Какой Газ в Люминесцентных Лампах • Историческая справка

Люминесцентная лампа или лампа дневного света (ЛЛ, ЛДС) — инертный газ в стеклянной колбе, излучающий видимый свет.

Принцип работы ЛДС заключается в насыщении газа ртутью с последующим пропусканием через него разряда, в результате чего образуется УФ-излучение, преобразуемое в видимый свет благодаря слою люминофора, содержащемуся во внутренней поверхности колбы. В этой статье будут рассмотрены ЛДС, их описание и технические характеристики.

Область применения

Люминесцентные источники света получили большой спрос в организациях общественного назначения: школах, больницах, госучреждениях.

С дальнейшим развитием светильники оснастили электронным балластом, стало возможным их применение в распространенных патронах стандарта Е14 и Е27.

ЛЛ актуальнее применять в помещениях промышленного сектора для обеспечения большего периметра освещения при минимальных энергозатратах. Также их используют в освещении рекламных щитов и фасадов.

Люминесцентные приборы сочетают в себе характерные черты эффективного и экономного использования электроэнергии. В быту лампы дневного света потолочные и настольные применяются для растений, освещения рабочей поверхности и жилых комнат.

В каких областях применяются?

Раньше основное целевое назначение подобных осветительных приборов сводилось к организации систем освещения административных и общественных зданий (больниц, магазинов, школ, офисных помещений), что было связано с довольно массивной конструкцией. Сегодня люминесцентные лампы характеризуются более совершенным устройством (компактные размеры, электронное пускорегулирующее устройство в качестве замены устаревшего магнитного варианта).

Дополнительно к этому упрощает эксплуатацию и стандартный цоколь, который позволяет устанавливать такие источники света вместо аналога с нитью накаливания.

Люминесцентная лампа в современном исполнении широко применяется в быту (освещение частных домов, квартир), рекламе (вывески, щиты). Еще одно направление – фасадная подсветка. Больше прочих разновидностей источников света люминесцентные лампы также подходят для освещения крупных территорий и масштабных объектов.

Актуальность применения люминесцентных ламп

Широкое распространение ЛЛ получили благодаря многим преимуществам, а именно:

• высокая световая отдача (ЛДС мощностью 10 Вт обеспечивает освещенностью, сравнимой с лампочкой накаливания 50 Вт);
• большой диапазон оттенков испускаемого света;
• полная рассеянность света.

Гарантированный срок эксплуатации ЛДС от 2 тыс. часов против 1 тыс. часов у ламп накаливания.

Недостатки люминесцентных устройств:

• химопасность (в ЛДС содержится до 1г ртути);
• неравномерный спектр, который неприятен человеческому глазу;
• постепенное разрушение слоя люминофора, приводящее к ослаблению освещенности;
• мерцание лампы с двухкратной частотой от сети;
• наличие механизма, регулирующего пуск;
• мощность ЛЛ не обеспечивает высокого коэффициента.

Люминесцентные лампы и их характеристики (Часть1)

Необходимо серьезно отнестись к выбору плафонов. Именно они отнимают до 50% света. Энергосберегающим лампам зачастую не нужно подобное обрамление. Пять или даже восемь компактных “энергосберегалок” в люстре дают мягкое освещение. Если возникает необходимость установки лампы в закрытый светильник, не следует забывать о нагреве ее электроники.

Люминесцентные осветительные приборы на рынке существуют уже много лет. Эта группа товаров для освещения широко распространена во всём мире, и ежегодно количество таких отходов неуклонно растёт. Утилизация использованных ламп – это глобальная проблема, так как условия хранения ртутьсодержащих ламп соблюдаются далеко не везде.

Внутренние стенки ламп при их производстве покрываются люминофором. Веществом, которое способно поглощать ультрафиолетовое излучение и преобразовывать его в видимый свет.

В настоящее время многие стремятся получить максимальную выгоду при пользовании энергоресурсами, а эксплуатация люминесцентных лампочек позволяет это сделать. Но люди зачастую просто не знают, что делать, если разбилась люминесцентная лампа.

Главными достоинствами люминесцентных ламп по сравнению с лампами накаливания являются высокая светоотдача (люминесцентная лампа 23 Вт даёт освещенность как 100 Вт лампа накаливания) и более длительный срок службы (2000 — 20000 часов против 1000 часов).В некоторых случаях это позволяет люминесцентным лампам экономить значительные средства, несмотря на более высокую начальную цену.

Большинство люминесцентных светильников создает ультрафиолетовое излучение, которое при долгом воздействии на кожу может вызвать разрушение коллагена и эластина. Это приводит к старению кожи, увеличивает вероятность роста раковых клеток.

Мнение эксперта

Стребиж Виктор Павлович, эксперт по освещению и электрике

Любые вопросы задавайте мне, я помогу!

В 1856 году немецкий изобретатель Генрих Гайслер изобрел вакуумный насос, позволивший удалять откачивать воздушную среду из стеклянной колбы. Если же вам что-то непонятно, пишите мне!

Принципы работы

Во время работы ЛЛ между двумя электродами, расположенными на ее краях, горит дугообразный разряд, который приводит к созданию УФ-свечения внутри колбы, наполненной газом, в составе которого ртутные пары.

Зрение человека невосприимчиво к УФ диапазону свечения, поэтому внутренние стенки колбы обработаны люминофорным составом, имеющим свойства поглощения ультрафиолета с дальнейшим преобразованием его в видимое белое свечение. Ортофосфаты кальция-цинка и галофосфаты лежат в основе люминофорного слоя. Также люминофор может быть насыщен другими веществами с целью получения определенного оттенка света. Термоэлектронная эмиссия электродов с катода создает поддержку электрической дуги в ЛДС. Дальнейшее разогревание катодов путем пропуска через них тока или ионной бомбардировки приводит к запуску устройства.

