Люминесцентные лампы - это что такое? Принцип работы

Люминесцентные лампы – это газоразрядные источники света. Их световой поток формируется за счет свечения люминофоров, на которые воздействует ультрафиолетовое излучение разряда. Его видимое свечение обычно не превышает 1-2%. Люминесцентные лампы (ЛЛ) получили широкое применение в освещении помещений разного типа. Их световая отдача в разы больше, чем у привычных ламп накаливания. При обеспечении ряда условий (качественное электропитание, использование балласта, соблюдение ограничений по числу коммутаций), такие лампы могут в десятки раз дольше служить, нежели лампы накаливания. Сегодня мы с вами познакомимся с историей люминесцентной лампы и принципом ее работы.

Область использования

Линейные люминесцентные лампы давно зарекомендовали себя как наиболее удобный и экономичный способ освещения общественных помещений: офисов, учебных заведений, магазинов, больниц, предприятий и так далее. С появлением современных технологий, позволяющих создать компактную ЛЛ под обычные патроны марки Е14 или Е27, они быстро завоевали популярность в быту и стали вытеснять лампы накаливания. Чаще всего в обиходе используют экономные люминесцентные лампы на 18 или больше ватт.

Благодаря использованию электронных балластов вместо привычных электромагнитных удается значительно улучшить эксплуатационные характеристики ламп – избавиться от гула и мерцания, повысить экономичность и компактность.

Главными преимуществами люминесцентных ламп по сравнению с привычными всем лампами накаливания являются высокая светоотдача (превышает в несколько раз), и более длительный срок работы (превышает в несколько десятков раз). Их применение особенно актуально в случаях, когда освещение не выключается на протяжении длительного времени, так как именно включение является самым сложным режимом и от количества включений зависит срок работы. Таким образом, несмотря на более высокую стоимость, люминесцентные лампы позволяют значительно сэкономить.

История

Первое подобие светильника с люминесцентной лампой было разработано в далеком 1856 году Генрихом Гайсслером, который добился свечения от стеклянной трубки, заполненной газом и возбужденной с помощью соленоида. В 1893 году на выставке в Чикаго Томас Эдисон впервые продемонстрировал публике люминесцентное свечение. Через год, М.Ф. Моором была создана лампа, наполненная азотом и углекислым газом и испускающая розово-белый свет. Успех этого изобретения был весьма ограниченным. В 1901-м Питер Хьюитт создал ртутную лампу, испускающую сине-зеленый свет. Именно из-за цвета она была непригодна для практического применения. Тем не менее, изобретение Хьитта было близко к современным лампам и имело намного больший потенциал, чем лампы предшественников. В 1926-м Эдмунд Джермер вместе со своими сотрудниками предложил увеличить давление внутри колбы и покрыть ее флуоресцентным порошком, преобразующим ультрафиолетовое цветное излучение в однородное белое. Вскоре компания General Electric купила у изобретателя патент, и под его руководством, к 1938 году вывела ЛЛ на широкий рынок. Таким образом, именно с Джермером часто ассоциируют начало истории люминесцентных ламп.

Принцип работы

Когда люминесцентная лампа подключается к электросети, между двумя электродами, расположенными в ее противоположных концах, возникает электрический разряд. Благодаря прохождению тока через пары ртути, которыми заполнена внутренняя полость лампы, возникает УФ-излучение, которое незаметно для человеческого глаза. С помощью люминофора, нанесенного на стенки, это излучение превращается в видимый свет. Таким образом, люминофор призван поглощать УФ излучение и излучать видимый свет. Меняя его состав можно варьировать оттенок свечения лампы.

Преимущества и недостатки люминесцентных ламп

ЛЛ имеют такие достоинства:

1. Высокие показатели светоотдачи и КПД.
2. Разнообразие оттенков свечения.
3. Рассеянный свет.
4. Длительный срок службы.

Недостатки люминесцентных ламп:

1. Химическая опасность. Причина в токсичных парах ртути.
2. Неравномерный, неприятный для некоторых свет, вызывающих искажение цвета освещенных поверхностей. Лампы, которые лишены этой проблемы, имеют меньшую светоотдачу.
3. Люминофор со временем "срабатывается", в результате меняется спектр, уменьшается светоотдача и падает КПД.
4. В случае удвоенной частоты питающей сети, может возникнуть мерцание некоторых ламп.
5. Наличие пускорегулирующих аппаратов.
6. Низкий коэффициент мощности.

