- ТИПИ РОЗРЯДНИХ ЛАМП
Класифікація, маркування і основні параметри розрядних ламп
Класифікація РЛ можлива за різними ознаками. Основними є фізичні ознаки, які визначають найважливіші властивості ламп (спектр, кольоровість випромінювання, яскравість, енергетичний ККД і т. ін.). Зазвичай це є: склад газового середовища, робочий тиск, вид розряду, область світіння. Розрядні лампи з робочим тиском газів і парів від 0,1 до 3-104 Па (приблизно від 0,001 до 200 мм.рт.ст.) відносяться до РЛ низького тиску (РЛНТ), з тиском від 3-104 до 106 Па (приблизно від 200 до 7500 мм.рт.ст.) - до РЛ високого тиску (РЛВТ), а з тиском вищим за 106 Па (вищим за 7500 мм.рт.ст.) - до РЛ надвисокого тиску (РЛНВТ). Згідно з видом розряду, що використовується в робочому режимі, РЛ поділяють на лампи дугового, тліючого та імпульсного розрядів. Залежно від того, що є основним джерелом світлового випромінювання, вони поділяються на газосвітні або паросвітні, фотолюмінесцентні, які також називають люмінесцентними лампами (ЛЛ), та електродосвітні. У ЛЛ основний світловий потік створюється люмінофорами, які збуджуються випромінюванням розряду, а у електродосвітних - електродами, що розжарюються розрядом до високої температури.
Розрядні лампи також поділяються за формою колб (трубчасті або лінійні в циліндричних колбах, капілярні, кульові) та за способом охолоджування (з природним та з примусовим повітряним або водяним охолодженням).
Відповідно до вказаних вище ознак і маркують РЛ.
Літери Т, Д, І в позначенні РЛ вказують на вид газового розряду, що в них використовується (Т - тліючий, Д - дуговий, І - імпульсний). Назву газу чи пари, які використовуються в РЛ для створення випромінювання, вказують літери Р, Кс, На та інші (Р - ртуть, Кс - ксенон, На - натрій). Про наявність люмінофора в лампі свідчить літера Л в її позначенні. На форму колби вказують літери К,Т та інші (К - кульова, Т - трубчаста).
Для найбільш розповсюджених трубчастих ртутних ЛЛ низького тиску прийнята своя система позначення. До позначень цих ламп входить декілька літер, перша з яких (Л) свідчить про належність лампи до даного типу. Наступна літера або літери визначають колір випромінювання або особливості спектра випромінювання (ТБ - теплобіла, Б - біла, ХБ - холоднобіла, Д - денна, Н - натуральнобіла, УФ -ультрафіолетова, Ч - червона, С - синя, З - зелена, Б - блакитна, Ф - фотосинтетична, К - з підвищеною якістю кольоропередачі). Далі ставиться літера, що визначає особливість конструкції лампи (Р - рефлекторна, У - U-подібна, К - кільцева, Ш - швидкого пуску, А - амальгамна). Цифри, що стоять після літер, вказують на потужність лампи у ватах.
Сигнальні ЛЛ тліючого розряду мають маркування, яке починається з літер ТЛ.
У світовій практиці немає одноманітності в маркуванні РЛ. Параметри РЛ поділяють на світлові, електричні та експлуатаційні.
До основних світлових параметрів РЛ, зокрема, відносяться: світловий потік Ф, сила світла Іа та її розподіл у просторі, яскравість La, колір та спектральний склад випромінювання, коефіцієнт пульсації світлового потоку і т. ін.
Основними електричними параметрами РЛ вважаються: потужність лампи Рл, напруга на лампі Ua і напруга джерела живлення (електричної мережі) Uж, тобто напруга на баластному елементі і на лампі, вид струму і його номінальне значення Іл, напруга запалювання лампи Uз, струм підігріву електродів у режимі запалювання і т. ін.
До основних експлуатаційних параметрів РЛ відносяться: номінальна світлова віддача, строк служби, розміри і форма лампи, ціна і т. ін.
