大的尺寸测量，其精度通常也不高，几毫米或十几毫米；因此即使由于照明系统闪烁引起测量误差，也不会引起结果的根本变化。而且较大的视野，要想使用LED光源照明，均匀性无法保证，而要设计制作大尺寸的LED光源，目前来看，还是非常贵的。