Люминесцентная лампа: устройство и принцип работы

В промышленности и быту применяются различные виды осветительных устройств. Они отличаются способом преобразования электрической энергии в световое излучение. Широкое распространение в качестве источника света получили люминесцентные лампы, прототипы которых были созданы еще в 1856.

Модели, похожие по своему устройству на современные аналоги, начали внедряться только с 1926 года. Чтобы грамотно эксплуатировать такие светильники и самостоятельно ремонтировать, нужно знать устройство и принцип действия их элементов.

Люминесцентная лампа: устройство и принцип действия

Люминесцентные лампы представляют собой источники светового излучения газоразрядного типа низкого давления. В их конструкцию входят:

1. Заполненная ртутными парами, смешанными с инертным газом, стеклянная трубка (колба). Она запаяна с двух сторон и покрыта изнутри слоем люминофора. Трубки бывают кольцевыми, прямолинейными, U-образнымии и выполняют функцию разрядного канала (в них образуется электрическая дуга).
2. Цоколь. Один у компактных моделей и два у прямолинейных (трубчатых).
3. Пускорегулирующая аппаратура (ПРА) управляет работой светильника. Другое её название – «балласт».

В цокольной части внутри колбы установлены электроды в виде спирали из вольфрама. Они расположены с противоположных концов трубки.

Электроды покрыты специальным активирующим веществом, в качестве которого могут использоваться оксиды кальция, бария или стронция (иногда с примесью тория). Оксидное покрытие расходуется во время работы лампочки, определяя срок ее службы.

Кроме одинарных устанавливают внутрь колб некоторых моделей лампочек также двойные или тройные спирали. Для подсоединения к патрону светильника и коммутации электрической цепи цоколь оснащен штырьками или резьбовым соединением.

Люминесцентные лампы (ЛЛ) напрямую от сети работать не могут. Для их запуска и нормального функционирования нужен «балласт». Светильники оснащают двумя видами пускорегулирующих аппаратов:

• электромагнитным (ЭмПРА) со стартером;
• электронным (ЭПРА).

ЭмПРА — представляет собой электромагнитный дроссель. Параллельно со стартером в таких схемах для уменьшения помех устанавливают конденсатор. ЭмПРА является внешним балластом по отношению к лампе. Схемы подключения приведены на рисунке ниже.

ЭПРА – это одно цельное устройство, которое переводит частоту питающего напряжения с 50-60 Гц в высокочастотный диапазон (свыше 25 кГц). Благодаря этому существенно снижается мигание. ЭПРА бывают по исполнению внешними (отдельный блок) и встраиваемыми (у компактных моделей они установлены в цокольную часть самой лампочки).

Внешний блок ЭПРА

Устройство компактных моделей со встроенным ЭПРА

При использовании электронного балласта расход электроэнергии светильником меньше на 20-25 %, чем при электромагнитном ПРА. По сравнению с ЭмПРА затраты на переработку ЭПРА ниже.

✍ Общий принцип работы люминесцентных ламп

Функционирование люминесцентных ламп основывается на явлении люминесценции. Схема рабочего процесса следующая:

• на электроды в цоколе подается питающее напряжение;
• между ними возникает электрический разряд;
• под его воздействием ртутные пары начинают генерировать ультрафиолетовое излучение;
• далее ультрафиолет преобразуется люминофором в видимый свет.

Общий принцип работы люминесцентных ламп

Электрическая дуга (разряд) внутри колбы существует благодаря явлению термоэлектронной эмиссии – выходу свободных электронов из металла электрода (вольфрама в нашем случае) в разреженный газ. Катодные электроды выступают источником электронов и их приемником.

Чтобы термоэмиссия началась, электроды необходимо прогреть до 1100 градусов Цельсия: разогрев происходит за счет пропускания тока по спиралям. При этом электроны начинают собираться (происходит их эмиссия) вокруг вольфрамовых нитей. Но подаваемого напряжения сначала недостаточно, чтобы произошел пробой газовой среды. Дуга возникает только после подачи импульса напряжения от балласта.

Сопротивление газовой среды трубки маленькое. При подаче электропитания «напрямую» в ней возникнет короткое (дуговое) замыкание. Чтобы этого не происходило, в цепь добавляют источник реактивного (добавочного) сопротивления с соответствующими ЛЛ параметрами.

Запуск светильника с ЭПРА может быть двух видов:

• холодным – лампа загорается после включения мгновенно;
• горячим – зажигание происходит примерно через 1 секунду, когда электроды прогреются.

