СВЕТОТЕХНИКА

Люминесцентные лампы

Люминесцентные лампы — второй в мире по распространен­ности источник света, а в Японии они занимают даже первое место, обогнав лампы накаливания. Ежегодно в мире производится более одного миллиарда люминесцентных ламп.

Первые образцы люминесцентных ламп современного типа были показаны американской фирмой General Electric на Всемирной выс­тавке в Нью-Йорке в 1938 году. За 65 лет существования они прочно вошли в нашужизнь, и сейчас уже трудно представить какой-нибудь крупный магазин или офис, в котором не было бы ни одного светиль­ника с люминесцентными лампами.

Люминесцентная лампа — это типичный разрядный источник света низкого давления, в котором разряд происходит в смеси паров ртути и инертного газа, чаще всего — аргона. Устройство лампы по­казано на рис. 19. Колба лампы — это всегда цилиндр 1 из стекла с наружным диаметром 38, 26, 16 или 12 мм. Цилиндр может быть пря­мым или изогнутым в виде кольца, буквы U или более сложной фигу­ры. В торцевые концы цилиндра герметично впаяны стеклянные нож­ки 2, на которых с внутренней стороны смонтированы электроды 3. Электроды по конструкции подобны биспиральному телу накала ламп

накаливания и также делаются из вольфрамовой проволоки. В неко­торых типах ламп электроды сделаны в виде триспирали, то есть спи­рали из биспирали. С наружной стороны электроды подпаяны к штырькам 4 цоколя 5. В прямых и U-образных лампах используется только два типа цоколей — G5 и G13 (цифры 5 и 13 указывают рас­стояние между штырьками в мм).

Как и в лампах накаливания, из колб люминесцентных ламп воз­дух тщательно откачивается через штенгель 6, впаянный в одну из ножек. После откачки объем колбы заполняется инертным газом 7 и в него вводится ртуть в виде небольшой капли 8 (масса ртути в од­ной лампе обычно около 30 мг) или в виде так называемой амальга­мы, то есть сплава ртути с висмутом, индием и другими металлами.

На биспиральные или триспиральные электроды ламп всегда наносится слой активирующего вещества — это обычно смесь окислов бария, стронция, кальция, иногда с небольшой добавкой тория.

Если к лампе приложено напряжение большее, чем напряжение зажигания, то в ней между электродами возникает электрический раз­ряд, ток которого обязательно ограничивается какими-либо внешни­ми элементами. Хотя колба наполнена инертным газом, в ней всегда присутствуют пары ртути, количество которых определяется темпе­ратурой самой холодной точки колбы. Атомы ртути возбуждаются и ионизируются в разряде гораздо легче, чем атомы инертного газа, поэтому и ток через лампу, и ее свечение определяются именно ртутью.

В ртутных разрядах низкого давления доля видимого излучения не превышает 2 % от мощности разряда, а световая отдача ртутного разряда — всего 5-7 лм/Вт. Но более половины мощности, выделя­емой в разряде, превращается в невидимое ультрафиолетовое из­лучение с длинами волн 254 и 185 нм. Из физики известно: чем ко­роче длина волны излучения, тем большей энергией это излучение обладает. С помощью специальных веществ, называемых люмино­форами, можно превратить одно излучение в другое, причем, по за­кону сохранения энергии, «новое» излучение может быть только «ме­нее энергичным», чем первичное. Поэтому ультрафиолетовое излу­чение можно превратить в видимое с помощью люминофоров, а ви­димое в ультрафиолетовое — нельзя.

Вся цилиндрическая часть колбы с внутренней стороны покрыта тонким слоем именно такого люминофора 9, который и превращает ультрафиолетовое излучение атомов ртути в видимое. В большин­стве современных люминесцентных ламп в качестве люминофора ис­пользуется галофосфат кальция с добавками сурьмы и марганца (как говорят специалисты, «активированный сурьмой и марганцем»). При облучении такого люминофора ультрафиолетовым излучением он начинает светиться белым светом разных оттенков. Спектр излуче­ния люминофора — сплошной с двумя максимумами — около 480 и 580 нм (рис.

20). Первый максимум определяется на­личием сурьмы, второй — марганца.

