9.1. Устройство, принцип действия, классификация, параметры
Принцип построения полноразмерных люминесцентных ламп
Люминесцентная лампа (ртутная лампа низкого давления; далее по тексту — ЛЛ) является газоразрядным источником света (рис. 9.1 и 9.2).
Рис. 9.1. Полноразмерные люминесцентные лампы
Рис. 9.2. Строение полноразмерной люминесцентной лампы
Конструктивно она представляет собой стеклянную трубку с нанесенным на внутреннюю поверхность слоем люминофора. В торцы трубки введены вольфрамовые спиральные электроды. Для повышения эмиссионной способности на электроды наносится оксидная суспензия, изготовляемая из карбонатов или перекисей щелочноземельных металлов.
Внутри лампы находятся разреженные пары ртути и инертный газ (аргон). Давление ртутных паров в ЛЛ зависит от температуры стенок лампы и составляет при нормальной рабочей температуре 40 °C примерно 0,13-1,3 Н/м2 (10-2-10-3 мм рт. ст.).
Такое низкое давление обеспечивает интенсивное излучение разряда в ультрафиолетовой области спектра (преимущественно С длиной волны 184,9 и 253,7 нм). Под действием электрического напряжения (поля), приложенного к электродам, в лампе возникает газовый разряд.
При этом проходящий через пары ртути ток вызывает ультрафиолетовое излучение. На внутреннюю поверхность лампы нанесен слой особого вещества (люминофор). Наиболее распространенным люминофором является галофосфат кальция, активированный сурьмой и марганцем. Изменяя соотношение активаторов, можно получить люминофоры разных марок и изготавливать лампы разной цветности.
Ультрафиолетовое излучение, воздействуя на люминофор, заставляет его светиться, т. е. люминофор преобразует ультрафиолетовое излучение газового разряда в видимый свет. Стекло, из которого выполнена ЛЛ, препятствует выходу ультрафиолетового излучения из лампы, тем самым предохраняя наши глаза от вредного для них излучения.
#p.jpg_71 Примечание.
Исключением являются бактерицидные и ультрафиолетовые лампы; при их изготовлении применяется у виолевое или кварцевое стекло, пропускающее ультрафиолет.
Широкое распространение на сегодня получают ЛЛ с амальгамами In, Cd и других элементов. Более низкое давление паров ртути над амальгамой дает возможность расширить температурный диапазон оптимальных световых отдач до 60 °C вместо 18–25 °C для чистой ртути.
При повышении температуры окружающей среды сверх допустимой нормы (25 °C для чистой ртути и 60 °C для амальгам) возрастают температура стенок и давление паров ртути, а световой поток снижается.
#p.jpg_71 Примечание.
Еще более заметное уменьшение светового потока наблюдается при понижении температуры, а, значит, и давления паров ртути. При этом резко ухудшается и зажигание ламп, что делает невозможным их использование при температурах ниже -10 °C без утепляющих приспособлений.
В связи с этим представляют интерес безртутные ЛЛ с разрядом низкого давления в инертных газах. В этом случае люминофор возбуждается излучением с длиной волны от 58,4 до 147 нм. Поскольку давление газа в безртутных ЛЛ практически не зависит от окружающей температуры, неизменными остаются и их световые характеристики.
Проблема работы ЛЛ при низких температурах решена:
♦ использованием ЛЛ ламп Т5 (с диаметром трубки 16 мм);
♦ применением компактных люминесцентных ламп;
♦ питанием ЛЛ от высокочастотных электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА).
#s.jpg_29 Совет.
Световая отдача ЛЛ повышается при увеличении размеров (длины) за счет снижения доли анодно-катодных потерь в общем световом потоке. Поэтому рациональнее использовать одну лампу на 36 Вт, чем две по 18 Вт.
Срок службы ЛЛ ограничен дезактивацией и распылением (истощением) катодов. Отрицательно сказываются на сроке службы также колебания напряжения питающей сети и частые включения и выключения ламп. При использовании ЭПРА эти факторы сведены к минимуму.
Достоинства люминесцентных ламп
Широкое использование ЛЛ связано с тем, что они имеют ряд значительных преимуществ перед классическими лампами накаливания:
♦ во-первых, это высокая эффективность, КПД составляет 20–25 % (у ламп накаливания около 7 %), а светоотдача (т. е. количество излучаемых люменов на единицу потребляемой мощности) лежит в пределах 70-105 лм/Вт (у ламп накаливания 7-12 лм/Вт).
♦ во-вторых, длительный срок службы — до 20000 ч (у ламп накаливания — 1000 ч и сильно зависит от напряжения питания).
Известно, что оптическое излучение (ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное) оказывает на человека (его эндокринную, вегетативную, нервную системы и весь организм в целом) значительное физиологическое и психологическое воздействие, в основном благотворное.
Дневной свет — самый полезный. Он влияет на многие жизненные процессы, обмен веществ в организме, физическое развитие и здоровье. Но активная деятельность человека продолжается и тогда, когда солнце скрывается за горизонтом. На смену дневному свету приходит искусственное освещение.
Долгие годы для искусственного освещения жилья использовались (и используются) только лампы накаливания — тепловой источник света, спектр которого отличается от дневного преобладанием желтого и красного излучения и полным отсутствием ультрафиолета.
Кроме того, лампы накаливания, как уже упоминалось, неэффективны, их коэффициент полезного действия 6–8 %, а срок службы очень мал — не более 1000 ч. Высокий технический уровень освещения с этими лампами невозможен. Вот почему вполне закономерным оказалось появление ЛЛ — разрядного источника света, имеющего в 5-10 раз большую световую отдачу, чем лампы накаливания, и в 8-15 раз больший срок службы.
