1.2. Люминесцентные лампы низкого давления

Люминесцентные трубчатые лампы низкого давления пред­ставляют собой запаянную с обоих концов стеклянную трубку, внутренняя поверхность которой покрыта тонким слоем люми­нофора. Из лампы откачан воздух, и она заполнена инертным га­зом аргоном при очень низком давлении. В лампу помещена капля ртути, которая при нагревании превращается в ртутные пары.

Вольфрамовые электроды лампы имеют вид небольшой спи­рали, покрытой специальным составом (оксидом), содержащим углекислые соли бария и стронция. Параллельно спирали распо­лагаются два никелевых жестких электрода, каждый из которых соединен с одним из концов спирали.

В люминесцентных лампах низкого давления плазма, состоя­щая из ионизированных паров металла и газа излучает как в ви­димых, так и в ультрафиолетовых частях спектра. С помощью люминофоров ультрафиолетовые лучи преобразуются в излуче­ние, видимое глазом.

Люминесцентные трубчатые лампы низкого давления с дуго­вым разрядом в парах ртути по цветности излучения подразде­ляются на лампы белого света (типа ЛБ), лампы тепло-белого света (ЛТБ), дневного света с исправленной цветностью (ЛДЦ).

Шкала номинальных мощностей люминесцентных ламп (Вт): 15, 20, 30, 40, 65, 80.

Особенности конструкции лампы указываются буквами вслед за буквами, обозначающими цветность лампы (Р — рефлек­торная, У — У-образная, К — кольцевая, Б — быстрого пуска, А — амальгамная).

В настоящее время выпускаются так называемые энергоэконо­мичные люминесцентные лампы, имеющие более эффективную конструкцию электродов и усовершенствованный люминофор. Это позволило изготавливать лампы с пониженной мощностью (18 Вт вместо 20 Вт, 36 Вт вместо 40 Вт, 58 Вт вместо 65 Вт), уменьшенным в 1,6 раза диаметром колбы и повышенной свето­вой отдачей.

Лампы белого света типа ЛБ обеспечивают наибольший све­товой поток из всех перечисленных типов ламп одной и той же мощности. Они приблизительно воспроизводят по цветности солнечный свет и применяются в помещениях, где от работаю­щих требуется значительное зрительное напряжение.

Лампы тепло-белого света типа ЛТБ имеют явно выраженный розовый оттенок и применяются тогда, когда есть необходимость подчеркнуть розовые и красные тона, например при цветопере­даче человеческого лица.

Цветность ламп дневного света типа ЛД близка к цветности ламп дневного света с исправленной цветностью типа ЛДЦ.

Лампы холодно-белого света типа ЛХБ по цветности занима­ют промежуточное положение между лампами белого света и дневного света с исправленной цветностью и в ряде случаев применяются .наравне с последними.

Средняя продолжительность горения люминесцентных ламп не менее 12000 ч.

Световой поток каждой лампы после 70 % средней продолжи­тельности горения должен быть не менее 70 % номинального светового потока.

Средняя яркость поверхности люминесцентных ламп колеб­лется от 6 до 11 кд/м². Световая отдача ламп типа ЛБ составляет от 50,6 до 65,2 лм/Вт.

Люминесцентные лампы при включении их в сеть перемен­ного тока излучают переменный во времени световой поток. Ко­эффициент пульсации светового потока равен 23 % (у ламп типа ЛДЦ — 43 %). С увеличением номинального напряжения, свето­вой поток и мощность, потребляемые лампой, возрастают.

Выпускаются также эритемные и бактерицидные люминес­центные лампы. Их колбы изготавливаются из специального стекла, пропускающего ультрафиолетовые излучения. В эритемных лампах применяется специальный люминофор, преобразующий из­лучение ртутного разряда в ультрафиолетовое излучение с диапазо­ном длин волн, в наибольшей степени вызывающих загар (эритему) человеческой кожи. Такие лампы применяются в установках для искусственного ультрафиолетового облучения людей и животных. Бактерицидные лампы применяются в установках для обеззаражи­вания воздуха; у этих ламп люминофор отсутствует.

