Напруга запалювання малопотужних люмінесцентних ламп на підвищених частотах.

Наводяться результати вимірювання напруги запалювання малопотужних люмінесцентних ламп на підвищених частотах та їх теоретичне обгрунтування. Напруга запалювання люмінесцентних ламп має велике значення при створенні вибухобезпечних і особливо вибухобезпечних освітлювальних установок для освітлення вугільних шахт і виробництв з виділенням вибухонебезпечних газів. Переваги роботи люмінесцентних ламп (лл) на підвищених частотах (порядку декількох кГц), особливо помітні для лл зниженої потужності, відзначалися в ряді робіт. Однак особності пускового і робочого режимів малопотужних лл (8, 6, 4 Вт) до останнього часу залишалися маловивченими. В роботі було досліджено залежність напруги горіння ламп зазначеної потужності від частоти в інтервалі 50 Гц - 200 кГц і знайдено монотонне зниження величини приблизно до 2-3 кГц, що обумовлює підвищення світловіддачі лл (до 40 %). У цьому повідомленні приводятся результати вимірювання напруги запалювання люмінесцентних ламп типів ЛБ4 - 1, ЛБ6 - 1 і ЛБ8 - 1 (виробництва СПО " Світлотехніка") при підвищенні частоти живлення від 5 кГц до 1 МГц і їх наближена теоретична інтерпретація (інтервал від 50 до 5 кГц не досліджувалась). Змінювалася напруга "холодного" запалювання ламп , без попереднього підігріву електродів і без застосування засобів для полегшення запалювання, у зазначеному інтервалі частот харчування f до частот приблизно 20 - 30 кГц напруга запалювання мала змінюється і приблизно відповідає наявним літературними даними для лл. Потім до 300 - 500 МГц має місце монотонне зниження напруги запалювання , при чому темп цього зниження залежить від потужності лампи. При частотах поблизу 1 МГц і вище величина мало змінюється і становить близько 140 В для лл потужністю 8 Вт, 100 В - для лл 6 Вт і близько 80 В - для ламп 4 Вт. Для порівняння зауважимо, що для лл 8 Вт напруга запалювання при частоті живлення 50 Гц і використанні попереднього підігріву електродів становить 170 - 180 В. Таким чином, на високих частотах напруга запалювання малопотужних лл може бути зроблено значно меншим, ніж при 50 Гц в схемах пуску. Для цілей наближеного кількісного розгляду звернемо увагу насамперед на той факт, що величина в досліджуваному частотному діапазоні наближено пропорційна довжині розрядної трубки l.

Для всіх ламп з діаметром розрядної трубки 16 мм і потужністю 8 Вт (l ≈ 300 мм), 6 Вт (l ≈ 220 мм) і 4 Вт (l ≈ 150 мм) напруженість електричного поля , що викликає пробої газу, однакова і становить приблизно 900 В / м при низьких частотах і 450 В / м, тобто в два рази менше, при високих частотах. Відомо, що мінімальна напруга запалювання при заданій довжині розрядного проміжку може бути оцінено, на основі теорії Таунсенда, за простою наближеною формулою , звідки випливає: . Тут р - тиск газу; В - коефіцієнт, що входить у формулу для величини першого коефіцієнта Таунсенда: , де А - постійна. За даними експериментів, для розряду в парах ртуті: . Приймаючи тиск парів ртуті в малопотужних лл р ≈ 1,1 Па ( мм рт. ст.), за формулою знаходимо оцінку напруженості поля пробою газового проміжку у лл: мм В / м. Таке значення , відповідно до викладеного в формулі, характерно для запалювання " темного " ​​(слаботочного) розряду, в якому електричне поле просторового заряду зважаючи на його малість не робить замітного впливу на характер руху заряджених частинок в газі, оскільки розряд при частотах порядку 1 МГц і вище є по своєйому типом " безелектродним ", то можна припустити, що саме до зазначеної вище величини прагне напруженість поля, необхідна для запалювання розряду в лл в межі високих частот. В іншому межі - низьких частот (порядку промислової години і нижче) істотну роль в розряді грають приелектродні процеси. При "холодних" електродах основним процесом підтримання самостійного розряду в газі є вторинна електронна емісія з катодом, поблизу якого утворюється просторовий заряд, екрануючий потенціал анода. У цих умовах напруженість поля, відповідна пробою газового проміжку: вже не визначається простою формулою, і її величина більше, ніж при високих частотах. Визначення напруги запалювання розряду при низьких частотах (зокрема, для " стаціонарного " ​​розряду) здійснюється за допомогою наведених в літературі графіків і таблиць; для стандартних лл відповідні дані містяться, зокрема, в довідковому посібнику. Відзначимо, що при запалюванні лл на високих частотах - вище 100 кГц - спостерігаються перехідні процеси, які належать спеціальному детальному дослідженню. Оцінимо частоту , поблизу якої можна очікувати початок помітного зниження напруги запалювання розряду в лл. Розряд можна вважати " високочастотним ", тобто " відірвався " від електродів, коли зміщення електронів за напівперіод розряду стає менша відстань між електродами L. При " дрейфовому " характері рух електронів в плазмі розряду, коли середня частота зіткнень електронів з нейтральними атомами газу (у лл - аргону) значно перевищує частоту зміни електричного поля (такий режим зазвичай зберігається до частот порядку 108 -109Гц, см. оцінку нижче), для α має місце вираз: , де , (е і m - заряд і маса електрона, відповідно) - рухливість електрона в газі; - амплітуда напруженості електричного поля ().

