Компактна люмінесцентна лампа(КЛЛ)

Призначена для заміни ламп розжарювання потужністю 40, 65, 75 і 100 Вт в освітлювальних установках загального освітлення.

Конструкція КЛЛ показана на рисунку 11.

Рисунок 11 – Конструктивне виконання світильника (а) і лампи (б):

а: 1 - пластмасовий корпус з цоколем Е27; 2 - плата кріпильна (стартер та ін.); 3 - розрядна трубка U-образна; 4 - електромагнітний ПРА; 5 - ковпак світлорозсіювальний.

б: 1 - перемичка між двома РТ; 2 - розрядна трубка U-образна; 3 - ковпачок металевий; 4 - стартер з конденсатором в цоколі; 5 - цоколь G23

Розрядна трубка: діаметр – 10 мм. Заповнена аргонно-ртутною сумішшю при тиску - 400 Па (3 мм. рт. ст.). Розрядний струм – 0,1…0,25 А. Оптимальний тиск парів ртуті і максимальний світловий потік (Фм) при температурі 43...45 ° С.

Переваги KЛЛ: висока світловіддача і великий термін служби, енергоекономічність (одна лампа за свій термін служби економить близько 300 кВт∙год електроенергії), простота в експлуатації.

Особливості експлуатації:

1) Час запалювання КЛЛ в межах 10 с. Протягом 1 хв. світловий потік лампи досягає 65% номінального значення. У наступні 8 - 10 хв. горіння лампи він досягає максимуму.

2) Спад світлового потоку до кінця терміну служби складає не більше 30%.

3) Оскільки елементи лампи розташовані в замкнутому об'ємі, то всередині температура досягає при роботі її «цоколем вгору»:

80 - 90 ° С - в зоні цоколя,

50 - 55 ° С - в нижній частині світлорозсіювального ковпака.

Це несприятливо відбивається на роботі її елементів, тому в корпусі й ковпаку передбачені вентиляційні отвори.

4) Матеріал ковпака (полікарбонат) термостійкий в широкому діапазоні робочих температур.

5) Радіоперешкоди і пульсація світлового потоку не перевищують норми.

6) Відсутня можливість включення на підвищену частоту через електромагнітних ПРА.

Хоча КЛЛ мають такі важливі переваги, як велика світловіддача (50 лм/Вт) та термін служби (5000 год), до повної заміни ЛР вони не готові за чисельні недоліки: мають великі розміри, ніж ЛР; мала яскравістьсвітимого тіла, що робить їх придатними тільки для дифузного, не направленого освітлення; гірше перенесення кольорів поки, ніж у ЛР; немає можливості до регулювання світла затемненням; значна вартість.

 

Безелектродна компактна ЛЛ (БКЛЛ)

На початку 90-х років на заміну малоефективних ЛР була розроблена БКЛЛ з частотою збудження 2,65 МГц (торгова марка «Genura»).

Світловіддача відносно низька - 48 лм/Вт, а термін служби - 15 тис. год. дещо більше, ніж у сучасної КЛЛ (10 тис. год). Термін служби обмежений надійністю ПРА, розташованого в цоколі лампи і має при частоті 2,65 МГц відносно низький ККД (0,9). Зниження робочої частоти до 100 - 170 кГц підвищує світловіддачу і ККД ПPA до 0,92 - 0,94. Крім того, при зниженій частоті зменшуються електромагнітні перешкоди, створювані котушкою і плазмою розряду.

Конструкція БКЛЛ представлена на малюнку 12. Поверхня колби і порожнини на стороні розряду покриті захисним люмінофором. Між захисним покриттям і люмінофором нанесений тонкий шар відбиваючої світло суміші (діоксид алюмінію).

Рисунок 12 – Конструкція БКЛЛ із частотою збудження 100..200 кГц:

1- штангель; 2- порожнина;3 - колба; 4 - котушка індуктивності; 5 - феритове осердя; 6 - охолоджуючий циліндр; 7 - феритовий диск; 8 - охолоджуючий диск;

9 - цоколь; 10 - база; 11 - ПРА (не зображено); 12 – ізолюючий диск

Збуджуючий контур розташований в порожнині колби і складається з наступних елементів:

1) Котушка індуктивності (4) з 60 витків з низьким опором на частоті 50.. 0,400 кГц.

