Газоразрядные лампы низкого давления.

В разрядных лампах излучение возникает в результате электрического разряда в среде инертных газов, паров металлов или их смесей, находящихся под различным давлением.

В зависимости от давления внутри колбы лампы бывают низкого давления (0,15...10⁴ Па), высокого (3•10⁴...10⁶ Па) и сверхвысокого (более 10⁶ Па). От значения рабочего давления в лампе зависят спектр излучения и КПД электрического разряда. Спектр излучения зависит также от рода газа или паров металла, наполняющих "разрядную" колбу. По наполнению дуговые разрядные лампы подразделяют на ртутные, металлогалогенные, натриевые, ксеноновые и др.

В спектре излучения ртутных ламп высокого давления наблюдается недостаток оранжево-красного излучения с длинами волн = 570...760 нм. Поскольку преобладают фиолетовое и ультрафиолетовое излучения, то это создает неправильную цветопередачу при освещении, что значительно ограничивает область применения указанных ламп. [3,4].

Металлогалогенные лампы помимо ртути имеют добавки иодидов или бромидов, которые позволяют широко изменять спектральный состав видимого излучения.

В натриевых лампах ртуть добавляется в количестве 5...10%.Поэтому основой излучения является дуговой электрический разряд в парах натрия, создающий особый оранжево-красный спектр излучения.

Излучение ксеноновых ламп определяется электрическим разрядом в инертном газе (ксеноне). Оно отличается спектром близким к естественному в видимой области и присутствием значительной инфракрасной составляющей.

В России наибольшее распространение получили газоразрядные лампы низкого давления, названные люминесцентными. Их разработку в нашей стране относят к 1933 году. Люминесцентная лампа (рис.1.22) представляет собой стеклянную трубку (колбу), из которой откачивается воздух, затем она заполняется аргоном с небольшим количеством ртути до давления 400...600 Па.

Рис.1.22. Устройство люминесцентной лампы: 1 - колба; 2 - стеклянная ножка; 3 - электрод; 4 - цоколь; 5 - контактные штырьки; 6 - люминофор

Внутренняя поверхность колбы покрыта люминофором - порошком из солей кальция, цинка, кадмия, бериллия и др. Химический состав люминофора определяет цвет излучения и светоотдачу.

В трубку по торцам вварены стеклянные ножки, на которых установлены вольфрамовые электроды, выполненные в виде биспиралей. Концы электродов выведены к цоколю и соединены с контактными штырьками.

Электроды покрыты оксидом - окислами щелочно-земельных металлов, обеспечивающих высокую термоэлектронную эмиссию.

Аргон внутри трубки ограничивает распыление вольфрамовой спирали, а вместе с парами ртути облегчает зажигание лампы.

Электрическая энергия в люминесцентных лампах преобразуется "двухступенчато" в световую. Сначала электрический ток, протекая между электродами лампы, вызывает излучение в парах ртути. Возникающая при этом лучистая энергия состоит в основном из коротковолнового ультрафиолетового излучения и лишь около 2% составляет видимое излучение. Затем ультрафиолетовое излучение дугового разряда преобразуется в люминофоре в видимое (световое) излучение.

С учетом всех преобразований можно считать, что энергетический КПД современных люминесцентных ламп составляет 20%, а световой КПД достигает 12%. Таким образом, по сравнению с лампами накаливания люминесцентные лампы являются более совершенными источниками видимого излучения.

Люминесцентные лампы различаются по форме и размерам колбы, мощности и спектральному составу излучения.

В маркировке ламп используются буквенные и цифровые обозначения. Буквы обозначают конструктивные признаки и особенности спектра излучения, цифры - мощность лампы в ваттах.

Буквы расшифровываются следующим образом: ЛД - люминесцентная лампа дневного света; ЛБ - то же, белого света; ЛХБ - то же, холодно-белого света; ЛТБ (ЛТБС) - то же, тепло-белого света. Выпускаются также лампы с улучшенным спектральным составом излучения, обеспечивающим получение хорошей цветопередачи освещенных объектов. В обозначении этих ламп после букв, характеризующих цвет излучения, добавляют букву Ц (ЛДЦ, ЛХБЦ и т.д. - "лампы улучшенного спектрального состава").

Для работы в условиях повышенной запыленности выпускают рефлекторные лампы. В них рефлекторный слой (диффузное отражающее покрытие, состоящее из порошка с высоким коэффициентом отражения) наносят на две трети окружности внутренней поверхности трубки. Затем всю внутреннюю поверхность трубки покрывают слоем люминофора. Благодаря рефлекторному слою, через "выходное окно" (не покрытую рефлекторным слоем часть трубки) проходит световой поток, на 70...80% больший, чем через такую же часть трубки в обычной лампе. К таким лампам относятся, в частности, ЛБР - рефлекторная лампа белого света, ЛФР - люминесцентная фотосинтезная рефлекторная и др.

