Люминесцентные лампы и их характеристики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Часть 1. Люминесцентные лампы и их характеристики

Классификация люминесцентных ламп, характеристики обычных люминесцентных ламп, зависимость параметров ламп от напряжения сети, зависимость характеристик от окружающей температуры и условий охлаждения, изменение характеристик люминесцентных ламп в процессе горения, энергоэкономичные люминесцентные лампы, зарубежные люминесцентные лампы, компактные люминесцентные лампы, безэлектродные люминесцентные лампы.

Классификация люминесцентных ламп

Люминесцентные лампы (ЛЛ) делятся на осветительные общего назначения и специальные. К ЛЛ общего назначения относят лампы мощностью от 15 до 80 Вт с цветовыми и спектральными характеристиками, имитирующими естественный свет различных оттенков. Для классификации ЛЛ специального назначения используют различные параметры. По мощности их разделяют на маломощные (до 15 Вт) и мощные (свыше 80 Вт); по типу разряда на дуговые, тлеющего разряда и тлеющего свечения; по излучению на лампы естественного света, цветные лампы, лампы со специальными спектрами излучения, лампы ультрафиолетового излучения; по форме колбы на трубчатые и фигурные; по светораспределению с ненаправленным светоизлучением и с направленным (рефлекторные, щелевые, панельные и др.).

Маркировка обычно состоит из 2-3 букв. Первая буква Л означает люминесцентная. Следующие буквы означают цвет излучения: Д - дневной; ХБ - холодно-белый; Б - белый; ТБ - теплобелый; Е - естественно-белый; К, Ж, 3, Г, С - соответственно красный, желтый, зеленый, голубой, синий; УФ - ультрафиолетовый. У ламп с улучшенным качеством цветопередачи после букв, обозначающих цвет, стоит буква Ц, а при цветопередаче особо высокого качества - буквы ЦЦ. В конце ставят буквы, характеризующие конструктивные особенности: Р - рефлекторная, У - U-образная, К - кольцевая, А - амальгамная, Б - быстрого пуска. Цифры обозначают мощность в ваттах. Маркировка ламп тлеющего разрада начинается с букв ТЛ.

Характеристики обычных ЛЛ

В табл.1 приведены характеристики наиболее распространенных ЛЛ дневного света. Обозначения: Р - мощность; U -напряжение на лампе; I - ток лампы; R -световой поток; S - световая отдача.

Зависимость параметров ламп от напряжения сети

При изменении напряжении сети в пределах + 10% изменение параметров лампы можно определить из соотношения dX/X = Nx dUc/Uc, где X - соответствующий параметр лампы; dX - его изменение; Nx - коэффициент для соответствующего параметра. Для схемы с дросселем коэффициенты имеют следующие значения: для силы света Ni = 2,2; для мощности Np = 2,0; для светового потока Nф = 1,5. В схеме с емкостно-индуктивным балластом величины Nx несколько меньше.

При падении напряжения сети ниже допустимого ухудшаются условия перезажигания. Повышение напряжения выше допустимого вызывает перекал катодов и перегрев пускорегулирующих устройств. И в том, и в другом случае происходит значительное сокращение срока службы ламп.

Таблица 1

Таблица 3

Все многообразие выпускаемых в настоящее время КЛЛ можно разделить на четыре основные группы.

Без внешней оболочки, с разрядной трубкой Н- или П-образной формы, специальным цоколем, выносной пускорегулирующей аппаратурой (ПРА) и встроенным стартером (рис.4,а), где 1 - разрядная трубка; 2 - специальный цоколь G23 с вмонтированным внутри его стартером и конденсатором).

С призматической или опаловой внешней оболочкой, сложно изогнутой разрядной трубкой, стандартным резьбовым (или штифтовым) цоколем и встроенным стартером и ПРА (рис.4,б), где 1 - разрядная трубка; 3 -дроссель; 4 - внешняя колба; 5 - полая часть корпуса, внутри которой смонтированы дроссель, стартер, конденсатор, тепловой выключатель).

Кольцевые, без внешней оболочки, со стандартным резьбовым (или штифтовым) цоколем и встроенным стартером и ПРА (рис.4,в).

Со стеклянной внешней оболочкой, сложно изогнутой разрядной трубкой, специальным цоколем, выносным стартером и ПРА.

В первую группу входят КЛЛ, получившие наибольшее распространение. Лампы имеют разрядную трубку с диаметром 12,5 мм и снабжены специальным двухштыревым цоколем G23. Они выпускаются отечественной промышленностью (под маркой КЛ/ТБЦ) и рядом зарубежных фирм. Лампы наполнены аргоном при давлении 400 Па, что обеспечивает нормальную работу катодов и условия разряда. Лампы легко зажигаются даже при температурах до -20°С, время зажигания не превышает 10 с. Основные параметры таких ламп приведены в табл.3.

