Как устроена люминесцентная лампа?

Люминесцентные лампы (ЛЛ) находят свое применение в самых разных областях деятельности человека. Изобретение этого источника света и организация массового производства позволили значительно улучшить качественные характеристики искусственного освещения и повысить энергетическую эффективность (коэффициент полезного действия) светильников, укомплектованных ЛЛ.

Последовательная замена неэффективных ламп накаливания на люминесцентные ускорилась с началом производства компактных ЛЛ. Самые современные на сегодня светодиодные источники света, несмотря на постоянное улучшение своих характеристик, пока не достигли некоторых параметров ЛЛ, например, по такому важному показателю, как цена. Исследования физических процессов, возникающих в газах при пропускании через них электрического тока, позволили физикам и инженерам разработать источник света, в корне отличающийся от ламп накаливания, доминировавших долгое время.

Трубчатая люминесцентная лампа
Трубчатая люминесцентная лампа

Историческая справка

История создания люминесцентной лампы интересна и поучительна сама по себе. В процессе ее разработки появились дополнительно полезные и для других областей технологии: вакуумная откачка, получение разных по составу люминофоров и другие.

Сначала была изобретена вакуумная стеклянная трубка. В 1856 году немецкий изобретатель Генрих Гайслер изобрел вакуумный насос, позволивший удалять (откачивать) воздушную среду из стеклянной колбы. Впоследствии колба в виде прямолинейной трубки стала именоваться трубкой Гайслера.

На концы трубки припаивались металлические электроды для проведения экспериментов по пропусканию электрического тока либо через вакуум (остаточный газ в трубке), либо через различные газы, которые напускались после откачки воздуха. При достижении напряжения пробоя от одного электрода к другому начинал течь ток и возникало свечение слабой интенсивности, цвет которого менялся в зависимости от того, какой именно газ напускался взамен удаленного воздуха: двуокись углерода (для белого свечения) или азот (для розового).

Экспериментальная лампа Гайслера
Экспериментальная лампа Гайслера

Далее французский физик Александр Беккерель в 1859 году предложил наносить на внутреннюю поверхность стеклянной трубки тонкий слой люминесцирующего слоя (люминофора), который начинал светиться в видимой области спектра при возбуждении атомов ультрафиолетовым (УФ) излучением.

В 1901 году американец Питер-Купер Хьюитт предложил добавлять ртуть, что существенно повысило яркость нового светового источника. ЛЛ была экономичней лампочек накаливания в 8 раз, но ее излучение имело сине-зеленый оттенок, придававший человеческим лицам жутковатый трупный цвет.

На основании этих результатов знаменитый американский изобретатель Томас Эдисон в 1907 году впервые запатентовал люминесцентную лампу с люминофором из вольфрамата кальция.

За год до Эдисона аналогичную лампу смог воспроизвести Даниэль Фарлан Мур, экспериментировавший с двуокисью углерода (СО2) и азотом (N2).

Ближе всего к современному варианту ЛЛ подошли в 1927 году немецкие изобретатели Эдмунд Джермер, Фридрих Мейер и Ганс Шпаннер. Первоначальной целью их исследований было получение источника УФ-излучения. После нанесения люминофора определенного состава лампа стала давать равномерный белый свет, что привело Э. Джермера к мысли о создании нового источника дневного света, комфортного для глаз человека.

Кроме этого инженеры значительно улучшили параметры ЛЛ, увеличив давление паров ртути. Получение соответствующего патента закрепило за Э. Джермером авторские права на базовые принципы устройства ЛЛ.

Люминесцентные лампы начали массово производиться и продаваться только в 1938 году, когда лампы четырех типоразмеров были обнародованы американской фирмой «General Electric», которая выкупила патенты и надолго получила почти монопольные права на освоение этого перспективного рынка.

Как устроена современная ЛЛ

Основной принцип действия современной люминесцентной лампы заключается в получении УФ-излучения с помощью пробоя газового промежутка между электродами и последующего преобразования этого излучения в видимый свет с помощью эффекта люминесценции в специальных фосфорсодержащих покрытиях, так называемых люминофорах. Варьируя состав люминофора, получают разные цвета видимого участка спектра, от синего до красного. На рисунке ниже схематично представлен разрез типичной ЛЛ.

Кроме указанных компонентов каждая лампа наполняется инертным газом (обычно это Ar) для увеличения ресурса вольфрамовых электродов. Наличие ртути (Hg) в небольшом количестве резко увеличивает светоотдачу из-за роста плотности тока, вызванного повышением концентрации электронов, появляющихся в результате ионизации атомом этого металла. Существуют версии ламп, в которых ртуть отсутствует, а УФ-излучение появляется только от ионизации атомов инертного газа. Световой поток таких светильников существенно меньше, но зато они безопасны при эксплуатации.