Разновидности, принцип функционирования и использование люминесцентных ламп

С поверхностной информацией мы уже ознакомились, а теперь давайте посмотрим глубже на строение ламп. Определим основные их особенности, и озвучим много интересной информации, которая если и не пригодится на практике, но для общего развития будет очень полезна.

Принцип работы

Представим, что у нас есть лампа, она включена и работает. Благодаря чему возникает свечение? Дело в том, что на противоположных концах трубки есть электроды, между которыми горит дуговой разряд (физическое явление, открытое в 1802 году русским физиком В. Петровым).

Внутренний объем лампы заполнен парами ртути и инертным газом (одноатомные газы без запаха и цвета). При контакте с электричеством создается поток ультрафиолетового нетеплового излучения.

Как уже говорилось, изнутри колба покрыта слоем люминофора, который имеет свойство поглощать ультрафиолет, преобразуя его в видимый свет. Различный состав люминофора позволяет регулировать световой оттенок. В качестве напыления используются ортофосфаты кальция-цинка и галофосфаты кальция. Интенсивность излучения зависит от мощности лампы и качества люминофора.

Поддерживается дуговой разряд благодаря термоэлектронной эмиссии заряженных электронов с поверхности катода (выбивание электронов из металлов при воздействии высоких температур). Поэтому, чтобы лампа стартовала, катоды нужно разогреть.

Здесь типы ламп начинают различаться:

1. Первые – это модели с горячим запуском (лампы ЛД и ДРЛ). В них катоды прогреваются проходящим по ним током. Данные лампы имеют заметный глазу замедленный старт (0,5 – 1 сек), что раздражает многих пользователей. Но стоит отметить, что такие лампы служат намного дольше.
2. Вторые – лампы с «холодным» запуском. В них катоды разогреваются с помощью ионной бомбардировки, которая происходит в тлеющем разряде высокого напряжения. Такие лампы включаются практически мгновенно, но срок их службы от этого сокращается.

Для запусков ламп применяют пусковые устройства с электромагнитным и электронным балластом, но про них мы поговорим немного позднее.

Маркировка люминесцентных ламп

В зависимости от того насколько ярким является освещение, человеческое восприятие цвета сильно изменяется, Так, например, синий цвет заметен нами лучше при слабом освещении, а красный цвет становится при этом менее заметным. В результате дневной свет при низкой интенсивности кажется синеватым.

Из-за этих особенностей нашего зрения разработаны нормы для освещенности различных помещений: для дома достаточно 75 люкс (единица измерения силы света, согласно СИ) в пределах одной комнаты, а для производственных помещений это значение составляет 400 люкс.

1. В первом случае наиболее естественным выглядит освещение с цветовой температурой в 3000К.
2. Во втором – 4000-6000К, так как предыдущий вариант уже будет казаться желтым.

Чтобы не запутаться в этих параметрах производители маркируют совою продукцию. Маркировка может быть международной или внутригосударственной.

Международная система обозначений

Международная включает в себя трехчисловое значение, правильно расшифровав которое, можно определить параметры лампы.

1. Первая цифра в коде – это индекс цветопередачи. Данное число умножается на 10 Ra (своеобразный показатель уровня цветности). Чем выше получаемое значение, тем более точной считается цветопередача. Компактные лампы для дома обычно имеют данный показатель в 60-98 Ra.
2. Оставшиеся две цифры обозначают цветовую температуру испускаемого лампой свечения.

То есть, маркировка на упаковке 930 говорит о том, что лампа имеет индекс цветопередачи равный 90 Ra и цветовую температуру в 3000 Кельвин.

Помимо указанной маркировки, согласно DIN 5035 (Немецкий аналог ГОСТа), диапазон цветопередачи от20 до 100 Ra делится на 6 частей. Вдаваться в подробности не станем, но если кому-то хочется просветиться, то просим прогуляться по просторам интернета.

Отечественная маркировка

Внутренняя Российская маркировка сильно отличается от вышеописанной. Регламентируется она ГОСТ 6825-91 (МЭК 81-84) и прочими нормативными документами.

Согласно данной маркировке различают следующие типы ламп:

Маркировка	Описание	Температура в К	Международный аналог
ЛБ	Белый свет. Для них характерны высокая светоотдача и низкокачественная передача цвета. Используются, прежде всего, в административных и производственных помещениях.	3500	635
ЛД	Дневной свет. Имеет легкий голубоватый оттенок. Цветопередача приемлемая, в сочетании с высокой светоотдачей.	6500	765
ЛХБ	Холодный белый свет. Оттенок чем-то напоминает солнечный. Цветопередача находится на низком уровне. Как и предыдущие варианты подходит для производств с низкими требованиями к цветопередаче.	4000	640
ЛТБ	Теплый белый свет. Белое свечение имеет слегка розоватый оттенок. Применяется в местах общепита и продуктовых магазинах	3000	530 — 630
ЛЕ	Естественный свет. Белый свет не имеет оттенков. Для него характерна высокая светоотдача.	4000	740
ЛХЕ	Естественный холодный свет. Аналогичен предыдущему, но имеет более холодный оттенок.	6000	760

В таблице мы перечислили основные типы ламп и их маркировку. Помимо этого маркировка может дополняться буквой «Ц», что означает улучшенную цветопередачу, или «ЦЦ» — высококачественную цветопередачу.

То есть, маркировка ЛДЦЦ будет означать дневной свет с высокой передачей цветности. Такие лампы используют в музеях и на выставках, чтобы не искажать восприятие стараний художников.

Помимо названных вариантов, существует еще множество ламп, имеющих специфическое назначение. Данные модели тоже имеют свою маркировку.

• ЛЗ, ЛГ, ЛК, ЛР, ЛГР, ЛЖ – все это лампы цветного свечения (р — розовый, к – красный, ж – желтый, гр – лиловый, з –зеленый, г – голубой);
• ЛУФ – ультрафиолетовые лампы;
• ДБ – ультрафиолетовое свечение типа «С»;
• ЛСР – рефлекторные лампы синего света.

