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摘要 研究目的：节能灯开关频次对使用寿命及节能效果的影响；节能灯与白炽灯发光效率孰高孰低。研究方法：对比实验法。结论：节能灯发光效率高；节能灯频繁开关会导致使用寿命降低和节能灯节能效果降低。
关键词 节能灯；白炽灯；使用寿命；发光效率
中图分类号 TM5 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2016）14-0018-03
如今，节能和环保成为21世纪全世界关注的焦点。在我国，国家每年要投入大量的资金来建造大型发电厂和改造老电厂，每年消耗掉的煤炭以大于10%的速度增长。同时大量的发电机投运，导致二氧化碳排放量急剧上升，使得地球变暖，雾霾天气增加，人类的居住环境趋于恶劣。为了保护环境，政府在大力推广应用节能灯，在节能灯的使用中，仍有很多困惑困扰着人们，比如：随手关灯是好习惯，还是开关太勤？因为它的启动电流过大，反而费电？节能灯频繁开关会不会导致使用寿命降低？在相同的时间内节能灯比白炽灯发出光亮要大吗？
1工作原理
节能灯是利用气体放电的原理运作，它的术名叫自镇流荧光灯，除了白色冷光的外，现在还有黄色（暖光）的。一般来说，在同一瓦数之下，一盏节能灯比白炽灯节能80%，平均寿命延长8倍，热辐射仅20%。非严格的情况下，一盏5w的节能灯光照可视为等于25W的白炽灯，7W的节能灯光照约等于40W的，9w的约等于60W的。
节能灯的工作原理：主要是通过镇流器给灯管灯丝加热，大约在1160K温度时，灯丝就开始发射电子（因为在灯丝上涂了一些电子粉），电子碰撞氩原子产生非弹性碰撞，氩原子碰撞后获得了能量又撞击汞原子，汞原子在吸收能量后跃迁产生电离，发出253.7nm的紫外线，紫外线激发荧光粉发光，由于荧光灯工作时灯丝的温度在1160K左右，比白炽灯工作的温度2200K～2700K低很多，所以它的寿命也大提高，达到5000h以上，由于它不存在白炽灯那样的电流热效应，荧光粉的能量转换效率也很高，达到每瓦50流明以上。
普通的白炽灯的工作原理是当灯接入电路中，电流流过灯丝，电流的热效应，使白炽灯发出连续的可见光和红外线，此现象在灯丝温度升到700K即可觉察，由于工作时的灯丝温度很高，大部分的能量以红外辐射的形式浪费掉了，由于灯丝温度很高，蒸发也很快，所以寿命也大缩短了，大约在1000h。光效大约在每瓦10流明。根据白炽灯和节能灯的光效，及我家现正在使用的10W节能灯的亮度和40W白炽灯的亮度差不多。因此决定选40W白炽灯和lOW节能灯进行对比试验。
2试验过程的设计
试验材料：40W白炽灯（PHILIPS菲利普品牌）1个；lOW节能灯（OSRAM欧司朗品牌）5个；20W日光灯2个DD282型电度表1个；DH48S-S电子定时转换转换开关1个；MF-30型万能表1个；VC890D型数字式万能表1个；接线图如图1所示。
1）节能灯与普通白炽灯的节能效果比较：两种灯泡的比较正常开启情况下，万能表实际读数如表1所示。
正常使用时两种灯泡的比较如表2所示。
2）节能灯频繁开关与长久开启的节能效果比较：经常开关情况下两种灯泡的比较如表3所示。节能灯在不同开关频次的情况下的比较如表4所示。结论：节能灯在正常开启且长久点亮时节能效果明显，但如果节能灯频繁开关，反而浪费电，不起到节能的作用。
3）节能灯开关频次与寿命比较如表5所示。
3数据计算整理
1）能耗计算根据计算公式：IW/（uT）
式中：
I——电流，A（安培）
U——电压，V（伏特）
W——耗电量，kw.h（千瓦时）