Вважаючи і , де - чинне значення напруги на лл, знаходимо для «прикордонної» частоти , при якй можна очікувати помітного зниження напруги запалювання ламп, вираз: . Частоту зіткнень електронів з атомами газу можна оцінити за формулою: Тут - електронна температура плазми розряду; Дж / ​​К – стала Больцмана; - середній ефективний перетин зіткнень електронів з атомами; - концентрація атомів газу (р - тиск, Т - температура газу). Вважаючи для розряду в малопотужних люмінесцентних лампах 8 Вт при 10-20 кГц: маємо оцінки:

Принцип роботи

Принцип запуску ЛДС з електромагнітним баластом.

При роботі люмінесцентної лампи між двома електродами, що знаходяться в протилежних кінцях лампи, горить дугового розряд. Лампа заповнена інертним газом і парами ртуті, що проходить струм призводить до появи УФ випромінювання. Це випромінювання невидиме для людського ока, тому його перетворять у видиме світло за допомогою явища люмінесценції. Внутрішні стінки лампи покриті спеціальною речовиною - люмінофором, яке поглинає УФ випромінювання і випромінює видиме світло. Змінюючи склад люмінофора, можна змінювати відтінок світіння лампи. В якості люмінофора використовують в основному галофосфати кальцію і ортофосфати кальцію - цинку.

Дугового розряд підтримується за рахунок термоелектронної емісії заряджених частинок (електронів) з поверхні катода. Для запуску лампи катоди розігріваються або пропусканням через них струму (лампи типу ДРЛ, ЛД), або іонним бомбардуванням у тліючому розряді високої напруги («лампи з холодним катодом»). Струм розряду обмежується баластом.

Безпека й утилізація

Всі люмінесцентні лампи містять ртуть (у дозах від 1 до 70 мг), отруйна речовина 1 -го класу небезпеки. Ця доза може заподіяти шкоду здоров'ю, якщо лампа розбилася, і якщо постійно піддаватися згубному впливу парів ртуті, то вони будуть накопичуватися в організмі людини, завдаючи шкоду здоров'ю.

Законодавство з RoHS (скорочення з англ. Restriction of use of Hazardous Substances - Обмеження використання небезпечних речовин) регламентує застосування ртуті, а також інших потенційно небезпечних елементів в електротехнічному та електронному обладнанні. 1 липня 2006 Директива RoHS вступила в дію на всій території Європейського Співтовариства. Мета Директиви очевидна - обмежити застосування шести основних небезпечних речовин в електричному та електронному обладнанні, тим самим забезпечуючи необхідний рівень захисту здоров'я людей і навколишнього середовища

Існує кілька фірм з утилізації ламп, і юридичні особи, а також індивідуальні підприємці зобов'язані здавати лампи на переробку і розробляти паспорт небезпечного відходу. Крім того, в ряді міст існують полігони з утилізації токсичних відходів, які приймають відходи від приватних осіб безкоштовно. У Москві перегорілі люмінесцентні лампи безкоштовно приймаються для подальшої переробки в районних ЖЕКах, де встановлені спеціальні контейнери. Якщо лампи не приймають в ДЕЗ і РЕУ, необхідно скаржитися в управу або префектуру. У магазинах IKEA в відділі «обмін або повернення покупок» приймають на переробку будь енергозберігаючі лампи будь-якого виробника. 3 вересня 2010 в Росії було прийнято Постанову № 681 «Про затвердження Правил поводження з відходами виробництва і споживання в частині освітлювальних пристроїв, електричних ламп, неналежні збір, накопичення, використання, знешкодження, транспортування та розміщення яких може спричинити заподіяння шкоди життю, здоров'ю громадян, шкоди тваринам, рослинам і довкіллю».