Всю нужную последовательность напряжений электронный балласт формирует сам за счет наличия соответствующих конструктивных элементов. Часто можно встретить комбинированный способ зажигания ЛЛ с ЭПРА. Это достигается включением лампочки в состав цепи, являющейся колебательным контуром. При этом за счет электрического резонанса между катодными электродами сильно повышается напряжение и ЛЛ загорается.

Спектр лампы определяется составом люминофора. За счет поступления электронов с катода в трубке поддерживается дуговой разряд. Балласт при этом ограничивает величину разрядного тока.

✍ Для чего нужен дроссель в люминесцентных лампах

Дроссель – это катушка индуктивности. В нем медный провод намотан на стальной сердечник (магнитопровод).

Активное сопротивление и емкость дросселя маленькие. Одной из основных его рабочих характеристик в цепях переменного тока является реактивное сопротивление.

Когда по электромагнитному балласту проходит переменный ток, тогда в его магнитном поле запасается энергия. Такое свойство катушки образовывать вокруг себя магнитные силовые линии получило название индуктивности.

Эти магнитные силовые линии пересекают токопроводящие витки. При отключении тока (разрыве схемы) или изменении его величины катушка начинает отдавать запасенную энергию для поддержания величины тока в цепи. В результате возникает электродвижущая сила: ЭДС самоиндукции.

По закону Ленца ее направление такое, что когда ток возрастает, тогда самоиндукция препятствует этому (имеет противоположное направление). Если ток уменьшается, то ЭДС самоиндукции сонаправлена с ним.

Величина ЭДС самоиндукции пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения тока в цепи. К ЛЛ подбирают дроссели с такой индуктивностью, чтобы ее величины было достаточно для создания разряда.

Функции, выполняемые дросселем, следующие:

• при запуске создает за счет явления самоиндукции импульс величиной до 1 кВ, который вызывает разряд внутри колбы;
• обладая большим индуктивным сопротивлением, «балласт» ограничивает величину тока в лампочке, устраняет возможность замыкания.

✍ Для чего нужен стартер в люминесцентных лампах

Стартер (пускатель) – обязательный конструктивный элемент схем с дросселем. Он состоит из неоновой лампы и конденсатора, которые подключены параллельно друг другу. Эти детали заключены в одном корпусе.

Внутри неоновой лампочки два электрода: один жесткий, другой – подвижный. Последний биметаллический. При нагреве он изгибается. Есть модели с 2-мя гибкими симметричными электродами.

Устройство стартера для ламп дневного света

Подключается пускатель параллельно лампочке. Первоначально его электроды находятся в разомкнутом состоянии. Ток на спирали колбы поступает после их замыкания.

Конденсатор стартера имеет небольшую емкость. Он вместе с дросселем образует резонансный контур, необходимый для формирования достаточного (чтобы включился светильник) по длительности импульса.

Также конденсатор гасит электрическую дугу, которая возникает внутри неоновой лампы между подвижным и неподвижным электродами во время их размыкания. Его поломка приводит к быстрому спаиванию контактов.

✍ Принцип работы стартера

Основное назначение стартера – пуск осветительного устройства в работу. Процесс протекает следующим образом:

• к электродам пускателя и колбы прикладывается напряжение питания;
• внутри неоновой лампочки стартера появляется тлеющий разряд, ее электроды нагреваются;
• подвижный биметаллический контакт, изгибаясь, замыкается с неподвижным электродом;
• на спирали колбы поступает ток, разогревая их;
• через определенное время замкнутые контакты стартера остывают, происходит размыкание цепи;
• самоиндукция вызывает появление импульса на дросселе, который создает разряд в колбе;
• лампа загорается.

У нормально работающего светильника, к тому моменту, когда происходит размыкание контактной группы стартера, спирали внутри колбы ЛЛ достаточно нагреты и импульс самоиндукции приводит к ее зажиганию. Напряжение в сети выше, чем поступающее к электродам лампочки. Связано это с падением величины напряжения на балласте.

Так как стартер подсоединен параллельно ЛЛ, то на его контакты при включенном светильнике также поступает сниженное напряжение. Но он рассчитан на нормальную работу от напряжения сети. По этой причине пускатель повторно не срабатывает, а ток проходит через лампу. Стартер запускается только во время следующего включения светильника.

Если напряжение питания снизится до значения 80 % от номинального, то пускатель может не сработать. ЭПРА в этом плане более надежны. Они постепенно вытесняют ЭмПРа.

