Люмінесцентні лампи

Найбільш поширеними з розрядних ламп для освітлення житлових, виробничих і службових приміщень є люмінесцентні лампи (ЛЛ). У них використовується випромінювання атомів ртуті при розряді в атмосфері інертного газу (аргон) низького тиску (2 – 4 мм рт. ст.) із парами ртуті. Оскільки максимум випромінювання ртуті припадає на ультрафіолетові хвилі, вони перетворюються у видиме світло за допомогою люмінофору, нанесеного на внутрішню поверхню колби лампи. Основою люмінофору є галофосфат кальцію, активований сурмою і марганцем, для зміни спектра додаються також сполуки інших металів. Таким чином, спектр випромінювання ЛЛ складається із спектра люмінофору й видимих ліній спектра ртуті. Оскільки світлова віддача цих ламп збільшується із збільшенням довжини колби і має максимум при невеликому діаметрі (40 мм), ЛЛ мають вигляд тонких та довгих циліндричних трубок прямої або вигнутої форми: кільцеві, секційні, U- і W-подібні (дві останні мають дещо нижчу світловіддачу внаслідок взаємного екранування близькорозташованих трубок лампи) (рис. 2.3) [62].

Рис. 2.3. Загальний вигляд фігурних люмінесцентних ламп:

а – секційні; б – кільцеві; в – U-подібні; г – W-подібні

Маркування ЛЛ містить такі елементи: 1-ий елемент – буква Л – люмінесцентна або КЛ – компактна люмінесцентна; 2-ий елемент – букви, які визначають спектр лампи: Д – денний, ХБ – холодно-білий, Б- білий, ТБ – тепло-білий, Е – природно-білий, К, Р, Ж, З, Г, С – червоний, рожевий, жовтий, зелений, блакитний, синій і т. д.; УФ – ультрафіолетовий. У ламп із поліпшеною кольоропередачею додається ще буква Ц, кольоропередача, особливо високої якості – ЦЦ; 3-ій елемент – цифри, які позначають потужність лампи у ватах. У кінці можуть додаватися цифри і букви, які позначають конструктивні особливості: 1 – відмінна особливість від базової моделі , Р – рефлекторна, У – U-подібна, К – кільцева, Э – екологічна (із зниженим умістом ртуті) й т. д. Наприклад, ЛДЦ 40-1Э означає: люмінесцентна лампа денного світла з поліпшеною кольоропередачею потужністю 40 Вт із відмінною особливістю від базової моделі, екологічна.

Таблиця 2.3

Параметри основних типів розрядних ламп

1) без урахування втрат в ПРА;

2) зростає зі збільшенням потужності лампи;

3) визначається модифікацією лампи;

4) 1500 год. – для лампи ДРИ 3500-6, 10000 год. – для ламп ДРИ 250-5 і ДРИ 400-5.

Для оцінки спектра ламп використовують метод колірних координат, або метод “контрольних кольорів”, але спрощено спектр ламп можна характеризувати колірною температурою Т_кол та індексом кольоропередачі (обидві ці характеристики отримують методом колірних координат). Колірна температура – це температура, до якої треба нагріти абсолютно чорне тіло, щоб максимум його випромінювання збігався з максимумом випромінювання лампи. Чим вище Т_кол лампи, тим більш блакитний і холодний відтінок має її світло. В лампах із низькою Т_кол переважають оранжево-червоні тони, і їх світло має більш теплий відтінок. Індекс кольоропередачі R_α показує, на скільки відсотків спектр лампи збігається зі спектром випромінювання абсолютно чорного тіла (АЧТ) при Т_кол = 3500 К (для АЧТ R_α = 100). Вважається , що при цій температурі різні предмети мають близький до природного колір, а шкіра обличчя людини має найбільш приємний колір. Як кажуть французи: “Навіть жаба виглядає красивою при свічному освітленні”.

Зазначимо, що нові будівельні норми в ряді випадків (вітринне, декоративне, ландшафтне освітлення та ін.) регламентують допустимі значення Т_кол і R_α. Нині склалася практика застосування двох типів освітлювальних ламп. Це лампи з високою світловою віддачею, придатні для більшості випадків загального освітлення, в яких важлива висока світлова віддача і не висуваються високі вимоги до якості кольоропередачі (ЛЛ типів ЛД, ЛБ, ЛХБ, ЛТБ), і лампи тих же кольорових тонів із поліпшеним спектром випромінювання, але більш низькою світловою віддачею, призначені для застосування в областях, де якість кольоропередачі відіграє більш важливу роль, ніж висока світлова віддача (ЛЛ типів ЛДЦ, ЛХЕЦ, ЛЕЦ, ЛТБЦ і ЛТБЦЦ), останні лампи мають також вищий коефіцієнт пульсацій (табл. 2.3).

На відміну від ламп розжарювання, для спектрів ламп із стандартними люмінофорами на основі галофосфату кальцію характерна недостатність випромінювання в червоній (610-760 нм) та синьо-блакитній (440-510 нм) і деякий надлишок у фіолетово-синій (420-440 нм) і жовто-зеленій (560-610 нм) областях, що призводить до деякого спотворення кольорів. Червоні й синьо-блакитні кольори втрачають свою насиченість, жовто-оранжеві набувають зеленуватого відтінку, а сині – фіолетового. Тому для поліпшення кольоропередачі застосовуються суміші люмінофорів, які додають випромінювання в областях, де його не вистачає.

Наводимо характеристику спектра найбільш поширених ЛЛ:

1. Лампи денного світла “ЛД” за кольоровістю наближаються до спектра АЧТ при температурі сонячної поверхні 6500 ^оК, завдяки чому вони забезпечують добру кольоропередачу при переході від денного світла до штучного.

2. Лампи білого світла “ЛБ” (Т_кол = 3500 ^оК) випромінюють світло золотистого відтінку, наближеного за кольором до сонячного світла.

3. Лампи тепло-білого світла “ЛТБ” (Т_кол = 2700 ^оК) випромінюють світло, наближене до ламп розжарювання.

4. Лампи холодного білого світла “ЛХБ” і “ЛХБЦ” (Т_кол = 4200 ^оК), які за кольоровістю займають проміжне місце між розсіяним світлом неба і ламп розжарювання.

5. Лампи денного світла з виправленою кольоровістю “ЛДЦ” (Т_кол = 6000 ^оК, R_α = 85) забезпечують добру кольоропередачу при переході від природного світла до штучного.

Для освітлення житлових приміщень, підприємств торгівлі, громадських будинків випускаються лампи типу ЛЕЦ (люмінесцентні, природного кольору з правильною кольоропередачею) з Т_кол = 3900 ^оК і R_α = 85. Ці лампи забезпечують найкращу кольоропередачу людського обличчя, шкіри рук та предметів домашнього вжитку. Для освітлення квартир, кафе, ресторанів виробляються лампи ЛТБЦ (тепло-білого світла з правильною кольоропередачею) з Т_кол = 2700^о К і R_α = 88. Лампи створюють “тепле” освітлення, яке наближається до звичного освітлення ламп розжарювання. Для діагностичних кабінетів та інших лікувальних установ розроблені спеціальні лампи типу ЛХЕЦ (холодно-природного світла з правильною кольоропередачею) з Т_кол = 5200^о і R_α = 93. Лампи забезпечують передачу не тільки нормального кольору шкіри людини, але й патологічні зміни кольору шкіри й крові. Для контролю відтінків білих тканин розроблена спеціальна ЛЛ типу ЛДЦУФ із Т_кол = 6000 ^оК і підвищеною часткою ультрафіолетового випромінювання. Це необхідно, щоб відбілювачі, що застосовуються при виготовленні білих тканин, не змінювали свій колір при освітлюванні природним світлом та ЛЛ. Зазначимо, що в зв’язку з тим, що лампи з поліпшеною кольоропередачею мають значно нижчу світловіддачу (табл. 2.3), їх слід застосовувати тільки там, де висуваються підвищені вимоги до якості кольоропередачі. В усіх інших випадках потрібно використовувати більш економічні ЛЛ типу ЛБ, ЛД, ЛХБ і ЛТБ.

