Газоразрядные лампы низкого давления

Трубчатые люминесцентные лампы низкого давления (рис. 5.2), получившие широкое применение в осветительных установках, существенно отличаются от ламп накаливания по всем своим характеристикам. В основе действия люминесцентных источников света лежат различные способы превращения отдельных видов энергии в оптическое излучение. В современных источниках света используется электролюминесценция (оптическое излучение атомов, ионов, молекул жидких и твердых тел под действием ударов электронов, ионов, ускоренных в электрических полях, до энергий, достаточных для возбуждения) и фотолюминесценция (оптическое излучение, возникающее при поглощении оптического излучения другого источника).

Общий вид ртутной люминесцентной лампы низкого давления
Рис. 5.2. Общий вид ртутной люминесцентной лампы низкого давления

Люминесцентная лампа представляет собой запаянную с обоих концов стеклянную трубку, внутренняя поверхность которой покрыта люминофором (люминофоры - твердые или жидкие вещества, способные излучать свет под действием различного рода возбуждений). Из трубки откачан воздух, и она заполнена аргоном при давлении 400 Па с добавлением капельки ртути (60-120 мг), которая при нагревании превращается в ртутные пары.

Внутри трубки на ее концах в стеклянных ножках впаяны электроды с вольфрамовой биспиральной нитью, покрытой слоем оксидов щелочноземельных металлов (бария, кальция, стронция), способствующих более интенсивному излучению электронов. Электроды присоединены к контактным штырькам, закрепленным в цоколе.

Когда к противоположным электродам подводится напряжение определенной величины, возникает электрический разряд в газовой среде лампы, с выделением теплоты, под действием которой ртуть испаряется. Такой разряд сопровождается мощным ультрафиолетовым излучением, часть которого люминофор преобразует в видимое излучение. Выбором и качеством люминофора определяется цвет излучаемого света и эффективность работы лампы.

Люминесцентные лампы дугового разряда подразделяют на лампы общего и специального назначения. Их условное обозначение состоит из нескольких букв и чисел. Первая буква (Л) характеризует принадлежность лампы к данному виду, следующие буквы означают либо цвет излучения, либо особенности спектра излучения: Б - белая; Д - дневная; Е - естественная; ТБ - тепло-белая; ХБ - холодно-белая; Ф - фотосинтетическая; УФ - ультрафиолетовая; К, Ж, Р, 3, Г - соответственно красная, желтая, розовая, зеленая, голубая; Ц - с улучшенной цветопередачей. Далее следуют буквы, означающие конструктивные особенности ламп: А - амальгамная; Б - быстрого пуска; К - кольцевая; Р - рефлекторная; U-образная; Щ - щелевая. Число после букв означает номинальную мощность в ваттах, а следующее число - отличительную особенность лампы по сравнению с базовой моделью.

Люминесцентные лампы общего назначения имеют международную маркировку Т12 и представляют собой трубчатые конструкции диаметром 38 мм. Лампы предназначены для общего освещения закрытых помещений, а также для наружных установок, питаемых от сети переменного тока напряжением 230 В частотой не менее 50 Гц. Технические данные ЛЛ в схемах стартерного зажигания приведены в табл. 5.3.

Таблица 5.3

Технические данные люминесцентных ламп

 

Тип лампы Номинальные значения Продолжительность горения (ч)
Мощность (Вт) Световой поток (лм) Световая отдача (лм/Вт) Средняя Минимальная
ЛД40-1 40 2600 65.0 15000 6000
ЛДЦ40-1 40 2200 55.0 15000 6000
ЛХБ40-1 40 3100 77.50 15000 6000
ЛБ40-1 40 3200 80.00 15000 6000
ЛТБ40-1 40 3150 78.75 15000 6000
ЛД65 65 4000 61.54 13000 5200
ЛДЦ65 65 3160 48.64 13000 5200
ЛБ65-1 65 4800 73.85 15000 6000
ЛТБ65 65 4650 71.54 13000 5200
ЛД80 80 4300 53.75 12000 4800
ЛДЦ80 80 3800 47.50 12000 4800
ЛХБ80-1 80 5200 65.00 13000 5200
ЛБ80-1 80 5400 67.50 12000 4800
ЛТБ80 80 5200 65.00 12000 4800

Серия энергоэкономичных ЛЛ в колбе диаметром 26 мм мощностью 18,36 и 58 Вт имеет международную маркировку Т8 и предназначена для общего и местного освещения промышленных, общественных, административных (ЛБ18-1, ЛДЦ18, ЛБ36, ЛБ58) и жилых помещений (ЛЕЦ18, ЛЕЦ36, ЛЕЦ58). Их особенностью является пониженная на 10 % мощность по сравнению со стандартными лампами при сохранении тех же светотехнических характеристик. Энергоэкономичные ЛЛ эксплуатируются как в светильниках, предназначенных для стандартных ламп, так и в специально разработанных (светильники типа ЛПОЗЗ, ЛП034, ЛПС18). Следует иметь в виду, что у энергоэкономичных ламп повышено напряжение зажигания, поэтому их нельзя применять в бесстартерных схемах, а для надежного зажигания в стартерных схемах рекомендуется использовать унифицированный стартер, дающий более длительный и высокий импульс напряжения (900 В вместо 400 В). Технические данные энергоэкономичных ЛЛ приведены в табл. 5.4.

