Люминесцентные лампы

Первые образцы люминесцентных ламп современного типа были показаны американской фирмой General Electric на Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1938 году. За 70 лет существования они прочно вошли в нашу жизнь, и сейчас уже трудно представить какой-нибудь крупный магазин или офис без светильников с люминесцентными лампами. Сейчас, люминесцентные лампы – второй в мире по распространенности источник света, а в Японии (в последние годы и в Китае) они занимают даже первое место, обогнав лампы накаливания. Ежегодно в мире производится более двух миллиардов люминесцентных ламп.

Люминесцентная лампа – типичный разрядный источник света низкого давления, в котором разряд происходит в смеси паров ртути и инертного газа, чаще всего – аргона. Устройство лампы показано на рисунке. Колба лампы – это всегда цилиндр 1 из стекла с наружным диаметром 38, 26, 16 или 12 мм. Цилиндр может быть прямым или изогнутым в виде кольца, буквы U или более сложной фигуры. В торцевые концы цилиндра герметично впаяны стеклянные ножки 2, на которых с внутренней стороны смонтированы электроды 3. Электроды по конструкции подобны биспиральному телу накала ламп накаливания и также делаются из вольфрамовой проволоки. В некоторых типах ламп электроды сделаны в виде триспирали, то есть спирали из биспирали. С наружной стороны электроды подпаяны к штырькам 4 цоколя 5. В прямых лампах используется только два типа цоколей – G5 и G13 (цифры 5 и 13 указывают расстояние между штырьками в мм).

Из колб люминесцентных ламп воздух тщательно откачивается через штенгель 6, впаянный в одну из ножек. После откачки объем колбы заполняется инертным газом 7 и в него вводится ртуть в виде небольшой капли 8 (масса ртути в одной лампе не более 30 мг) или в виде так называемой амальгамы, то есть  сплава ртути с висмутом, индием и другими металлами. На биспиральные или триспиральные электроды ламп всегда наносится слой активирующего вещества – обычно смесь окислов бария, стронция, кальция, иногда с небольшой добавкой тория.

Если к лампе приложено напряжение большее, чем напряжение зажигания, то в ней между электродами возникает электрический разряд, ток которого обязательно ограничивается какими-либо внешними элементами. Хотя колба наполнена инертным газом, в ней всегда присутствуют пары ртути, количество (парциальное давление) которых определяется температурой самой холодной точки колбы. Разряд возникает в инертном газе, но поскольку атомы ртути возбуждаются и ионизируются гораздо легче, чем атомы газа, ток через лампу и ее свечение определяются преимущественно ртутью.

В ртутных разрядах низкого давления доля видимого излучения не превышает 2% от мощности разряда, а световая отдача ртутного разряда – всего 5–7 лм/Вт. Но более половины мощности, выделяемой в разряде, превращается в невидимое ультрафиолетовое излучение с длинами волн 254 и 185 нм. При этом, чем короче длина волны излучения, тем большей энергией обладают кванты этого излучения. С помощью специальных веществ, называемых люминофорами, можно превратить одно излучение в другое, причем, по закону сохранения энергии, «новое» излучение может быть только «менее энергичным», чем первичное, то есть его длина волны больше длины волны первичного излучения. Поэтому ультрафиолетовое излучение с помощью люминофоров можно превратить в видимое, а видимое  в ультрафиолетовое – нельзя.

Вся цилиндрическая часть колбы с внутренней стороны покрыта тонким слоем именно такого люминофора 9, который и превращает ультрафиолетовое излучение атомов ртути в видимое. В большинстве современных люминесцентных ламп в качестве люминофора используется галофосфат кальция с добавками сурьмы и марганца (как говорят специалисты, «активированный сурьмой и марганцем»). При облучении такого люминофора ультрафиолетовым излучением он начинает светиться белым светом разных оттенков. Спектр излучения люминофора – сплошной с двумя максимумами – около 480 и 580 нм (рис16). Первый максимум определяется наличием сурьмы, второй – марганца. Меняя соотношение этих веществ (активаторов), можно получить белый свет разных цветовых оттенков – от теплого до дневного. Так как люминофоры превращают в видимый свет более половины мощности разряда, то именно их свечение определяет светотехнические параметры ламп.

В 70-е годы минувшего века начали делать лампы не с одним люминофором, а с тремя, имеющими максимумы излучения в синей, зеленой и красной областях спектра (450, 540 и 610 нм). Эти люминофоры были созданы первоначально для кинескопов цветного телевидения, где с их помощью удалось получить вполне приемлемое воспроизведение цветов. Комбинация трех люминофоров позволила и в лампах добиться значительно лучшей цветопередачи, чем при использовании галофосфата кальция, при одновременном увеличении световой отдачи. Однако новые люминофоры гораздо дороже старых, так как в них используются соединения редкоземельных элементов – европия, церия и тербия. Поэтому в большинстве люминесцентных ламп попрежнему применяются люминофоры на основе галофосфата кальция.