Иногда излучение осветительных люминесцентных ламп характеризуют цветовой температурой Т_ц, которая соответствует температуре черного тела, создающего излучение той же цветности. Так, цветовая температура ламп типа ЛБ составляет 3500 К, ЛД - 6500 К, ЛТБЦ - 2700 К.

Все сказанное относится к лампам с прямолинейной колбой.

U- и W-образные лампы имеют в обозначении соответствующую букву. Пример обозначения: ЛБU, ЛБЦW и т.п. Кольцевые люминесцентные лампы имеют в обозначении букву К (ЛБК и т.д.). Имеются также кольцевые люминесцентные лампы ЛЕЦК и ЛТБЦЦК мощностью 22, 32, 40 и 60 Вт с естественной (Е) и тепло-белой (ТБ) цветностью, а также улучшенной (Ц) или очень хорошей (ЦЦ) цветопередачей.

Помимо цифрового обозначения, идущего сразу за буквенным обозначением и указывающим мощность лампы, очень часто через дефис дается порядковый номер разработки лампы. Например, ЛХБ-40-2 - люминесцентная лампа холодно-белого света мощностью 40 Вт, вторая разработка.

Люминесцентные лампы наиболее распространенных типов выпускают мощностью 15, 20, 30, 40, 65 и 80 Вт.

Средняя продолжительность горения всех типов люминесцентных ламп составляет не менее 10 тыс. ч при световой отдаче 45...80 лм/Вт.

В табл. 1.5 приведены некоторые технические характеристики распространенных люминесцентных ламп.

Таблица 1.5 - Технические характеристики люминесцентных ламп

Из сравнения данных табл. 1.4 и 1.5 следует, что биспиральная лампа накаливания Б 215-225-40 мощностью 40 Вт имеет световую отдачу η_v = 10,3 лм/Вт (световой поток Ф_v = 415 лм), а люминесцентная лампа ЛД-40 той же мощности - световую отдачу η_v = 62,5 лм/Вт (световой поток Ф_v = 2500 лм). То есть, световая отдача у люминесцентной лампы ЛД-40 больше в 6 раз, а если сравнить с лампой ЛБ-40, то больше в 7,7 раза. Если говорить о создании одного и того же светового потока, то люминесцентная лампа требует в 3,5 раза меньше мощности, чем лампа накаливания. В этом основное преимущество люминесцентных ламп. Другие их преимущества: более благоприятные спектры излучения, большой срок службы (не менее 10000 ч вместо 1000 ч у ламп накаливания), невысокая температура поверхности трубки и меньшая яркость.

К недостаткам люминесцентных ламп следует отнести: необходимость запуска в работу с помощью специального пускорегулирующего аппарата (ПРА), большие габаритные размеры, чувствительность к температуре окружающей среды, зависимость работы от значительного снижения напряжения сети.

Электротехнические параметры люминесцентных ламп тесно связаны с их габаритными размерами. Наилучшим образом параметры сочетаются в лампах мощностью 40 Вт с прямолинейной трубчатой колбой длиной 1,2 м и диаметром 40 мм (светоотдача - 55...80 лм/Вт, см. табл. 1.5).

Эффективность отдачи люминесцентных ламп зависит также от состава люминофоров. В то же время при указанной высокой световой отдаче ламп яркость их в десятки раз меньше яркости ламп накаливания.

Эксплуатационные показатели люминесцентных ламп непрерывно улучшаются. Разработаны лампы общего назначения, у которых средняя продолжительность горения составляет 12000...15000 ч.

В процессе эксплуатации наблюдается значительный спад потока излучения люминесцентных ламп, и к концу срока службы он составляет 54...60% номинального. Наиболее интенсивно поток снижается в начальный период эксплуатации, поэтому за номинальный принимают его значение после 100 ч работы лампы.

Работа люминесцентной лампы от сети переменного тока с частотой 50 Гц сопровождается пульсацией потока излучения. У ламп типа ЛБ свойства люминофора таковы, что коэффициент пульсации = 22...25%, у ламп с улучшенной цветопередачей ЛДЦ, ЛТБЦ, ЛЕЦ коэффициент пульсации еще больше - 40...65%.

Коэффициент пульсации светового потока вычисляют по формуле

(1.36)

где - максимальное и минимальное значения светового потока (определяемые на практике по осциллограмме).

Наличие у люминесцентных ламп большой "глубины" пульсации светового потока приводит к тому, что при освещении движущихся предметов возникает так называемый "стробоскопический эффект" - зрительное ощущение множественности движущегося предмета и ложное впечатление о его неподвижности. Это приводит к искажению впечатления от освещенного объекта и вызывает быструю усталость глаз. В особенности опасно ложное впечатление о неподвижности вращающихся объектов, что может привести к травмам на производстве.

