Среди газоразрядных осветительных приборов широкую известность получили люминесцентные лампы. Они изготавливаются в форме стеклянных цилиндров, на внутреннюю поверхность которых нанесен слой люминофора. Принцип работы люминесцентной лампы состоит в появлении внутри колбы газового разряда в газовой среде, смешанной с разреженными ртутными парами. Далее под влиянием ультрафиолетового излучения начинает светиться люминофор, являющийся источником основного светового потока.
Как появились люминесцентные лампы
Прежде чем рассматривать вопрос, как работает люминесцентная лампа, необходимо хотя бы в общих чертах изучить историю ее появления. Впервые эффект свечения наблюдал известный русский ученый М.В. Ломоносов еще в середине 18 века. В эксперименте был использован стеклянный шар, наполненный водородом. После того как к нему был приложен электрический ток, шар начал испускать видимый свет. Однако это устройство не рассматривалось в качестве источника освещения, а полноценная работа в этой области началась уже в 19 веке.
В 1856 году немецкому стеклодуву Гейслеру удалось откачать воздух из стеклянной колбы с помощью изобретенного им же вакуумного насоса. Используя высоковольтную катушку, он вызвал внутри колбы свечение зеленоватого цвета. Данное устройство получило название трубки Гейслера. Немного позднее, в 1859 году Александр Беккерель осуществил покрытие трубок изнутри веществами, обладающими люминесцирующими свойствами.
Именно с этого момента началось развитие технологий данного типа освещения. Проводимые работы так и остались экспериментами, но сама идея получила дальнейшее развитие на практике.
Первую демонстрацию трубок Гейслера в 1891 году провел американский ученый Никола Тесла. Он на практике показал возможность светиться у трубок с различными покрытиями под действием высокочастотного электрического поля. В этом же году Тесла получил патент на аргоновые газоразрядные лампы, спроектированные для систем освещения.
Первые лампы для светильника на основе ртути удалось получить американцу Питеру Хьюитту. Ртутные пары светились мягким сине-зеленым светом, а по техническим характеристикам эти устройства превосходили лампы Эдисона. Однако полученные цветовые оттенки не нашли широкого применения в искусственном освещении.
Ровное белое свечение было получено в 1926 году немецким изобретателем Эдмундом Гермером. На внутреннюю часть колбы наносился флуоресцентный порошок – люминофор, после чего внутри нее увеличивалось давление. Свет от такого источника был гораздо ярче по сравнению с лампами накаливания. Конструкция этих устройств считается максимально близкой к современным люминесцентным лампам.
С 1934 года компания General Electric приобрела патент и приступила к выпуску осветительных приборов нового типа. Они сразу же приобрели широкую популярность и стали повсеместно использоваться в искусственном освещении вместо обычных лампочек.
Особенности конструкции
Колбы всех ламп, независимо от конфигурации, всегда имеют цилиндрическую форму. Их наружный диаметр составляет 12, 16, 26 и 38 мм. Чаще всего источники света изготавливаются прямыми, но некоторые из них сформированы в кольцо, букву U, спираль и т.д.
Устройство люминесцентной лампы предполагает герметичное соединение торцов со стеклянными ножками, внутри которых установлены зажигательные электроды. Они изготавливаются из вольфрама и закручиваются в спираль, так же как у обычных ламп накаливания. Снаружи электроды соединяются со штырьками цоколя, выполняющими функцию контактов. Устройства прямой и U-образной формы для светильника оборудованы двумя видами цоколей – G5 и G13. В указанной маркировке цифры означают размер зазора между штыревыми контактами в миллиметрах.
Рассматривая вопрос, как устроена лампа, следует помнить, что в одну из стеклянных ножек впаян специальный штенгель, через который производится откачка воздуха изнутри колбы. После этого внутрь закачивается инертный газ с небольшим количеством ртути, примерно 30 мг. Вместо чистой ртути может использоваться амальгама, представляющая собой ее сплавы с такими металлами, как индий, висмут и другие. Вольфрамовые электроды покрываются активирующим веществом. Для этой цели используются оксиды бария, кальция или стронция. В некоторых случаях к ним добавляется торий.
