Исследование режимов работы люминесцентных ламп низкого давления

Содержание работы

1. Изучить устройство люминесцентных ламп, принцип работы и схемы их включения.

2. Исследовать зависимости электрических и светотехнических параметров люминесцентных ламп от уровня подводимого напряжения.

3. Исследовать работу люминесцентных ламп при различных видах балластных устройств (электромагнитным и электронным ПРА, по возможности с активным и емкостным балластами) согласно пункту 2.

4. Снять осциллограммы тока и напряжения при различных видах балластных устройств, сделать анализ.

5. Определить координаты цвета, цветности и коррелированную цветовую температуру исследуемых источников излучения.

Общие сведения

Люминесцентные трубчатые лампы (ЛЛ) являются наиболее распространенными и достаточно экономичными источниками света.

Это объясняется их следующими достоинствами:

а) высокой световой отдачей 80-85 лм/вт;

б) высоким сроком службы (до 15-20 тыс. часов);

в) низкой яркостью и температурой поверхности колбы;

г) возможностью получения любого спектра излучения, что позволяет разрабатывать лампы, обеспечивающие высокое качество цветопередачи.

В то же время ЛЛ малопригодны для наружного освещения и освещения высоких помещений, что обусловлено малой мощностью (общего назначения от 8 до 80 Вт) и сравнительно большими размерами обычных ЛЛ, а также ненадежной работой при низких температурах окружающей среды. Следует отметить, что выпускаются специальные люминесцентные лампы, которые устойчиво работают как при низких, так и при высоких температурах, в диапазоне от -15 до 50 ⁰С (максимальная световая отдача при 35 ⁰С). Некоторые типы ламп быстрого включения с наружным силиконовым покрытием имеют внешнюю полоску зажигания, подключенную к одному из электродов через высокоомное сопротивление. Другие типы ламп быстрого включения имеют внутреннюю полоску зажигания. Такие типы ЛЛ могут использоваться в системах без стартеров.

По назначению и конструктивному исполнению люминесцентные лампы подразделяются на 2 класса: лампы общего назначения и специальные.

Люминесцентная лампа общего назначения представляет собой длинную трубку 1 (рис. 2.12), внутренние стенки которой покрыты слоем люминофора – твердого кристаллического порошкообразного вещества.

Рисунок 2.12 - Конструкция люминесцентной лампы

Оба конца трубки герметично закрыты заваренными в них стеклянными ножками 2, на концах которых смонтированы электроды 3. Электроды выполнены в виде вольфрамовых триспиралей (реже биспиралей), покрытых оксидным слоем, уменьшающим работу выхода электронов и обеспечивающим большую эмиссию электронов, чем чистая поверхность вольфрама. Внешняя поверхность оксидного слоя имеет форму моноспирали.

На концах заваренных ламп закреплены цоколи 4 со штырьками 5, к которым припаиваются выводы из медной проволоки. Для того чтобы штырьки были изолированы друг от друга, их крепят в гетинаксовых прокладках 6, заштампованных в донышках цоколей.

В трубку вводится дозированное количество ртути (20…30 мг) и инертный газ. В обычных лампах используется аргон при давлении 330…400 Па (2,5 … 3 мм. рт.ст.), в энергетически экономичных ЛЛ (мощностью 18,36 и 58 Вт) – смесь криптона (70-90 %) с аргоном при давлении 200…300 Па [555].

Введение инертного газа облегчает зажигание ламп, уменьшает распыление оксидного вещества электродов и увеличивает резонансное излучение ртути.

В процессе электрического разряда в парах ртути при низком давлении генерируется в основном УФ излучения, которое в слое люминофора преобразуется в видимое излучение. Непосредственно за счет разряда в парах ртути образуется только 7…13 % светового потока лампы.

Излучение люминесцентной лампы имеет смешанный спектр, состоящий из сплошного спектра излучения люминофора и линий ртутного разряда.

Цветность ЛЛ определяется в основном составом люминофора. Существует большое количество рецептов люминофоров, позволяющих получить любые оттенки цвета излучения ламп [555 ].

Галофосфаты входят в наиболее часто используемые люминофоры, но до настоящего времени продолжаются поиски более эффективных фосфоров. В таблице 2.6 приведены некоторые виды люминофоров применяемых в люминесцентных лампах.

