Практическая работа № 7 Изучение устройства и принципа работы газоразрядных люминесцентных ламп

Цель работы: Изучить устройство, принцип работы, виды, достоинства и недостатки люминесцентных ламп.

Краткие теоретические сведения.

Люминесцентная лампа — газоразрядный источник света, световой поток которого определяется в основном свечением люминофоров под воздействием ультрафиолетового излучения разряда; видимое свечение разряда не превышает нескольких процентов.

Различные виды люминесцентных ламп

Люминесцентные лампы широко применяются для общего освещения, при этом их световая отдача в несколько раз больше, чем у ламп накаливания того же назначения. Срок службы люминесцентных ламп может до 20 раз превышать срок службы ламп накаливания при условии обеспечения достаточного качества электропитания, балласта и соблюдения ограничений по числу коммутаций, в противном случае быстро выходят из строя.
Наиболее распространённой разновидностью подобных источников является ртутная люминесцентная лампа. Она представляет собой стеклянную трубку, заполненную парами ртути, с нанесённым на внутреннюю поверхность слоем люминофора.

Коридор, освещенный люминесцентными лампами

Область применения
Люминесцентные лампы — наиболее распространённый и экономичный источник света для создания рассеянного освещения в помещениях общественных зданий: офисах, школах, учебных и проектных институтах, больницах, магазинах, банках, предприятиях. С появлением современных компактных люминесцентных ламп, предназначенных для установки в обычные патроны E27 или E14 вместо ламп накаливания, они стали завоёвывать популярность и в быту.

Применение электронных пускорегулирующих устройств (балластов) вместо традиционных электромагнитных позволяет ещё более улучшить характеристики люминесцентных ламп — избавиться
от мерцания и гула, ещё больше увеличить экономичность, повысить компактность.
Главными достоинствами люминесцентных ламп по сравнению с лампами накаливания являются высокая светоотдача (люминесцентная лампа 23 Вт даёт освещенность как 100 Вт лампа накаливания) и более длительный срок службы (2000 - 20000 часов против 1000 часов).
В некоторых случаях это позволяет люминесцентным лампам экономить значительные средства, несмотря на более высокую начальную цену.
Применение люминесцентных ламп особенно целесообразно в случаях, когда освещение включено продолжительное время, поскольку включение для них является наиболее тяжёлым режимом и частые включения-выключения сильно снижают срок службы.
История
Первым предком лампы дневного света была лампа Генриха Гайсслера, который в 1856 году получил синее свечение от заполненной газом трубки, которая была возбуждена при помощи соленоида.
В 1893 году на всемирной выставке в Чикаго, штат Иллинойс, Томас Эдисон показал люминесцентное свечение.
В 1894 году М. Ф. Моор создал лампу, в которой использовал азот и углекислый газ, испускающий розово - белый свет. Эта лампа имела умеренный успех.
В 1901, Питер Купер Хьюитт демонстрировал ртутную лампу, которая испускала свет синезелёного
цвета, и таким образом была непригодна в практических целях. Это было, однако, очень близко к современному дизайну, и имело намного более высокую эффективность, чем лампы Гайсслера и Эллинойса.
В 1926 году Эдмунд Джермер и его сотрудники предложили увеличить операционное давление в пределах колбы и покрывать колбы флуоресцентным порошком, который преобразовывает ультрафиолетовый свет, испускаемый возбуждённой плазмой в более однородно белоцветной свет. Э.Джермер в настоящее время признан как изобретатель лампы дневного света.
General Electric позже купила патент Джермера, и под руководством Джорджа Э. Инмана довела лампы дневного света до широкого коммерческого использования к 1938 году.
Принцип работы
При работе люминесцентной лампы между двумя электродами, находящимися в противоположных концах
лампы возникает электрический разряд. Лампа заполнена парами ртути, и проходящий ток приводит к появлению УФ излучения.
Это излучение невидимо для человеческого глаза, поэтому его преобразуют в видимый свет с помощью явления люминесценции. Внутренние стенки лампы покрыты специальным веществом — люминофором, которое поглощает УФ излучение и излучает видимый свет. Изменяя состав люминофора можно менять оттенок свечения лампы.

Особенности подключения

С точки зрения электротехники, люминесцентная лампа — устройство с отрицательным сопротивлением (чем больший ток через неё проходит — тем больше падает её сопротивление).
Поэтому при непосредственном подключении к электрической сети лампа очень быстро выйдет из строя из-за огромного тока, проходящего через неё. Чтобы предотвратить это, лампы подключают через специальное устройство (балласт).
В простейшем случае это может быть обычный резистор, однако в таком балласте теряется значительное количество энергии. Чтобы избежать этих потерь при питании ламп от сети переменного тока в качестве балласта может применяться реактивное сопротивление (конденсатор или катушка индуктивности). В настоящее время наибольшее распространение получили два типа балластов — электромагнитный и электронный.