Для более подробного ознакомления с маркировкой обращайтесь к ГОСТу.

Подключение в электрическую сеть

Существенным недостатком люминесцентных ламп является то, что они не могут быть включены в сеть напрямую, и причины для этого две.

1. После возникновения в лампе разряда она приобретает отрицательное дифференциальное сопротивление, из-за чего может произойти короткое замыкание, если конечно в цепь не включить сопротивление.
2. В выключенном состоянии люминесцентная лампа обладает высоким сопротивлением, поэтому для образования электрической дуги ей требуется импульс высокого напряжения.

Для решения описанных проблем применяют пусковые устройства Наибольшее распространение получили вариации ЭмПРА и ЭПРА.

Электромагнитный балласт

Электромагнитный балласт или ЭмПРА – это дроссель, который обладает индуктивным сопротивлением нужной величины и подключается параллельно с лампой. Имеет стартер из конденсатора и неновой лампочки. Суть данного аппарата состоит в том, что при включении он формирует импульс до 1 кВ за счет самоиндукции, при этом он ограничивает протекающий через него ток благодаря своему сопротивлению.

К достоинствам схемы можно отнести надежность, долговечность и простоту исполнения. Недостатков у нее гораздо больше:

• Длительный старт – вплоть до 3-х секунд;
• Большое потребление дросселем энергии;
• Меньший коэффициент мощности;
• Наличие низкочастотного гудения при дросселях плохого качества;
• Удвоенное мерцание лампы;
• Большие габариты конструкции;
• Если температура воздуха вокруг лампы ниже нуля, то старта лампы может вовсе и не произойти.

Электронный балласт

Электронный балласт (ЭПРА) питает лампы током с высокочастотным напряжением от 25 до 133 кГц, благодаря чему мерцание таких ламп совершенно незаметно человеческому глазу. Различают множество моделей ЭПРА, которые могут использоваться как для горячего, так и для холодного запуска.

Разница с ЭмПРА заключается в том, что ЭПРА не имеет стартера (неоновой лампы с конденсатором), а нужные напряжения он способен формировать сам. Чаще, электронный балласт разогревает катоды до нужной температуры напряжением, чтобы лампа стартовала.

В зависимости от модели, ЭПРА могут разжигать лампу плавно, постепенно увеличивая свечение, или делать это мгновенно.

«Холодный» запуск осуществляется за счет того, что цепь, в которую подключена лампа, по сути, является колебательным контуром, параметры которого подобраны так, что при отсутствии разряда возникает явление электрического резонанса в контуре. Подобный метод очень популярен среди радиолюбителей, так как позволяет запускать даже лампы с прогоревшими катодами.

Лампа сломалась

Почему выходит из строя люминесцентная лампа? Если лампу вы не разбили, то причина, скорее всего, кроется в следующем. Зажигательные электроды конструкции сделаны из вольфрама, покрытого пастой из щелочноземельных металлов, которая во время работы понемногу осыпается с катодов.

Особенно интенсивно данный процесс происходит при запуске лампы из-за того, что разряд начинает гореть не по всей площади, а лишь на определенном участке поверхности, вызывая локальные перепады температур. Отсюда и образуется потемнение колбы по краям, которое становится более заметным к концу срока ее службы.

Вывод! Продолжительность эксплуатации лампы напрямую зависит от качества электродов, установленных в ней.

Лампы на ЭмПРА и ЭПРА перегорают по-разному:

• В первом случае, при выгорании одного из электродов, напряжение на лампе возрастает до величины разряда в стартере. Из-за этого он начинает постоянно срабатывать и возникает всем известное мигание изношенных ламп.
• При постоянном срабатывании стартера электроды начинают перегреваться, в результате один из них, спустя пару дней, перегорает. При этом очень часто сгорает и сам стартер, требуя замены вместе с лампой.
• Лампа может выходить из строя и по причине неисправности дросселя и стартера. В первом случае ток, протекающий через лампу, сильно возрастает, из-за чего электроды плавятся, а лампа моментально перегорает. Во втором – лампа шунтируется по цепи стартера, из-за чего начинают работать только нити накала лампы. В таком режиме работы они изнашиваются во много раз быстрее.
• В ЭПРА, после перегорания нитей накала и повышения напряжения — если отсутствует система защиты (балласты низкого качества) – возрастает ток, приводящий к перегоранию транзисторов балласта.
• Некачественные ЭПРА могут также стать причиной поломки, так как конденсатор на выходе, по мере старения лампы, может пробить, что также вызовет перегорание транзисторов.

Мигание в ЭПРА при выходе лампы из строя отсутствует – она просто гаснет. Установить причину поломки можно обычным мультиметром, проверив нити накала на сопротивление.

Разновидности вариантов исполнения

Всего различаю два вида люминесцентных ламп: линейные и компактные.

• Первый вариант представляет собой ртутную лампу низкого давления, U-образной или кольцевой формы. Согласно ГОСТ 6825-91 их еще называют трубчатыми, хотя данное определение сегодня считается устаревшим.
• По сути, это стеклянная трубка с двумя цоколями по краям, в которых вмонтированы ножки электродов. Сама трубка герметически запаяна, чтобы удерживать внутри инертный газ (Ne, Kr, Ar) и пары ртути.
• Данные лампы различаются по длине, форме и толщине трубки.

Второй вариант имеет изогнутую трубку, которая может дополнительно закрываться округлыми колбами. Основное различие между ними кроется в типе используемого цоколя: 2D, G23, G27, G24 (с модификациями …Q1, Q1, Q3), G53. Из-за этого может разниться инструкция по монтажу ламп – изучайте прилагаемые к устройству аннотации.

Также выпускаются и стандартные варианты цоколей, которые мы очень часто вкручивает своими руками:

• Е14 – самый маленький цоколь;

• Е27 – стандартный цоколь, как на большинстве ламп накаливания;

• Е40 – большой цоколь для уличных фонарей.