Принципиальная схема люминесцентной лампы
Принципиальная схема люминесцентной лампы

Специфика подключения ЛЛ

Для получения тока через лампу требуется произвести пробой промежутка газа, для чего подается напряжение порядка 1 000 вольт. Ток растет лавинообразно, сопротивление резко падает (отрицательное дифференциальное сопротивление), что может привести к разрушению (перегоранию) лампы. Чтобы предотвратить этот процесс, применяется устройство, называемое балластом (или балластником), с помощью которого ограничивают рост тока при достижении определенного уровня. Применяются два вида балластников:

  • электромагнитное пускорегулирующее устройство (ЭмПРА) – состоит из дросселя (активной нагрузки), последовательно подключенного в цепь лампы, и стартера, подключенного между нитями накала. Стартер представляет собой небольшую неоновую лампочку;
  • электронное пускорегулирующее устройство (ЭПРА) – это по сути плата с электронными деталями (диодами, транзисторами, динисторами, микросхемами).

В электронном варианте балластника отдельный стартер не нужен – его функции реализованы на общей плате. ЭПРА работает на высокой частоте (десятки кГц), что полностью устраняет эффект мерцания, присущий ЭмПРА.

Электромагнитный балласт
Электромагнитный балласт

ЭПРА имеют ряд неоспоримых преимуществ:

  • небольшие геометрические размеры и вес;
  • отсутствие мерцания и шума от вибраций, поскольку устройства работают на высоких частотах;
  • быстрое включение ламп;
  • снижение тепловых потерь по сравнению с ЭмПРА;
  • значения коэффициента мощности – до 0,95 ;
  • наличие в устройствах нескольких вариантов защиты от короткого замыкания, что продлевает ресурс изделий и повышает безопасность.
Электронное пуско-регулирующее устройство
Электронное пускорегулирующее устройство

Типы ЛЛ

  • Высокого давления – для использования в осветительных установках большой мощности и для применения вне помещений, для повышения устойчивости к низким внешним температурам, правда, колба лампы может нагреваться до 300 °С.

Для уличного освещения эти лампы имеют общее название ДРЛ (дуговая ртутная лампа). Они имеют большую мощность , но плохую цветопередачу. Поэтому сфера их применения ограничена. Основное отличие ДРЛ от трубчатой ЛЛ состоит в способе получения дугового разряда, требующего больших затрат электроэнергии.

ДРИ – это тоже дуговые ртутные лампы с добавками солей металлов (металлогалогеновые), имеют более высокую светоотдачу и могут давать цветовые оттенки. Этот тип светильников используется в архитектурной и рекламной подсветках.

Лампа ДРЛ
Лампа ДРЛ
  • Низкого давления – для применения в быту и для освещения крупных общественных и производственных помещений. Значения давления инертного газа в диапазоне 300–400 Па. В маркировке этих люминесцентных ламп первые буквы означают следующее:
    • ЛБ – белый свет;
    • ЛД – дневной свет;
    • ЛХБ – холодный белый свет;
    • ЛТБ – теплый белый свет;
    • ЛДЦ – дневной свет с улучшенной цветопередачей.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

  • небольшая цена;
  • возможность получения различных оттенков белого цвета;
  • экономичное, по сравнению с лампами накаливания, энергопотребление;
  • незначительный нагрев поверхности лампы – не более 50 °С;
  • срок службы – до 8 000 часов. Лампы накаливания работают не более 2 000 часов;
  • световой поток – до 3 000 лм;
  • рассеянное, равномерное излучение по всей поверхности источника;
  • высокая световая отдача – до 85 лм/Вт;
  • большой выбор цветовых оттенков, не требующий применения дополнительных светофильтров.

Недостатки:

  • большие габариты (особенно для линейных ЛЛ);
  • наличие ртути (до 5 мг на одну лампу), что требует обеспечения дополнительных мер безопасности при эксплуатации;
  • проведение дополнительных работ по утилизации по окончании срока службы;
  • неравномерный спектр у дешевых ламп;
  • медленное включение, вызванное требованием постепенного разогрева электродов;
  • повышенная чувствительность к влажности;
  • мерцание с удвоенной частотой питающего напряжения при использовании электромагнитных балластников;
  • медленный запуск (или его отсутствие) при пониженных температурах внешней среды. При повышенных температурах ( более 50 °С) также высока вероятность отказов.
 Линейные ЛЛ
Линейные ЛЛ

Похожие публикации
Adblock detector