Произведённый в СССР электромагнитный балласт «1УБИ20». Недостатком являлся низкий cosф, так как реактивная мощность балласта зачастую больше мощности лампы.

Электромагнитный балласт
Электромагнитный балласт представляет собой индуктивное сопротивление (дроссель) подключаемое последовательно с лампой. Для запуска лампы с таким типом балласта требуется также стартер.

Преимуществами такого типа балласта является его простота и дешевизна.
Недостатки — мерцание ламп с удвоенной частотой сетевого напряжения (частота сетевого напряжения в России = 50 Гц), что повышает утомляемость и может негативно сказываться на зрении, относительно долгий запуск (обычно 1-3 сек, время увеличивается по мере износа лампы), большее потребление энергии по сравнению с электронным балластом.

стартер

Дроссель также может издавать низкочастотный гул.
Помимо вышеперечисленных недостатков, можно отметить ещё один.
При наблюдении предмета вращающегося или колеблющегося с частотой равной или кратной частоте мерцания люминесцентных ламп с электромагнитным балластом такие предметы будут казаться неподвижными из-за эффекта стробирования.
Например этот эффект может затронуть шпиндель токарного или сверлильного станка, циркулярную пилу, мешалку кухонного миксера, блок ножей вибрационной электробрит-вы.
Во избежание травмирования на производстве запрещено использовать люминесцентные лампы для освещения движущихся частей станков и механизмов без дополнительной подсветки лампами накаливания.

электронный балласт

Электронный балласт
Электронный балласт представляет собой электронную схему, преобразующую сетевое напряжение в высокочастотный (20-60 кГц) переменный ток, который и питает лампу.
Преимуществами такого балласта является отсутствие мерцания и гула, более компактные размеры и меньшая масса, по сравнению с электромагнитным балластом.
При использовании электронного балласта, можно добиться мгновенного запуска лампы (холодный старт), однако такой режим неблагоприятно сказывается на сроке службы лампы, поэтому применяется и схема с предварительным прогревом электродов в течение 0,5-1 сек (горячий старт).
Лампа при этом зажигается с задержкой, однако этот режим позволяет увеличить срок службы лампы.
Механизм запуска лампы с электромагнитным балластом
В классической схеме включения с электромагнитным балластом для автоматического регулирования процесса зажигания лампы применяется пускатель (стартер), представляющий собой миниатюрную газоразрядную лампочку с неоновым наполнением и двумя металлическими электродами.

Один электрод пускателя неподвижный жёсткий, другой — биметаллический, изгибающийся при нагреве. В исходном состоянии электроды пускателя разомкнуты.

подключение 58-ваттных ламп классическим способом в рекламном щите

Пускатель включается параллельно лампе. В момент включения к электродам лампы и пускателя прикладывается полное напряжение сети, так как ток через лампу отсутствует и падение напряжения на дросселе равно нулю.

Электроды лампы холодные и напряжение сети недостаточно для её зажигания. Но в пускателе от приложенного напряжения возникает разряд, в результате которого ток проходит через электроды лампы и пускателя. Ток разряда мал для разогрева электродов лампы, но достаточен для электродов пускателя, отчего биметаллическая пластинка, нагреваясь, изгибается и замыкается с жёстким электродом.

Ток в общей цепи возрастает и разогревает электроды лампы. В следующий момент электроды пускателя остывают и размыкаются. Мгновенный разрыв цепи тока вызывает мгновенный пик напряжения на дросселе, что и вызывает зажигание лампы.

К этому моменту электроды лампы уже достаточно разогреты. Разряд в лампе возникает сначала в среде аргона, а затем, после испарения ртути, приобретает вид ртутного.

В процессе горения напряжение на лампе и пускателе составляет около половины сетевого за счёт падения напряжения на дросселе, что устраняет повторное срабатывание пускателя.

В процессе зажигания лампы пускатель иногда срабатывает несколько раз подряд вследствие отклонений во взаимосвязанных между собой характеристиках пускателя и лампы.

В некоторых случаях при изменении характеристик пускателя или лампы возможно возникновение ситуации, когда стартер начинает срабатывать циклически.

Это вызывает характерный эффект когда лампа периодически вспыхивает и гаснет, при погасании лампы видно свечение катодов накаленных током протекающим через сработавший стартер.
Механизм запуска лампы с электронным балластом
В отличие от электромагнитного балласта для работы электронного балласта зачастую не требуется отдельный специальный стартер т.к. такой балласт в общем случае способен сформировать необходимые последовательности напряжений сам.