Преодолев различные технические трудности, ученые и инженеры создали специальные ЛЛ для жилья — компактные, практически полностью копирующие привычный внешний вид и размеры ламп накаливания и сочетающие при этом ее достоинства (компактность, комфортную цветопередачу, простоту обслуживания) с экономичностью полноразмерных ЛЛ.
Рис. 9.3. Сравнение теплого поля лампы накаливания и компактной люминесцентной лампы (справа).
Как видно из термографического рисунка, лампа накаливания (слева) 92–94 % электроэнергии преобразует в тепло и лишь 6–8 % — в свет, тогда как компактная люминесцентная лампа (справа), давая такой же световой поток, расходует на 80 % меньше электроэнергии.
В силу своих физических особенностей ЛЛ имеют еще одно очень важное преимущество перед лампами накаливания: возможность создавать свет различного спектрального состава — теплый, естественный, белый, дневной, что может существенно обогатить цветовую палитру домашней обстановки.
Не случайно существуют специальные рекомендации по выбору типа ЛЛ (цветности света) для различных областей применения (они будут приведены ниже).
Наличие контролируемого ультрафиолета в специальных осветительно-облучательных ЛЛ позволяет решить проблему профилактики «светового голодания» для городских жителей, проводящих до 80 % времени в закрытых помещениях.
Выпускаемые фирмой OSRAM ЛЛ типа BIOLUX, спектр излучения которых приближен к солнечному и насыщен строго дозированным ближним ультрафиолетом, успешно используются одновременно и для освещения, и для облучения жилых, административных, школьных помещений, особенно при недостаточности естественного света.
А специальные загарные ЛЛ типа CLEO (фирмы PHILIPS) предназначены для принятия «солнечных» ванн в помещении и для других косметических целей.
#o.jpg_43 Внимание.
При использовании этих ламп следует помнить, что для обеспечения безопасности необходимо строго соблюдать инструкции изготовителя облучательного оборудования.
Таким образом, ЛЛ, обеспечивающие достаточно много света в квартире, сохраняют тем самым зрение, снижают утомляемость, повышают работоспособность и поднимают настроение; кроме того, спектральный состав их излучения легко варьируется по цвету. Все это делает такие лампы исключительно привлекательными для потребителя.
Недостатки полноразмерных люминесцентных ламп
Имеют ЛЛ и некоторые недостатки. Как правило, все разрядные лампы дЛя нормальной работы требуют включения в сеть совместно с балластом.
#z.jpg_0 Определение.
Балласт, он же пускорегулирующий аппарат (ПРА), — электротехническое устройство, обеспечивающее режимы зажигания (но не всегда само зажигание) и нормальную работу ЛЛ.
Сильна зависимость устойчивой работы и зажигания лампы от температуры окружающей среды (допустимый диапазон 5-55 °C, оптимальной считается 20 °C). Хотя этот диапазон постоянно расширяется с появлением ламп нового поколения и использованием электронных балластов (ЭПРА).
Об ультрафиолете. Природа газового разряда такова, что любые ЛЛ имеют в спектре небольшую долю ближнего ультрафиолета. Известно, что при передозировке даже естественного солнечного света могут возникнуть неприятные явления. В частности, избыточное ультрафиолетовое облучение может привести, к заболеваниям кожи, повреждению глаз.
Но было доказано, что работа в течение года (240 рабочих дней по 8 часов в день) при искусственном освещении ЛЛ холодно-белого света с очень высоким уровнем освещенности в 1000 лк (это в 5 раз превышает оптимальный уровень освещенности в жилье) соответствует пребыванию на открытом воздухе в г. Давос (Швейцария) в течение 12 дней летом по одному часу в день в полдень.
Следует заметить, что реальные условия в жилых помещениях бывают в десятки раз более щадящими, чем в приведенном примере. Следовательно, о вреде обычного люминесцентного освещения говорить не приходится.
Важен вопрос ограничения пульсации светового потока. Дело в том, что устаревшие линейные трубчатые ЛЛ, подключенные к сети с помощью электромагнитного пускорегулирующего аппарата (чаще всего применяемого в светильниках), создают свет не постоянный во времени, а «микропульсирующий». При имеющейся в сети частоте переменного тока 50 Гц пульсация светового потока лампы происходит 100 раз в секунду. И хотя эта частота выше критической для глаза и, следовательно, мелькание яркости освещаемых объектов глазом не улавливается, пульсация освещения при длительном воздействии может отрицательно влиять на человека, вызывая повышенную утомляемость, снижение работоспособности.
В светильниках с электронным высокочастотным ПРА указанная особенность работы ЛЛ полностью устранена. Поэтому для традиционного освещения жилья люстрами, настенными, напольными, настольными светильниками целесообразно применять упомянутые выше компактные люминесцентные лампы.
О ртути. В лампу для ее работы вводится капля ртути — 30–40 мг (в компактных люминесцентных лампах — 2–3 мг, а в некоторых типах амальгамных компактных люминесцентных ламп ртути в чистом виде практически нет — она находится в связанном состоянии).
#l.jpg_1 Пример.
В термометре, имеющемся в каждой семье, содержится 2 г (т. е. в 100 раз больше, чем в ЛЛ) ртути.
Разумеется, если лампа разобьется, поступить следует так же, как мы поступаем, когда разбиваем термометр, — тщательно собрать и удалить ртуть, однако содержание в лампе столь ничтожного количества ртути не представляется поводом для серьезного беспокойства.
#v.jpg_5 Вывод.
