3. Газоразрядные источники света

Разрядной лампой называют лампу, в которой оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях.

Принцип действия разрядных ламп основан на электрическом разряде между двумя электродами, запаянными в прозрачную колбу. Форма колбы может быть различной формы: трубчатые, капиллярные, шаровые.

Классифицируются разрядные лампы по ряду признаков: по физическим, конструктивным, эксплуатационным, а также области применения.

Классификация по физическим признакам определяют свойства разрядных ламп, такие как спектр и цветность излучения, яркость, энергетический КПД.

Для разрядных ламп определяющим фактором являются состав газовой среды, давление компонентов газовой среды и ток. По составу газов или паров, в которых происходит разряд, они делятся на лампы с разрядом в газах; в парах металлов; в парах металлов и их соединений. По рабочему давлению разрядные лампы делятся на: лампы низкого давления – примерно от 0,1 до 10⁴ Па; высокого давления – от 3×10⁴ до 10⁶ Па и сверхвысокого давления – больше 10⁶ Па. По виду разряда – на лампы: дугового, тлеющего и импульсного разряда.

Область применения разрядных ламп определяется тем, что они имеют самую высокую световую отдачу и большой срок службы по сравнению с лампами накаливания.

Люминесцентные лампы (флуоресцентные) – это газоразрядные лампы низкого давления.

Люминесцентные лампы представляют собой разрядные источники света низкого давления, в которых ультрафиолетовое излучение ртутного разряда преобразуется люминофором в длинноволновое видимое излучение. Люминофорами называются твердые или жидкие вещества, способные излучать свет под действием различного рода возбуждения.

По характеру разряда в люминесцентных лампах классифицируются на люминесцентные лампы дугового разряда с горячими катодами, лампы тлеющего разряда с холодными катодами и лампы вихревого разряда без электродов.

Рекомендуемые материалы

Люминесцентные лампы дугового разряда можно подразделить на осветительные люминесцентные лампы общего и специального назначения. Люминесцентные лампы общего назначения  предназначены для освещения в различных областях применения.

Люминесцентная лампа низкого давления представляет собой цилиндрическую стеклянную колбу 2 (рис. 3.1), на концах которой в цоколях 1 смонтированы вольфрамовые спиральные электроды 6. На внутреннюю поверхность по всей ее длине нанесен тонкий слой твердого кристаллического порошкообразного вещества – люминофора 4. Люминофором является галофосфат кальция, дозированный марганцем и сурьмой. Изменяя пропорцию состава люминофора можно получить люминесцентные лампы с различной цветностью излучения светового потока.

Рис. 3.1. Внешний вид и разрез люминесцентной лампы:

1 – цоколь; 2 – колба; 3 – ртутные пары; 4 – слой люминофора;
5 – контактные штырьки цоколя; 6 – спиральный электрод

После откачки воздуха при изготовлении лампы внутрь колбы вводится капля ртути (20…30 мг), которая испаряется при работе лампы. Также вводится небольшое количество чистого газа – аргона, для уменьшения процесса испарения вольфрамовых электродов и ускорения зажигания лампы.

Длина и диаметр стеклянной трубки определяются мощностью лампы и напряжением, на которое она рассчитана и выпускаются с диаметром 40, 26 и 16 мм.

По форме различаются линейные, U-образные, кольцевые, а также компактные. Светоотдача люминесцентных ламп составляет примерно 40, 50, 60, 80 лм/Вт и более. Выпускаются люминесцентные лампы мощностью 20, 30, 40, 80 Вт с колбой диаметром 40 мм и  улучшенной конструкции 18, 36, 58 Вт с колбой диаметром 26 мм.

Маркировка люминесцентных ламп состоит из букв, обозначающих конструктивные признаки и цифр указывающих мощность ламп.

Первая буква – тип лампы Л – люминесцентная, ТЛ – сигнальные, ЛЛ – тлеющего разряда, ГР – трубки для световой рекламы;

вторая буква – цвет излучения Б- белый, ТБ – тепло-белый, ХБ – холодно-белый, Д – дневной, Е – естественно-белый, УФ – ультрафиолетовый, К – красный, С – синий, З – зеленый, Г – голубой;

третья группа букв – одна или две буквы Ц – высокое или очень высокое качество цветопередачи;

четвертый элемент – одна буква – особенности конструкции лампы: Р – рефлекторная, У – U-образная, К – кольцевая, Б – быстрого пуска, А – амальгамная;

пятый элемент – группа цифр – мощность лампы в ваттах.