2) Порожній феритовий сердечник (5), зовнішній діаметр - 15 мм, внутрішній - 9 мм, висота - 50 мм. Матеріал сердечника має малі втрати на частоті 100... 300 кГц при магнітної індукції 0,08 - 0,2 Тесла, що відповідає умовам запалювання і горіння лампи.

3) Феритовий диск (7). Розташований у дна колби і утворює магнітне коло з сердечником, що збільшує індуктивність збудливого контуру і водночас «відводить» магнітне поле від цоколя (9) лампи, де розташований ПРА (11). Це дозволяє зменшити магнітні наведення на елементах ПРА, чутливих до магнітного поля.

Для охолодження феритового осердя (5) і котушки індуктивності (4) призначений контур, що складається з наступних елементів:

а) Охолоджуючий порожнистий мідний циліндр (6), розташований коаксіально між осердям (5) і штенгелем (1).

б) Охолоджуючий диск (8), з'єднаний з металевою частиною цоколя (9), що передає у світильник тепло, що відноситься мідним циліндром від сердечника, котушки і стінок порожнини [11].

 

Металогалогенні лампи(МГЛ)

Металогалогенна лампа, конструкція якої представлена на рисунку 13, являє собою ртутну лампу високого тиску, у колбу якої вводяться добавки у вигляді галогеноїдів різних металів. Галогеноїди металів випаровуються легше ніж метали, що дозволяє широко варіювати спектральний розподіл випромінювання і збільшити світловіддачу в порівнянні з лампами ДРЛ.

Рисунок 13 – Загальний вигляд металогалогенних ламп:

а – лампа 400 Вт в еліпсоїдальній прозорій колбі; б – лампа 2000 Вт в циліндричній прозорій колбі;

1- пружні розпірки; 2 - розрядна трубка; 3 – основні електроди;

4 – запалюючий електрод; 5 – утеплювальне покриття; 6 – обмежувальний термостійкий опір [12].

До переваг металогалогенних ламп можна віднести: високий рівень передач кольору, високу світловіддачу, відсутність люмінофорного покриття, широкий діапазон потужностей, значний термін служби. До недоліків ламп відносяться миготіння лампи, наявність ПРА, залежність світлового потоку від положення лампи, відносно висока вартість.

Лампа типу ДРИ (дугова ртутна з випромінюючими добавками) за конструкцією подібна до ламп ДРЛ, однак не має люмінофорного покриття і додаткових електродів, які її підпалюють. Запалювання лампи відбувається при імпульсній напрузі 2–6 кВ, розпалюються лампи трохи швидше, ніж лампи ДРЛ. Спектр випромінювання ламп забезпечує високу якість передачі кольору, більш високий світловий ККД в порівнянні з лампами ДРЛ.

Коефіцієнт пульсації ламп типу ДРИ складає 20–30 %, світловіддача лм/Вт. При горизонтальному розміщенні ламп їхній світловий потік на 15–18 % нижче, ніж при вертикальному. Діапазон потужностей 250–3500 Вт, лампи потужністю 2000 Вт і більше включаються на напругу 380 В. Термін служби ламп 5000–10000 годин кращі зразки закордонних фірм до 20000 годин.

Принципіальна схема пристрою також представлена на рисунку 8,в.

 

Натрієва лампа(НЛНТ і НЛВТ)

Це одне із найефективніших джерел видимого випромінювання: найвища світловіддача в групі ГЛ і незначне зниження світлового потоку при тривалому терміні служби.

У натрієвих лампах, конструкція яких представлена на рисунку 14, використовується резонансне випромінювання ліній 589 і 589,6 нм, що забезпечує їм високу світловіддачу. До переваг ламп крім найвищої світловіддачі відноситься висока стабільність світлового потоку, незалежність світлового потоку від відхилень напруги, відсутність люмінофорного покриття, високий термін служби. До недоліків ламп відноситься їх найбільш низька з усіх ламп передача кольору, високий коефіцієнт пульсації, наявність ПРА.

Натрієві ДС бувають двох видів: низького тиску (НЛНД) і високого (НЛВД).

