4.9. Компактные и энергоэкономичные люминесцентные лампы

Одним из основных недостатков ламп дневного света являются большие габариты, что затрудняет их использование в качестве настольных осветительных приборов. Попытки уменьшить размеры при сохранении прежней электрической мощности неизбежно ведут к росту температуры оболочки лампы. Рост температуры приводит к появлению эффекта теплового тушения люминесценции. В результате падает светоотдача, сокращается срок службы лампы.

По результатам длительных исследований удалось создать новый тип люминесцирующего покрытия, обладающего повышенным значением энергии теплового тушения, что позволило снизить неблагоприятные последствия повышенных температур. Основной особенностью состава новых люминофоров является использование в них в качестве активирующих присадок элементов лантаноидной группы (церий, европий, диспрозий, тербий и т.д.). Помимо высокой энергии активации, такие люминофоры обладают более высоким квантовым выходом и более высокой устойчивостью к воздействию ультрафиолетового облучения и высокой температуры. Особенностью таких люминофоров являются также более узкие линии излучения Δλ. Указанные свойства обусловлены тем, что атомы лантаноидной группы имеют незаполненными f-состояния внутренней оболочки, что определило и новое название – узкополосные люминофоры (УПЛ) в отличие от наиболее распространенных вариантов люминесцирующих покрытий ламп дневного света, выполняемых на основе галофосфата кальция (ГФК). Узкополосные люминофоры отечественного выпуска имеют обозначения: Л47, Л48, Л49, ФЛ612-3500-1, ФЛ-543, ФЛ-447 и т.д. Параметры трех из указанных марок представлены в табл. 4.6.

Как видно из таблицы, обозначения для первых четырех марок люминофоров никак не связаны с параметрами люминесценции. Для остальных марок характерным является то, что после буквенного набора следует число, указывающее длину волны в нанометрах основной линии излучения λ_m.

Таблица 4.6

Параметры узкополосных люминофоров

Марка	Состав люминофора	λm, нм	Квантовый выход, γ	Δλ, нм
Л47	Алюминат бария и магния, активированный европием (Ba,Mg2Al15O27:Eu2+ )	450	≈ 1	40
Л48	Алюминат магния, активированный церием и тербием (MgAl11O19:Ce3+,Tb3+ )	543	0,8	8
Л49	Оксид иттрия, активированный европием	611	>0,95	5

Разработанные варианты УПЛ позволили создать лампы с повышенной светоотдачей (энергоэкономичные лампы), малыми габаритами (компактные люминесцентные лампы) и лампы с высокочастотным возбуждением разряда (безэлектродные лампы). Причем термины «энергоэкономичные» и «компактные» стали в ряде случаев синонимами.

В качестве материала оболочки ламп с узкополосными люминофорами используются марки легкоплавких стекол: СЛ93-1, СЛ96-5 (увиолевое бактерицидное), СЛ96-12, СЛ94-1. Типичное значение диаметра разрядной трубки с УПЛ 10…12 мм.

Помимо простого уменьшения размера разрядного канала, оболочке таких ламп придается сложная изогнутая форма, что способствует снижению общих габаритов такого источника света. Вследствие уменьшения поверхности оболочки температура люминофора возрастает примерно до 60 ⁰С. При таком возрастании температуры яркость ГФК падает на 70 % уже через несколько сот часов. Светоотдача УПЛ в этих условиях сохраняется на достаточно высоком уровне, срок службы может достигать 8…10 тысяч часов. Но УПЛ примерно в 40 раз дороже ГФК. По этой причине в компактных люминесцентных лампах применяется двухслойное покрытие: ГФК+УПЛ в соотношении 4:1. Естественно, что УПЛ наносится на внутреннюю сторону люминофора.

Кроме указанных особенностей, повышение температуры приводит к росту давления паров ртути до 10^-1 мм рт.ст., что соответствует более высокой светоотдаче разряда в парах ртути (см. рис. 4.10). Дополнительно для уменьшения теплопередачи от газового разряда к оболочке в энергоэкономичных компактных лампах применена смесь аргона с криптоном (содержание криптона в смеси составляет 70…90 %). Давление газовой смеси снижено с 4 мм рт.ст. до 2…3 мм рт.ст. Выбор криптона обоснован его низкой теплопроводностью. Но у криптона высокое напряжение горения и зажигания разряда, поэтому в схеме питания энергоэкономичных компактных ламп необходимо устанавливать дроссель с более высокой, чем в случае ламп с люминофором ГФК, индуктивностью. В результате при включении лампы бросок напряжения, связанный с эффектом самоиндукции, достигает 900 В (вместо 400 В в случае ГФК). С учетом изменения потерь в ПРА экономичность таких ламп по сравнению с лампами с люминофором на основе ГФК увеличивается на 8 %.

Конструктивные особенности первых образцов компактных люминесцентных ламп поясняются на рис. 4.26. Схема питания этих ламп аналогична обычному варианту с газоразрядным стартером (рис. 4.22). Элементы ПРА во всех вариантах компактных ламп, за исключением ламп стержневой конструкции (рис. 4.26, а), располагаются в цоколе. В случае стержневой лампы дроссель монтируется отдельно в специальном патроне осветительной установки. Разрядный канал этих ламп выполняется чаще всего в виде двух трубок, соединенных в верхней части короткой перемычкой, образующих П- либо Н-образную форму. Количество трубок может быть больше двух (4, 6 и т.д.). В этих случаях перемычки устанавливаются попеременно то в верхней, то в нижней части лампы. Цоколь стержневой лампы выполнен штыревым с двумя выводами – G23. Таким о бразом исключается ошибочное включение лампы, минуя дроссель.