Люминесцентные лампы включаются в электрическую сеть с помощью пускорегулирующей аппаратуры (ПРА), для зажигания и обеспечения нормального режима работы. Это усложняет конструкцию, а следовательно, стоимость осветительных приборов и некоторую сложность в эксплуатации, что безусловно является недостатками люминесцентных ламп. К недостаткам люминесцентных ламп можно отнести сложность утилизации из-за наличия в колбе ртути, ненадежная работа в температурных диапазонах до 15°С и выше 25°С, относительно низкая стабильность светового потока в течение срока службы.

Кроме указанных недостатков люминесцентные лампы обладают рядом достоинств, к которым следует отнести:

– линейный источник света, что позволяет создать более равномерное освещение и эстетическое оформление  осветительной установки;

– высокая световая отдача до 100 лм/Вт;

– большой срок службы до 10000…12000 ч;

– низкая яркость и температура поверхности колбы;

– качественная цветопередача (у отдельных серий ламп);

– относительно невысокая себестоимость изготовления.

Для зажигания люминесцентной лампы и ее нормальной работы требуется электромагнитный пускорегулирующий аппарат (ЭмПРА) или электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА), в международной практике их принято называть, соответственно «Балластом» или «Электронным балластом».

В зависимости от схемы включения ламп применяют ЭмПРА стартерные и бесстартерные.

Стартерные ЭмПРА состоят из дросселя, стартера (зажигателя) и конденсаторов.

Стартер служит для автоматического предварительного подогрева электродов и зажигания лампы. Представляет собой лампу тлеющего разряда, состоящую из стеклянного баллона 2, наполненного инертным газом – неоном (рис. 2.6, а). В стеклянном баллоне вмонтированы два электрода: один металлический, другой биметаллический. Между электродами имеется зазор 2…3 мм.

Дроссель, представляет собой катушку индуктивности с сердечником из листовой электротехнической стали. Дроссель имеет индуктивность 4…5 Гн. Такая большая величина индуктивности, как правило, достигается за счет стального сердечника с высокой магнитной проницаемостью. Дроссель создает механические вибрации светильника на частоте 50 Гц с соответствующим звуковым давлением на той частоте. Кроме того, эта индуктивность приводит к значительному сдвигу по фазе между током и напряжением и снижению коэффициента мощности.

Серьезным недостатком схемы питания на частоте питающей сети являются пульсации светового потока лампы из-за низкой инерционности люминофора, что приводит к стробоскопическому эффекту при выполнении ряда производственных операций с вращающимися механизмами.

На рис. 3.2 приведена типовая схема стартерного зажигания люминесцентной лампы, включаемой в сеть 220 В.

В момент включения лампы выключателем SA, ее электроды и стартер оказываются включенными на полное напряжение сети. Напряжения сети для зажигания лампы не достаточно, но достаточно, чтобы вызвать в стартере разряд. В стартере возникает тлеющий разряд, под действием которого биметаллический электрод  нагревается и, изгибаясь, замыкается с другим электродом неоновой лампы. Цепь стартера замыкается, и начинается процесс нагрева электродов лампы. По окончании разряда в стартере биметаллический электрод охлаждается, выпрямляется и разрывает электрическую цепь. А так как в электрическую цепь последовательно с лампой включена индуктивная нагрузка (дроссель), то в момент размыкания возникает импульс повышенного напряжения, вызывающий мощный дуговой разряд в лампе и зажигает ее.

           а)                                                                           б)      

Рис. 3.2. Схема электрическая включения люминесцентной лампы в сеть:

а – стартер (неоновая лампа тлеющего разряда): 1 – металлический электрод; 2 – стеклянный баллон; 3 – защитная оболочка;
4 – биметаллический электрод;
б – схема принципиальная: 1 – стартер; 2 – лампа; 3 – балластный дроссель

Напряжение, подводимое к электродам лампы, воздействует на свободные электроны и ионы, находящиеся в газе, заставляя их перемещаться. На своем пути движущиеся электроны и ионы сталкиваются с атомами газа и срывают с их орбит другие электроны, которые лавинообразно увеличиваю поток движущихся частиц. Срыв электронов со своих орбит сопровождается выделением квантов света. При этом резонансное излучение газов, наполняющих трубку (пары ртути, либо пары натрия), лежит в ультрафиолетовой области спектра и поэтому разряд не может быть источником видимого излучения. Поэтому на внутреннюю поверхность трубки наносится  люминофор, преобразующий ультрафиолетовое излучение газа – наполнителя трубки – в излучение видимого спектра. Люминофор должен иметь достаточно высокую инерционность для того, чтобы снизить мерцание света при питании лампы от промышленной сети.