НЛНТ У натрієвих лампах низького тиску (0,2–1,2 Па) розряд протікає в парах інертних газів і парах натрію. Електроди оксидні, спіральні. Напруга запалювання - 500 В, час розгоряння - 15 хв, миттєва реакція на зміну Vc, пульсація світлового потоку майже 100%, нечутливість до температури навколишнього середовища. Жовте монохроматичне світло забезпечує хорошу видимість при низьких рівнях освітленості, в тумані. Лампи використовуються для освітлення автострад, тунелів, площадок товарних станцій і т. і. Світловіддача ламп складає до 180 лм/Вт.

 

Рисунок 14 – Натрієва лампа:

1 - керамічна заглушка, 2 - керамічна світлопропускаюча трубка, 3 - зовнішня колба з тугоплавкого скла, 4 - електрод, 5 - ніобієвий штенгель; 6 - барієвий геттер; 7 - цоколь

НЛВТ Пальник заповнений сумішшю парів натрію (Na), ртуті (Hg) і ксенону (Кс) при високому тиску.

Натрій - джерело випромінювання, електронів та іонів. Ртуть - буферний газ для підвищення температури розряду і зниження теплових втрат. Ксенон - запалюючий газ, підвищує світлову віддачу за рахунок зниження теплопровідності плазми.

При високому тиску (4–14 кПа) резонансні лінії натрію розширюються зі зміною кольоровості випромінювання в бік сонячного світла (час розгоряння до 7 хв). Запалювання лампи здійснюється від імпульсного джерела високої напруги порядку 2500 В. Час повторного запалювання згаслої лампи до 3 хв. Колір випромінювання золотисто-білий (Т_к = 2100 К), колірну температуру можна підвищити, збільшивши тиск парів натрію, але знизиться світлова віддача.

Матеріалом пальника є кераміка, яка стійка до тривалої дії парів натрію при Т <1600 ° С, із загальним коефіцієнтом пропускання видимого випромінювання до 95%. Зовнішня колба вакуумована, тиск 0,01 Па підтримується газопоглиначем.

Лампи типу ДНаТ (дугові натрієві трубчасті) мають коефіцієнт пульсації 82 %, світловіддачу 100–170 лм/Вт, за конструкцією подібні до ламп ДРИ. Використовуються лампи для освітлення вулиць, площ і великих відкритих просторів.

Корисний термін служби натрієвих ламп складає 10000–15000 годин. Для натрієвих ламп характерна стабільність світлового потоку в часі, так за 10000 годин експлуатації їхній світловий потік знижується на 15–20 %. Відхилення напруги практично не впливають на світловий потік ламп.

Принципіальна схема пристрою натрієвої лампи також представлена на рисунку 8,г.

 

Ксенонові лампи

Електричний розряд у ксеноновій лампі здійснюється в газі ксеноні (Кс) під тиском в декілька МПа від імпульсного джерела при напрузі близько 30 кВ і забезпечує колірну температуру від 6000 до 6300 К.

До переваг ксенонових ламп відносяться добра передача кольору, висока концентрація потужності в одній лампі, висока світловіддача, можливість освітлення великих площ при малій кількості ламп. До недоліків ламп можна віднести короткий термін служби, високий коефіцієнт пульсації, наявність ПРА, високу вартість, санітарні обмеження по освітленості.

Ксенонові лампи типу ДКсТ (дугова ксенонова трубчаста) мають діапазон потужностей від 5 до 100 кВт, лампи виконуються без охолодження чи з водяним охолодженням. Охолодження дозволяє зменшити габарити і збільшити світловіддачу. У ламп з природним охолодженням - до 29 лм/Вт, з водяним - до 45 лм/Вт. Період розгорання ламп практично відсутній, повторне запалювання ламп можливо після її повного охолодження через хвилин після відключення лампи. Світловіддача ламп складає лм/Вт, коефіцієнт пульсацій – порядку 130 %. Термін служби ламп обмежений 2000 годинами і обумовлений значною температурою поверхні розрядної трубки (750–800 ⁰С).

Використовуються лампи для освітлення кар'єрів, сортувальних станцій і т. п., при цьому освітленістьне повинна перевищувати 150 лк за санітарними нормами.

Принципіальна схема пристрою представлена на рисунку 8,д.

Лампитліючого світіння

Лампи тліючого світіння (ЛТС) - це ДС, принцип дії яких заснований на використанні катодного тліючого світіння.

