5.1.3. Люминесцентные лампы
Люминесце́нтная лампа – это газоразрядный источник света, в котором электрический разряд в парах ртути создаёт ультрафиолетовое излучение, которое преобразовывается в видимый свет с помощью люминофора – смеси фосфора с другими элементами.
Устройство люминесцентной лампы показано на рисунке 5.2.
Рисунок 5.2 – Устройство люминесцентной лампы
Колба лампы — это всегда цилиндр 1 из стекла с наружным диаметром 38, 26, 16 или 12 мм. Цилиндр может быть прямым или изогнутым в виде кольца, буквы U или более сложной фигуры. В торцевые концы цилиндра герметично впаяны стеклянные ножки 2, на которых с внутренней стороны смонтированы электроды 3. Электроды по конструкции подобны биспиральному телу накала ламп накаливания и также делаются из вольфрамовой проволоки. В некоторых типах ламп электроды сделаны в виде триспирали, то есть спирали из биспирали. С наружной стороны электроды подпаяны к штырькам 4 цоколя 5. В прямых и U-образных лампах используется только два типа цоколей — G5 и G13 (цифры 5 и 13 указывают расстояние между штырьками в мм).
Как и в лампах накаливания, из колб люминесцентных ламп воздух тщательно откачивается через штенгель 6, впаянный в одну из ножек. После откачки объем колбы заполняется инертным газом 7 и в него вводится ртуть в виде небольшой капли 8 (масса ртути в одной лампе обычно около 30 мг) или в виде так называемой амальгамы, то есть сплава ртути с висмутом, индием и другими металлами.
На биспиральные или триспиральные электроды ламп всегда наносится слой активирующего вещества - это обычно смесь окислов бария, стронция, кальция, иногда с небольшой добавкой тория.
Если к лампе приложено напряжение большее, чем напряжение зажигания, то в ней между электродами возникает электрический разряд, ток которого обязательно ограничивается какими-либо внешними элементами. Хотя колба наполнена инертным газом, в ней всегда присутствуют пары ртути, количество которых определяется температурой самой холодной точки колбы. Атомы ртути возбуждаются и ионизируются в разряде гораздо легче, чем атомы инертного газа, поэтому и ток через лампу, и ее свечение определяются именно ртутью.
В ртутных разрядах низкого давления доля видимого излучения не превышает 2 % от мощности разряда, а световая отдача ртутного разряда - всего 5-7 лм/Вт. Но более половины мощности, выделяемой в разряде, превращается в невидимое ультрафиолетовое излучение с длинами волн 254 и 185 нм. Из физики известно: чем короче длина волны излучения, тем большей энергией это излучение обладает. С помощью специальных веществ, называемых люминофорами, можно превратить одно излучение в другое, причем, по закону сохранения энергии, «новое» излучение может быть только «менее энергичным», чем первичное. Поэтому ультрафиолетовое излучение можно превратить в видимое с помощью люминофоров, а видимое в ультрафиолетовое - нельзя.
Вся цилиндрическая часть колбы с внутренней стороны покрыта тонким слоем именно такого люминофора 9, который и превращает ультрафиолетовое излучение атомов ртути в видимое. В большинстве современных люминесцентных ламп в качестве люминофора используется галофосфат кальция с добавками сурьмы и марганца (как говорят специалисты, «активированный сурьмой и марганцем»). При облучении такого люминофора ультрафиолетовым излучением он начинает светиться белым светом разных оттенков.
Подбирая соответствующие виды люминофора, можно изменять цветовые характеристики ламп.
Одной из таких характеристик является общий индекс цветопередачи (Ra), большее значение Ra соответствует лучшему воспроизведению цвета. Максимальное значение - 100.
Люминесцентные лампы создают значительно более рассеянный свет, чем малоразмерные источники, такие как лампы накаливания, галогенные и газоразрядные лампы высокого давления. В силу этого свойства и благодаря высокой световой отдаче эти лампы идеально подходят для освещения больших помещений, где не требуется в течение суток часто включать и выключать освещение
Световая отдача люминесцентной лампы в несколько раз больше, чем у ламп накаливания аналогичной мощности.
Срок службы люминесцентных ламп может в 10 раз превышать срок службы ламп накаливания при условии обеспечения достаточного качества электропитания, балласта и соблюдения ограничений по числу включений и выключений.
Наиболее распространены газоразрядные ртутные лампы высокого и низкого давления.
лампы высокого давления применяют в основном в уличном освещении и в осветительных установках большой мощности;
лампы низкого давления применяют для освещения жилых и производственных помещений.
Газоразрядная ртутная лампа низкого давления (ГРЛНД) - представляет собой стеклянную трубку с нанесённым на внутреннюю поверхность слоем люминофора, заполненную аргоном под давлением 400 Па и ртутью (или амальгамой).
Плазменные дисплеи также являются разновидностью люминесцентной лампы.
Люминесцентные лампы нашли широкое применение в освещении общественных зданий: школ, больниц, офисов и т. д. С появлением компактных люминесцентных ламп с электронными балластами, которые можно включать в патроны E27 и E14 вместо ламп накаливания, люминесцентные лампы завоёвывают популярность и в быту.
Люминесцентные лампы наиболее целесообразно применять для общего освещения, прежде всего помещений большой площади (в особенности совместно с системами DALI), позволяющими улучшить условия освещения и при этом снизить потребление энергии на 50-83 % и увеличить срок службы ламп. Люминесцентные лампы широко применяются также и в местном освещении рабочих мест, в световой рекламе, подсветке фасадов.
До начала применения светодиодов являлись единственным источником для подсветки жидкокристаллических экранов.
Популярность люминесцентных ламп обусловлена их преимуществами (над лампами накаливания):
большая светоотдача (люминесцентная лампа 20 Вт даёт освещенность как лампа накаливания на 100 Вт) и более высокий КПД;
приближенный к естественному спектру излучения лампы;
разнообразие оттенков света;
рассеянный свет;
длительный срок службы (2000-20000 часов в отличие от 1000 у ламп накаливания), при условии обеспечения достаточного качества электропитания, балласта и соблюдения ограничений по числу включений и выключений.
К недостаткам относят:
наличие дополнительного приспособления для пуска лампы - пускорегулирующего аппарата (громоздкий шумный дроссель с ненадёжным стартером или же электронной пускорегулирующей аппаратурой (ЭПРА);
мерцание лампы с частотой питающей сети (нивелируется применением ЭПРА);
вышедший из строя стартёр вызывает фальстарт лампы (визуально определяется несколько вспышек перед стабильным зажиганием), сокращая срок службы нитей накала;
очень низкий коэффициент мощности ламп — такие лампы являются неудачной для электросети нагрузкой;
Существуют и более мелкие недостатки.