Меняя соотношение этих веществ (акти­ваторов), можно получить белый свет разных цветовых оттенков — от теплого до дневного. Так как люминофоры пре­вращают в видимый свет более полови­ны мощности разряда, то именно их све­чение определяет светотехнические па­раметры ламп.

В 70-е годы минувшего века начали делать лампы не с одним люминофором, а стремя, имеющими максимумы излучения в синей, зеленой и красной областях спектра (450, 540 и 610 нм). Эти люми­нофоры были созданы первоначально для кинескопов цветного теле­видения, где с их помощью удалось получить вполне приемлемое воспроизведение цветов. Комбинация трех люминофоров позволила и в лампах добиться значительно лучшей цветопередачи при одно­временном увеличении световой отдачи, чем при использовании га - лофосфата кальция. Однако новые люминофоры гораздо дороже ста­рых, так как в них используются соединения редкоземельных эле­ментов — европия, церия и тербия. Поэтому в большинстве люми­несцентных ламп по-прежнему применяются люминофоры на основе галофосфата кальция.

Электроды в люминесцентных лампах выполняют функции ис­точников и приемников электронов и ионов, за счет которых и проте­кает электрический ток через разрядный промежуток. Для того чтобы электроны начали переходить с электродов в разрядный промежуток (как говорят, для начала термоэмиссии электронов), электроды дол­жны быть нагреты до температуры 1100 - 1200 0С. При такой темпе­ратуре вольфрам светится очень слабым вишневым цветом, испаре­ние его очень мало. Но для увеличения количества вылетающих элек­тронов на электроды наносится слой активирующего вещества, кото­рое значительно менее термостойко, чем вольфрам, и при работе этот слой постепенно распыляется с электродов и оседает на стенках колбы. Обычно именно процесс распыления активирующего покры­тия электродов определяет срок службы ламп.

Для достижения наибольшей эффективности разряда, то есть для наибольшего выхода ультрафиолетового излучения ртути, необ­ходимо поддерживать определенную температуру колбы. Диаметр колбы выбирается именно из этого требования. Во всех лампах обес­печивается примерно одинаковая плотность тока — величина тока, деленная на площадь сечения колбы. Поэтому лампы разной мощно­сти в колбах одного диаметра, как правило, работают при равных номинальных токах. Падение напряжения на лампе прямо пропорци­онально ее длине. А так как мощность равна произведению тока на напряжение, то при одинаковом диаметре колб и мощность ламп пря­мо пропорциональна их длине. У самых массовых ламп мощностью 36 (40) Вт длина равна 1210 мм, у ламп мощностью 18 (20) Вт — 604 мм.

Большая длина ламп постоянно заставляла искать пути ее умень­шения. Простое уменьшение длины и достижение нужных мощностей за счет увеличения тока разряда нерационально, так как при этом увеличивается температура колбы, что приводит к увеличению дав­ления паров ртути и снижению световой отдачи ламп. Поэтому со­здатели ламп пытались уменьшить их габариты за счет изменения формы — длинную цилиндрическую колбу сгибали пополам (U-об­разные лампы) или в кольцо (кольцевые лампы). В СССР уже в 50-е годы делали U-образные лампы мощностью 30 Вт в колбе диаметром 26 мм и мощностью 8 Вт в колбе диаметром 14 мм.

Однако кардинально решить проблему уменьшения габаритов ламп удалось только в 80-е годы, когда начали использовать люми­нофоры, допускающие большие электрические нагрузки, что позво­лило значительно уменьшить диаметр колб. Колбы стали делать из стеклянных трубок с наружным диаметром 12 мм и многократно из­гибать их, сокращая тем самым общую длину ламп. Появились так называемые компактные люминесцентные лампы. По принципу работы и внутреннему устройству компактные лампы не отличаются от обычных линейных ламп.