ЛТС є скляний балон, в який упаяні два електроди, розташовані близько один до одного. Внутрішня порожнина балона заповнена неон-гелієвою сумішшю з домішкою аргону, іноді додається ртуть.

Активовані електроди мають різну форму. При роботі від мережі змінного струму обидва електроди світяться по черзі з частотою мережі, на постійному - тільки з'єднаний з негативним полюсом.

Неон дає помаранчево-червоне свічення, добавка ртуті - синювато-білі тони. Випромінювання має малу інерційність і може чудово модулюватися з частотою до 22 кГц.

Світлова віддача - від 0,2 до 1,0 лм/Вт, потужність - до 10 Вт; можливе покриття зсередини люмінофором. Термін служби - не менше 1000 год, обмежується при поглинанні газо-наповнювача і потемнінні колби електродів через розпилення.

Включення в мережу через резистор, вбудований в ніжку або в цоколь (для великих ЛТС), або окремо послідовно з лампою (для невеликих ЛTC),

В основному, ЛТС застосовуються в якості індикаторів, але крім цього, вони мають багато інших спеціальних застосувань.

Принципіальна схема пристрою представлена на рисунку 8,е [11].

 

Індукційна лампа

Для виробництва джерел світла вимушено застосовуються ртуть, свинець, кадмій, барій та інші елементи. Екологічну обстановку істотно можна покращити за рахунок збільшення терміну служби ДС, що містять шкідливі речовини.

Крім того, обслуговування освітлювальних установок в деяких випадках вимагає витрат, порівнянних з вартістю встановленого обладнання (тунелі, будівлі з високими стелями і т.і.).

Головний фактор, що впливає на термін служби ЛЛ - це стан електродів. Можливі 2 напрямки продовження терміну служби ламп:

1) Удосконалення електродів.

2) Повна відмова від електродів.

Максимальний термін служби можна отримати тільки у безелектродних ламп (індукційних).

Якщо у звичайній ЛЛ електричний струм створює стовп розряду між розігрітими електродами, в індукційній (безелектродній) газовий розряд високочастотний створюється електромагнітним полем.

Існує 5 видів безелектродних ламп, з яких розглядається тільки перший:

1) Ртутні індукційні люмінесцентні лампи;

Найбільш освоєні із них:

т. «QL» фірми «Philips» (Нідерланди),

т. «Endura» фірми «Osram» (Німеччина),

т. «Genura» фірми «General Electric» (С ША).

2) мікрохвильові (СВЧ), сірчані;

3) фосфоресціюючи;

4) радіоактивного принципу дії;.

5) біоактивного принципу дії.

В основі роботи ІЛ закладено три основних принципи:

• ємнісного розряду (Е-розряд).

Герметична розрядна колба розміщується між двома металевими пластинами (аналог конденсатора), на які подається напруга ВЧ. Характеризується низькою ефективністю розряду і швидким зносом люмінофора.

• Мікрохвильової плазми (СВЧ-розряд).

Застосовується джерело СВЧ (кілька ГГц). Характеризується великими габаритами виробу і високою вартістю.

• індукційного розряду (І-розряд).

Індукційна котушка охоплює розрядну трубку або розміщується всередині неї. Змінний магнітний потік котушки створює електричне поле, що підтримує плазму розряду. Цей принцип найбільш прийнятний для розробки ІЛ освітлювальних установок.

Переваги ІЛ: різноманітність форм ДС, широкий діапазон світлового потоку, відсутність електродів, дуже великий термін служби, незалежність терміну служби від числа циклів «включено-вимкнено», миттєве запалювання, відсутність мерехтіння при роботі.

Недоліки ІЛ: великі розміри розрядної трубки, обмежений діапазон потужності, щодо низький світловий потік (Ф_max = 12000 лм), чутливість до температури навколишнього середовища, нестандартні характеристики ламп, різне конструктивне виконання у різних виробників, висока вартість комплекту «лампа ЕПРА».

Уявлення про конструктивне виконання сучасної безелектродної індукційної лампи т. «QL» (фірми «Philips») дає рисунок 15.

