nestormedia.com nestorexpo.com nestormarket.com nestorclub.com
на главнуюновостио проекте, реклама

Горячий интерес к холодному свечению


О преимуществах компактных люминесцентных ламп по сравнению с традиционными лампами накаливания, о массовых кампаниях замены вторых первыми все чаще сообщают (и не только специализированные) СМИ. Сегодня хотелось бы еще раз обратиться к принципиальным основам действия энергоэффективных источников света.

Люминесценция — это свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. (Яркий пример — свечение фосфора). Впервые данное явление было описано в XVIII в. В 1948 г. советский ученый Сергей Вавилов предложил использовать люминесценцию при анализе химических веществ.

«Будем называть люминесценцией избыток над температурным излучением тела в том случае, если это избыточное излучение обладает конечной длительностью примерно 10-10 секунд и больше», — таково каноническое определение люминесценции, данное Вавиловым. Первая часть определения позволяет отличить люминесценцию от теплового излучения, что особенно важно при высоких температурах, когда термоизлучение приобретает большую интенсивность. Важной особенностью люминесценции является то, что она способна проявляться при значительно более низких температурах, так как не использует тепловую энергию излучающей системы.

За это люминесценцию часто называют холодным свечением. Критерий длительности, введенный Вавиловым, позволяет отделить люминесценцию от других видов нетеплового излучения — рассеяния и отражения света, комбинационного рассеяния, излучения Черенкова. Длительность излучения этих видов меньше периода колебания световой волны (то есть вышеупомянутой величины 10-10 c). Физическая природа люминесценции состоит в излучательных переходах электронов из возбужденного состояния в основное. При этом причиной первоначального возбуждения системы могут служить различные факторы — внешнее излучение, химические реакции.

Самой сильной люминесценцией обладают вещества, имеющие делокализованные электроны (сопряженные системы). Антрацен, нафталин, все белки, нуклеиновые кислоты, многие лекарственные препараты также обладают ярко выраженной способностью к люминесценции. Органические вещества, способные давать люминесцирующие комплексы со слабо люминесцентными неорганическими соединениями, часто используются в люминесцентном анализе. Так, в люминесцентной титриметрии часто применяется вещество флуоресцеин. Люминесцентное свечение тел принято делить на следующие виды:

Фотолюминесценция — это свечение под действием света (видимого и ультрафиолетового диапазона). Подразделяется на флуоресценцию (время жизни 10-9- 10-6 с) и фосфоресценцию (10-3-10 с).
Хемилюминесценция — свечение, использующее энергию химических реакций.
Катодолюминесценция вызывается облучением быстрыми электронами (катодными лучами).
Сонолюминесценция — люминесценция, вызванная звуком высокой частоты.
Наконец, рентгенолюминесценция — это свечение под действием рентгеновских лучей.
В настоящее время наиболее изучена фотолюминесценция.

Люминесцентная лампа — это газоразрядный источник света, световой поток которого определяется в основном свечением люминофоров под воздействием ультрафиолетового излучения разряда; видимое свечение разряда не превышает нескольких процентов. Люминесцентные лампы широко применяются для общего освещения, при этом их световая отдача и срок службы в несколько раз больше, чем у ламп накаливания того же назначения. Наиболее распространенной разновидностью подобных источников является ртутная люминесцентная лампа.

Она представляет собой стеклянную трубку, заполненную парами ртути, с нанесенным на внутреннюю поверхность слоем люминофора. Люминесцентные лампы — наиболее распространенный и экономичный источник света для создания рассеянного освещения в помещениях общественных и промышленных зданий. С появлением современных компактных люминесцентных ламп, предназначенных для установки в обычные патроны E27 или E14 вместо ламп накаливания, они стали завоевывать популярность и в быту. Применение электронных пускорегулирующих устройств (балластов) вместо традиционных электромагнитных позволяет еще более улучшить характеристики люминесцентных ламп — избавиться от мерцания и гула, еще больше увеличить экономичность, повысить компактность.

Главными достоинствами люминесцентных ламп по сравнению с лампами накаливания являются высокие светоотдача и длительный срок службы. Это позволяет люминесцентным лампам экономить значительные средства, несмотря на более высокую начальную цену. Применение люминесцентных ламп особенно целесообразно в случаях, когда освещение включается на продолжительное время, поскольку включение и выключение является для них наиболее тяжелым режимом, и частые включения-выключения сильно снижают срок службы.