Такая универсальность способствовала быстрому распространению энергосберегающих люминесцентных ламп.

Технические характеристики

От технических характеристик зависит конечная работа ЛДС — необходимое освещение.

Мощность

От показателя мощности ЛЛ зависит светоотдача, которая влияет на площадь освещения. В реализации распространены лампы различной мощности.

Лампы 4–6 W

Применимы в помещениях небольшой комнаты. Отлично подходят в сельскохозяйственной местности, сторожевых будках или палатках. Эти ЛДС неприхотливы к потреблению электроэнергии, а также благодаря трансформаторным преобразователям эти лампы способны работать от 12 вольт, что дает возможность запустить лампу подсоединением к авто аккумулятору в условиях отсутствия электроснабжения. Также маломощные люминесцентные устройства применяются для освещения растений или аквариумов.

18 W

Самые распространенные ЛЛ по мощности лампы. Их можно встретить везде: в комнате, автомобильных боксах, офисах, павильонах.

36 W

Также получили большое распространение. Применяются в тех же помещениях, что и ЛЛ 18 W, с разницей в увеличении площади освещения.

58 W и 80 W

Эти ЛДС большой мощности применяются только в производственных цехах большой площади, хранилищах и ангарах, на подземной территории.

Иногда ЛЛ такой мощности можно встретить на участках открытой местности в условиях большой рассеянности света. Такие ЛЛ, в отличии от ламп 18 W и 36 W, более энергозатратные и их применение в быту или офисного освещения нерентабельно. Также они оснащены дополнительно светильниками дневного света, что приводит в еще большую неактуальность их применения в качестве потолочных светильников дневного света в помещениях малой площади.

Цветовая температура

Еще один главный параметр ЛДС. От качества света и цветовой температуры зависит качество освещения. Эти параметры отображены трехзначным значением на колбе устройства.

Значение 627

Соответствует устройствам с 60%-м качеством света и цветовой температурой 2700 К.

Значение 727

Лампы с качеством света 70% и аналогичной цветовой температурой.

Значение 765

Цветовая температура 6500 К, которой и обладают все без исключения ЛДС. Качество цвета на уровне 70%.

Необходимо учесть, что 2700 Кельвинов — цветовая температура лампочек накаливания, и ЛЛ с такой же цветовой температурой будет излучать лучи, воспринимаемые человеческим зрением, желтого цвета. С учетом восприятия человеком цветности свечения изготовляются люминесцентные устройства разной цветовой температуры.

Многие ЛЛ (энергосберегающие источники свечения) компактной формы излучают именно желтый свет. Цветовая температура 6500 присуща всем устройствам линейной формы и соответствует белому свету со слабым оттенком синего. Также изготовляются ЛЛ узкопрофильного назначения с температурой цвета 1300К, при включении которых наблюдается красный оттенок. В отдельных случаях для получения уникального оттенка свечения применяются цветные ЛДС.

Оттенки света и цветопередача

Чтобы разобраться с этими понятиями, давайте вспомним, что такое белый свет. Как известно, белый свет включает в себя все цвета радуги. Освещенные предметы имеют такой цвет, какой свет они отражают. Предметы черного цвета поглощают все цвета, то есть все составляющие белого света, поэтому мы их видим черными. Для нас наиболее привычным является белый солнечный свет. И цвета окружающих нас предметов выглядят естественно только в солнечном свете. В белом свете искусственных источников цвета предметов смотрятся уже не так натурально, а скорее не так привычно. Искажения вызваны спектром, излучаемым такими источниками света. Чем ближе спектр искусственного источника к спектру солнечного, тем лучше цветопередача.

Известно, что твердые тела при нагревании до определенной температуры начинают испускать свет. В зависимости от значения температуры этот свет приобретает разные оттенки, от красного до ослепительно-белого. Таким образом, существует строгое соответствие между температурой разогрева твердого тела и цветом света, который оно при этой температуре излучает. Поэтому и были введены в обращение такие параметры, как индекс цветопередачи и цветовая температура, характеризующие искусственный свет.

Монохроматические люминесцентные лампы чаще всего используют для декоративного оформления витрин и вывесок. Выпускаются люминесцентные лампы разной длины и формы

Подключение к сети

Простейшая схема подключения ламп дневного света выполнена на основе стартера, дросселя (балласта) и конденсатора. Сами лампы не предусматривает их прямого включения в электрическую цепь, так как в отключенном состоянии люминесцентные устройства имеют высокое сопротивление, преодолеть которое можно только импульсом высокого напряжения.

Возможно также последовательное соединение двух ламп, при этом стартеров будет 2 штуки, а дроссель один, но он должен быть рассчитан на суммарную мощность ламп. Схема светильника на 2 лампы приведена ниже. На схеме нет конденсатора, но он также может быть установлен на входе светильника.

Принципиальная схема светильника иногда наносится на корпус стартера.

Дроссель (балласт), включается в электроцепь в качестве дополнительного сопротивления, предохраняющего от короткого замыкания. Стартер позволяет в моменты высокого сопротивления лампы зарядить дроссель, одновременно прогреть спирали лампы.

Лампу дневного света без дросселя невозможно запустить. От того, как устроена схема подключения, зависит общее энергопотребление всех устройств, подключенных вместе с люминесцентным источником света к электрической цепи.

Электромагнитный дроссель (ЭмПРА)

Дроссель постоянного индуктивного сопротивления, подключаемый только в цепь с ЛЛ определенной мощности. Сопротивление включенного в цепь ЭмПРА при включении начинает играть роль ограничителя подачи тока к светильнику.