✍ Маркировка стартеров для люминесцентных ламп

Подобрать нужный стартер можно по маркировке, где отображены их основные рабочие параметры. Маркировка нанесена на корпусе пускателя.

Российская и международная маркировка пусковых устройств отличается. Первая имеет следующий вид:

• 1-я позиция – определяет мощность лампочки, которую можно подключать;
• 2-я позиция – это буква «С», обозначающая «стартер»;
• 3-я позиция – указывает рабочее напряжение пускателя (127 или 220 В).

Если на изделии нанесено 90С-220, то это обозначает, что стартер предназначен для лампочки мощностью 90 Вт, рассчитан на напряжение 220 В. При выборе следует учитывать, что подключение пускателя на 127 В к сети 220 В сразу приведет к его поломке. Поэтому нужно быть внимательным.

Пример отечественной маркировки пускателя

Зарубежная маркировка пускателей выглядит следующим образом:

1. ST111, FS-U, S10 – так обозначают стартеры для лампочек, мощность которых лежит в диапазоне 4÷80 Вт. Они рассчитаны на напряжение 220 В.
2. ST151, S2, FS-2 – это стартеры, у которых напряжение питания 127 В, а мощность коммутируемых ламп составляет до 22 Вт.

Образец международной маркировки стартеров

Также маркировка содержит сведения о производителе, расчетном сроке службы устройства, температурном режиме эксплуатации. Срок службы – понятие относительное, так как сильное влияние на пусковое устройство оказывают перепады напряжения питания и выход температуры за допустимые пределы.

Типы цоколей люминесцентных ламп

Цоколь – один из обязательных конструктивных элементов люминесцентной лампы. Он предназначен для ее механической фиксации в светильнике и подсоединения к контактам источника электроэнергии. Через цокольные контакты ток поступает на электроды.

Цоколи условно разделяют на две группы:

1. Резьбовые (обозначаются буквой Е). Их вкручивают в патрон светильника по резьбе.
2. Штырьковые (маркируются G). Они соединяются с патроном при помощи штырьков.

Линейные лампы оснащают штырьковыми цоколями, а компактные еще и резьбовыми контактами. В таблице ниже представлены типы резьбовых и штырьковых цоколей, которыми могут быть оснащены люминесцентные лампочки.

Первая буква маркировки обозначает тип цоколя. Последующие цифры определяют диаметр резьбы (для Е) или расстояние между штырьками (у G) в миллиметрах. Например, цоколь G13 относится к типу штырьковых, расстояние между его штырьками равняется 13 мм. Он используется в линейных лампах диаметром Т4, Т5, Т8, Т10, Т12.

Штырьковые цоколи линейных моделей ламп

Иногда дополнительно после символа G могут быть буквы X, Y, Z, или U. Они определяют модификацию цоколя.

Разновидности цоколей люминесцентных ламп

Колбы с резьбовыми цоколями сейчас широко распространены. Ими заменяют лампы накаливания. В быту часто используют цоколи типа Е14 и Е27. Мощные лампочки оснащают Е40 и применяют на производстве, для освещения складов, улиц.

Технические характеристики и маркировка ламп

Чтобы понимать свойства люминесцентной лампы нужно знать ее технические характеристики. К ним относят следующие эксплуатационные показатели:

• потребляемая мощность (Вт);
• рабочее напряжение (В);
• срок службы;
• тип цоколя;
• цветовая температура (К);
• качество цветопередачи (обозначается Ra).

Стандартный диапазон мощностей осветительных устройств – от 18 до 80 Вт. Их КПД варьируется в пределах от 45% до 75%. При этом во включенном состоянии выделение тепла лампами невысокое. Их световая эффективность – 80 Лм/Вт

В странах СНГ для осветительных линий принято напряжение переменного тока 220 В. В Японии, США и ряде других стран нормой являются 110 В.

Время эксплуатации прибора зависит от его типа. Так модификация Т8 рассчитана на 9000-13000 часов службы, а Т5 – уже на 20000 часов.

Следует учитывать, что для люминесцентных приборов оптимальным для работы является диапазон температур окружающей среды от +5 до +25 градусов по Цельсию. Допустимо их эксплуатировать при температурном режиме от +5 до +55 °С. Только у модификаций с амальгамным покрытием максимальная температура составляет +60 °С.

