Конструктивные особенности люминесцентных ламп

Исследования разрядов в атмосфере ртути при разных давлениях выявили две области давлений, при которых разряд целесообразно использовать для целей электрического освещения:

– область низких давлений паров (0,8…1,33 Па, т.е. около 0,01 мм ртутного столба);

– область высоких давлений паров (10⁵…10⁶ Па).

Если вторая область используется при работе ламп ДРЛ, то первая – в люминесцентных лампах.

Ртутный разряд при низком давлении содержит примерно 63,7 % излучений в ультрафиолетовой области спектра (в основном при длинах волн 253,7 нм – 55 % и 184,9 нм), 34,5 % тепловых потерь и только 1,8 % излучений, приходящихся на видимую область спектра.

По этой причине возникает задача преобразования ультрафиолетовых излучений в видимые. Задача была решена С.И. Вавиловым за счёт использования люминесценции.

Люминесценция – явление свечения отдельных тел под воздействием процессов не связанных с нагревом. Существует несколько видов люминесценции, например, триболюминесценция – под воздействием трения, хемилюминесценция – под влиянием химических реакций и др. В РЛ используется фотолюминесценция – свечение люминофоров под воздействием ультрафиолетового облучения.

Люминофоры – вещества, способные преобразовывать поглощаемую ими энергию в видимые излучения. Каждый люминофор характеризуется:

– спектром поглощения;

– спектром испускания, который является сплошным.

Спектр поглощения и его максимум всегда лежит в области более коротких волн, чем спектр испускания и его максимум. Чем ближе расположены эти спектры, тем экономичнее ЛЛ.

В ЛЛ используется различные люминофоры, из которых самым распространённым вследствие меньшей стоимости является галофосфат кальция (ГФК) активированный сурьмой и марганцем. Благодаря люминофору на долю видимого излучения ЛЛ приходится до 23%. Меняя состав люминофора, можно изменить спектр излучения ЛЛ, в том числе добиться излучений близких к естественному свету. Для этих целей в ЛЛ с улучшенной цветопередачей применяют трёх- и пятислойные люминофоры.

Люминофор наносится на внутреннюю поверхность колбы (рис. 35). Стекло колбы не пропускает ультрафиолетовое излучение в окружающую среду, предохраняя зрение наблюдателей. Колба ламп, предназначенных для медицинских целей (бактерицидных, ультрафиолетовых), выполняется из кварцевого или увиолевого стекла, пропускающего ультрафиолетовое излучение. В связи с тем, что разряд в атмосфере ртути при низких давлениях имеет относительно малый градиент потенциала, т.е. падение напряжения на единицу длины разрядного столба (от 500 до 2000 В/м), а для возникновения разряда необходимо иметь достаточно большое напряжение, разрядная трубка ЛЛ должна быть весьма протяжённой.

Внутрь колбы ЛЛ вводится дозированное количество ртути так, чтобы давление её паров в рабочем режиме составляло 0,8…1,33 Па. Для обеспечения термостойкости люминофора в трубку добавляется ещё и аргон под давлением около 4 мм ртутного столба. Так как давление паров очень мало, то даже небольшие колебания температуры окружающей среды приводят к тому, что в самом холодном месте разрядной трубки ртуть конденсируется и её давление меняется. Это приводит к выходу разряда из режима, оптимального с позиций получения видимых излучений, и световой поток ЛЛ резко уменьшается. Поэтому для ЛЛ, использующих ртуть, оптимальными считаются температуры окружающей среды 18…25 °С, что соответствует оптимальной температуре стенок колбы – 40…45 °С. Чтобы поднять допустимую температуру окружающей среды до 60 °С в настоящее время вместо чистой ртути стали применять амальгамы (сплавы со ртутью) индия, скандия и других элементов.

Напряжение зажигания U_З – то минимальное напряжение, при котором в лампе возникает электрический разряд, является важнейшей характеристикой РЛ. У ЛЛ напряжение зажигания значительно превосходит напряжение сети.

На напряжение зажигания влияют:

1. Род и давление газа в разрядной трубке.

2. Материал электродов, который должен быть таким, чтобы работа выхода электрона была минимальной. С этой целью спиральные вольфрамовые электроды покрывают оксидной пленкой (плёнкой карбонатов или перекисей щелочноземельных металлов – бария, стронция). В процессе эксплуатации ЛЛ эта плёнка разрушается, и, в конечном счёте, ЛЛ теряет эмиссию.

