Подробная информация о люминесцентных лампах. Анализируем технические характеристики разных видов люминесцентных ламп Современные люминесцентные лампы

С.И. Паламаренко, г Киев

Классификация люминесцентных ламп, характеристики обычных люминесцентных ламп, зависимость параметров ламп от напряжения сети, зависимость характеристик от окружающей температуры и условий охлаждения, изменение характеристик люминесцентных ламп в процессе горения, энергоэкономичные люминесцентные лампы, зарубежные люминесцентные лампы, компактные люминесцентные лампы, безэлектродные люминесцентные лампы.

Классификация люминесцентных ламп

Люминесцентные лампы (ЛЛ) делятся на осветительные общего назначения и специальные. К ЛЛ общего назначения относят лампы мощностью от 15 до 80 Вт с цветовыми и спектральными характеристиками, имитирующими естественный свет различных оттенков. Для классификации ЛЛ специального назначения используют различные параметры. По мощности их разделяют на маломощные (до 15 Вт) и мощные (свыше 80 Вт); по типу разряда на дуговые, тлеющего разряда и тлеющего свечения; по излучению на лампы естественного света, цветные лампы, лампы со специальными спектрами излучения, лампы ультрафиолетового излучения; по форме колбы на трубчатые и фигурные; по светораспределению с ненаправленным светоизлучением и с направленным (рефлекторные, щелевые, панельные и др.).

Маркировка обычно состоит из 2-3 букв. Первая буква Л означает люминесцентная. Следующие буквы означают цвет излучения: Д - дневной; ХБ - холодно-белый; Б - белый; ТБ - теплобелый; Е - естественно-белый; К, Ж, 3, Г, С - соответственно красный, желтый, зеленый, голубой, синий; УФ - ультрафиолетовый. У ламп с улучшенным качеством цветопередачи после букв, обозначающих цвет, стоит буква Ц, а при цветопередаче особо высокого качества - буквы ЦЦ. В конце ставят буквы, характеризующие конструктивные особенности: Р - рефлекторная, У - U-образная, К - кольцевая, А - амальгамная, Б - быстрого пуска. Цифры обозначают мощность в ваттах. Маркировка ламп тлеющего разрада начинается с букв ТЛ.

Характеристики обычных ЛЛ

В табл.1 приведены характеристики наиболее распространенных ЛЛ дневного света. Обозначения: Р - мощность; U -напряжение на лампе; I - ток лампы; R -световой поток; S - световая отдача.

Зависимость параметров ламп от напряжения сети

При изменении напряжении сети в пределах + 10% изменение параметров лампы можно определить из соотношения dX/X = Nx dUc/Uc, где X - соответствующий параметр лампы; dX - его изменение; Nx - коэффициент для соответствующего параметра. Для схемы с дросселем коэффициенты имеют следующие значения: для силы света Ni = 2,2; для мощности Np = 2,0; для светового потока Nф = 1,5. В схеме с емкостно-индуктивным балластом величины Nx несколько меньше.

При падении напряжения сети ниже допустимого ухудшаются условия перезажигания. Повышение напряжения выше допустимого вызывает перекал катодов и перегрев пускорегулирующих устройств. И в том, и в другом случае происходит значительное сокращение срока службы ламп.

Таблица 1
						Размеры, мм (рис.1) L1 L2 D
						1199,4 1214,4 38
						1199,4 1214,4 38
						1199,4 1214,4 38
						1199,4 1214,4 38
						1199,4 1214,4 38

Зависимость характеристик от окружающей температуры и условий охлаждения

Изменение температуры трубки по сравнению с оптимальной как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения, вызывает снижение светового потока, ухудшение условий зажигания и сокращение срока службы. Надежность зажигания стандартных ламп при работе со стартерами начинает особенно заметно падать при температурах ниже -5°С и при понижении напряжения сети. Например, при -10°С и напряжении сети 180 В вместо 220 В число незажигающихся ламп может доходить до 60-80%. Такая сильная зависимость делает применение ЛЛ в помещениях с низкими температурами неэффективным.

Повышение температуры относительно оптимальной может происходить при повышении температуры окружающей среды и при работе ламп в закрытой арматуре. Перегрев ЛЛ кроме уменьшения светового потока сопровождается некоторым изменении их цвета. На рис.2 показана зависимость параметров ЛЛ от температуры окружающей среды.

Изменение характеристик ЛЛ в процессе горения

В первые часы горения происходит некоторое изменение электрических характеристик ламп, связанное с доактивиров-кой катодов, выделением и поглощением различных примесей. Эти процессы обычно заканчиваются на первой сотне часов. В течение остального срока службы электрические характеристики изменяются очень незначительно. Происходит постепенное уменьшение яркости свечения люминофора и светового потока лампы (рис.3: кривая 1 для ЛЛ 40 Вт, кривая 2 для ЛЛ 15 и 30 Вт). В некоторых лампах уже спустя несколько сотен часов горения начинают появляться темные налеты и пятна у концов трубки, связанные с распылением катодов. Они свидетельствуют о плохом качестве ламп.

Энергоэкономичные люминесцентные лампы (ЭЛЛ)

ЭЛЛ предназначены для общего освещения и полностью взаимозаменяемы со стандартными ЛЛ мощностью 20, 40 и 65 Вт в существующих осветительных установках без замены светильников и пускорегулирующей аппаратуры. Они имеют стандартную длину, стандартные значения рабочих токов и напряжений на лампах и те же или близкие значения световых потоков, что и у стандартных ламп соответствующей цветности при пониженной на 10% мощности (18, 36 и 58 Вт). Внешне ЭЛЛ отличаются от стандартных ламп только меньшим диаметром (26 мм вместо 38 мм). За счет уменьшения диаметра снижается расход основных материалов (стекло, люминофор, газы, ртуть и др.).

Для обеспечения того же падения напряжения на лампах при уменьшении их диаметра пришлось применить для наполнения смесь аргона с криптоном и снизить давление до 200-330 Па (вместо обычных 400 Па в стандартных лампах). В ЭЛЛ возрастает температура трубки до 50°С, но создавать специальные условия для охлаждения не требуется. Люмино-форный слой в ЭЛЛ находится в более тяжелых рабочих условиях, поэтому наиболее подходящими для этих ламп являются редкоземельные люминофоры. Однако такие люминофоры примерно в 40 раз дороже стандартного галофосфата кальция (ГФК), поэтому и лампы с такими люминофорами в несколько раз дороже обычных. Для снижения стоимости ламп применяют двухслойное покрытие. Сначала на стекло наносят ГФК, а поверх него редкоземельный люминофор небольшой толщины.

Промышленность выпускает ЭЛЛ мощностью 18, 36 и 58 Вт цветностей ЛБ, ЛДЦ и ЛЕЦ со световыми параметрами, совпадающими с параметрами обычных ЛЛ тех же цветностей мощностью 20, 40 и 65 Вт. Под маркой ЛБЦТ выпускаются ЭЛЛ с трехком-понентной смесью редкоземельных люминофоров со сроком службы 15000 ч.

Зарубежные ЭЛЛ

Зарубежные фирмы выпускают ЭЛЛ трех-четырех стандартизованных цветовых тонов и с двух-трехкомпо-нентной смесью редкоземельных люминофоров. В табл.2 приведены параметры некоторых типов ЭЛЛ в колбах диаметром 26 мм фирмы OSRAM (Германия).

Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ)

В начале 80-х годов стали появляться многочисленные типы компактных ЛЛ мощностью от 5 до 25 Вт со световыми отдачами от 30 до 60 лм/Вт и сроками службы от 5 до 10000 ч. Часть типов КЛЛ предназначена для непосредственной замены ламп накаливания. Они имеют встроенную пускорегулирующую аппаратуру и снабжены стандартным резьбовым цоколем Е27.

Разработка КЛЛ стала возможной только в результате создания высокостабильных узкополосных люминофоров, активированных редкоземельными элементами, которые могут работать при более высоких поверхностных плотностях облучения, чем в стандартных ЛЛ. За счет этого удалось значительно уменьшить диаметр разрядной трубки. Что касается сокращения габаритов ламп в длину, то эта задача была решена путем разделения трубок на несколько более коротких участков, расположенных параллельно и соединенных между собой либо изогнутыми участками трубки, либо вваренными стеклянными патрубками.

Марка лампы	Тип лампы		Световой поток, лм,
			лампы мощностью, Вт
	Люмилюкс
	Дневного цвета
	Белого цвета
	Тепло-белого цвета
	"Интерна"
	Люмилюкс делюкс
	Белого цвета
	Тепло-белого цвета
	Стандартные
	Универсально белый
	Ярко-белого цвета
	Тепло-белого цвета

Таблица 3

Тип лампы	Мощность,Вт	Напряжение, В		Световой поток, лм	Габариты.мм
Первая группа КЛ7/ТБЦ КЛ9/ТБЦ КЛ11/ТБЦ					27x13x135 27x13x167 27x13x235	Специальный G23
Вторая группа КЛС9/ТБЦ КЛС13/ТБЦ КЛС18/ТБЦ КЛС25/ТБЦ			0,093 0,125 0,18 0,27	425 600 900 1200	Ж85х150 Ж85х160 Ж85х170 Ж85х180	Резьбовой Е27
Третья группа CIRCOLUX CIRCOLUX CIRCOLUX					Ж165х100 Ж165хЮ0 Ж216хЮ0	Резьбовой Е27

Все многообразие выпускаемых в настоящее время КЛЛ можно разделить на четыре основные группы.

1. Без внешней оболочки, с разрядной трубкой Н- или П-образной формы, специальным цоколем, выносной пус-корегулирующей аппаратурой (ПРА) и встроенным стартером (рис.4,а) , где 1 -разрядная трубка; 2 - специальный цоколь G23 с вмонтированным внутри его стартером и конденсатором).

2. С призматической или опаловой внешней оболочкой, сложно изогнутой разрядной трубкой, стандартным резьбовым (или штифтовым) цоколем и встроенным стартером и ПРА (рис.4,б), где 1 - разрядная трубка; 3 -дроссель; 4 - внешняя колба; 5 - полая часть корпуса, внутри которой смонтированы дроссель, стартер, конденсатор, тепловой выключатель).

3. Кольцевые, без внешней оболочки, со стандартным резьбовым (или штифтовым) цоколем и встроенным стартером и ПРА (рис.4,в).

4. Со стеклянной внешней оболочкой, сложно изогнутой разрядной трубкой, специальным цоколем, выносным стартером и ПРА.

В первую группу входят КЛЛ, получившие наибольшее распространение. Лампы имеют разрядную трубку с диаметром 12,5 мм и снабжены специальным двухшты-ревым цоколем G23. Они выпускаются отечественной промышленностью (под маркой КЛ/ТБЦ) и рядом зарубежных фирм. Лампы наполнены аргоном при давлении 400 Па, что обеспечивает нормальную работу катодов и условия разряда. Лампы легко зажигаются даже при температурах до -20°С, время зажигания не превышает 10 с. Основные параметры таких ламп приведены в табл.3.

Серия КЛЛ повышенной мощности состоит из трех ламп мощностью 18, 24 и 35 Вт длиной 251, 362 и 443 мм, с номинальным световым потоком соответственно 1250, 2000 и 2500 лм и сроком службы 5000 ч. Лампы изготавливают в трубках увеличенного до 15 мм диаметра и монтируют на специальном 4-штыревом цоколе.

Во вторую группу входят довольно распространенные за рубежом КЛЛ со стеклянной или пластмассовой внешней оболочкой и стандартным резьбовым цоколем Е27 (см. рис.4,б). Внутри оболочки смонтированы ПРА, стартер и дважды U-образно изогнутая разрядная трубка. Основные параметры КЛЛ этого типа (отечественные КЛС.../ТБЦ и выпускаемые за рубежом (SL) приведены в табл.3 (РЭ2/2001) (вторая группа).