Цветовую температуру, зависящую от толщины слоя люминофора, указывают в градусах Кельвина. Она определяет степень схожести между свечением лампочки и естественным освещением, то есть влияет на восприятие цвета предметов. Цветовую температуру условно можно разделить на 4 диапазона:

1. 2700-3200 К – теплый белый свет. Подходит для жилья. 2700 К сопоставимо с лампой накаливания.
2. 3300-3700 – нейтральный белый. Можно пользоваться и дома и в офисе.
3. 4000-4500 К – холодный белый. Используют в общественных и рабочих помещениях.
4. 6000-6500 К – дневной белый. Подходящий вариант для улиц.

Цветопередача показывает способность искусственного источника света (по сравнению с естественным освещением) передавать цветовые характеристики освещаемых объектов. Диапазон значений данного параметра 1÷100: чем выше, тем лучше.

На коробках с лампами или на их индивидуальных упаковках указаны сведения о производителе, рассмотренные выше технические характеристики. Выделяют два вида маркировки: российскую, международную.

✍ Российская маркировка

Согласно ГОСТу 6825-91 («Лампы люминесцентные трубчатые для общего освещения») производители маркируют свою продукцию 4 либо 5 буквами и цифрами. Расшифровка буквенно-цифровой маркировки приведена далее.

Получается, что под российской маркировкой ЛДЦК-80 следует понимать люминесцентную дневную лампу с хорошей цветопередачей, кольцевой формы, мощностью 80 Вт.

Пример российской маркировки ламп

Цветовая температура обозначается на упаковке числом со знаком «К», например, 2700 К. На этикетках также указываются параметры колбы: длина, форма, диаметр.

✍ Международная система маркировки

В международной системе для обозначения цветопередачи и цветовой температуры используется код, состоящий из трех цифр. Первая из них показывает индекс цветопередачи (его умножают на 10). Две остальные цифры указывают на величину цветовой температуры (их нужно умножать на 100).

Производители используют такие кода: 530, 640 (740), 765, 827, 830, 840, 865, 880, 930, 940, 954 (965). Так маркировкой L 18W/865 обозначается люминесцентная лампа 18 Вт мощностью, цветопередача которой 80, а цветовая температура – 6500 К.

Образец международной маркировки

Следует обратить внимание, что зарубежные компании могут использовать также индивидуальную маркировку на упаковках своей продукции. Образец такого маркирования представлен на изображении ниже.

Российские и международные производители выпускают люминесцентную продукцию с разнообразным набором технических параметров. Выбрать подходящую лампу для светильника поможет понимание маркировки изделий.

Спектр излучения люминофора для люминесцентных ламп

Человеческий глаз воспринимает волны длинной 380÷780 нм. Кроме них солнечный свет содержит излучение ультрафиолетового и инфракрасного спектра.

В люминесцентных лампах ультрафиолетовое излучение люминофором преобразуется в видимый свет. Внутреннюю поверхность колб дешевых модификаций покрывают одним слоем люминесцирующего состава. Результат: они излучают голубой или желтый свет, но при этом происходит искажение цветов предметов.

Трубки дорогих моделей покрывают тремя либо пятью слоями люминофора. Это делает освещение похожим на естественный свет из-за увеличения числа диапазонов излучения. Достигается максимальное качество цветопередачи.

По спектральному составу излучения люминесцентные светильники разделяют на три группы:

1. Стандартные (1 слой люминофора). Являются источниками белого цвета. С их помощью освещают общественные заведения.
2. С улучшенной цветопередачей (3 или 5 слоев люминесцирующего вещества). Передача света у таких моделей лучше и их световой поток больше на 12 %, чем у стандартных аналогов. Лампы данного вида используют в музеях, мебельных салонах, ими оснащают витрины.
3. Специальные. В них используется люминофоры особого типа либо с добавками. Спектральный состав излучения определяется назначением устройства, например, для соляриев, бактерицидные.

Чтобы избежать вредного воздействие излучения ультрафиолетового спектра на кожу человека, осветительные устройства в рабочих, жилых помещениях оснащают УФ-фильтрами. В таких местах лучший вариант – это лампы максимально приближенные спектрально к солнечному свету.

Преимущества и недостатки люминесцентных ламп

По своим технико-эксплуатационным характеристикам люминесцентные светильники превосходят устройства с лампами накаливания. Среди их основных преимуществ можно выделить следующие:

1. Длительный период службы при соблюдении регламентаций по числу рабочих циклов (включений/выключений) и стабильном напряжении электропитания. Время их работы составляет от 2000 до 90000 часов против 1000 у ламп накаливания.
2. Высокий КПД и светоотдача. Так люминесцентный светильник мощностью 20 Вт соответствует по своей осветительной способности лампочке накаливания 100 Вт.
3. Широкий спектр световых оттенков.
4. Выдают рассеянный, а не направленный свет.

