4.8. Люминесцентные лампы дугового разряда с термоактивным катодом

4.8.1. Конструктивные особенности ламп

Люминесцентные лампы дугового разряда с термоактивным катодом (лампы дневного света) являются наиболее распространенным типом газоразрядных источников света (рис. 4.17). Это приборы с прямонакальными катодами, выполненными из тонкой вольфрамовой проволоки, сформированной в виде двойной спирали. Поверхность проволоки покрывают веществом на основе двойных либо тройных карбонатов щелочно-земельных металлов (бария, стронция, кальция). После прокалки и активировки токопрохождением получается структура с традиционными особенностями оксидного катода. Спирали катодов (1, 1’) в виде линейных отрезков длиной примерно 1см закрепляются в лампе на специальных выводах.

Л ампы дневного света имеют трубчатую конструкцию, диаметр и длина трубки определяются выделяемой в лампе мощностью и величиной питающего напряжения. Трубка может быть прямой, кольцевой или иметь другую форму. Выпускают лампы на мощность от 15 до 85 Вт. Наиболее распространенным вариантом являются лампы с номинальной мощностью 40 Вт. Лампы рассчитаны преимущественно на сетевое напряжение 220 В. Благодаря термоэлектронной эмиссии катодов облегчаются развитие и поддержание тока разряда, упрощается конструкция пускорегулирующей аппаратуры.

Напряжение горения составляет примерно 50…110 В в зависимости от длины и диаметра оболочки. Напряжение зажигания – порядка 400 В, т.е. ненамного больше сетевого напряжения. Таким образом, для зажигания разряда в этих лампах нет необходимости в установке специального повышающего трансформатора, достаточно броска напряжения, обусловленного самоиндукцией балластного дросселя.

Внутренняя сторона стеклянной оболочки покрывается люминофором, обеспечивающим соответствующий спектр излучения. Возбуждение люминофора происходит под действием ультрафиолетовой компоненты излучения газового разряда, содержащего пары ртути. В объем лампы ртуть вводится в количестве, достаточном для сохранения оптимального давления, равного давлению насыщенных паров, в течение гарантированного срока службы. Плотность тока разряда составляет примерно 0,1 А/см². Ток разряда в зависимости от мощности колеблется в пределах 0,1…1 А.

Как показали исследования, выход резонансного излучения паров ртути (254 нм и 185 нм) возрастает при добавлении в газовый состав инертного газа. В основном это аргон и смесь аргона и неона (смесь Пеннинга) с давлением примерно 4 мм рт.ст. Наличие инертного газа существенно облегчает зажигание разряда и обеспечивает оптимальную электронную температуру газоразрядного процесса.

Температура оболочки определяется условиями баланса между выделяемой в разряде мощностью и мощностью, рассеиваемой свободной конвекцией и излучением в окружающее пространство с поверхности оболочки. Эффективность теплоотвода зависит от температуры окружающей среды и размеров поверхности стеклянной оболочки. Оптимальный тепловой режим (температура оболочки 40…50 ⁰С, при которой давление насыщенных паров ртути 10^-1…10^-2 мм рт.ст. ) устанавливается при температуре окружающей среды 20 ⁰С. При понижении температуры окружающей среды уменьшается давление паров ртути, соответственно падает светоотдача и затрудняется зажигание газового разряда. Поэтому лампы дневного света не рекомендуется использовать при отрицательных температурах. Повышение температуры в объеме лампы может вызвать повышение давления паров ртути до уровня, когда заметно падает светоотдача газового разряда (рис. 4.10). Поэтому в лампах, предназначенных для работы при повышенных температурах окружающей среды (30…60 ⁰С), ртуть вводится в виде твердого раствора (амальгамы). Следует также учитывать, что с повышением температуры оболочки падает светоотдача вследствие эффекта «теплового тушения» люминофора. Наличие ртути в составе газового наполнения создает проблему уничтожения и утилизации отходов ламп, вышедших из строя либо отработавших свой срок службы. Ведутся исследования по созданию ламп без ртутного наполнения.

Основная область применения ламп дневного света – освещение жилых и производственных помещений. Большое внимание уделяется качеству люминесцирующего покрытия и обеспечению спектрального состава излучения, соответствующего наиболее благоприятным условиям цветового восприятия.

В отечественном производстве принята следующая система обозначений (маркировка) ламп дневного света. Первая буква Л обозначает принадлежность ламп к люминесцирующим источникам света. Вторая буква определяет цветовые свойства источника: Д – лампа дневного света; Б – белый цвет; ТБ – теплый белый цвет; ХБ – холодный белый цвет; Е – естественный цвет; ХЕ – холодный естественный цвет; УФ – лампы ультрафиолетового излучения; К – красный цвет излучения; Г – голубой цвет; С – синий цвет и т.д. К обозначениям, определяющим цветовые свойства излучателя, может быть добавлена буква Ц, означающая улучшенную цветопередачу (см. табл. 2.3). После указания спектральных характеристик в обозначение лампы может входить признак, определяющий конструктивные особенности: Р – лампа с внутренним рефлектором; У – лампа U-образной конструкции; W – лампа W-образной конструкции; К – лампа кольцевой формы; А – лампа с амальгамой ртути. После буквенных обозначений ставятся цифры, указывающие мощность источника в ваттах.

Применяемые в лампах дневного света люминофоры имеют сложный химический состав и постоянно усовершенствуются. Наиболее распространенными вариантами являются люминофоры на основе галофосфата кальция (ГФК) с активирующими добавками марганца и сурьмы (табл. 4.3). Содержание сурьмы обычно порядка 1 %, содержание марганца может меняться от 0,3 до 1,2 % в зависимости от типа люминофора. Основные линии излучения в видимой области: сурьмы – 485 нм, марганца – 585 нм, ртути – 435 нм. Наличие этих линий следует учитывать при оценке спектрального состава излучения люминесцентной лампы.

Разработка все более совершенных по составу люминофоров и отработка режимов их производства и способов нанесения решающим образом определяют эксплуатационные параметры ламп дневного света. В результате проведенных модернизаций за послевоенный период светоотдачу ламп дневного света удалось увеличить в 5 раз – до 80 лм/Вт и более. Теоретические возможности повышения светоотдачи – до 110…120 лм/Вт. Увеличился и срок службы – до 10…15 тысяч часов.

В соответствии с теоретическим анализом сила света ламп I в канделах связана со световым потоком Ф в люменах соотношением

I = 0,108 Ф.

Средняя по периметру яркость свечения

B = 0,108 kФ/(d∙l),

где d и l – соответственно диаметр и длина лампы, выраженные в метрах.

Коэффициент k, учитывающий спад яркости на концевых участках, растет с увеличением мощности источника. При мощности 15 Вт k = 0,87; при мощности 40 Вт k = 0,92.