Люмінесцентна лампа – енциклопедія

Люмінесцентна лампа – джерело світла низького тиску, де ультрафіолетове випромінювання, як правило, ртутного розряду перетворюється шаром люмінофора, нанесеного на стінки колби приладу, видиме. Розглянемо, у чому відмінність пристроїв від галогенних та інших схожих.

Люмінесцентне джерело світла

Історія розвитку люмінесцентних ламп

Явлення флюоресценції почали вивчати у 19 столітті. Серед учених чоловіків виділимо Майкла Фарадея, Джеймса Максвелла та Джорджа Стокса. Найпримітнішим винаходом називають колбу Гіслера. Цей вчений спробував відкачати повітря за допомогою насоса ртутного. Розрядження в колбі досягло високого рівня - раніше не вдавалося створити подібні умови. Одночасно звільнений обсяг заповнився парами ртуті. Гіслер виявив, що, маючи електроди по двох кінцях довгої колби і прикладаючи до них напругу, він бачить зелене свічення.

Це розряд, що тліє, покладений сьогодні в основу приладів. При низькому тиску усередині утворюється електронний промінь між катодом та анодом. Подекуди елементарні частинки стикаються з нечисленними іонами газу, віддаючи енергію. За рахунок переходів електронів нові рівні утворюється світіння, колір залежить від застосовуваного хімічного елемента та інших умов. Трубки Гіслер з 80-х років 19 століття поставлені в масове виробництво. Переважно для розважальних та інших супутніх цілей. Наприклад, відомі неонові вивіски.

Причини флюоресценції відрізнялися. Часто ефект провокувався електромагнітним випромінюванням. Відомий підприємець Томас Едісон експериментував із нитками з кальцію, збуджуючи їх рентгенівськими променями. Аналогічними роботами займався Нікола Тесла.

Різновиди люмінесценції

Згіднопричин, що породжують явище, люмінесценція поділяється на класи:

Катодолюмінесценція відбувається у трубках Гіслера.
Фотолюмінесценція: світіння речовин під впливом хвиль близьких до видимого спектра.
Радіолюмінесценція ідентична попередньої хвилі, що збуджують сильно знижену частоту.
Термолюмінесценція: світіння утворюється рахунок нагрівання тіла.
Електролюмінесценція помітна з прикладу світлодіодів.
Біолюмінесценція. Яскравим прикладом класу є населення дна океану.

Люмінесцентна лампа

Люмінесцентні лампи відносяться до розрядних, обговорення почнемо з процесу іонізації. Інакше виявиться нецікаво через незнання базису. До появи світлодіодів розрядні лампи виявляли високу світловіддачу. Вони до 80% економніші, ніж прилади з нитками розжарення. У середовищі газу, пари або суміші утворюється розряд, що тліє. Коли середовище вже іонізовано, складнощів немає, але на старті доводиться використовувати вкрай високі напруги, що досягають одиниць кВ.

Розрядна лампа за малим винятком – у викрутках-індикаторах – працює у парі зі стартером. Іноді цю частину неправильно називають баластом. Це різні речі:

Стартером (пускорегулюючим апаратом) називається частина схеми, де формується висока напруга розпалювання дуги. В результаті різкого стрибка товща газу або пари пробивається, іонізується та проводить струм. Потім необхідність підтримки на електродах високої напруги пропадає. Пускорегулюючий апарат працює виключно на старті.
Баластом називається сукупність пристроїв, покликаних компенсувати негативний опір люмінесцентної лампи. Коли струм зростає, провідність між електродами збільшується. Цей процес не приймаєлавиноподібний характер, виключає вихід обладнання з ладу завдяки баласту, послідовно включеному в ланцюг. Він обмежує зростання струму до рівня.

Баласт і пускорегулюючий пристрій складно роздільні. Наприклад, дросель створює різкий стрибок напруги у потрібний момент, його імпеданс одночасно обмежує і величину струму.

Принцип розпалювання дуги та конструкція розрядної лампи

Люмінесцентна лампа складається із довгої скляної колби, на кінцях якої контактні майданчики з електродами. Особливість конструкції така, що паралельно з лампою доводиться вмикати частину баласту. Електрод має два виходи назовні, нагадуючи вольфрамову підкову. Відмінність люмінесцентних ламп: на стінки скляної колби нанесена спеціальна речовина, що світиться під впливом ультрафіолетового випромінювання. Нагадаємо, усередині знаходяться пари ртуті або речовина, здатна при відносно низькій напрузі старту підтримувати в обсязі розряд, що тліє, з потрібною частотою хвилі.

Розберемося, як працює запалювання. Паралельно люмінесцентній лампі включається біметалеве реле. Через нього живиться напругою мережі невеликий розрядник. Він представляє сильно зменшену копію головної лампи і для іонізації вистачає 220 В. Розрядник, що тліє, поступово підігріває біметалеве реле, що виробляє живлення. У міру підвищення температури контакти розмикаються. В результаті розрядник гасне, а біметалеве реле, через якийсь період, знову замикається. Циклічний процес у часі займає 1-2 сек.