Подключение

С электротехнической точки зрения, люминесцентная лампа – это устройство с отрицательным сопротивлением. Это значит, что чем более сильный ток через нее проходит, тем больше падает сопротивление. В этой связи при непосредственном подключении лампы к электросети она быстро выходит из строя из-за чересчур сильного тока. Эта проблема решается путем подключения лампы через так называемый балласт.

В простейшем варианте в качестве балласта выступает простой резистор. Его недостаток состоит в потере значительного количества энергии. Избежать потерь можно путем использования в качестве балласта конденсатора или катушки индуктивности, создающих реактивное сопротивление. Наибольшей популярностью в настоящее время пользуются электромагнитные и электронные балласты.

Электромагнитный балласт

Балласты люминесцентных ламп – это пускорегулирующие устройства. Устройства данного типа представляют собой дроссель (индуктивное сопротивление) подключаемый последовательно с лампой. Чтобы запустить лампу с таким балластом, потребуется также стартер. Преимуществом такого подключения является его простота и дешевизна. Главный недостаток – мерцание ламп при удвоенной частоте сетевого напряжения. Из-за этого у людей, находящихся в помещении, повышается утомляемость глаз, что может негативно сказаться на их здоровье. Кроме того, лампы с электромагнитным балластом относительно долго запускаются (от одной до нескольких секунд, в зависимости от их срока службы), издают гул, и потребляют больше энергии, чем аналоги с электронным балластом.

Кроме вышеперечисленных недостатков, стоит также отметить эффект стробирования, возникающий из-за мерцания ламп. Его суть состоит в том, что при наблюдении за вращающимся или колеблющимся предметом, частота движения которого равна частоте мерцания люминесцентной лампы, этот предмет может казаться неподвижным. Подобный эффект может возникнуть, к примеру, при наблюдении за шпинделем токарного или сверлильного станка, мешалкой кухонного миксера, циркуляционной пилой и прочими движущимися приборами. Поэтому, во избежание травмирования, на производстве использование люминесцентных ламп для подсвечивания движущихся механизмов разрешается лишь при условии дополнительной установки ламп накаливания.

Электронный балласт

Этот тип балласта представлен электронной схемой, преобразующей сетевое напряжение в высокочастотный переменный ток, питающий лампу. Достоинством этого балласта является отсутствие мерцания и гула. Кроме того, по сравнению с электромагнитным аналогом, он имеет меньшую массу и размеры.

При использовании такого типа подключения можно добиться так называемого холодного старта – мгновенного запуск лампы. Однако из-за того, что этот режим неблагоприятно сказывается на сроке службы ламп, применяется горячий старт, предполагающий предварительный подогрев электродов. Стоит признать, что на подогрев уходит не более одной секунды, поэтому эта особенность подключения не несет каких-либо неудобств.

Запуск электромагнитного балласта

В классической схеме пуска лампы с электромагнитным балластом используется стартер (пускатель), который представляет собой миниатюрную газоразрядную неоновую лампочку с парой металлических электродов. Один из электродов жесткий и неподвижный, а другой – биметаллический, изгибающийся. Следовательно, в исходном состоянии электроды разомкнуты.

Стартер активируется параллельно с лампой. В момент включения, к электродам стартера и лампы поступает полное напряжение. Это связано с тем, что ток через лампу не идет, а падение напряжения на пускателе равно нулю.

Так как электроды лампы холодные, напряжения сети не хватает для ее зажигания. Благодаря возникновению разряда в пускателе через него и лампу проходит ток, которого достаточно для электродов пускателя, но недостаточно для разогрева лампы. В результате ток в общей цепи растет и разогревает электроды лампы. Когда это происходит, электроды пускателя охлаждаются и размыкаются. Благодаря мгновенному разрыву цепи возникает пик напряжения на дросселе, который и стимулирует зажигание лампы. Электроды тем временем уже достаточно разогреты.

Во время горения напряжение в лампе составляет примерно половину от сетевого, так же, как и в пускателе. Причина в том, что проходя через дроссель, оно падает, что позволяет устранить повторное срабатывание пускателя.