Стартерная схема зажигания относительно проста и дешева и поэтому широко распространена, но вызывает дополнительный расход электроэнергии около 20 % из-за включения в схему дросселя.

Характеристики люминесцентных ламп

Световой поток люминесцентных источников света зависит в основном от мощности ламп, спектр излучения – от состава люминофора. Например, лампы типа ЛД испускают 92 % потока в области 460…610 нм, лампы ЛБЦ – 94 % в области 510…660 нм.

Пульсация светового потока обусловлена погасанием и перезажиганием лампы в каждый полупериод переменного тока. Освещение объектов пульсирующим световым потоком утомляет зрение, вызывает  стробоскопический эффект (кажущаяся неподвижность объекта при совпадении частот пульсации светового потока и движущегося объекта).

Пульсация светового потока характеризуется коэффициентом пульсации

,                                   (3.1)

где  – соответственно максимальное, минимальное и среднее значение светового потока лампы, лм.

Коэффициент пульсации определяется составом люминофора и схемой включения в сеть (составляет 25…40%).

Световая отдача люминесцентных ламп составляет 60…80 лм/Вт и зависит от свойств люминофора, соотношения длины и диаметра трубки лампы. Световая отдача снижается на 30…40 % к концу срока службы ламп. Это обусловлено необратимыми химическими реакциями люминофора с примесями в газах, износом электродов и другими факторами.

Срок службы люминесцентных ламп зависит от стойкости электродов. Электротехническая промышленность выпускает люминесцентные лампы со сроком службы до 10…12 тысяч часов.

Кроме стартерных схем зажигания люминесцентных ламп применяются бесстартерные схемы.

Схемы бесстартерного зажигания подразделяются на трансформаторные, импульсные.

Предприятия-изготовители для различных схем включения люминесцентных ламп (стартерных и бесстартерных) комплектуют отдельные элементы схем включения в блоки (ПРА). ПРА имеют маркировку состоящую из цифр и букв.

Маркировка ПРА:

Питание люминесцентных ламп на высокой частоте

При питании люминесцентной лампы переменным током с частотой, превышающей 20 кГц, световой поток увеличивается на 15…20 %, срок службы лампы на 20…30 %, при этом пропадают два главных фактора отрицательного воздействия на человека: пульсации светового потока и высокий уровень звукового давления. Создание мощных, относительно дешевых электронных ПРА высокой частоты стало возможным только с соответствующим уровнем развития микроэлектроники. Основной их недостаток – это высокая стоимость по сравнению с низкочастотными балластами.

В настоящее время разработаны и успешно применяются схемы зажигания люминесцентных ламп с электронными пускорегулирующими устройствами (ЭПРА) на базе полупроводниковых приборов, получившие название энергосберегающие, которые значительно улучшают качество освещения. ЭПРА служат для зажигания и стабилизации режима работы лампы, объединяя в одной схеме функции дросселя (индуктивного балласта), стартера, компенсирующих и помехозащитных конденсаторов. Электронный ПРА отключит неисправные лампы, избавляя от раздражительного мигания, а также включает лампы одновременно без шума и мерцания. Это увеличивает срок службы ламп и уменьшает расходы на обслуживание, позволяет экономить электроэнергию на 20…30%.

Ещё посмотрите лекцию "11 Понятие и содержание государственного регулирования сельского хозяйства" по этой теме.

Рис. 3.3. Схема электронного ПРА

Компактные люминесцентные лампы

Первоначальной целью выпуска компактных люминесцентных ламп являлась необходимость создания энергоэффективных ламп с относительно небольшим световым потоком для применения в бытовых осветительных приборах. Выпускаемые в настоящее время компактные люминесцентные лампы отличаются меньшими мощностями со шкалой  мощностей от 5 до 105 Вт, с диапазоном светового потока от 200 лм и выше.

Конструктивно компактные (фигурные) лампы выпускаются для работы  с выносным электромагнитным ПРА и с встроенным электронным ПРА и резьбовым цоколем типа Е27,Е40 что позволяет,  непосредственно заменять лампы накаливания, не заменяя существующий осветительный прибор.