Люминисцентные лампы
Люминесцентные лампы вошли в нашу жизнь уже давно и прочно. Первые образцы отечественных люминесцентных ламп были созданы в 1936 – 1940 г.г. группой московских ученых и инженеров под руководством С.И. Вавилова. Сразу после их появления люминесцентных ламп стали стремительно распространяться в сфере общественного, коммерческого, промышленного и бытового освещения благодаря своей экономичности и многочисленным потребительским преимуществам.
Прежде всего отметим преимущества люминесцентных ламп. Во-первых, люминесцентные лампы в 3 – 7 раз более эффективны, чем лампы накаливания. Потребление электроэнергии значительно ниже (до 5 раз), чем у ламп накаливания, при том же количестве излучаемого света. Во-вторых, срок службы люминесцентных ламп в среднем в 10 раз больше, чем у ламп накаливания. В-третьих, с люминесцентные лампы есть возможность получить различные варианты спектра излучения, например специальный спектр люминесцентных ламп для освещения аквариумов. В-четвертых, люминесцентные лампы имеют менее яркую светящую поверхность и создают более равномерное освещение и лучший визуальный комфорт. Только люминесцентные лампы позволяют создать линейный протяженный источник света. Наконец, существует большое разнообразие люминесцентных ламп по мощности и типоразмерам.
В устройстве любой люминесцентной лампы можно выделить 5 основных частей: стеклянная колба, покрытая внутри люминофором (специальным порошком); два электрода, впаянных с двух сторон колбы; заполняющий газ – обычно аргон или смесь аргона и криптона; небольшое количество ртути, которая испаряется во время работы; цоколь, зацементированный на каждом конце колбы для соединения лампы с электрической цепью.
Принцип действия люминесцентной лампы в упрощенном виде состоит в следующем:
При подаче напряжения в цепь электрический ток нагревает катоды. Катоды покрыты специальным материалом, который при нагреве испускает электроны. Появление этих электронов приводит к образованию тока и электрического разряда между противоположными концами разрядного промежутка. Электроны в процессе своего движения сталкиваются с атомами ртути, которые в результате вызывают ультрафиолетовое (УФ) излучение. УФ-излучение поглощается люминофорным слоем внутри трубки и преобразуется в видимый свет.
Основные формы и виды люминесцентных ламп
Наиболее общеупотребительной является форма в виде цилиндрической прямой трубки. Как правило, диаметр трубки указывается в мм, но в иностранных каталогах и литературе часто можно встретить так называемый T-размер. После обозначения T идет значение диаметра в восьмых частях дюйма. Например, T8 обозначает 26мм, а T12 – 38 мм.
Существуют также люминесцентные лампы U-образной формы, которые имеют укороченную длину и цоколи с одной стороны. Бывают также кольцевые лампы. У них четырехштырьковый цоколь, а само кольцо – трех различных диаметров.
Цоколи у люминесцентной лампы могут быть различными. У трубчатых ламп самыми распространенными являются G13 и G5.
Электрическая цепь для включения люминесцентной лампы должна иметь балласт и стартер. Балласт обычно представляет собой обыкновенный электромагнитный дроссель, т.е. индуктивный элемент. Самый распространенный тип стартера – стартер тлеющего разряда, представляющий собой по сути дела маленькую лампочку тлеющего разряда с термоконтактами, заключенную в стандартный цилиндрический корпус.
В первый момент после включения в стартере возникает тлеющий разряд. Биметаллические термоконтакты стартера нагреваются и замыкают цепь таким образом, что ток последовательно проходит через него и оба катода. При этом ток нагревает катоды. На катодах возникает так называемая термоэмиссия благодаря специальному веществу, которым они покрыты. Затем термоконтакты стартера остывают и автоматически размыкают цепь. При этом благодаря индуктивным свойствам дросселя на электродах происходит значительный бросок напряжения. Если электронов внутри трубки достаточно, то возникает электрический разряд и роль стартера фактически заканчивается до следующего нового включения лампы. Если электронов в трубке недостаточно, то лампа будет мигать и не разгораться, а стартер будет повторять цикл нагрева катодов.