ЛЛ в доме — это не только более экономичный, чем лампа накаливания, источник света. Грамотное освещение люминесцентными лампами имеет множество достоинств: экономичность, обилие и красочность света, равномерность распределения светового потока, особенно в случаях высвечивания протяженных объектов линейными лампами, меньшая яркость ламп и значительно меньшее выделение тепла.
Классификация ЛЛ ведущих производителей
На сегодняшний день наиболее качественную продукцию и широкий ассортимент на нашем рынке представляют не отечественные производители, а мировые светотехнические бренды:
♦ германская фирма OSRAM [http://www.osram.com];
♦ голландская PHILIPS [http://www.lighting.philips.com];
♦ американская GE Lighting (General Electric) [http://www.gelighting.com].
Они предлагают широчайший выбор высококачественных ЛЛ на любой вкус и цвет. Свои люминесцентные лампы производители разделяют на две большие категории:
♦ категория 1 — люминесцентные лампы ЛЛ (FL — Fluorescent Lamps);
♦ категория 2 — компактные люминесцентные лампы КЛЛ (CFL–Compact Fluorescent Lamps).
Люминесцентные лампы по характеристикам делятся на группы:
♦ по спектральному составу излучения: стандартные; с улучшенной цветопередачей; специальные;
♦ по электрической мощности: маломощные — до 18 Вт; средней мощности — 18–58 Вт; мощные — свыше 58 Вт;
♦ по диаметру трубки: Т2 — 7 мм; Т5 — 16 мм; Т8 — 26 мм; Т12 — 38 мм;
♦ по форме и длине трубки: прямые (линейные); U-образные; кольцевые;
♦ по светораспределению: с ненаправленным светоизлучением; с направленным светоизлучением (рефлекторные, щелевые, панельные и др.).
Основными параметрами люминесцентных ламп, которые указывают фирмы-производители в своих технических каталогах и которые необходимы потребителю для правильного выбора той или иной лампы, являются:
♦ мощность лампы (Вт);
♦ световой поток (лм);
♦ светоотдача (лм/Вт);
♦ цветовая температура или ССТ — Correlated Color Temperature (К);
♦ индекс цветопередачи, Да или CRI–Color Rendering Index;
♦ габаритные размеры и исполнение.
9.2. Стандартные линейные люминесцентные лампы
Особенности ламп, которые нужно учитывать
В полноразмерных лампах используется широкополосный дешевый люминофор — галофосфат кальция и магния, активированный сурьмой и марганцем (ГФК).
Недостаток этих ламп — низкий индекс цветопередачи Rа = 50–70, что приводит к искаженной цветопередаче освещаемых предметов.
Достоинство — дешевизна (в 2–4 раза дешевле ламп с высокой цветопередачей).
Именно этими ЛЛ известны отечественные производители: ОАО «СВЕТ» (Смоленский электроламповый завод), и ОАО «ЛИСМА», г. Саранск, .
#s.jpg_30 Совет.
Лампы этого типа рекомендуется использовать там, где не требуется точное определение цветовых оттенков: для освещения подвалов, гаражей, складских помещений, наружного освещения.
У ламп накаливания индекс цветопередачи Rа = 95 и цветовая температура 2700 К — теплый цвет. Нередки случаи, когда потребитель, узнав о экономичности использования ЛЛ, решил заменить у себя лампы накаливания и приобрел ЛЛ с низким индексом цветопередачи и цветовой температурой 6000 К голубоватого оттенка. В итоге при свете такой ЛЛ привычные окружающие предметы поменяли свой цветовой оттенок. В результате этого возникает дискомфорт и появляется раздражение от неудачного эксперимента.
Это в полной мере касается и компактных ЛЛ (КЛЛ) китайско-польско-турецкого производства с ненормированным индексом цветопередачи.
Маркировка полноразмерных линейных ЛЛ
Пример маркировки полноразмерных линейных зарубежных ЛЛ показан на рис. 9.4.
Рис. 9.4. Маркировка полноразмерных зарубежных люминесцентных ламп
Маркировка отечественных ЛЛ обычно состоит из 2–3 букв и цифр.
Первая буква Л означает люминесцентная.
Следующие буквы означают — цвет излучения: Д — дневной; ХБ — холодно-белый; Б — белый; ТБ — тепло-белый; 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 обозначения ставят буквы, характеризующие конструктивные особенности: Р — рефлекторная; У или U — U-образная; К — кольцевая; А — амальгамная; Б — быстрого пуска. Цифры обозначают мощность в ваттах.
#p.jpg_72 Пример.
ЛБ 40 — люминесцентная лампа белого цвета излучения мощностью 40 Вт.
ЛДЦ 40-2 — люминесцентная лампа дневного цвета излучения, улучшенной цветопередачи мощностью 40 Вт, двойка после мощности
Коды цветности
Расшифровка и соответствие кодов цветности различных фирм приведены в табл. 9.1.
Разновидности полноразмерных зарубежных ЛЛ
В номенклатуре выпускаемой продукции всех ведущих производителей достаточно широко представлены ЛЛ со стандартной (Ra = 50–70) цветопередачей. Так, фирма OSRAM в ассортименте выпускаемой продукции имеет:
♦ стандартные линейные ЛЛ с диаметром трубки 26 мм (тип Т8) мощностью 18,36 и 58 Вт (длиной от 590 до 1500 мм в зависимости от мощности), с диаметром трубки 16 мм (тип Т5) мощностью 4,6, 8 и 13 Вт (длиной от 136 до 517 мм в зависимости от мощности);
♦ кольцевые ЛЛ с диаметром трубки 29–30 мм мощностью 22, 32 и 40 Вт;
♦ U-образные Л Л с диаметром трубки 26 мм мощностью 18, 36 и 58 Вт.