Люмінесцентні лампи, їхня будова і основні особливості
Люмінесцентні лампи відносяться до РЛНТ, розрядні трубки (колби) яких покриті люмінофором, що перетворює невидиме ультрафіолетове випромінювання електричного розряду у газі (парі) у випромінювання з більшою довжиною хвилі. Вони бувають дугового розряду з гарячими катодами, тліючого розряду з холодними катодами та вихрового розряду без електродів. Найбільше поширеними є ЛЛ з дуговим розрядом у парі ртуті та попереднім підігрівом електродів. Вони економічні і прості в експлуатації. Запалювання їх відбувається при стандартній напрузі електричної мережі. Попередній підігрів електродів полегшує їхне запалювання. Після запалювання відбувається саморозжарювання електродів, тобто вони нагріваються до потрібної температури за рахунок енергії, яка надходить до розряду. Люмінесцентні лампи тліючого розряду застосовують головним чином для сигналізації і світлової реклами. У лампах вихрового розряду, які не мають електродів, випромінювання створюється високочастотним вихровим розрядом, що виникає у суміші пари ртуті та інертного газу. Для створення такого розряду використовується індуктор, підключений до високочастотного генератора. Такий генератор може бути вмонтований безпосередньо у лампу.
Широке застосування ртутного розряду в ЛЛ зумовлене його високою ефективністю та, що не менш важливо, високою пружністю пари ртуті.
Люмінесцентні лампи мають такі основні позитивні якості: простота конструкції; відносно невисока собівартість; досить велика світлова віддача, яка досягає 80-90 лм/Вт і більше; висока якість кольоропередачі; досить великий строк служби (12—15 тис. год і більше), а також низька температура поверхні розрядної трубки.
Основними недоліками ЛЛ є відносно великі розміри, малопридатність для зовнішнього освітлення і освітлення високих приміщень через порівняно невелику їхню потужність, ненадійна робота ртутних ЛЛ при низьких температурах навколишнього середовища, а також труднощі перерозподілу і концентрації світлового потоку у просторі.
Сучасні ЛЛ зазвичай являють собою довгі скляні трубки діаметром 16, 25, 38 або 54 мм, в торці яких впаяні ніжки, що держать електроди. Ці лампи можуть бути прямими, U-подібними, кільцевими, W-подібними та іншої форми. Найпоширенішими є прямі циліндричні лампи. Будова ЛЛ схематично показана на рис. 4.1, а їхні різновидності - на рис. 4.2.
Рис. 4.1. Будова ЛЛ: 1 - ніжка; 2 - електрод; 3 - катод; 4 - шар люмінофору; 5 - трубка (колба); 6 - цоколь
Рис. 4.2. Різні види ЛЛ: а - пряма трубчаста; б - кільцева; в - W-подібна; г - U-подібна
Люмінесцентні лампи з U- та W-подібними, а також з кільцевою конфігураціями дозволяють здійснювати одностороннє кріплення та підключення їх до мережі живлення. Виготовляють їх згинанням заварених, але ще не відкачаних прямих ламп.
Електроди ЛЛ мають вигляд вольфрамових біспіралей або триспіралей, які для отримання достатньої емісії електронів при роботі в режимі катода покриті шаром активної речовини з низькою роботою виходу Авих. Такою речовиною в ЛЛ можуть бути окиси лужноземельних металів (Ba, Sr, Ca), які утворюються при нагріванні та розкладанні карбонідів ВаСОз, СаСОз, SrCO3. Робоча температура таких катодів складає 1200 -1300 К, тобто приблизно 930-1030 оС. На внутрішню поверхню трубок (колб) цих ламп наносять шар люмінофору.
Електричний розряд в ЛЛ найчастіше відбувається у суміші пари ртуті з інертним газом. Тиск насиченої пари ртуті у них складає всього 5-10 Па, тобто приблизно 0,04-0,08 мм.рт.ст. Цей тиск відповідає температурі рідкої фази ртуті 35-40 оС. Тиск інертного газу (аргону або суміші аргону з неоном) у них вищий і досягає 200 - 400 Па (1,5-3 мм.рт.ст.).
Для утворення пари ртуті у розрядній трубці лампи у неї вводять краплю ртуті масою 30-80 мг. Обмеження маси краплі пов’язане з тим, що вона пересувається при змінах положення лампи і руйнує шар люмінофору і тим дужче, чим більші розміри має крапля ртуті. Тиск пари ртуті у розрядній трубці за наявності в ній рідкої фази ртуті визначається температурою найхолоднішої ділянки цієї трубки.
