Содержание
Люминесцентная лампа – источник света низкого давления, где ультрафиолетовое излучение, как правило, ртутного разряда преобразуется слоем люминофора, нанесённого на стенки колбы прибора, в видимое. Рассмотрим, в чем отличие устройств от галогенных и прочих схожих.
Люминесцентный источник света
История развития люминесцентных ламп
Явления флюоресценции начали изучать в 19 веке. Среди учёных мужей выделим Майкла Фарадея, Джеймса Максвелла и Джорджа Стокса. Самым примечательным изобретением называют колбу Гисслера. Этот учёный попытался откачать воздух при помощи ртутного насоса. Разряжение в колбе достигло высокого уровня – прежде не удавалось создать подобные условия. Одновременно освобождённый объем заполнился парами ртути. Гисслер обнаружил, что, располагая электроды по двум концам длинной колбы и прикладывая к ним напряжение, он лицезреет зелёное свечение.
Это тлеющий разряд, положенный сегодня в основу приборов. При низком давлении внутри образуется электронный луч между катодом и анодом. Местами элементарные частицы сталкиваются с малочисленными ионами газа, отдавая энергию. За счёт переходов электронов на новые уровни образуется свечение, цвет зависит от применяемого химического элемента и прочих условий. Трубки Гисслера с 80-х годов 19 века поставлены в массовое производство. Преимущественно для развлекательных и прочих сопутствующих целей. К примеру, известные неоновые вывески.
Причины флюоресценции различались. Часто эффект провоцировался электромагнитным излучением. Известный предприниматель Томас Эдисон экспериментировал с нитями из кальция, возбуждая их рентгеновскими лучами. Аналогичными работами занимался Никола Тесла.
Разновидности люминесценции
Согласно причинам, порождающим явление, люминесценция делится на классы:
- Катодолюминесценция, происходит в трубках Гисслера.
- Фотолюминесценция: свечение веществ под действием волн близких к видимому диапазону.
- Радиолюминесценция идентична предыдущей, возбуждающие волны сильно пониженной частоты.
- Термолюминесценция: свечение образуется за счёт нагрева тела.
- Электролюминесценция заметна на примере светодиодов.
- Биолюминесценция. Ярким примером класса служит население дна океана.
Биолюминесцентная лампа
Люминесцентная лампа
Люминесцентные лампы относятся к разрядным, обсуждение начнём с процесса ионизации. Иначе окажется неинтересно из-за незнания базиса. До появления светодиодов разрядные лампы обнаруживали высокую светоотдачу. Они до 80% экономнее, нежели приборы с нитями накала. В среде газа, пара или смеси образуется тлеющий разряд. Когда среда уже ионизирована, сложностей нет, но на старте приходится использовать крайне высокие напряжения, достигающие единиц кВ.
Разрядная лампа за малым исключением – в отвёртках-индикаторах – работает в паре со стартером. Иногда эту часть неправильно называют балластом. Это разные вещи:
- Стартером (пускорегулирующим аппаратом) называется часть схемы, где формируется высокое напряжение для розжига дуги. В результате резкого скачка толща газа или пара пробивается, ионизируется и проводит ток. Потом необходимость в поддержании на электродах высокого напряжения пропадает. Пускорегулирующий аппарат работает исключительно на старте.
- Балластом именуется совокупность приспособлений, призванных скомпенсировать отрицательное сопротивление люминесцентной лампы. Когда ток растёт, проводимость между электродами увеличивается. Этот процесс не принимает лавинообразный характер, исключает выход оборудования из строя благодаря балласту, включённому последовательно в цепь. Он ограничивает рост тока до конкретного уровня.
Балласт и пускорегулирующее устройство сложно разделимы. К примеру, дроссель создаёт резкий скачок напряжения в нужный момент, его импеданс одновременно ограничивает и величину тока.
Устройство лампы
Принцип розжига дуги и конструкция разрядной лампы
Люминесцентная лампа состоит из длинной стеклянной колбы, на концах которой контактные площадки с электродами. Особенность конструкции такова, что параллельно с лампой приходится включать часть балласта. Электрод имеет два выхода наружу, напоминая вольфрамовую подкову. Отличие люминесцентных ламп: на стенки стеклянной колбы нанесено специальное вещество, светящееся под действием ультрафиолетового излучения. Напомним, внутри находятся пары ртути или вещество, способное при относительно низком напряжении старта поддерживать в объёме тлеющий разряд с нужной частотой волны.
Разберёмся, как работает зажигание. Параллельно люминесцентной лампе включается биметаллическое реле. Через него питается напряжением сети небольшой разрядник. Он представляет сильно уменьшенную копию главной лампы и для ионизации хватает 220 В. Тлеющий разрядник постепенно подогревает биметаллическое реле, производящее питание. По мере повышения температуры контакты размыкаются. В результате разрядник гаснет, а биметаллическое реле, спустя некий период, снова замыкается. Циклический процесс по времени занимает 1-2 сек.