Электроды в люминесцентных лампах выполняют функции источников и приемников электронов и ионов, за счет которых и протекает электрический ток через разрядный промежуток. Для того чтобы электроны начали переходить с электродов в разрядный промежуток (как говорят, для начала термоэмиссии электронов), электроды должны быть нагреты до температуры 1100–1200 °С. При такой температуре вольфрам светится очень слабым вишневым цветом, испарение его очень мало. Но для увеличения количества вылетающих электронов на электроды наносится слой активирующего вещества, которое значительно менее термостойко, чем вольфрам, и при работе этот слой постепенно распыляется с электродов и оседает на стенках колбы. Обычно именно процесс распыления активирующего покрытия электродов определяет срок службы ламп.

Для достижения наибольшей эффективности разряда, то есть для наибольшего выхода ультрафиолетового излучения ртути, необходимо поддерживать определенную температуру колбы или хотя бы отдельной точки ее (так называемой холодной точки). Оптимальной является температура около 40 °С. Диаметр колбы выбирается именно из этого требования. Во всех лампах обеспечивается примерно одинаковая плотность тока – величина тока, деленная на площадь сечении колбы. Поэтому лампы разной мощности в колбах одного диаметра, как правило, работают при равных номинальных токах. Падение напряжения на лампе прямо пропорционально ее длине. А так как мощность равна произведению тока на напряжение, то при одинаковом диаметре колб и мощность ламп прямо пропорциональна их длине. У самых массовых ламп мощностью 36 (40) Вт длина равна 1210 мм, у ламп мощностью 18 (20) Вт – 604 мм, у ламп мощностью 58 Вт – 1514 мм.

В середине 90-х годов на мировом рынке появилось новое поколение люминесцентных ламп, в рекламной литературе называемое «серией Т5» (в Германии и других немецкоязычных странах более правильно – Т16). У этих ламп наружный диаметр колбы уменьшен до 16 мм (или 5/8 дюйма, отсюда и название Т5). По принципу работы они так-же не отличаются от обычных линейных ламп. В конструкцию ламп внесено одно очень важное изменение – люминофор с внутренней стороны покрыт тонкой защитной пленкой, прозрачной и для ультрафиолетового, и для видимого излучения. Пленка защищает люминофор от попадания на него частиц ртути, активирующего покрытия и вольфрама с электродов, благодаря чему исключается «отравление» люминофора, и обеспечивается высокая стабильность светового потока в течение срока службы.

Изменены также состав наполняющего газа и конструкция электродов, что сделало невозможной работу таких ламп в старых схемах включения. Электроды помещаются внутри небольших колпачков с отверстиями, препятствующих прямому попаданию молекул активирующего покрытия и атомов вольфрама с электродов на стенки. Кроме того, – впервые с 1938 года – изменены длины ламп таким образом, чтобы размеры светильников с ними соответствовали размерам стандартных модулей очень модных сейчас подвесных потолков. Длина заэлектродных участков в лампах подобрана так, чтобы оптимальная температура «холодной точки» (примерно 42–45 °С) создавалась при температуре окружающего воздуха не + 25 °С, как в старых лампах, а + 35 °С. Это оптимизирует работу ламп в светильниках.

Люминесцентные лампы, особенно последнего поколения в колбах диаметром 16 мм, значительно превосходят лампы накаливания по световой отдаче и сроку службы. Достигнутые сегодня значения этих параметров равны 115 лм/Вт и 75 000 часов.

Однако люминесцентные лампы имеют и множество недостатков, которые необходимо знать и учитывать при выборе источников света.

1. Большие габариты ламп часто не позволяют перераспределять световой поток нужным образом.
2. В отличие от ламп накаливания, световой поток люминесцентных ламп сильно зависит от окружающей температуры.
3. В лампах содержится экологически опасная ртуть.
4. Световой поток ламп устанавливается не сразу после включения, а спустя некоторое время, зависящее от конструкции светильника, окружающей температуры и самих ламп. У некоторых типов ламп, в которые ртуть вводится в виде амальгамы, это время может достигать 10–15 минут.
5. Глубина пульсаций светового потока при включении ламп в стандартных стартерно-дроссельных схемах значительно выше, чем у ламп накаливания; особенно это проявляется в лампах с редкоземельными люминофорами. Это затрудняет использование ламп во многих производственных помещениях и, кроме того, отрицательно сказывается на самочувствии людей, работающихпри таком освещении.
6. Яркость люминесцентных ламп на порядки ниже, чем яркость тела накала ламп накаливания. Поэтому принципиально невозможно создание осветительных приборов с такими лампами с большой силой света. Это обстоятельство препятствует применению люминесцентных ламп для освещения высоких помещений.
7. Как было сказано выше, люминесцентные лампы, как и все разрядные приборы, для включения в сеть требуют использования дополнительных устройств.