（1）2种灯正常开启10h后，根据电度表实测耗电量计算其平均电流：
10W節能灯：I=0.06/220×102.72×10-5（A）=0.027（mA）
40W白炽灯：I=0.45/220×102.045×10-4（A）=0.204（mA）
（2）2种灯开通5s，关闭5s时，开启12h后，根据电度表实测耗电量计算其平均电流：
10W节能灯：I=0.075/220×12÷25.68×10-5（A）=0.0568（mA）
40W白炽灯：I：0.270/220×12÷22.04×10-4（A）=0.204（InA）
（3）节能灯开通15s，关闭15s时，开启29.5h后，根据电度表实测耗电量计算其平均电流：
10W节能灯：I=0.160/220×29.5÷24.93×10-5（A）=0.0493（mA）
（4）节能灯开通30s，关闭30s时，开启48h后，根据电度表实测耗电量计算其平均电流：
10W节能灯：I=0.245/220×48÷24.61×10-5（A）=0.0461（mA）
2）寿命计算分析：根据表5数据，将开关频次与工作时间对应点在直角坐标系中标出，见图2。将这些点采用光滑连接后发现，这是一条反比例曲线，根据图中的对应点可以推导出开关频次f（次/分钟）与工作时间t（h）的函数关系式：
t=K/f+C
20.8=K/15+C①
7=K/60+C②
解得：K=276，C=2.4
因此：开关频次f与工作时间t的函数关系式为：
t=276/f+2.4
按节能灯包装盒上所述，节能灯的寿命为6000h，按函数关系式可以计算出它允许的开关频次f。 6000=276/f+2.4
得到：f=0.046次/分钟=2.76次/小时≈3次/小时
从计算结果看，当开关频次小于每小时3次时，节能灯的寿命就能达到包装盒上所述的寿命。
4试验发现
1）万能表测量电流与实际计算不符。电灯稳定发光时的电流值比较，10W节能灯的万能表读数为6mA，而实际计算出的电流为0.027mA；40W白炽灯的万能表读数为42mA，而实际计算出的电流为0.204mA。分析原因：万能表没有测量交流电流的功能，在测量时，只能将量程开关拔至直流电流50mA，用此量程来测量交流电流肯定是不准的，此时的万能表表盘上的读数可能是交流电流的峰值；从电度表读取的耗电量为有效值，电压20V也为交流电压的有效值，所以通过公式计算得出的电流只能是有效值。
2）节能灯频繁开关导致灯脚发黑。在进行做间断开关试验时，第一次将闭合和断开时间设置为2s，节能灯1h后发现灯脚部位发黑，4h后“启明星”牌节能灯损坏无法工作，10.8h后“佳宜得”牌节能灯损坏无法工作。而白炽灯则未发现这一现象。分析原因：由于节能灯内部有电子控制装置，当接通电源开启瞬间在电极产生高电压来放电而产生大电流来激励节能灯管内的惰性气体导电发光，由于反复承受大电流的冲击，节能灯内部有电子控制每启动一次就会损伤一次，最终损坏，无法正常工作。节能灯频繁开关导致节能灯寿命缩短。
5试验结论
1）节能灯发光效率高，在同样亮度下其耗电量仅为白炽灯的1/7；2）节能灯频繁开关会导致燈脚发黑，使用寿命降低；3）节能灯频繁开关会导致节能效果降低；4）市场上的节能灯质量参差不齐，杂牌的寿命仅为品牌产品的1/4。
6试验的不足与今后的研究
1）节能灯看似一件极其普通的日常照明工具，有好多知识我还不能搞清楚，例如：节能灯的功率=电压×电流，220×0.027=6W，而节能灯上标明的10W，而对于白炽的功率=电压×电流，220×0.204=44W，基本上与白炽灯上标明的40W相近；2）没有找到能够测量交流电流的仪表，无法测量出节能灯开启瞬间的电流值；3）由于市场上的节能灯质量不平衡，本次试验没有多选择几种不同品牌的节能灯进行光效、寿命进行比较，选出性价比较高的品牌。以消除社会上产生节能灯节能不节钱的说法，给节能灯的推广出一份力。