Таблица 5.4

Технические данные энергоэкономичных люминесцентных ламп

 

Тип лампы Номинальные значения Продолжительность горения (ч)
Мощность (Вт) Световой поток (лм) Световая отдача (лм/Вт)  
ЛБ18-1 18 1250 69.4 15000
ЛДЦ18 18 850 47.2 15000
ЛЕЦ8 18 850 47.2 13000
ЛБ36 36 3050 84.7 15000
ЛДЦ36 36 2200 61 15000
ЛЕЦ36 36 2150 59.7 13000
ЛБ58 58 4800 82.8 15000
ЛЕЦ58 58 3330 57.4 15000

В настоящее время ведущими мировыми производителями светотехнической продукции освоен выпуск новых люминесцентных ламп (международная маркировка Т5), имеющих диаметр разрядной трубки 16 мм и обладающих рядом преимуществ по сравнению с аналогичными лампами предыдущих поколений, в частности с более высокой световой отдачей (до 104 лм/Вт), сроком службы (до 16 тыс. ч), пониженным содержанием ртути (3 мг) и др. Основные технические характеристики таких ламп даны в табл. 5.5.

Таблица 5.5

Технические данные люминесцентных ламп типа Т5

 

Номинальные значения
Мощность (Вт) Световой поток (лм) Световая отдача (лм/Вт)
14 1300 92.9
21 2000 95.2
24 2000 83.3
28 2800 100
35 3600 102.9
39 3400 87.2
54 5000 92.6
80 7000 87.5

Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) работают по такому же принципу, как и обычные люминесцентные лампы, но имеют другое конструктивное исполнение. Компактных люминесцентные лампы типа КЛС предназначены для непосредственной замены малоэффективных ламп накаливания, что позволяет экономить до 75 % потребляемой электроэнергии. Они имеют встроенный пускорегулирующий аппарат (ПРА) и снабжены стандартным резьбовым цоколем Е27. Лампы типа КЛЛ работают с выносным ПРА (типа КЛ). Выпускаются компактные люминесцентные лампы мощностью от 5 до 57 Вт со световыми отдачами комплекта "лампа - ПРА" от 30 до 75 лм/Вт и сроками службы от 6 до 12 тыс. ч.

Выпускаются также эритемные и бактерицидные лампы. Первые используются в установках искусственного ультрафиолетового облучения людей и животных, а вторые - для обеззараживания воздуха в помещениях. Колбы этих ламп изготавливаются из специального стекла, пропускающего ультрафиолетовые лучи. В бактерицидных лампах люминофор отсутствует, а в эритемных применяется специальный люминофор, обеспечивающий ультрафиолетовое излучение с диапазоном длин волн, наиболее активно вызывающих загар, первоначально сопровождающийся покраснением участков кожи человека. Название лампы "эритемная" происходит от греческого слова "эритема", что означает "краснота".

Для зажигания и горения ламп необходимо включение последовательно с ними пускорегулирующих аппаратов. Существуют стартерные и бесстартерные ПРА, причем в первых начальный подогрев электродов обеспечивается кратковременным замыканием кон-тактов стартера, включенного параллельно лампе, во вторых - подачей на электроды напряжения от специальных устройств, построенных на базе схем умножения напряжения, накальных трансформаторов и т. п. Стартерные схемы включения люминесцентных ламп (рис. 5.3) получили большее распространение, поскольку достаточно просты, имеют малые потери мощности и меньшую стоимость по сравнению с бесстартерными схемами. Однако наличие стартера иногда может приводить к "миганиям" и выходу из строя ламп. Кроме того, при пониженной температуре, если электроды лампы не успели как следует прогреться, лампа может не зажечься. Существуют различные типы стартеров. Наиболее распространенным является стартер тлеющего разряда, представляющий собой небольшую газоразрядную лампу тлеющего разряда в стеклянной колбе, заполненной смесью инертных газов (60 % аргона, 28,8 % неона и 11,2 % гелия). Стеклянная колба помещена в пластмассовый или металлический корпус. Один из электродов стартера жесткий, неподвижный, изготовленный из никеля, а второй - под-вижный, представляющий собой биметаллический элемент, состоящий из двух пластин с различными коэффициентами линейного расширения (существуют конструкции стартера с двумя подвижными контактами).

Стартерная схема включения люминесцентной лампы
Рис. 5.3. Стартерная схема включения люминесцентной лампы

В момент включения схемы в сеть к электродам лампы 1 и стартера 2 приложено полное сетевое напряжение, так как тока в цепи нет и потеря напряжения на дросселе 3 отсутствует. Пока электроды лампы не нагрелись, напряжения сети недостаточно для зажигания лампы, однако достаточно для зажигания стартера. В стартере возникает разряд и в схеме протекает ток по цепи: сеть - первый электрод лампы - стартер - второй электрод лампы - дроссель - сеть.