Постанова також містить рекомендаційні заходи щодо запобігання та дезінфекції приміщень після походження аварійних ситуацій з містять ртуть лампами:

V. Правила ліквідації аварійних ситуацій при поводженні з ртутьвмісних відходів.

27. У разі збою ртутьвмісних лампи (ламп) фізичною особою в побутових умовах, або у разі складного ртутного забруднення в організації, забруднене приміщення повинно бути людьми покинуте і, одночасно, має бути організований виклик відповідних підрозділів (спеціалізованих організацій) через Міністерство Російської Федерації у справах цивільної оборони, надзвичайних ситуацій і ліквідації наслідків стихійних лих.

28. Після евакуації людей повинні бути прийняті достатні заходи до виключення доступу на забруднену ділянку сторонніх осіб, а також можливих заходів щодо локалізації меж поширення ртуті та її парів.

29. У разі одиничного руйнування ртутьвмісних ламп в організації усунення ртутного забруднення може бути виконано персоналом самостійно за допомогою створеного для цих цілей демеркуризаційні комплекту (склад демеркуризаційні комплекту затверджується Урядом Російської Федерації за поданням Міністерства Російської Федерації у справах цивільної оборони, надзвичайних ситуацій і ліквідації наслідків стихійних лих спільно з Федеральною службою з екологічного, технологічного і атомного нагляду та Федеральною службою з нагляду в сфері захисту прав споживачів і благополуччя людини).

Область застосування

Коридор, освітлений люмінесцентними лампами.

Люмінесцентні лампи знайшли широке застосування у висвітленні суспільних будівель: шкіл, лікарень, офісів і т. д. З появленням компактних люмінесцентних ламп з електронними баластами, які можна включати в патрони E27 і E14 замість ламп розжарювання, люмінесцентні лампи завойовують популярність і в побуті.

Люмінесцентні лампи найбільш доцільно застосовувати для загального освітлення, насамперед приміщень великої площі (особливо спільно з системами DALI), що дозволяють поліпшити умови освітлення і при цьому знизити споживання енергії на 50-83 % і збільшити термін служби ламп. Люмінесцентні лампи широко застосовуються також і в місцевому освітленні робочих місць, в світовій рекламі, підсвічуванню фасадів.

До початку застосування світлодіодів були єдиним джерелом для підсвічування рідк-окристалічних екранів.

Маркировка

Трьохцифровий код на упаковці лампи містить як правило інформацію щодо якості світла (індекс передачі кольору і колірної температури).

Перша цифра - індекс передачі кольору в 1х10 Ra (компактні люмінесцентні лампи мають 60-98 Ra, таким чином чим вище індекс, тим достовірніша передача кольору)

Друга і третя цифри - вказують на колірну температуру лампи.

Таким чином маркування «827» вказує на індекс передачі кольору в 80 Ra, і колірну температуру в 2700 К (що відповідає колірній температурі лампи розжарювання)

Крім того, індекс передачі кольору може позначатися відповідно до DIN 5035, де діапазон передачі кольору 20-100 Ra поділений на 6 частин - від 4 до 1А.

Особливості сприйняття

Кольоро сприйняття людини сильно змінюється залежно від яскравості. При невеликій яскравості ми краще бачимо синій і гірше червоний. Тому колірна температура денного світла (5000-6500 K) в умови низької освітленості буде здаватися надмірно синьою. Середня освітленість житлових приміщень - 75 люкс, в той час як в офісах та інших робочих приміщеннях - 400 люкс. При невеликій яскравості (50-75 люкс) найбільш природним виглядає світло з температурою 3000 K. При яскравості в 400 люкс такий світ вже здається жовтим, а найбільш природним здається світло з температурою 4000 - 6000K.

Маркування передачі кольору по ГОСТ 6825-91 *

Люмінесцентна лампа виробництва СРСР потужністю 20 Вт («ЛД 20»). Зарубіжний аналог цієї лампи - L 20W/765.