Таблица 2.6 – Люминофоры для люминесцентных ламп

Люминофор	λ макс, нм	Люминофор	λ макс, нм
Вольфрамат кальция		Силикат кальция
Вольфрамат магния		Борат кадмия
Силикат цинка		Фосфат кальция и стронция
Галофосфат кальция		Арсенат магния

В последнее время разработаны люминесцентные материалы на основе редкоземельных соединений, что позволяет улучшить цветность излучения люминесцентных ламп.

Наибольшее распространение получили люминесцентные лампы семи спектральных типов:

ЛБ – белого цвета, соответствующего по цветности излучения прямому солнечному свету;

ЛТБ – тепло-белого цвета;

ЛТБЦ – то же, но с улучшенной цветопередачей (по цветности излучения близки к лампам накаливания;

ЛЕЦ – естественного света с улучшенной цветопередачей;

ЛХБ – холодно- белого света, соответствующие цветности неба, покрытого тонким слоем белых облаков;

ЛД – дневного света, соответствующие цветности рассеянного солнечного света;

ЛДЦ – то же, но с улучшенной цветопередачей.

По аналогии с указанными спектральными типами, в частности зарубежными производителями, используется маркировка мощности и цветового кода, например: 32W/830. что соответствует тепло-белому цвету. В связи с использованием высокоэффективных люминофоров, в комбинации со специальным предварительным покрытием, значительно улучшилось качество видимого излучения и индекс цветопередачи (CRI, R_a ≥80). Цветность излучения, любых источников видимого излучения определяется их цветовой температурой (К). Например, источники с цветовой температурой более 5300 К относятся к источникам дневного света (по классификации ЛЛ). К группе нейтрально белого цветового оттенка относятся источники с цветовой температурой 5300 – 3300 К. Люминесцентные лампы теплых оттенков и лампы накаливания относятся к группе ламп тепло белого оттенка, цветовая температура менее 3300К.

Лампы с цветовой температурой 6000 – 7000К относятся к источникам дневного света (рис.2.13).

Рисунок 2.13 – Цветовые оттенки и цветовая температура

Характеристикой цветовой передачи источников света служит индекс цветопередачи (R_a), выраженный в количественных показателях, основанный на тестировании восьми цветов. Максимально возможное (теоретическое) значение данного показателя равняется 100. Чем ниже индекс цветопередачи источника света, тем хуже осуществляется передача оттенков цвета. Согласно принятого ЕС документа DIN 5035 различается шесть уровней цветопередачи (рис.2.14).

Источники света уровня 1А применяются в осветительных установках, где точность цветопередачи является определяющей (в полиграфии, фотографии, телевидении, музеях, магазинах одежды и т.п.).

Для уровня 1В могут использоваться трехкомпонентные люминесцентные лампы в осветительных установках административных зданий, образовательных учреждений, промышленных и спортивных объектов. Источники группы 2А также имеют хорошие характеристики и могут использоваться в некоторых вышеперечисленных объектах.

Источники света третьей группы могут использоваться в тяжелой промышленности, где качество цветопередачи не так важно.

Рисунок 2.14 – Индекс цветопередачи и уровни использования

Лампы с уровнем цветопередачи 4 не рекомендуются к использованию внутри помещений (за исключением особых случаев). Указанные требования предусмотрены стандартом DIN EN 12464 – 1 [PHILIPS].

Значительное внимание уделяется механической прочности ЛЛ. Выпускаются лампы, имеющие специальное тефлоновое покрытие (Secura на основе FEP), с целью исключения попадания компонентов лампы во внешнюю среду, в случае ее повреждения. Защитное покрытие рассчитано на высокие температуры (до 200 ⁰С) и сохраняет свои свойства, несмотря на температуру и УФ – излучение. Рекомендуются для применения в больницах, аптеках, стерильных помещениях, объектах связанных с приготовлением пищи и др. Для аудита и инвентаризации таких источников света на цоколе указывается синее кольцо.

Трубчатые люминесцентные лампы могут изготавливаться с диаметрами колб: Т12 – 38мм; Т8 – 26мм; Т5 – 16мм.

Люминесцентная лампа имеет падающую вольтамперную характеристику. Поэтому она включает в сеть только последовательно с балластным сопротивлением. При частоте 50 Гц в качестве балласта можно применить дроссель либо последовательно соединенные дроссель и конденсатор.

В настоящее время преобладающими являются стартерные схемы включения люминесцентных ламп. Рассмотрим работу простейшей схемы, изображенной на рис. 2.15.

При подаче напряжения на схему к стартеру и одновременно к лампе оказывается приложенным напряжение сети, которое ниже напряжения зажигания лампы с непрогретыми электродами, но достаточно для образования тлеющего разряда между электродами стартера, представляющего собой небольшую лампу тлеющего разряда, один или оба электрода которой выполнены в виде изогнутой биметаллической пластинки.

