Люминесцентное освещение: принципы работы

Освещение растений видимым ультрафиолетом из люминесцентной лампы

Вот уже много лет подряд человечество использует для освещения домов, улиц, производств и прочих помещений люминесцентные лампы. Причина кроется в том, что, несмотря на дороговизну самих ламп, они облагают большей светоотдачей, чем лампы накаливания, имеющие аналогичную мощность.

Более дешевый свет, со временем вытекает в немалую экономию еще и потому, что средний срок службы таких изделий составляет около 5-ти лет при пределе циклов включений выключений до 2000. Давайте подробнее разберем, что такое люминесцентное освещение, какими преимуществами и недостатками оно обладает.

Содержание

• Сфера применения и особенности люминесцентных ламп
  • Типы ламп и области применения
  • Плюсы и минусы
  • История появления люминесцентных ламп
• Разновидности, принцип функционирования и использование люминесцентных ламп
  • Принцип работы
  • Маркировка люминесцентных ламп
    • Международная система обозначений
    • Отечественная маркировка
  • Подключение в электрическую сеть
    • Электромагнитный балласт
    • Электронный балласт
  • Лампа сломалась
  • Разновидности вариантов исполнения
• Утилизация люминесцентных ламп

Сфера применения и особенности люминесцентных ламп

Компактная энергосберегающая лампа

Люминесцентная лампа является газоразрядным источником света. В них электрический заряд, взаимодействуя с парами ртути, образует ультрафиолетовое излучение, которое при контакте с люминофором преобразуется в свет, видимый для глаза. В качестве люминофора выступают различные смеси, например, галофосфата кальция с прочими элементами.

Типы ламп и области применения

Существует два типа ламп: высокого и низкого давления. Первые применяются в установках освещения большой мощности, а также для уличного освещения. Вторые – используются для освещения производственных и жилых помещений.

Газоразрядная ртутная лампа

ГРЛНД или газоразрядная ртутная лампа низкого давления – это стеклянная колба (трубка) с нанесенным на внутренние стенки слоем люминофора. Изнутри такие лампы заполняются аргоном и ртутью (или амальгамой) под давлением в 400 Па.

Интересно знать! Плазменные панели – это одна из разновидностей люминесцентных ламп!

Люминесцентные лампы в школьном классе

Очень широкое распространение люминесцентные лампы получили в:

• Школах;
• Офисах;
• Больницах и поликлиниках;
• И прочих местах.

С появлением в середине 80-х годов 20-го века компактных цоколей типа Е14 и Е27 под данные лампы, они стали распространяться и в быту, год от года завоевывая все большую популярность.

Интерфейс системы DALI

Использовать люминесцентные лампы лучше всего для освещения помещений с большой площадью. Совместное использование ламп с системами DALI позволяет сократить энергопотрeбление от 50 до 80%, и увеличить срок их эксплуатации.

Разнообразие цветов и тонов зависит от состава люминофора и газа

Широкое применение люминесцентные лампы получили и в световой рекламе, освещении персональных рабочих мест и подсветки фасадов зданий. Используются они и в растениеводстве при организации искусственного освещения в теплицах.

Жидкокристаллический телевизор на люминесцентной подсветке

До массового распространения светодиодов, ЖК-панели всех типов подсвечивались только люминесцентными лампами.

Плюсы и минусы

Думаем, что ни для кого не секрет, что успехом люминесцентные лампы пользуются благодаря своим преимуществам перед конкурентами.

К ним относятся:

• Высокая светоотдача и КПД – к сведению, 20-ти ваттная люминесцентная лампа выдает света, как обычная лампа накаливания в 100Вт.
• Большое разнообразие цветовой палитры свечения – позволяет создавать яркие композиции любой сложности.
• Испускаемый свет является рассеянным.

Люминесцентная лампа работает намного дольше ламп накаливания

• Большой срок службы – лампы премиум класса способны работать, вплоть до 20 000 часов, против 1000 у ламп накаливания. Но справедливости ради стоит отметить, что данный показатель может быть достигнут только при отличном качестве электропитания, и соблюдении максимально возможного количества включений.

Совет! Отсюда можно вывести правило, что люминесцентные лампы – это не лучшее решение для проходимых мест, оснащенных датчиками движения. Также нельзя подключать такое освещение через выключатели со световой диодной индикацией – это вызывает постоянное мерцание лампы (по сути, включение – выключение), приводящее к быстрому выходу из строя.