Чтобы исключить стробоскопический эффект, люминесцентные лампы включают на различные фазы сети или используют схему с расщепленной фазой. Уменьшение в указанных схемах объясняется тем, что ток одной лампы отстает по фазе от тока другой, а сдвиг токов приводит к сдвигу световых потоков. В этом случае суммарный световой поток будет иметь меньшую разницу между максимальным и минимальным значениями, следовательно, и меньшее значение . Так, при включении двух ламп ЛБ в расщепленную фазу или в две разные фазы снижается до 10...10,5%. А включение трех указанных ламп в три разные фазы дает =2,2%.

При включении ламп ЛДЦ в аналогичных схемах коэффициенты пульсации будут соответственно равны 17 и 3,5%.

По сравнению с лампами накаливания основные параметры люминесцентных ламп меньше зависят от отклонений напряжения питающей сети: изменению напряжения на 1% соответствует изменение светового потока на 1%, мощности - на 2%, срока службы - на 3...4%. Очень мало меняется и световая отдача.

Отклонения напряжения сети в значительных пределах отрицательно сказываются на надежности работы ламп. Так, снижение напряжения более чем на 10% приводит к отказу зажигания, а снижение более чем на 20% - к погасанию горящих ламп.

На работу люминесцентных ламп существенно влияют и факторы окружающей среды. Оптимальным интервалом рабочей температуры считается температура воздуха 18...25°С. Отклонение её от указанных значений приводит к уменьшению потока излучения и эффективной отдачи ламп, а также ухудшает условия их зажигания. При низких положительных значениях температуры воздуха напряжение зажигания ламп повышается на 20...25%, при отрицательной температуре вероятность зажигания близка к нулю. Увеличение относительной влажности воздуха до 70...90% сопровождается повышением напряжения зажигания ламп.

Стартерная схема включения люминесцентной лампы в электрическую сеть приведена на рис.1.23. Помимо самой лампы EL, основными элементами схемы являются дроссель L, стартер VL и конденсаторы C1, С2. Дроссель имеет стальной сердечник и обмотку. Стартер (рис.1.24) представляет собой миниатюрную газоразрядную лампу 3 с биметаллическим подвижным 1 и неподвижным 2 электродами, заполненную смесью 60% аргона, 28,8% неона и 11,2% гелия.

Стеклянная колба лампы стартера помещена в металлический или пластмассовый корпус цилиндрический формы 6. Напряжение зажигания лампы составляет 70 В для стартера, рассчитанного для работы в сети 127 В, и 130 В - для стартера 220 В. Включение стартера в схему осуществляется контактами 7.

При подаче напряжения на схему ток через лампу EL не идет, так как для пробоя газового промежутка необходимо напряжение, превышающее напряжение сети U_c. Однако в стартере VL возникает тлеющий разряд, сопровождающийся протеканием небольшого (20...50 мкА) тока в электрической цепи: дроссель, электроды люминесцентной лампы, стартер.

Биметаллический электрод стартера 1 разогревается, изгибается и замыкается на неподвижный электрод 2, что замыкает цепь электродов люминесцентной лампы через дроссель на напряжение сети. Протекающий при этом по электродам ток в 1,4...1,6 раза превышает номинальный рабочий ток лампы. За 1...2 с электроды разогреваются до 700...900°С, вследствие чего увеличивается электронная эмиссия и облегчаются условия пробоя газового промежутка. После прекращения тлеющего разряда в стартере биметаллический электрод охлаждается и, возвращаясь в исходное положение, разрывает цепь электродов люминесцентной лампы. В момент разрыва цепи возникает электродвижущая сила самоиндукции в дросселе L, величина которой пропорциональна индукции дросселя и скорости изменения тока в момент разрыва цепи.

Скорость разрыва цепи стартером составляет около 1...2 микросекунд, а электродвижущая сила достигает нескольких киловольт. Для увеличения длительности импульса высокого напряжения параллельно контактам стартера (внутри корпуса) устанавливают конденсатор C1, который уменьшает скорость изменения тока в цепи, следовательно, и величину электродвижущей силы самоиндукции (до 500...1500 В), но увеличивает продолжительность её существования (до 100 микросекунд). Это способствует более устойчивому зажиганию лампы. Образовавшийся за счет самоиндукции импульс повышенного напряжения прикладывается к электродам лампы. Происходит пробой газового промежутка, и лампа начинает светиться.

После зажигания лампы приблизительно половина напряжения сети будет падать на дросселе, поэтому напряжения на стартере будет недостаточно для его зажигания, то есть при работающей лампе стартер не загорается. Если лампа не зажглась, зажигание автоматически повторяется.

Таким образом, стартер VL нужен в схеме для замыкания цепи с целью разогрева электродов и последующего разрыва цепи для получения импульса повышенного напряжения.