Ввиду того что разрядные трубки в этом виде ламп работают в закрытой внешней оболочке при температурах, заметно превышающих оптимальную, и нет возможности искусственно создать холодную зону, разрядные трубки наполняют амальгамой ртути.

Лампы предназначены для непосредственной замены ламп накаливания и дают большую экономию электроэнергии. К их недостаткам относят сравнительно большие

габариты и особенно массу по сравнению с лампами накаливания, неразборность конструкции, в силу чего после выхода из строя разрядной трубки приходится заменять целиком всю лампу, включая дроссель. В связи с этим некоторые зарубежные фирмы выпускают такие лампы в разборном исполнении.

В третью группу входит семейство кольцевых КЛЛ с резьбовым цоколем и встроенным ПРА, смонтированным в пластмассовом корпусе, расположенном по диаметру кольцеобразной разрядной трубки (см. РЭ2/2001, рис.4,в). Световая отдача кольцевых КЛЛ даже с полупроводниковыми ПРА уступает световой отдаче Н-образных КЛЛ соответствующих мощностей. Удобство кольцевых КЛЛ состоит в том, что ими можно непосредственно заменять лампы накаливания в осветительном приборе. В четвертую группу входят

лампы, имеющие цилиндрическую или грушевидную внешнюю оболочку, специальный 4-штыревой цоколь, выносные ПРА и стартер. Эти лампы имеют более низкие световые отдачи по сравнению с Н- и П-образными КЛЛ. Поэтому данные об этих лампах не приводятся.

Основные экономические преимущества КЛЛ - значительная экономия электроэнергии и уменьшение необходимого количества ламп для выработки одинакового количества люмен-часов по сравнению с лампами накаливания.

Современные КЛЛ сложны в производстве. Поэтому ведутся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на усовершенствование таких ламп.

Безэлектродные КЛЛ.

В этих лампах для возбуждения свечения люминофоров используется разряд в парах ртути низкого давления в смеси с

инертными газами (аргоном, криптоном). Поддержание заряда осуществляется за счет энергии электромагнитного поля, которое создается в непосредственной близости от разрядного объема. Создание безэлектродных КЛЛ стало возможным благодаря современной микроэлектронике, которая позволила создать малогабаритные и сравнительно дешевые источники высокочастотной энергии с высоким КПД.

Все возможные типы безэлектродных ламп состоят из трех основных узлов: малогабаритного источника ВЧ энергии, устройства для эффективной передачи ВЧ энергии в разряд, называемого индуктором, и разрядного объема. Различия в устройстве и конструкции узлов определяются выбранной для возбуждения разряда высокой частотой. В настоящее время известны три основных типа безэлектродных КЛЛ с примерно одинаковыми энергетическими параметрами: с тороидальным индуктором на ферромагнитном сердечнике (частоты от 25 до 1000 кГц), с соленоидальным индуктором (частоты от 3 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (с частотой свыше 100 МГц).

Анализ показал, что в настоящее время наиболее целесообразно использовать конструкцию с соленоидальным индуктором и внешним по отношению к нему расположением разрядного объема. Конструкция подобной лампы показана на рис.5, где 1 - цоколь Е-27; 2 - блок автогенератора; 3 -наполнение, ртуть и инертный газ, 4 - соленоидальный индуктор; 5 - люминофорный слой; 6 - цилиндрическая полость в колбе; 7 - стеклянная колба. Экспериментальные образцы безэлектродных КЛЛ с соленоидальным индуктором (на частоте 18 МГц) мощностью 30 Вт на сетевое напряжение 220 В 50 Гц с диаметром внешней колбы 75-85 мм имеют световую отдачу 30-40 лм/Вт. При этом ферритовый сердечник разогревается до 300°С.

В настоящее время ни в одной стране нет промышленного выпуска безэлектродных КЛЛ и выпускают только экспериментальные образцы.

Люминесцентная лампа представляют группу газоразрядных источников света, но используется намного чаще в сравнении с более простыми аналогами. Их популярность обусловлена рядом достоинств. Поэтому, даже относительно высокая стоимость не является помехой приобретению источника света данного вида.

В каких областях применяются?

Раньше основное целевое назначение подобных осветительных приборов сводилось к организации систем освещения административных и общественных зданий (больниц, магазинов, школ, офисных помещений), что было связано с довольно массивной конструкцией. Сегодня люминесцентные лампы характеризуются более совершенным устройством (компактные размеры, электронное пускорегулирующее устройство в качестве замены устаревшего магнитного варианта).

Дополнительно к этому упрощает эксплуатацию и стандартный цоколь, который позволяет устанавливать такие источники света вместо аналога с нитью накаливания.

Люминесцентная лампа в современном исполнении широко применяется в быту (освещение частных домов, квартир), рекламе (вывески, щиты). Еще одно направление – фасадная подсветка. Больше прочих разновидностей источников света люминесцентные лампы также подходят для освещения крупных территорий и масштабных объектов.

Строение и принцип работы

Основные конструкционные элементы: трубка или колба (в зависимости от исполнения), один или два цоколя, что также определяется моделью изделия, внутри установлены электроды. Люминесцентная лампа с внутренней стороны покрыта люминофором, без которого было бы невозможно преобразовать затрачиваемую энергию в световое излучение. Внутри колбы/трубки находится инертный газ, ртутные пары.

При подаче электричества между электродами образуется тлеющий разряд. Идеальные условия для такого явления: невысокий уровень давления в колбе наряду с малым значением тока. В результате прохождения электрического тока через газообразную среду возникает ультрафиолетовое излучение.

Для того чтобы люминесцентная лампа обеспечивала видимый глазу свет, используется явление люминесценции. Как раз для этого внутренние стенки трубки или колбы источника света покрываются люминофором.

Принцип действия данного вида лампы описан не полностью, так как для полноценной работы необходимо обеспечить еще и нормальные условия эксплуатации. Речь идет о дополнительной аппаратуре, которая снижает значение тока до нужного уровня, чтобы осветительный прибор не вышел из строя. Раньше для этой цели применялись электромагнитные пускорегулирующие элементы (их еще называют балластом), сегодня более популярны электронные аналоги.

Если при помощи второго из вышеназванных вариантов балласта, в результате можно добиться значительного снижения шумового эффекта (гула) во время работы, а еще источники света в таких условиях перестают мерцать.

Какие бывают разновидности ламп

Существует несколько исполнений, которые отличаются по спектру излучения. Выделяют всего три вида:

• стандартные;
• специальные;
• лампы люминесцентные с улучшенной светопередачей.

Излучение первого варианта характеризуется различными оттенками белого цвета. Это обусловлено тем, что конструкцией предусмотрено однослойное покрытие люминофора. В результате область применения таких источников света несколько сужается. Их обычно используют при организации осветительных систем производственных, административных и общественных объектов (офисы, магазины и прочее).

Различные формы исполнения

Исполнения специального типа характеризуются разным спектром излучения. Их главная задача – обеспечение максимально естественных условий для пребывания в различных помещениях. Например, существуют , а также варианты конструкций, предназначенные для установки в аквариумах специально для растений или животных.

Существуют еще исполнения, которые используют в помещениях, где разводят птиц. Дополнительно к тому встречаются источники света декоративного целевого назначения. Их главное отличие от прочих вариантов – разноцветное свечение.

Лампы с улучшенной светопередачей имеют одно главное преимущество перед остальными видами, о нем довольно красноречиво говорит название таких источников света – более качественная передача цветов. Это достигается путем нанесения многослойного покрытия (3-5 слоев люминофора) на внутреннюю поверхность колбы/трубки.

Классификация по виду цоколя

Классификация данного вида осветительного прибора осуществляется еще и на основании отличий в конструкциях:

1. Линейные исполнения.
2. Компактные люминесцентные лампы.

Первый вариант называется еще трубчатым. А, кроме того, эта разновидность бывает прямой и U-образной конструкции. Линейные источники света подразделяются на группы еще и на основании отличий в размерах (длина и диаметр). Причем наблюдается прямая зависимость между габаритами изделия и его мощностью: чем длиннее лампа, тем выше значение данного параметра. Диаметр колбы также отличается: Т4, Т5, Т8, Т10, Т12. Из обозначения можно узнать размер изделия в дюймах. Тип цоколя для таких источников света – G13.

Подразделяются на исполнения по конструкции колбы

Люминесцентные лампы компактного типа подразделяются на исполнения по конструкции колбы (она может быть изогнута в разных вариантах) и цоколю: E14, E27, E40, а также 2D, G23, G27, G24, G53 и несколько подвидов (G24Q1, G24Q2, G24Q3). Первые три из вышеназванных конструктивных элементов дают возможность устанавливать осветительный прибор вместо исполнений с нитью накаливания.

Обзор плюсов и минусов

Если более подробно изучить характеристики основных вариантов источников света (галогенные, лампы накаливания, люминесцентные и светодиодные аналоги), то можно выделить их сильные и слабые стороны. Например, по интенсивности нагрева из всех существующих конструкций выигрывают лишь светодиодные исполнения, тогда как люминесцентные лампы все же греются, хоть и в несколько меньшей мере, чем источники света с нитью накаливания.

По степени хрупкости газоразрядные приборы уступают варианту на базе диодов. Зато уровень мощности у люминесцентных исполнений и светодиодных источников света находится почти на одном уровне. Для примера, оба исполнения обеспечивают примерно одинаковую интенсивность освещения (700-800 лм) при мощности с разницей всего в 5 Вт. Больше всех потребляют энергию лампы накаливания.

Еще один параметр для сравнения – срок функционирования. Безусловно, лидируют светодиодные исполнения (в среднем до 50 000 часов работы). Однако из всех остальных аналогов люминесцентные лампы выделяются довольно продолжительным периодом эксплуатации (от 4 000 до 20 000 часов), на что оказывают влияние условия работы.

Каким производителям отдать предпочтение?

Одни из наиболее известных марок на сегодняшний день: Philips, Osram, General Electric. Ассортимент осветительной техники очень широк и порой довольно трудно разобраться в том, какой производитель надежнее и ответственнее подходит к работе. Ведь стоимость люминесцентных источников света довольно большая, поэтому важно сразу сделать правильный выбор и купить лампу высокого качества.

Условные обозначения от производителей

Особого доверия заслуживают изделия первых двух из вышеназванных марок, так как они занимаются производством разнотипных источников света, включая и светильники с люминесцентными лампами, и по каждому направлению отмечается высокое качество продукции. Кроме того, все три завода-изготовителя на рынке уже довольно давно.

Эксплуатация

Значительные перепады напряжения в сети оказывают негативное воздействие на такие источники света. Особенно нежелательна перегрузка в большую сторону (выше 240 В). Рекомендуется также включать лампу лишь после ее полного остывания. Допустимые значения температуры окружающей среды для эксплуатации источника света лежат в пределах диапазона: от -15 до +40 градусов.

Маркировка российской продукции

Запрещено использовать люминесцентные лампы наряду со стандартными светорегуляторами (диммерами).

Люминесцентные лампы низкого давления явились первыми газоразрядными лампами, которые благодаря высокой световой отдаче, хорошему спектральному составу и большому сроку службы нашли применение для целей общего освещения, несмотря на некоторую сложность их включения в электрическую сеть. Высокая световая отдача люминесцентных ламп достигнута благодаря сочетанию дугового разряда в парах ртути низкого давления, отличающегося высокой эффективностью перехода электрической энергии в ультрафиолетовое излучение, с преобразованием последнего в видимое в слое люминофора.