В середине 90-х годов на мировом рынке появилось новое по­коление люминесцентных ламп, в рекламной и технической литера­туре называемое «серией Т5» (в Германии — Т16). У этих ламп на­ружный диаметр колбы уменьшен до 16 мм (или 5/8 дюйма, отсюда и название Т5). По принципу работы они также не отличаются от обыч­ных линейных ламп. В конструкцию ламп внесено одно очень важное изменение — люминофор с внутренней стороны покрыт тонкой за­щитной пленкой, прозрачной и для ультрафиолетового, и для види­
мого излучения. Пленка защищаетлюминофор от попадания на него частиц ртути, активирующего покрытия и вольфрама с электродов, благодаря чему исключается «отравление» люминофора и обеспечи­вается высокая стабильность светового потока в течение срока служ­бы. Изменены также состав наполняющего газа и конструкция элект­родов, что сделало невозможной работу таких ламп в старых схемах включения. Кроме того — впервые с 1938 года — изменены длины ламп таким образом, чтобы размеры светильников с ними соответ­ствовали размерам стандартных модулей очень модных сейчас под­весных потолков.

Люминесцентные лампы, особенно последнего поколения в кол­бах диаметром 16 мм, значительно превосходят лампы накаливания по световой отдаче и сроку службы. Достигнутые сегодня значения этих параметров равны 104 лм/Вт и 40000 часов.

Однако люминесцентные лампы имеют и множество недостат­ков, которые необходимо знать и учитывать при выборе источников света:

1. Большие габариты ламп часто не позволяют перераспреде­лять световой поток нужным образом.

2. В отличие от ламп накаливания, световой поток люминесцентных ламп сильно зависит от окружающей темпе­ратуры (рис. 21).

3. В лампах содержится ртуть — очень ядовитый металл, что делает их экологически опасными.

4. Световой поток ламп устанавли­вается не сразу после включения, а спу­стя некоторое время, зависящее от кон­струкции светильника, окружающей тем­пературы и самих ламп. У некоторых типов ламп, в которые ртуть вводится в виде амальгамы, это время может достигать 10-15 минут.

5. Глубина пульсаций светового потока значительно выше, чем у ламп накаливания, особенно у ламп с редкоземельными люмино­форами. Это затрудняет использование ламп во многих производ­ственных помещениях и, кроме того, отрицательно сказывается на самочувствии людей, работающих при таком освещении.

6. Как было сказано выше, люминесцентные лампы, как и все газоразрядные приборы, требуют для включения в сеть использова­ния дополнительных устройств.

На рис. 22 показана самая простая и распространенная схема включения люминесцентных ламп — стартерно-дроссельная. Для ог­раничения тока через лампу на требуемом уровне используется дрос­ сель 1. Параллельно лампе и последовательно с обоими ее электродами включен стартер 2.

Стартер — это тоже газоразрядный прибор, который должен удовлетворять одному требо­ванию: напряжение зажигания разряда в нем должно быть ниже напряжения сети, но выше напряжения горения лампы. Один из контактов в стартере делается в виде дужки из биметал­лической ленты, то есть из ленты, полученной путем жесткого соединения двух металлов с разными тепловыми коэффициентами расши­рения (рис. 23).

При подаче напряжения на такую схему в тере возникает разряд, и ток идет по цепи: дро — один электрод лампы — стартер — другой э род лампы. Величина этого тока ограничена дроссе - Рис. 23. лем. Ток нагревает электроды лампы и стартера, би - Устройство

металлический электрод стартера начинает распрям - стартера

ляться и в какой-то момент замыкается с другим электродом. После замыкания электроды стартера начинают остывать и через некото­рое время размыкаются. В момент размыкания на дросселе образу­ется большой импульс напряжения. Электроды лампы к этому време­ни успевают нагреться до температуры, достаточной для эмиссии элек­тронов из них. Если импульс напряжения на дросселе наложится на сетевое напряжение в нужный момент («совпадет по фазе»), то сум­ма напряжений сети и дросселя может оказаться больше напряжения зажигания лампы с прогретыми электродами, и лампа загорится. Так как вероятность этого достаточно мала, лампа почти никогда не заго­рается с первой попытки — всем хорошо известно мигание лампы при включении. Эти мигания неприятны и являются еще одним недо­статком люминесцентных ламп. Стартер при миганиях создает за­метные радиопомехи, поэтому параллельно ему включается помехо­подавляющий конденсатор (конструктивно стартер и конденсатор объединены в одном корпусе).