Остальные варианты компактных ламп имеют резьбовой цоколь типа Е14 либо Е27, что позволяет их включать в обычный резьбовой патрон.

Особенностью ламп сложноизогнутой конструкции (рис. 4.26, б) является использование дополнительной защитной светорассеивающей оболочки из органического стекла. Благодаря большим размерам оболочки и рекомендуемому способу установки лампы (цоколем вверх) защитная оболочка не перегревается. Разрядный канал такой лампы выполняется в виде двойной петли либо биспирали. В этих условиях формируется напряженный температурный режим ПРА.

Лампы кольцевой конструкции (рис. 4.26, в) предназначены для потолочного использования. ПРА таких ламп располагается в специальной перемычке с вертикальным отростком.

Лампы петлевой конструкции (рис. 4.26, г) отмечены как наименее перспективные. Их применение ограничено случаями, когда требуется направленный поток излучения.

Ввиду высокой температуры разрядного канала компактных ламп ртуть в объем лампы иногда вводится в виде амальгамы: Hg+Bi+Pb+Sn.

Типичные параметры первых компактных ламп отечественного и зарубежного производства представлены в табл. 4.7. Как видно из таблицы, в обозначение отечественных приборов входят буквы КЛ – компактная лампа, мощность и указания о цветовых параметрах излучения (в основном ТБЦ – теплый белый цвет).

Таблица 4.7

Параметры первых компактных люминесцентных ламп

№ группы	Тип	PЛ+ПРА, Вт	PЛ, Вт	U, В	Ф, лм	Габариты
1	КЛ7/ТБЦ	11,2	7	45±5	400	27×13×135
	КЛ9/ТБЦ	12,8	9	60±6	600	27×13×167
	КЛ11/ТБЦ	14,8	11	90±9	900	27×13×235
2	КЛС9/ТБЦ	9	-	220	425	ø85×150
	КЛС13/ТБЦ	13	-		600	ø85×160
	КЛС18/ТБЦ	18	-		900	ø85×170
	КЛС25/ТБЦ	25	-		1200	ø85×180
3	Cirkolux	12	-	220	700	ø165×100
		18	-		1000	ø165×100
		24	-		1450	ø216×100

П оследующие исследования по модернизации компактных люминесцентных ламп были направлены также на создание малогабаритной пускорегулирующей аппаратуры, проектируемой на основе полупроводниковых элементов. Благодаря малым габаритам все устройство электропитания лампы монтируется в цоколе. Вариант схемы ПРА на полупроводниках представлен на рис.4.27.

Рабочая частота генерируемого напряжения может составлять от 20 до 100 кГц. До зажигания разряда напряжение высокой частоты обеспечивает нагрев катодов и формирует напряжение поджига на катодах порядка 1500 В благодаря последовательному резонансу в системе индуктивность дросселя Др – емкость конденсатора С5. После зажигания разряда дроссель выполняет функцию балластного резистора. Помимо уменьшения габаритов, при высокочастотном питании практически исчезает стробоскопический эффект. Особенностью схемы является также высокая стабильность режима горения разряда, что способствует увеличению срока службы лампы.

С истема маркировки современных компактных ламп отечественного производства (рис. 4.28) содержит: обозначение типа лампы КЛЭТ – компактная люминесцентная энергосберегающая трубчатая, КЛЭВ – компактная люминесцентная энергосберегающая витая; указание о потребляемой мощности в ваттах; особенности цветопередачи (первая цифра после дробной черты определяет величину 0,1∙R_a, где R_a – величина красного отношения – частное от деления светового потока в диапазоне 600…780 нм к общему световому потоку лампы, выраженное в процентах; следующая – цветовая температура T_ц ); тип цоколя (E14, E27, G23).

Н апример: КЛЭТ11/840/ E14 – компактная люминесцентная лампа трубчатой конструкции мощностью 11 Вт, R_a, > 80 %, цветовая температура 4000 К, цоколь E14.

Как и в стержневой конструкции прежних лет, в случае цоколя типа G23 основная часть ПРА располагается вне цоколя. Конструктивные особенности новых таких ламп поясняются на рис. 4.29.

Современные лампы трубчатой конструкции изготавливаются обычно в виде нескольких (до 8) последовательно включенных трубок U-образной формы.

Обозначения ламп зарубежного производства отличаются большим разнообразием. Наиболее распространенный вариант маркировки аналогичен рассмотренному выше, что легко поясняется следующими примерами:

3U15w2742 – лампа из трех U-образных трубок, соединенных последовательно, мощностью 15 Вт, цоколь Е27, цветовая температура 4200 К.

SP13w2427 – лампа витой конструкции мощностью 13 Вт, с цоколем Е24, с цветовой температурой 2700 К.

Помимо использования газоразрядных люминесцентных ламп (в том числе компактной конструкции) для освещения, разработаны и выпускаются в настоящее время лампы с ультрафиолетовым спектром излучения, предназначенные для проверки ценных бумаг, для биологических целей, для научных исследований и для медицины. Для подавления засветки видимой частью спектра такие лампы выполняются из стекла, не пропускающего видимый спектр, – так называемые «черные лампы».