Люминесцентные лампы рассчитаны для нормальной работы при температуре окружающего воздуха +15...+40 °С. В случае понижения температуры давление аргона и ртутных паров резко понижается и зажигание, а также горение лампы ухудшаются.

Продолжительность работы лампы тем больше, чем меньшее количество раз она включается, т. е. чем меньше изнашивается оксидный слой электродов. Понижение напряжения, подводи­мого к лампе, а также понижение температуры окружающего воздуха способствуют более интенсивному износу оксида элек­тродов. При снижении напряжения на 10—15 % лампа может не зажечься или же ее включение будет сопровождаться многократ­ным миганием. Повышение напряжения облегчает процесс за­жигания лампы, но уменьшает ее светоотдачу.

Недостатки люминесцентных ламп: снижение коэффициента мощности электрической сети, создание радиопомех и стробо­скопического эффекта из-за пульсации светового потока и т. д.

Стробоскопический эффект состоит в создании у человека при люминесцентном освещении иллюзии того, что движущийся (вращающийся) с некоторой скоростью предмет находится в по­кое или движется (вращается) в противоположную сторону. В производственных условиях это опасно для жизни и здоровья людей. В то же время стробоскопический эффект применяется при проверке правильности работы электросчетчиков. На вра­щающемся диске электросчетчика имеются вдавленные углубле­ния (метки). Если смотреть сверху на диск, освещенный люми­несцентным светом, то в случае правильного хода диска создает­ся впечатление, что углубления (метки) находятся в покое.

Для устранения явлений стробоскопии, снижения радиопо­мех, улучшения коэффициента мощности применяются специ­альные схемы включения люминесцентных ламп.

Схемы включения люминесцентных ламп с электромагнитными пра

Для поддержания и стабилизации процесса разряда последовательно с люминесцентной лампой включается балластное сопротивление в сети переменного тока в виде дросселя илидросселя и конденсатора. Эти устройства называют пускорегулирующими аппаратами (ПРА).

Напряжение сети, при котором работает люминесцентная лампа в установившемся режиме, недостаточно для ее зажигания. Для образования газового разряда, т. е. пробоя газового пространства, необходимо повысить эмиссию электронов путем их предварительного разогрева или подачи на электроды импульса повышенного напряжения. То и другое обеспечивается с помощью стартера, включенного параллельно лампе.

Схема включения люминесцентной лампы: а - с индуктивным балластом, б - с индуктивно-емкостным балластом.

Рассмотрим как происходит процесс зажигания люминесцентной лампы.

Стартер представляет собой миниатюрную лампочку тлеющего разряда с неоновым наполнением, имеющую два биметаллических электрода, которые в нормальном положении разомкнуты.

П ри подаче напряжения в стартере возникает разряд и биметаллические электроды, изгибаясь, замыкаются накоротко. После их замыкания ток в цепи стартера и электродов, ограниченный только сопротивлением дросселя, возрастает до двухтрехкратного значения рабочего тока лампы и происходит быстрый разогрев электродов люминесцентной лампы. В это же время биметаллические электроды стартера, остывая, размыкают его цепь.

В момент разрыва цепи стартером в дросселе возникает импульс повышенного напряжения, вследствие которого происходят разряд в газовой среде люминесцентной лампы и ее зажигание. После того как лампа зажглась, напряжение на ней составляет около половины сетевого. Такое напряжение будет и на стартере, однако этого оказывается недостаточно для его повторного замыкания. Поэтому при горящей лампе стартер разомкнут и в работе схемы не участвует.

Одноламповая стартерная схема включения люминесцентной лампы: Л - люминесцентная лампа, Д - дроссель, Ст - стартер, С1 - С3 - конденсаторы.

Конденсатор, включенный параллельно стартеру, и конденсаторы на входе схемы предназначены для снижения уровня радиопомех. Конденсатор, включенный параллельно стартеру, кроме того, способствует увеличению срока службы стартера и влияет на процесс зажигания лампы, способствуя значительному снижению импульса напряжения в стартере (с 8000 -12 000 В до 600 - 1500 В) при одновременном увеличении энергии импульса (за счет увеличения его продолжительности).