Основной функцией электродов является отдача и прием ионов и электронов, обеспечивающих течение электрического тока в пространстве, где образуется разряд. Чтобы запустить процесс термоэмиссии, они разогреваются до температуры 1100-1200 градусов. Электроны начинают вылетать с поверхности активирующего вещества. В процессе эксплуатации слой этих веществ постепенно уменьшается, происходит его оседание на стеклянных стенках, что делает зависимым от этого общий срок эксплуатации люминесцентной лампы.
Максимальное ультрафиолетовое излучение ртути достигается наиболее эффективным использованием разряда. Для этого внутри колбы должна поддерживаться определенная температура. Ее диаметр определяется именно этим техническим условием.
Работоспособность лампы для светильника во многом зависит от плотности тока. Чтобы найти эту величину, необходимо значение тока разделить на площадь сечения цилиндра. Мощность лампы находится в прямой зависимости с ее длиной, поэтому просто так колбу нельзя сделать короче. В связи с этим, габариты стали уменьшаться за счет измененной конфигурации, при которой общая протяженность изделия остается прежней.
Как работает устройство с люминофором
Принцип работы люминесцентных ламп во многом зависит от ее конструкции. Газ, наполняющий внутреннее пространство колбы, создает электропроводную среду с отрицательным сопротивлением. Его проявление заключается в изменении напряжения между электродами, расположенными с противоположных сторон. Напряжение начинает снижаться при возрастании тока, который требует ограничения.
Включение в работу люминесцентной лампы для светильника осуществляется при помощи электромеханической пускорегулирующей аппаратуры – ЭмПРА. Основными компонентами данной схемы служат дроссель и стартер. Первое устройство создает импульс напряжения с большой величиной, обеспечивающий зажигание. Второй компонент представляет собой лампу тлеющего разряда, внутри которой в газовой среде размещаются два электрода. Один электрод является биметаллической пластиной, а в исходном положении они оба разомкнуты.
Запуск лампы и ее принцип действия происходят в следующей последовательности:
- В пусковую схему изначально поступает напряжение. Изначально ток не будет проходить через лампу, поскольку он ограничивается высоким сопротивлением внутренней среды. Он попадает на спирали катодов и производит их разогрев. Одновременно ток идет на стартер и дает толчок к образованию внутри него тлеющего разряда.
- После того как под действием тока контакты дросселя разогреются, наступает замыкание биметаллической пластины. В результате, металл становится проводником и действие разряда прекращается.
- На следующем этапе происходит остывание биметаллического электрода, что приводит к размыканию контактов. В дросселе под влиянием самоиндукции образуется импульс высокого напряжения, дающий толчок к зажиганию лампы.
- Ток, проходящий через лампу для светильника, постепенно уменьшается в два раза из-за падения напряжения на дросселе. Его не хватает, чтобы повторно запустить стартер с разомкнутыми контактами, но сама лампа будет продолжать свою работу.
Если в один светильник установлены сразу две светящиеся лампы, схема включения предусматривает для них общий дроссель. Подключение ламп осуществляется последовательно, однако к каждой из них параллельно подключен собственный стартер. При выходе из строя одной из ламп, вторая также отключается. В схеме включения рекомендуется устанавливать только качественные выключатели. У бюджетных моделей возможно залипание контактов под влиянием пусковых токов. Поскольку дроссель и стартер являются основными компонентами пусковой схемы, их работу следует рассмотреть более подробно.
Дроссель: назначение и устройство
Люминесцентные светильники не могут быть включены как обычные лампы, одной лишь подачей электроэнергии. Для того чтобы они заработали и начали светиться, необходимо использовать специальную пускорегулирующую аппаратуру.