Посмотрим, как при помощи описанного приспособления разжечь люминесцентную лампу. Действующего значения напряжения 220 В не хватает, чтобы ионизировать газ в колбе. Конструкторы пошли на оригинальный ход – использовали дроссель. Это катушка индуктивности с двумя обмотками на общем сердечнике. Намотаны так, чтобы при резком пропадании формировать скачок напряжения большой амплитуды. Описание работы в комплексе:
- Люминесцентная лампа питается через дроссель, они включены последовательно. Стартер включён параллельно колбе через подковообразные электроды.
- В результате при наличии напряжения в начальный момент времени зажигается разрядник и греет реле. Сопротивление контактов мало, 220 В прикладываются к дросселю. Там начинается процесс запасания реактивной мощности.
- Когда разрядник сильно нагревает контакты биметаллического реле, оно разрывает цепь. Как следствие, питание на дросселе пропадает, в результате образуется резкий скачок напряжения. Это вызывает ответную реакцию, амплитуда импульса многократно возрастает (до единиц кВ).
- Разница потенциалов на электродах люминесцентной лампы становится настолько большой, что ионизирует газ в колбе. Стартует процесс тлеющего разряда.
- В результате напряжение на стартере падает, разрядник более не зажигается.
Так происходит розжиг дуги люминесцентной лампы в стандартном режиме.
Схема люминесцентной лампы
Систему называют предварительным подогревом электродов. Ток по мере нагревания биметаллического реле проходит через вольфрамовые подковы, повышая температуру и облегчая процесс розжига. Если в помещении слишком холодно, с первого раза процесс терпит неудачу. Тогда цикл повторяется, температура вольфрамовых электродов становится чуть выше. Выглядит, как быстрое моргание света при замыкании выключателя.
Как зажечь сгоревшую люминесцентную лампу
Чаще у люминесцентной лампы сгорает вольфрамовый электродов в форме подковы. Тогда через него уже нельзя подать питание на стартер, включённый параллельно колбе. Используется схема, приведённая на рисунке ниже. На электродах лампы постоянно поддерживается высокое напряжение (выше 600 В). Этим обеспечивается тлеющий разряд. Режим работы люминесцентной лампы становится напряжённым, и долго устройство функционировать не сможет.
Схема сгоревшей лампы
Обратите внимание, снаружи оба выхода каждого электрода замыкаются накоротко. Этим обеспечивается работа оставшихся внутри огрызков вольфрамового электрода. Диоды служат для правильной коммутации каждой полуволны питающего напряжения, конденсаторы доводят уровень разницы потенциалов до заданного.
Отличие люминесцентной лампы от разрядной
Главной особенностью рассматриваемых устройств становится наличие люминофора на стенках колбы. Явление люминесценции наблюдалось с древних времён. Наиболее известно указанное свойство у фосфора.
Многие кристаллы под действием ультрафиолета начинают лучиться, но температура не меняется. Напомним закон Вина для абсолютно чёрного тела. Он гласит, что максимум излучения зависит от температуры и увеличивается с её повышением. Чтобы тело стало красным, его поверхность становится горячей, 500 градусов и выше. Прочие цвета по спектру идут выше, значит, и температура поднимается больше.
Но явления люминесценции проявляется при нормальных условиях, даже мороз не помеха. Известно, что при температуре абсолютного нуля непрерывный спектр излучения некоторых тел становится просто дискретным. Вместо хаотичного потока квантов намечается упорядоченность. Явление люминесценции не пропадает. Это объясняется простым образом:
- При повышенной температуре электроны переходят между уровнями совершенно хаотичным образом. Каждое тело светится при нагревании в зависимости от конкретной температуры. К примеру, прочные металлы легко доходят до нужной кондиции, а дерево вначале чернеет, активно окисляясь кислородом воздуха.
- В основе явления люминесценции лежит принцип поглощения телом волн определённой частоты. Чаще это инфракрасный или ультрафиолетовый диапазоны. Проще всего привести пример с шариковой «ручкой для шпионов». Её чернила характерно светятся при облучении волнами ультрафиолетового диапазона. Хотя прежде бумага выглядит белой.
Аналогичным образом каждое тело демонстрирует спектр поглощения, а излучение происходит на пониженной волне. Это объясняется тем, что часть падающей на материал энергии рассеивается в виде тепла. Говорят, что тело излучает в стоксовой (от имени учёного) области спектра. Встречаются вещества, у которых волна люминесценции выше возбуждающей. Тогда говорят, что тело светится в антистоксовой области спектра. Наконец, встречаются материалы, проявляющие оба вида свойств.
В случае люминесцентных ламп волна возбуждения образуется тлеющим разрядом паров ртути и лежит в ультрафиолетовом диапазоне. Свет, излучаемый люминофором, видимый. И здесь приходим к важной характеристике – цветовой температуре. Если люминофор даёт яркий белый свет, говорят, оттенок холодный. Это хорошо для создания рабочего ритма мозга. А лампы носят название дневного света. Чаще и встречаются на практике.
