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科学松鼠会» 实验党：节能灯开关瞬间消耗多少电能？

N小时稳定发光还要多。作为物理实验党门下弟子，我们决定亲自动手，检验何谓真理。

实验党：节能灯开关瞬间消耗多少电能？

作者：沐右、水龙吟

小时候就听大人说，“不要总是开灯关灯，开灯关灯最费电了”，那个时候，家里用的还是白炽灯泡。等我们上了中学学了物理，明白了电压电流电阻等等的时候，也就明白了白炽灯将电流转化为热能，虽然说开灯那一瞬间灯丝的温度低，电阻小，因此耗电多一些，但是这个时间很短，根本就谈不上费电。后来，白炽灯开灯关灯费电的话题渐渐的很少有人谈起了。

随着时代的发展，照明灯也更新换代，日光灯，节能灯，都比白炽灯的能量效率更高，更省电：要实现同样的亮度，需要的电能小多了。这种灯管启动的时候，常常需要一个很高的电压来预热，外电路的电压恒定不变，这种高压启动一般是通过灯具内部的电路来实现，比如日光灯管的启动器。

也许因为要预热，江湖上流传着节能灯（或者日光灯）开关的时候最费电，比如“如果照明本身使用的是节能灯，那么电灯的开关瞬间消耗的电能比一小时内稳定发光时还要多”[1]，甚至“开关一次节能灯相当于持续点10小时的节能灯”[2]。这种说法广为流传，而且“N个小时”中的“N”在各个版本的传言中都不一样。为此笔者上网搜索了很久，却始终没有发现任何定量的数字证据证明这个观点。

初听起来，刚启动时需要高电压所以有可能造成大量能量损耗似乎有些道理。但真的像传言中那么多么？如果想真的等同于10个小时的耗电量，以20瓦的灯泡来说，启动的瞬间会耗电高达720千焦，足够把两升水烧开了。这么大的热量在极短的时间内散发开来，开灯的时候我们居然感觉不到热浪扑面而来，岂不是太奇怪了？

那么，到底节能灯开关的瞬间消耗多少电能呢？我们用一个实验来回答这个问题。

EDXO-14型节能灯，额定电压120伏（60Hz，美电），额定功率14瓦

EDXO-14型节能灯，额定电压120伏（60Hz，美电），额定功率14瓦
我们利用手头上有的一个节能灯泡（见上图）和一些电路原件（电阻、万用电表和示波器），搭建了如下所示的电路，上为实物图，下为电路图：

电路实物图和等效电路图

如电路图所示，一个小电阻（13.6欧姆）和节能灯泡串联在一起连接到120伏，60赫兹的交流电源上（美国交流电的电压和频率跟中国的不一样）。通过测量电阻两端的电压，我们就可以计算出通过节能灯泡的电流，从而计算出灯泡的功率。

首先，测量稳定工作时节能灯泡的功率很容易。开关闭合后，节能灯正常发光时，只要用普通的万用电表就可以测量电阻两端的电压UR，实测UR为1.4伏。同时我们测得外电路电压为119.8伏。因此通过灯泡的电流为I=UR/R≈0.103安培。那么这只灯泡在稳定工作时的功率就是P=ULI=(119.8-1.4)×0.103≈12.2瓦，稍低于灯泡上标识的“14瓦”（我们推测是因为电压略低于额定值或者灯泡有些老化）。

但是我们关心的“高压”启动问题，在普通万用电表上却xx显示不出来。我们尝试多次打开闭合开关，万用电表的读数上没有任何异常。这说明开始的高压启动时间非常短，远小于万用电表的响应时间。我们必须寻找另一种可以看到短时间信号的仪器。这里我们选用的是示波器（如下图）。

DSO3202A型示波器上显示的灯泡稳定工作时的波形图

利用示波器，我们可以将电阻两端电压（正比于电路电流）随着时间变化的波形显示出来（如下图）。从稳定部分的波形上估算的能耗和用万用表测量出来的平均值计算的结果基本吻合。

但是，我们并没有观察到网上传言所说的“节能灯开灯后5分钟以上才会发光稳定”[2]。我们实际的观测结果是，一旦接通电源，波形图在不到一秒钟的时间内就稳定在上图显示的正常工作结果上，不会再有什么变化，而不是“几分钟”才能稳定下来的样子。

不过，在接通的一瞬间，我们看到了期盼已久的“高压启动”——一个极短的脉冲峰出现在示波器的波形图上。这正代表了节能灯的“高压启动”过程。那么，在这个过程中耗费了多少电能呢？