Серия КЛЛ повышенной мощности состоит из трех ламп мощностью 18, 24 и 35 Вт длиной 251, 362 и 443 мм, с номинальным световым потоком соответственно 1250, 2000 и 2500 лм и сроком службы 5000 ч. Лампы изготавливают в трубках увеличенного до 15 мм диаметра и монтируют на специальном 4-штыревом цоколе.

Во вторую группу входят довольно распространенные за рубежом КЛЛ со стеклянной или пластмассовой внешней оболочкой и стандартным резьбовым цоколем Е27 (см. рис.4,б). Внутри оболочки смонтированы ПРА, стартер и дважды U-образно изогнутая разрядная трубка. Основные параметры КЛЛ этого типа (отечественные КЛС.../ТБЦ и выпускаемые за рубежом (SL) приведены в табл.3 (РЭ2/2001) (вторая группа).

Ввиду того что разрядные трубки в этом виде ламп работают в закрытой внешней оболочке при температурах, заметно превышающих оптимальную, и нет возможности искусственно создать холодную зону, разрядные трубки наполняют амальгамой ртути.

Лампы предназначены для непосредственной замены ламп накаливания и дают большую экономию электроэнергии. К их недостаткам относят сравнительно большие габариты и особенно массу по сравнению с лампами накаливания, неразборность конструкции, в силу чего после выхода из строя разрядной трубки приходится заменять целиком всю лампу, включая дроссель. В связи с этим некоторые зарубежные фирмы выпускают такие лампы в разборном исполнении. люминесцентный лампа стартер напряжение

В третью группу входит семейство кольцевых КЛЛ с резьбовым цоколем и встроенным ПРА, смонтированным в пластмассовом корпусе, расположенном по диаметру кольцеобразной разрядной трубки (см. РЭ2/2001, рис.4,в). Световая отдача кольцевых КЛЛ даже с полупроводниковыми ПРА уступает световой отдаче Н-образных КЛЛ соответствующих мощностей. Удобство кольцевых КЛЛ состоит в том, что ими можно непосредственно заменять лампы накаливания в осветительном приборе. В четвертую группу входят лампы, имеющие цилиндрическую или грушевидную внешнюю оболочку, специальный 4-штыревой цоколь, выносные ПРА и стартер. Эти лампы имеют более низкие световые отдачи по сравнению с Н- и П-образными КЛЛ. Поэтому данные об этих лампах не приводятся.

Основные экономические преимущества КЛЛ - значительная экономия электроэнергии и уменьшение необходимого количества ламп для выработки одинакового количества люмен-часов по сравнению с лампами накаливания.

Современные КЛЛ сложны в производстве. Поэтому ведутся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на усовершенствование таких ламп.

Безэлектродные КЛЛ

В этих лампах для возбуждения свечения люминофоров используется разряд в парах ртути низкого давления в смеси с инертными газами (аргоном, криптоном). Поддержание заряда осуществляется за счет энергии электромагнитного поля, которое создается в непосредственной близости от разрядного объема. Создание безэлектродных КЛЛ стало возможным благодаря современной микроэлектронике, которая позволила создать малогабаритные и сравнительно дешевые источники высокочастотной энергии с высоким КПД.

Все возможные типы безэлектродных ламп состоят из трех основных узлов: малогабаритного источника ВЧ энергии, устройства для эффективной передачи ВЧ энергии в разряд, называемого индуктором, и разрядного объема. Различия в устройстве и конструкции узлов определяются выбранной для возбуждения разряда высокой частотой. В настоящее время известны три основных типа безэлектродных КЛЛ с примерно одинаковыми энергетическими параметрами: с тороидальным индуктором на ферромагнитном сердечнике (частоты от 25 до 1000 кГц), с соленоидальным индуктором (частоты от 3 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (с частотой свыше 100 МГц).

Анализ показал, что в настоящее время наиболее целесообразно использовать конструкцию с соленоидальным индуктором и внешним по отношению к нему расположением разрядного объема. Конструкция подобной лампы показана на рис.5, где 1 - цоколь Е-27; 2 - блок автогенератора; 3 - наполнение, ртуть и инертный газ, 4 - соленоидальный индуктор; 5 - люминофорный слой; 6 - цилиндрическая полость в колбе; 7 - стеклянная колба. Экспериментальные образцы безэлектродных КЛЛ с соленоидальным индуктором (на частоте 18 МГц) мощностью 30 Вт на сетевое напряжение 220 В 50 Гц с диаметром внешней колбы 75-85 мм имеют световую отдачу 30-40 лм/Вт. При этом ферритовый сердечник разогревается до 300°С.