Рисунок 15 – Констукція ІЛ типу «QL»:

1 – колба; 2 - шар люмінофора; 3 - порожнина для індуктора; 4 - ніжка;

5 - капсула з амальгамою на ніжці; 6 - основна капсула з амальгамою;

7 – лампотримач

Основні елементи індукційної лампи:

1) Колба (1) для створення об'ємного газового розряду.

2) Шар люмінофора (2), наноситься на внутрішню поверхню колби, для перетворення невидимого ультрафіолетового випромінювання у видиме.

3) Порожнина індуктора (3), для розміщення джерела електромагнітного поля.

4) Ніжка (4), межа порожнини феритового сердечника.

5) Капсула з амальгамою (5) на ніжці (допоміжна).

6) Основна капсула з амальгамою (6), для створення умов виходу лампи в робочий режим і забезпечення стабільності роботи її.

7) Лампотримач (7), для кріплення в світильнику.

Принцип дії ІЛ пояснює рисунок 16.

Для запуску лампи формується запалюючий імпульс з напругою близько 1300 В і тривалістю 15 мс. Індуктор (феритовий сердечник з обмоткою) аналогічний первинній обмотці трансформатора, по якій іде струм Ip. Роль вторинної обмотки виконує розряд у парах ртуті низького тиску,

Створюване електромагнітне поле (Is) високої частоти (ВЧ) індуктором забезпечує газовий розряд у парах ртуті. Виникає ультрафіолетове випромінювання (УФВ), на яке впливає люмінофорне покриття. Люмінофорне покриття перетворює УФВ у видиме світло.

Рисунок 16 – Принцип дії ІЛ:

1 феритовий сердечник; 2 - атом ртуті; 3 - УФ-випромінювання;

4 - видиме світло; 5 - люмінофорному покриття [11].

 

Світлодіоди

Світловипромінювальний діод (СД) - це мікромініатюрне напівпровідникове джерело світла (ДС), в якому випромінювання виникає на напівпровідниковому переході в результаті рекомбінації електронів і «дірок».

Рекомбінація (в напівпровідниках) - це зникнення пари «електрон провідності - дірка»в результаті переходу із зони провідності у валентну зону.

СД виготовляють з напівпровідникових матеріалів високої чистоти, додаючи незначну кількість домішок. Ці домішки створюють або надлишок електронів (тип «n»), або надлишок «дірок» (тип «р»). Заряд електрона - негативний, а «дірки» - позитивний. У місці контакту матеріалів «р» і «n» типів утворюється напівпровідниковий «р-n» перехід.

Схематичний вид СД з «р-n» переходом представлений на рисунку 17.

Рисунок 17 - Схематичний вигляд СД з «р-n» переходом

Якщо до цей перехід подати невелику напругу (декілька вольт) прямої полярності (до «n»-матеріалу - «мінус», а до «р»-матеріалу - «плюс»), то електрони і «дірки» будуть переміщатися назустріч один одному. У зоні контакту при рекомбінації вони будуть випускати «фотони».

Світіння виникає на межі напівпровідників і виходить назовні у вигляді «фотонів» крізь один з матеріалів і через зазор між ними.

Конструкція СД. Типова конструкція СД представлена на рисунку 18.

 

 

Рисунок 18 - Типова конструкція СД:

1 – випромінюючий елемент; 2 – скло; 3 – лінза; 4 – металевий корпус;

5 – ізолююча основа; 6 – катод; 7 – анод

Світлодіодне ДС складається з:

а) випромінюючого елемента (1) - напівпровідникового кристала «р-n» переходу, укладеного в металевий корпус (4), скло (2) і ізолюючу основу (5);

б) лінзи (3), що фокусує світло від кристала (1) і захищає кристал від вологи та корозії;

в) контактів (6 та 7) для підключення до джерела постійного струму.

До «катода» (6) контакт приєднується зварюванням із застосуванням золотого дроту, а до «аноду» - пайкою або струмопровідним клеєм. Енергія, споживана світлодіодом, частково перетворюється на світло, а частково в тепло, нагріваючи його. Збільшення на переході температури понад 80 ° С призводить до різкого зниження світлового потоку, що вимагає тепловідведення. Однак, зміна температури на переході не впливає, практично на довжину хвилі випромінювання.

Відведення тепла можна поліпшити трьома способами:

1) Збільшенням контактної площі, особливо поблизу «анода».