Аналогичные лампы имеются в ассортименте производимой продукции фирмы PHILIPS :
♦ полноразмерные ЛЛ с диаметром трубки 38 мм (тип Т12) производятся мощностью 20, 40 и 65 Вт (длиной от 590 до 1500 мм в зависимости от мощности), диаметром трубки 16 мм (тип Т5) мощностью 4, 6,8,13 Вт (длиной от 150 до 530 мм в зависимости от мощности), диаметром трубки 26 мм (тип Т8) мощностью 14, 15, 16, 18, 23, 36, 38, 58 и 70 Вт (длиной от 370 до 1770 мм в зависимости от мощности);
♦ кольцевые ЛЛ мощностью 22, 32,40 и 60 Вт.
Отечественные ЛЛ
Технические характеристики отечественных люминесцентных ламп со стандартной цветностью представлены в табл. 9.2.
С декабря 2003 года ОАО «СВЕТ» (Смоленский электроламповый завод), вошло в состав Германского концерна OSRAM. Новое обозначение и технические характеристики ЛЛ ОАО СВЕТ показаны в табл. 9.3.
9.3. Люминесцентные лампы с улучшенной цветопередачей
Это лампы с редкоземельными люминофорами (РЗЛ). Они имеют узкополосные спектры с максимумами излучения в областях максимальной чувствительности человеческого глаза (450, 540 и 610 нм). Применение высокоэффективных трех- и пятиполосных редкоземельных люминофоров привело к значительному повышению индекса цветопередачи до Ra = 82–97. За высокую цветопередачу пятиполосным ЛЛ пришлось пожертвовать светоотдачей.
#p.jpg_73 Примечание.
При этом световой поток у ламп улучшенной цветопередачи с трехполосным люминофором Rа = 80–89 примерно на 30 % выше, чем у полноразмерных люминесцентных ламп, а у пятиполосных — примерно на 9 % ниже.
Лампы с трехполосным люминофором (LUMILUX T8) обладают следующими преимуществами:
♦ большой срок службы — около 20 тысяч часов (с ЭПРА с предварительным подогревом катодов);
♦ малый спад светового потока за время работы (не более 15 % после 18 тысяч часов);
♦ высокая экологичность, сниженные расходы на утилизацию (содержат менее 5 мг ртути);
♦ хорошая цветопередача (Ra > 80);
♦ широкий диапазон цветностей.
Характеристики. В табл. 9.4 представлена сравнительная характеристика светоотдачи ламп разных типов.
По соотношению «цена/качество» лампы с трехполосным люминофором (восьмисотой серии, код цветности — 8хх) являются лидерами. Имея самую высокую светоотдачу — 90 лм/Вт, хорошую цветопередачу и умеренную цену, они являются компромиссом между дешевыми полноразмерными и дорогими (но с высоким индексом цветопередачи) пятиполосными ЛЛ девятисотой серии (код цветности — 9хх).
Наиболее полная передача цветовой палитры окружающей обстановки создает более комфортные условия для восприятия. Лампы улучшенной цветопередачи применяются не только там, где при помощи общего освещения нужно наиболее четко передать цвета и оттенки окружающих предметов, но и для освещения жилых помещений и рабочих мест.
Как уже отмечалось, отечественные лампы с улучшенной цветопередачей имеют в своей маркировке буквы Ц или ЦЦ. Например, ЛЕЦ 40-2, ЛТБЦЦ 20.
Расшифровка международного трехзначного кода цветности (индекс цветопередачи плюс цветовая температура), применяющийся в маркировке ламп с улучшенной цветопередачей, приведена в табл. 9.5.
Рекомендации от фирмы OSRAM по применению ламп с улучшенной цветопередачей для дома и квартиры приведены в табл. 9.6.
Фирма OSRAM изготавливает также ЛЛ со специальными спектральными характеристиками: код цветности 965 — серия BIOLUX; код цветности 76 — серия NATURA DE LUXE; код цветности 77 серия FLUORA. Характеристики ЛЛ со специальными спектральными характеристиками приведены в табл. 9.7.
Габаритные размеры линейных люминесцентных ламп OSRAM приведены в табл. 9.8 и на рис. 9.5. Для подключения ламп к электрической цепи применяются стандартные цоколи: цоколь G5 по DIN 49572, цоколь G13 по DIN 49653, цоколь W4,3 no DIN IEC 60061-1.
Рис. 9.5. Габаритные размеры линейных люминесцентных ламп OSRAM (к табл. 9.8)
Габаритные размеры линейных люминесцентных ламп OSRAM серии X для бесстартерных схем с диаметром трубки 38 мм приведены в табл. 9.9 и на рис. 9.6. Цоколь Fa6 no DIN 49657.
Рис. 9.6. Габаритные размеры линейных люминесцентных ламп OSRAM серии X для бесстартерных схем
Габаритное размеры кольцевых люминесцентных ламп OSRAM приведены в табл. 9.10 и на рис. 9.7. Цоколь — 2GX13 и G10q no DIN 49663.
Рис. 9.7. Габаритные размеры кольцевых люминесцентных ламп OSRAM
Габаритные размеры U-образных люминесцентных ламп OSRAM приведены в табл. 9.11 и на рис. 9.8. Цоколь 2G13 по DIN 49653 Т2.
Рис. 9.8. Габаритные размеры U-образных люминесцентных ламп OSRAM
Соответствие некоторых серий люминесцентных ламп фирм OSRAM, GE Lighting и PHILIPS с улучшенной цветопередачей приведено в табл. 9.12.
