Розрядні лампи

 

Джерела, що перетворять енергію електричного розряду в газах, парах металу або їхніх сумішах в оптичне випромінювання, називають газорозрядними джерелами.

Як газ використовують аргон, пари металів (ртуть, натрій).

Газорозрядні джерела класифікують за тиском, за принципом генерування ОВ, за видом розряду.

Залежно від тиску суміші аргону із ртуттю в трубці лампи джерела поділяють на:

- лампи низького тиску (від 0,1 до 10⁴ Па);

- лампи високого тиску (від 3·10⁴ до 10⁶ Па);

- лампи надвисокого тиску (> 10⁶ Па).

Тиск впливає на спектр випромінювання ртуті. При низьких тисках спектр наближається до монохроматичного (80 % випромінювання припадає на довжину хвилі 254 нм). У ламп високого тиску спектр випромінювання лінійчастий, у ламп СВД – наближається до суцільного.

За принципом генерування оптичного випромінювання джерела ділять на: електролюмінесцентні; фотолюмінесцентні.

Електролюмінесценція – випромінювання, що випускається атомами, молекулами, іонами речовини в результаті збудження їх електричною енергією.

Фотолюмінесценція – випромінювання речовини під впливом енергії оптичного випромінювання, що поглинається ним (при цьому довжина хвилі випромінювання завжди більша довжини оптичного випромінювання, що поглинається ).

За видом електричного розряду джерела бувають:

- дугового розряду (густина розрядного струму j_p становить десятки, сотні А/см²);

- тліючого розряду (густина розрядного струму
10^-4-10^-2А/см²);

- імпульсного розряду.

Газорозрядні джерела принципово побудовані, як показано на рис. 2.4.

Принцип дії електролюмінесцентного джерела оптичного випромінювання такий: під дією напруги, прикладеної до електродів, між ними проходить електричний струм (електрони, іони). У початковий момент запалювання лампи електричний струм проходить тільки в середовищі аргону. Зі збільшенням температури випаровується ртуть, і струм переходить на пари ртуті.

 

а б

 

Рисунок 2.4 – Будова газорозрядних джерел ОВ:

а – електролюмінесцентний; б – фотолюмінесцентний

 

Електрична енергія витрачається на нагрівання, збудження та іонізацію атомів і молекул аргону та ртуті
(і нагрівання лампи). Нагрівання випаровує ртуть і збільшує температуру лампи до якогось значення. Збудження аргону та ртуті викликає оптичне випромінювання (електролюмінесценцію).

Спектр випромінювання залежить від тиску в лампі (низький тиск l = 254 нм, високий – l = 248, 254, 265 - 277,
302 - 546 та ін.).

Іонізація атомів і молекул збільшує електричний струм у трубці і якщо його не обмежувати, то лампа вийде з ладу через руйнування електродів.

Принцип дії фотолюмінесценції: під дією напруги, прикладеної до електродів, між ними проходить електричний струм. Електрони і іони, співударяючись із атомами ртуті та аргону, збуджують їх. Аргон і ртуть (головним чином) випускають оптичне випромінювання, що поглинається люмінофором і перетворюється в більш довгохвильове оптичне випромінювання, зокрема видиме.

 

2.3.1. Люмінесцентні лампи (ЛЛ)

 

Люмінесцентні лампи являють собою розрядні джерела світла низького тиску, у яких ультрафіолетове випромінювання ртутного розряду перетворюється люмінофором у більш довгохвильове випромінювання. Конструктивно (рис. 2.5) вони являють собою циліндричну скляну колбу, закриту герметично увареними ніжками. Електроди – біспіральні, вольфрамові.

 

Рисунок 2.5 – Будова люмінесцентної лампи:
1 – штирі; 2 – цоколь; 3 – скляна колба; 4 – біспіраль;
5 – колба; 6 – шар люмінофора

 

До другої половини 70-х років ХХ століття у світильниках загального освітлення приміщень використовували лінійні люмінесцентні лампи в колбах діаметром 38 мм із галофосфатними люмінофорами потужностями 20, 40, і 65 Вт. Кращі зразки ЛЛ потужністю 40 Вт мали світлову віддачу
= 70 - 72 лм/Вт, термін служби () не перевищував
7000 годин, спад світлового потоку (Ф_л) наприкінці терміну служби досягав більше 25%, а загальний індекс передачі кольору R_a = 60 - 65.