Зависимость световой отдачи люминесцентных ламп от температуры препятствует их использованию в наружном освещении и при освещении холодных помещений, так как при нулевой температуре окружающего воздуха световой поток открытых ламп в колбах диаметром 26 мм составляет всего 20%, а «тонких» ламп (Т5) – даже 10% от номинального. При температурах ниже –15 °С лампы в стандартных схемах включения большей частью вообще перестают зажигаться. Чтобы обеспечить более широкий диапазон рабочих температур, лампы делают в двойной колбе, то есть помещают лампу в герметичную наружную колбу большего диаметра и в промежутке между колбами создают глубокий вакуум. Лампа оказывается как бы помещенной в термос. Поскольку такие лампы очень дороги, фирмы-изготовители применяют в них все конструкторско-технологические решения для увеличения срока службы. Так, срок службы некоторых ламп в двойных колбах при включении с электронными аппаратами достигает 50 000 часов.

Классификация и обозначение люминесцентных ламп

Линейные лампы массового применения выпускаются в колбах диаметром 38, 26 и 16 мм (иностранное обозначение – Т12, Т8 и Т5, то есть 12/8, 8/8 и 5/8 дюйма). Немецкая фирма Osram делает еще лампы Т2 диаметром около 7 мм, но эти лампы применяются пока только в сканерах и другой репрографической аппаратуре и изредка в светильниках местного освещения. В последние годы за рубежом выпуск ламп в колбах диаметром 38 мм практически прекращен. Стандартный ряд мощностей линейных ламп не велик: 4, 6, 8, 13, 15, 18, 20, 30, 36, 40, 58, 65 и 80 Вт. В абсолютном большинстве современных светильников используются лампы только трех номиналов мощности: 18, 36 и 58 Вт. В России еще продолжается выпуск ламп мощностью 20, 40, 65 и 80 Вт в колбах диаметром 38 мм. Как уже было сказано, лампы разной мощности различаются длиной колб – от 136 до 1514 мм (с цоколями).

В отличие от ламп накаливания, на люминесцентных лампах никогда не указывается напряжение, на которое они должны включаться, так как в зависимости от применяемой схемы включения одна и та же лампа может работать при самых разных напряжениях – как по величине (от нескольких вольт до сотен вольт), так и по роду тока (переменный или постоянный).

Лампы каждой мощности выпускаются с различной цветностью излучения. В России по ГОСТ 6825 установлено пять цветностей белого света: тепло-белый, белый, естественный, холодно-белый и дневной, обозначаемые буквами ТБ, Б, Е, ХБ и Д. Кроме белых ламп разной цветности, производятся цветные люминесцентные лампы – красные, желтые, зеленые, голубые и синие (К, Ж, З, Г и С).

Цветность белого излучения ламп приблизительно может быть охарактеризована цветовой температурой Тцв Тепло-белой цветности соответствует Тцв = 2700–3000 К; белой – Тцв = 3500 К; холодно-белой – Тцв = 4200 К; естественной – Тцв = 5000 К; дневной – Тцв = 6000–6500 К.

В маркировке ламп зарубежного производства какого-либо единства нет, каждая фирма маркирует посвоему. Так, Philips все линейные лампы обозначает TL-D, Osram – Lumilux, General Electric – F. После этих букв указывается мощность ламп (18W, 36W, 58W).

По ГОСТ 6825 в маркировке ламп не предусмотрено указание индекса цветопередачи. В отличие от этого, в маркировке всех зарубежных ламп с хорошей и отличной цветопередачей после мощности (через дробь) ставится цифра, характеризующая общий индекс цветопередачи Rа. Если Rа ≥ 90, то пишется цифра 9, при 80 ≤ Ra ≤90 – цифра 8*. У ламп с удовлетворительной цветопередачей (Rа = 50–70) в маркировке ставится двузначное число, обозначающее код цветности. В таблице 17 дана расшифровка цифровых обозначений цветовой температуры и общего индекса цветопередачи люминесцентных ламп российских заводов и ведущих зарубежных фирм – Philips и Osram. Ведущие зарубежные фирмы часто используют в названиях ламп слова, носящие явно рекламный характер: De Lux, Super, Super de Lux и т. п.

Учитывая, что большой разнобой в обозначении ламп часто вводит потребителей в заблуждение, Международная комиссия по освещению (МКО) разработала и рекомендовала всем странам для использования единую универсальную систему обозначений источников света – ILCOS. В соответствии с этой системой, все линейные люминесцентные лампы, в том числе и серии Т5, обозначаются буквами FD, кольцевые – FC, далее указывается мощность ламп, общий индекс цветопередачи и цветовая температура.

Серия ламп Т5 с диаметром колбы 16 мм выпускается в двух вариантах – «лампы с максимальной световой отдачей» (фирменное обозначение у Osram – FH , у Philips – HE) и «лампы с максимальным световым потоком» (соответственно FQ и HO). Оба варианта содержат по четыре номинала мощности: первый – 14, 21, 28 и 35 Вт, второй – 24, 39, 54 и 80 Вт. В лампах мощностью 28 и 35 Вт достигнута рекордная для люминесцентных ламп световая отдача – 115 лм/Вт. Все лампы серии Т5 могут работать только с электронными аппаратами включения. Лампы в колбах диаметром 26 и 38 мм (Т8 и Т12) снабжены цоколями G13, диаметром 16 мм – G5.