9.4. Люминесцентные лампы типа
Т5
Лампы Т5 с диаметром трубки 16 мм с электронными пускорегулирующими аппаратами завоевывали новые позиции, быстро вытесняя лампы типа Т8 в колбе диаметром 26 мм, не говоря уже о лампах типа Т12 в колбе с диаметром 38 мм, которые давно сняты с производства ведущими электроламповыми фирмами мира.
Важно отметить, что параллельно созданы и массово выпускаются два типа таких ламп: с максимальной световой отдачей мощностью 14, 21, 28 и 35 Вт (табл. 9.13) и с максимальным световым потоком мощностью 24, 39, 54 и 48 Вт (табл. 9.14).
На сегодняшний день и некоторые отечественные производители выпускают лампы Т5. Это, например, ОАО Лисма-ВНИИИС (Всероссийский научно-исследовательский проектно-конструкторский институт источников света им. А. Н. Лодыгина; адрес в Интернете ). В табл. 9.15 приведены технические характеристики ламп Т5 отечественного производства.
Основные преимущества осветительной техники с лампами Т5:
♦ повышенная световая отдача (до 105 лм/Вт);
♦ пониженный спад светового потока благодаря использованию между люминофором и стеклом колбы защитной пленки, исключающей отрицательное влияние ртути (через 10 тыс. ч наработки световой поток снижается не более чем на 5 % и остается далее на этом уровне, по сравнению с 20–30 % снижения светового потока для обычных ЛЛ);
♦ оптимальная световая отдача ламп Т5 имеет место при температуре окружающего воздуха не 22–25 °C, как для обычных ЛЛ, а при 35 °C, т. е. практически не снижается во многих светильниках (максимальные световые потоки ЛЛ при 35 °C определяются умножением приведенных в табл. 9.13 и табл. 9.14 значений для Т = 25 °C на коэффициент 1,065);
♦ при работе только со специальными электронными ПРА потери мощности комплекта «лампа-ПРА» снижаются на 30–35 %; при этом ЭПРА имеют схему «cut off», исключающую постоянный подогрев электродов после включения ламп;
♦ резко сниженное содержание ртути в этих лампах (с 30 до 3 мг);
♦ уменьшение диаметра трубки на 40 % (по сравнению с ЛЛ типа Т8), уменьшение длин ламп Т5 приблизительно на 50 мм по сравнению с близкими по мощности лампами Т8;
♦ увеличение среднего срока службы ламп до 16 тыс. ч;
♦ высокий индекс цветопередачи (80–90).
Сравнение характеристик ламп Т8 (полноразмерных) и Т5 с цветовой температурой 4000 К приведено в табл. 9.16.
Следствием преимуществ являются:
♦ снижение установленной мощности осветительных установок (ОУ) на 20–30 % и расхода электроэнергии в них из-за существенного уменьшения коэффициента запаса ОУ и потерь мощности в световых приборах;
♦ снижение расхода материалов на производство ЛЛ и светильников, которые могут иметь существенно меньшие габариты;
♦ исключение вредного воздействия на здоровье людей из-за исключения пульсаций светового потока ламп;
♦ повышение эффективности световых приборов благодаря более высокому КПД и возможности обеспечить требуемые кривые силы света с помощью зеркальной и призматической оптики, значительно лучше работающей с лампами меньшего размера светящего тела;
♦ повышение комфортности освещения помещений благодаря исключению слепящего действия в любых направлениях с помощью специальных зеркальных экранирующих «трехмерных» решеток;
♦ улучшение экологии новой техники (резкое снижение возможностей ртутного отравления);
♦ значительное улучшение экологической обстановки (светильник с двумя лампами мощностью по 35 Вт с ЭПРА выбрасывает в атмосферу за год на 1350 кг меньше двуокиси углерода, чем светильники с электромагнитным ПРА);
♦ возможности производства встраиваемых светильников с длиной, не превышающей размеры стандартных строительных модулей (благодаря уменьшенной длине лампы Т5);
♦ улучшение эстетических характеристик светильников с новыми лампами (меньшие поперечные размеры и высота), соответствие строительному модулю подвесных потолков.
9.5. Современные ультрафиолетовые и специальные люминесцентные лампы
Лампы для дезинфекции, загара, установок фотобиологического действия
Свет — это не только освещение. И убедительное подтверждение атому — широкий ассортимент современных ЛЛ ультрафиолетового (УФ) и специального спектра.
#p.jpg_74 Примечание.
Уникальное сочетание оптического (светового и УФ) излучения ртутного разряда и видимого света, генерируемого люминофором, позволяет создавать ЛЛ с практически любыми спектральными свойствами.
Благодаря созданию и совершенствованию искусственных источников УФ излучения, специалистам, работающим с УФ излучением, предоставляются существенно большие возможности, чем при использовании естественного оптического излучения (ОИ).
Спектр заатмосферного Солнца в УФ области стабилен, хорошо изучен, простирается от 400 до 210 нм (непрерывная составляющая). УФ диапазон излучения принято разделять на три поддиапозона (рис. 9.9): «А» — 320–400 нм; «В» — 280–320 нм; «С» — 180–280 нм.
Рис. 9.9. Поддиапазоны ультрафиолетового излучения
Соотношение потоков излучения Солнца в трех диапазонах УФ области приведено в табл. 9.17.
Таким образом, коротковолновое УФС излучение, независимо от времени года, суток или состояния атмосферы, в природе отсутствует. При небольшой доле средневолнового УФВ излучения в естественном спектре ОИ преобладает длинноволновое УФА излучение. В зависимости от углового положения Солнца и состояния атмосферы соотношение излучения в двух указанных диапазонах меняется очень слабо.