Дроссель не только обеспечивает зажигание ламп, но и ограни­чивает ток через них в рабочем режиме. В дросселе теряется опре­деленная мощность, не производя никакого положительного эффек­та, то есть дроссель является как бы лишней нагрузкой — баллас­том. Величина балластной мощности зависит от качества дросселя и протекающего по нему тока. По уровню потерь мощности в странах Европейского Союза, США и Канаде дроссели делятся на три класса: D — с обычными, С — с пониженными, В — с особо низкими потеря­ми. В лучших дросселях для ламп мощностью 36 (40) Вт теряется
около 6 ватт (примерно 15 % мощности лампы); у маломощных ламп (4-11 Вт) потери мощности в дросселях могут быть равны мощности самих ламп. Поэтому световая отдача ламп в реальных светильниках всегда ниже той, которая указывается в документации для «голых» ламп.

Дроссели создают еще один непри­ятный момент — сдвиг фаз между то­ком и напряжением. Напряжение в элек­тросетях имеет синусоидальную форму.

Если в лампах накаливания ток всегда совпадает по фазе с напряжением и точ­но повторяет его форму (рис. 24), то в любом дросселе ток отстает от напря­жения на какую-то долю периода, кото­рая измеряется в градусах. Если полный период равен 360о, то «чистый» дроссель вызывает отставание тока от напряже­ния ровно на четверть периода или на 90о. В совокупности с лампой этот «сдвиг по фазе» всегда меньше 90о и зависит от качества самого дросселя. На этикетках дросселей во всех странах указывается не сам угол, на который ток отстает от напряжения при включении дрос­селя с лампой соответствующей мощности, а косинус этого угла — сое р, называемый также «коэффициентом мощности». Наглядно пояснить смысл и значение сое р можно следующим примером. Пред­ставим себе, что ток и напряжение — это пара лошадей, тянущих одну повозку. Если обе лошади тянут повозку в одну сторону, иначе говоря, между ними нет «сдвига по фазе», то эффект от этой пары будет наибольшим. Но если одна из лошадей вздумает изменить на­правление движения, то результат будет тем хуже, чем больше будет угол, под которым потянет взбрыкнувшая лошадь, то есть чем мень­ше будет косинус угла между направлениями тяги двух лошадей.

Если сдвига по фазе между током и напряжением нет, то мощ­ность, потребляемая от сети, равна произведению тока на напряже­
ние. Но если этот сдвиг есть, то мощность складывается из двух со­ставляющих — активной и реактивной. Активная мощность — это та, которая производит полезную работу (в нашем случае — генерирует свет). Она будет определяться произведением уже трех величин — тока, напряжения и косинуса угла, на который ток отстает от напря­жения:

Р = UI cos р.

Интересно отметить, что счетчики электроэнергии учитывают только активную мощность. Поэтому при любом сдвиге фаз мы бу­дем платить только за потребляемую активную энергию (произведе­ние активной мощности на время). Но токовая нагрузка на провода будет меняться при этом обратно пропорционально cos р :

I = P / U cos р.

Кроме нагрузки на провода, низкое значение ^s р увеличивает нагрузку трансформаторных подстанций и, в конечном итоге, элект­ростанций. Поэтому во всех странах для всех крупных потребителей электроэнергии величина ^s ржестко нормируется.

Чтобы увеличить tos р, производится его компенсация. Для это­го в светильниках с люминесцентными и другими разрядными лам­пами включается еще один элемент — компенсирующий конден­сатор. Схемы включения такого конденсатора могут быть разными; все их варианты показаны на рис. 25. Чаще всего используется схема параллельной компенсации (а), позволяющая поднять значения cos р до 0,85.

Рис. 25. Схемы компенсации коэффициента мощности

Следует назвать еще одно неприятное явление, связанное с дросселями, — все дроссели при работе на частоте 50 Гц создают гудящий звук той или иной интенсивности. По уровню производимо­го шума дроссели делятся на четыре класса: с нормальным, пони­женным, очень низким и особо низким уровнем шума (в соответствии с ГОСТ 19680 они маркируются буквами Н, П, С и А).

