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摘 要： 通过分析日光灯的启辉过程和正常工作过程，了解镇流器、灯管和启辉器的作用，认识它们传递电能和消耗电能的情况，理解它们之间的相互联系和相互配合作用，牢固掌握感性负载中视在功率和无功功率以及有功功率的相互关系，从而提高电工理论知识水平。
关键词： 线圈；电阻；电能；功率
日光灯的核心组件是镇流器、灯管和启辉器，看似简单，其实它们的工作联系及其复杂，使初学者很难理解视在功率和无功功率以及有功功率的情况。日光灯属于感性负载，而感性负载在工作和生活中普遍广泛使用。对于感性负载的研究是职业院校理工科学生学习电学基础课程的重点和难點。本文通过对日光灯工作中电能传递和消耗过程的分析，以此对线圈、电阻、电能和功率做了一些探讨。日光灯的发光效率很高，应用很广泛。通过对它们的分析研究，可以牢固掌握电磁关系在电器设备中应用的基本知识。
1 日光灯的结构
日光灯电路由镇流器、灯管和启辉器等部件组成，各部件的结构如下：
1.1镇流器
镇流器是与日光灯管串联的一个电器，内部有绕在硅钢片铁芯上的电感线圈，其感抗值很大。镇流器的作用是：①起燃时产生足够的自感电动势，产生两千多伏的高电压，使灯管容易放电点亮；②起燃后限制灯管的电流。
1.2 灯管
灯管是一根玻璃管，内壁涂有一层荧光粉（钨酸镁、钨酸钙、硅酸锌等）灯管内充有稀薄的惰性气体和水银蒸汽，灯管两端有由钨制成的灯丝，灯丝涂有受热后易于发射电子的氧化物。灯管的作用是：当灯丝有电流通过时，灯丝发热，使管内温度升高，水银蒸发，管内氩气电离，由氩气放电过度到水银蒸汽放电，放电时发出不可见的紫外光线照射在管壁内的荧光粉上面，使灯管发出各种颜色的可见光线。
1.3 启辉器
启辉器是一个辉光管，在小玻璃内充有氖气，有两个电极。其中一个电极是用线胀系数不同的两种金属组成双金属片，冷态时两电极分离，受热时双金属片弯曲，使两电极自动闭合。
2日光灯的工作过程
日光灯的工作过程分为启辉过程和正常发光过程。
2.1 启辉过程
当日光灯电路开关闭合瞬间，即启辉过程开始，电流通过镇流器线圈、灯管灯丝和启辉器。镇流器线圈中的电流产生磁场能储存在铁芯中，灯管两端灯丝通过电流发热使管内温度升高，着好起燃准备，启辉器内部两个分开的电极开始在氖气中放电，使双金属片开始发热，这时电流的路径是：火线→开关→镇流器→灯管灯丝（一端）→启辉器→灯管灯丝（另一端）→零线。
在启辉过程中，启辉器内部两个分开的电极在氖气中放电，使双金属片发热，受热的双金属片变弯曲，使两电极自动闭合，使电流突然增大，镇流器线圈与铁芯配合，储存较大的磁场能，接着启辉器内双金属片温度降低，使两电极自动断开，产生较大的自感电动势（约为两千多伏特的高压）加上电源220伏特电压，作用在灯管两端灯丝上，使烧热的灯丝发射电子，管内氩气电离，由氩气放电过度到水银蒸汽放电，放电时发出不可见的紫外线照射在管壁内荧光笔上面，使灯管发出各种颜色的可见光线。启辉过程可能反复2至5次，启辉器和灯管闪亮2至5次，直到灯管两端灯丝发射稳定的电子流，启辉过程才能结束。
启辉过程结束时，灯管两端灯丝直接在管内形成稳定的电子流，促使启辉器所接灯管的两极电压降低，启辉器电流减小，使双金属片发热降低，双金属片自动断开。启辉过程时间一般是4秒至8秒之间，启辉过程中由于电压电流波动较大，对日光灯电器元件使用寿命影响较大。因此，对日光灯的使用不要频繁开启。
2.2 正常发光过程
在正常发光过程中，由于电流比较稳定，镇流器的自感电动势小，镇流器电感线圈的感抗限制了灯管的电流，这时的镇流器起降压限流的作用，使电流稳定在灯管的额定电流范围内，灯管两端电压和镇流器两端电压都低于电源额定电压。这时电流的路径是：火线→开关→镇流器→灯管灯丝（一端）→灯管内两灯丝之间→灯管灯丝（另一端）→零线。
3日光灯电能传递和消耗分析
日光灯在工作过程中电能传递及其复杂，特别是在启辉过程中，首先是启辉器辉光放电，然后是启辉器两极闭合，最后是启辉器两极分开，使得电流波动较大，由R-L-C串联电路转变为R-L串联电路。在这个过程中，由于灯管灯丝温度上升较大，使得电阻R增加很多倍，很难定性分析它的工作情况。只有在正常发光过程中，灯管电压电流和电阻比较稳定，可以分析电能传递和消耗情况。