Конструкция ЭмПРА проста и дешева в производстве, соответственно, дешевле и лампы с электромагнитным балластом. Несмотря на свою дешевизну и простоту обладает рядом недостатков:

• длительность запуска до 3 секунд (время зависит от износа лампы);
• высокое потребление электроэнергии дросселем;
• постепенное возрастание частоты в пластинах дросселя из-за его износа;
• мерцание с двухкратной частотой электросети (100 или 120 Гц) при включении, которое отрицательно влияет на зрение;
• массивность и габаритность люминесцентных устройств (в сравнении с аналогами ЭПРА);
• вероятный отказ в работе электрической цепи с дроссельным механизмом при температуре ниже нуля по Цельсию;
• короткое замыкание, приводящее к припайке электродов дросселя к устройству, после чего его невозможно снять.

Схема подключения газоразрядных люминесцентных ламп с ЭмПРА предусматривает наличие стартера, регулирующего зажигание ЛЛ. Однако он дополнительно потребляет электроэнергию.

Электронный дроссель

Электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА) обеспечивает лампы высокочастотным питанием 25–133 кГц. В момент включения ЛДС с электронным дросселем человек в течение короткого времени наблюдает яркое мерцание. С помощью электронного балласта реализовано два принципа работы по включению ламп.

Холодный запуск

Сразу запускает устройство, но наносит значительный вред электродам. Лампы с таким вариантов запуска рассчитаны на малую частоту включения/отключения в течение дня.

Горячий запуск

Перед включением лампы, в течение 1 секунды, происходит разогрев электродов, затем она работает. Также присутствует тепловой индикатор, обеспечивающей устройство защитой от перегрева.

ЛЛ на основе ЭПРА более экономичные, чем и заполучили значительную популярность, чего нельзя сказать об аналогах ЭмПРА.

Основные свойства ртутного разряда низкого давления

Основная часть мощности излучения ртутного разряда низкого давления, используемого в люминесцентной лампе, сосредоточена в резонансных линиях ртути с длинами волн 253,65 и 184,95 нм. Это излучение возникает в столбе разряда при давлении паров ртути 1 Па и плотности тока около 10 А/мм². Давление насыщенных паров ртути определяется, как известно, температурой наиболее холодной части колбы лампы, содержащей ртуть в жидкой фазе.

Рисунок 2. Зависимость потоков излучения резонансной линии ртути λ = 253,65 нм от давления ее паров: 1 – ртуть с добавкой аргона; 2 – чистая ртуть

Излучение резонансных линий зависит от давления паров ртути, рода и давления используемого в лампах инертного газа. Такая зависимость для чистой ртути и ртути с аргоном приведена на рисунке 2. Увеличение потока излучения в лампах, наполненных парами ртути (кривая 2 на рисунке 2) при давлениях до 5 Па, практически пропорционально давлению ртути, при больших давлениях наступает насыщение. Последнее связано с тем, что при увеличении давления возрастает концентрация атомов ртути, приводящая к росту числа соударений атомов ртути с электронами, увеличению числа возбужденных атомов и как следствие к росту числа испускаемых фотонов.

Введение добавки инертного газа (кривая 1 на рисунке 2) увеличивает выход резонансного излучения атомов ртути, так как наличие инертного газа даже в небольших концентрациях приводит к возрастанию давления в лампе. В ртутном разряде имеется также значительная концентрация нестабильных атомов, которые обычно оседают на стенках трубки, повышая ее температуру. При увеличении давления в лампе, наполненной инертным газом, вероятность достижения метастабильными атомами стенок без соударения с другими атомами газа или электронами резко снижается. В результате большая часть атомов ртути переходит в возбужденное состояние с последующим излучением энергии, что увеличивает световую отдачу.

На рисунке 3 показана зависимость выхода резонансного излучения для линии ртути 253,65 нм от плотности тока J. Так как основным источником резонансного излучения является столб разряда, занимающий лишь часть пространства между электродами, то очевидно, что световая отдача резонансного излучения будет зависеть от длины лампы, с увеличением которой влияние катодной области, не участвующей в создании резонансного излучения, будет уменьшаться. На рисунке 4 приведена зависимость световой отдачи люминесцентной лампы от ее длины l.

Рисунок 3. Зависимость выхода резонансного излучения ртути λ = 253,65 мм от плотности тока	Рисунок 4. Зависимость световой отдачи люминесцентной лампы от ее длины

Падение напряжения на лампе убывает с ростом плотности тока. Это означает, что градиент потенциала на единице длины столба разряда также уменьшается с ростом плотности тока. Значение падения напряжения на единице длины столба в зависимости от тока необходимо для расчетов, связанных с определением параметров лампы. На рисунке 5 дана зависимость градиента потенциала E на единицу длины столба от тока для ламп различного диаметра, а на рисунке 6 – зависимость падения напряжения в катодной области разряда Uк от давления и рода наполняющего газа. У люминесцентной лампы с самокалящимися оксидными катодами катодное падение напряжения, полученное путем экстраполяции зависимости напряжения на лампе от длины столба разряда составляет от 12 до 20 В. Поэтому для большинства типов люминесцентных ламп считают, что на катодное падение напряжения приходится 10 – 15 В, а на анодное 3 – 6 В.

Рисунок 5. Зависимость градиента потенциала на единицу длины положительного столба от тока для ламп различного диаметра, мм: 1 – 19; 2 – 25; 3 – 38; 4 – 54	Рисунок 6. Зависимость падения напряжения в катодной области разряда от давления и рода инертного газа (давление паров ртути около 1 Па)

В современных люминесцентных лампах применяют, как правило, оксидные катоды, работающие в режиме самоподогрева с катодным пятном и повышенной термоэлектронной эмиссией со всей поверхности. Конструкции оксидных катодов показаны на рисунке 7.

Рисунок 7. Конструкции катодов люминесцентных ламп: а – холодный катод тлеющего разряда; б – самокалящийся оксидный катод; 1 – катод; 2 – анод; 3 – электроды

Количество активирующего вещества, содержащегося в оксидном слое, определяет фактический срок службы ламп, так как именно это вещество расходуется в процессе горения.