При зажигании, пускатель может срабатывать несколько раз. Это связано с отклонениями его характеристик от характеристик лампы. В некоторых случаях стартер начинает работать циклически. Если это происходит, то лампа постоянно гаснет и снова вспыхивает. При погасании можно созерцать свечение накаленных током катодов.

Запуск электронного балласта

При использовании электронного балласта, как правило, нет необходимости в отдельном специальном стартере, так как этот балласт способен самостоятельно сформировать нужные последовательности напряжений.

Запуск люминесцентной лампы электронным балластом может производиться по разным технологиям. В наиболее типичной из них пускорегулирующее устройство подогревает катоды лампы и подает на них напряжение, которого достаточно для зажигания. Как правило, это переменное и высокочастотное напряжение. Такое подключение позволяет устранить мерцание ламп, которое является весомым недостатком электромагнитных балластов.

В зависимости от конструктивных особенностей и временных параметров последовательности пуска лампы, такие пускорегулирующие устройства могут обеспечивать как мгновенное включение света, так и плавное, с постепенным нарастанием яркости.

Часто используются комбинированные методы пуска, когда лампа активируется не только за счет подогрева катодов, но и благодаря тому, что цепь, подпитывающая ее, выступает в качестве колебательного контура. Характеристики колебательного контура подбираются таким образом, чтобы в случае отсутствия разряда в лампе, в нем возникало явление электрического резонанса, которое ведет к значительному повышению напряжениям между катодами лампы. Обычно это приводит также к возрастанию тока подогрева катодов. Причина заключается в том, что при использовании такой схемы пуска спирали накала катодов часто соединяются последовательным образом через конденсатор, и выступают частью колебательного контура. В результате из-за подогрева катодов и высокого напряжения между ними лампа быстро и легко зажигается.

После зажигания параметры колебательного контура меняются, резонанс прекращается, а напряжение в контуре значительно снижается, сокращая тем самым ток накала катодов.

Существуют разные вариации данной технологии. К примеру, в предельных случаях, балласт может не подогревать катоды вовсе, а лишь приложить к ним напряжение, достаточно высокое для зажигания за счет пробоя газа расположенного между катодами. Аналогичная технология используется для пуска ламп с холодным катодом. Она пользуется популярностью среди радиолюбителей, благодаря возможности осуществить запуск даже с перегоревшими нитями накала катодов. Обычными методами их запустить нельзя, так как катоды в таком случае не нагреваются. В частности, радиолюбители используют этот способ для восстановления компактных энергосберегающих ламп, представляющих собой обычные люминесцентные лампы с электронным балластом, встроенным в небольшой корпус. После переделки балласта, такая лампа долго работает, несмотря на перегорание спиралей подогрева. Срок ее службы ограничивается разве что временем полного распыления электродов.

Причина поломок

Электроды люминесцентных ламп – это вольфрамовые нити, покрытые активной массой (пастой) из щелочноземельных металлов. Именно эта паста обеспечивает тлеющий разряд. Без нее вольфрамовые нити перегорали бы гораздо быстрее. В процессе работы лампы паста постепенно осыпается, выгорает и испаряется. Процесс ускоряется в случае частых пусков, когда разряд на протяжении короткого промежутка времени проходит не по всей площади электрода, а на малом участке его поверхности. Это приводит к перегреву электрода и возникновению потемнений на концах лампы, которые обычно свидетельствуют о ее скором выходе из строя.

Когда паста полностью выгорает, ток лампы падает, а напряжение – возрастает. В результате стартер начинает срабатывать постоянно, вызывая мигания, которые также свидетельствуют о том, что дни работы лампы сочтены. Электроды находятся в постоянном разогреве и, в конце концов, один из них перегорает. Происходит это через несколько дней после появления мерцания.

В последние минуты работы лампа горит без мерцаний. В этот момент разряд проходит через остатки электрода, на котором уже не осталось активной массы. Когда остатки вольфрама осыпаются или испаряются, разряд поступает на траверсы (крепления вольфрамовых нитей, выполненные из проволоки). После перегорания траверсов лампа вновь начинает мерцать. Если выключить ее и заново включить, она уже не будет светить.

Описанный выше механизм перегорания лампы справедлив для тех моделей, в которых используются электромагнитные балласты. В случае применения электронных балластов, все происходит несколько иначе. Так же, как и в предыдущем случае, все начинается с выгорания активной массы электродов, после которой следует их перегрев и перегорание одной из нитей. Отличие состоит в том, что сразу после перегорания, лампа гаснет без каких-либо мерцаний и миганий. Этим она обязана конструкции электронного балласта, которая предусматривает автоматическое отключение лампы в случае ее неисправности.

Люминофоры и спектр излучения

Многие пользователи считают, что свет люминесцентных ламп грубый и неприятный. Кроме того, цвет предметов, которые освещаются такими лампами, может искажаться. Виной тому синие и зеленые линии в спектре излучения разряда и тип применяемого люминофора.

В дешевых светильниках с люминесцентными лампами используют галофосфатный люминофор, излучающий главным образом желтый и синий свет, и в меньшей мере зеленый и красный свет. Глазу такая смесь цветов кажется белым светом, однако если свет отражается от предметов, его спектр меняется и возникает эффект искажения. Достоинством таких ламп является высокая световая отдача.

В более дорогих моделях применяет трех- или пятиполосный люминофор. Благодаря этому удается получить более равномерное распределение излучения по видимому спектру. Так свет воспроизводится более натурально. Недостатком этих ламп является не такая высокая светоотдача, как в предыдущем случае.

Существуют также специальные люминесцентные лампы, используемые в освещении помещений, в которых живут птицы. Их спектр содержит ближний ультрафиолет, позволяющий питомцам практически не чувствовать разницу между естественным и искусственным освещением. Необходимость применения таких технологий обусловлена тем, что в отличие от людей, птицы имеют четырехкомпонентное зрение.

Варианты исполнения

По стандарту, люминесцентные лампы подразделяют на колбные и компактные. Оба типа используются довольно широко.

Колбные лампы имеют в качестве оболочки стеклянную трубку. Они могут отличаться по типу и диметру цоколя. Такие лампы часто используются в крупных помещениях: магазины, офисы, цеха, склады и так далее.

Компактные люминесцентные лампы имеют оболочку в виде более тонкой (по сравнению с колбными) изогнутой трубки. Их различают по типу цоколя и размерам. Эти лампы производятся под стандартный патрон Е27 и Е14, поэтому их можно использовать вместо ламп накаливания в обычных светильниках. Их мощность, как правило, колеблется в пределах 16-36 Вт. Люминесцентная лампа такого типа имеет небольшие габариты и устойчивость к механическим воздействиям (умеренным, разумеется).

Кроме типа цоколя, на коробке из-под лампы указываются такие данные:

1. Цвет излучения: Д – дневной, Б – белый, ХБ – холодно-белый и т. д.
2. Мощность в ватах: 16W, 18W и т. д.
3. Длина корпуса (если это колбный вариант люминесцентной лампы): 765, 450 и т. д. Подразумевается длина в миллиметрах.

Возвращаясь к типу цоколей, стоит отметить, что они бывают резьбовыми (например, Е27) и штырьковыми (например, G13). Люминесцентная лампа может иметь и другие типы цоколей, но они слабо распространены.

Утилизация люминесцентных ламп

Все лампы такого типа содержат ртуть, которая, как известно, является ядовитым веществом. В разных моделях ламп ее доза может колебаться от 40 до 70 мг. Но даже небольшого количества ртути, находящегося в люминесцентной лампе на 18 Вт, достаточно, чтобы причинить вред здоровью. Ртуть представлена в виде пара, поэтому, если лампа разбилась, нужно сразу же проветрить помещение.

Когда срок службы ламп истекает, их обычно выбрасывают вместе с простым мусором, что совсем неправильно. Существуют фирмы, утилизирующие такие лампы, но к ним обращаются лишь крупные предприятия. Справедливости ради стоит отметить, что количество попадающей в воздух ртути из залежей на свалках не так велико, как количество этого вещества, выбрасываемое при выработке электроэнергии. А так как ЛЛ являются экономными, их использование даже положительно сказывается на экологическом состоянии планеты. Тем не менее утилизация люминесцентных ламп является открытой проблемой.