Люминесцентные лампы представляют собой длинные стеклянные трубки, в торцы которых впаяны ножки, несущие электроды (рисунок 1). Электроды представляют собой вольфрамовую биспираль или триспираль с нанесенным на нее слоем активного вещества, обладающего низкой работой выхода при температуре нагрева около 1200 К (оксидные катоды), либо холодный оксидный катод с увеличенной поверхностью, исключающей превышение его температуры во время горения лампы.

Рисунок 1. Схема люминесцентной лампы:
1 - ножка; 2 - электрод; 3 - катод; 4 - слой люминофора; 5 - трубка колбы; 6 - цоколь; 7 - ртутные пары

Оксидный катод покрыт слоем эмитирующего вещества, состоящего из оксидов щелочноземельных металлов, получаемых при нагреве и разложении карбонидов (BaCO 3 , CaCO 3 , SrCO 3). Покрытие активировано малыми примесями щелочноземельных элементов. В результате наружная поверхность катода превращается в полупроводниковый слой с малой работой выхода. Оксидные катоды работают при 1250 - 1300 К, обеспечивая большой срок службы и малые катодные падения напряжения.

В трубку люминесцентной лампы введены небольшое количество ртути, создающее при 30 - 40 °С давление ее насыщающих паров, и инертный газ с парциальным давлением в несколько сотен паскалей. Давление паров ртути определяет снижение напряжения зажигания разряда, а также выход ультрафиолетового излучения резонансных линий ртути 253, 65 и 184,95 нм. В качестве инертного газа в люминесцентной лампе используют главным образом аргон при давлении 330 Па. В последнее время для наполнения ламп общего назначения применяют смесь, состоящую из 80 - 90 % Ar и 20 - 10 % Ne при давлении 200 - 400 Па. Добавка инертного газа к парам ртути облегчает зажигание разряда, снижает распыление оксидного покрытия катода, увеличивает градиент электрического потенциала столба разряда и повышает выход излучения резонансных линий ртути. В люминесцентных лампах 55% мощности приходится на долю линии 253,65 нм, 5,7% - линии 184,95 нм, 1,5 - 2% - линии 463,546 и 577 нм, на световое излучение других линий - 1,8%. Остальная мощность расходуется на нагрев колбы и электродов. На внутреннюю поверхность трубки равномерно по всей ее длине наносят тонкий слой люминофора. Благодаря этому световая отдача ртутного разряда, равная 5 - 7 лм/Вт, возрастает до 70 - 80 лм/Вт в современных люминесцентных лампах мощностью 40 Вт. При использовании люминофоров на основе редкоземельных элементов световая отдача люминесцентной лампы диаметром 26 мм повышается до 90 - 100 лм/Вт.

Используемое в люминесцентных лампах низкое давление паров ртути, получающееся при температуре колбы, мало отличающейся от температуры внешней среды, делает ее параметры зависящими от внешних условий. Эксплуатационные параметры ламп определяются параметрами пускорегулирующей аппаратуры.

Ввиду многообразия и сложности указанных выше зависимостей рассмотрим каждую из них отдельно. При этом будем иметь в виду, что в реальных условиях работы ламп они взаимосвязаны.

Основные свойства ртутного разряда низкого давления

Основная часть мощности излучения ртутного разряда низкого давления, используемого в люминесцентной лампе, сосредоточена в резонансных линиях ртути с длинами волн 253,65 и 184,95 нм. Это излучение возникает в столбе разряда при давлении паров ртути 1 Па и плотности тока около 10 А/мм². Давление насыщенных паров ртути определяется, как известно, температурой наиболее холодной части колбы лампы, содержащей ртуть в жидкой фазе.

Излучение резонансных линий зависит от давления паров ртути, рода и давления используемого в лампах инертного газа. Такая зависимость для чистой ртути и ртути с аргоном приведена на рисунке 2. Увеличение потока излучения в лампах, наполненных парами ртути (кривая 2 на рисунке 2) при давлениях до 5 Па, практически пропорционально давлению ртути, при больших давлениях наступает насыщение. Последнее связано с тем, что при увеличении давления возрастает концентрация атомов ртути, приводящая к росту числа соударений атомов ртути с электронами, увеличению числа возбужденных атомов и как следствие к росту числа испускаемых фотонов.

Введение добавки инертного газа (кривая 1 на рисунке 2) увеличивает выход резонансного излучения атомов ртути, так как наличие инертного газа даже в небольших концентрациях приводит к возрастанию давления в лампе. В ртутном разряде имеется также значительная концентрация нестабильных атомов, которые обычно оседают на стенках трубки, повышая ее температуру. При увеличении давления в лампе, наполненной инертным газом, вероятность достижения метастабильными атомами стенок без соударения с другими атомами газа или электронами резко снижается. В результате большая часть атомов ртути переходит в возбужденное состояние с последующим излучением энергии, что увеличивает световую отдачу.

На рисунке 3 показана зависимость выхода резонансного излучения для линии ртути 253,65 нм от плотности тока J . Так как основным источником резонансного излучения является столб разряда, занимающий лишь часть пространства между электродами, то очевидно, что световая отдача резонансного излучения будет зависеть от длины лампы, с увеличением которой влияние катодной области, не участвующей в создании резонансного излучения, будет уменьшаться. На рисунке 4 приведена зависимость световой отдачи люминесцентной лампы от ее длины l .

Падение напряжения на лампе убывает с ростом плотности тока. Это означает, что градиент потенциала на единице длины столба разряда также уменьшается с ростом плотности тока. Значение падения напряжения на единице длины столба в зависимости от тока необходимо для расчетов, связанных с определением параметров лампы. На рисунке 5 дана зависимость градиента потенциала E на единицу длины столба от тока для ламп различного диаметра, а на рисунке 6 - зависимость падения напряжения в катодной области разряда U к от давления и рода наполняющего газа.
У люминесцентной лампы с самокалящимися оксидными катодами катодное падение напряжения, полученное путем экстраполяции зависимости напряжения на лампе от длины столба разряда составляет от 12 до 20 В. Поэтому для большинства типов люминесцентных ламп считают, что на катодное падение напряжения приходится 10 - 15 В, а на анодное 3 - 6 В.

Рисунок 5. Зависимость градиента потенциала на единицу длины положительного столба от тока для ламп различного диаметра, мм: 1 - 19; 2 - 25; 3 - 38; 4 - 54	Рисунок 6. Зависимость падения напряжения в катодной области разряда от давления и рода инертного газа (давление паров ртути около 1 Па)

В современных люминесцентных лампах применяют, как правило, оксидные катоды, работающие в режиме самоподогрева с катодным пятном и повышенной термоэлектронной эмиссией со всей поверхности. Конструкции оксидных катодов показаны на рисунке 7.

Рисунок 7. Конструкции катодов люминесцентных ламп:
а - холодный катод тлеющего разряда; б - самокалящийся оксидный катод; 1 - катод; 2 - анод; 3 - электроды

Количество активирующего вещества, содержащегося в оксидном слое, определяет фактический срок службы ламп, так как именно это вещество расходуется в процессе горения.

Концы вольфрамовой проволоки, составляющей основу самокалящегося оксидного катода, выводятся наружу лампы, что позволяет пропускать через него ток как для обработки и активирования катода, так и для его предварительного прогрева в целях снижения напряжения зажигания в условиях эксплуатации. В процессе образования оксидного слоя на поверхности раздела вольфрамовой проволоки и оксидной пасты возникает промежуточный слой благодаря диффузии ионов щелочноземельных металлов внутрь поверхностного слоя вольфрама. Это способствует переходу электронов из вольфрама в оксид. Их выход в газоразрядный промежуток обеспечивается за счет малой работы выхода нагретого бария. После образования дугового разряда выход электронов концентрируется на катодном пятне, расположенном у новой лампы вблизи того конца электрода, который непосредственно присоединен к источнику питания. По мере обеднения барием, испаряющимся внутрь лампы, катодное пятно перемещается по спирали электрода к противоположному концу, что приводит к постепенному незначительному повышению напряжения на лампе. В конце срока службы лампы, когда барий израсходован вдоль всего оксидного катода, значительно повышается напряжение зажигания лампы; лампа включаемая с обычной пускорегулирующей аппаратурой, перестает зажигаться.

В настоящее время отсутствует полный метод расчета катодов. Поэтому их разработка осуществляется на основе опытных данных и представляет собой один из наиболее трудоемких процессов создания люминесцентных лап.

Оптимальный выход резонансного излучения зависит от давления насыщающихся паров ртути, которое определяется температурой наиболее холодной части колбы. Температура концов колбы, в которых расположены катоды, довольно высокая, так как температура термоэлектронной эмиссии оксидного катода превышает 1200 К. Таким образом, при отсутствии каких-либо специальных устройств в обычных люминесцентных лампах наиболее холодной будет область столба разряда в середине колбы. Зависимость температуры колбы t к от мощности P 1ст, выделяющейся в столбе разряда, приходящейся на единицу внешней поверхности и зависящей от внешнего диаметра трубки колбы, может быть получена из соотношения

P 1ст = π × d 2 × c × (t к - t в),

где c - коэффициент, слабо зависящий от диаметра трубки d 2 ; t в - температура окружающей среды (воздуха).

Ввиду того что на поточных линиях производства трудно измерять диаметр трубок, для изготовления ламп разной мощности выбран определенный ряд диаметров - 16, 25, 38 и 54 мм. Зависимость температуры внешней поверхности трубки ламп от тока и диаметра приведена на рисунке 8. Из рисунка видно, что с ростом тока, то есть мощности ламп для получения практически приемлемой длины и обеспечения температуры стенки, необходимо увеличивать диаметр трубки колбы. Лампы одинаковой мощности можно, в принципе создать в колбах различного диаметра, но при этом они будут иметь разную длину. Для унификации ламп и возможности их применения в различных светильниках длины люминесцентных ламп стандартизированы и составляют 440, 544, 900, 1505 и 1200 мм.

Цветность и состав излучения ламп

Излучение люминесцентных ламп создается в основном за счет люминофора, трансформирующего ультрафиолетовое излучение разряда в прах ртути. Эффективность преобразования ультрафиолетового излучения в видимое зависит не только от параметров исходного люминофора, но и от свойств его слоя. В люминесцентных лампах слой люминофора покрывает практически полностью замкнутую поверхность трубки, причем свечение возбуждается изнутри, а используется снаружи. Кроме потока люминесценции суммарный световой поток люминесцентных ламп содержит видимое излучение линий ртутного разряда, просвечивающее сквозь слой люминофора. Световой поток люминесцентных ламп зависит, таким образом, как от коэффициента поглощения люминофора, так и от коэффициента отражения. Цветность излучения люминесцентной лампы не точно соответствует цветности используемого люминофора. Поток излучения ртутного разряда как бы сдвигает цветность лампы в синюю область спектра. Это смещение незначительно, поэтому поправка на цветность находится в пределах допуска на цветность ламп.

Для люминесцентных ламп, используемых в установках общего освещения, из многочисленных оттенков, которые можно получить с помощью люминофора галофосфата кальция, выбраны четыре, определяющие типы люминесцентных ламп: ЛД - дневного света, цветовая температура 6500 К; ЛХБ - холодно-белого света с цветовой температурой 4800 К; ЛБ - белого света с цветовой температурой 4200 К; ЛТБ - тепло-белого света с цветовой температурой 2800 К. Среди ламп указанных цветностей различают также лампы с улучшенным спектральным составом излучения, обеспечивающим хорошую цветопередачу. К обозначению таких ламп после букв, характеризующих цвет излучения, добавляется буква Ц (например, ЛДЦ, ЛХБЦ, ЛБЦ, ЛТБЦ). Для изготовления ламп с улучшенной цветопередачей к галофосфату кальция добавляют другие люминофоры, излучающие главным образом в красной области спектра. Контроль соответствия ламп по излучению заданной цветности осуществляют путем проверки цветности излучения с помощью колориметров.