Первым предком лампы дневного света была лампа Генриха Гайсслера, который в 1856 г. получил синее свечение от заполненной газом трубки, которая была возбуждена при помощи соленоида. В 1893 г. на всемирной выставке в Чикаго Томас Эдисон продемонстрировал люминесцентное свечение. В 1894 г. М.Ф. Моор создал лампу розово-белого свечения, в которой использовал азот и углекислый газ. Эта лампа имела умеренный успех. В 1901 г. Питер Купер Хьюитт продемонстрировал ртутную лампу, которая испускала свет синего-зеленого цвета и, таким образом, была непригодна в практических целях. Однако это устройство было очень близко к современному дизайну и имело намного более высокую эффективность, чем лампы Гайсслера и Эдисона.

В 1926 г. Эдмунд Джермер и его сотрудники предложили увеличить операционное давление в пределах колбы и покрывать колбы флуоресцентным порошком, который преобразовывает ультрафиолетовый свет, испускаемый возбужденной плазмой в более однородно бело-цветной свет. В настоящее время Джермер признан изобретателем лампы дневного света. Позже компания General Electric приобрела патент Джермера и в 1938 г. под руководством Джорджа Э. Инмэна довела качество ламп дневного света до уровня, позволяющего широкое коммерческое использование этих ламп. При работе заполненной парами ртути люминесцентной лампы между двумя электродами, находящимися в противоположных концах лампы, возникает электрический разряд.

Проходящий ток приводит к появлению УФ-излучения. Это невидимое для человеческого глаза излучение и преобразуется в видимый свет с помощью люминесценции. Как уже было сказано, внутренние стенки лампы покрываются люминофором — специальным веществом, которое поглощает УФ- излучение и выделяет видимый свет. Изменяя состав люминофора, можно менять оттенок получаемого света.

С точки зрения электротехники люминесцентная лампа — устройство с отрицательным сопротивлением (чем больший ток через нее проходит, тем больше падает ее сопротивление). Поэтому при непосредственном подключении к электрической сети лампа очень быстро выходит из строя из-за огромного тока, проходящего через нее. Для того, 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. Во избежание 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. Электромагнитный балласт представляет собой индуктивное сопротивление (дроссель), подключаемое последовательно с лампой.

Для запуска лампы с таким типом балласта требуется стартер. Преимуществами такого типа балласта является его простота и дешевизна. Недостатки — мерцание ламп с удвоенной частотой сетевого напряжения (что повышает утомляемость и негативно сказывается на зрении), относительно долгий запуск и значительное по сравнению с электронным балластом потребление энергии. Кроме того, дроссель может издавать низкочастотный гул. А еще при наблюдении предмета, вращающегося или колеблющегося с частотой, равной или кратной частоте мерцания люминесцентных ламп с электромагнитным балластом, такой предмет кажется неподвижным вследствие стробоэффекта. Поэтому во избежание производственных травм запрещено использовать люминесцентные лампы для освещения движущихся частей станков и механизмов без дополнительной подсветки их лампами накаливания.

Электронный же балласт представляет собой электронную схему, преобразующую сетевое напряжение в высокочастотный (20-60 кГц) переменный ток, который и питает лампу. Преимущества такого балласта — отсутствие мерцания и гула, более компактные размеры и меньшая масса по сравнению с электромагнитным балластом. При использовании электронного балласта возможно 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 с (горячий старт).

Лампа при этом зажигается с задержкой, однако этот режим позволяет увеличить срок службы лампы. 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 жесткий, другой — биметаллический, изгибающийся при нагреве. В исходном состоянии электроды пускателя разомкнуты. 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 холодны, и напряжения сети недостаточно для ее 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 биметалличекая пластинка, нагреваясь, изгибается и смыкается с жестким 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 счет 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.

