Трубчатые люминесцентные лампы

Виды ионных приборов

Все ионные (газоразрядные) приборы можно подразделить на два класса:

1) приборы для преобразования электрического тока и управления им;

2) приборы для преобразования электрической энергии в свет (осветительные и индикаторные).

К приборам первого класса относятся газотроны и игнитроны, использовавшиеся ранее для выпрямления переменного тока промышленной частоты в системах электропитания. В настоящее время их заменили полупроводниковые выпрямители.

К этому же классу относятся тиратроны – ионные приборы с управляющим электродом, называемым, по аналогии с электронными лампами, сеткой. По функционированию в электрической цепи тиратроны подобны тиристорам, то есть, являются не полностью управляемыми приборами; если в исходном состоянии прибор не проводит ток между анодом и катодом, то подача напряжения на управляющую сетку вызывает ионизацию газа в баллоне прибора и переход его в состояние высокой проводимости. Для возврата в непроводящее состояние нужно, как и у тиристора, понизить падение напряжения на приборе до напряжения выключения. Разновидности тиратронов: тиратроны с накаливаемым катодом, тиратроны с холодным катодом, тиратроны водородные.

Для полноты следует упомянуть и газоразрядные стабилизаторы напряжения, у которых на вольт-амперной характеристике имеется участок с малым дифференциальным сопротивлением. Их полупроводниковый аналог – кремниевые стабилитроны (диоды Зенера).

Все перечисленные приборы имеют функциональные аналоги среди полупроводниковых приборов, причем, с несравненно лучшими характеристиками. Поэтому газоразрядные приборы первого класса в настоящее время не применяются.

Второй класс газоразрядных приборов – источники света - многочислен и продолжает пополняться в настоящее время. В этих приборах используется преобразование электрической энергии внешнего источника тока в энергию возбужденных атомов газа, а затем в энергию квантов света, излучаемого атомами при их переходе в невозбужденное состояние. Все приборы этого класса можно подразделить по применению на осветительные и индикаторные. К осветительным относятся:

1) трубчатые люминесцентные лампы низкого давления;

2) ртутно-кварцевые лампы высокого давления;

3) натриевые лампы;

4) ксеноновые лампы.

К индикаторным газоразрядным приборам относятся:

1) неоновые лампы и знаковые индикаторы;

2) плазменные панели.

Трубчатая люминесцентная лампа (ЛЛ) - широко распространенный источник света. Представляет собой стеклянную трубку, заполненную смесью инертных газов и паров ртути. С торцов в трубку впаяны накаливаемые оксидные катоды. Рабочее давление смеси газов и паров 1…4 мм рт. ст. Спектр излучения смеси, заполняющей лампу, содержит мало видимого света и много ультрафиолетового, поэтому у осветительной лампы стенки трубки изнутри покрыты люминофором, преобразующим падающий на него ультрафиолетовый свет в видимый.

Основные параметры трубчатой люминесцентной лампы:

номинальная мощность (от 4 до 80 Вт);

световая отдача в лм/Вт (растет с ростом мощности);

характер спектра свечения;

номинальные постоянные напряжение на лампе и ток через нее;

геометрические параметры: форма трубки и ее размеры;

продолжительность горения в стандартном режиме (от 6 до 15 тысяч часов).

В обозначении трубчатой люминесцентной лампы отечественного производства указывают номинальную мощность, характер спектра свечения и особенности конструкции. Например, ЛБ20 – трубчатая прямая люминесцентная лампа белого цвета свечения мощностью 20 Вт, ЛБУ32 – то же U-образная, ЛБК40 - то же кольцевая, ЛД40 – дневного света, ЛБЦ40 –с исправленной цветностью, и т. п.

Номинальное постоянное напряжение на лампе меньшее у ламп малой мощности и растет до 100…110 В у более мощных (40 – 80 Вт) ламп. То же относится к току.

Световая отдача ЛЛ в 3…5 раз выше световой отдачи ламп накаливания и зависит от подводимой мощности почти линейно. Спектр свечения ЛЛ не зависит от электрического режима. Этим, а также длительным сроком службы ЛЛ выгодно отличаются от ламп накаливания.

Статическая вольт-амперная характеристика дугового разряда в ЛЛ имеет падающий рабочий участок, поэтому в цепь с источником напряжения лампа включается последовательно с балластом. В цепи постоянного тока требуется резистивный балласт, что неэкономично. Обычно трубчатые ЛЛ применяют в цепях, питаемых от источника переменного напряжения. В этом случае в качестве балласта используют дроссель.

Традиционная схема включения ЛЛ в цепь переменного тока показана на рис.21. Дроссель L включен последовательно с лампой HL, свободные выводы подогревных катодов могут замыкаться стартером ST. Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии напряжение от источника не подано, катоды лампы холодные и не эмиттируют электроны, контакты стартера замкнуты. С подачей напряжения ток начинает протекать через дроссель, стартер и катоды; последние нагреваются и начинают испускать электроны. Биметаллический контакт стартера также нагревается проходящим током, изгибается и по прошествии некоторого времени размыкается; попытка разорвать цепь тока через дроссель вызывает генерацию им напряжения самоиндукции, величина которого U_L = - Ldi/dt ограничена только скоростью размыкания цепи. К этому моменту времени вблизи каждого катода достаточно электронов, и импульс напряжения самоиндукции вызывает пробой газоразрядного промежутка и развитие газового разряда. В дальнейшем контакт стартера поддерживается в разомкнутом состоянии и не препятствует разряду в ЛЛ, так как в стеклянном баллоне стартера имеется газ, в котором протекает тлеющий разряд, и ток этого разряда подогревает биметаллический контакт стартера. Ток разряда в лампе протекает через дроссель и ограничивается им.