В люминесцентных лампах излучение охватывает практически весь видимый диапазон с максимум в желтой, зеленой или голубой его части. Оценить цвет такого сложного излучения только по длине волны не предоставляется возможным. В этих случаях цвет определяют по координатам цветности x и y , каждой паре значений которых соответствует определенный цвет (точка на цветовом графике).

Правильное восприятие цвета окружающих предметов зависит от спектрального состава излучения источника света. В этом случае принято говорить о цветопередаче источника света и оценивать ее по значению параметра R а , называемого общим индексом цветопередачи. Значение R а является показателем восприятия цветного предмета при его освещении данным источником искусственного света по сравнению с эталонным. Чем больше значение R а (максимальное значение 100), тем выше качество цветопередачи лампы. Для люминесцентных ламп типа ЛДЦ R а = 90, ЛХЕ - 93, ЛЕЦ - 85. Общий индекс цветопередачи является усредненным параметром источника света. В ряде специальных случаев дополнительно к R а используют индексы цветопередачи, обозначаемые R i , которые характеризуют восприятие цвета, например, при его сильной насыщенности, необходимости правильного восприятия цвета человеческой кожи и тому подобного.

Процессы в газе, люминофоре и на катоде ламп в процесс горения

Проследим процессы, происходящие во времени, в газе или парах металла при прохождении через них электрического тока, а также некоторые специфические процессы, свойственные люминесцентным лампам, в частности их люминофорному слою.

В первые часы горения происходит некоторое изменение электрических параметров, связанное с завершением активировки катода и с поглощением и выделением некоторых примесей из материалов внутренних деталей ламп в условиях повышенной химической активности, характерной для плазмы. В течение остального срока службы электрические параметры остаются неизменными до тех пор, пока не будет израсходован запас активирующего вещества в оксидном катоде, что приводит к значительному повышению напряжения зажигания, то есть практически к невозможности дальнейшей эксплуатации ламп.

Сокращение срока службы люминесцентных ламп может происходить и в результате уменьшения содержания ртути, определяющей давление ее насыщенных паров. При охлаждении лампы ртуть частично оседает на люминофоре, который при соответствующей структуре слоя может связывать ее так, что она больше не участвует в дальнейшем процессе испарения.

Необратимые процессы протекают во время срока службы в слое люминофора, что приводит к постепенному уменьшению светового потока люминесцентных ламп. Как видно из приведенных на рисунке 9 кривых изменения светового потока люминесцентных ламп в течение срока службы, это уменьшение происходит особенно интенсивно в течение первых 100 часов горения, затем замедляется, становясь после 1500 - 2000 часов примерно пропорциональным длительности горения. Такой характер изменения светового потока люминесцентных ламп в течение срока службы объясняется следующим. В течение 100 часов преобладают изменения состава люминофора, связанные с химическим реакциями с примесями в наполняющем газе; в течение всего процесса горения имеет место медленное разрушение люминофора под действием квантов, обладающих большой энергией, соответствующих резонансному излучению ртути. К последнему процессу добавляется образование на поверхности люминофора слоя адсорбированной ртути, непрозрачного для возбуждающего ультрафиолетового излучения. Кроме этих процессов, а также изменения в результате взаимодействия со стеклом на слое люминофора осаждаются продукты распада катодов, образующих около концов лампы характерные темные, иногда зеленоватые кольцевые зоны.

Опытами установлено, что стойкость люминофорного слоя зависит от удельной электрической нагрузки. Для люминесцентных ламп с повышенной электрической нагрузкой применяют люминофоры более стойкие, чем галофосфат кальция.

Основные параметры ламп

Люминесцентные лампы характеризуются следующими основными параметрами.

Световые параметры: 1) цвет и спектральный состав излучения; 2) световой поток; 3) яркость; 4) пульсация светового потока.

Электрические параметры: 1) мощность; 2) рабочее напряжение; 3) род питающего тока; 4) тип разряда и используемая область свечения.

Эксплуатационные параметры: 1) световая отдача; 2) срок службы; 3) зависимость световых и электрических параметров от напряжения питания и условий внешней среды; 4) размеры и форма ламп.

Основным признаком, выделяющим из всего многообразия люминесцентных ламп лампы массового применения для целей освещения, является их напряжение горения, связанное с видом используемого разряда. По этому признаку лампы делят на три основных типа.

1. Люминесцентные лампы дугового разряда с напряжением горения до 220 В. Эти лампы получили наибольшее распространение в нашей стране и европейских странах. Такие лампы имеют оксидный самокалящийся катод и зажигаются при его предварительном нагреве, что обуславливает основные особенности их конструкции.

2. Люминесцентные лампы дугового разряда с напряжение горения до 750 В. Такие лампы (типа Slim line) получили распространение в США, они работают без предварительного нагрева катодов, имеют мощность более 60 Вт.

3. Люминесцентные лампы тлеющего разряда с холодными катодами. Этот тип ламп используется для рекламного и сигнального освещения. Они работают при малых токах (от 20 до 200 мА) в установках высокого напряжения (до нескольких киловольт). Ввиду малого диаметра применяемых трубок им легко придается любая форма.

В особую группу выделяют высокоинтенсивные лампы повышенной мощности, имеющие размеры ламп первой группы. В таких лампах оказалось необходимым применять специальные способы поддержания давления насыщенных паров ртути.

Рассмотрим основные параметры люминесцентных ламп первой группы. Из перечисленных выше параметров, характеризующих люминесцентные лампы, нами уже рассмотрены цвет и спектральный состав излучения, световой поток, мощность, тип разряда и используемая область свечения. Значения других параметров люминесцентных ламп приведены в таблице 1. Средний срок службы ламп всех типов мощностью от 15 до 80 Вт в настоящее время превышает 12000 часов при минимальной продолжительности горения каждой лампы 4800 - 6000 часов. За время среднего срока службы стандартом допускается спад светового потока не более 40% начального, а за время, равное 70% среднего срока службы, - не более 30%.

Таблица 1

Характеристики люминесцентных ламп общего назначения по ГОСТ 6825-74

Типы ламп	Мощность, Вт	Ток, А	Рабочее напряжение, В	Размеры, мм		Световой поток, лм		Срок службы, ч
				Длина со штырьками	Диаметр	средний	после минимальной продолжительности горения	средний	минимальный
ЛБ15 ЛТБ15 ЛХБ15 ЛД15 ЛДЦ15	15	0,33	54	451,6	27	820 820 800 700 600	600 540 525 450 410	15000	6000
ЛБ20 ЛТБ20 ЛХБ20 ЛД20 ЛДЦ20	20	0,37	57	604	40	1200 1100 1020 1000 850	940 760 735 730 630	12000	4800
ЛБ30 ЛТБ30 ЛХБ30 ЛД30 ЛДЦ30	30	0,36	104	908,8	27	2180 2020 1940 1800 1500	1680 1455 1395 1180 1080	15000	6000
ЛБ40 ЛТБ40 ЛХБ40 ЛД40 ЛДЦ40	40	0,43	103	1213,6	40	3200 3100 3000 2500 2200	2490 2250 2250 1900 1630	12000	4800
ЛБ65 ЛТБ65 ЛХБ65 ЛД65 ЛДЦ65	65	0,67	110	1514,2	40	4800 4650 4400 4000 3160	3720 3310 3165 2705 2500	13000	5200
ЛБ80 ЛТБ80 ЛХБ80 ЛД80 ЛДЦ80	80	0,865	102	1514,2	40	5400 5200 5040 4300 4800	4170 3745 3650 3100 2890	12000	4800

Яркость люминесцентных ламп различной цветности и мощности составляет от 4 × 10³ до 8 × 10³ кд/м². Яркость лампы связана с ее световым потоком Ф л и геометрическим размерами соотношением

где L 0 - средняя по диаметру яркость средней части лампы в направлении, перпендикулярном оси, кд/м 2 ; Ф л - световой поток, лм; k - коэффициент, учитывающий спад яркости к концам трубки, k = 0,92 для всех ламп, за исключением ламп мощностью 15 Вт, у которых k = 0,87; d - внутренний диаметр трубки, м; l св - длина светящейся части трубки, м.

Неравномерность яркости по диаметру трубки связана с изменением коэффициента отражения стекла, который увеличивается с ростом угла падения. Необходимо отметить, что все указанные электрические и световые параметры люминесцентных ламп определены при включении лампы с образцовым измерительным дросселем (ДОИ) на номинальное стабилизированное напряжение.

Сила света люминесцентных ламп I v в направлении, перпендикулярном их оси, связана со световым потоком соотношением

I v = 0,108 × Ф л.

Пространственное распределение силы света люминесцентных ламп в продольной плоскости близко к диффузному.

При включении люминесцентных ламп в сеть переменного тока в каждый полупериод происходит погасание и перезажигание разряда в лампе, что приводит к пульсации светового потока. Благодаря послесвечению люминофора пульсации светового потока лампы ослаблена по сравнению с пульсацией разряда. Снижение стробоскопического эффекта, создаваемого пульсирующим световым потоком люминесцентных ламп, осуществляется благодаря соответствующему присоединению к сети питания групп одновременно включаемых люминесцентных ламп, к примеру, на две или три разноименные фазы питающей сети.

Электрические и световые параметры люминесцентных ламп определяются параметрами схемы включения и напряжением сети. При изменении напряжения сети электрические параметры ламп и те из световых и эксплуатационных параметров, которые непосредственно связаны с электрическими, также изменяются. При любых схемах включения параметры люминесцентных ламп значительно меньше зависят от напряжения питания, чем .

Зависимость параметров люминесцентных ламп от давления насыщенных паров ртути определяет их чувствительность к изменению температуры окружающей среды и условиям охлаждения. На рисунке 10 показана зависимость светового потока от температуры окружающего воздуха. Как известно, воздух в зависимости от скорости его движения существенно изменяет свое охлаждающее действие. Поэтому зависимость световой отдачи ламп, как это видно из рисунка 10, определяется не только температурой, но и скоростью движения воздуха.

Лампы с самокалящимися оксидными катодами

Основная масса люминесцентных ламп с самокалящимися оксидными катодами изготовляется в виде прямых трубок, отличающихся диаметром и длиной, то есть мощностью. Длина ламп жестко регламентируется стандартом. Это обеспечивает возможность установки ламп в светильники.

Для прямых люминесцентных ламп применяют несколько конструкций цоколей. Установленная ГОСТ 1710-79 конструкция с номинальными размерами показана на рисунке 11. Цоколь к лампе присоединяется с помощью цоколевочной мастики аналогично цоколеванию ламп накаливания.

Большая длина прямых люминесцентных ламп ограничивает в ряде случаев их применение, особенно в быту. Поэтому разработаны и выпускаются люминесцентные лампы различной формы: U и W -образные, кольцевые а в последние несколько лет компактные люминесцентные лампы конструкция которых приближена к лампе накаливания общего освещения, включая цоколь, что обеспечивает их успешное применение. Фигурные U и W -образные лампы обеспечивают возможность одностороннего крепления и присоединения к питающей сети. Фигурные лампы изготовляют сгибанием заваренных, но еще не откачанных прямых ламп требуемой мощности. Световая отдача изогнутых ламп меньше, чем прямых, из-за взаимного экранирования частей колбы. Кольцевые люминесцентные лампы сгибают в практически сплошное кольцо. Расстояние между концами согнутой лампы определяется возможностью присоединения согнутой лампы к вакуумной установке для откачки и вакуумной обработки. Этот небольшой промежуток заполняется в готовой лампе специальным цоколем с четырьмя штырьками. Параметры некоторых люминесцентных ламп приведены в таблице 2.