Оскільки до початку 90-их років 20-го століття можливості звичайних люмінофорів вочевидь наблизились до межових значень, подальше збільшення світловіддачі з одночасним поліпшенням кольоропередачі здійснюється шляхом застосування вузькосмугових люмінофорів, що становлять суміш декількох (трьох, іноді двох) люмінофорів, кожен із яких випромінює світло у відносно вузькому спектральному діапазоні з максимумами синього (довжина хвилі 450 нм), зеленого (540 нм) і червоного (610 нм) кольорів. Згідно з теоремою кольоровості [29] накладання (змішування) цих кольорів може відтворити будь-який колір предмета (аналогічний принцип використовується в кольоровому телебаченні). Застосування вузькосмугових люмінофорів дозволяє оптимізувати спектр випромінювання ЛЛ, що підвищує світловіддачу й одночасно забезпечує якісну кольоропередачу (див., наприклад, лампу ЛДЦТ 40, табл. 2.3.). Недоліком є те, що до складу цих люмінофорів входять досить дорогі рідкоземельні елементи, що значно (приблизно у 40 разів) збільшує їх вартість, а це, в свою чергу, в декілька разів збільшує вартість лампи. Для зменшення цього недоліку також використовують двошарове покриття, при якому на колбу лампи накладається шар звичайного (дешевого) люмінофору, а поверх нього незначна кількість вузькосмугового люмінофору (~ 25% товщини). Закордонні фірми виробляють досить широкий набір ЛЛ із вузькосмуговими люмінофорами, які поступово замінюють менш енергоекономічні ЛЛ зі стандартними люмінофорами (у 2000 році у світовому виробництві ЛЛ частка ламп із вузькосмуговими люмінофорами становила 15%, в Європі – 50% [17]). Економічно найбільш доцільним є використання вузькосмугових люмінофорів у компактних і частково в енергоекономічних ЛЛ (див. нижче).

Енергоекономічні ЛЛ призначені для загального освітлення й повністю взаємозамінні зі стандартними ЛЛ потужністю 20, 40 і 65 Вт без заміни світильників та ПРА. При тих же або близьких значеннях світлових потоків, що й у стандартних ламп відповідної кольоровості (переважно Б) вони мають потужності відповідно 18, 36 і 58 Вт, що зменшує на 10% споживання електроенергії. Зовні вони відрізняються від стандартних ЛЛ меншим діаметром трубки – 26 мм замість 38 мм. Недоліком цих ламп є значно більший спад світлового потоку в процесі експлуатації порівняно зі стандартними. Більш стабільними є енергоекономічні ЛЛ із вузькосмуговими або двошаровими люмінофорами (типу ЛБЦТ, де буква Т означає трикомпонентну суміш вузькосмугових люмінофорів). Останні мають також вищу світловіддачу і R_α (~ 85). Ряд західноєвропейських фірм [18, 58] розпочали виробництво енергоекономічних ЛЛ діаметром 16 мм, із потужностями від 14 до 35 Вт із світловіддачею до 104 лм/Вт (лампи серії Т5, табл. 2.3.).

Особливо ефективне живлення енергоекономічних лічильників підвищеною частотою (20 – 35 кГц). При цьому зменшуються втрати в ПРА (для ЛЛ 58 Вт – із 17 до 7 Вт) і потужність самої лампи (з 58 до 53 Вт), а світловіддача збільшується на 20%.

Компактні люмінесцентні лампи мають потужності від 5 до 120 Вт, світловіддачу (комплекту лампа + ПРА) від 30 до 80 лм/Вт і строки служби від 5 до 10 тис. год. Зменшення діаметра трубки створює несприятливий режим роботи люмінофорів, тому розроблення і створення (на початку 80-их) компактних ЛЛ стали можливими лише з появою вузькосмугових люмінофорів, у яких спад світлового потоку на 20% відбувається протягом 8-10 тис. год. горіння, в той час як галофосфатні люмінофори втрачають у таких умовах яскравість за декілька сотень годин. Для зменшення габаритів ламп у довжину застосовують декілька паралельно розташованих трубок, з’єднаних між собою зігнутими частинами трубок або скляними патрубками.