3.1 正常发光过程中的电路性质
日光灯在正常发光过程中的电路属于R-L串联电路，电阻R主要集中在灯管内部，镇流器内部的电阻很小，电感主要集中在镇流器内部，由此可以知日光灯电路属于感性负载。
3.2 正常发光过程中的电流与电压相位
日光灯接在220伏的正弦交流电源上，所以日光灯电流也是正弦交流电流。由于日光灯是感性负载，所以电压u超前电流i一个锐角φ。日光灯的功率因数（cosφ）在0.5至0.6之间，有0.5≤cosφ≤0.6，得出53?≤φ≤60?，即电压超前电流的度数是53?至60?。
3.3正常发光过程中的电能传递分析
由电压、电流和功率波形图知：
（1）电压超前电流一个锐角φ，电压的频率与电流的频率相等，即fu= fi =50Hz；
（2）电压、电流在一个周期内，电压的两个零点和电流的两个零点都错位，即在一个周期内，电压、电流共有不同时刻的四个零点；
（3）由于功率p=ui，得出电压的零点或电流的零点都会导致功率出现零点，即功率的变化频率是电压或电流频率的两倍，得fp=2fu= 2 fi=100Hz；
（4）由波形图知，电流正半波和负半波相等，表示电流正方向流动和反方向流动对等；电压正半波和负半波相等，表示电压正极性转变为负极性对等；而功率正半波和负半波不相等，正半波比负半波高，正半波比负半波宽，正半波的曲线比负半波的曲线长，正半波曲线与x轴包围的面积（视在功率S）比负半波曲线与x轴包围的面积（无功功率Q）大，即S >Q；
日光灯电流、电压和功率波形图
（5）视在功率S是电源提供给日光灯的总功率，在正功率时间段进行；无功功率Q是镇流器电感线圈磁场能转变为电能退还给电源的功率，在负功率时间段进行。电流周期性变化一次时，电源两次向日光灯发出视在功率，两次接收日光灯返回的无功功率。
（6）有功功率P是在正功率时间段和负功率时间段进行，主要是灯管灯丝发热和管灯发光消耗的功率。有P2+Q2=S2；
（7）对于40w的日光灯来讲，有功功率P=40w，若功率因数cosφ=0.5 由cosφ=P/ S 得视在功率S= P/cosφ=40/0.5=80（VA）而无功功率Q=√（S2- P2）=69.28（var），又由P =UI cosφ，得I=P/（U cosφ）=40/（220×0.5）≈0.36（A）；又由cosφ=0.5，得φ=60?，即电压超前电流60?。
（8）一个40w的日光灯接在220伏的电源上，若功率因为0.5，则电源提供给日光灯的功率是80伏安，日光灯返还给电源的功率是69.28法尔，日光灯消耗的功率是40瓦特，电压与电流的相位差是60?。
（9）由波形图得知，①当电流从零正向增大时到电压正向减小到零时，电源给日光灯提供视在功率，這一区间的中点时刻出现电源提供给日光灯的最大瞬时功率。②当电压从零反向增大时到电流正向减小到零时，日光灯给电源退回无功功率，这一区间的中点时刻出现日光灯退回电源的最大瞬时功率。
（10）在电流变化的一个周期内，功率波形图出现四个零点，在功率零点瞬间，有P = Q= S=0，即是没有电能传递，也没有电能消耗。在电流变化的一个周期内，功率波形图出现两个正峰值和两个负峰值，功率正峰值是电源提供给日光灯电能的最大值，功率负峰值是电源接收日光灯电能的最大值。
通过以上分析可知，日光灯电能传递过程有顺传过程和逆传过程，顺传负载的视在功率，逆传负载的无功功率，在顺传过程和逆传过程中，日光灯都在消耗有功功率。顺传的视在功率总比逆传的无功功率大。日光灯本身消耗的是有功功率，这部分功率属于日光灯的耗散功率和利用功率。日光灯属于电生磁、磁生电的电器设备，通过这个过程，才能满足日光灯的工作需要。我们把电能传递过程搞清楚了以后，就能掌握有关日光灯的各种电器产品的工作情况。同时我们把日光灯内部及其相关变化情况弄清楚了以后，对于类似日光灯感性负载的工作情况，我们也可以用类似的方法去分析清楚，如电风扇、抽油烟机和电冰箱等都属于感性负载，存在电生磁、磁生电的过程。因此，我们掌握日光灯电能传递过程及其相关变化情况是很重要的。
参考文献：