Значение тока в этот момент составляет всего лишь сотые доли ампера, поэтому электроды лампы сильно разогреться не могут. Но для нагрева биметаллического электрода в стартере достаточно теплоты, выделяющейся при разряде. В результате нагрева биметаллическая пластина изгибается и замыкает стартер накоротко. При этом ток в цепи возрастает до 0,5-0,6 А и электроды лампы быстро разогреваются. Поскольку тлеющий разряд, сопровождающийся выделением теплоты, в стартере при замыкании электродов прекращается, электроды стартера начинают остывать и размыкаются. Мгновенный разрыв цепи вызывает появление ЭДС на дросселе в виде мгновенного пика напряжения. При этом лампа, электроды которой уже раскалены, зажигается. После зажигания лампы в ее цепи устанавливается рабочий ток. Напряжение на зажимах лампы составляет около половины подведенного, остальная часть напряжения теряется на дросселе. Следовательно, в нормальном режиме работы лампы на зажимав стартера напряжение составляет примерно половину напряжения сети, что недостаточно для его повторного срабатывания.

Для устранения ряда недостатков, сопровождающих работу газоразрядных ламп, в схему вводятся конденсаторы 4-6. Параллельно электродам стартера включается конденсатор 4, назначение которого состоит в уменьшении амплитуды и увеличении длительности импульса напряжения, что способствует надежному зажиганию лампы. Кроме того, этот конденсатор снижает уровни радиопомех, возникающих при включении лампы. Параллельно лампе включается конденсатор 5. Он предназначен для повышения коэффициента мощности схемы. Также параллельно лампе подключаются конденсаторы 6, средняя точка которых соединяется с корпусом светильника. Они предназначены для подавления радиопомех, распространяющихся по сети.

При работе люминесцентных ламп с некомпенсированным ПРА коэффициент мощности комплекта "лампа - ПРА" в зависимости от мощности ламп находится в пределах 0,35-0,5; при двухламповых компенсированных ПРА - не ниже 0,92; при одноламповых компенсированных - не ниже 0,85.

Время зажигания ламп при номинальном напряжении электрической сети должно составлять не более 10 с, а время выхода ламп на предельные характеристики - не более 15 мин. Обычные типы ламп предназначены для работы при температуре окружающей среды 15-25 °С. При больших или меньших температурах световая отдача ламп снижается, а при температурах ниже 5 °С устойчивое зажигание ламп не обеспечивается. В жарких помещениях применяются специальные амальгамные лампы (типа ЛБА), имеющие нормальную световую отдачу при высоких температурах.

В настоящее время для зажигания и работы люминесцентных ламп широко применяются электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА), в которых частота питающего тока повышается до 20-40 кГц. Данные устройства обладают следующими преимуществами по сравнению с традиционными электромагнитными пускорегулирующими аппаратами (ЭмПРА):

  • снижение потребления электроэнергии комплектом ЭПРА -лампа в среднем на 20 %;
  • повышение световой отдачи лампы на 5-7 % при работе на повышенной частоте;
  • экономия дефицитных материалов - меди и стали;
  • высокое качество светового потока лампы вследствие низких значений коэффициента пульсации светового потока (5-15 %) и отсутствия стробоскопического эффекта;
  • снижение массогабаритных показателей на 40-70 %;
  • благоприятный («щадящий») режим зажигания лампы;
  • повышение срока службы лампы на 10-50 % за счет стабиль¬ных параметров зажигания и горения;
  • отсутствие мигания лампы в пусковом режиме;
  • бесшумность работы ЭПРА;
  • возможность регулирования светового потока светильника в диапазоне 10-100 % в ручном или автоматическом режиме;
  • автоматическое отключение ламп в конце их срока службы, а также неисправных ламп.

Влияние отклонений напряжения на работу люминесцентных ламп сказывается меньше, чем на работу ламп накаливания, однако при понижении напряжения на 10 % лампа может не зажечься или же ее включение будет сопровождаться многократным миганием. Повышение напряжения, подведенного к зажимам лампы, облегчает процесс зажигания, но снижает ее световую отдачу из-за увеличения потребляемой мощности и срок службы (при повышении напряжения на 20 % срок службы ЛЛ, работающих в схемах с дросселем, уменьшается до 50 %). Срок службы ЛЛ также определяется режимом работы ее электродов. Чем меньше число включений, тем меньше износ оксидного слоя, покрывающего электроды, а следовательно, больше число часов горения лампы.

Работа ламп создает, хотя и незначительные, радиопомехи, распространяемые как по эфиру, так и по сети. Для их снижения в конструкцию стартера входит конденсатор, являющийся в большинстве случаев достаточной мерой защиты.