Основна сфера застосування цих ламп – заміна малоефективних ламп розжарювання зі світловими потоками до 2000-3000 лм, що відповідає лампам розжарювання потужністю 150-200 Вт.

Усі компактні ЛЛ, що виробляються нині, можна розділити на 4 основні групи:

1. Без зовнішньої оболонки з розрядною трубкою Н або П-подібної форми, спеціальним цоколем, виносним ПРА і вбудованим (рідше виносним) стартером (рис. 2.4, а). Лампи, які мають убудований стартер і конденсатор, потребують для підключення до мережі лише два, а не чотири контакти, що значно спрощує їх монтаж.

2. Із призматичною або опаловою зовнішньою оболонкою, складно зігнутою розрядною трубкою і вбудованим ПРА (рис. 2.4, б). Ці лампи мають стандартний різьбовий цоколь і призначені для безпосередньої заміни ламп розжарювання, що дає значну економію електроенергії. Недоліком їх є відносно великі габарити й особливо маса порівняно з лампами розжарювання, нерозбірність конструкції, в зв’язку з чим після виходу з ладу розрядної трубки доводиться замінювати всю лампу, включаючи ПРА. В зв’язку з цим деякі закордонні фірми випускають подібні лампи з розбірною конструкцією.

3. Кільцеві, без зовнішньої оболонки, із стандартним різьбовим цоколем, убудованим ПРА (рис. 2.4, в). Зручність цих ламп полягає в тому, що ними можна безпосередньо замінювати лампи розжарювання в освітлюваних приладах, які допускають подібну заміну своїми розмірами і конструкцією.

4. Із скляною зовнішньою оболонкою, складно зігнутою розрядною трубкою, спеціальним цоколем і виносним ПРА. Це найменш чисельна група компактних ЛЛ, бо вони менш зручні у використанні, ніж лампи перших трьох груп, та мають меншу світло­віддачу.

Для світлових покажчиків зарубіжні фірми виробляють щілинні ЛЛ, покриті зсередини відбивачем, поверх якого нанесений трисмуговий люмінофор. Лампи мають прозору щілину, не покриту відбиваючим шаром (близько 30^о). В напрямі цієї щілини лампа створює велику силу світла.

На відміну від ламп розжарювання зміна напруги живлення як у сторону збільшення, так і в сторону зменшення скорочує термін служби ЛЛ. При падінні напруги нижче певної величини лампа припиняє горіти. Тому регулювання світлового потоку шляхом зміни напруги живлення ЛЛ неможливе. Для плавного регулювання світлового потоку цих ламп при живленні змінним струмом частотою 50 Гц застосовуються відносно складні і громіздкі схеми, наприклад, серійні регулятори яскравості типу “Спектр”. Про сучасні методи регуляції світлового потоку буде сказано нижче при розгляді ПРА.

Зміни температури навколишнього середовища вище і особливо нижче від оптимальної (20^о для звичайних ЛЛ, 40^о для енергоекономічних ЛЛ) зменшують світловіддачу і термін служби ЛЛ, ускладнюють їх запалювання. Тому використання ЛЛ загального призначення при температурах нижче від 0^о С неефективне. Для роботи при знижених температурах (від –20^о С до +5^о С) випускаються спеціальні ЛЛ, які мають на 30% менший термін служби, ніж звичайні [62]. Повідомляється [18] про випуск фірмою Auralight ЛЛ для зовнішнього освітлення з подвійною колбою діаметрами 26 (внутрішня) і 38 мм (зовнішня). Проміжок між колбами відіграє роль теплоізолятора. Термін служби цієї лампи 30 тис. год.

Спад світловіддачі ЛЛ у процесі горіння особливо швидко відбувається в перші десятки годин горіння і досягає 6–8%. Згідно з технічними умовами світловий потік більшості ЛЛ протягом терміну служби повинен становити не менше ніж 70% від номінального, наведеного в таблиці 2.3.