Электроды люминесцентной лампы представляют собой вольфрамовые нити, покрытые пастой из щелочноземельных металлов. Эта паста и обеспечивает стабильный тлеющий разряд — если бы ее не было, вольфрамовые нити очень скоро перегревались бы и сгорали. В процессе работы паста 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 трубкообразных ламп дневного света, часто наблюдаемое ближе к окончанию срока их службы. Когда паста выгорает полностью, ток лампы начинает падать, а напряжение соответственно возрастать. Это приводит к тому, что начинает постоянно срабатывать стартер (причина общеизвестного мигания вышедших из строя ламп). При этом электроды лампы постоянно разогреваются.

В конце концов одна из нитей перегорает (это происходит примерно через 2-3 дня в зависимости от производителя лампы). После этого минуту-другую лампа горит без всяких мерцаний, но это ее последние минуты. В это время разряд происходит через остатки перегоревшего вольфрамового электрода, на котором уже нет пасты из щелочноземельных металлов.

Эти остатки вольфрамовой нити очень сильно разогреваются, из-за чего частично испаряются, частично осыпаются, после чего разряд начинает происходить за счет траверсы, к которой крепится вольфрамовая нить с активной массой и которая частично оплавляется. После этого лампа вновь начинает мерцать. Если ее выключить, повторное зажигание будет невозможным. Все описанное наблюдается при использовании электромагнитных балластов. Если же применяется электронный балласт, постепенно выгорает активная масса электродов, после чего имеет место все больший их разогрев.

Рано или поздно одна из нитей перегорает. Сразу же после этого лампа гаснет без всякого мерцания за счет предусматривающей автоматическое отключение неисправной лампы конструкции электронного балласта. Многим свет, излучаемый люминесцентными лампами, кажется не очень комфортным. Цвет предметов, освещаемых такими лампами, может быть несколько искажен. Отчасти это происходит из-за наличия синих и зеленых линий в спектре излучения газового разряда в парах ртути, отчасти — из- за типа применяемого люминофора. Во многих дешевых лампах применяется галофосфатный люминофор, который излучает в основном желтый и синий свет, в то время как красного и зеленого света излучается меньше.

Глаз воспринимает такую смесь цветов как белый, однако при отражении от предметов свет может содержать неполный спектр, что воспринимается как искажение цвета. (Впрочем, 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.

Компактная люминесцентная лампа — люминесцентная лампа, имеющая меньшие размеры по сравнению с колбообразной лампой и меньшую чувствительность к механическим повреждениям. Все чаще встречаются КЛЛ, предназначенные для установки в стандартные патроны для ламп накаливания. По типу цоколя различаются такие КЛЛ, как G23,G24Q1, G24Q2 и G24Q3, а также лампы под стандартные патроны — E27, E14 и E40. Такая конструкция позволяет использовать их в обычных светильниках вместо ламп накаливания.

Интегрированные компактные лампы, предназначенные для установки в обычный патрон, имеют встроенный балласт и стартер и впервые появились на рынке в конце 1980-х гг. Срок службы таких ламп составляет от 6000 до 15.000 часов. Цоколь лампы имеет резьбу диаметром 14, 27 либо 40 мм, что делает возможным ее монтаж в стандартные бытовые и промышленные патроны (E14 — для патрона «миньон», E27 — для стандартного бытового патрона, E40 — для стандартного промышленного патрона).

Недостатком являются крупные габариты пусковой части, что исключает возможность монтажа таких ламп во многие настенные светильники. У лампы G23 внутри цоколя расположен стартер, для запуска лампы дополнительно необходим только дроссель. Мощность таких ламп обычно не превышает 14 Вт.

Основное применение — настольные лампы; они также часто встречаются в светильниках для душевых и ванных комнат. Цокольные гнезда таких ламп имеют специальные отверстия для монтажа в обычные настенные светильники. Лампы G24Q1, G24Q2 и G24Q3 не имеют встроенного стартера, их мощность, как правило, составляет от 13 до 36 Вт. Применяются как в промышленных, так и в бытовых светильниках. Стандартное цокольное гнездо G24 можно крепить как шурупами, так и на купол (современные модели светильников), что упрощает его монтаж на обычный светильник.

Сергей ЗОЛОТОВ


Поделиться
Еще из раздела энергоэффективность
Разнообразие дизайнерских решений плюс энергосбережение Светодиоды от Osram подсвечивают глобус на Hotel Atlantic Смешанное освещение терминала аэропорта Энергосберегающий свет OSRAM в отелях TUI
© 2016 Новости электрики