Существуют разные технологии запуска люминесцентных ламп электронными балластами. В наиболее типичном случае электронный балласт подогревает катоды ламп и прикладывает к катодам напряжение, достаточное для зажигания лампы, чаще всего - переменное и высокочастотное (что заодно устраняет мерцание лампы характерное для электромагнитных балластов).

В зависимости от конструкции балласта и временных параметров последовательности запуска лампы такие балласты могут обеспечивать, например плавный запуск лампы с постепенным нарастанием яркости до полной за несколько секунд или же мгновенное включение лампы.

Часто встречаются комбинированные методы запуска когда лампа запускается не только за счет факта подогрева катодов лампы но и за счет того что цепь в которую включена лампа является колебательным контуром. Параметры колебательного контура подбираются так, чтобы при отсутствии разряда в лампе, в контуре возникает явление электрического резонанса, ведущее к значительному повышению напряжения между катодами лампы.

Как правило, это ведет и к росту тока подогрева катодов, поскольку при такой схеме запуска спирали накала катодов нередко соединены последовательно через конденсатор, являясь частью колебательного контура. В результате за счет подогрева катодов и относительно высокого напряжения между катодами лампа легко зажигается.

После зажигания лампы параметры колебательного контура изменяются, резонанс прекращается, и напряжение в контуре значительно падает, сокращая ток накала катодов. Существуют вариации данной технологии.

Например, в предельном случае балласт может вообще не подогревать катоды, вместо этого, приложив достаточно высокое напряжение к катодам, что неизбежно приведет к почти мгновенному зажиганию лампы за счет пробоя газа между катодами. По сути, этот метод аналогичен технологиям, применяемым для запуска ламп с холодным катодом (CCFL). Данный метод достаточно популярен у радиолюбителей, поскольку позволяет запускать даже лампы с перегоревшими нитями накала катодов, которые не могут быть запущены обычными методами из-за невозможности подогрева катодов.

В частности этот метод нередко используется радиолюбителями для ремонта компактных энергосберегающих ламп, которые являются обычной люминесцентной лампой с встроенным электронным балластом в компактном корпусе. После небольшой переделки балласта такая лампа может еще долго служить, невзирая на перегорание спиралей подогрева, и ее срок службы будет ограничен только временем до полного распыления электродов.
Причины выхода из строя
Электроды люминесцентной лампы представляют собой вольфрамовые нити, покрытые пастой (активной массой) из щелочноземельных металлов. Эта паста и обеспечивает стабильный тлеющий разряд, если бы ее не было, вольфрамовые нити очень скоро перегрелись бы и сгорели.

Балласт от перегоревшей энергосберегающей лампы подключён к лампе Т5

В процессе работы она постепенно осыпается с электродов, выгорает, испаряется, особенно при частых пусках, когда некоторое время разряд происходит не по всей площади электрода, а на небольшом участке его поверхности, что приводит к перегреву электрода. Отсюда потемнение на концах лампы, часто наблюдаемое ближе к окончанию срока службы.

Когда паста выгорит полностью, ток лампы начинает падать, а напряжение, соответственно, возрастать. Это приводит к тому, что начинает постоянно срабатывать стартер — отсюда всем известное мигание вышедших из строя ламп.

Электроды лампы постоянно разогреваются, и в конце концов, одна из нитей перегорает, это происходит примерно через 2 — 3 дня, в зависимости от производителя лампы.

После этого на минуту-две лампа горит без всяких мерцаний, но это последние минуты в ее жизни. В это время разряд происходит через остатки перегоревшего электрода, на котором уже нет пасты из щелочноземельных металлов, остался только вольфрам.

Эти остатки вольфрамовой нити очень сильно разогреваются, из-за чего частично испаряются, либо осыпаются, после чего разряд начинает происходить за счет траверсы (это проволочка, к которой крепится вольфрамовая нить с активной массой), она частично оплавляется. После этого лампа вновь начинает мерцать. Если ее выключить, повторное зажигание будет невозможным. На этом все и закончится.

Вышесказанное справедливо при использовании электромагнитных ПРА (балластов). Если же применяется электронный балласт, все произойдет несколько иначе.

Постепенно выгорит активная масса электродов, после чего будет происходить все больший их разогрев, рано или поздно одна из нитей перегорит.

Сразу же после этого лампа погаснет без мигания и мерцания за счет предусматривающей автоматическое отключение неисправной лампы конструкции электронного балласта.
Люминофоры и спектр излучаемого света
Многие люди считают свет, излучаемый люминесцентными лампами грубым и неприятным. Цвет предметов освещенных такими лампами может быть несколько искажён. Отчасти это происходит из-за синих и зеленых линий в спектре излучения газового разряда в парах ртути, отчасти из-за типа применяемого люминофора.