Концы вольфрамовой проволоки, составляющей основу самокалящегося оксидного катода, выводятся наружу лампы, что позволяет пропускать через него ток как для обработки и активирования катода, так и для его предварительного прогрева в целях снижения напряжения зажигания в условиях эксплуатации. В процессе образования оксидного слоя на поверхности раздела вольфрамовой проволоки и оксидной пасты возникает промежуточный слой благодаря диффузии ионов щелочноземельных металлов внутрь поверхностного слоя вольфрама. Это способствует переходу электронов из вольфрама в оксид. Их выход в газоразрядный промежуток обеспечивается за счет малой работы выхода нагретого бария. После образования дугового разряда выход электронов концентрируется на катодном пятне, расположенном у новой лампы вблизи того конца электрода, который непосредственно присоединен к источнику питания. По мере обеднения барием, испаряющимся внутрь лампы, катодное пятно перемещается по спирали электрода к противоположному концу, что приводит к постепенному незначительному повышению напряжения на лампе. В конце срока службы лампы, когда барий израсходован вдоль всего оксидного катода, значительно повышается напряжение зажигания лампы; лампа включаемая с обычной пускорегулирующей аппаратурой, перестает зажигаться.

В настоящее время отсутствует полный метод расчета катодов. Поэтому их разработка осуществляется на основе опытных данных и представляет собой один из наиболее трудоемких процессов создания люминесцентных лап.

Оптимальный выход резонансного излучения зависит от давления насыщающихся паров ртути, которое определяется температурой наиболее холодной части колбы. Температура концов колбы, в которых расположены катоды, довольно высокая, так как температура термоэлектронной эмиссии оксидного катода превышает 1200 К. Таким образом, при отсутствии каких-либо специальных устройств в обычных люминесцентных лампах наиболее холодной будет область столба разряда в середине колбы. Зависимость температуры колбы tк от мощности P1ст, выделяющейся в столбе разряда, приходящейся на единицу внешней поверхности и зависящей от внешнего диаметра трубки колбы, может быть получена из соотношения

Рисунок 8. Зависимость температуры внешней поверхности трубки люминесцентной лампы при давлении аргона 400 – 500 Па от тока и диаметра трубки, мм: 1 – 10; 2 – 25; 3 – 38

P1ст = π × d2 × c × (tк – tв),

где c – коэффициент, слабо зависящий от диаметра трубки d2; tв – температура окружающей среды (воздуха).

Ввиду того что на поточных линиях производства трудно измерять диаметр трубок, для изготовления ламп разной мощности выбран определенный ряд диаметров – 16, 25, 38 и 54 мм. Зависимость температуры внешней поверхности трубки ламп от тока и диаметра приведена на рисунке 8. Из рисунка видно, что с ростом тока, то есть мощности ламп для получения практически приемлемой длины и обеспечения температуры стенки, необходимо увеличивать диаметр трубки колбы. Лампы одинаковой мощности можно, в принципе создать в колбах различного диаметра, но при этом они будут иметь разную длину. Для унификации ламп и возможности их применения в различных светильниках длины люминесцентных ламп стандартизированы и составляют 440, 544, 900, 1505 и 1200 мм.

Причины неисправности

Электроды ЛДС представлены вольфрамовой спиралью, покрытой активными щелочными металлами, которые обеспечивают заряд. С периодом эксплуатации активная масса осыпается с электродов, они приходят в негодность.

В момент включения лампы (пуск разряда и последующий разогрев электродов) происходит дополнительная нагрузка на активную массу, что еще сильнее разрушает ее. На участках с наибольшей потерей активной массы поступает меньше напряжения, что приводит к неравномерной отдаче, и человек наблюдает мерцание лампы в период ее работы. Также осыпание активной массы приводит к полной неисправности лампы, а на концах трубки появляется темный оттенок.

Отсюда следует, что срок службы ЛЛ зависит еще от качества активной массы и частоты включения лампы. Но даже при этих ограничениях срок службы ЛДС как минимум намного выше (2000 запусков против 1000 у обычных лампочек накаливания).

Принцип работы люминесцентного светильника

Как работает люминесцентная лампа? Сначала образуются свободно движущиеся электроны. Это происходит в момент включения питающего переменного напряжения в областях вокруг вольфрамовых нитей накаливания внутри стеклянного баллона.

Эти нити за счет покрытия их поверхности слоем из легких металлов по мере нагрева создают эмиссию электронов.

Внешнего напряжения питания пока недостаточно для создания электронного потока. Во время движения эти свободные частицы выбивают электроны с внешних орбит атомов инертного газа, которым заполнена колба. Они включаются в общее движение.

На следующем этапе в результате совместной работы стартера и электромагнитного дросселя создаются условия для увеличения силы тока и образования тлеющего разряда газа. Теперь наступает время организации светового потока.

Движущиеся частицы обладают достаточной кинетической энергией, необходимой для перевода электронов атомов ртути, входящей в состав лампы в виде небольшой капли металла, на более высокую орбиту. При возвращении электрона на прежнюю орбиту высвобождается энергия в виде света ультрафиолетового спектра. Преобразование в видимый свет происходит в слое люминофора, покрывающего внутреннюю поверхность колбы.

Типы исполнения

Люминесцентные устройства подразделяются на два типа по варианту исполнения колбы.

Линейные лампы

Эти ЛЛ представлены ртутными лампами низкого давления. Большая часть света этих ламп излучается люминофором. Люминесцентные устройства, крепящиеся на потолок, являются основным представителем линейных ЛЛ. Потолочный светильник дневного света получил огромный спрос во всем мире в помещениях различного назначения.

Среди линейных ламп в России распространены ЛДС с круглой трубкой Т8 (D=26 мм) и цоколем типа G13. Мощность этих ламп взаимосвязана с размером трубки — стандартные ЛДС мощностью 18 W имеют длину трубки 600 мм, а лампы 36 W уже вдвое длиннее, 1200 мм. Также существуют лампы других мощностей, но они получили меньшее распространение либо у них узкий круг применения.