Разработкой и производством УФ ламп для установок фотобиологического действия (УФБД) в настоящее время занимаются:
♦ ряд крупнейших электроламповых фирм (Philips, Osram, Radium, Sylvanianflp);
♦ большое число зарубежных узкоспециализированных компаний, например, Original Hanau, UV-Technik, Wedeco AG (Германия), Hanovia (США), Lighttech Ltd (Венгрия) и т. д.
♦ несколько российских производителей УФ ламп для УФБД: ОАО «Лисма-ВНИИИС» (Саранск), НПО «ЛИТ» (Москва), ОАО СКБ «Ксенон» (Зеленоград), ООО «ВНИСИ» (Москва).
Номенклатура УФ ламп для УФБД весьма широка и разнообразна; так, например, у ведущего в мире производителя фирмы PHILIPS она насчитывает более 80 типов.
#p.jpg_75 Примечание.
В отличие от осветительных ламп, УФ источники излучения, как правило, имеют селективный спектр, рассчитанный на достижение максимально возможного эффекта для определенного ФБ процесса.
На рис. 9.10 представлена классификация искусственных УФ источников излучения по областям применения. Бесспорно, основной областью применения УФ ламп многие годы являются УФБД для дезинфекции воздуха.
Рис. 9.10. Классификация искусственных УФ источников излучения по областям применения
Вне конкуренции для указанных целей были и остаются газоразрядные ртутные лампы низкого давления в кварцевом или увиолевом стекле, излучающие в резонансной линии ртути 253,7 нм, расположенной вблизи максимума спектра бактерицидного действия, до 40 % от потребляемой электрической мощности.
Лампы для освещения аквариумов
Рассмотрим некоторые серии ламп специального назначения. Серия ЛЛ OSRAM FLUORA* имеют особое излучение с преобладающей составляющей синего и красного цвета, аналогичное излучению, способствующему фотохимическим процессам. Благодаря такому излучению заметно ускоряется рост растений. Эти лампы предназначены для освещения растений и аквариумов. Лампы этой серии выполнены на основе трубки диаметром 26 мм. Технические характеристики этих люминесцентных ламп приведены в табл. 9.18.
PHILIPS производит серию специальных ламп для аквариумов — Aquarelle (Акварель). Специальный состав излучения этой люминесцентной лампы оптимально подходит для передачи красоты рыб и растений в пресноводном аквариуме.
Свет ламп Акварель по спектральному составу очень близок к естественному. Это обеспечивает оптимальные условия для фотосинтеза и образования хлорофила. Дополнительным преимуществом ламп Акварель является исключительно высокая энергетическая плотность излучения в синей части спектра. Хорошо сбалансированный спектр излучения стимулирует образование кислорода, а также оказывает благотворное воздействие на аквариумные растения и рыбу и обеспечивает хорошую цветопередачу.
Лампы предназначены для использования в сети переменного тока со стандартными или высокочастотными ПРА. В табл. 9.19 приведены габаритные размеры ламп этой серии, а в табл. 9.20 — их технические характеристики.
В зависимости от индивидуальных предпочтений лампы Акварель могут использоваться вместе с лампами PHILIPS TL-D / 80 New Generation или TL-D / 90 De Luxe для создания различных зрительных впечатлений без ухудшения биологических свойств излучения ламп Акварель.
Лампы для декоративного освещения
Цветные лампы красного, зеленого, желтого, синего цвета, предназначенные для светового оформления в декоративных целях, имеются в номенклатуре всех ведущих производителей ЛЛ. В табл. 9.21 приведены основные характеристики цветных ламп OSRAM, а в табл. 9.22 и табл. 9.23 приведены основные характеристики цветных ламп PHILIPS.
9.6. Компактные люминесцентные лампы
Классификация КЛЛ
КЛЛ делятся на три подгруппы.
Подгруппа 1 — компактные люминесцентные лампы с интегрированным (встроенным) в цоколь электронным балластом (ЭПРА). Имеют стандартный резьбовой цоколь Е27 (или Е14).
Подгруппа 2 — двухвыводные (штырьковые), имеющие встроенный в специальный цоколь G23, стартер с конденсатором и предназначенные для работы с внешним электромагнитным ПРА.
Подгруппа 3 — четырехвыводные (штырьковые) универсальные, работающие совместно с внешним электронным или электромагнитным ПРА.
Дополнительные возможности КЛЛ
Некоторые КЛЛ обладают также дополнительными возможностями. Одна из серий КЛЛ с дополнительными возможностями — серия OSRAM DULUX* EL VARIO — электронные КЛЛ с возможностью регулирования светового потока.
Их особенности:
♦ 12-летний срок службы (при работе около 3 ч в день);
♦ регулировка светового потока без светорегулятора;
♦ уменьшение светового потока более чем на 50 % с помощью простого выключения и повторного включения лампы в течение 3 с;
♦ дополнительная экономия электроэнергии с помощью простого выключения и повторного включения лампы в течение 3 с, после которого потребление тока лампой уменьшается более чем наполовину;
♦ возможность неограниченного по количеству раз выключения и повторного включения лампы OSRAM DULUX' EL VARIO.
Эти лампы нашли широкое применение как в быту, так и в профессиональной сфере (гостиницы, предприятия общественного питания) — везде, где нужно изменять уровень освещенности.
Благодаря своей неограниченной прочности на включение и выключение лампа OSRAM DULUX* EL VARIO является предпочтительным источником света для систем лестничного освещения с режимом автоматического отключения.