Роль балласта заключается в том, чтобы ограничить проходящий через лампу ток до уровня, который соответствует ее мощности. Если бы не было балласта, то ток мог бы возрастать почти неограниченно и лампа вышла бы из строя. Часто в таких цепях параллельно входу включается конденсатор, который служит для компенсации реактивной мощности. Совокупность перечисленных выше элементов, обеспечивающих нормальную работу люминесцентной лампы, называется пускорегулирующим аппаратом (ПРА).
Существуют и другие многочисленные варианты схем включения люминесцентных ламп.
Немного разобравшись с устройством и принципами работы люминесцентных ламп, зададимся вопросом: а какие же люминесцентные лампы лучше, и каков их сегодняшний технический уровень? Как и по каким критериям выбирать люминесцентные лампы на рынке?
Основные параметры качества люминесцентных ламп:
Светоотдача – количество света, излучаемого лампой на единицу потребляемой мощности.
Стабильность светового потока – показывает, насколько уменьшается светоотдача в течение срока службы лампы.
Срок службы.
Цветопередача – показывает, насколько правильно лампа передает цвета освещаемых предметов.
Влияние окружающей среды – определяет, как лампа реагирует на критические условия окружающей среды.
Давайте разберем эти критерии подробнее.
Светоотдача. Это величина, равная отношению светового потока (количества излучаемого лампой света), измеряемого в люменах, к потребляемой этой лампой электрической мощности, измеряемой в ваттах. Светоотдача люминесцентных ламп в 3 – 7 раз выше, чем светоотдача ламп накаливания. Например, лампа накаливания 100 Вт дает 13,5 Люмен/Ватт, люминесцентная лампа 58 ВТ – от 47 до 93 Люмен/Ватт.
Светоотдача люминесцентных ламп зависит от цветовых характеристик света, длины лампы, температуры окружающей среды, частоты напряжения питающей сети. Посмотрим, например, зависимость от цветовых характеристик света ЛЛ 18 Ватт:
Стандартная люминесцентная лампа холодного белого света (Cool White) 64 лм/Вт ЛЛ с трехполосным люминофором, цвет 840 75 лм/Вт
Люминесцентная лампа с пятиполосным люминофором (Deluxe), цвет 940 56 лм/Вт
Таким образом, люминесцентная лампа с трехполосным люминофором дает наилучшую светоотдачу.
Теперь посмотрим зависимость светоотдачи от мощности лампы для цвета 835:
1200 мм 36 Вт 96 лм/Вт
600 мм 18 Вт 75 лм/Вт
Светоотдача люминесцентных ламп существенно зависит от температуры окружающей среды, что во многом определяется тем, что люминесцентные лампы являются лампами низкого давления.
Оптимальная рабочая температура окружающей среды для люминесцентных ламп 5 – 25 ° С. Поэтому имейте в виду, что люминесцентные лампы желательно предохранять от попадания потоков холодного воздуха во избежание снижения светоотдачи. Теперь поговорим о частоте напряжения питающей сети.
Питание люминесцентных ламп с частотой 30 кГц увеличивает светоотдачу на 10%. Это одна из причин все более широкого применения электронных ПРА. Другими плюсами этих аппаратов являются создание освещения без раздражающего мерцания, лучший запуск ламп, малый вес и габариты такого ПРА. Здесь открываются и более интересные возможности для дизайнеров светильников.
Стабильность светового потока . Необходимо отметить, что практически у любой лампы светоотдача в течение времени ее работы падает, т.е. лампа «стареет». У люминесцентных ламп люминофоры также «стареют» и излучают меньше света к концу срока службы. Со временем концы трубок люминесцентных ламп темнеют и задерживают свет. Все это означает, что с течением времени света становится меньше даже тогда, когда ни одна лампа еще не сгорела.
Срок службы. Это ожидаемое время непрерывной работы лампы до того момента, когда она сгорит. Обычно в каталогах эта величина дается как СРЕДНИЙ НОМИНАЛЬНЫЙ СРОК СЛУЖБЫ. Это время, через которое из некоего среднестатистического количества ламп 50% сгорит, а 50% будет продолжать гореть. Пожалуйста, не путайте этот параметр с гарантийным сроком службы. Если вы, например, купили 100 ламп со средним номинальным сроком службы 10000 часов, то около 50 ваших ламп могут сгореть раньше 10000 часов, а другая половина будет гореть дольше, в среднем же получится около 10000 часов.
Помните, что различные внешние факторы могут значительно влиять на срок службы люминесцентных ламп.
Это в первую очередь так называемый цикл включения – время непрерывной работы люминесцентной лампы в часах между включениями-выключениями в течение суток.
Во-вторых, серьезные отклонения питающего напряжения, неправильное использование ПРА, нарушение режима подогрева электродов (например из-за старых стартеров) могут сократить время жизни лампы. Влияние цикла включений можно объяснить следующим образом.
В процессе работы люминесцентной лампы эмиссионное покрытие на ее электродах разрушается медленно. Гораздо более интенсивное распыление эмиссионного вещества происходит при включении лампы. Когда на электродах лампы не остается эмиссионного вещества, она перестает работать. Этим и определяется физический срок службы лампы.
В каталогах ведущих производителей люминесцентных ламп, например в каталоге компании GE Lighting, приводится график зависимости срока службы лампы от цикла включений.
В качестве примера скажем, что увеличение продолжительности непрерывной работы люминесцентной лампы между включениями-выключениями с 3 до 12 часов увеличивает срок службы лампы на 50%!
В заключение отметим, что для люминесцентных ламп одинаково вредно как повышенное, так и пониженное напряжение сети. При пониженном напряжении также возможны проблемы с зажиганием лампы, приводящие к неприятному миганию ламп и преждевременному износу стартеров. Чтобы избежать подобных проблем, рекомендуем использовать электронные ПРА.
Цветопередача. Этот параметр определяет, насколько правильно передаются цвета предметов, освещаемых лампой. В каталогах эта величина дается в виде Общего индекса цветопередачи, обозначаемого как CRI Ra индекс. Лампы, которые не искажают цветов, имеют индекс Ra, равным 100. Чем меньше Ra у лампы, тем большие искажения цветов предметов наблюдаются в ее свете.
Цветопередача люминесцентных ламп определяется типом и качеством люминофорного покрытия колбы. Сегодня существует большое разнообразие ЛЛ с различной цветопередачей, однако ни одна люминесцентная лампа не достигает уровня цветопередачи ламп накаливания и галогенных ламп, у которых Ra близок к 100. Не путайте этот показатель с понятием цветовой температуры, которая характеризует различные цветовые оттенки белого света люминесцентных ламп (теплый, нейтральный, холодный и т.д.).
Влияние окружающей среды. Температура окружающей среды влияет на работу люминесцентных ламп.
Различные типы люминесцентных ламп выдают более 90% мощности в диапазоне температур 10–40° С. Но каждый тип ламп имеет свой, достаточно узкий, оптимальный диапазон рабочих температур. При более низких температурах происходит резкий спад светоотдачи и возникают трудности с зажиганием ламп.
Следует помнить, что когда люминесцентная лампа помещается в светильник, во время эксплуатации температура окружающего воздуха вокруг нее изменяется, и это может оказать влияние на ее световые характеристики.
Если люминесцентная лампа находится в среде большой влажности, то возможно возникновение электрической утечки по поверхности лампы. Это может нарушить нормальную работу лампы. Для борьбы с этим явлением ведущие производители выпускают специальные модификации люминесцентных ламп в силиконовой оболочке.
Современные типы люминесцентных ламп и их применение
Стандартные лампы . В лампах этой серии применяются галофосфатные люминофоры, позволяющие получить следующий традиционный набор цветовых оттенков белого света: холодный белый (Cool White), теплый белый (Warm White), белый (White), дневной (Daylight) и естественный белый (Natural). Лампы этого типа широко используются в установках общего освещения.
Лампы с трехполосным люминофором . В этих современных лампах используется высокоэффективный трехполосный люминофор, благодаря которому световой поток таких ламп на 17% выше, чем у стандартных люминесцентных ламп. Другими их отличительными особенностями являются повышенный срок службы и исключительно высокая стабильность светового потока. Благодаря последнему обстоятельству осветительные установки с применением люминесцентных ламп с трехполосным люминофором всегда выглядят как новые.
Срок службы люминесцентных ламп с трехполосным люминофором в настоящее время может достигать 20000 часов при работе с электронным ПРА (GE Polylux XLR, OSRAM Lumilux Plus). Благодаря высоким световым характеристикам этих ламп их использование приводит к снижению числа устанавливаемых светильников. При освещении этими лампами великолепно передаются цвет лица человека, цвета тканей, продуктов питания и других искусственных и естественных объектов. Индекс Ra у люминесцентных ламп с трехполосным люминофором превышает 85.
Немаловажный экологический параметр люминесцентных ламп – это содержание ртути. Здесь достигнут значительный прогресс. Зарубежные производители добились снижения этого показателя до 4,0 мг.
Сегодня эти лампы завоевывают все большее признание. Они широко применяются на многочисленных предприятиях торговли, в современных офисных центрах, косметических салонах и парикмахерских, спортивно-оздоровительных центрах и местах досуга и отдыха. Не менее интересным направлением является использование этих ламп в установках световой рекламы. Отличная цветопередача и повышенная яркость позволяют получить яркие, сочные цвета без искажений и точно в соответствии с цветным оригиналом.
Лампы с пятиполосным люминофором. Еще лучше воспроизводятся цвета при освещении лампами с пятиполосными люминофором. Эти источники света имеют индексы цветопередачи, приближающиеся к 100. Уступая лампам с трехполосным люминофором в светоотдаче, эти лампы необходимы там, где требуется максимально правильная цветопередача, например в типографии, рекламном бюро и т.д.
Специальные лампы. В эту группу можно включить цветные люминесцентные лампы, лампы со специальным спектром излучения, лампы быстрого старта, лампы УФ-излучения и другие.
Особенно хотелось бы отметить широко популярные лампы УФ-излучения типа Blacklight для создания декоративного эффекта люминесценции тканей и красок. Все более широко УФ люминесцентные лампы применяются для создания рекламных световых эффектов в торговле, не говоря уже о многочисленных барах, ресторанах, ночных клубах и других местах отдыха и развлечений.
Информация о соответствии и аналогах люминесцентных ламп различных производителей
В существующих российских осветительных установках применяются преимущественно лампы типов ЛБ и ЛД. Российские лампы выпускаются в основном диаметром 38 мм (международное обозначение – T12), а также диаметром 32 мм (международное обозначение – T10) и диаметром 26 мм (международное обозначение – T8). Уже довольно давно начата и в настоящее время широко применяется замена ламп диаметром 38 мм (Т12) на более экономичные и современные лампы диаметром 26 мм (Т8). Сегодня большинство светильников, выпускающихся в Европе, используют лампы T8. Российская промышленность также практически перешла на выпуск светильников с лампами T8.
Лампы T12 постепенно вытесняются в основном в сектор специальных ламп (цветные, специального спектра и т.д.).
В заключение отметим, что люминесцентные лампы, конечно, не свободны и от присущих им недостатков.
Они довольно чувствительны к питающему напряжению – его чрезмерные изменения могут влиять на световой поток и зажигание люминесцентных ламп.
Применение люминесцентных ламп ограничивает также необходимость в ПРА – это усложняет конструкцию светильника, делает ее более громоздкой.
Лампы, работающие с обычным (не электронным) ПРА, мигают с частотой 100 Гц. Хотя человеческий глаз этого не видит, тем не менее некоторые люди испытывают дискомфорт в свете таких ламп. Раздражающее гудение, часто слышимое в местах, где установлено много люминесцентных ламп с обычными ПРА, – это тоже следствие 100 Гц эффекта. Избавиться от этого неприятного шума или его уменьшить можно только сменой дросселя на более качественный. Радикальным решением будет применение электронного ПРА.
Неприятный эффект в виде мигания возникает также тогда, когда стартер пытается зажечь вышедшую из строя лампу. В этом случае лампу необходимо немедленно заменить.
К недостаткам ЛЛ можно отнести и то, что они, в отличие от ряда других источников света, например ламп накаливания или разрядных ламп высокого давления, являются довольно габаритными.
Для изготовителей наружной рекламы основные недостатки – это, конечно, проблемы с зажиганием люминесцентных ламп при минусовых температурах и их невысокая яркость. В этих случаях, если вы хотите иметь яркий и компактный источник света с отличной цветопередачей и большим сроком службы, вам следует обратиться к металлогалогенным лампам с керамической горелкой (CMH).