Стоит отметить, в советский период наибольшее применение получили ЛДС с колбой Т12, диаметр которой составлял 38 мм. Эти лампы были более энергозатратными — 20 W короткие и 38 W длинные против 18 W и 36 W соответственно. Также встречались лампы с трубкой Т10 (32 мм), но они не получали широкого спроса по сравнению с T12.

В западных странах в последние годы стали преобладать лампы с трубкой последнего поколения Т5 диаметром 16 мм. Они достаточно тонкие и получили более обширное применение в интерьере.

Если затрагивать технологический прогресс, то буквально недавно китайские разработчики создали устройство с колбой Т4 (12,5 мм). Это только новинка, которая еще не получила обширного применения, и о перспективах таких трубчатых ламп пока рано говорить. ЛДС с еще меньшим диаметром трубки на практике пока не сделали.

Двухцокольная прямолинейная лампа представляет собой стеклянную трубку с вваренными на концах стеклянными ножками, в которые вмонтированы электроды. Герметично запаянная трубка содержит аргоном или неон, обогащенный ртутью, которая при включении лампы переходит в газообразное состояние. Цоколи на концах трубки оснащены контактами для подключения лампы в цепь.

Линейные ЛДС потребляют всего 15% от потребления лампы накаливания, обеспечивая аналогичную освещенность. Эти лампы часто встречаются на производстве, в офисах, транспорте.

Компактные лампы

Представляют собой светильники дневного света с изогнутой трубкой.

Компактные лампы могут иметь свободную (любую) форму колбы и распространены для частного использования. К компактным люминесцентным устройствам также относятся, так называемые, энергосберегающие лампы.

Также распространены компактные лампы под патроны стандарта Е14, Е27, Е40, которые применяются в светильниках.

Устройство и принцип работы ламп

Люминесцентные лампы низкого давления явились первыми газоразрядными лампами, которые благодаря высокой световой отдаче, хорошему спектральному составу и большому сроку службы нашли применение для целей общего освещения, несмотря на некоторую сложность их включения в электрическую сеть. Высокая световая отдача люминесцентных ламп достигнута благодаря сочетанию дугового разряда в парах ртути низкого давления, отличающегося высокой эффективностью перехода электрической энергии в ультрафиолетовое излучение, с преобразованием последнего в видимое в слое люминофора.

Люминесцентные лампы представляют собой длинные стеклянные трубки, в торцы которых впаяны ножки, несущие электроды (рисунок 1). Электроды представляют собой вольфрамовую биспираль или триспираль с нанесенным на нее слоем активного вещества, обладающего низкой работой выхода при температуре нагрева около 1200 К (оксидные катоды), либо холодный оксидный катод с увеличенной поверхностью, исключающей превышение его температуры во время горения лампы.

Рисунок 1. Схема люминесцентной лампы: 1 – ножка; 2 – электрод; 3 – катод; 4 – слой люминофора; 5 – трубка колбы; 6 – цоколь; 7 – ртутные пары

Оксидный катод покрыт слоем эмитирующего вещества, состоящего из оксидов щелочноземельных металлов, получаемых при нагреве и разложении карбонидов (BaCO3, CaCO3, SrCO3). Покрытие активировано малыми примесями щелочноземельных элементов. В результате наружная поверхность катода превращается в полупроводниковый слой с малой работой выхода. Оксидные катоды работают при 1250 – 1300 К, обеспечивая большой срок службы и малые катодные падения напряжения.

В трубку люминесцентной лампы введены небольшое количество ртути, создающее при 30 – 40 °С давление ее насыщающих паров, и инертный газ с парциальным давлением в несколько сотен паскалей. Давление паров ртути определяет снижение напряжения зажигания разряда, а также выход ультрафиолетового излучения резонансных линий ртути 253, 65 и 184,95 нм. В качестве инертного газа в люминесцентной лампе используют главным образом аргон при давлении 330 Па. В последнее время для наполнения ламп общего назначения применяют смесь, состоящую из 80 – 90 % Ar и 20 – 10 % Ne при давлении 200 – 400 Па. Добавка инертного газа к парам ртути облегчает зажигание разряда, снижает распыление оксидного покрытия катода, увеличивает градиент электрического потенциала столба разряда и повышает выход излучения резонансных линий ртути. В люминесцентных лампах 55% мощности приходится на долю линии 253,65 нм, 5,7% – линии 184,95 нм, 1,5 – 2% – линии 463,546 и 577 нм, на световое излучение других линий – 1,8%. Остальная мощность расходуется на нагрев колбы и электродов. На внутреннюю поверхность трубки равномерно по всей ее длине наносят тонкий слой люминофора. Благодаря этому световая отдача ртутного разряда, равная 5 – 7 лм/Вт, возрастает до 70 – 80 лм/Вт в современных люминесцентных лампах мощностью 40 Вт. При использовании люминофоров на основе редкоземельных элементов световая отдача люминесцентной лампы диаметром 26 мм повышается до 90 – 100 лм/Вт.

Используемое в люминесцентных лампах низкое давление паров ртути, получающееся при температуре колбы, мало отличающейся от температуры внешней среды, делает ее параметры зависящими от внешних условий. Эксплуатационные параметры ламп определяются параметрами пускорегулирующей аппаратуры.

Ввиду многообразия и сложности указанных выше зависимостей рассмотрим каждую из них отдельно. При этом будем иметь в виду, что в реальных условиях работы ламп они взаимосвязаны.

Варианты применения

В настоящее время люминесцентные устройства получили большое применение, как в освещении промышленных объектов, так и в организации интерьера помещения. Светильники с лампами дневного и белого света применяются во многих целях:

• Люминесцентные светильники ЛБ 40 низкого давления, предназначенные для освещения всей площади помещения закрытого типа.
• Люминесцентная лампа для аквариумов и комнатных растений, обеспечивающая локальное освещение.
• Фитолампы (цветочные светильники) — люминесцентные лампы для цветов и растений.
• Настольная и настенная лампа дневного света, придающая мягким освещением уютную обстановку при чтении или отдыхе.