В настоящее время ни в одной стране нет промышленного выпуска безэлектродных КЛЛ и выпускают только экспериментальные образцы.

Часть 2. Люминесцентные лампы и их характеристики

Пускорегулирующая аппаратура люминесцентных ламп, схемы пускорегулирующих аппаратов (ПРА), стартеры, зажигание лампы с помощью стартера, стартеры тлеющего разряда, тепловые (термобиметаллические) стартеры, полупроводниковые стартеры, двухламповая схема включения, основные параметры некоторых типов ПРА.

Пускорегулирующая аппаратура люминесцентных ламп

Большинство современных ЛЛ предназначено для работы в электрических сетях переменного тока. Они включаются в сеть только вместе с пускорегулирующим аппаратом (ПРА), который обеспечивает зажигание ламп и нормальный режим их работы.

Схемы ПРА классифицируют по типу балласта и способу зажигания лампы. Чаще всего применяют индуктивный балласт, реже - индуктивно-емкостной. Балласты в виде активного сопротивления или чистой емкости применяют только в специальных случаях.

По способу зажигания ламп схемы и ПРА делят на стартерные и бесстартерные. Последние, в свою очередь, подразделяют на схемы быстрого и мгновенного зажиганий.

Для облегчения зажигания ламп, работающих в сети без дополнительного трансформатора, широко применяют предварительный нагрев электродов до температуры, обеспечивающей термоэмиссию, достаточную для зажигания разряда при более низких напряжениях. Нагрев производится путем их кратковременного включения в цепь тока, что достигается замыканием контакта соответствующего устройства (стартера, динистора и др.). При последующем размыкании контакта возникает импульс напряжения, превышающий напряжение сети. Этот импульс, приложенный к лампе с еще не успевшими остыть электродами, должен зажечь в ней разряд. Для этого нужно, чтобы импульс имел некоторую минимальную амплитуду и энергию. Наиболее распространенные стартерные схемы включения ламп в сеть через дроссель показаны на рис.6 (а - схема с ключом или стартером тлеющего разряда; б - с термобиметаллическим стартером; в - с простейшим электронным стартером). Обозначения на рис.6: 1 - люминесцентная лампа; 2 - дроссель; 3 - ключ или контакты стартера; 4 - конденсатор; 5 -нагреватель; 6 - диод; 7 - динистор.

Величина импульса напряжения зависит от индуктивности дросселя, сопротивления электродов, мгновенного значения тока в момент разрыва цепи, а также от вольт-амперной характеристики переходных процессов в стартере. Поскольку момент разрыва случаен, пик напряжения может также иметь случайные значения от нуля до наибольшей величины.

Стартеры

Кратковременное замыкание и последующее размыкание цепи можно производить вручную при помощи ключа или автоматически с помощью специального устройства, называемого стартером. Существуют следующие типы стартеров: тлеющего разряда, тепловые, электромагнитные, термомагнитные, полупроводниковые и др.

Процесс зажигания лампы с помощью стартера можно разбить в общем случае на четыре стадии: подготовительная -с момента подачи напряжения до замыкания стартера; нагрев электродов лампы - с момента замыкания до момента размыкания; попытка зажигания - в момент размыкания;

подготовка стартера к следующему включению. У отдельных типов стартеров может отсутствовать первая стадия.

С точки зрения оптимальных условий зажигания лампы желательно сократить или исключить первую стадию, поскольку она задерживает момент зажигания лампы, обеспечить время контактирования, достаточное для нагрева электродов до температуры, при которой происходит значительное снижение напряжения зажигания разряда, и обеспечить при размыкании цепи стартера возникновение импульса напряжения достаточной величины и длительности для зажигания разряда. Кроме того, к стартеру предъявляют требования максимальной простоты, высокой надежности и др. Эти требования в известной мере противоречивы, поэтому при конструировании стартера приходится искать компромиссные решения.

Наибольшее распространение получили стартеры тлеющего разряда (рис.7, где а - внутреннее устройство; б - откачанный стартер, смонтированный с конденсатором на контактной панели; в - внешний вид собранного стартера в футляре). Стартер представляет собой миниатюрную лампу, у которой один или оба электрода сделаны из биметаллической пластинки. В обычном состоянии электроды находятся на небольшом расстоянии друг от друга. При включении напряжения между ними возникает тлеющий разряд, нагревающий биметаллические пластинки, которые от нагрева изгибаются и замыкают цепь (1-я стадия тлеющего разряда). С этого момента через электроды лампы идет ток короткого замыкания, нагревающий их до высокой температуры (2-я стадия). Как только контакт замкнется, разряд в стартере погаснет; биметаллические пластины остывают и, возвращаясь в нормальное состояние, размыкают цепь.