Подивимося, як за допомогою описаного пристрою розпалити люмінесцентну лампу. Чинного значення напруги 220 не вистачає, щоб іонізувати газ в колбі. Конструктори пішли на оригінальний хід – використали дросель. Цекотушка індуктивності з двома обмотками на загальному сердечнику. Намотані так, щоб при різкому зникненні формувати стрибок напруги великої амплітуди. Опис роботи в комплексі:

Люмінесцентна лампа живиться через дросель, вони послідовно включені. Стартер увімкнений паралельно колбі через підковоподібні електроди.
В результаті, за наявності напруги в початковий момент часу запалюється розрядник і гріє реле. Опір контактів мало, 220 прикладаються до дроселя. Там розпочинається процес запасання реактивної потужності.
Коли розрядник сильно нагріває контакти біметалевого реле, воно розриває ланцюг. Як наслідок, харчування на дроселі зникає, в результаті утворюється різкий стрибок напруги. Це викликає реакцію у відповідь, амплітуда імпульсу багаторазово зростає (до одиниць кВ).
Різниця потенціалів на електродах люмінесцентної лампи стає настільки великою, що іонізує газ у колбі. Стартує процес тліючого розряду.
В результаті напруга на стартері знижується, розрядник більше не запалюється.

Так відбувається розпалювання дуги люмінесцентної лампи в стандартному режимі.

Схема люмінесцентної лампи

Систему називають попереднім підігрівом електродів. Струм у міру нагрівання біметалічного реле проходить через вольфрамові підкови, підвищуючи температуру та полегшуючи процес розпалювання. Якщо у приміщенні дуже холодно, з першого разу процес зазнає невдачі. Тоді цикл повторюється, температура вольфрамових електродів стає трохи вищою. Виглядає, як швидке моргання світла при замиканні вимикача.

Як запалити люмінесцентну лампу, що згоріла.

Найчастіше у люмінесцентної лампи згоряє вольфрамовий електрод у формі підкови. Тоді через нього вже не можна податихарчування на стартер, включений паралельно колбі. Використовується схема, наведена малюнку нижче. На електродах лампи постійно підтримується висока напруга (понад 600 В). Цим забезпечується тліючий розряд. Режим роботи люмінесцентної лампи стає напруженим, і пристрій довго функціонувати не зможе.

Схема лампи, що згоріла.

Зверніть увагу, зовні обидва виходи кожного електрода замикаються коротко. Цим забезпечується робота залишилися всередині огризків вольфрамового електрода. Діоди служать для правильної комутації кожної напівхвилі напруги живлення, конденсатори доводять рівень різниці потенціалів до заданого.

Відмінність люмінесцентної лампи від розрядної

Головною особливістю даних пристроїв стає наявність люмінофора на стінках колби. Явище люмінесценції спостерігалося з давніх часів. Найбільш відома вказана властивість у фосфору.

Багато кристалів під дією ультрафіолету починають випромінюватись, але температура не змінюється. Нагадаємо, закон Вина для абсолютно чорного тіла. Він говорить, що максимум випромінювання залежить від температури і підвищується з її підвищенням. Щоб тіло стало червоним, його поверхня стає гарячою, 500 градусів та вище. Інші кольори за спектром йдуть вище, отже, і температура піднімається більше.

Але явища люмінесценції проявляється за нормальних умов, навіть мороз не перешкода. Відомо, що за нормальної температури абсолютного нуля безперервний спектр випромінювання деяких тіл стає просто дискретним. Замість хаотичного потоку квантів намічається впорядкованість. Явище люмінесценції не пропадає. Це пояснюється просто:

При підвищеній температурі електрони переходять між рівнями хаотично. Кожне тіло світиться занагрівання залежно від конкретної температури. Наприклад, міцні метали легко сягають потрібної кондиції, а дерево спочатку чорніє, активно окисляючись киснем повітря.
В основі явища люмінесценції лежить принцип поглинання тілом хвиль певної частоти. Найчастіше це інфрачервоний чи ультрафіолетовий діапазони. Найпростіше навести приклад із кульковою «ручкою для шпигунів». Її чорнило характерно світяться при опроміненні хвилями ультрафіолетового діапазону. Хоча насамперед папір виглядає білим.

Аналогічно кожне тіло демонструє спектр поглинання, а випромінювання відбувається на зниженій хвилі. Це тим, що частина падаючої на матеріал енергії розсіюється як тепла. Кажуть, що тіло випромінює у стоксовій (від імені вченого) області спектру. Трапляються речовини, у яких хвиля люмінесценції вище збуджуючої. Тоді кажуть, що тіло світиться в антистоксовій ділянці спектру. Нарешті, зустрічаються матеріали, що виявляють обидва види властивостей.

У разі люмінесцентних ламп хвиля збудження утворюється розрядом, що тліє, парів ртуті і лежить в ультрафіолетовому діапазоні. Світло, що випромінюється люмінофором, видиме. І тут приходимо до важливої характеристики – колірної температури. Якщо люмінофор дає яскраве біле світло, кажуть, холодний відтінок. Це добре для створення робочого ритму мозку. А лампи звуться денного світла. Найчастіше зустрічаються на практиці.