Пары ртути ядовиты для человека

В последние десять лет люминесцентное освещения стало сдавать свои позиции, уступая более совершенному светодиодному освещению. Данная тенденция наметилась по причине недостатков таких ламп, которые необходимо было устранить.

Вот недостатки люминесцентного освещения:

• Лампы содержат ртуть, вплоть до 1 гр. Это означает высокую химическую опасность при разгерметизации колбы. Люди не всегда отдают себе отчет об опасности ртути, и могут, не задумываясь, разбить такую лампу. Между тем, 1 капля ртути способна отравить прострaнcтво вокруг себя в радиусе нескольких километров.
• Спектр их свечения неравномерный, линейчатый. Это означает, что он неприятен глазу человека и искажает цвета освещаемых им предметов. Существуют лампы и со сплошным освещением, но их свечение не бывает таким ярким, то есть, экономия на электричестве сокращается.
• Со временем КПД люминесцентной лампы падает, в связи с деградацией люминофора – изменяется цветовой спектр, падает светоотдача.
• Еще один недостаток люминесцентного освещения – это мерцание ламп, которое происходит в два раза чаще, чем у питающего его электричества, то есть, в наших сетях оно составит 100 Гц. Проблема решается применением ЭПРА (Электронный пускорегулирующий аппарат), при условии, что его конденсаторы имеют достаточную емкость.

Большое мерцание ламп

• Необходимость наличия пускового механизма для лампы.
• Низкий коэффициент мощности ламп считается неудачной нагрузкой для электрической сети.
• Высокая цена по сравнению с лампами накаливания.

Размер ламп сегодня также играет важную роль. И если это не сильно важно для осветительных приборов в помещении, то для электроники — наоборот.

Переход на светодиоды позволил сделать ЖК-дисплеи очень компактными. У нас появились ультратонкие телевизоры, смартфоны и планшеты с качественными яркими дисплеями, и многое другое.

История появления люминесцентных ламп

Современная люминесцентная лампа

Первопредками современных люминесцентных ламп являются газоразрядные лампы, использовавшиеся еще в 19 веке. Свечение газов под воздействием тока первым в мире наблюдал Михаил Ломоносов – он пропускал электричество через шар заполненный водородом.

• Первой действующей газоразрядной лампой считается изобретение немецкого физика Генриха Гeйслера. В 1856 году он получил синее свечение трубки, заполненной газом.
• В 1891 году система освещения газоразрядными лампами была запатентована Николой Тесла. Его система включала в себя газоразрядные аргоновые трубки, которые он запатентовал незадолго до этого, и источник высокого напряжения с высокой частотой.

Никола Тесла – самый загадочный ученый за всю историю человечества

Аргоновые лампы Тесла применяются и сегодня.

• В 1893 году, в Чикаго, штат Иллинойс, на выставке достижений науки и техники было продемонстрировано люминесцентное свечение. Его представил всем известный Томас Эдисон.
• В 1894 году М.Ф. Мур продемонстрировал лампу на азоте и углекислом газе, которая испускала бледно-розовое свечение.
• В 1901 году Купер Хьюитт создал ртутную лампу, испускавшую сине-зеленый свет, вследствие чего она не нашла применения. Но она была намного эффективнее ламп Эдисона и Гeйслера, и пpaктически уже была аналогом современных приборов.
• В 1926 году было решено увеличить давление внутри колбы, а их внутренние стенки покрывать люминофором, изменяющим ультрафиолетовое излучение в нужный световой спектр. Идея принадлежала Эдмунду Гермеру, ученому, который фактически создал дневное освещение с помощью люминесцентных ламп.

Позже, патент на изобретение выкупила General Electric, основанная Эдисоном. Компания смогла довести лампы до коммерческого производства и использования.

В СССР над разработкой ламп под освещение дневное занимались такие видные деятели, как: В.А. Фабрикант, С.И. Вавилов, В.Л. Левшин, Ф.А. Бутаева, М.А. Константинова-Шлезингер, В.И. Долгополов. Все они были удостоены звания лауреата Сталинской премии второй степени.

Разновидности, принцип функционирования и использование люминесцентных ламп

С поверхностной информацией мы уже ознакомились, а теперь давайте посмотрим глубже на строение ламп. Определим основные их особенности, и озвучим много интересной информации, которая если и не пригодится на пpaктике, но для общего развития будет очень полезна.

Принцип работы

Люминесцентная лампа в разрезе

Представим, что у нас есть лампа, она включена и работает. Благодаря чему возникает свечение? Дело в том, что на противоположных концах трубки есть электроды, между которыми горит дуговой разряд (физическое явление, открытое в 1802 году русским физиком В. Петровым).