Існують і безртутні ЛЛ, у яких джерелом випромінювання є електричний розряд в інертному газі. Проте ці лампи мають значно меншу світлову віддачу і набагато менший строк служби, ніж ртутні. Позитивними якостями цих ламп є відсутність у них токсичної ртуті, а також те, що вони можуть працювати при низьких температурах, тоді як робота ЛЛ з парою ртуті при досить низьких температурах стає ненадійною. Останнє пов’язане з тим, що тиск насиченої пари ртуті значно залежить від температури її рідкої фази, тобто від температури краплі ртуті, що знаходиться у колбі ЛЛ. Цим значною мірою пояснюється й те, що ЛЛ з розрядом у парі ртуті малопридатні для зовнішнього освітлення. Утилізацію ртутних ЛЛ, що відпрацювали, необхідно обов’язково виконувати з урахуванням високої токсичності ртуті.
Як уже відомо (див. п.3.9), при низькому тиску електричний розряд є ефективним джерелом резонансного випромінювання, яке у атомів ртуті є ультрафіолетовим з довжинами хвиль 253,65 і 184,95 нм. Видиме випромінювання ртутного розряду при низькому тиску незначне і його світлова віддача складає всього 5-7 лм/Вт .
Люмінофори, які застосовуються в ЛЛ для перетворення невидимого випромінювання у видиме, добре збуджуються резонансним випромінюванням ртуті, а кращі з них мають квантовий вихід люмінесценції, що досягає 90 %.
Якраз таким люмінофором є галофосфат кальцію, активований сурмою та марганцем. Різні марки галофосфату кальцію вміщують у собі різну концентрацію марганцю (від 0,3 до 1,2 % маси). Сурма в них складає приблизно 1 % маси. При зміні концентрації марганцю в люмінофорах цього типу у випромінюванні змінюється складова частина світлових потоків з довжинами хвиль, що наближаються до 585 нм (резонансне випромінювання марганцю) і до 485 нм (резонансне випромінювання сурми). Це дає можливість виготовляти ЛЛ з різною колірною температурою. Потік видимого випромінювання самого ртутного розряду, який пропускає шар люмінофору, складає в ЛЛ 8-13 % загального світлового потоку.
Через нижчі потенціали збудження та іонізації атомів ртуті порівняно з аналогічними потенціалами аргону та інших інертних газів, які вводяться в ЛЛ, після запалювання ламп іонізуються та випромінюють практично тільки атоми ртуті. Лише в біля катодних областях, де є електрони з досить великою швидкістю, поряд зі світінням ртуті виникає також світіння інертного газу.
Роль добавок інертного газу до пари ртуті дуже велика. Так, інертний газ полегшує запалювання розряду, зменшує розпилення окисного покриття електродів, підвищує градієнт потенціалу в позитивному стовпі розряду та значно збільшує вихід резонансного випромінювання ртуті.
У холодній лампі ртуть майже не випаровується, тому розряд в ній, коли вона холодна, може виникати лише при наявності в її колбі хоч би якого-небудь газу. Проте значення потенціалів іонізації у атомів інертних газів значно вищі, ніж значення потенціалу іонізації атомів ртуті, тому запалювання розряду у газі потребує значно вищої напруги Уз, ніж для його горіння Up.
Найефективніше резонансне випромінювання ртуті в ЛЛ виникає тоді, коли ртутна пара має тиск приблизно 0,8-1,33 Па (0,006-0,01 мм.рт.ст.). Тиск же інертного газу в ЛЛ може бути набагато вищим ( близько 4-102 Па, тобто приблизно 3 мм.рт.ст.)
Завдяки значно вищому тиску ніж той, що має пара ртуті, інертні гази істотно зменшують довжину вільного пробігу електронів і електронну температуру газу в розрядному проміжку лампи. Тому для підтримання однакового значення струму потрібні і вищі значення градієнта потенціалу в розрядному проміжку та більша концентрація вільних електронів у його заповненні.
Оскільки напруга на розрядному проміжку лампи Uл і електрична потужність Рл, що підводиться до нього,
де Ьст і Ест - відповідно довжина позитивного стовпа розряду і напруженість електричного поля (градієнт потенціалу) в ньому; Уа і Ук - падіння напруги в анодній і катодній областях розряду; Іл - струм лампи (розряду).