Еще одна серия ламп с дополнительными возможностями — серия OSRAM DULUX* EL SENSOR — электронные КЛЛ с фотоэлементом и потенциометром. Их особенности:
♦ средний срок службы 15 тыс. ч;
♦ лампа OSRAM DULUX* EL SENSOR автоматически включается при наступлении темноты и автоматически выключается при дневном свете;
♦ возможность регулировки порога срабатывания фотоэлемента. Устанавливаемое время включения и выключения обеспечивает возможность эксплуатации во многих рабочих положениях (например, в открытых светильниках или в светильниках с опаловым защитным стеклом);
♦ распознавание фотоэлементами дневного света по спектральному распределению излучения.
Можно с уверенностью утверждать, что за КЛЛ — будущее, которое создается уже сегодня.
Соответствия КЛЛ различных производителей
Соответствия некоторых серий компактных люминесцентных ламп OSRAM, GE Lighting, PHILIPS приведены в табл. 9.24.
Технические характеристики КЛЛ
Характеристики КЛЛ OSRAM DULUX® (группа цветопередачи IB) представлены в табл. 9.25, а габаритные размеры этих ламп представлены на рис. 9.11.
Рис. 9.11. Габаритные размеры OSRAM DULUX® (к табл. 9.25)
Рис 9.12. Габаритные размеры OSRAM DULUX® EL с цветностью 827 INTERNA (к табл. 9.27)
Габаритные размеры КЛЛ фирмы GE Lighting серии Biax™ Q/E приведены в табл. 9.29 и рис. 9.13. В табл. 9.30 приведены характеристики этих ламп.
Рис 9.13. Габаритные размеры КЛЛ фирмы GE Lighting серии Biax™ Q/E (к табл. 9.29)
Рис 9.14. Габаритные размеры КЛЛ фирмы GE Lighting серии Biax™ 2D ® /E , 4 штырьковой (к табл. 9.31)
9.7. Электронные пускорегулирующие аппараты люминесцентных ламп
Преимущества электронных пускорегулирующих аппаратов
Электромагнитный ПРА (дроссель-стартер) имеет массу недостатков: надоедливое жужжание, непроизвольные вспышки и частое мерцание, исходящие от светильников использующих ЛЛ.
Основным и единственным его преимуществом является его дешевизна. Но за низкой ценой дросселя и стартера скрываются высокие эксплуатационные расходы и масса неприятных факторов, влияющих на здоровье людей.
Директивой Европейской комиссии № 2000/55/ЕС предписан запрет на продажу и применение электромагнитных ПРА с целью ускорения повсеместного внедрения ЭПРА (электронных балластов) в странах Евросоюза. В США от использования электромагнитных балластов отказались еще раньше.
Директива комиссии ЕС о запрещении использования электромагнитных ПРА, возможно с некоторой задержкой, но неизбежно окажет влияние на принятие аналогичных решений и в России. Отрадным выглядит опыт Белоруссии. Там уже разработаны и сегодня действуют новые СНиППы, запрещающие устанавливать ПРА (стартеры и дроссели) в дошкольных и школьных учреждениях, учебных заведениях и больницах, а также на предприятиях, где требуется качественное освещение.
Бурное развитие электронной промышленности позволило создать электронный ПРА, обеспечивший совершенно новое качество работы люминесцентных ламп и светильников.
Широкое использование электронных ПРА (они же ЭПРА, они же электронные балласты) связано с рядом их существенных преимуществ по сравнению с электромагнитными ПРА. Разделим их на четыре группы.
Группа 1 — влияние на здоровье : приятный немерцающий свет без стробоскопических эффектов и отсутствие шума благодаря работе в диапазоне 30-100 кГц; слабое электромагнитное поле.
Группа 2 — комфортность : надежное и быстрое (без мигания) зажигание ламп; стабильность освещения независимо от колебаний сетевого напряжения; возможность регулировки светового потока; отключение по истечении срока службы лампы.
Группа 3 — экономичность : высокое качество потребляемой электроэнергии — близкий к единице коэффициент мощности благодаря потреблению синусоидального тока с нулевым фазовым сдвигом (при использовании активного корректора мощности); уменьшенное на 20 % энергопотребление (при сохранении светового потока) за счет повышения светоотдачи лампы на повышенной частоте и более высокий КПД ЭПРА по сравнению с классическими электромагнитным ПРА; увеличенный на 50 % срок службы ламп благодаря щадящему режиму работы и пуска; снижение эксплуатационных расходов за счет сокращения числа заменяемых ламп и отсутствия необходимости замены стартеров; дополнительное энергосбережение до 70 % при работе в системах управления светом.
Группа 4 — экологичность : меньшее количество отходов ламп (на 30 %) за счет увеличения срока службы ЛЛ.
Основные направления развития ПРА
В настоящее время ассортимент ЭПРА насчитывает десятки типоразмеров, отличающихся количеством и мощностью используемых с ними ламп, наличием или отсутствием возможности регулирования светового потока, характером включения ламп (с предварительным прогревом электродов или без него), наличием функции защиты аппарата и электросети от возможных аварийных ситуаций. При всем кажущемся многообразии схемные решения современных ЭПРА ведущих мировых производителей, в принципе, одинаковы (рис. 9.15).
Рис. 9.75. Внешний вид электронных балластов, работающих на две ЛЛ по 36 Вт:
а — производство фирмы OSRAM ; б — производства фирмы PHILIPS
Одной из ведущих, компаний в разработке и производстве контроллеров для управляющего каскада остается Int. Rectifier, США [http://www.irf.com]. Однако последнее время серьезную конкуренцию им оказывают компании THOMSON и PHILIPS.
OSRAM и TRIDONIC для уменьшения номенклатуры изделий приступили к выпуску унифицированных ЭПРА, предназначенных не для одного типа ламп, а для всей серии ламп различной мощности.