Внутренний объем лампы заполнен парами ртути и инертным газом (одноатомные газы без запаха и цвета). При контакте с электричеством создается поток ультрафиолетового нетеплового излучения.

Как уже говорилось, изнутри колба покрыта слоем люминофора, который имеет свойство поглощать ультрафиолет, преобразуя его в видимый свет. Различный состав люминофора позволяет регулировать световой оттенок. В качестве напыления используются ортофосфаты кальция-цинка и галофосфаты кальция. Интенсивность излучения зависит от мощности лампы и качества люминофора.

Электрическая дуга Петрова, которая по ошибке приписывается к открытиям Николы Тесла

Поддерживается дуговой разряд благодаря термоэлектронной эмиссии заряженных электронов с поверхности катода (выбивание электронов из металлов при воздействии высоких температур). Поэтому, чтобы лампа стартовала, катоды нужно разогреть.

Здесь типы ламп начинают различаться:

1. Первые – это модели с горячим запуском (лампы ЛД и ДРЛ). В них катоды прогреваются проходящим по ним током. Данные лампы имеют заметный глазу замедленный старт (0,5 – 1 сек), что раздражает многих пользователей. Но стоит отметить, что такие лампы служат намного дольше.
2. Вторые – лампы с «холодным» запуском. В них катоды разогреваются с помощью ионной бомбардировки, которая происходит в тлеющем разряде высокого напряжения. Такие лампы включаются пpaктически мгновенно, но срок их службы от этого сокращается.

Для запусков ламп применяют пусковые устройства с электромагнитным и электронным балластом, но про них мы поговорим немного позднее.

Маркировка люминесцентных ламп

Цветовая температура освещения

В зависимости от того насколько ярким является освещение, человеческое восприятие цвета сильно изменяется, Так, например, синий цвет заметен нами лучше при слабом освещении, а красный цвет становится при этом менее заметным. В результате дневной свет при низкой интенсивности кажется синеватым.

Из-за этих особенностей нашего зрения разработаны нормы для освещенности различных помещений: для дома достаточно 75 люкс (единица измерения силы света, согласно СИ) в пределах одной комнаты, а для производственных помещений это значение составляет 400 люкс.

1. В первом случае наиболее естественным выглядит освещение с цветовой температурой в 3000К.
2. Во втором – 4000-6000К, так как предыдущий вариант уже будет казаться желтым.

Чтобы не запутаться в этих параметрах производители маркируют совою продукцию. Маркировка может быть международной или внутригосударственной.

Международная система обозначений

Международная включает в себя трехчисловое значение, правильно расшифровав которое, можно определить параметры лампы.

Пример применения международной маркировки на люминесцентных лампах

1. Первая цифра в коде – это индекс цветопередачи. Данное число умножается на 10 Ra (своеобразный показатель уровня цветности). Чем выше получаемое значение, тем более точной считается цветопередача. Компактные лампы для дома обычно имеют данный показатель в 60-98 Ra.
2. Оставшиеся две цифры обозначают цветовую температуру испускаемого лампой свечения.

То есть, маркировка на упаковке 930 говорит о том, что лампа имеет индекс цветопередачи равный 90 Ra и цветовую температуру в 3000 Кельвин.

Помимо указанной маркировки, согласно DIN 5035 (Немецкий аналог ГОСТа), диапазон цветопередачи от20 до 100 Ra делится на 6 частей. Вдаваться в подробности не станем, но если кому-то хочется просветиться, то просим прогуляться по просторам интернета.

Отечественная маркировка

Внутренняя Российская маркировка сильно отличается от вышеописанной. Регламентируется она ГОСТ 6825-91 (МЭК 81-84) и прочими нормативными документами.

Российская маркировка люминесцентных ламп

Согласно данной маркировке различают следующие типы ламп:

Маркировка	Описание	Температура в К	Международный аналог
ЛБ	Белый свет. Для них хаpaктерны высокая светоотдача и низкокачественная передача цвета. Используются, прежде всего, в административных и производственных помещениях.	3500	635
ЛД	Дневной свет. Имеет легкий гoлyбоватый оттенок. Цветопередача приемлемая, в сочетании с высокой светоотдачей.	6500	765
ЛХБ	Холодный белый свет. Оттенок чем-то напоминает солнечный. Цветопередача находится на низком уровне. Как и предыдущие варианты подходит для производств с низкими требованиями к цветопередаче.	4000	640
ЛТБ	Теплый белый свет. Белое свечение имеет слегка розоватый оттенок. Применяется в местах общепита и продуктовых магазинах	3000	530 — 630
ЛЕ	Естественный свет. Белый свет не имеет оттенков. Для него хаpaктерна высокая светоотдача.	4000	740
ЛХЕ	Естественный холодный свет. Аналогичен предыдущему, но имеет более холодный оттенок.	6000	760

В таблице мы перечислили основные типы ламп и их маркировку. Помимо этого маркировка может дополняться буквой «Ц», что означает улучшенную цветопередачу, или «ЦЦ» — высококачественную цветопередачу.