Відповідно до ГОСТ 6825-91 * (МЕК 81-84) «Лампи люмінесцентні трубчасті для загального освітлення», діючий, лампи люмінесцентні лінійні загального призначення маркуються, як:

• ЛБ (біле світло)

• ЛД (денне світло)

• ЛЄ (природне світло)

• ЛХБ (холодно - білий світ)

• ЛТБ (тепло - білий світ)

Додавання літери Ц в кінці означає застосування люмінофора «де - люкс» з поліпшеною передачею кольору, а ЦЦ - люмінофора «супер де - люкс» з високоякісної передачею кольору.

Лампи спеціального призначення маркуються, як:

• ЛГ, ЛК, ЛЗ, ЛШ, ЛР, ЛГР (лампи кольорового свічення)

• ЛУФ (лампи ультрафіолетового світла)

• ДБ (лампа ультрафіолетового світла типу С)

• ЛСР (синього світла рефлекторні)

Параметри вітчизняних ламп по передачі кольору наведені в таблиці:

Абревіатура	Розшифровка	Відтінок	Колірна т-ра, К	Призначення	Передача кольору	Приблизний еквівалент з міжнародного маркуванні
Лампи денного світла
ЛДЦ, ЛДЦЦ	Лампи денного світла, з поліпшеною передачею кольору; ЛДЦ - де-люкс, ЛДЦЦ - супер-де-люкс	Білий з легким блакитним відтінком і відносно низькою світловіддачею		Для музеїв, виставок, у фотографії, у виробничих і адміністративних приміщеннях з підвищеними вимогами до перенесення кольорів, освітніх установах, житлових приміщеннях	Хороша (ЛДЦ), відмінна(ЛДЦЦ)	865 (ЛДЦ), 965 (ЛДЦЦ)
ЛД	Лампи денного світла	Білий з легким блакитним відтінком і високу світловіддачу		У виробничих та адміністративних приміщеннях без високих вимог до перенесення кольорів	Прийнятна
Лампи природного світла
ЛЕЦ, ЛЕЦЦ	Лампи природного світла, з поліпшеною передачею кольору; ЛЕЦ - де-люкс, ЛЕЦЦ - супер-де-люкс	Сонячно-білий з відносно низькою світловіддачею	4 000	Для музеїв, виставок, у фотографії, в освітніх установах, житлових приміщеннях	Хороша(ЛЕЦ), відмінна (ЛЕЦЦ)	840 (ЛЕЦ), 940 (ЛЕЦЦ)
ЛЕ	Лампи природного світла	Білий без відтінку і високу світловіддачу	4 000		Прийнятна
Інші освітлювальні лампи
ЛБ	Лампи білого світла	Білий з лілуватим відтінком, поганий передачею кольору і високу світловіддачу	3 500	У приміщеннях, де потрібне яскраве світло і не потрібно передача кольору: виробничих і адміністративних приміщеннях, в метрополітені	Незадовільна
ЛХБ	Лампи холодно-білого світла	Білий з сонячним відтінком і поганий передачею кольору	4 000	У виробничих та адміністративних приміщеннях без високих вимог до перенесення кольорів	Незадовільна
ЛТБ	Лампи холодно-білого світла	Білий з сонячним відтінком і поганий передачею кольору	3 000	У продовольчих магазинах, предпріятіяхобщественного харчування	Щодо прийнятна для теплих тонів, незадовільна для холодних	530, 630
ЛТБЦЦ	Лампи тепло-білого світла з покращеною передачею кольору	Білий з «теплим» жовтим відтінком	2 700, 3 000	Таке ж, як і для ЛТБ, а також для житлових приміщень.	Прийнятна для теплих тонів, менш задовільна для холодних	927, 930
Лампи спеціального призначення
ЛГ, ЛК, ЛЗ, ЛЖ, ЛР, ЛГР	Лампи з кольоровим люмінофором	ЛГ — голубий, ЛК — червоний, ЛЗ — зелений, ЛЖ — жовтий, ЛР — розовий, ЛГР — ліловий	—	Для світлового дизайну, художнього підсвічування будівель, вивісок, вітрин	—	ЛГ: 67, 18, BLUE ЛК: 60, 15, RED ЛЗ: 66, 17, GREEN ЛЖ: 62, 16, YELLOW
ЛСР	Лампи сині рефлекторні	Лампи яскраво-синього світла	—	У електрофотографічних щорозмножувальних апаратах	—	—
ЛУФ	Ультрафіолетові лампи	Лампи темно-синього світла з вираженою ультрафіолетової компонентою	—	Для нічного підсвічування та дезінфекції вмедіцінскіх установах, казармах і т. д., а також в якості «чорного світла» для світлового дизайну в нічних клубах, на дискотеках і т. п.	—