У 1978 р. почався другий етап у розвитку ЛЛ – було освоєне виробництво енергоекономічних ламп діаметром 26 мм на нових трикомпонентних люмінофорах (гексагональних алюмінатах). У цих ЛЛ із так званим трисмуговим спектром випромінювання вдалося підвищити світлову віддачу до 94 лм/Вт (при роботі з електромагнітною ПРА) і наблизитися до 100 лм/Вт у схемах включення з електронною ПРА (ЕПРА) при одночасному поліпшенні якості передачі кольору (R_a > 80) і зниження спаду Ф_л до 15% від початкового наприкінці терміну служби. Лампи діаметром 26 мм і потужністю 18, 36, і 58 Вт споживають при роботі з високочастотною ПРА 16, 32, і 50 Вт.

За останні роки світова електролампова промисловість досягла значного прогресу в галузі вдосконалювання характеристик лінійних ЛЛ масового призначення:

1. Габаритні розміри ЛЛ зменшені по діаметру і по довжині, що оптимізована до використання зі стандартними монтажними модулями підвісних стель.

2. Значення світлової віддачі в ЛЛ нового покоління більше ніж 100 лм/Вт при роботі у схемах з електромагнітною ПРА.

3. Середній термін служби збільшений з 7-9 до 12-
15 тис. год. і більше.

4. Спад світлового потоку наприкінці терміну служби знижений з 15-20 до 5% від початкового значення.

5. Вміст ртуті в ЛЛ зменшено в середньому на 80%.

Початком третього етапу в розвитку лінійних ЛЛ можна вважати 1995-1996 рр., коли були виготовлені лампи діаметром 16 мм зі зменшеною довжиною. Першими з них на ринку з'явилися ЛЛ із поліпшеною світловіддачею (до 104 лм/Вт) потужністю 14, 21, 28, 35 Вт. Наступним кроком у розвитку цих "тонких" ЛЛ був випуск серії ламп із збільшеним одиничним світловим потоком і підвищеною яскравістю.

Лампи вмикаються та працюють лише зі спеціально розробленими для них ЕПРА, мають двоштирьковий цоколь типу G-5 і мають усі переваги ЛЛ діаметром 26 мм на трикомпонентних люмінофорах, при цьому мають більшу світлову віддачу і середній термін служби, що при тригодинному циклі включення становить 16 тис. годин. Зменшення діаметра колб нових ЛЛ на 40% дає можливість більш ефективно використовувати їх із дзеркальними відбивачами та екрануючими ґратками, зменшити висоту підвісу світильників, знизити витрату всіх вихідних матеріалів при виготовленні як самих ламп, так і світильників. При цьому забезпечується більш раціональне використання складських приміщень, зменшуються витрати на пакувальні матеріали та утилізацію відпрацьованих ламп.

Зменшення довжини нових ЛЛ на 50 мм (порівняно зі стандартними розмірами ламп діаметром 26 мм) дозволило створити на їхній базі конструкції вмонтованих світильників,
які оптимально підходять до стандартних систем підвісних стель.

Освітлювальні установки, обладнані новими світильниками із ЛЛ діаметром 16 мм, більш економічні порівняно із системами освітлення, де використовуються ЛЛ діаметром 26 мм. Економія електроенергії становить 25% і більше завдяки зниженню споживаної потужності "тонкими" ЛЛ, високій світловій віддачі, малим втратам в ЕПРА (в однолампових світильниках від 2 до 6 Вт), високому ККД світильників.

Значний вплив на показники роботи люмінесцентної лампи виявляють умови навколишнього середовища і величина живильної напруги:

- підвищення напруги призводить до нагрівання електродів і зменшення терміну служби ;

- зниження напруги призводить до збільшення кількості спрацьовувань стартера.