关键词 节能灯；白炽灯；使用寿命；发光效率
中图分类号 TM5 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2016）14-0018-03
如今，节能和环保成为21世纪全世界关注的焦点。在我国，国家每年要投入大量的资金来建造大型发电厂和改造老电厂，每年消耗掉的煤炭以大于10%的速度增长。同时大量的发电机投运，导致二氧化碳排放量急剧上升，使得地球变暖，雾霾天气增加，人类的居住环境趋于恶劣。为了保护环境，政府在大力推广应用节能灯，在节能灯的使用中，仍有很多困惑困扰着人们，比如：随手关灯是好习惯，还是开关太勤？因为它的启动电流过大，反而费电？节能灯频繁开关会不会导致使用寿命降低？在相同的时间内节能灯比白炽灯发出光亮要大吗？
1工作原理
节能灯是利用气体放电的原理运作，它的术名叫自镇流荧光灯，除了白色冷光的外，现在还有黄色（暖光）的。一般来说，在同一瓦数之下，一盏节能灯比白炽灯节能80%，平均寿命延长8倍，热辐射仅20%。非严格的情况下，一盏5w的节能灯光照可视为等于25W的白炽灯，7W的节能灯光照约等于40W的，9w的约等于60W的。
节能灯的工作原理：主要是通过镇流器给灯管灯丝加热，大约在1160K温度时，灯丝就开始发射电子（因为在灯丝上涂了一些电子粉），电子碰撞氩原子产生非弹性碰撞，氩原子碰撞后获得了能量又撞击汞原子，汞原子在吸收能量后跃迁产生电离，发出253.7nm的紫外线，紫外线激发荧光粉发光，由于荧光灯工作时灯丝的温度在1160K左右，比白炽灯工作的温度2200K～2700K低很多，所以它的寿命也大提高，达到5000h以上，由于它不存在白炽灯那样的电流热效应，荧光粉的能量转换效率也很高，达到每瓦50流明以上。
普通的白炽灯的工作原理是当灯接入电路中，电流流过灯丝，电流的热效应，使白炽灯发出连续的可见光和红外线，此现象在灯丝温度升到700K即可觉察，由于工作时的灯丝温度很高，大部分的能量以红外辐射的形式浪费掉了，由于灯丝温度很高，蒸发也很快，所以寿命也大缩短了，大约在1000h。光效大约在每瓦10流明。根据白炽灯和节能灯的光效，及我家现正在使用的10W节能灯的亮度和40W白炽灯的亮度差不多。因此决定选40W白炽灯和lOW节能灯进行对比试验。
2试验过程的设计
试验材料：40W白炽灯（PHILIPS菲利普品牌）1个；lOW节能灯（OSRAM欧司朗品牌）5个；20W日光灯2个DD282型电度表1个；DH48S-S电子定时转换转换开关1个；MF-30型万能表1个；VC890D型数字式万能表1个；接线图如图1所示。
1）节能灯与普通白炽灯的节能效果比较：两种灯泡的比较正常开启情况下，万能表实际读数如表1所示。
正常使用时两种灯泡的比较如表2所示。
2）节能灯频繁开关与长久开启的节能效果比较：经常开关情况下两种灯泡的比较如表3所示。节能灯在不同开关频次的情况下的比较如表4所示。结论：节能灯在正常开启且长久点亮时节能效果明显，但如果节能灯频繁开关，反而浪费电，不起到节能的作用。
3）节能灯开关频次与寿命比较如表5所示。
3数据计算整理
1）能耗计算根据计算公式：IW/（uT）
式中：
I——电流，A（安培）
U——电压，V（伏特）
W——耗电量，kw.h（千瓦时）
（1）2种灯正常开启10h后，根据电度表实测耗电量计算其平均电流：
10W節能灯：I=0.06/220×102.72×10-5（A）=0.027（mA）