Н едостатком описанной стартерной схемы является низкий cos фи, не превышающий 0,5. Повышение cos фи достигается либо включением конденсатора на вводе, либо применением индуктивно-емкостной схемы. Однако и в этом случае cos фи 0,9 - 0,92 в результате наличия высших гармонических составляющих в кривой тока, определяемых спецификой газового разряда и пускорегулирующей аппаратурой.

В двухламповых светильниках компенсация реактивной мощности достигается при включении одной лампы с индуктивным, а другой с индуктивно-емкостным балластом. В этом случае cos фи = 0,95. Кроме того, такая схема ПРА позволяет сгладить в значительной степени пульсации светового потока люминесценых ламп. 

Схема включения люминесцентных ламп с ПРА с расщепленной фазой

Наибольшее распространение для включения люминесцентных ламп мощностью 40 и 80 Вт получила у нас двухламповая импульсная схема стартерного зажигания с применением балластных компенсированных устройств 2УБК-40/220 и 2УБК-80/220, работающих по схеме «расщепленной фазы». Они представляют собой комплектные электрические аппараты с дросселями, конденсаторами и разрядными сопротивлениями.

Последовательно с одной из ламп включается только дроссель-индуктивное сопротивление, что создает отставание тока по фазе от приложенного напряжения. Последовательно со второй лампой, помимо дросселя, включается конденсатор, емкостное сопротивление которого больше индуктивного сопротивления дросселя примерно в 2 раза, создающий опережение тока, в результате чего суммарный коэффициент мощности комплекта получается порядка 0,9 -0,95.

Кроме того, включение последовательно с дросселем одной из двух ламп специально подобранного конденсатора обеспечивает такой сдвиг фаз между токами первой и второй ламп, при котором глубина колебаний суммарного светового потока двух ламп будет существенно уменьшена.

Для увеличения тока подогрева электродов последовательно с емкостью включается компенсирующая катушка, которая отключается стартером.

Монтажная схема включения двухлампового стартерного аппарата 2УБК: Л - люминесцентная лампа, Ст- стартер, С - конденсатор, r - разрядное сопротивление. Корпус ПРА 2УБК показан пунктиром. 

Бесстартерные схемы включения люминесцентных ламп

Недостатки стартерных схем включения (значительный шум, создаваемый ПРА при работе, возгораемость при аварийных режимах и др.), а также низкое качество выпускаемых стартеров привели к настойчивым поискам бесстартерных экономически целесообразных рациональных ПРА с тем, чтобы в первую очередь применить их в установках, где достаточно просты и дешевы. 

Для надежной работы бесстартерных схем которых рекомендуется применять лампы с нанесенной на колбы токопроводящей полосой.

Наибольшее распространение получилитрансформаторные схемы быстрого пуска люминесцентных ламп в которых в качестве балластного сопротивления используется дроссель, а предварительный подогрев катодов осуществляется накальным трансформатором либоавтотрансформатором.

щ

Бесстартерные одноламповая и двухламповая схемы включения люминесцентных ламп: Л - люминесцентная лампа, Д - дроссель, НТ - накальный трансформатор

В настоящее время расчетами установлено, что стартерные схемы для внутреннего освещения более экономичны, и поэтому они имеют преимущественное распространение. В стартерных схемах потери энергии составляют примерно 20 - 25%, в бесстартерных - 35%

В последнее время схемы включения люминесцентных ламп с электромагнитными ПРА постепенно вытесняются схемами с более функциональными и экономичными электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА).

Преимущества люминесцентных ламп по сравнению с лампами накаливания заключается в том, что они меньше расходуют электроэнергии и срок их службы больше в 5 - 10 раз. К недостаткам этих ламп относят следующие: необходимость в приборах для зажигания ламп и ограничения тока, большие габариты, чувствительность к температуре окружающей среды.