Дроссель L служит для ограничения тока при разогреве электродов и при работе лампы, для создания импульса повышенного напряжения и для стабилизации работы лампы при изменении напряжения сети.

Конденсатор C1 увеличивает время разрыва цепи и уменьшает искрение контактов стартера, а значит, снижает радиопомехи. Величина емкости конденсатора С1 = 1000...1500 пф.

Конденсатор С2 установлен для компенсации реактивной мощности (cosj увеличивается от 0,5...0,6 до 0,92...0,95). Величина емкости конденсатора зависит от мощности лампы и составляет 3...10 мкФ.

Часто в схеме применяют небольшой величины конденсаторы для защиты электрической сети от высших гармонических составляющих, а также активное сопротивление, предназначенное для разряда емкости С2 после отключения схемы от сети.

Схема питания двух ламп в "расщепленной фазе" представляет собой две описанные выше стартерные схемы, одна из которых включена через фазосдвигающее устройство (емкость, индуктивность).

Имеется также бесстартерная схема "с расщепленной фазой" для включения двух ламп способом "мгновенного зажигания". Образующийся при этом сдвиг на 120° между пульсирующими потоками ламп снижает коэффициент пульсации суммарного излучения более чем в два раза.

Желание исключить из схемы стартер как ненадежный элемент привело к появлению схемы с накальным трансформатором (рис.1.25а). Указанная схема относится к схемам быстрого зажигания люминесцентной лампы. Надежность зажигания в схеме обеспечивается предварительным подогревом электродов, снижающим напряжение зажигания до величины сетевого напряжения, и наличием на колбе лампы металлической полосы. Недостатком таких бесстартерных схем является то, что потери мощности у них выше, чем у стартерных. К тому же после зажигания лампы по нити накала электродов протекает ток подогрева, уменьшающий срок службы лампы.

На рис.1.25б приведена бесстартерная схема мгновенного зажигания лампы с холодными электродами. В схеме используется напряжение 400...600 В. Этого достаточно для зажигания холодной лампы. Часть обмотки автотрансформатора TV с большим внутренним сопротивлением создает напряжение зажигания, а часть TV выполняет роль дросселя. За счет повышенного рассеяния в автотрансформаторе после зажигания разряда на лампе устанавливается рабочее напряжение, равное половине сетевого. Недостатки этой схемы мгновенного зажигания заключаются в значительной потере мощности (до 40% мощности лампы) и в быстром распылении оксидного покрытия электродов.

Рис.1.25. Бесстартерные схемы включения люминесцентных ламп: а) - с накальным трансформатором; б) - схема мгновенного зажигания лампы;

LL – дроссель; ТV - накальный трансформатор в схеме а)

и автотрансформатор в схеме б); EL – лампа

Совокупность всех элементов, обеспечивающих требуемые параметры пускового и рабочего режимов газоразрядной лампы, принято называть пускорегулирующей аппаратурой (ПРА). ПРА подразделяется на стартерную, бесстартерную, токоограничивающую, выполняется в виде отдельных аппаратов или специальных блоков и устройств.

Стартерные ПРА предназначены для ограничения тока при разогреве и работе ламп и генерирования импульса повышенного напряжения. Бесстартерные ПРА быстрого зажигания служат для предварительного разогрева электродов лампы и ограничения её рабочего тока. Бесстартерные ПРА мгновенного зажигания обеспечивают подачу напряжения, достаточного для холодного зажигания лампы и ограничения её тока в рабочем режиме. Токоограничивающие ПРА предназначены для ограничения тока лампы в рабочем режиме.

Принята следующая маркировка ПРА. Первая цифра указывает число ламп, включаемых с аппаратом; следующие за ней три буквы указывают на наличие или отсутствие стартера и характер сдвига фаз (УБ - стартерный, АБ - бесстартерный быстрого зажигания; МБ - то же, мгновенного зажигания; И - индуктивный, Е - емкостный; К - компенсированный); числитель дроби показывает мощность лампы в ваттах, знаменатель - напряжение сети в вольтах; последующими буквами обозначаются конструктивное исполнение (А – антистробоскопический, В - встроенный, Н - независимый) и соответствие нормам по шуму в общественных и жилых помещениях (П – с пониженным уровня шума и др.); последняя цифра обозначает номер разработки. Пример маркировки: 1УБИ-80/220-ВП-06 означает, что пускорегулирующий аппарат работает с одной лампой, стартерный (УБ), имеет индуктивный сдвиг фаз, рассчитан на мощность лампы 80 Вт и напряжение 220 В, встроенный, соответствует нормам по шуму, шестой разработки. Ряд заводов вместо номера разработки приводит номер серии (110, 300, 600 и т.п.) и климатическое исполнение (У - для умеренного климата, ХЛ - для холодного климата) с категорией размещения в помещениях (3,4 и т.д.).