40W白炽灯：I=0.45/220×102.045×10-4（A）=0.204（mA）
（2）2种灯开通5s，关闭5s时，开启12h后，根据电度表实测耗电量计算其平均电流：
10W节能灯：I=0.075/220×12÷25.68×10-5（A）=0.0568（mA）
40W白炽灯：I：0.270/220×12÷22.04×10-4（A）=0.204（InA）
（3）节能灯开通15s，关闭15s时，开启29.5h后，根据电度表实测耗电量计算其平均电流：
10W节能灯：I=0.160/220×29.5÷24.93×10-5（A）=0.0493（mA）
（4）节能灯开通30s，关闭30s时，开启48h后，根据电度表实测耗电量计算其平均电流：
10W节能灯：I=0.245/220×48÷24.61×10-5（A）=0.0461（mA）
2）寿命计算分析：根据表5数据，将开关频次与工作时间对应点在直角坐标系中标出，见图2。将这些点采用光滑连接后发现，这是一条反比例曲线，根据图中的对应点可以推导出开关频次f（次/分钟）与工作时间t（h）的函数关系式：
t=K/f+C
20.8=K/15+C①
7=K/60+C②
解得：K=276，C=2.4
因此：开关频次f与工作时间t的函数关系式为：
t=276/f+2.4
按节能灯包装盒上所述，节能灯的寿命为6000h，按函数关系式可以计算出它允许的开关频次f。 6000=276/f+2.4
得到：f=0.046次/分钟=2.76次/小时≈3次/小时
从计算结果看，当开关频次小于每小时3次时，节能灯的寿命就能达到包装盒上所述的寿命。
4试验发现
1）万能表测量电流与实际计算不符。电灯稳定发光时的电流值比较，10W节能灯的万能表读数为6mA，而实际计算出的电流为0.027mA；40W白炽灯的万能表读数为42mA，而实际计算出的电流为0.204mA。分析原因：万能表没有测量交流电流的功能，在测量时，只能将量程开关拔至直流电流50mA，用此量程来测量交流电流肯定是不准的，此时的万能表表盘上的读数可能是交流电流的峰值；从电度表读取的耗电量为有效值，电压20V也为交流电压的有效值，所以通过公式计算得出的电流只能是有效值。
2）节能灯频繁开关导致灯脚发黑。在进行做间断开关试验时，第一次将闭合和断开时间设置为2s，节能灯1h后发现灯脚部位发黑，4h后“启明星”牌节能灯损坏无法工作，10.8h后“佳宜得”牌节能灯损坏无法工作。而白炽灯则未发现这一现象。分析原因：由于节能灯内部有电子控制装置，当接通电源开启瞬间在电极产生高电压来放电而产生大电流来激励节能灯管内的惰性气体导电发光，由于反复承受大电流的冲击，节能灯内部有电子控制每启动一次就会损伤一次，最终损坏，无法正常工作。节能灯频繁开关导致节能灯寿命缩短。
5试验结论
1）节能灯发光效率高，在同样亮度下其耗电量仅为白炽灯的1/7；2）节能灯频繁开关会导致燈脚发黑，使用寿命降低；3）节能灯频繁开关会导致节能效果降低；4）市场上的节能灯质量参差不齐，杂牌的寿命仅为品牌产品的1/4。
6试验的不足与今后的研究
1）节能灯看似一件极其普通的日常照明工具，有好多知识我还不能搞清楚，例如：节能灯的功率=电压×电流，220×0.027=6W，而节能灯上标明的10W，而对于白炽的功率=电压×电流，220×0.204=44W，基本上与白炽灯上标明的40W相近；2）没有找到能够测量交流电流的仪表，无法测量出节能灯开启瞬间的电流值；3）由于市场上的节能灯质量不平衡，本次试验没有多选择几种不同品牌的节能灯进行光效、寿命进行比较，选出性价比较高的品牌。以消除社会上产生节能灯节能不节钱的说法，给节能灯的推广出一份力。