Таблица 2

Параметры люминесцентных ламп специального назначения

Тип лампы	Мощность люминесцентных ламп, Вт	Ток, А	Рабочее напряжение, В	Размеры, мм		Световой поток, лм		Срок службы, ч
				Длина без штырьков	Диаметр	номинальный	После 40% средней продолжительности горения	средний	Каждой лампы
Малогабаритные
ЛБ4-1 ЛБ6-2 ЛБ8-3 ЛБ13-1	4 6 8 13	0,15 0,15 0,17 0,175	30 46 61 95	135,8 211,0 288,2 516,8	16 16 16 16	110 250 385 780	85 187 290 585	6000 6000 6000 6000	- - - -
Фигурные (U-, W-образные, кольцевые)
ЛБУ30-У4 ЛБ30-У4 ЛБК22 ЛБК32 ЛБК40	30 30 22 32 40	0,36 0,35 0,38 0,41 0,44	104 108 66 82 110	465 231 - - -	86 230 216 311 412	1920 1800 1050 1900 2600	1280 1280 790 1420 1950	15000 15000 7500 7500 7500	6000 6000 3000 3000 3000
Рефлекторные
ЛБР40 ЛБР80 ЛХБР40 ЛХБР80	40 80 40 80	0,43 0,865 0,43 0,865	103 102 103 102	1213,6 1514,2 1213,6 1514,2	40 40 40 40	2500 4350 2080 3460	390 * 600 * 300 * 500 *	10000 10000 10000 10000	4000 4000 4000 4000
Амальгамные
ЛБА15-1 ЛБА30-1 ЛБА40	15 30 40	0,33 0,36 0,43	54 104 103	451,6 908,8 1213,6	27 27 40	780 2040 3040	550 1450 2260	12000 12000 12000	4800 4800 4800
Цветные
ЛК40БП ЛЖ40БП ЛР40БП ЛЗ40БП ЛГ40БП	40 40 40 40 40	0,43 0,43 0,43 0,43 0,43	103 103 103 103 103	1213,6 1213,6 1213,6 1213,6 1213,6	40 40 40 40 40	330 1450 560 2100 1000	230 1020 390 1500 700	7500 7500 7500 7500 7500	4000 4000 4000 4000 4000

* Сила света в канделах

В целях использования цветовых преимуществ люминесцентных ламп и их низкой температуры в установках местного освещения разработана серия малогабаритных ламп в колбе диаметром 16 мм. Лампы этой серии, параметры которых приведены в таблице 2, отличаются от ламп основной серии меньшими световыми отдачами и сроками службы. Для присоединения к сети питания они снабжаются цилиндрическими штырьковыми цоколями типа G-5 по ГОСТ 17100-79 (рисунок 11).

Для работы при высоких окружающих температурах, например в закрытых светильниках, выпускаются специальные амальгамные люминесцентные лампы, в которых ртуть заменена амальгамой (таблица 2). Амальгамой называется сплав металла со ртутью. В зависимости от соотношения ртути и металла амальгамы при комнатной температуре могут быть в жидком, полужидком и твердом состоянии. При высоких температурах амальгама разлагается с выделением ртути, которая, испаряясь участвует в процессах создания газового разряда, как и в обычной люминесцентной лампе. Введение амальгамы увеличивает температуру, при которой достигается оптимальное давление паров ртути (до 60 - 90 °С), что позволило создать лампы с большой удельной мощностью на единицу длины, работающие при повышенных до 70 - 95 °С температурах окружающей среды. Однако введение ртути в виде амальгамы затрудняет зажигание ламп. Кроме того, постепенное испарение ртути приводит к постепенному повышению светового потока ламп - их разгоранию за определенное время. Время разгорания амальгамных ламп при указанных выше температурах окружающей среды составляет 10 - 15 минут. В качестве амальгамы в отечественных лампах используют состав, состоящий из 20 % ртути, 75 % свинца и 5 % бериллия в твердом состоянии.

Дальнейшее увеличение мощности люминесцентных ламп в приемлемых для их практического использования габаритных размерах потребовало разработки приемов и методов поддержания давления насыщенных паров ртути в необходимых пределах в условиях роста температуры средней части колбы. Сохранение давления паров ртути при высоких удельных нагрузках достигается созданием более холодного места на колбе лампы, чем ее средняя часть. Основными способами такого рода являются: приваривание в середине колбы цилиндрического отростка, как бы относящего часть внешней поверхности колбы на большее расстояние от оси разряда (рисунок 12, а ); увеличение длины закатодной области с экранированием конца трубки от нагрева излучением катода (рисунок 12, б ). Недостаток этих способов состоит в том, что при остывании лампы вся ртуть собирается в холодном месте, в результате чего замедляется разгорание лампы. Увеличение длины закатодной области приводит к уменьшению длины столба разряда. Поэтому световая отдача таких амальгамных ламп ниже, чем ламп с обычной конструкцией катода. Области их применения определяются параметрами окружающей среды. Из дополнительных недостатков ламп с отростком укажем на трудность их упаковки и транспортирования.

Рисунок 12. Способы получения холодных зон на колбе:
а - отросток на колбе; б - удлиненная и экранированная закатодная область; в - желобковая колба

Наилучшие результаты дает применение желобковых трубок (рисунок 12, в ). Подобная форма колбы приводит к удлинению канала разряда, ось которого как бы изгибается вслед за перемежающимися желобками, при этом ряд участков поверхности трубки удаляется от оси разряда. Однако увеличение длины разрядного промежутка в таких конструкциях не приводит к ощутимому росту напряжения зажигания. Более длинный разрядный промежуток позволяет получить ту же мощность за счет несколько меньшего тока. Развитие таких люминесцентных ламп в последнее время приостановилось из-за успехов, достигнутых в производстве ламп высокого давления, прежде всего натриевых с улучшенной цветопередачей и высокими световыми отдачами.

Из специальных люминесцентных ламп следует упомянуть также так называемые облучательные лампы, излучение которых лежит за пределами видимой области. К таким лампам относят, в частности, бактерицидные лампы, которые не имеют люминофора. Бактерицидные лампы имеют значительный поток излучения в ультрафиолетовой области спектра (доминирующая длина волны 253,65 нм), отличающийся бактерицидным действием, то есть способностью обезвреживать бактерии. Для колб таких ламп применяют специальное увиолевое стекло, пропускающее более 50 % потока излучения с длиной волны 253,65 нм.

Бактерицидные лампы типа ДБ мощностью 8, 15, 30 и 60 Вт выпускают в колбах тех же размеров, что и люминесцентные лампы аналогичной мощности. Излучение бактерицидных ламп оценивают в специальных единицах бактерицидного потока - бактах (1бк - поток излучения мощностью 1 Вт с длиной волны 253,65 нм). Лампы типа ДБР8 (рефлекторные) имеют поток излучения 3 бк, ДБ15 - 2,5 бк, ДБ30-1 - 6,6 бк, ДБ60 - 8 бк.
Люминесцентные лампы с колбами из увиолевого стекла, но с худшим пропусканием излучения с длиной волны 253,65 нм из-за нанесения на внутреннюю стенку люминофора на основе фосфата кальция создают эритемный поток излучения, используемый в ряде установок загарного и лечебного действия. Излучение эритемных ламп оценивается в единицах эритемного потока - эрах (1 эр - поток излучения мощностью 1 Вт с длиной волны 297 нм). Эритемные лампы выпускаются типов ЛЭ, ЛЭР и ЛУФЩ мощностью от 4 до 40 Вт с эритемным потоком на расстоянии 1 м от 40 до 140 мэр/м².

Кроме рассмотренных выпускаются облучательные люминесцентные лампы специальной конструкции, рекламные, сигнальные и декоративные. Так, серия декоративных ламп включает в себя лампы различного цвета, что указывается в их маркировке (К - красные, Ж - желтые, Р - розовые, З - зеленые, Г - голубые).

Помимо рассмотренных люминесцентных ламп с оксидными самокалящимися катодами, используемыми в стартерных схемах включения, существуют лампы, предназначенные для работы в бесстартерных схемах и схемах мгновенного зажигания. Лампы для работы в бесстартерных схемах - лампы быстрого зажигания по конструкции не отличаются от стартерных, но имеют нормированные значения сопротивления катодов и токопроводящую полосу на колбе, облегчающую зажигание.

Особую группу люминесцентных ламп составляют рефлекторные лампы с направленным светораспределением. На внутреннюю поверхность трубки (до 2/3 ее окружности) наносят слой порошка металла, обладающего диффузным отражением, а затем слой люминофора. Отражающий слой концентрирует поток излучения. Такие лампы имеют меньшую световую отдачу из-за поглощения в отражающем слое, но обеспечивают большую эффективность светильников. Лампы с таким покрытием называют щелевыми. Щелевые лампы обладают большой концентрацией излучения, что позволяет применять их в электрических аппаратах (лампы типа ЛЩ47) и для облучения растений в теплицах (типа ЛФР150).

В связи с разработкой высокостабильных узкополосных люминофоров на основе редкоземельных элементов появилась возможность производства высокоэкономичных люминесцентных ламп в колбе диаметром 26 мм вместо 38 мм. Такие лампы имеют пониженную мощность - 18 вместо 20 Вт, 36 вместо 40 Вт, 58 вместо 65 Вт и высокую световую отдачу (до 100 лм/Вт), благодаря чему их световой поток оказывается выше, чем у стандартных ламп большей мощности.

Производство люминесцентных ламп связано с применением токсичной ртути. Поэтому разработка безртутных ламп давно привлекала внимание. Удалось создать лампы низкого давления в колбах диаметром 38, длиной 1200 мм, наполненные неоном, с люминофором на основе оксида иттрия, со световой отдачей 23 - 25 лм/Вт. Благодаря большему градиенту потенциала столба разряда в неоне (примерно в 2 раза выше, чем в ртутных люминесцентных лампах) можно создавать экономичные лампы, для определенных целей. Безртутные люминесцентные лампы из-за облегчения условий зажигания при пониженных температурах применяют, например, в установках освещения подводного лова рыбы.

Наиболее распространены газоразрядные 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 (или амальгамой).

Преимущества и недостатки

Популярность люминесцентных ламп обусловлена их преимуществами (над лампами накаливания):

К недостаткам относят:

• наличие дополнительного приспособления для пуска лампы - пускорегулирующего аппарата (громоздкий шумный дроссель с ненадёжным стартером или же 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 .

История

Первым предком лампы дневного света были газоразрядные лампы. Впервые свечение газов под воздействием электрического тока наблюдал Михаил Ломоносов, пропуская ток через заполненный водородом стеклянный шар. Считается что первая газоразрядная лампа изобретена в 1856 году. Генрих Гайсслер получил синее свечение от заполненной газом трубки, которая была возбуждена при помощи соленоида. 23 июня 1891 года Никола Тесла запатентовал систему электрического освещения газоразрядными лампами (патент № 454,622), которая состояла из источника высокого напряжения высокой частоты и газоразрядных аргоновых ламп запатентованных им ранее (патент № 335,787 от 9 февраля 1886 г. выдан United States Patent Office). Аргоновые лампы используются и в настоящее время. В 1893 году на всемирной выставке в Чикаго, штат Иллинойс, Томас Эдисон показал люминесцентное свечение. В 1894 году М. Ф. Моор создал лампу, в которой использовал азот и углекислый газ, испускающий розово-белый свет. Эта лампа имела умеренный успех. В 1901, Питер Купер Хьюитт демонстрировал ртутную лампу, которая испускала свет сине-зелёного цвета, и таким образом была непригодна в практических целях. Однако, её конструкция была очень близка к современной, и имела намного более высокую эффективность, чем лампы Гайсслера и Эдисона. В 1926 году Эдмунд Гермер (Edmund Germer) и его сотрудники предложили увеличить операционное давление в пределах колбы и покрывать колбы флуоресцентным порошком, который преобразовывает ультрафиолетовый свет, испускаемый возбуждённой плазмой в более однородно бело-цветной свет. Э.Гермер в настоящее время признан как изобретатель лампы дневного света. General Electric позже купила патент Гермера, и под руководством Джорджа Э. Инмана довела лампы дневного света до широкого коммерческого использования к 1938 году. В СССР первые люминесцентные лампы были разработаны под руководством академика С. И. Вавилова В. А. Фабрикантом , Ф. А. Бутаевой и др .