Аппараты Quicktronic-Multiwatt от OSRAM могут работать с люминесцентными лампами 17 типоразмеров мощностью от 18 до 64 Вт и позволяют создавать более 100 комбинаций из линейных, компактных или кольцевых ламп. Но эти ЭПРА не обеспечивают плавное регулирование мощности ламп.
Серьезные разработки ведутся на пути создания систем управления освещенности, которые действительно решают задачи повышения комфортности и экономии электроэнергии. Австрийская компания TRIDONIC продвигает на рынок так называемые управляемые ЭПРА, позволяющие управлять мощностью светового потока. К примеру, аппараты серии EXCEL позволяют управлять мощностью ламп любым из четырех способов: простым кнопочным включением, с помощью датчика освещенности, цифровых сигналов стандарта DSI и цифрового сигнала стандарта DALI.
Использование ЭПРА с датчиками освещенности, присутствия и времени позволяет сэкономить до 70 % электроэнергии, расходуемой на освещение. Учитывая, что доля люминесцентных светильников административных помещений составляет до 50 % от общего энергопотребления в этих помещениях, внедрение систем управления освещением позволяет сэкономить десятки киловатт-часов в год. На текущий момент эти системы весьма дороги и широкого применения не находят.
Электрические параметры ЭПРА различных фирм практически одинаковы: КПД — от 80 до 90 %; коэффициент мощности — не ниже 0,98; широкий диапазон напряжений питания.
Отечественные электронные ПРА
В линейке ЭПРА имеются аппараты с холодным пуском (не более пяти включений в день) и с предварительным прогревом электродов (с неограниченным включением в день).
Относительно производства ЭПРА в России следует заметить, что хорошие схемные решения время от времени предлагали компании «Элекс-Электро» (г. Александров), «Трансвит» (г. Великий Новгород), «Ситэл» (г. Москва), «Орбита» (г. Саранск) и др.
Однако на сегодняшний день пока ни одной из российских компаний не удалось наладить стабильное производство качественного и конкурентоспособного продукта. Причины этого кроются в отсутствии финансирования, низкой квалификации рабочего персонала, а также в неспособности создания процесса производства в целом. Заслуживает внимания, пожалуй, только одна компания — ОАО «ЭНЭФ» (Беларусь). Ее ассортиментная линейка состоит из 117 видов ЭПРА (включая ЭПРА для ламп Т5 и регулируемые балласты).
Несомненно, ведущие западные компании-производители ЭПРА, хорошо понимая перспективы российского рынка, предлагают широкий выбор этих изделий. Уже несколько лет назад отметились своим присутствием в нашей стране компании OSRAM, HELVAR, TRIDONIC, VOSLOH SCHWABE, PHILIPS и др.
Сегодня ни у кого не вызывает сомнения, что в ближайшие 3–5 лет ЭПРА полностью вытеснят с рынка неэкономичные и вредные для здоровья электромагнитные балласты. Кстати, многие, кто умеет считать деньги, и ценят свое здоровье и здоровье других, уже давно поменяли в используемых светильниках стартеры и дроссели на современные ЭПРА.
Структурная схема электронного балласта
Рассмотрим принцип работы простого электронного балласта на примере микросхемы IR2153. На структурной схеме электронного балласта (рис. 9.16) точка «А» подключается с помощью ключей Кл1 и Кл2 то к напряжению питания (Un = +310 В), то к общему проводу.
Рис. 9.16. Структурная схема электронного балласта
Ключи, перезаряжая конденсатор, образуют переносное напряжение. В результате в точке «А» возникают однополярные высокочастотные импульсы напряжения (частота коммутации обычно находится в пределах 30-100 кГц), которые, во-первых, зажигают лампу, а, во-вторых, не дают газу деионизироваться (отсутствие мерцания).
#p.jpg_76 Примечание.
При таком методе пуска и управления полностью исключен фальстарт, поскольку лампа гарантированно коммутируется на постоянное напряжение, провалы которого принципиально отсутствуют. Сокращаются размеры индуктивного элемента. Регулировкой скважности (или фазы) импульсов коммутации можно добиться изменения яркости свечения.
Как зажечь люминесцентную лампу
Чтобы зажечь лампу, нужно разогреть ее электроды. Поскольку в схеме электронного балласта отсутствует стартер, необходимо каким-то образом первоначально замкнуть силовую цепь, чтобы протекающий ток разогрел электроды, а затем схему пуска отключить.
В лампах небольшой мощности (единицы ватт) первоначальное замыкание цепи можно осуществить при помощи конденсатора С. Однако этот путь достаточно противоречив, поскольку для разогрева желательно иметь как можно большее значение емкости, в то время как для возникновения хорошего резонансного эффекта выбирать эту емкость слишком большой нельзя.
Разработчики поступили следующим образом. Они включили параллельно конденсатору термистор с положительным температурным коэффициентом РТС — позистор. В холодном состоянии сопротивление позистора мало, и ток разогревает электроды лампы. Вместе с электродами разогревается и позистор. При определенной температуре сопротивление позистора резко повышается, цепь разрывается, и индуктивный выброс зажигает лампу. Позистор шунтируется низким сопротивлением горящей лампы. Использование позистора позволяет лампе зажигаться плавно и снижает износ электродов, что продлевает срок службы лампы до 20 тыс. ч.
Существует также метод предварительного прогрева катодов (более прогрессивный), заключающийся в том, что при прогреве частота драйвера выше резонансной частоты питания лампы. В результате лампа сначала прогревается и только после того, как частота драйвера снижается до резонансной, — поджигается.