Рисунок 2.15 - Схема включения люминесцентной лампы в сеть: EL –люминесцентная лампа; SV – стартер; LL – дроссель; С1,С2 - конденсаторы.

Ток тлеющего разряда стартера (20…50 мА) не может заметно нагреть электроды лампы, но тепло, образуемое в самом стартере, разогревает его электроды и вызывает их замыкание (вследствие распрямления биметалла).

Пока контакты стартеры замкнуты, в цепи протекает пусковой ток, величина которого определяется отношением напряжения сети к сопротивлению дросселя и электродов лампы. Дроссель, представляющий собой индуктивную катушку на стальном сердечнике, рассчитан таким образом, чтобы пусковой ток превышал рабочий ток лампы на 20-80 % , что достаточно для разогрева электродов лампы до температуры, близкой к температуре термоэлектронной эмиссии (около 900°С).

Одновременно происходит остывание электродов стартера, вследствие чего по истечении 0,3…0,6 секунд они размыкаются. Происходит резкое уменьшение тока. Благодаря наличию в цепи индуктивности (дросселя) возникает импульс напряжения, который и зажигает лампу. Если электроды лампы оказались недостаточно прогретыми, весь процесс повторяется.

После зажигания люминесцентной лампы стартер не должен срабатывать, так как в результате падения напряжения в дросселе напряжения на зажимах стартера становится недостаточным для возникновения в нем тлеющего разряда.

Конденсатор С2, включаемый параллельно контактам стартера, служит для снижения импульса напряжения и одновременного увеличения его длительности, снижения радиопомех и уменьшения подгорания контактов.

Конденсатор С1 устанавливается только в одноламповых светильниках. Емкость его выбирается таким образом, чтобы повысить коэффициент мощности до 0,9 …0,95.

Излучение люминесцентной лампы обладает малой инерционностью. Поэтому при работе на переменном токе промышленной частоты имеет место пульсация светового потока.

Пульсация оказывает вредное воздействие на психику человека, вызывает утомление зрения, снижает работоспособность.

Особую опасность представляет явление стробоскопического эффекта, заключающегося в искажении зрительного восприятия движущихся объектов. Например, если деталь совершает вращательное или колебательное движение с частотой, равной или кратной частоте пульсации освещенности, то создается иллюзия неподвижности этой детали, что может явиться причиной травматизма.

Снижения пульсаций до безвредных значений в большинстве случаев достигается за счет применения схемы «с расщепленной фазой», когда в одной люминесцентной лампе ток опережает напряжение сети примерно на 60°, в другой – настолько же отстает. Пульсация освещенности, при этом, снижается в 2,5 раза. Применяется и поочередное подключение светильников на разные фазы сети.

Однако, наиболее эффективной мерой борьбы с пульсацией светового потока является питание люминесцентных ламп током повышенной частоты.

Показатели работы ЛЛ (световой поток, срок службы, надежность зажигания) зависят от напряжения сети, температуры окружающей среды, частоты включения и др. факторов.

Оптимальные условия для работы люминесцентных ламп, включенных по стартерной схеме, имеют место при напряжении 95… 105 % номинального, температуре окружающей среды 18…25°С, числе включений в сутки не более четырех .

При напряжении, меньшем 95% Uн, длительность пускового режима существенно возрастает. Для зажигания лампы требуется (в среднем) тем большее число срабатываний стартера, чем ниже напряжение сети. Каждое срабатывание вызывает воздействие импульсного напряжения на электроды, вызывая распыление некоторого количества оксидного вещества.

Аналогичные явления имеют место и при снижении температуры ниже +10°С.

Повышение напряжения выше номинального также приводит к снижению срока службы вследствие перекала электродов.

Колебание напряжения сети приводит к изменению электрических и световых параметров люминесцентных ламп. С ростом напряжения, прикладываемого к схеме, в наибольшей степени возрастает ток лампы; мощность лампы при этом растет медленнее, так как напряжение на лампе снижается.

Световой поток лампы с увеличением напряжения сети возрастает в меньшей степени, чем мощность. Это связано с тем, что эффективность преобразования УФ излучения в видимое излучение, в слое люминофора, снижается с увеличением удельной нагрузки. Поэтому световая отдача ЛЛ уменьшается с ростом напряжения сети. В этом состоит одна из основных отличительных особенностей таких источников излучения.