[1]文春帆 电工与电子技术[M] .高等教育出版社，2006（6）
[2]赵士滨.现代电工技术疑难解答[M].广秦科技出版社，2007（6）
[3]李春茂.电工技术[M].科学技术文献出版社，2008（7）
关键词： 线圈；电阻；电能；功率
日光灯的核心组件是镇流器、灯管和启辉器，看似简单，其实它们的工作联系及其复杂，使初学者很难理解视在功率和无功功率以及有功功率的情况。日光灯属于感性负载，而感性负载在工作和生活中普遍广泛使用。对于感性负载的研究是职业院校理工科学生学习电学基础课程的重点和难點。本文通过对日光灯工作中电能传递和消耗过程的分析，以此对线圈、电阻、电能和功率做了一些探讨。日光灯的发光效率很高，应用很广泛。通过对它们的分析研究，可以牢固掌握电磁关系在电器设备中应用的基本知识。
1 日光灯的结构
日光灯电路由镇流器、灯管和启辉器等部件组成，各部件的结构如下：
1.1镇流器
镇流器是与日光灯管串联的一个电器，内部有绕在硅钢片铁芯上的电感线圈，其感抗值很大。镇流器的作用是：①起燃时产生足够的自感电动势，产生两千多伏的高电压，使灯管容易放电点亮；②起燃后限制灯管的电流。
1.2 灯管
灯管是一根玻璃管，内壁涂有一层荧光粉（钨酸镁、钨酸钙、硅酸锌等）灯管内充有稀薄的惰性气体和水银蒸汽，灯管两端有由钨制成的灯丝，灯丝涂有受热后易于发射电子的氧化物。灯管的作用是：当灯丝有电流通过时，灯丝发热，使管内温度升高，水银蒸发，管内氩气电离，由氩气放电过度到水银蒸汽放电，放电时发出不可见的紫外光线照射在管壁内的荧光粉上面，使灯管发出各种颜色的可见光线。
1.3 启辉器
启辉器是一个辉光管，在小玻璃内充有氖气，有两个电极。其中一个电极是用线胀系数不同的两种金属组成双金属片，冷态时两电极分离，受热时双金属片弯曲，使两电极自动闭合。
2日光灯的工作过程
日光灯的工作过程分为启辉过程和正常发光过程。
2.1 启辉过程
当日光灯电路开关闭合瞬间，即启辉过程开始，电流通过镇流器线圈、灯管灯丝和启辉器。镇流器线圈中的电流产生磁场能储存在铁芯中，灯管两端灯丝通过电流发热使管内温度升高，着好起燃准备，启辉器内部两个分开的电极开始在氖气中放电，使双金属片开始发热，这时电流的路径是：火线→开关→镇流器→灯管灯丝（一端）→启辉器→灯管灯丝（另一端）→零线。
在启辉过程中，启辉器内部两个分开的电极在氖气中放电，使双金属片发热，受热的双金属片变弯曲，使两电极自动闭合，使电流突然增大，镇流器线圈与铁芯配合，储存较大的磁场能，接着启辉器内双金属片温度降低，使两电极自动断开，产生较大的自感电动势（约为两千多伏特的高压）加上电源220伏特电压，作用在灯管两端灯丝上，使烧热的灯丝发射电子，管内氩气电离，由氩气放电过度到水银蒸汽放电，放电时发出不可见的紫外线照射在管壁内荧光笔上面，使灯管发出各种颜色的可见光线。启辉过程可能反复2至5次，启辉器和灯管闪亮2至5次，直到灯管两端灯丝发射稳定的电子流，启辉过程才能结束。
启辉过程结束时，灯管两端灯丝直接在管内形成稳定的电子流，促使启辉器所接灯管的两极电压降低，启辉器电流减小，使双金属片发热降低，双金属片自动断开。启辉过程时间一般是4秒至8秒之间，启辉过程中由于电压电流波动较大，对日光灯电器元件使用寿命影响较大。因此，对日光灯的使用不要频繁开启。
2.2 正常发光过程
在正常发光过程中，由于电流比较稳定，镇流器的自感电动势小，镇流器电感线圈的感抗限制了灯管的电流，这时的镇流器起降压限流的作用，使电流稳定在灯管的额定电流范围内，灯管两端电压和镇流器两端电压都低于电源额定电压。这时电流的路径是：火线→开关→镇流器→灯管灯丝（一端）→灯管内两灯丝之间→灯管灯丝（另一端）→零线。
3日光灯电能传递和消耗分析
日光灯在工作过程中电能传递及其复杂，特别是在启辉过程中，首先是启辉器辉光放电，然后是启辉器两极闭合，最后是启辉器两极分开，使得电流波动较大，由R-L-C串联电路转变为R-L串联电路。在这个过程中，由于灯管灯丝温度上升较大，使得电阻R增加很多倍，很难定性分析它的工作情况。只有在正常发光过程中，灯管电压电流和电阻比较稳定，可以分析电能传递和消耗情况。
3.1 正常发光过程中的电路性质