То есть, маркировка ЛДЦЦ будет означать дневной свет с высокой передачей цветности. Такие лампы используют в музеях и на выставках, чтобы не искажать восприятие стараний художников.

На фото — лампа специального назначения

Помимо названных вариантов, существует еще множество ламп, имеющих специфическое назначение. Данные модели тоже имеют свою маркировку.

• ЛЗ, ЛГ, ЛК, ЛР, ЛГР, ЛЖ – все это лампы цветного свечения (р — розовый, к – красный, ж – желтый, гр – лиловый, з –зеленый, г – гoлyбой);
• ЛУФ – ультрафиолетовые лампы;
• ДБ – ультрафиолетовое свечение типа «С»;
• ЛСР – рефлекторные лампы синего света.

Для более подробного ознакомления с маркировкой обращайтесь к ГОСТу.

Подключение в электрическую сеть

Пусковой регулирующий аппарат

Существенным недостатком люминесцентных ламп является то, что они не могут быть включены в сеть напрямую, и причины для этого две.

1. После возникновения в лампе разряда она приобретает отрицательное дифференциальное сопротивление, из-за чего может произойти короткое замыкание, если конечно в цепь не включить сопротивление.
2. В выключенном состоянии люминесцентная лампа обладает высоким сопротивлением, поэтому для образования электрической дуги ей требуется импульс высокого напряжения.

Для решения описанных проблем применяют пусковые устройства Наибольшее распространение получили вариации ЭмПРА и ЭПРА.

Электромагнитный балласт

Электромагнитный пусковой регулирующий аппарат

Электромагнитный балласт или ЭмПРА – это дроссель, который обладает индуктивным сопротивлением нужной величины и подключается параллельно с лампой. Имеет стартер из конденсатора и неновой лампочки. Суть данного аппарата состоит в том, что при включении он формирует импульс до 1 кВ за счет самоиндукции, при этом он ограничивает протекающий через него ток благодаря своему сопротивлению.

К достоинствам схемы можно отнести надежность, долговечность и простоту исполнения. Недостатков у нее гораздо больше:

• Длительный старт – вплоть до 3-х секунд;
• Большое потрeбление дросселем энергии;
• Меньший коэффициент мощности;
• Наличие низкочастотного гудения при дросселях плохого качества;
• Удвоенное мерцание лампы;
• Большие габариты конструкции;
• Если температура воздуха вокруг лампы ниже нуля, то старта лампы может вовсе и не произойти.

Электронный балласт

Электронный пусковой регулирующий механизм

Электронный балласт (ЭПРА) питает лампы током с высокочастотным напряжением от 25 до 133 кГц, благодаря чему мерцание таких ламп совершенно незаметно человеческому глазу. Различают множество моделей ЭПРА, которые могут использоваться как для горячего, так и для холодного запуска.

Разница с ЭмПРА заключается в том, что ЭПРА не имеет стартера (неоновой лампы с конденсатором), а нужные напряжения он способен формировать сам. Чаще, электронный балласт разогревает катоды до нужной температуры напряжением, чтобы лампа стартовала.

В зависимости от модели, ЭПРА могут разжигать лампу плавно, постепенно увеличивая свечение, или делать это мгновенно.

«Холодный» запуск осуществляется за счет того, что цепь, в которую подключена лампа, по сути, является колебательным контуром, параметры которого подобраны так, что при отсутствии разряда возникает явление электрического резонанса в контуре. Подобный метод очень популярен среди радиолюбителей, так как позволяет запускать даже лампы с прогоревшими катодами.

Лампа сломалась

Лампа стала светить с пропусками или погасла вовсе

Почему выходит из строя люминесцентная лампа? Если лампу вы не разбили, то причина, скорее всего, кроется в следующем. Зажигательные электроды конструкции сделаны из вольфрама, покрытого пастой из щелочноземельных металлов, которая во время работы понемногу осыпается с катодов.

Особенно интенсивно данный процесс происходит при запуске лампы из-за того, что разряд начинает гореть не по всей площади, а лишь на определенном участке поверхности, вызывая локальные перепады температур. Отсюда и образуется потемнение колбы по краям, которое становится более заметным к концу срока ее службы.

Вывод! Продолжительность эксплуатации лампы напрямую зависит от качества электродов, установленных в ней.

Лампы на ЭмПРА и ЭПРА перегорают по-разному:

• В первом случае, при выгорании одного из электродов, напряжение на лампе возрастает до величины разряда в стартере. Из-за этого он начинает постоянно сpaбатывать и возникает всем известное мигание изношенных ламп.
• При постоянном сpaбатывании стартера электроды начинают перегреваться, в результате один из них, спустя пару дней, перегорает. При этом очень часто сгорает и сам стартер, требуя замены вместе с лампой.
• Лампа может выходить из строя и по причине неисправности дросселя и стартера. В первом случае ток, протекающий через лампу, сильно возрастает, из-за чего электроды плавятся, а лампа моментально перегорает. Во втором – лампа шунтируется по цепи стартера, из-за чего начинают работать только нити накала лампы. В таком режиме работы они изнашиваются во много раз быстрее.
• В ЭПРА, после перегорания нитей накала и повышения напряжения — если отсутствует система защиты (балласты низкого качества) – возрастает ток, приводящий к перегоранию транзисторов балласта.
• Некачественные ЭПРА могут также стать причиной поломки, так как конденсатор на выходе, по мере старения лампы, может пробить, что также вызовет перегорание транзисторов.

Мигание в ЭПРА при выходе лампы из строя отсутствует – она просто гаснет. Установить причину поломки можно обычным мультиметром, проверив нити накала на сопротивление.

Разновидности вариантов исполнения

Разновидности люминесцентных ламп

Всего различаю два вида люминесцентных ламп: линейные и компактные.

Линейная люминесцентная лампа

• Первый вариант представляет собой ртутную лампу низкого давления, U-образной или кольцевой формы. Согласно ГОСТ 6825-91 их еще называют трубчатыми, хотя данное определение сегодня считается устаревшим.
• По сути, это стеклянная трубка с двумя цоколями по краям, в которых вмонтированы ножки электродов. Сама трубка герметически запаяна, чтобы удерживать внутри инертный газ (Ne, Kr, Ar) и пары ртути.
• Данные лампы различаются по длине, форме и толщине трубки.

Компактные люминесцентные лампы

Второй вариант имеет изогнутую трубку, которая может дополнительно закрываться округлыми колбами. Основное различие между ними кроется в типе используемого цоколя: 2D, G23, G27, G24 (с модификациями …Q1, Q1, Q3), G53. Из-за этого может разниться инструкция по монтажу ламп – изучайте прилагаемые к устройству аннотации.

Также выпускаются и стандартные варианты цоколей, которые мы очень часто вкручивает своими руками:

Маленький цоколь

• Е14 – самый маленький цоколь;

Цоколь Е27

• Е27 – стандартный цоколь, как на большинстве ламп накаливания;

Цоколь Е40

• Е40 – большой цоколь для уличных фонарей.

Такая универсальность способствовала быстрому распространению энергосберегающих люминесцентных ламп.

Утилизация люминесцентных ламп

Ну, и напоследок, давайте поговорим немного про безопасность использования героя нашего обзора. Как известно, ртуть является ядовитым веществом первого класса опасности. Применение в электротехнике и утилизацию таких веществ регламентирует RoHS – свод законов принятых на всей территории Европы.

Согласно этим документам, пользователи, утилизирующие отходы с содержанием ртути, обязаны сдавать их в специализированные пункты приема. В нашей стране утилизацией должны заниматься ЖЭКи и индивидуальные предприниматели, получившие на это соответствующее разрешение.

Если в подобной конторе отказываются принять лампу, то вы можете пожаловаться в управление или мэрию, а лампу отнести в пункт приема магазина «IKEA», которые принимают любые лампы, и не важно, каким производителем они сделаны.

В России с 3 сентября 2010 года действует Постановление Правительства РФ № 681, регламентирующее не только процедуру утилизации подобных изделий, но и содержащее перечень мер по очистке и дезинфекции помещений, зараженных парами ртути.

Постановление правительства РФ об обращении с опасными веществами

На этом закончим наш экскурс в мир, где царит освещение люминесцентное. Мы затронули большую часть вопросов связанных с данными источниками света, но если что-то осталось для вас не совсем понятным, то посмотрите предлагаемое нами видео, где можно увидеть много интересного.