Бактерицидные и эритэмные лампы действуют по такому же принципу, что и люминесцентные. Бактерицидные лампы (типа БУВ и ДБ) трубные. В бактерицидных лампах (типа БУВ и ДБ) трубка изготовлена из специального увиолевого стекла, а люминофор отсутствует. Ультрафиолетовые лучи разряда паров ртути хорошо проходят через стекло трубок и используется для обеззараживания воздуха, воды, поверхностей различных предметов и материалов.

В эритэмных лампах (тип ЭУВ, ЛЭ) трубка изготовлена также из увиолевого стекла. Изнутри она покрыта люминофором, преобразующим коротковолновое излучение разряда в более длинноволновые ультрафиолетовые лучи, вызывающие загар (эритему). Бактерицидные и эрительные лампы выпускают мощностью 5, 30, 40, 60 Вт.

В новой эритэмной дуговой ртутно-вольфрамовой диффузной лампе ДРВЭД, предназначенной для облучения с одновременным освещением, балластным сопротивлением является нить накала, включенная последовательно с ртутно-кварцевой лампой.

Рассмотрение процесса зажигания позволяет уточнить назначение основных элементов схемы. Стартер выполняет две важные функции:

- замыкает накоротко цепь для того, чтобы повышенным током разогреть электроды лампы и облегчить зажигание;

- разрывает после разогрева электродов лампы электрическую цепь и тем самым вызывает импульс повышенного напряжения, обеспечивающего пробой газового промежутка.

Дроссель выполняет три функции:

- ограничивает ток при замыкании электродов стартера;

- генерирует импульс напряжения для пробоя лампы за счет э.д.с. самоиндукции в момент размыкания электродов стартера;

- стабилизирует горение дугового разряда после зажигания.

Люминесцентная лампа может включаться в сеть и с активным балластом. Иногда в качестве балласта используется лампа накаливания. При создании и эксплуатации этих схем надо учесть, что при активном балласте, по сравнению с индуктивным, возрастают потери мощности в схеме, затрудняется зажигание лампы, так как активный балласт не создает э.д.с. самоиндукции, и уменьшается ее световой поток.

Существуют и бесстартерные схемы, в которых исключены недостатки, обусловленные наличием стартера.

Для стартерных и бесстартерных схем включения выпускаются специальные пускорегулирующие аппараты (ПРА). Стартерные ПРА обозначаются 1УБИ, 1УБЕ, 1УБК (индуктивный, емкостный), компенсированный балласт, соответственно, для одной лампы, и 2УБИ, 2УБЕ, 2УБК (для двух ламп).

Бесстартерные ПРА обозначаются АБИ, АБЕ, АБК. Марка аппарата 2АБК-80/220-АМП, например, расшифровывается так: двухламповый бесстартерный аппарат, компенсированный, мощность каждой лампы 80 Вт, напряжение сети 220 В, антистробоскопический, независимый, с пониженным уровнем шума.