Таким чином, при тій же самій підведеній до електричного розряду потужності Рл і тому ж самому струмі довжина позитивного стовпа розряду, а отже, і довжина лампи будуть тим меншими, чим вищим буде градієнт потенціалу в позитивному стовпі.
Порівняно низькі значення градієнта потенціалу в позитивному стовпі розряду є одним з основних недоліків РЛНТ. Через цю особливість ЛЛ та інші лампи низького тиску мають досить велику довжину, що є причиною істотного обмеження їхньої потужності (для звичайних ЛЛ вона не перевищує 250 Вт).
Анодно-катодне падіння напруги Уа,к=Уа+Ук в ЛЛ з електродами, що мають окисне покриття, при досить довгих дугах є набагато меншим, ніж на стовпі розряду Уст=Естbст, тобто Уст>>Уа+Ук. У звичайних ЛЛ катодне падіння напруги складає 10-15 В, а анодне - 6 В.
Через наявність в ЛЛ інертного газу тиском близько 4-102 Па, який зменшує довжину вільного пробігу електронів у розрядному проміжку, значно збільшується кількість метастабільних атомів у парі ртуті, які переходять на випромінюючий рівень. Тому світлова віддача ЛЛ при додаванні до пари ртуті інертного газу значно зростає (нерідко більше, ніж в два рази). При відсутності інертного газу практично вся енергія, що витрачається на збудження атомів ртуті у метастабільний стан, переноситься метастабільними атомами до стінок розрядної трубки, де даремно перетворюється у теплову енергію. Це пояснюється тим, що у чисто ртутному розряді такого низького тиску імовірність дифузії метастабільних атомів до стінок трубки значно більша, ніж імовірність їхнього зіткнення з електронами, внаслідок чого вони можуть перейти на випромінюючий рівень.
Люмінесцентні лампи виготовляють потужністю 3-250 Вт. Найбільш масовими є освітлювальні ЛЛ загального призначення. Їх виготовляють потужністю 15-80 Вт. Крім цих ЛЛ, виготовляють також ЛЛ спеціального призначення, які відрізняються тими або іншими особливими експлуатаційними властивостями.
Залежно від спектрального складу освітлювальні ЛЛ поділяють на такі чотири типи:
- лампи денного світла (ЛД), колірна температура яких Тк=6000 К (лампи з позначенням ЛДК мають поліпшений спектральний склад випромінювання);
- лампи холодного білого кольору (ЛХБ) з колірною температурою Тк =4300 К;
- лампи білого кольору (ЛБ) з температурою Тк=3450 К (мають найвищу світлову віддачу серед ЛЛ);
- лампи теплого білого кольору (ЛТБ) з температурою Тк =2600 К.
Для освітлення приміщень, якість кольоропередачі кольорових об’єктів в яких повинна бути досить високою, виготовляють ЛЛ цих типів з поліпшеною кольоропередачею (ЛБК, ЛХБК, ЛТБК і ЛНК).
Лампи білого світла типу ЛНК розраховані на освітлювання приміщень, в яких необхідна достовірна кольоропередача людського обличчя.
У розрядних трубках ЛЛ вихрового розряду (індукційних) за допомогою спеціального індуктора створюється змінне магнітне поле. Тому в газах і парах, що знаходяться у цих трубках, як і у будь-яких тілах, це поле індуктує ЕРС, яка згідно із законом електромагнітної індукції дорівнює
, де Ф - миттєве значення магнітного потоку в газі чи парі, а dΦ/dt - швидкість його змінювання. При досить високій частоті струму в індукторі ця ЕРС досягає настільки великих значень, що стає здатною визивати в газі та парі електричний дуговий розряд і при відсутності струмопідвідних електродів. Випромінювання, що виникає при цьому, перетворюється в необхідне оптичне за допомогою люмінофорів.
Лампи вихрового розряду, завдяки відсутності електродів, мають набагато більший строк служби (до 60000 год), ніж у ЛЛ з електродами, повільніший, ніж у них спад світлового потоку в процесі експлуатації і швидше запалюються (за час, що не перевищує 0,5 с), а також здатні працювати при досить низьких температурах (до мінус 20 оС). Тому вони є досить перспективними джерелами світла.