Принцип работы

При работе люминесцентной лампы между двумя электродами, находящимися в противоположных концах лампы, возникает тлеющий разряд . Лампа заполнена инертным газом и парами ртути, проходящий ток приводит к появлению УФ излучения. Это излучение невидимо для человеческого глаза, поэтому его преобразуют в видимый свет с помощью явления люминесценции . Внутренние стенки лампы покрыты специальным веществом - люминофором , которое поглощает УФ излучение и излучает видимый свет. Изменяя состав люминофора, можно менять оттенок свечения лампы. В качестве люминофора используют в основном галофосфаты кальция и ортофосфаты кальция-цинка.

Маркировка

Трёхцифровой код на упаковке лампы содержит как правило информацию относительно качества света (индекс цветопередачи и цветовой температуры).

Первая цифра - индекс цветопередачи в 1х10 Ra (компактные люминесцентные лампы имеют 60-98 Ra, таким образом чем выше индекс, тем достоверней цветопередача)

Вторая и третья цифры - указывают на цветовую температуру лампы.

Таким образом маркировка «827» указывает на индекс цветопередачи в 80 Ra, и цветовую температуру в 2700 (что соответствует цветовой температуре лампы накаливания)

Кроме того, индекс цветопередачи может обозначаться в соответствии с DIN 5035, где диапазон цветопередачи 20-100 Ra поделён на 6 частей- от 4 до 1А. (нем.)

Особенности восприятия

Цветовосприятие человека сильно изменяется в зависимости от яркости. При небольшой яркости мы лучше видим синий и хуже красный. Поэтому цветовая температура дневного света (5000-6500K) в условия низкой освещённости будет казаться чрезмерно синей. Средняя освещённость жилых помещений - 75 люкс, в то время как в офисах и других рабочих помещениях - 400 люкс. При небольшой яркости (50-75 люкс) наиболее естественным выглядит свет с температурой 3000K. При яркости в 400 люкс такой свет уже кажется жёлтым, а наиболее естественным кажется свет с температурой 4000-6000K.

Международная маркировка по цветопередаче и цветовой температуре

Код	Определение	Особенности	Применение
530	Basic warmweiß / warm white	Свет тёплых тонов с плохой цветопередачей. Объекты кажутся коричневатыми и малоконтрастными. Посредственная светоотдача.	Гаражи, кухни. В последнее время встречается всё реже.
640/740	Basic neutralweiß / cool white	«Прохладный» свет с посредственной цветопередачей и светоотдачей	Весьма распространён, должен быть заменён на 840
765	Basic Tageslicht / daylight	Голубоватый «дневной» свет с посредственной цветопередачей и светоотдачей	Встречается в офисных помещениях и для подсветки рекламных конструкций (ситилайтов)
827	Lumilux interna	Похожий на свет лампы накаливания с хорошей цветопередачей и светоотдачей	Жильё
830	Lumilux warmweiß / warm white	Похожий на свет галогеновой лампы с хорошей цветопередачей и светоотдачей	Жильё
840	Lumilux neutralweiß / cool white	Белый свет для рабочих поверхностей с очень хорошей цветопередачей и светоотдачей	Общественные места, офисы, ванные комнаты, кухни. Внешнее освещение
865	Lumilux Tageslicht / daylight	«Дневной» свет с хорошей цветопередачей и посредственной светоотдачей	Общественные места, офисы. Внешнее освещение
880	Lumilux skywhite	«Дневной» свет с хорошей цветопередачей	Внешнее освещение
930	Lumilux Deluxe warmweiß / warm white	«Тёплый» свет с отличной цветопередачей и плохой светоотдачей	Жильё
940	Lumilux Deluxe neutralweiß / cool white	«Холодный» свет с отличной цветопередачей и посредственной светоотдачей.	Музеи, выставочные залы
954, 965	Lumilux Deluxe Tageslicht / daylight	«Дневной» свет с непрерывным спектром цветопередачи и посредственной светоотдачей	Выставочные залы, освещение аквариумов

Маркировка цветопередачи по ГОСТ 6825-91*

Люминесцентная лампа производства СССР мощностью 20 Вт(«ЛД-20»). Зарубежный аналог этой лампы - TLD 20W

В соответствии с ГОСТ 6825-91* (МЭК 81-84) «Лампы люминесцентные трубчатые для общего освещения», действующий, лампы люминесцентные линейные общего назначения маркируются, как:

• ЛБ (белый свет)
• ЛД (дневной свет)
• ЛЕ (естественный свет)
• ЛХБ (холодный свет)
• ЛТБ (тёплый свет)

Добавление буквы Ц в конце означает применение люминофора «де-люкс» с улучшенной цветопередачей, а ЦЦ - люминофора «супер де-люкс» с высококачественной цветопередачей.

Лампы специального назначения маркируются, как:

Параметры выпускавшихся в СССР ламп по цветопередаче приведены в таблице:

Аббревиатура	Расшифровка	Оттенок	Цветовая т-ра, К	Назначение	Цветопередача	Примерный эквивалент по международной маркировке
Лампы дневного света
ЛДЦ, ЛДЦЦ	Лампы дневного света, с улучшенной цветопередачей; ЛДЦ - де-люкс, ЛДЦЦ - супер-де-люкс	Белый с лёгким голубоватым оттенком и относительно низкой светоотдачей	6500	Для музеев , выставок , в фотографии , в производственных и административных помещениях с повышенными требованиями к цветопередаче, образовательных учреждениях , жилых помещениях	Хорошая (ЛДЦ), отличная (ЛДЦЦ)	865 (ЛДЦ), 965 (ЛДЦЦ)
ЛД	Лампы дневного света	Белый с лёгким голубоватым оттенком и высокой светоотдачей	6500	В производственных и административных помещениях без высоких требований к цветопередаче	Приемлемая	765
Лампы естественного света
ЛЕЦ, ЛЕЦЦ	Лампы естественного света, с улучшенной цветопередачей; ЛЕЦ - де-люкс, ЛЕЦЦ - супер-де-люкс	Солнечно-белый с относительно низкой светоотдачей	4000	Для музеев, выставок, в фотографии, в образовательных учреждениях, жилых помещениях	Приемлемая (ЛЕЦ), хорошая (ЛЕЦЦ)	754 (ЛЕЦ), 854 (ЛЕЦЦ)
ЛЕ	Лампы естественного света	Белый без оттенка и высокой светоотдачей	4000		Неудовлетворительная	640
Другие осветительные лампы
ЛБ	Лампы белого света	Белый с лиловатым оттенком, плохой цветопередачей и высокой светоотдачей	3500	В помещениях, где нужен яркий свет и не требуется цветопередача: производственных и административных помещениях, в метрополитене	Неудовлетворительная	635
ЛХБ	Лампы холодно-белого света	Белый с заметным голубым оттенком	4850		Неудовлетворительная	685
ЛТБ	Лампы тёпло-белого света	Белый с «тёплым» розовым оттенком, для освещения помещений, богатых бело-розовыми тонами	2700	В продовольственных магазинах , предприятиях общественного питания	Относительно приемлемая для тёплых тонов, неудовлетворительная для холодных	530, 630
ЛТБЦ	Лампы тёпло-белого света с улучшенной цветопередачей	Белый с «тёплым» розовым оттенком	2700	Такое же, как и для ЛТБ, а также для жилых помещений.	Приемлемая для тёплых тонов, менее удовлетворительная для холодных	730
Лампы специального назначения
ЛГ, ЛК, ЛЗ, ЛЖ, ЛР, ЛГР	Лампы с цветным люминофором	ЛГ - голубой, ЛК - красный, ЛЗ - зелёный, ЛЖ - жёлтый, ЛР - розовый, ЛГР - лиловый	-	Для светового дизайна , художественной подсветки зданий, вывесок, витрин	-	ЛГ: 67, 18, BLUE ЛК: 60, 15, RED ЛЗ: 66, 17, GREEN ЛЖ: 62, 16, YELLOW
ЛСР	Лампы синие рефлекторные	Лампы ярко-синего света	-	В электрофотографических копировально-множительных аппаратах	-	-
ЛУФ	Ультрафиолетовые лампы	Лампы тёмно-синего света с выраженной ультрафиолетовой компонентой	-	Для ночной подсветки и дезинфекции в медицинских учреждениях , казармах и т. д., а также в качестве «чёрного света» для светового дизайна в ночных клубах , на дискотеках и т. п.	-	08

Особенности подключения

Дешёвый вариант электронного подключения

Люминесцентная лампа, в отличие от лампы накаливания, не может быть включена напрямую в электрическую сеть. Причин для этого две:

• Для зажигания дуги в люминесцентной лампе требуется импульс высокого напряжения.
• Люминесцентная лампа имеет отрицательное дифференциальное сопротивление , после зажигания лампы ток в ней многократно возрастает. Если его не ограничить, лампа выйдет из строя.

Для решения этих проблем применяют специальные устройства - балласты. Наиболее распространённые на сегодняшний день схемы: электромагнитный балласт с неоновым стартером и различные разновидности электронных балластов.

Электромагнитный балласт

Электромагнитный балласт «1УБИ20» серии 110 завода ВАТРА, СССР.

Современный Электромагнитный балласт «L36A-T» завода Helvar, Финляндия.

Электромагнитный балласт представляет собой электромагнитный дроссель , подключаемый последовательно с лампой. Последовательно нитям лампы подключается стартер, представляющий собой неоновую лампу с биметаллическими электродами и конденсатор. Дроссель формирует за счёт самоиндукции запускающий импульс, а также ограничивает ток через лампу. В настоящее время преимуществами электромагнитного балласта являются простота конструкции, надёжность и низкая стоимость. Недостатков же такой схемы достаточно много:

• Долгий запуск (1-3 сек в зависимости от степени износа лампы);
• Большее потребление энергии, чем у электронной схемы - при напряжении 220 Вольт светильник 2 по 58 Ватт = 116 Ватт потребляет 130 Ватт;
• Малый cos φ =0.5 (без компенсирующих конденсаторов);
• Низкочастотный гул (100Гц), исходящий от дросселя, возрастающий со старением дросселя;
• Мерцание лампы с удвоенной частотой сети, которое может повредить зрение, а иногда бывает опасным (из-за стробоскопического эффекта вращающиеся синхронно с частотой сети предметы могут казаться неподвижными. Поэтому люминесцентные лампы с электромагнитным балластом не рекомендуется применять для освещения подвижных частей станков и механизмов);
• Большие габариты и масса;
• При температуре ниже 10 °C яркость лампы значительно снижается ввиду уменьшения давления газа в лампе;
• При отрицательных температурах лампы по классической схеме могут не зажигаться вообще, при этих условиях применяются автотрансформаторы.

Электронный балласт

Электронный балласт подаёт на электроды лампы напряжение не с частотой сети, а высокочастотное (25-133 кГц), в результате чего заметное для глаз мигание ламп исключено. Однако высокочастотные колебания, проходя через лампу, как антенну, создают электромагнитные помехи в широком спектре, поэтому радиодиапазон ДВ - длинные волны, начинающийся с 150 кГц, стал не пригоден для использования, но аргументировали это тем, что невыгодно строить антенны большого размера и перешли на диапазон УКВ, волны которого распространяются только в пределах прямой видимости и нужны повторители-репитеры.

Может использоваться один из двух вариантов запуска ламп:

• Холодный запуск - при этом лампа зажигается сразу после включения. Такую схему лучше использовать в случае, если лампа включается и выключается редко, так как режим холодного пуска более вреден для электродов лампы.
• Горячий запуск - с предварительным прогревом электродов. Лампа зажигается не сразу, а спустя 0,5-1 сек, зато срок службы увеличивается, особенно при частых включениях и выключениях.

Потребление электроэнергии люминесцентными светильниками при использовании электронного балласта обычно на 20-25 % ниже. Материальные затраты (медь, железо) на изготовление и утилизацию меньше в несколько раз. Использование централизованных систем освещения с автоматической регулировкой позволяет сэкономить до 85 % электроэнергии. Существуют электронные балласты с возможностью диммирования (регулировки яркости) путём изменения скважности тока питания лампы.

Механизм запуска лампы с электромагнитным балластом

В классической схеме включения с электромагнитным балластом для автоматического регулирования процесса зажигания лампы применяется пускатель (стартер), представляющий собой миниатюрную газоразрядную лампу, обычно неоновую. Один электрод стартера неподвижный жёсткий, другой - биметаллический, изгибающийся при нагреве. Есть также стартеры и с двумя гибкими электродами (симметричные). В исходном состоянии электроды стартера разомкнуты. Стартер подключен параллельно лампе так, чтобы при замыкании его электродов ток проходил через спирали лампы.

В момент включения к электродам лампы и стартера прикладывается полное напряжение сети, так как ток через лампу отсутствует и падение напряжения на дросселе равно нулю. Электроды лампы холодные, разряд отсутствует, и напряжения сети недостаточно для её зажигания. Но в стартере от приложенного напряжения возникает тлеющий разряд, и ток проходит через электроды лампы и стартера. Ток разряда мал для разогрева электродов лампы, но достаточен для разогрева электродов стартера, отчего биметаллическая пластинка, изгибается и замыкается с жёстким электродом. Ток течет через электроды лампы и разогревает их. Когда электроды стартера остывают, цепь размыкается, и благодаря самоиндукции происходит бросок напряжения на дросселе, необходимый для зажигания разряда. Параллельно стартеру подключен миниатюрный конденсатор небольшой емкости, служащий для обеспечения условия возникновения резонанса тока совместно с индуктивностью дросселя и, вследствие, зажигания лампы. При отсутствии конденсатора этот импульс будет слишком коротким, а амплитуда слишком большой, и энергия, накопленная в дросселе, израсходуется на разряд в стартере. К моменту размыкания стартера электроды лампы уже достаточно разогреты, но в лампе ещё не вся ртуть испарилась и разряд проходит в атмосфере аргона , из-за чего разряд в лампе неустойчивый и процесс запуска может повториться неоднократно. Как только вся ртуть в колбе лампы испаряется в достаточном количестве, лампа выходит на рабочий режим.

Рабочее напряжение лампы ниже сетевого за счёт падения напряжения на дросселе, поэтому повторного срабатывания стартера не происходит. В процессе зажигания лампы стартер иногда срабатывает несколько раз подряд, если он размыкается в момент, когда мгновенное значение тока дросселя равно нулю, либо электроды лампы ещё недостаточно разогреты. По мере износа рабочее напряжение растёт, количество циклов срабатывания стартера увеличивается, и в конце концов лампа уже не может выйти на рабочий режим. Это вызывает характерное мигание вышедшей из строя лампы. Когда лампа гаснет, можно видеть свечение катодов, разогретых током, протекающим через стартер.

Механизм запуска лампы с электронным балластом

В отличие от электромагнитного балласта для работы электронного балласта обычно не требуется отдельный специальный стартер, так как такой балласт в общем случае способен сформировать необходимые последовательности напряжений сам. Существуют различные способы запуска люминесцентных ламп. Чаще всего электронный балласт подогревает катоды ламп и прикладывает к катодам напряжение, достаточное для зажигания лампы, обычно - переменное и более высокой частоты, чем сетевое (что заодно устраняет мерцание лампы, характерное для электромагнитных балластов). В зависимости от конструкции балласта и временных параметров последовательности запуска лампы такие балласты могут обеспечивать, например, плавный запуск лампы с постепенным нарастанием яркости до полной за несколько секунд или же мгновенное включение лампы. Часто встречаются комбинированные методы запуска, когда лампа запускается не только за счет факта подогрева катодов лампы, но и за счет того, что цепь, в которую включена лампа, является колебательным контуром. Параметры колебательного контура подбираются так, что при отсутствии разряда в лампе в контуре возникает явление электрического резонанса , ведущее к значительному повышению напряжения между катодами лампы. Как правило, это ведет и к росту тока подогрева катодов, поскольку при такой схеме запуска спирали накала катодов нередко соединены последовательно через конденсатор, являясь частью колебательного контура. В результате за счет подогрева катодов и относительно высокого напряжения между катодами лампа легко зажигается. После зажигания лампы параметры колебательного контура изменяются, добротность уменьшается и ток в контуре значительно падает, уменьшая нагрев катодов. Существуют вариации данной технологии. Например, в предельном случае балласт может вообще не подогревать катоды, вместо этого приложив достаточно высокое напряжение к катодам, что неизбежно приведет к почти мгновенному зажиганию лампы за счет пробоя газа между катодами. По сути этот метод аналогичен технологиям, применяемым для запуска ламп с холодным катодом (CCFL). Данный метод достаточно популярен у радиолюбителей, поскольку позволяет запускать даже лампы с перегоревшими нитями накала катодов, которые не могут быть запущены обычными методами из-за невозможности подогрева катодов. В частности, этот метод нередко используется радиолюбителями для ремонта компактных энергосберегающих ламп, которые являются обычными люминесцентными лампами со встроенным электронным балластом в компактном корпусе. После небольшой переделки балласта такая лампа может ещё долго служить невзирая на перегорание спиралей подогрева, и её срок службы будет ограничен только временем до полного распыления электродов.

Причины выхода из строя

Проверка электродов одной стороны на целостность. Сопротивление 9,9Ω говорит о том, что нить электрода на этой стороне цела.

Проверка электродов одной стороны на целостность. Бесконечно большое сопротивление говорит о том, что нить электродов разорвана. Вторым признаком является потемнение вблизи электрода.

Электроды люминесцентной лампы представляют собой вольфрамовые нити, покрытые пастой (активной массой) из щелочноземельных металлов. Эта паста и обеспечивает стабильный разряд и предохраняет вольфрамовые нити от перегрева. В процессе работы она постепенно осыпается с электродов, выгорает и испаряется. Особенно интенсивно она осыпается во время запуска, когда некоторое время разряд происходит не по всей площади электрода, а на небольшом участке его поверхности, что приводит к локальным перепадам температур. Поэтому люминесцентные лампы всё же имеют конечный срок службы (он зависит главным образом от качества изготовления электродов, скорости зажигания), хотя он и больший, чем у обычных ламп накаливания, у которых спираль с постоянной скоростью испаряется. Отсюда потемнение на концах лампы, которое усиливается ближе к окончанию срока службы. Когда паста выгорит полностью, ток лампы начинает падать, а напряжение, соответственно, возрастать.

Выход из строя ламп с электромагнитным балластом

Повышение напряжения на лампе в процессе её старения приводит к тому, что начинает постоянно срабатывать стартер - отсюда всем известное мигание вышедших из строя ламп. При этом электроды лампы постоянно разогреваются, и в конце концов (примерно через 2 - 3 дня мигания) одна из нитей перегорает. Затем минуту-две лампа горит без мерцания, разряд исходит от остатков перегоревшего электрода, на котором уже нет пасты из щелочноземельных металлов, остался только вольфрам. Эти остатки вольфрамовой нити очень сильно разогреваются, из-за чего частично испаряются, либо осыпаются, после этого разряд переходит на траверсу (проволоку, к которой крепится вольфрамовая нить с активной массой), она частично оплавляется и лампа вновь начинает мерцать. Если её выключить, она больше не загорится. При этом из-за длительной работы в непрерывном режиме часто выходит из строя и стартер, так что при замене лампы приходится менять и его тоже. При выходе из строя стартера из-за плохого качества (замыкание биметаллических контактов или пробой конденсатора) электроды лампы разогреваются и через несколько дней перегорают. При пробое дросселя лампа сгорает мгновенно.

Выход из строя ламп с электронным балластом

В процессе старения лампы постепенно выгорает активная масса электродов, после чего нити разогреваются и перегорают. В качественных балластах предусмотрена схема автоматического отключения перегоревшей лампы. В некачественных ЭПРА подобная защита отсутствует, и после повышения напряжения лампа погаснет, а в цепи наступит резонанс, приводящий к значительному возрастанию тока и перегоранию транзисторов балласта.

Также нередко в балласты низкого качества (обычно на компактных люминесцентных лампах со встроенным балластом) на выходе устанавливается конденсатор , рассчитанный на напряжение, близкое к рабочему напряжению новой лампы. По мере старения лампы напряжение повышается и в конденсаторе возникает пробой, также выводящий из строя транзисторы балласта .

При выходе из строя лампы с электронным балластом мерцание, как в случае с электромагнитным балластом, отсутствует, лампа гаснет сразу. Установить причину выхода из строя можно, проверив целостность нитей лампы любым омметром , мультиметром или специализированным прибором для проверки ламп. Если нити лампы имеют низкое сопротивление (порядка 10 Ом, то есть не перегорели), то причина выхода из строя в низком качестве балласта, если одна либо обе из нитей имеют высокое (бесконечное) сопротивление, то лампа перегорела от старости либо от перенапряжения. В последнем случае имеет смысл попробовать заменить саму лампу, однако, если новая лампа также не светится и питание схемы балласта присутствует, то это также говорит о низком качестве балласта (при этом есть риск испортить и новую лампу).

Люминофоры и спектр излучаемого света

Типичный спектр люминесцентной лампы.

Многие люди считают свет, излучаемый люминесцентными лампами, грубым и неприятным. Цвет предметов, освещенных такими лампами, может быть несколько искажён. Отчасти это происходит из-за синих и зелёных линий в спектре излучения газового разряда в парах ртути, отчасти - из-за типа применяемого люминофора, отчасти от неправильно выбранной лампы, предназначенной для складов и нежилых помещений.

Во многих дешевых лампах применяется галофосфатный люминофор, который излучает в основном жёлтый и синий свет, в то время как красного и зелёного излучается меньше. Такая смесь цветов глазу кажется белым, но при отражении от предметов свет может содержать неполный спектр, что воспринимается как искажение цвета. Однако такие лампы, как правило, имеют очень высокую световую отдачу.

Если учесть, что в человеческом глазе три типа цветовых рецепторов, и восприятие сплошного спектра - лишь результат работы мозга, то стремиться воссоздавать сплошной солнечный спектр нет необходимости, достаточно воссоздать такое же воздействие на эти три рецептора. Этот принцип давно используется в цветном телевидении и цветной фотографии. Поэтому в более дорогих лампах используется «трёхполосный» и «пятиполосный» люминофор. Это позволяет добиться более равномерного распределения излучения по видимому спектру, что приводит к более натуральному воспроизведению света. Однако такие лампы, как правило, имеют меньшую световую отдачу.

Колбы специальных ламп изготавливаются из увиолевого стекла, пропускающего лучи в ультрафиолетовом диапазоне волн.