В момент размыкания возникает импульс повышенного напряжения, который зажигает разряд в лампе (3-я стадия). При установлении дугового разряда в лампе напряжение на ней падает до напряжения горения. Стартер делается с таким расчетом, чтобы напряжение, при котором в нем возникает тлеющий разряд, было выше рабочего напряжения на лампе и ниже минимального напряжения в сети. Поэтому при горящей лампе разряд в стартере не возникает, биметаллические пластинки остаются холодными и цепь стартера - разомкнутой. Если лампа не зажглась после первого размыкания, то стартер начинает повторять процесс снова до тех пор, пока лампа не загорится.

Длительности стадий тлеющего разряда и контактирования определяются расстоянием между биметаллическими электродами и скоростями нагрева и остывания, которые в свою очередь зависят от их конструкции, а также от состава и давления наполняющего газа.

У стартеров промышленных типов длительность стадии тлеющего разряда составляет в среднем 0,3... 1 с. Длительность отдельного контактирования 0,2...0,6 с, что недостаточно для прогрева электродов. Поэтому зажигание происходит обычно после двух-пяти попыток. Стартеры несимметричной конструкции (с одним электродом в виде биметаллической пластины и другим в виде проволочки) имеют несколько большее время контактирования, чем стартеры симметричной конструкции. Однако величина импульса напряжения в них зависит от полярности электродов в момент разрыва контактов. Кроме того, при работе в схемах с емкостным балластным устройством период тлеющего разряда в несимметричных стартерах больше.

Стартер монтируют на изолирующей панельке с двумя штырьками и закрывают металлическим или пластмассовым футляром. Стартеры имеют стандартные размеры (рис.7). В футляр вмонтирован миниатюрный конденсатор небольшой емкости, служащий для уменьшения радиопомех. Кроме того, он оказывает влияние на характер переходных процессов в стартере так, что способствует зажиганию лампы. Без конденсатора пик напряжения в стартере достигает весьма большой величины - порядка нескольких киловольт, но имеет очень малую длительность (1-2 мкс), вследствие чего энергия импульса оказывается очень малой. Включение конденсатора приводит к снижению пика до 400...900 В, возрастанию его длительности с 1 до 100 мкс и значительному увеличению энергии импульса.

Это объясняется тем, что при отсутствии конденсатора во время размыкания электродов стартера в последних точках контактирования металл нагревается током до очень высокой температуры, и возникают кратковременные местные дуговые разряды, на поддержание которых расходуется большая часть энергии, накопленной в индуктивности контура, поэтому на импульс напряжения, возникающий после погасания последней дуги, остается очень небольшая энергия. На рис.8 показаны осциллограммы напряжения на стартере (верхняя осциллограмма) и тока в цепи лампы в процессе зажигания.

Тепловые (термобиметаллические) стартеры. Преимуществом этих стартеров является отсутствие первой предварительной стадии, так как контакты при отсутствии тока замкнуты; более высокий пик зажигания и более длительное время контактирования, обычно порядка 2-3 с. Но у них есть и свои недостатки: они потребляют дополнительную мощность на поддержание нагревательного элемента в рабочем состоянии, более сложны по конструкции, более сложна схема их включения, они не сразу после отключения лампы готовы к работе. В силу этих причин их применяют только в особых случаях, например, для зажигания ламп в условиях низких температур.

Полупроводниковые стартеры. Существует ряд схем подобных стартеров. Все они работают по принципу ключа. Наиболее полно требованиям к стартерам отвечают полупроводниковые стартеры ждущего зажигания (рис.6,в, РЭЗ/01). Они обеспечивают достаточный во времени нагрев электродов и размыкание в определенной фазе напряжения, что гарантирует величину и длительность импульса. Другие типы стартеров употребляются весьма редко ввиду сложности конструкции.

Двухламповая схема включения. На рис.9 приведена схема двухлампового пуско-регулирующего аппарата с расщепленной фазой, обеспечивающая высокий коэффициент мощности установки и уменьшение пульсаций суммарного светового потока ламп (рис.9,а - схема; рис.9,б - векторная диаграмма токов и напряжения сети; в - осциллограмма изменения световых потоков ламп (1) и (2) и суммарного потока (1+2)). Для того чтобы суммарный ток совпадал по фазе с напряжением сети, необходимо обеспечить в опережающей ветви сдвиг, равный сдвигу в отстающей, т.е. около 60°, при этом cos ф установки достигает значения 0,9...0,95, а глубина пульсаций общего потока уменьшается до 25%. Обычно сдвиг фаз лежит в пределах от 90 до 120°.

В табл.4 даны основные параметры некоторых типов ПРА на номинальное напряжение 220 В при коэффициенте мощности около 0,5.

Таблица 4

Размещено на Allbest.ru