3. Температура электродов в момент зажигания – чем она выше, тем сильнее термоэлектронная эмиссия, и тем проще зажечь разряд в ЛЛ.;

4. Расстояние между электродами – чем длиннее трубка, тем выше напряжение зажигания. В ЛЛ это расстояние может превышать 1 м. Поэтому разряд между столь удалёнными электродами сразу возникнуть не может. В ЛЛ используют специальные приёмы «приближающие» электроды.

Во-первых, электроды (1) снабжаются усами (2), между которыми и возникает первичный разряд (рис.36). Потом этот разряд переходит в разряд между электродом и трубкой и, наконец, после распространения ионизации вдоль всей трубки – в разряд (сначала тлеющий, а потом дуговой) между противоположными электродами.

Во-вторых, используют лампы быстрого зажигания (ЛБЭ). На внешнюю поверхность колбы таких ЛЛ наносится токопроводящая плёнка, соединённая с противоположным электродом через токоограничивающее сопротивление.

5. Диаметр разрядной трубки – в узких трубках напряжение зажигания выше

Классификация люминесцентных ламп

1. В зависимости от характера разряда ЛЛ подразделяются на три типа:

– ЛЛ дугового разряда с горячими электродами;

– лампы тлеющего разряда с холодными электродами;

– лампы вихревого разряда без электродов.

Лампы дугового разряда наиболее экономичны, просты в эксплуатации и получили самое широкое применение в осветительной технике. Их можно подразделить на осветительные ЛЛ общего и специального назначения

Лампы тлеющего разряда (газосветные ЛЛ) применяются для световой рекламы и сигнализации.

Лампы вихревого разряда не имеют электродов. Они были созданы в 1991-92 годах и получили название «безэлектродные индукционные люминесцентные лампы» (ИЛЛ). Создание этих ламп, по всей видимости, знаменует собой новый этап в развитии освещения – создание ИС, не имеющих себе равных по долговечности.

В ИЛЛ используется излучение высокочастотного вихревого разряда, создаваемого в смеси паров ртути и инертного газа (аргона или криптона) в шаровом или цилиндрическом баллоне с помощью индуктора (соленоида), соединенного с высокочастотным (ВЧ) генератором. Фактически во всех ИЛЛ используются три основных конструктивных узла:

– малогабаритный ВЧ генератор;

– индуктор, преобразующий ВЧ энергию в вихревой разряд;

– колба, покрытая изнутри люминофором, и заполненная инертным газом и небольшим количеством ртути.

В настоящее время выпускаются три вида ИЛЛ.

Лампы марки QL фирмы PHILIPS Lighting внешне похожи на ЛН (рис. 37). Внутри колбы находится индуктор, соединённый кабелем с отдельно расположенным ВЧ-генератором на 2,65 МГц. Эти ИЛЛ имеют мощность 55, 85 и 165 Вт, световую отдачу около 70 лм/Вт, индекс цветопередачи более 80 и продолжительность горения – 60…100 тыс. часов (!). Лампы установлены во многих крупнейших городах Европы, не смотря на то, что цена комплекта в 200о г. составляла 250 евро. Их использование целесообразно в местах, где освещение используется длительно, а замена ламп затруднена.

Лампы Genura созданы фирмой Дженерал Электрик Лайтинг в 1994 году. ВЧ-генератор этих ламп размещён непосредственно в цоколе, и они могут заменять ЛН (рис. 38). Лампы выпускаются мощностью 23 Вт, имеют световую отдачу около 50 лм/Вт, индекс цветопередачи – 82, стоимость 25 долларов, гарантийную продолжительность горения – 15 тыс. часов.

Лампы ENDURA разработаны фирмой OSRAM в конце 90-х годов. Особенностью этих ИЛЛ является форма колбы – замкнутая трубка в виде скруглённого прямоугольника и внешнее расположение двух индукторов – ферритовых колец (рис. 39).

Мощность ламп – 75, 100, 150 Вт, световая отдача – 80 лм/Вт, очень широкий диапазон рабочих температур – от –25 до 50 °С, индекс цветопередачи – более 80, продолжительность горения – 60 тыс. часов, цена комплекта – 150 евро.

2. В зависимости от назначения ЛЛ дугового разряда принято различать:

– ЛЛ общего назначения;

– ЛЛ специального назначения, к которым относятся:

– рефлекторные типа ЛБР (с отражающим зеркальным слоем в верхней части разрядной трубки) имеют направленный световой поток и предназначены для использования в запылённых помещениях;

– цветные (красные ЛК, жёлтые ЛЖ, зелёные ЛЗ, голубые ЛГ, розовые ЛР, синие ЛС);

– осветительно-облучательные типа ЛБУФ для использования в соляриях и северных городах;

– бактерицидные для обеззараживания воздуха и поверхностей;

– для светокультуры, используемые в оранжереях, аквариумах.

3. В зависимости от формы разрядной трубки имеются следующие разновидности ЛЛ дугового разряда общего назначения:

– прямые трубчатые;

– фигурные – кольцевые (рис. 40а); U-образные (рис. 40б), W-образные (рис. 40в),), которые, занимая меньший объём, позволяют снизить стоимость светильника;

– прямые желобковые – по сравнению с трубчатыми ЛЛ имеют меньшую длину при той же мощности за счет специальной формы трубки (лампа 80 Вт имеет ту же длину, что и обычная в 40 Вт). На разрядной трубке сделан ряд поперечных вдавленностей (рис. 41), что искривляет разрядный шнур, который имеет такую же длину как и в обычной трубчатой ЛЛ;

– компактные (КЛЛ) со штырьковым и резьбовым цоколем (рис. 42) с внешним и встроенным в цоколь ПРА.

4. В зависимости от диаметра разрядной трубки ЛЛ дугового разряда общего назначения подразделяются на разновидности:

– Т12 – трубка диаметром 38 мм;

– Т8 – трубка диаметром 26 мм;

– Т5 – трубка диаметром 16 мм;

– Т2 – трубка диаметром 7 мм.

Важно, что уменьшение диаметра трубки приводит к повышению экономических характеристик. Серия ЛЛ с трубкой Т8 называется энергоэкономичной. Ещё лучшие экономические показатели у серии Т5, которая в настоящее время считается наиболее перспективной. В настоящее время в западных странах использование ЛЛ с трубкой Т12 практически прекращено.

5. В зависимости от цветности излучения различают следующие разновидности ЛЛ:

ЛТБ – тёпло-белого света имеют цветовую температуру 2880…3200 К и желтоватый оттенок как у ЛН;

ЛБ – белого (нейтральнобелого) света имеют цветовую температуру 3500 К, соответствующую яркому солнечному дню;

ЛХБ – холодно-белого (универсальнобелого) света имеют цветовую температуру 4100 К;

ЛД – дневного света имеют цветовую температуру 5500…7000 К и голубоватый оттенок, соответствующий голубому небу без солнца;

Все вышеперечисленные разновидности ЛЛ, называемые стандартными, не обеспечивают оптимального различения цвета, имея индекс цветопередачи в пределах от 50 до 70. Поэтому для освещения помещений, где требуется обеспечить близкую к оптимальной цветопередачу используются специальные типы ЛЛ с улучшенной цветопередачей. В обозначении таких ЛЛ российского производства добавляется буква Ц (улучшенная цветопередача) или ЦЦ (особо улучшенная):

ЛДЦ – лампы дневного света с улучшенной цветопередачей (R = 90);

ЛЕЦ – лампы естественно белого света с улучшенной цветопередачей (R = 85);

ЛТБЦ – лампы тёпло-белого света с улучшенной цветопередачей (R = 88);

ЛХЕЦ – лампы холодно-естественного света с улучшенной цветопередачей (R = 92).

В ЛЛ с улучшенной цветопередачей используются редкоземельные люминофоры, имеющие узкополосные спектры излучения с максимумами, попадающими в видимую область спектра. Применение таких люминофоров в ЛЛ в лампах зарубежных фирм (PHILIPS Lighting, OSRAM, Дженерал Электрик Лайтинг) позволило увеличить световой поток у трёхполосных ЛЛ на 30 % по сравнению со стандартными при индексе цветопередачи 80…89 (в маркировке ЛЛ цветность обозначена как 8..), а у пятиполосных (в маркировке ЛЛ цветность обозначена как 9..) – достичь индекса цветопередачи 90…97 при незначительном (на 9 %) снижении световой отдачи.

Дата добавления: 2014-01-07