В литературе дроссели часто называют «пускорегулирующи­ми аппаратами» (ПРА). Это абсолютно неверное название, так как из сказанного выше ясно, что дроссель сам по себе не может обес­печить ни «пуск» ламп, ни их регулирование. Для зажигания ламп не­ обходимо наличие не только дросселя, но и стартера, а регулирова­ние светового потока — это очень сложная техническая проблема, которую удалось решить только в последние годы.

Так как одним из условий работы стартерно-дроссельной схе­мы включения люминесцентных ламп является то, что напряжение зажигания стартера должно быть выше, чем напряжение горения лам­пы, то после зажигания лампы стартер как бы выключается из рабо­ты, и ток через него не идет. Следовательно, не идет и ток прогрева электродов лампы, а для нагрева электродов и обеспечения доста­точной эмиссии электронов из них хватает тока разряда нормально работающей лампы. Если же мы начнем регулировать световой поток лампы уменьшением тока разряда, то этого тока не хватит для разог­рева электродов до нужной температуры, разряд делается неустой­чивым, и лампа гаснет. Если мы хотим регулировать световой поток ламп, то необходимо каким-либо образом обеспечить нагрев элект­родов до требуемой температуры. Именно поэтому долгое время счи­талось, что люминесцентные лампы вообще не поддаются регулиро­ванию.

Многие недостатки люминесцентных ламп и дросселей устра­няются при использовании электронных высокочастотных аппа­ратов включения.

В последние годы такие аппараты стали уже достаточно при­вычными: в странах Европейского Союза около половины всех све­тильников с люминесцентными лампами делается с электронными схемами включения (в Швеции и Австрии даже больше половины). К сожалению, в нашей стране такие аппараты используются еще недо­статочно широко.

На рис. 26 изображена уп­рощенная блок-схема электрон­ного аппарата включения ламп.

Аппарат содержит два обязатель­ных узла — выпрямитель сете­вого напряжения 1 и преобра­зователь выпрямленного напря-

жения в высокочастотное переменное 2. Напряжение с выхода пре­образователя через усилитель мощности 3 или без него подается на лампу 4, включенную, как и в стандартных стартерно-дроссельных схемах, через дроссель 5. Так как частота напряжения на выходе преобразователя высокая (20-40 кГц), то размеры и масса дросселя гораздо меньше, чем необходимые для работы ламп на частоте 50 Гц. Вместо стартера параллельно лампе обычно включается конденса­тор 6. Дроссель 5 и конденсатор 6 образуют последовательный резо­нансный контур. Из физики известно, что при совпадении частоты
резонанса цепочки из последовательно включенных дросселя и кон­денсатора с частотой подаваемого на нее напряжения суммарное со­противление такой цепочки равно нулю. Ток через нее и напряжение на каждом из элементов схемы увеличиваются до бесконечности. Реально в электронных аппаратах включения частота напряжения на выходе преобразователя 2 близка к резонансной частоте цепочки из дросселя 5 и конденсатора 6 (но никогда не равна ей!). Поэтому при включении аппарата через электроды лампы протекает ток, доста­точный для их разогрева до необходимой температуры, а на конден­саторе 6 создается напряжение, необходимое для возникновения раз­ряда в лампе с подогретыми электродами. После зажигания лампы напряжение на ней падает до напряжения горения, а частота напря­жения преобразователя автоматически изменяется так, чтобы через лампу протекал ток заданной величины.

Кроме названных узлов, в большинстве современных аппаратов имеется еще блок управления 7. Он выполняет две функции: ста­билизацию тока лампы при колебаниях сетевого напряжения и кор­рекцию коэффициента мощности. Коэффициент мощности, обыч­но обозначаемый греческой буквой X, — это отношение мощности, потребляемой лампой вместе с аппаратом, к произведению тока и напряжения: X = Р/U I. При синусоидальной форме тока и напряже­ния коэффициент мощности — это тот самый ^s р, о котором мы говорили при рассмотрении стартерно-дроссельной схемы включе­ния. Но при питании ламп через электронные аппараты форма тока искажается (как говорят, «в токе появляются высшие гармоники») и коэффициент мощности уже не совпадает с cos р. У лучших совре­менных аппаратов коэффициент мощности близок к 1 (0,95 - 0,99). Функции исправления формы потребляемого тока («подавление выс­ших гармоник») обычно выполняет входной фильтр в выпрямителе 1.