Ток, протекающий через электроды требуется ограничить, поэтому в схеме используется сопротивление, называемое балластом. Его функции выполняет дроссель, в котором присутствует реактивное сопротивление, не выделяя при этом лишнего тепла. Он ограничивает ток, тем самым предупреждая его нарастание после подключения к сети.
Помимо включения, дроссель в пусковой схеме выполняет следующие функции:
- Создает безопасный ток, достаточный для быстрого разогрева электродов в лампе при розжиге.
- В обмотке образуется импульс высокого напряжения, благодаря которому внутри колбы возникает разряд.
- Стабилизирует разряд при достижении током номинального значения.
- Обеспечивает устойчивую работу лампы, несмотря на скачки и перепады сетевого напряжения.
Основным элементом дросселя служит катушка индуктивности, которая состоит из проводов, намотанных на сердечник. Именно она выполняет основную ограничивающую функцию. Вся конструкция залита компаундом – специальной массой, устойчивой к возгоранию. За счет этого обеспечивается дополнительная изоляция проводов. Катушка помещается в корпусе из термоустойчивой пластмассы.
Функции стартера в схеме подключения
Вторым компонентом, входящим в состав пускорегулирующей аппаратуры, является стартер, имеющий довольно простую конструкцию. Продукция разных производителей отличается собственными параметрами и техническими характеристиками, которые необходимо учитывать при покупке ламп. Однако устройство и принцип работы этих приборов одинаковый.
Конструкция стартера выполнена в виде стеклянного баллона, заполненного инертным газом – неоном или смесью водорода с гелием. В цоколь баллона неподвижно впаяны металлические электроды, выведенные наружу. Сама стеклянная конструкция располагается в металлическом или пластмассовом корпусе, покрытом термоизоляционным составом.
Параллельно с электродами подключен конденсатор емкостью 0,003-0,1 мкф, предназначенный для борьбы с радиопомехами, возникающими при контакте электродов. Кроме того, данный элемент принимает участие в запуске лампы и понижает величину импульса напряжения, возникающего во время размыкания электродов. Параллельное включение конденсатора существенно понижает вероятность залипания электродов под действием электрической дуги.
Основной функцией стартера является замыкание и размыкание электрической цепи, запуск механизма розжига инертного газа, закачанного в колбу. При замыкании цепи электроды самой лампы нагреваются, и весь процесс зажигания заметно облегчается. После нагрева цепь разрывается с одновременным образованием импульса повышенного напряжения, пробивающего газовый промежуток колбы. Такой принцип работы каждого стартера.
Несмотря на устойчивую и долговременную работу, схемы ЭмПРА с использованием стартера считается несовершенной. Рабочий процесс нередко сопровождается мерцанием, шумом дросселя и другими неприятными явлениями. Поэтому все современные люминесцентные лампы работают с более совершенной электронной пусковой схемой – ЭПРА.
Подключение через электронный балласт – ЭПРА
Схема ЭПРА с люминесцентными лампами функционирует на основе полупроводниковых элементов, что позволило снизить габариты и повысить качество работы этих устройств. Заметно возросли сроки эксплуатации, повысился КПД, появилась возможность плавной регулировки яркости, увеличился коэффициент мощности.
В состав схемы электронного пускорегулирующего устройства входят следующие компоненты:
- Устройство для выпрямления тока и напряжения.
- Фильтр электромагнитных излучений.
- Корректор для регулировки коэффициента мощности.
- Фильтр сглаживания напряжения.
- Инверторная схема.
- Элемент с функциями дросселя.
Схема ЭПРА может быть мостовой или полумостовой. Первый вариант предназначен для очень мощных ламп, а второй используют все остальные люминесцентные лампы низкого давления.
В основе работы электронного балласта лежат увеличенные частотные характеристики, обеспечивающие равномерное свечение, без каких-либо мерцаний. Современные микросхемы, используемые в конструкции, позволили существенно уменьшить размеры устройства и обеспечить равномерный подогрев электродов. Благодаря ЭПРА, люминесцентная лампа может быть автоматически подстроена под конкретные технические характеристики.