节能灯启动瞬间的尖峰波形（红色箭头所指）

如下图所示，这个尖峰发生在1毫秒（0.001秒）之内，随后波形就正常了。这个瞬时的大电流约有正常工作情况下的5~7倍。以7倍计，我们可以估计出节能灯泡这个时间内的电能消耗不超过0.1焦耳，只相当于稳定工作下不到10毫秒（0.01秒）的耗能。

从这个实验我们可以看出，传言的节能灯开关瞬间大量费电的说法是xx站不住脚的。节能灯在启动的时候消耗的电能总量其实很小，并不会有开关一次等于几个小时持续发光的情况。大家不用为了“省电”而不关灯。

当然，过于频繁的开关电器对电器的寿命肯定会有所影响。从这点来说，避免过于频繁的开关节能灯是有一定道理的。

[1].“熄灯一小时”会破坏电网吗？新京报?新知周刊，http://songshuhui.net/archives/36020.html
[2]. 开灯？关灯？那种方式更省电,http://www.cbh-jj.com/cds/cds55.html

本文已经由新京报新知周刊预定。

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蓝枫饲养员拇姬说：

沙花！
- 蓝枫说：
  
  嗷~~~~~~~~~~~~~~~~~
DS 说：

“节能灯开灯后5分钟以上才会发光稳定”，可能指的是灯光亮度。
使用节能灯的时候，的确有刚打开时觉得灯光很暗，过一段时间后才觉得亮度可以接受的感觉。不过我没做过实验，不确定到底是灯光的确先暗后亮，还是仅仅只是眼睛的适应过程。
- 说：
  
  节能灯刚开启确实会比较暗，在天冷的时候更加明显，是因为灯管内的水银需要预热成蒸汽才到{zj0}状态。
说：

板凳！

PS：同意此文，上篇这个问题的确有硬伤。
鹰笛说：

“但是，我们并没有观察到网上传言所说的‘节能灯开灯后5分钟以上才会发光稳定’[2]。我们实际的观测结果是，一旦接通电源，波形图在不到一秒钟的时间内就稳定在上图显示的正常工作结果上，不会再有什么变化，而不是‘几分钟’才能稳定下来的样子。”

传言所说的是“节能灯开灯后5分钟以上才会发光稳定”，而不是“节能灯开灯后5分钟以上才会耗电稳定”。所以验证传言的方法不该是测量电流，而该是测量亮度；仪器不该是示波器，而该是照度计。

当然，根据家居生活中的肉眼直观判断，我认为‘节能灯开灯后5分钟以上才会发光稳定’是有其依据的，而且“5分钟以上”的表述基本合理，比如说某些灯需要10分钟才能发光稳定，这也属于“5分钟以上”。
- 沐右说：
  
  这里要考虑的主要是节能灯开灯到底费不费电，所以实际上来说，并不是很关心开灯之后亮度如何，而是到底在开灯的过程中耗费的电能如何。
  
  就我们使用的这个灯泡而言，一旦接通，亮度和接通一段时间之后的情况没有可见的差别。我也见到过启动之后光线比较昏暗，过一段时间之后才比较亮的灯泡。不过就节能灯这个大类别而言，并不是任何节能灯都需要几分钟的预热时间。一般这种灯都涉及要把水银或者卤族元素之类的物质气化的过程，比如碘钨灯之类。
  
  即使对于慢热型的节能灯而言，我想其启动过程中也不会耗费太多的电能。
  - 鹰笛说：
    
    看来作者用的灯跟下面跟帖的几位都不同，而包括我在内的几位跟帖者用的节能灯都有逐渐变亮的特性。关于这个问题，网络上有两种不同的解释：
    
    1、好的节能灯才会慢慢点亮（一般三分钟之内达到最亮）只是因为设计成慢启动，可以避免因启动电流太大而提前（没达到设计寿命时,一般是8000个小时）烧毁灯丝，造成节能灯短命。 ()
    由这个解释推断，如果只有少量的节能灯开启后逐渐变亮，那么这部分逐渐变亮的灯是优化设计的好节能灯，跟帖的都偷着乐吧！
    