Оптимальна робоча температура навколишнього середовища +15 – +40ºС, при температурі < 10 ºC лампи важко запалюються (міри: теплоізоляція, включення за спеціальними схемами). Вологість φ = 75 – 80 %, підвищена вологість впливає на напругу запалювання.

Маркування ламп базується на міжнародному позначенні кольорів лампи, складається із трицифрового коду і містить інформацію щодо якості світла – індексу передачі кольору та колірної температури (рис. 2.6).

 

Передача кольору

Колірна температура

Потужність лампи

Люмінесцентна лампа

Рисунок 2.6 – Приклад маркування люмінесцентних ламп Philips

 

Перша цифра міжнародного позначення визначає індекс передачі кольору в 1х10Ra:

9 - відповідає ступеню передачі кольору 1A (Ra 90-100);

8 - відповідає ступеню передачі кольору 1B (Ra 80-89);

7 - відповідає ступеню передачі кольору 2А (Ra 70-79);

6 - відповідає ступеню передачі кольору 2B (Ra 60-69);

5 - відповідає ступеню передачі кольору 3 (Ra 50-59);

4 - відповідає ступеню передачі кольору 3 (Ra 40-49).

Крім того, індекс передачі кольору може позначатися відповідно до DIN 5035, де діапазон передачі кольору 20-100Ra поділений на 6 частин – від 1А до 4.

Друга й третя цифри вказують на колірну температуру лампи:

27 - надтепле світло / близько 2700 ºК;

30 - тепле світло / близько 3000 ºК;

40 - білий природний / близько 4000 ºК;

50 - холодне світло / близько 5000 ºК;

65 - денне світло / близько 6500 ºК.

Відповідно до ДСТ 6825-91 (МЕК 81-84) "Лампи люмінесцентні трубчасті для загального освітлення", лампи люмінесцентні лінійні, маркуються як:

 

Додавання літери Ц у кінці означає застосування люмінофора «де-люкс» з поліпшеною передачею кольору, а ЦЦ – люмінофора «супер де-люкс» із високоякісною передачею кольору.

 

2.3.2. Компактні люмінесцентні лампи (КЛЛ)

 

Перші серійні КЛЛ з'явилися на європейському ринку в 1981 році. Це були 2-канальні КЛЛ із вмонтованим стартером для роботи з виносним електромагнітним ПРА потужністю 5,7,9,11 Вт (тип PL фірми Philips і Dulux фірми Osram), a також КЛЛ типу SL (Philips) і Compacta (Osram) потужністю 9, 13, 18, 25 Вт зі світлороздільною оболонкою, вмонтованим електромагнітним ПРА та нарізним цоколем Е27.

У процесі вдосконалювання серійних і створення нових КЛЛ зусиллями фірм за останні роки були досягнуті такі показники.

1. Типовий ряд номіналів потужності з урахуванням усіх різновидів сучасних конструкцій КЛЛ: 5, 7, 9, 10, 11, 13, 15, 18, 20, 23, 24, 25, 26, 32, 36, 40, 42, 55 Вт.

2. Діапазон світлових потоків відповідно становить Ф_л = 200 - 4800 лм.

3. Світлова віддача ламп із виносним ПРА лежить у межах 50 - 80 лм/Вт, а ламп із вмонтованим ПРА – 40 - 65 лм/Вт.

4. Широка колірна гама колірних відтінків випромінювання із Т_к від 2700 ºК ("домашнє" тепле біле світло, максимально близьке до ЛН) до 6500 ºК ("холодне" денне світло).

5. Із впровадженням ЕПРА середній термін служби при стандартному циклі включень підвищується до 10000 годин.

6. Повна довжина КЛЛ залежно від конструктивного виконання та потужності знаходиться в межах від 105 мм (5 Вт) до 535 мм (55 Вт); трубки розрядних каналів мають діаметри від 12 до 17 мм.

