4.3. Основні властивості та характеристики люмінесцентних ламп
До основних величин і параметрів, які характеризують ЛЛ, належать: їхня електрична потужність Рл, робочий струм Iл; напруга на лампі Uл та напруга запалювання Uз; струм підігріву електродів у режимі запалювання Іпід, напруга, що подається на ПРА та лампу Uж (електричної мережі Uм); світловий потік Ф та номінальна світлова віддача nл; середній строк служби τ; коефіцієнт пульсації світлового потоку кп, сила світла Іа та яскравість La. Розподіл сили світла Іа та яскравості La у просторі, а також спектральна густина потоку випромінювання φ(λ), яка визначає спектральний склад випромінювання, відносяться до важливих світлових характеристик ЛЛ.
Баланс потужності розряду в ЛЛ з ртутно-аргоновим наповненням має приблизно такий вигляд: 55 % потужності припадає на
ультрафіолетове випромінювання з довжиною хвилі 253,65 нм, біля 6 % - з довжиною хвилі 184,95 нм і 1,5 - 2 % - з довжиною хвиль 436, 546 та 577 нм; на інші випромінювання - 1,8 %. Решта потужності лампи витрачається на нагрівання колби і електродів. Таким чином, на створення резонансного випромінювання атомами ртуті, що є невидимим, в ЛЛ припадає більше 60 % потужності лампи, тоді як нерезонансне випромінювання атомів ртуті не перевищує у них 2 % потужності лампи. Без люмінофора світлова віддача ламп з таким складом випромінювання не перевищує навіть 7 лм/Вт. При наявності люмінофора вона зростає більш ніж у 10 разів, і у лампах потужністю 40 Вт, наприклад, складає 70 - 80 лм/Вт, а при застосуванні люмінофорів на основі рідко- земельних елементів - близько 90 лм/Вт.
Кращу кольоропередачу, ніж у РЛ інших типів, ЛЛ мають завдяки тому, що енергія їхнього випромінювання рівномірніше розподілена між видимими випромінюваннями з хвилями різної довжини, а не зосереджена у випромінюваннях декількох довжин хвиль або в їхніх смугах, як це є у більшості РЛ інших типів.
Напруга запалювання ЛЛ часто буває значно вищою, ніж напруга електричної мережі Uм. Необхідне короткочасне підвищення напруги на лампі та попередній підігрів її електродів здійснюють ПРА. Робоча напруга на ЛЛ, як правило, складає (0,5-0,65)Uм.
В процесі експлуатації ЛЛ яскравість світіння люмінофора і світловий потік поступово зменшуються. Криві змінювання світлового потоку протягом строку служби існуючих ЛЛ потужністю 40 і 80 Вт показані на рис. 4.3.
Рис. 4.3. Змінювання світлового потоку ЛЛ протягом строку служби: 1 - потужністю 40 Вт, 2 - потужністю 80 Вт
Найбільше падіння світлового потоку спостерігається у перші десятки годин горіння ЛЛ, протягом яких воно може досягати 6 —10 %. Далі швидкості спадання яскравості та світлового потоку цих ламп стають все меншими. Тому номінальною світловою віддачею ЛЛ nл прийнято вважати світлову віддачу, яка відповідає світловому потоку лампи після 100 год горіння Ф100:
Проте одержані таким чином значення світлової віддачі не враховують втрати потужності в ПРА. Залежно від потужності лампи і схеми її вмикання ці втрати можуть досягати 15-30 % потужності, що споживається ЛЛ. Якщо врахувати ці втрати, то значення світлової віддачі ЛЛ суттєво зменшиться. Але і з урахуванням втрат потужності в ПРА світлова віддача ЛЛ залишається вищою, ніж у ЛР. Довші ЛЛ мають більші значення світлової віддачі, тому що основним джерелом випромінювання у лампах цього типу є стовп розряду, а потужності катодної та анодної ділянок розряду практично не залежать від довжини лампи.
Силу світла прямих трубчастих ЛЛ у перпендикулярному до поздовжної осі трубок напрямку можна визначити за формулою:
Iv=0,108 Ф, де I v — сила світла, кд; Ф - світловий потік, лм.
Пульсація світлового потоку у ЛЛ при їхньому живленні від джерела змінного струму трохи згладжується внаслідок післясвітіння люмінофора, тобто завдяки деякій його інерційності. При цьому вона у ЛЛ з різними люмінофорами не однакова. Наприклад, коефіцієнт пульсації світлового потоку лампи типу ЛБ, що працює з дроселем, кп=0,35, а двох таких ламп при дволамповій схемі вмикання зі зсувом фаз кп=0,16, тоді як значення цього коефіцієнта у ЛР потужністю 100 Вт дорівнює всього 0,05, тобто є набагато меншим, ніж у ЛЛ.
Для освітлювальної техніки зменшення коефіцієнта пульсації є дуже важливим, оскільки при цьому зменшується стробоскопічний ефект. Пульсація найбільш помітна на кінцях ЛЛ. Вона викликає подразнення очей при спостереженні, тому кінцеві ділянки ЛЛ прикривають екранами.
Наявність більшої пульсації світлового потоку поблизу кінців розрядної трубки ЛЛ має таке пояснення: поблизу електродів яскравість світіння розряду зменшується, але біля катодного кінця розрядної трубки вона зменшується значніше ніж поблизу анодного. Разом з тим при змінному струмі полярність електродів безперервно змінюється і це призводить до виникнення додаткової пульсації яскравості світіння біля кінців розрядної трубки з частотою напруги джерела живлення (електричної мережі), тобто з частотою 50 Гц. Отже, частота цієї додаткової пульсації є у два рази меншою, ніж пульсації світлового потоку, зумовленої при змінному струмі зміною миттєвої потужності розряду.
Значно впливають на потужність ЛЛ Рл, їхній струм Іл, світловий потік Ф та інші величини зміни напруги електричної мережі. При зміні напруги мережі UM у межах ± 10 % від номінальної UM зміни потужності, струму та світлового потоку ЛЛ можна визначити за формулами:
Як зменшення, так і збільшення напруги мережі UM призводять до скорочення строку служби ЛЛ, оскільки при зменшенні напруги погіршуються умови для перезапалювання ламп, а при підвищенні - збільшується струм у них. При зменшенні напруги мережі більше ніж на 10 % запалювання ламп зазвичай вже не відбувається.
Великий вплив на властивості та характеристики ЛЛ має температура навколишнього середовища, оскільки від неї істотно залежить температура найхолодніших зон у лампах і відповідно тиск пари ртуті. При мінусовій температурі навколишнього середовища ЛЛ або взагалі не запалюються, або світять тьмяно. Для більшості ЛЛ робочий діапазон температури повітря складає 5-50 оС. Для звичайних ЛЛ, що працюють без світильників, оптимальна температура повітря дорівнює 20-25 оС.
Спеціальні люмінесцентні лампи
До спеціальних ЛЛ, які характеризуються особливими експлуатаційними властивостями, відносяться: малогабаритні ЛЛ, ЛЛ з фігурною колбою, амальгамні, високоінтенсивні, швидкого запалювання, кольорові, опромінювальні зі спеціальним спектром випромінювання (для фотосинтезу, для ультрафіолетового опромінювання, еритемні), рефлекторні (лампи-світильники) та ряд інших.
Серійні малогабаритні ЛЛ мають діаметр колби 16 мм. Їхня світлова віддача і строк служби менші, ніж у ламп основної серії.
Спеціальні амальгамні ЛЛ розроблені для роботи при підвищеній температурі навколишнього середовища (до 55-70 оС), наприклад, у закритих світильниках. Ртуть у цих лампах замінена на її амальгами. Амальгами ртуті мають нижчу пружність пари, ніж ртуть. Тому оптимальним тиск пари ртуті в амальгамних ЛЛ стає при вищій температурі ніж у звичайних. Залежно від складу амальгами ця температура може досягати 60 -90 оС. Найчастіше використовують амальгаму такого складу: 20 % ртуті, 75 % свинцю, 5 % берилію. Проте введення ртуті в лампу за допомогою амальгам ускладнює запалювання розряду, а повільне надходження пари ртуті до розрядного проміжку при розкладанні амальгами спричиняє поступове наростання світлового потоку, через що час розпалення амальгамних ЛЛ може досягати 10-15 хв.
У високоінтенсивних ЛЛ (з великою питомою потужністю), при роботі яких температура розрядних трубок (колб) дорівнює 50- 60 оС, оптимальний тиск насиченої пари ртуті створюють за рахунок підтримки невеликої ділянки трубки (колби) при температурі 38-45 оС. Це досягається або збільшенням тепловідводу від ділянки зовнішньої поверхні лампи, або зменшенням теплового потоку на деяку ділянку цієї поверхні, або тим і іншим разом. З цією метою на розрядних трубках ламп роблять невеликі виступи (рис. 4.4,а), застосовують теплові екрани на кінцях лампи для утворення охолоджених зон за електродами (рис. 4.4,б), виготовляють трубки жолобкової форми (рис. 4.4,в), збільшують довжину заелектродних областей лампи.
Рис. 4.4. Утворення в розрядній трубці зон з пониженою температурою: а - за допомогою виступа (відростка); б - подовженням і екрануванням закатодної області; в - за допомогою жолобкової форми колби
Виступ (відросток) віддаляє невелику ділянку поверхні трубки від осі електричного розряду. Розряд у ньому відсутній. Тому при світінні лампи ця ділянка трубки нагрівається менше. При жолобковій формі трубки більше і менше віддалені від осі розряду ділянки поверхні трубки чергуються між собою і поблизу більше віддалених ділянок розряду немає, через що вони також менше нагріваються. При охолодженні ламп з вказаними особливостями вся ртуть збирається у створених холодніших зонах.
Суттєвим недоліком ЛЛ з розглянутими особливостями є довший період розгорання. Збільшення ж довжини закатодної області при тій самій довжині лампи зменшує довжину стовпа розряду, а наявність відростків зменшує механічну міцність ламп.
Кольорові ЛЛ призначені для декоративного освітлення та світлової реклами.
Люмінесцентні лампи швидкого запалювання мають струмопровідну смугу на поверхні трубки, яка полегшує запалювання розряду.
Опромінювальні ЛЛ утворюють в основному ультрафіолетове випромінювання. Колби таких ламп виготовляють із спеціального увіолевого скла, яке пропускає більше 50 % потока резонансного випромінювання ртуті з довжиною хвилі 253,65 нм. Застосовують такі ЛЛ для знешкодження бактерій і називають їх при такому призначенні бактерицидними. Особливістю бактерицидних ламп є те, що вони не мають люмінофору.
Люмінесцентні бактерицидні лампи потужністю 8, 15, 30 і 60 Вт виготовляють у колбах тих самих розмірів, що і звичайні ЛЛ відповідної потужності, тому їх і розглядають разом з ЛЛ.
Бактерицидні лампи з колбами із увіолевого скла і з люмінофорами на основі фосфату кальцію створюють так званий еритемний потік випромінювання, який використовують у лікувальних приладах. Їх випускають потужністю 4 - 40 Вт.
Рефлекторні ЛЛ є лампами з направленим світлорозподілен- ням. У цих лампах певну частину внутрішньої поверхні колби покривають білим порошкоподібним шаром з високим коефіцієнтом віддзеркалювання, який виконує роль внутрішнього відбивача світлового потоку. Після цього на нього наносять шар люмінофору. У щілинних ЛЛ залишається вузька поздовжня смуга скла, яка не має ні відбиваючого шару, ні люмінофору. Ці ЛЛ дозволяють ще дужче збільшувати яскравість і силу світла в певному напрямку.