В домашних условиях оценить спектр лампы можно с помощью компакт-диска. Для этого нужно посмотреть на отражение света лампы от рабочей поверхности диска - в дифракционной картине будут видны спектральные линии люминофора. Если лампа расположена близко, между лампой и диском лучше поместить экран с маленьким отверстием.

Специальные люминесцентные лампы

Также существуют специальные люминесцентные лампы с различными спектральными характеристиками:

• Лампы дневного света, отвечающие самым высоким требованиям к цветопередаче естественного цвета при дневном освещении 5400К, служат для устранения эффекта цветовой мимикрии. Она незаменима в случаях, когда нужна атмосфера живого дневного света, например, в типографиях, картинных галереях, музеях, зубоврачебных кабинетах, и лабораториях, при просмотре диапозитивов и в специализированных магазинах текстильных товаров.

• Лампы дневного света, которые излучают свет, который по своей спектральной характеристике схож с солнечным светом. Данные лампы рекомендуется для помещений с недостатком дневного света, например для офисов, банков и магазинов. Благодаря своей очень хорошей цветопередаче и высокой температуре цвета (6500К) она идеально подходит для сравнения красок и медицинской светотерапии.

• Лампы дневного света для растений и аквариумов с усиленным излучением в спектральном диапазоне синего и красного света. Идеально воздействует на фотобиологические процессы. Данные лампы с обозначениями излучают свет с минимальным содержанием ультрафиолетовой составляющей типа А (при абсолютном отсутствии ультрафиолетовых составляющих типа В и С). Обычно комбинируются с лампами дневного света (5400K - 6700K), для придания естественности фонового освещения.

• Лампы для морских обитателей аквариумов с излучением в диапазоне синего цвета и ультрафиолета . Служат для придания естественной окраски кораллов и обитателей коралловых рифов . Также, данные лампы позволяют некоторым видам кораллов флуоресцировать , что в свою очередь «оживляет» композицию. Обычно комбинируются с лампами дневного света (5400K - 6700K), для придания естественности фонового освещения.

• Декоративные лампы красного, жёлтого, зелёного, синего и малинового цветов. Цветные люминесцентные лампы особенно пригодны для декоративного освещения и создания специальных световых эффектов. Цвет лампы получают применением специального люминофора или окрашиванием колбы.Помимо прочего, люминесцентная лампа жёлтого цвета не содержит в своем спектре ультрафиолетовую составляющую. Поэтому эта лампа рекомендована для стерильных производств, например, для цехов по изготовлению микросхем (в подобном производстве используют фоторезисты - вещества, реагирующие с УФ), а также для общего освещения без УФ-излучения.

• Люминесцентные лампы, предназначенные для освещения помещений, в которых содержатся птицы . Спектр этих ламп содержит ближний ультрафиолет , что позволяет создать более комфортное для них освещение, приблизив его к естественному, так как птицы, в отличие от людей, имеют четырёхкомпонентное зрение.

Светильники из ламп «чёрного» света

• Лампы со специальными цветовыми характеристиками:
  • лаков , красок на глубину не более 1 мм; лечение гипербилирубинемии .
  • для полимеризации пластмасс, клеев, лаков , красок на глубину более 1 мм; лечение псориаза ; привлечения насекомых в инсектоловушки; для распознавания подделок.

Варианты исполнения

Люминесцентные лампы - газоразрядные лампы низкого давления - разделяются на линейные и компактные.

Линейные лампы

Линейная люминесцентная лампа - ртутная лампа низкого давления прямой, кольцевой или U-образной формы, в которой большая часть света излучается люминесцентным покрытием, возбуждаемым ультрафиолетовым излучением разряда. Часто такие лампы совершенно неправильно называют - колбчатыми или трубчатыми, такое определение является устаревшим, хотя не противоречит ГОСТ 6825-91 , в котором принято обозначение «трубчатые».

Двухцокольная прямолинейная люминесцентная лампа представляет собой стеклянную трубку, по концам которой вварены стеклянные ножки с укрепленными на них электродами (спиральными нитями подогрева). На внутреннюю поверхность трубки наносится тонкий слой кристаллического порошка - люминофора. Трубка заполнена инертным газом или смесью инертных газов (Ar, Ne, Kr) и герметически запаяна. Внутрь вводится дозированное количество ртути, которая при работе лампы переходит в парообразное состояние. На концах лампы имеются цоколи с контактными штырьками для подключения лампы в цепь.

Линейные лампы различаются по:

• Длине трубки (обычно длина трубки пропорциональна потребляемой мощности):

• Диаметру трубки и имеют следующие обозначения:

Обозначение	Диаметр в дюймах	Диаметр в мм
T4	4/8	12,7
T5	5/8	15,9
T8	8/8	25,4
T10	10/8	31,7
T12	12/8	38,0

• Тип цоколя G13 - расстояние между штырьками 13 мм.

Лампы такого типа часто можно увидеть в производственных помещениях, офисах , магазинах , на транспорте и т. д.

В практике производителей светодиодных светильников и ламп часто также встречается обозначение ламп типа «Т8» или «Т10», а также цоколя «G13». Светодиодные лампы могут быть установлены в стандартный светильник (после его незначительной доработки) для люминесцентных ламп. Но принцип действия отличается и кроме внешнего сходства они ничего общего с люминесцентными лампами не имеют.

Компактные лампы

Компактные люминесцентные лампы

Представляют собой лампы с изогнутой трубкой. Различаются по типу цоколя на:

• G24
  • G24Q1
  • G24Q2
  • G24Q3

Выпускаются также лампы под стандартные патроны E27, E14 и Е40 что позволяет использовать их во многих светильниках вместо ламп накаливания.

Безопасность и утилизация

Все люминесцентные лампы содержат (в дозах от 1 до 70 мг), ядовитое вещество 1-го класса опасности. Эта доза может причинить вред здоровью, если лампа разбилась, и если постоянно подвергаться пагубному воздействию паров ртути, то они будут накапливаться в организме человека, нанося вред здоровью. По истечении срока службы лампу, как правило, выбрасывают куда попало. На проблемы утилизации этой продукции в России индивидуальные потребители не обращают внимания, а производители стремятся отстраниться от проблемы.

Свою историю люминесцентные лампы начинают с газоразрядных приборов, изобретенных в XIX веке. По светоотдаче и экономичности они значительно превосходят лампы накаливания. Применяются для освещения жилых помещений, учреждений, больниц, спортивных сооружений, цехов производственных предприятий.

Принцип работы и основные свойства

Чтобы произошел разряд, к колбе с противоположных сторон подсоединены электроды. Напрямую подключать газоразрядные лампы к сети нельзя. Обязательно используется – балласты.

Если число включений не превышает 5 раз в день, то люминесцентный источник гарантированно прослужит 5 лет. Это почти в 20 раз больше, чем для ламп накаливания.

Среди недостатков люминесцентных ламп выделяют:

• Нестабильную работу при низкой температуре.
• Необходимость в правильной утилизации из-за паров ртути.
• Присутствие мерцания, для борьбы с которым требуется усложнять схему.
• Сравнительно большие размеры.

Однако люминесцентные лампы чрезвычайно экономичны, поскольку потребляют мало энергии, дают больше света и дольше работают. Не удивительно, что они заменили обычные лампочки почти во всех учреждениях и на предприятиях.

Разновидности люминесцентных ламп

Лампы бывают низкого и высокого давления. Трубки низкого давления устанавливают в помещениях, высокого давления – на улицах и в мощных осветительных приборах.

Ассортимент люминесцентных осветительных приборов довольно широк. Они отличаются размером и формой трубки, типом цоколя, мощностью, цветовой температурой, светоотдачей и другими характеристиками.

В зависимости от формы трубки люминесцентные лампы бывают:

• Трубчатыми (прямыми), обозначаются буквой Т или t, имеют прямую форму.
• U-образными.
• Кольцевыми.
• Компактными, применяются для светильников.

Прямые, U-образные и кольцевые типы объединят в один вид линейных ламп. Наиболее часто встречаются осветительные приборы в форме трубок. После буквы T или t стоит число. Оно указывает на диаметр трубки, выраженный в восьмой части дюйма. Т8 означает, что диаметр составляет 1 дюйм или 25,4 мм, Т4 – 0,5 дюйма или 12,7 мм, Т12 – 1,5 дюйма или 38,1 мм.

Чтобы сделать лампу более компактной, ее колбу изгибают. Для запуска таких ламп используют встроенный электронный дроссель. Цоколь делают либо под стандартные лампы, либо под специальные светильники.

Цоколь люминесцентной лампы может быть типа G (штырьковый с двумя контактами) или типа E (винтовой). Последний тип применяется в компактных моделях. Цифры после буквы G указывают на расстояние между контактами, а после буквы E – диаметр в миллиметрах.

Маркировка

Отечественная и международная маркировка отличается. Российская берет свое начало со времен Советского Союза, в ней используются буквы кириллицы. Значения букв следующие:

• Л лампа;
• Д дневной свет;
• Б белый;
• Т теплый;
• Е естественный;
• Х холодный.

Для компактных моделей впереди ставят букву К. Если в конце маркировки стоит Ц, то применяют люминофор с улучшенной цветопередачей. Две буквы Ц означают, что цветопередача самого высокого качества.

Если лампа дает цветной свет узкого спектра, то после Л стоит соответствующая буква. Например, ЛК означает источник красного свечения, ЛЖ – желтого, и так далее.

Согласно международной маркировке на лампе пишут мощность и через косую черту трехзначное число, которое определяет индекс цветопередачи и цветовую температуру.

Первая цифра числа указывает на цветопередачу, умноженную на 10. Чем больше цифра, тем точнее цветопередача. Последующие две цифры говорят о цветовой температуре, выраженной в кельвинах и деленной на 100. Для дневного света цветовая температура составляет 5-6,5 тысяч K, поэтому лампа с маркировкой 865 будет означать дневной свет с высокой цветопередачей.

Для жилья используют лампы с кодом 827, 830, 930, для внешнего освещения с кодом 880, для музеев с кодом 940. Подробнее о значении маркировки можно узнать в специальных таблицах.

Мощность традиционно обозначается буквой W. В источниках света общего назначения шкала мощности изменяется от 15 до 80 Вт. У ламп специального назначения мощность может быть менее 15 Вт (маломощные) и более 80 Вт (мощные).

Применение

Люминесцентные лампы с всевозможными оттенками белого цвета применяют для освещения помещений и улиц. С их помощью подсвечивают растения в оранжереях и теплицах, аквариумы, музейные экспонаты.

Наиболее распространенные трубки Т8 с цоколем G13 мощностью 18 и 36 Вт. Их применяют в учреждениях и на производстве. Они легко заменяют советские лампы типа ЛБ/ЛД-20 и ЛБ/ЛД-40.

Поскольку люминесцентные источники слабо нагреваются, их можно применять во всех типах светильников. Выбирая соответствующий цоколь, мощность и размер, их устанавливают в бра, подвесные люстры, ночники. Применяют на кухне, ванне, гаражах, рабочих кабинетах.

Выпускают люминесцентные лампы, излучающие ультрафиолетовый свет. Их устанавливают в лабораториях, исследовательских центрах, медицинских учреждениях – везде, где требуется этот тип излучения.

Люминофор может давать цветной свет (желтый, голубой, зеленый, красный и так далее). Такие источники применяют в дизайнерских целях для художественного оформления витрин, подсветки вывесок, фасадов зданий.

Чтобы люминесцентный прибор прослужил максимально долго, надо обеспечить ему стабильное напряжение и редкое включение/выключение. Поскольку в колбе люминесцентного источника света содержится ртуть, ее нельзя выбрасывать вместе с другим бытовым мусором. Люминесцентные лампы необходимо сдавать в специальные пункты приема. Это могут быть спасательные службы, магазины, продающие электротовары, или компании по утилизации опасного мусора.