Типичный спектр люминесцентной лампы.

Во многих дешевых лампах применяется галофосфатный люминофор, который излучает в основном жёлтый и синий свет,
в то время как красного и зелёного излучается меньше.
Такая смесь цветов глазу кажется белым, однако при отражении от предметов свет может содержать неполный спектр, что воспринимается как искажение цвета.
Однако такие лампы, как правило, имеют очень высокую световую отдачу.

В более дорогих лампах используется «трехполосный» и «пятиполосный» люминофор.
Это позволяет добиться более равномерного распределения излучения по видимому спектру, что приводит к более натуральному воспроизведению света. Однако такие лампы, как правило, имеют более низкую световую отдачу.

Также существуют люминесцентные лампы, предназначенные для освещения помещений, в которых содержатся птицы. Спектр этих ламп содержит ближний ультрафиолет, что позволяет создать более комфортное для них освещение, приблизив его к естественному, так как птицы, в отличие от людей, имеют четырехкомпонентное зрение.
Варианты исполнения
По стандартам лампы дневного света разделяются на колбные и компактные.

Советская люминесцентная лампа мощностью 20 Вт( «ЛБ-20» ). Современный европейский аналог этой лампы — T8 1

Колбные лампы представляют собой лампы в виде стеклянной трубки. Различаются по диаметру и по типу цоколя, имеют следующие обозначения:
T5 ((диаметр 5/8 дюйма=1.59 см),
T8 (диаметр 8/8 дюйма=2.54 см),
T10 (диаметр 10/8 дюйма=3.17 см)
и T12 (диаметр 12/8 дюйма=3.80 см)).

Лампы такого типа часто можно увидеть в промышленных помещениях, офисах, магазинах и т. д.

Компактные лампы представляют собой лампы с согнутой трубкой. Различаются по типу цоколя на (G23,G24Q1,G24Q2, G24Q3). Выпускаются также лампы под стандартные патроны E27 и E14, что позволяет использовать их в обычных светильниках вместо ламп накаливания.

Преимуществом компактных ламп являются устойчивость к механическим повреждениям и небольшие размеры. Цокольные гнёзда для таких ламп очень просты для монтажа в обычные светильники, срок службы таких ламп составляет от 6000 до 15000 часов.

G23

Универсальная лампа Osram для всех типов цоколей G24

У лампы G23 внутри цоколя расположен стартер, для запуска лампы дополнительно необходим только дроссель. Их мощность обычно не превышает 14 Ватт.

Основное применение — настольные лампы, зачастую встречаются в светильниках для душевых и ванных комнат. Цокольные гнезда таких ламп имеют специальные отверстия для монтажа в обычные настенные светильники.

G24

Лампы G24Q1, G24Q2 и G24Q3 также имеют встроенный стартер, их мощность, как правило, от 13 до 36 Ватт.

Применяются как в промышленных, так и в бытовых светильниках.

Стандартный цоколь G24 можно крепить как шурупами, так и на купол (современные модели светильников).

Утилизация

Все люминесцентные лампы содержат ртуть (в дозах от 40 до 70 мг), ядовитое вещество. Эта доза может причинить вред здоровью, если лампа разбилась, и если постоянно подвергаться пагубному воздействию паров ртути, то они будут накапливаться в организме человека, нанося вред здоровью.

По истечении срока службы в России лампу, как правило, выбрасывают куда попало.

На проблемы утилизации этой продукции в России не обращают внимания ни потребители, ни производители, хотя существует несколько занимающихся ею фирм.

Оформление отчета:

1.Записать название и цель работы;

2.Внимательно прочесть краткие теоретические сведения и письменно ответить на следующие вопросы:

2.1.Понятие о люминесцентных лампах (ЛЛ);

2.2.Достоинства ЛЛ;

2.3.Где и в каких помещениях используются ЛЛ?

2.4.Где и кем была изобретена ЛЛ?

2.5.КАК работает ЛЛ?

2.6.Какое оборудование необходимо для включения ЛЛ?

2.7.Назначение дросселя, стартера, электронного балласта?

2.8.Порядок запуска ЛЛ с дросселем и стартером (классическая схема);

2.9. Порядок запуска ЛЛ с электронным балластом;

2.10.По каким причинам ЛЛ выходят из строя?

2.11.Люминофоры и цвет свечения ЛЛ;

2.12.Варианты исполнения ЛЛ;

2.13.Утилизация ЛЛ.