    2、另一个解释在上面那个页面中人有提出，而其来源可能是某电子器材厂技术人员在消费日报发表的一篇文章，其中说明：节能灯属于低气压汞灯，该灯的发光原理是基于受激汞原子释放的紫外线激发荧光粉发光。在灯管燃点的起始阶段，紫外线的强度是随着灯管内的汞气压的升高而增强的，当汞气压升到0.8Pa附近时，灯管即能获得{zg}亮度。因此灯管从起跳瞬间到获得{zg}亮度的时间，就是灯管内汞气压从“很低”爬升到0.8Pa所需要的时间。
    由这一个解释推断，大部分或所有的节能灯都具有开启后逐渐变亮的特性，而作者拿到了极为少见的不具备此特性的节能灯，或者作者因实验过程中过于靠近灯管，灯管亮度超过作者的亮度观测量程，所以没有观察到这一特性。
    
    对于作者的说明：“这里要考虑的主要是节能灯开灯到底费不费电，所以实际上来说，并不是很关心开灯之后亮度如何，而是到底在开灯的过程中耗费的电能如何。”本人明白作者的研究目标和研究方法，但是不可否认的，作者在验证“发光稳定性”传言时，犯了一个或许不大的错误——采用了错误的研究方法，因而极可能获得错误的结论，并且极可能误导广大科学爱好者，并可能进一步误导更为广泛的群众。
    
    作为科普文字，要力求用简单语言讲清科学问题，但同时更要注意的是，应尽可能避免出现错误，这不仅包括观念的错误，还包括破题、推理上可能出现的错误。偷换概念的主观性错误当然是更要不得的。
    
    要知道，科普文字的读者，有一部分可能缺乏足够的知识基础或辨识能力。对于这部分读者，与其用错误的逻辑、推理或结论误导他们，不如留他们于蒙昧之中。
lalunasun 说：

呃。。。我是几楼了？
Ent在1343的时候跟我说这文章过几天可能出来。。。结果一刷就刷出来了
hbchendl 说：

也许实际的脉冲电流比5-7倍要大一点。这是因为示波器本身以及测量电路的频率响应依然不够高，会把波峰削去一点。
但是开关电器时并没有太大的电流消耗这个结论是基本正确的。
正确的理解是，开关电器对电器寿命的影响会很大。可能的说辞是：“开关一次所损耗的电器寿命相当于使用一小时。”
楼主不妨再作个实验，不停地连续开灯关灯，看看多少次后能把节能灯给弄瞎了。反正我的实验室的无菌操作台里的荧光灯三天两头地坏。不是坏灯管就是坏整流器。
- 说：
  
  作者使用的是安捷伦200M数字示波器，频率响应还可以啦，测量这种低速信号足够了。
  
  图上可以看出其设定的时间间隔是2ms，这种示波器还可以把时间间隔进一步缩小，使原图上的波峰看起来展宽了，不过就不如现在这样直观了。
Mine 说：

从现实生活中也确实能感到“节能灯开灯后5分钟以上才能发光稳定”，好多灯管一开始是很暗，逐渐地才变亮，这不是人眼的错觉。
不知道这段时间的功耗会怎么样。。。
- 沐右说：
  
  我也见到过这种类型的灯。一般来说，这种灯涉及到把水银或者卤族元素之类的物质气化，例如碘钨灯之类的。在这个预热的过程中，能量的消耗应该不是很大。但是我们手头上没有这种灯泡，所以没有办法测量。
  
  这个的时间尺度比较大，按文中用万用电表的方法就可以测量它的功率随时间的变化了。
路人几说：

这算不算“扭曲问题以迁就实验”？事实上，一直以来流传的说法都是hbchendl所说的：“开关一次所损耗的电器寿命相当于使用一小时。”
- 蓝枫饲养员拇姬说：
  
  这个跟帖的有趣之处就在于，事实上作者已经给出了”流言“的范例了。。。
tmpistemp 说：

好无聊的实验,可以直接测耗电量吗?
zing 说：

印象中我家的节能灯真的是要亮很一会儿才能变到应该的亮度。
尖椒炒蛋说：

可能灯的型号不一样吧，我家的节能灯确实需要等5分钟左右亮度才会达到{zd0}
floyd 说：

整个实验做的不错，但是有一个漏洞。

在开机瞬间的inrush current pulse，会被文中提到的“一个小电阻（13.6欧姆）”限制住

不信可以用电流探棒直接去勾线上的电流，电流的pulse{jd1}要大很多。
静夜听雨说：

我想“开关一次相当于N个小时”一开始指的是灯的寿命（实验党继续哦），后来有的地方误传为功耗了。
村民说：

这个测试很山寨
1 要考虑电压和电流的相位
2 示波器测量电压是很不准确的

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