В некоторых аппаратах блок управления 7 выполняет еще одну функцию — обеспечивает регулирование светового потока ламп, чаще всего за счет изменения частоты напряжения преобразователя

2. Строго говоря, только такие аппараты и могут называться пускоре­гулирующими, так как только они обеспечивают и пуск ламп, и регу­лирование их светового потока.

Принципиальное отличие электронных схем включения люми­несцентных ламп от стартерно-дроссельных заключается в том, что лампы в таких схемах питаются током высокой частоты, обычно 20 - 40 кГц, вместо 50 Гц. Высокочастотное питание ламп дает следу­ющие положительные результаты:

1. Из-за особенностей высокочастотного разряда увеличивает­ся световая отдача ламп. Это увеличение тем больше, чем короче лампа: у ламп мощностью 36 (40) Вт световая отдача возрастает при­мерно на 10 %, у ламп мощностью 18 (20) Вт — на 15 %, у ламп мощностью 4 Вт — на 40 %.

2. Глубина пульсаций светового потока с частотой 100 Гц умень­шается примерно до 5 %.

3. Исключаются звуковые помехи, создаваемыедросселями.

4. Исключается мигание ламп при включении.

5. Исключается необходимость компенсации cos р.

6. За счет исключения миганий при включении и точного про­грева электродов повышается срок службы ламп (до полутора раз).

7. Появилась возможность регулирования светового потока ламп.

8. Электронные аппараты значительно легче, чем дроссели и компенсирующие конденсаторы.

Таким образом, электронные аппараты включения устраняют большинство недостатков люминесцентных ламп со стартерно-дрос - сельными схемами включения. Но эти аппараты имеют и свой недо­статок, препятствующий их повсеместному внедрению: цена элект­ронных аппаратов во много раз выше, чем дросселей, стартеров и компенсирующих конденсаторов, вместе взятых. Но, тем не менее, как уже было сказано, в странах Европейского Союза доля светиль­ников с электронными аппаратами приближается к 50 % всех све­тильников с люминесцентными лампами.

Необходимо отметить, что люминесцентные лампы нового по­коления в колбах диаметром 16 мм принципиально могут работать только с электронными аппаратами. Это обстоятельство дает допол­нительные преимущества светильникам с такими лампами.

Поиск компромисса между очевидными преимуществами лю­минесцентных ламп перед лампами накаливания и консерватизмом наших привычек привел в начале 80-х годов минувшего века к появ­лению таких люминесцентных ламп, которые могли бы вкручиваться в обыкновенные патроны как лампы накаливания. Дроссель и стар­тер в таких лампах размещались в специальном «адаптере» с цоко­лем Е27, а колба лампы многократно изгибалась для максимального уменьшения габаритов и покрывалась сверху декоративным колпа­ком, обеспечивающим также и защиту ламп от поломок при установ­ке в патрон. Такие лампы мощностью 13 и 18 Вт выпускались круп­нейшими фирмами Osram и Philips, а позже и другими, но широкого распространения не получили: масса их была около 400 граммов, что практически исключало возможность их применения в настольных, настенных и подвесных многоламповых светильниках.

Положение коренным образом изменилось с появлением элект­ронных аппаратов включения и компактных люминесцентных ламп. Массу и габариты ламп удалось уменьшить настолько, что люмине­сцентные лампы с электронными аппаратами и резьбовыми цоколя-

ми Е27 и Е14 стали вполне конкурентоспособными изделиями. Сей­час в мире ежегодно выпускается более 300 миллионов таких ламп, и производство их непрерывно растет, особенно в Китае и странах Юго­Восточной Азии. Постоянно расширяется и номенклатура таких ламп. Диапазон мощностей современных компактных люминесцентныхламп, объединенных («интегрированных») с электронными аппаратами и оснащенных цоколями Е27 или Е14, — от 3 до 120 Вт; лампы выпуска­ются с различной цветностью излучения, разной конфигурации, с де­коративными внешними колбами, с отражателями и другие (рис. 27).