При питании от источника переменного напряжения ток одного направления протекает через лампу в течение половины периода, затем направление тока и полярность напряжения на лампе изменяются на противоположные. Происходит это с запаздыванием по фазе относительно питающего напряжения вследствие наличия в цепи индуктивного сопротивления дросселя. В момент изменения направления тока разряд в лампе погасает, затем вновь быстро зажигается благодаря самоиндукции дросселя, а также тому факту, что деионизация за такое короткое время произойти не успевает.

Совокупность приборов и элементов, служащих для обеспечения нормальной работы люминесцентной лампы от определенного источника питания, называется пускорегулирующим аппаратом (ПРА). Недостатки дроссельного ПРА следующие: пульсации светового потока с удвоенной частотой питающего напряжения, на частоте сети 50 Гц воспринимаемые человеческим глазом; большие масса и габариты дросселя; невысокий коэффициент полезного действия; низкий коэффициент мощности из-за индуктивной реакции балласта; чувствительность к колебаниям напряжения питания и понижению температуры окружающей среды; снижение срока службы лампы из-за неоптимального режима пуска, при котором происходят неоднократные попытки пуска на недостаточно прогретых катодах.

Последнее нужно пояснить. Если размыкание контакта стартера произошло раньше, чем достигнута необходимая эмиссия катодов, облако электронов недостаточно и не способно защитить катод от бомбардировки положительными ионами, поэтому в такие моменты оксидное покрытие катода интенсивно распыляется в прикатодном пространстве. Вследствие этого эмиссионная способность катодов снижается, а напряжение зажигания возрастает. Размыкание контакта стартера происходит в моменты, не синхронизированные с питающим напряжением и током в дросселе, поэтому энергии дросселя может оказаться недостаточно для формирования зажигающего импульса, особенно для лампы с повышенным напряжением зажигания. Включившись на короткое время, лампа вновь выключается, затем включается, и такое продолжается от нескольких секунд до неограниченного времени. Люминесцентную лампу снимают с эксплуатации, если она перестает устойчиво включаться, или у нее заметно падает световая отдача.

Современные ПРА вместо индуктивного балласта используют полупроводниковый инвертор, повышающий частоту тока через лампу до десятков килогерц, лампа в таком ПРА включена в колебательный контур и не нуждается в стартере.

Упрощенная схема ПРА с инвертором изображена на рис. 22. Напряжение питающей сети 220 В 50 Гц выпрямляется диодным мостом D1, фильтруется конденсатором С1 и поступает в инвертор. Инвертор преобразует постоянное напряжение в переменное прямоугольной формы со скважностью, равной 2 (меандр). Это напряжение прикладывается к последовательному колебательному контуру LC1, параллельно конденсатору контура подключен разрядный промежуток люминесцентной лампы HL, катоды (нити накала) включены в контур последовательно. При включении питания запускается инвертор, в контуре возникают колебания с частотой, формируемой инвертором. Если эта частота близка или равна резонансной частоте контура, в нем возникает резонанс напряжений, сопровождающийся ростом амплитуд напряжений на индуктивности и конденсаторе контура и тока в нем. Происходит быстрый разогрев катодов и возникновение электронной эмиссии, а по достижении между катодами напряжения, достаточного для зажигания разряда, этот разряд зажигается. Пока разряда в лампе нет, добротность контура Q велика, и напряжения на его элементах нарастают. По мере прогрева катодов их сопротивления возрастают, внося увеличивающиеся потери в колебательный контур, снижая его добротность и замедляя рост напряжений. Зажигающийся в лампе разряд шунтирует конденсатор контура, еще более снижая добротность контура, тогда ток и напряжения на элементах достигают установившихся значений. Вследствие инерционности процессов в газовом разряде при частоте, превышающей 2 кГц, вольт-амперная характеристика ЛЛ утрачивает участок отрицательного сопротивления и становится линейной, что облегчает функционирование инвертора. На практике частота инверторов ПРА выбирается выше порога слышимости человеческим ухом (20 кГц) для того, чтобы исключить акустические шумы ПРА и лампы.

Полупроводниковые ПРА имеют ряд преимуществ перед традиционными с индуктивным балластом: меньшие массу и габариты, большие к.п.д. и коэффициент мощности, быстрое включение, увеличение срока службы лампы, возможность регулирования яркости.

Сравнительно недавно появились миниатюрные ЛЛ, смонтированные совместно с полупроводниковым ПРА и стандартным цоколем Е27. Эти лампы можно ввинчивать в патроны, предназначенные для ламп накаливания.

В настоящее время ЛЛ – основной источник света в промышленных и общественных зданиях, постепенно они вытесняют лампы накаливания из жилых помещений.

Дата добавления: 2014-01-07