日光灯在正常发光过程中的电路属于R-L串联电路，电阻R主要集中在灯管内部，镇流器内部的电阻很小，电感主要集中在镇流器内部，由此可以知日光灯电路属于感性负载。
3.2 正常发光过程中的电流与电压相位
日光灯接在220伏的正弦交流电源上，所以日光灯电流也是正弦交流电流。由于日光灯是感性负载，所以电压u超前电流i一个锐角φ。日光灯的功率因数（cosφ）在0.5至0.6之间，有0.5≤cosφ≤0.6，得出53?≤φ≤60?，即电压超前电流的度数是53?至60?。
3.3正常发光过程中的电能传递分析
由电压、电流和功率波形图知：
（1）电压超前电流一个锐角φ，电压的频率与电流的频率相等，即fu= fi =50Hz；
（2）电压、电流在一个周期内，电压的两个零点和电流的两个零点都错位，即在一个周期内，电压、电流共有不同时刻的四个零点；
（3）由于功率p=ui，得出电压的零点或电流的零点都会导致功率出现零点，即功率的变化频率是电压或电流频率的两倍，得fp=2fu= 2 fi=100Hz；
（4）由波形图知，电流正半波和负半波相等，表示电流正方向流动和反方向流动对等；电压正半波和负半波相等，表示电压正极性转变为负极性对等；而功率正半波和负半波不相等，正半波比负半波高，正半波比负半波宽，正半波的曲线比负半波的曲线长，正半波曲线与x轴包围的面积（视在功率S）比负半波曲线与x轴包围的面积（无功功率Q）大，即S >Q；
日光灯电流、电压和功率波形图
（5）视在功率S是电源提供给日光灯的总功率，在正功率时间段进行；无功功率Q是镇流器电感线圈磁场能转变为电能退还给电源的功率，在负功率时间段进行。电流周期性变化一次时，电源两次向日光灯发出视在功率，两次接收日光灯返回的无功功率。
（6）有功功率P是在正功率时间段和负功率时间段进行，主要是灯管灯丝发热和管灯发光消耗的功率。有P2+Q2=S2；
（7）对于40w的日光灯来讲，有功功率P=40w，若功率因数cosφ=0.5 由cosφ=P/ S 得视在功率S= P/cosφ=40/0.5=80（VA）而无功功率Q=√（S2- P2）=69.28（var），又由P =UI cosφ，得I=P/（U cosφ）=40/（220×0.5）≈0.36（A）；又由cosφ=0.5，得φ=60?，即电压超前电流60?。
（8）一个40w的日光灯接在220伏的电源上，若功率因为0.5，则电源提供给日光灯的功率是80伏安，日光灯返还给电源的功率是69.28法尔，日光灯消耗的功率是40瓦特，电压与电流的相位差是60?。
（9）由波形图得知，①当电流从零正向增大时到电压正向减小到零时，电源给日光灯提供视在功率，這一区间的中点时刻出现电源提供给日光灯的最大瞬时功率。②当电压从零反向增大时到电流正向减小到零时，日光灯给电源退回无功功率，这一区间的中点时刻出现日光灯退回电源的最大瞬时功率。
（10）在电流变化的一个周期内，功率波形图出现四个零点，在功率零点瞬间，有P = Q= S=0，即是没有电能传递，也没有电能消耗。在电流变化的一个周期内，功率波形图出现两个正峰值和两个负峰值，功率正峰值是电源提供给日光灯电能的最大值，功率负峰值是电源接收日光灯电能的最大值。
通过以上分析可知，日光灯电能传递过程有顺传过程和逆传过程，顺传负载的视在功率，逆传负载的无功功率，在顺传过程和逆传过程中，日光灯都在消耗有功功率。顺传的视在功率总比逆传的无功功率大。日光灯本身消耗的是有功功率，这部分功率属于日光灯的耗散功率和利用功率。日光灯属于电生磁、磁生电的电器设备，通过这个过程，才能满足日光灯的工作需要。我们把电能传递过程搞清楚了以后，就能掌握有关日光灯的各种电器产品的工作情况。同时我们把日光灯内部及其相关变化情况弄清楚了以后，对于类似日光灯感性负载的工作情况，我们也可以用类似的方法去分析清楚，如电风扇、抽油烟机和电冰箱等都属于感性负载，存在电生磁、磁生电的过程。因此，我们掌握日光灯电能传递过程及其相关变化情况是很重要的。
参考文献：
[1]文春帆 电工与电子技术[M] .高等教育出版社，2006（6）
[2]赵士滨.现代电工技术疑难解答[M].广秦科技出版社，2007（6）
[3]李春茂.电工技术[M].科学技术文献出版社，2008（7）