Маркировка

Маркировка устроена так, что потребитель без труда сможет выбрать необходимую ЛЛ при покупке. Наиболее распространены следующие обозначения:

• ЛБ (белый свет);
• ЛД (дневной свет);
• ЛХБ (холодно-белый свет);
• ЛТБ (тёпло-белый свет);
• ЛЕ (естественный свет);
• ЛХЕ (холодный естественный свет).

Видимый оттенок напрямую зависим от цветовой температуры. Цветовая температура ЛДС составляет 6400–6500К, что соответствует примерной цветности белого света.

Помимо типа лампы также указываются необходимые технические характеристики лампы: напряжение, форма, размеры и так далее. Маркировка наносится на стеклянную колбу или корпус ЛДС.

Все без исключения ЛДС содержат газы, насыщенные парами ртути. При происшествиях, в результате которых лампа разбилась, пары ртути проникают в воздух.

В дальнейшем ртуть может оказаться в организме человека и нанести вред здоровью. Поэтому стоит бережно обращаться с люминесцентными лампами.

Обзор плюсов и минусов

Если более подробно изучить характеристики основных вариантов источников света (галогенные, лампы накаливания, люминесцентные и светодиодные аналоги), то можно выделить их сильные и слабые стороны. Например, по интенсивности нагрева из всех существующих конструкций выигрывают лишь светодиодные исполнения, тогда как люминесцентные лампы все же греются, хоть и в несколько меньшей мере, чем источники света с нитью накаливания.

Еще один параметр для сравнения – срок функционирования. Безусловно, лидируют светодиодные исполнения (в среднем до 50 000 часов работы). Однако из всех остальных аналогов люминесцентные лампы выделяются довольно продолжительным периодом эксплуатации (от 4 000 до 20 000 часов), на что оказывают влияние условия работы.

Каким производителям отдать предпочтение?

Одни из наиболее известных марок на сегодняшний день: Philips, Osram, General Electric. Ассортимент осветительной техники очень широк и порой довольно трудно разобраться в том, какой производитель надежнее и ответственнее подходит к работе. Ведь стоимость люминесцентных источников света довольно большая, поэтому важно сразу сделать правильный выбор и купить лампу высокого качества.

Условные обозначения от производителей

Особого доверия заслуживают изделия первых двух из вышеназванных марок, так как они занимаются производством разнотипных источников света, включая и светильники с люминесцентными лампами, и по каждому направлению отмечается высокое качество продукции. Кроме того, все три завода-изготовителя на рынке уже довольно давно.

Эксплуатация

Значительные перепады напряжения в сети оказывают негативное воздействие на такие источники света. Особенно нежелательна перегрузка в большую сторону (выше 240 В). Рекомендуется также включать лампу лишь после ее полного остывания. Допустимые значения температуры окружающей среды для эксплуатации источника света лежат в пределах диапазона: от -15 до +40 градусов.

Маркировка российской продукции

Запрещено использовать люминесцентные лампы наряду со стандартными светорегуляторами (диммерами).

Еще одно ограничение в эксплуатации заключается в том, что данный вид источника света несовместим с электронными коммутирующими устройствами типа датчика движения, освещенности или таймера.

Степень безопасности, утилизация

В полностью исправном состоянии такие лампочки не представляют угрозы жизни и здоровью человека или животного. Но внутри колбы содержатся пары ртути, хоть и в небольших количествах. А, кроме того, встречаются более безопасные исполнения, содержащие амальгамы (ртуть растворяется в металлах), но данный вариант встречается реже.

Сегодня существуют специализированные организации, которые официально занимаются утилизацией токсичных отходов. Поэтому в случае нарушения целостности корпуса лампы в первую очередь необходимо покинуть помещение, затем вызвать соответствующее подразделение.

Таким образом, люминесцентные лампы во многом превосходят более простые аналоги (например, с нитью накаливания). В чем-то данный вид изделий уступает светодиодным источникам освещения. Но важно подбирать лампу на основании соответствия ее основных параметров условиям работы, а не подбирать наиболее популярный вариант.

Где купить

Максимально быстро приобрести LED лампы можно в ближайшем специализированном магазине. Оптимальным же, по соотношению цена-качество, остаётся вариант покупки в Интернет-магазине АлиЭкспресс. Обязательное длительное ожидание посылок из Китая осталось в прошлом, ведь сейчас множество товаров находятся на промежуточных складах в странах назначения: например, при заказе вы можете выбрать опцию «Доставка из Российской Федерации»:

Goodland E27 светодиодная лампа 220 В	2 шт./лот Светодиодная лампа E14/Е27, от 3 до 20 Вт	Светодиодная лампа-кукуруза для холодильника, 2 шт./лот, 3 Вт, E14
Светодиодная лампа с Bluetooth, E27, E14, GU10, RGB	Светодиодный ночной светильник Plutus-Quinn	10 шт. светодиодный светильник E14/E27

Лампы производства Philips Lighting

Спектры новых ламп производства этой фирмы даны в отдельном разделе

Подробней обозначения и цвета ламп даны здесь. Из сравнения спектров видны отличия в спектре между обычной лампой и лампой с улучшенным коэффициентом цветопередачи (CRI), но с меньшим световым потоком.

Cool White — CW (4100K)Cool White Deluxe — CWX (4200K) — лампа с улучшенной цветопередачейWarm White — WW (3000K)Warm White Deluxe — WWX (3000K) — лампа с улучшенной цветопередачейWhite — W (3500K)Modern White Deluxe — MWX (3450K) — лампа с улучшенной цветопередачейUtlralume U85 — 85U (5000K) — один из новых типов ламп с улучшенными характеристиками — большим количеством света и улучшенной цветопередачей.Colortone 50 — C50 (5000K) — аналогична лампе GE SunShine — лампа с широким спектром близким к солнечному.

к началу страницы назад к оглавлению