Номенклатура и основные характеристики люминесцентных ламп

Промышленностью выпускаются люминесцентные лампы общего назначения мощностью 4, 6, 8, 10, 13, 15, 20, 30, 40, 65, 80, 125, 150 и 200 Вт. Лампы мощностью от 15 до 80 Вт выпускаются серийно в соответствии (ГОСТ 6825-74*. Остальные лампы изготовляются небольшими партиями по соответствующим техническим условиям. По цветности излучаемого светового потока выпускаются лампы пяти основных типов: лампы дневного света— ЛД; белого света —ЛБ; холодно-белого света — ЛХБ; тепло-белого света — ЛТБ; дневного света с улучшенной цветопередачей — ЛДЦ. Кроме указанных выше выпускаются цветные лампы (красные, розовые, желтые, зеленые и голубые), которые применяются в декоративном и театральном освещении. По форме трубки-колбы имеется несколько разновидностей ламп: прямолинейные, U-образные, кольцевые, W-образные и др. (рис. 2). Наибольшее распространение получили прямолинейные лампы (технические характеристики люминесцентных ламп приведены в табл. 1), Таблица 1. Технические характеристики люминесцентных ламп Мощность, Вт Напряжение на лампе, В Ток лампы, А Световой поток ламп, лм Размер, мм Срок службы, тыс. ч. ЛДЦ ЛД ЛХБ 1 - 1 ЛТБ D L B Лампы общего назначения (ГОСТ 6825-74*) прямолинейные 15 54 0,33 475 560 640 720 665 27 451,6 _ 10 20 57 0,37 780 870 890 1120 925 40 604 — 10 30 104 0,36 1375 1560 1605 1995 1635 27 908,8 — 10 40 103 0,43 1995 2225 2470 2850 2450 40 1213,6 — 10 65 110 0,67 2900 3390 3630 4325 3780 40 1514,2 — 10 80 102 0,87 3380 3865 4220 4960 4300 40 1514,2 — 10 125 120 1,25 — — — 6000 — 38 1515 — 3 Рефлекторные (ТУ 16-535.558-71) 40 I 103 I 0,43 — —  2080 I 2250  -  40 I 1213,6  - 1 10 80  102 1 0,865 — — 3460  4160  -  40  1514,2  - 1 7,5 U-образные (ТУ 16-535.119-67) 15 58 0,3 450 450 525 630 525 25 240 86 7,5 20 60 0,35 620 620 780 800 780 38 322 135 7,5 30 104 0,36 1110 1110 1500 1680 1500 25 465 86 7,5 40 108 0,41 1520 1520 2000 2360 2000 38 626 136 7,5 80 108 0,82 2720 2720 3520 3680 3520 38 776 135 7,5         W-образные (ТУ 16-535.144-68)         30 108 1 0,34  1000 1100 1 1300 I [ 1400 1 1300 1 27 1 230 1 231 1 5         Кольцевые (ТУ 16-535.505-71)         22 I 66 0,38     1 — I 850 I  — 1 33 1 216 1 151 1 1 5 32 82 0,41     - 1500 -   311 245 ! 5 40 110 1 0,44     -  2200  - 1 33 1 412 1 348 7,5 Примечания: 1. Пускорегулирующая аппаратура для ламп 15 и 20 Вт обычно выпускается для включения в сеть 127 В, для ламп 30, 40, 80 и 125 Вт — в сеть 220 В. 2. Разница между напряжением на лампе и напряжением сети покрывается за счет потери напряжения (с учетом сдвига фаз) в пускорегулирующем аппарате (ПРА). Одной из разновидностей люминесцентных ламп общего назначения являются рефлекторные лампы. В обозначении маркировки ламп вводится буква Р. В этих лампах до слоя люминофора на большую часть внутренней поверхности трубки наносится слой хорошо отражающего свет порошка. Рис. 2. Внешний вид современных люминесцентных ламп. а — прямолинейная; б — U-образная; в — кольцевая; е — W-образная; д — рефлекторная. Не покрытой таким порошком остается только полоса вдоль трубки. Световой поток лампы направляется отражающим слоем через эту полосу. Основным преимуществом рефлекторных ламп является то, что они могут использоваться в светильниках без отражателей, так как отражающий слой играет роль отражателя. Особенно выгодно применение рефлекторных ламп в помещениях с высоким уровнем пыли, так как пыль оседает главным образом на верхней поверхности лампы, а свет проходит вниз через свободную от пыли поверхность. Помимо ламп, включенных в табл. 1, сейчас начинается выпуск ламп ЛХБЦ и ЛТБЦ, из которых последние преимущественно предназначены для жилых помещений. Специальные люминесцентные лампы. Кроме описанных выше осветительных люминесцентных ламп выпускаются бактерицидные и эритемные лампы. Бактерицидные лампы являются источником коротковолнового ультрафиолетового излучения, уничтожающего бактерии, обеззараживающего (стерилизующего) воздух помещений, воду, пищевые продукты, тару на пищевых предприятиях и пр. В отличие от осветительных люминесцентных ламп, у которых стекло трубки и люминофор не пропускают ультрафиолетовых лучей, в бактерицидных лампах трубки изготовляются из специального увиолевого стекла, хорошо пропускающего ультрафиолетовое излучение с короткой волной. Бактерицидные лампы не покрываются люминофором. Промышленностью выпускаются бактерицидные лампы типа ДБ 15, ДБ30-1 и ДБ60 (дуговые бактерицидные) мощностью соответственно 15; 30 и 60 Вт, напряжение на лампе 55; 100 и 103 В и средняя продолжительность горения 2000, 3000 и 2000 ч. Эритемные лампы являются источником ультрафиолетового излучения и используются для компенсации ультрафиолетовой недостаточности. Отличительными особенностями эритемных ламп являются сорт стекла и состав люминофора. Для эритемных ламп применяется увиолевое стекло, хорошо пропускающее ультрафиолетовое излучение, но с более длинной волной, чем в бактерицидных лампах, и специально подобранным люминофором. Такой люминофор преобразует излучение ртутного разряда в ультрафиолетовое излучение с соответствующим диапазоном длин волн, что соответствует недостающему осенью и зимой ультрафиолетовому излучению Солнца. Свое название эти лампы получили по тому действию, которое они оказывают на кожу человека,— вызывают ее покраснение, загар-эритему. Такие лампы применяют в установках для искусственного ультрафиолетового облучения людей и животных с оздоровительной целью. Промышленностью выпускаются эритемные лампы типа ЛЭ15, ЛЭЗО-1 и ЛЭР40 мощностью соответственно 15, 30 и 40 Вт; напряжение на лампе 58, 108 и 103 В; средняя продолжительность горения 600, 2000 и 1500 ч. Лампа типа ЛЭР имеет на внутренней поверхности рефлекторный слой, покрывающий примерно 2/3 поперечного сечения трубки и позволяющий сконцентрировать излучение лампы в определенном направлении. Свечение эритемных ламп синевато-голубое. Описанные выше специальные люминесцентные лампы могут включаться в сеть по тем же схемам и с теми же пускорегулирующими аппаратами, что и люминесцентные лампы общего назначения, соответствующей мощности и напряжения.

