Пристрій люмінесцентної лампи

Люмінісцентні лампи - 2-ий в світі за поширеністю джерело світла, а в Країні висхідного сонця вони займають навіть 1-е місце, обігнавши лампи розжарювання. Раз на рік в світі робиться більше 1-го млрд люмінесцентних ламп.

1-і зразки люмінесцентних ламп сучасного типу були показані американської
компанією General Electric на Всесвітній виставці в Нью-Йорку в 1938 році. За 70 років існування вони міцно увійшли в наше життя, і на даний момент вже важко уявити будь-якої великої магазин або офіс, в якому не було б ні 1-го освітлювального приладу з люмінесцентними лампами.

Люмінесцентна лампа - це звичайний розрядний джерело світла низького тиску, в якому розряд відбувається в консистенції парів ртуті та інертного газу, в більшості випадків - аргону. Пристрій лампи показано на рис. 1.

Мал. 1

пробірка лампи - це завжди циліндр 1 зі скла із зовнішнім діаметром 38, 26, 16 або 12 мм. Циліндр може бути прямим або зігнутим у вигляді кільця, букви U або більш складної фігури. У торцеві кінці циліндра герметично впаяні скляні ніжки 2, на яких з внутрішньої сторони змонтовані електроди 3. Електроди по конструкції подібні біспіральні тілу розжарення ламп розжарювання і також робляться з вольфрамової дроту. У деяких типах ламп електроди виготовлені у вигляді тріспіралі, іншими словами спіралі з биспирали. Із зовнішнього боку електроди підпаяні до штирькам 4 цоколя 5. У прямих і U-образних лампах вживається тільки два типи цоколів - G5 і G13 (числа 5 і 13 вказують відстань між штирями в мм).

Як і в лампах розжарювання, з пробірок люмінесцентних ламп повітря ретельно відкачується через штенгель 6, упаяний в одну з ніжок. Після відкачування обсяг пробірки заповнюється інертним газом 7 і в нього вводиться ртуть у вигляді маленький краплі 8 (маса ртуті в одній лампі зазвичай близько 30 мг) Або у вигляді так званої амальгами, іншими словами сплаву ртуті з вісмутом, индием і іншими металами.

На біспіральние або тріспіральние електроди ламп завжди наноситься шар активирующего речовини - це зазвичай суміш оксидів барію, стронцію, кальцію, час від часу з невеликою добавкою торію.

Якщо до лампи докладено напруга більше, ніж напруга запалювання, то в ній між електродами з`являється електричний розряд, ток якого неодмінно обмежується будь-якими зовнішніми елементами. Хоча пробірка заповнена інертним газом, в ній завжди знаходяться пари ртуті, кількість яких визначається температурою самої холодної точки пробірки. Атоми ртуті збуджуються і іонізуються в розряді ще легше, ніж атоми інертного газу, тому і струм через лампу, і її світіння визначаються конкретно ртуттю.

У ртутних розрядах низького тиску дещиця видимого випромінювання не перевищує 2% від потужності розряду, а світлова віддача ртутного розряду - всього 5-7 лм / Вт. Але більше половини потужності, що виділяється в розряді, перетворюється в невидиме ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі 254 і 185 нм. З фізики відомо: чим коротше довжина хвилі випромінювання, тим більшою енергією це випромінювання має. За допомогою особливих речовин, іменованих люминофорами, можна перетворити одне випромінювання в інше, при цьому, згідно із законом збереження енергії, «нове» випромінювання може бути тільки «менш енергійним», ніж первинне. Тому ультрафіолетове випромінювання можна перетворити на видиме за допомогою люмінофорів, а видиме в ультрафіолетове - не можна.

Вся циліндрична частина пробірки з внутрішньої сторони покрита тонким шаром саме такого люмінофора9, який і перетворює ультрафіолетове випромінювання атомів ртуті в видиме. У більшості сучасних люмінесцентних ламп в якості люмінофора вживається галофосфат кальцію з добавками сурми і марганцю (як кажуть фахівці, «активоване сурмою і марганцем»). При опроміненні такого люмінофора УФ-випромінюванням він починає сяяти білосніжним світлом різних квітів. Діапазон випромінювання люмінофора - суцільний з 2-ма максимумами - близько 480 і 580 нм (рис. 2).

Мал. 2

1-ий максимум визначається наявністю сурми, 2-ий - марганцю. Змінюючи співвідношення цих речовин (активаторів), можна отримати біле світло різних колірних відтінків - від теплого до денного. Тому що люмінофори перетворюють у видиме світло більше половини потужності розряду, то конкретно їх світіння визначає світлотехнічні характеристики ламп.

У 70-ті роки минулого століття почали робити лампи не з одним люмінофором, а стремено, що мають максимуми випромінювання в блакитний, зеленої і червоної областях діапазону (450, 540 і 610 нм). Ці люмінофори були зроблені спочатку для кінескопів кольорового телебачення, де за допомогою їх вдалося отримати повністю застосовне програвання квітів. Композиція 3-х люмінофорів дозволила і в лампах досягти істотно найкращою кольору при одночасному збільшенні світловий віддачі, ніж при використанні галофосфата кальцію. Але нові люмінофори ще дорожче старих, тому що в них використовуються сполуки рідкоземельних елементів - европия, церію і тербия. тому в більшості люмінесцентних ламп як і раніше використовуються люмінофори на базі галофосфата кальцію.

Електроди в люмінесцентних лампах роблять функції джерел і приймачів електронів та іонів, за рахунок яких і протікає електричний струм через розрядний проміжок. Для того щоб електрони почали перебігати з електродів в розрядний проміжок (як кажуть, для початку термоеміссіі електронів), електроди повинні бути нагріті до температурі 1100 - 1200 0С. При такій температурі вольфрам сяє дуже слабеньким вишневим цвітом, випаровування його сильно мало. Але для зростання кількості електронів, що вилітають на електроди наноситься шар активирующего речовини, яке значно менш термостійкі, ніж вольфрам, і при роботі цей шар рівномірно розпорошується з електродів і осідає на стінах пробірки. Зазвичай саме процес розпилення активирующего покриття електродів визначає термін служби ламп.

Для досягнення більшої ефективності розряду, іншими словами для більшого виходу ультрафіолетового випромінювання ртуті, потрібно підтримувати певну температуру пробірки. Діаметр пробірки вибирається конкретно з цієї вимоги. У всіх лампах забезпечується приблизно однакова щільність струму - величина струму, поділена на площу перетину пробірки. Тому лампи різної потужності в колбах 1-го діаметру, зазвичай, працюють при рівних номінальних токах. Падіння напруги на лампі прямо пропорційно її довжині. А тому що потужність дорівнює добутку струму наальна їх д напруга, то при подібному поперечнику пробірок і потужність ламп прямо пропорціонліне. У наймасовіших ламп потужністю 36 (40) Вт довжина дорівнює 1210 мм, у ламп потужністю 18 (20) Вт - 604 мм.

Велика довжина ламп постійно змушувала шукати шляхи її зменшення. Звичайне зменшення довжини і досягнення відповідних потужностей за рахунок зростання струму розряду нераціонально, тому що при цьому збільшується температура пробірки, що призводить до підвищення тиску парів ртуті і зниження світлової віддачі ламп. Тому творці ламп пробували зменшити їх габарити за рахунок зміни форми - довгу циліндричну пробірку згинали навпіл (U-про- різні лампи) або в кільце (кільцеві лампи). В СРСР вже в 50-і роки робили U-образні лампи потужністю 30 Вт в пробірці діаметром 26 мм і потужністю 8 Вт в пробірці діаметром 14 мм.

Але кардинально вирішити проблему зменшення габаритів ламп вдалося виключно в 80-і роки, коли почали використовувати люмінофори, що допускають величезні електронні навантаження, що дозволило істотно зменшити діаметр пробірок. Пробірки стали робити зі скляних трубок з зовнішнім діаметром 12 мм і неодноразово згинати їх, скорочуючи тим загальну довжину ламп. З`явилися так звані компактні люмінесцентні лампи. За принципом роботи і внутрішньою будовою малогабаритні лампи не відрізняються від звичайних лінійних ламп.

У середині 90-х років на світовому ринку з`явилося нове покоління люмінесцентних ламп, в маркетингової і технічної літератури зване «серією Т5» (в Німеччині - Т16). У цих ламп зовнішній діаметр пробірки зменшений до 16 мм (або 5/8 дюйма, звідси і назва Т5). За принципом роботи вони також не відрізняються від звичайних лінійних ламп. У конструкцію ламп внесено одне дуже принципове зміна - люмінофор з внутрішньої сторони покритий вузької захисною плівкою, прозорою і для ультрафіолетового, і для видимого випромінювання. Плівка захищає люмінофор від попадання на нього частинок ртуті, що активує покриття і вольфраму з електродів, по цьому виключається «отруєння» люмінофора і забезпечується висока стабільність світлового потоку протягом терміну служби. Змінено також склад наповнює газу і конструкція електродів, що зробило неможливою роботу таких ламп в старих схемах включення. Крім того - в перший раз з 1938 року - змінені довжини ламп таким чином, щоб розміри освітлювальних приладів з ними відповідали розмірам стандартних модулів дуже престижних на даний момент підвісних стель.

Люмінесцентні лампи, особливо останнього покоління в колбах діаметром 16 мм, істотно перевершують лампи розжарювання по світловий віддачі і терміну служби. Досягнуті зараз значення цих характеристик рівні 104 лм / Вт і 40000 годин.
Але люмінесцентні лампи мають і величезна кількість недоліків, які слід знати і врахувати при виборі джерел світла:

1. Величезні габарити ламп нерідко не дозволяють перерозподіляти світловий потік необхідним чином.
2. На відміну від ламп розжарювання, світловий потік люмінесцентних ламп сильно залежить від навколишньої температури (рис. 3).

Мал. 3

3. У лампах міститься ртуть - дуже отруйний метал, що робить їх екологічно небезпечними.
4. Світловий потік ламп встановлюється не відразу після включення, а через деякий час, залежне від конструкції світильника, навколишньої температури і самих ламп. У деяких типів ламп, в які ртуть вводиться у вигляді амальгами, цей час може досягати 10-15 хвилин.
5. Глибина пульсацій світлового потоку істотно вище, ніж у ламп розжарювання, особливо у ламп з рідкоземельними люминофорами. Це ускладнює впровадження ламп в майже всіх виробничих приміщеннях і, крім того, негативно позначається на самопочутті людей, що працюють при такому освітленні.
6. Як було сказано вище, люмінесцентні лампи, як і всі газорозрядні прилади, вимагають для включення в мережу використання додаткових пристроїв.