За конструктивними ознаками КЛЛ розділяють на дві великі групи: "А" лампи для включення з виносним ПРА і штифтованими цоколями (рис. 2.7а); "Б" лампи із вбудованими ПРА та нарізними (або байонетними) цоколями (рис. 2.7б).

 

а) б)

Рисунок 2.7 – Компактні люмінесцентні лампи

 

До групи "А" входять КЛЛ із числом розрядних каналів від двох до шести, потужністю від 5 до 55 Вт і Ф_л від 200 до 4800 лм.

Лампи підгрупи "А1" (2-канальні, 5-11 Вт). "А4"
(4-канальні, 10 - 26 Вт) і "А7" (6-канальні, 13-26 Вт) забезпечені вмонтованим у цоколь стартером і призначені для включення з виносним ЕПРА. КЛЛ цієї підгрупи комплектуються
2-штифтовими цоколями, тип яких залежить від потужності лампи і кількості розрядних каналів (G23, G24d-1, G24d-2, G24d-3, GX24d-1, GX24d-2, GX24d-3).

Лампи підгруп "А2" (2-канальні, 5-11 Вт), "А3"
(2-канальні, 18-55 Вт), "А5" (4-канальні, 18-36 Вт), "А6"
(4-канальні 18-36 Вт), "А8" (6-канальні, 13-42 Вт) розраховані на включення з виносними ЕПРА. Ряд типів ламп із цієї підгрупи можуть працювати і з нарізними цоколями для прямої заміни ламп розжарювання: КЛЛ із вбудованим ЕПРА, двома, чотирма, шістьома розрядними каналами, потужністю від 5 до 23 Вт і Ф_л = 200 – 1500 Вт а також КЛЛ із убудованим ЕПРА та зовнішньою оболонкою від 9 до 25 Вт (400 – 1200 лм). Лампи малої потужності (5, 7, 11 Вт) виготовляють із цоколем електромагнітним ПРА і виносними стартерами. Конструкції
4-штифтових цоколів, що використані тут, також розрізняють залежно від типу і потужності ламп (2G7, 2Gll, G24q-2, G24q-3, 2G10, GX24q-l, GX24q-2, GX24q-3, GX24q-4).

До групи "Б" входять лампи Е14, Е27, лампи потужністю від 15 до 25 Вт із цоколем Е27 (або В22 за спеціальним замовленням).

Аналіз характеристик ламп розжарювання та люмінесцентних ламп дозволяє зробити такі висновки.

1. Значно більша світлова віддача люмінесцентних ламп порівняно зі світловою віддачею ламп розжарювання дозволяє створювати вищі рівні освітленості на робочих поверхнях при тій самій встановленій потужності, що сприяє підвищенню видимості.

2. Спектральний склад люмінесцентних ламп дозволяє забезпечити більш правильну передачу кольору, що в ряді випадків є вирішальним при виборі джерела світла.

3. Істотно більша середня тривалість горіння люмінесцентних ламп порівняно з лампами розжарювання полегшує експлуатацію освітлювальної установки, а саме заміну перегорілих ламп.

Поряд з переліченими позитивними якостями люмінесцентних ламп варто зазначити ряд їхніх недоліків:

1. Стійка робота люмінесцентних ламп забезпечується у приміщеннях при температурі навколишнього середовища від +5 до +50 °С, що не дозволяє використати їх (без спеціальних пристроїв) для освітлення поза приміщеннями.

2. Люмінесцентним лампам, як і будь-яким розрядним лампам, що живляться змінним струмом промислової частоти, властива пульсація світлового потоку, що вимагає для усунення стробоскопічного ефекту ускладнення електричних освітлювальних мереж або застосування спеціальних схем включення.

3. Для люмінесцентного освітлення характерне підвищення нижньої межі зони зорового комфорту, у межах якого освітлення сприймається як достатнє. Якщо ця межа для ламп розжарювання відповідає освітленості 30-50 лк, то для люмінесцентних ламп ЛБ вона зростає до 150-200 лк, а ламп ДРЛ – до 300 – 500 лк, що свідчить про недоцільність використання люмінесцентних ламп при низьких рівнях нормованої освітленості.