В современных конструкциях газоразрядных ламп лишь 2% энергии превращается в световую (64% ультрафиолетовое излучение и 34%

тепловое). Лишь в следствии фотолюминесценция (2 фаза ультрафиолетовое излучение преобразуется на люминофоров видимое в видимое излучение и доля видимого излучение возрастает до 21% от энергии подводимой к лампе).

Длина и диаметр конструкции ЛЛ определяется мощностью и напряжением.

При соответствующем сочетании компонентов люминофора можно добиться различного спектра цветности излучения светового потока.

В настоящее время РФ освоен выпуск 5 основных типов:

1) лампы ЛД – лампы дневного света (при горении колба испускает синеголубой поток близкому к белому свету);

2) ЛДЦ – по цветности излучения аналогично предыдущему типу ламп , но имеет улучшенные показатели цветности (находит применение там, где по технологии производства необходимо проводить тщательную отбраковку по цветности готовых изделий);

3) ЛБ – при горении излучают сугубо белые окраски света, по цвето излучению близким к лампочкам из всех типов, самая лучшая светопередача, но не обеспечивает высокий уровень цветопередачи (ψ↑, Ra↓);

4) ЛТБ – лампы теплого белого цвета. При горении излучают розовый оттенок тональности по спектру близкий к ЛБ;

5) ЛХБ – по спектру излучения находится в промежутке между ЛД и ЛБ.

В начале 30 годов стали применяться конструкции миниатюрных ЛЛ, колбы этих ламп учитывают требования компактности, изготавливали диаметром не более 12 мм. Несмотря на это конструировали в виде V- и W- образные, что в итоге позволило сократить габариты. В настоящее время в РФ выпускаются ЛЛ 20,40,65, 82 Вт.Диаметр колбы 38 мм. (зарубежные 26,16 мм).

КЛ обладают рядом приемуществ: