Люминесцентные лампы (лл)
Люминесцентные лампы (иначе – ртутные лампы низкого давления) представляют собой разрядные источники света, в которых видимое излучение создаётся не только самим ртутным разрядом, но и за счёт преобразования люминофором, покрывающим стенки колбы, ультрафиолетового излучения ртутного разряда в излучения видимой области спектра.
Область применения ЛЛ чрезвычайно широка, но в то же время их использование для наружного освещения и в высоких помещениях нецелесообразно из-за узкого диапазона мощности, ненадёжной работой при низких температурах окружающей среды и больших размеров.
Конструктивные особенности люминесцентных ламп
Исследования разрядов в атмосфере ртути при разных давлениях выявили две области давлений, при которых разряд целесообразно использовать для целей электрического освещения:
– область низких давлений паров (0,8…1,33 Па, т.е. около 0,01 мм ртутного столба);
– область высоких давлений паров (105…106 Па).
Если вторая область используется при работе ламп ДРЛ, то первая – в люминесцентных лампах.
Ртутный разряд при низком давлении содержит примерно 63,7 % излучений в ультрафиолетовой области спектра (в основном при длинах волн 253,7 нм – 55 % и 184,9 нм), 34,5 % тепловых потерь и только 1,8 % излучений, приходящихся на видимую область спектра.
По этой причине возникает задача преобразования ультрафиолетовых излучений в видимые. Задача была решена С.И. Вавиловым за счёт использования люминесценции.
Люминесценция – явление свечения отдельных тел под воздействием процессов не связанных с нагревом. Существует несколько видов люминесценции, например, триболюминесценция – под воздействием трения, хемилюминесценция – под влиянием химических реакций и др. В РЛ используется фотолюминесценция – свечение люминофоров под воздействием ультрафиолетового облучения.
Люминофоры – вещества, способные преобразовывать поглощаемую ими энергию в видимые излучения. Каждый люминофор характеризуется:
– спектром поглощения;
– спектром испускания, который является сплошным.
Спектр поглощения и его максимум всегда лежит в области более коротких волн, чем спектр испускания и его максимум. Чем ближе расположены эти спектры, тем экономичнее ЛЛ.
В ЛЛ используется различные люминофоры, из которых самым распространённым вследствие меньшей стоимости является галофосфат кальция (ГФК) активированный сурьмой и марганцем. Благодаря люминофору на долю видимого излучения ЛЛ приходится до 23%. Меняя состав люминофора, можно изменить спектр излучения ЛЛ, в том числе добиться излучений близких к естественному свету. Для этих целей в ЛЛ с улучшенной цветопередачей применяют трёх- и пятислойные люминофоры.
Люминофор наносится на внутреннюю поверхность колбы (рис. 35). Стекло колбы не пропускает ультрафиолетовое излучение в окружающую среду, предохраняя зрение наблюдателей. Колба ламп, предназначенных для медицинских целей (бактерицидных, ультрафиолетовых), выполняется из кварцевого или увиолевого стекла, пропускающего ультрафиолетовое излучение. В связи с тем, что разряд в атмосфере ртути при низких давлениях имеет относительно малый градиент потенциала, т.е. падение напряжения на единицу длины разрядного столба (от 500 до 2000 В/м), а для возникновения разряда необходимо иметь достаточно большое напряжение, разрядная трубка ЛЛ должна быть весьма протяжённой.
Внутрь
колбы ЛЛ вводится дозированное количество
ртути так, чтобы давление её паров в
рабочем режиме составляло 0,8…1,33 Па. Для
обеспечения термостойкости люминофора
в трубку добавляется ещё и аргон под
давлением около 4 мм ртутного столба.
Так как давление паров очень мало, то
даже небольшие колебания температуры
окружающей среды приводят к тому, что
в самом холодном месте разрядной трубки
ртуть конденсируется и её давление
меняется. Это приводит к выходу разряда
из режима, оптимального с позиций
получения видимых излучений, и световой
поток ЛЛ резко уменьшается. Поэтому для
ЛЛ, использующих ртуть, оптимальными
считаются температуры окружающей среды
18…25 °С, что соответствует оптимальной
температуре стенок колбы – 40…45 °С.
Чтобы поднять допустимую температуру
окружающей среды до 60 °С в настоящее
время вместо чистой ртути стали применять
амальгамы (сплавы со ртутью) индия,
скандия и других элементов.
Напряжение зажигания UЗ – то минимальное напряжение, при котором в лампе возникает электрический разряд, является важнейшей характеристикой РЛ. У ЛЛ напряжение зажигания значительно превосходит напряжение сети.
На напряжение зажигания влияют:
1. Род и давление газа в разрядной трубке.
2. Материал электродов, который должен быть таким, чтобы работа выхода электрона была минимальной. С этой целью спиральные вольфрамовые электроды покрывают оксидной пленкой (плёнкой карбонатов или перекисей щелочноземельных металлов – бария, стронция). В процессе эксплуатации ЛЛ эта плёнка разрушается, и, в конечном счёте, ЛЛ теряет эмиссию.
3. Температура электродов в момент зажигания – чем она выше, тем сильнее термоэлектронная эмиссия, и тем проще зажечь разряд в ЛЛ.;
4
.
Расстояние между электродами – чем
длиннее трубка, тем выше напряжение
зажигания. В ЛЛ это расстояние может
превышать 1 м. Поэтому разряд между столь
удалёнными электродами сразу возникнуть
не может. В ЛЛ используют специальные
приёмы «приближающие» электроды.
Во-первых, электроды (1) снабжаются усами (2), между которыми и возникает первичный разряд (рис.36). Потом этот разряд переходит в разряд между электродом и трубкой и, наконец, после распространения ионизации вдоль всей трубки – в разряд (сначала тлеющий, а потом дуговой) между противоположными электродами.
Во-вторых, используют лампы быстрого зажигания (ЛБЭ). На внешнюю поверхность колбы таких ЛЛ наносится токопроводящая плёнка, соединённая с противоположным электродом через токоограничивающее сопротивление.
5. Диаметр разрядной трубки – в узких трубках напряжение зажигания выше