Также стоит отметить разнообразие форм и конструкций. Это помогает реализовывать различные дизайнерские мысли.

Что касается недостатков, то их также хватает. Основные проблемы такие:

• наличие ртути (до 1 г) представляет опасность при эксплуатации и усложняет процесс утилизации;
• необходимо использовать для запуска дополнительно ПРА;
• слой люминофора с течением времени теряет свои свойства, что вызывает снижение КПД (уменьшается светоотдача), изменение спектра;
• из-за низкого коэффициента мощности люминесцентных светильников при их использовании в больших масштабах возрастает нагрузка на электросети;
• более сильная (по сравнению с лампами накаливания) зависимость от температуры и сложные схемы монтажа.

Также люминесцентные осветители стоят дороже, чем лампочки накаливания. При неправильной эксплуатации (частых включениях и выключениях) и перепадах питающего напряжения срок их службы значительно сокращается.

В ряде случаев можно встретить устройства с неравномерным спектром излучения, что приводит к искажению восприятия освещаемых предметов. При использовании электронной ПРА с конденсатором недостаточной емкости (более дешевый вариант) возникает мерцание лампы.

Как утилизируют люминесцентные лампы

Внутри колб люминесцентных ламп находится ртуть. Это вещество по ядовитости относится к первому классу опасности.

Содержание ртути в лампе находится в пределах 1÷70 мг (доходит до 1 г). Но даже такой дозы достаточно, чтобы при повреждении колбы нанести вред здоровью человека и другим живым организмам. При регулярном воздействии ядовитых паров ртути происходит ее накапливание в теле, что вызывает развитие различных заболеваний.

✍ Законодательная база

По этой причине в законодательной области разработаны правила обращения и утилизации электронного и электротехнического оборудования, содержащего ртуть:

• на территории Европейского Союза с 2006 года действует Директива RoHS;
• в России – правительственное постановление от 3.09.2010 №681, классификация операций сектора государственного управления (КОСГУ 2020 года подстатьи 225, 226, 244), общероссийский классификатор продукции (ОКПД), ГОСТы (например, 6825-91 – «Лампы трубчатые для общего освещения») и другие нормативные акты.

По закону утилизацию и вывоз ртутьсодержащего оборудования могут выполнять только фирмы, у которых есть на это лицензия. Частные предприниматели и предприятия обязаны делать паспорта на ядовитые отходы и сдавать их на переработку.

Предварительно они должны заключить договор (на 1 год) с утилизирующей фирмой и дать заявку на переработку. При этом стоимость утилизации зависит от вида ламп, а периодичность вывоза отходов устанавливается по договоренности с каждой обслуживаемой организацией отдельно.

Храниться рабочие и отработавшие ртутьсодержащие светильники должны в специально оборудованных складских помещениях с хорошей вентиляцией. Предприятия и предприниматели должны вести журнал хранения, эксплуатации, переработки и замены люминесцентных ламп.

✍ Методы утилизации

На территории РФ широкое распространение получил термовакуумный метод утилизации. Порядок переработки при этом следующий:

• собранные лампочки дробятся прессом;
• раздробленный материал помещают в камеру с большой температурой;
• образующийся при нагреве газ собирается в вакуумной ловушке.

При аналогичном методе на испаряющийся газ воздействуют жидким азотом. Это вызывает затвердение ртути и упрощает ее сбор.

На практике применяется также способ утилизации с помощью химических реагентов. Ими обрабатывают раздробленные светильники. В результате реакции с ртутью образуются устойчивые соединения. Они гораздо безопаснее.

Полученную ртуть используют повторно. Выделенный люминофор отправляют для захоронения на полигонах.

Процесс утилизации люминесцентных ламп

В некоторых городах есть целые полигоны, где утилизируют токсические вещества. В Москве, например, ртутьсодержащие лампочки, используемые в быту, можно бесплатно сдавать в районные отделения ЖЭКов. По всей стране вышедшие из строя лампы принимают в магазинах IKEA, и других специализированных точках продаж.

По своим техническим характеристикам люминесцентные лампы превосходят лампочки накаливания. Их энергосберегающие показатели и разнообразие вызвали широкое использование таких светильников в общественных и в бытовых условиях.

Сравнительно простое устройство и понятный принцип работы делают возможным при минимальных навыках и знаниях обслуживать эти устройства. Понимание маркировки позволяет самостоятельно заменять вышедший из строя элемент схемы аналогичным по характеристикам. Но постоянно следует помнить и соблюдать технику безопасности.