2) Збільшенням відстаней між СД, розташованими на платі.

3) Гарним тепловим контактом СД з платою.

На рисунку 19 представлені інші види конструкцій світло діодів [11].

Рисунок 19 – Конструкції деяких типів СД:

а) безкорпусний; б) в металлоскляному корпусі, в) з полімерною лінзою;

г) у полімерному корпусі; 1 - кристал; 2 - полімерний захист (лінза),

3 - ніжка; 4 - полімерний корпус [12]

СДбілого світіння

Основою загального робочого освітлення є світлодіоди білого світіння. Отримати біле світіння можна одним з трьох способів:

1) Змішанням випромінювання СД трьох і більше кольорів (наприклад, червоного, зеленого і блакитного). Ефективність найбільша, але необхідно мати багато контактних виводів, кілька діодів з різними напругами та інші додаткові пристрої для формування спектру світла, що створює незручності.

2) Змішанням блакитного світіння СД з випромінюванням люмінофора (наприклад, жовто-зеленого або зелено-червоного), збуджуваного цим світінням. Цей спосіб найбільш простий і економічний.

Підбором кристалів створюється спектр випромінювання для порушення люмінофора. Кристал покривається шаром гелю з порошком люмінофора. Товщина шару така, щоб частину блакитного випромінювання збуджував люмінофор, а частина проходила, без поглинання.

3) Змішанням випромінювання 3-х люмінофорів (червоного, зеленого і блакитного), збуджуваних ультрафіолетовим СД. Використовуються принципи і люмінофори ЛЛ. На випромінювач всього 2 контактних вводи, однак, великі втрати на перетворення випромінювання в люмінофорах. Ефективність менше, тому що різні люмінофори мають різні спектри збудження.

Висновок. З’єднанням випромінювань більше 3-х кольорів можна отримати білий світ з індексом перенесення кольорів близьким до 100%. В даний час отримані білі СД, що мають світловіддачу не менше 30 лм / Вт (теоретичну межу - 300 лм / Вт), що вище, ніж у ламп розжарювання [11].

Прийнято наступний розподіл світлодіодів на групи:

♦ світлодіоди з струмом живлення менше 30 мА, силою світла 500 - 1000 мкд, які застосовуються для сигналізації в системах відображення інформації;

♦ світлодіоди із струмом живлення 30-100 мА, силою світла 1-3 кд, використовуються як для сигналізації в системах відображення інформації, так і для освітлення;

♦ світлодіоди із струмом живлення більше 100 мА, світловий потік яких становить понад 10 лм, призначені для освітлення;

♦ світлодіоди зі спеціальними пристроями для оптимізації робочих режимів.

Основними показниками світлодіодів, які визначають їх ефективність, є квантовий вихід, коефіцієнт корисної дії, довговічність і світлова віддача.

Під квантовим виходом розуміється кількість випроменених квантів світла на одну рекомбіновану електронно-дірковий пару, виражене у відсотках. Розрізняють внутрішній і зовнішній квантовий вихід. Внутрішній - це характеристика самого р-n-переходу, його конструкції і матеріалу, зовнішній квантовий вихід визначає характеристику приладу в цілому. Різниця між внутрішнім і зовнішнім квантовим виходом обумовлена втратами в матеріалі світлодіода. Внутрішній квантовий вихід для кристалів з хорошим тепловідводом досягає майже 100%. Максимальне значення зовнішнього квантового виходу для червоних світлодіодів складає 55%, а для синіх - 35%. Зовнішній квантовий вихід - одна з основних характеристик ефективності світлодіода.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) також є показником ефективності використання світлодіодом електричної енергії. ККД сильно залежить від форми спектра і може бути наближено визначений через значення енергії кванта світла в спектральному максимумі.

До основних переваг світлодіодів відносять їх високу надійність і довговічність. Термін служби світлодіодів сягає 100 тис. г.

За досягнутим значенням світлової віддачі світлодіоди давно обігнали лампи розжарювання і впритул наблизилися до люмінесцентних ламп. Так, створені світлодіоди білого кольору зі світловіддачею 25-30 лм/Вт, колірною температурою Т_к = 6000-8500 К і загальним індексом перенесення кольорів R_a = 80, а кольорові (червоні) - зі світловою віддачею 50 лм/Вт. [12].