Люминесцентная лампа , или люминесцентная трубка , представляет собой ртутную газоразрядную лампу низкого давления , которая использует флуоресценцию для производства видимого света. Электрический ток в газе возбуждает пары ртути, которые производят коротковолновый ультрафиолетовый свет , который затем вызывает свечение люминофорного покрытия внутри лампы. Люминесцентная лампа преобразует электрическую энергию в полезный свет гораздо эффективнее, чем лампа накаливания . Типичная светоотдача люминесцентных систем освещения составляет 50–100 люмен на ватт, что в несколько раз превышает эффективность ламп накаливания с сопоставимой светоотдачей. Для сравнения, светоотдача лампы накаливания может составлять всего 16 люмен на ватт.
Люминесцентные лампы стоят дороже, чем лампы накаливания, поскольку, среди прочего, им требуется балласт для регулирования тока через лампу, но первоначальная стоимость компенсируется гораздо более низкими эксплуатационными расходами. Компактные люминесцентные лампы теперь доступны в тех же популярных размерах, что и лампы накаливания, и используются в качестве энергосберегающей альтернативы лампам накаливания в домах.
В США люминесцентные лампы классифицируются как универсальный мусор . Агентство по охране окружающей среды США рекомендует отделять люминесцентные лампы от обычных отходов для переработки или безопасной утилизации, а в некоторых юрисдикциях требуется их переработка. [3]
Флуоресценцию некоторых горных пород и других веществ наблюдали в течение сотен лет, прежде чем ее природа была понята . К середине XIX века экспериментаторы наблюдали лучистое свечение, исходящее от частично вакуумированных стеклянных сосудов, через которые проходил электрический ток . Одним из первых, кто объяснил это, был ирландский ученый сэр Джордж Стоукс из Кембриджского университета в 1852 году, который назвал это явление «флуоресценцией» в честь флюорита , минерала, многие образцы которого сильно светятся из-за примесей. Объяснение основывалось на природе явлений электричества и света, разработанных британскими учеными Майклом Фарадеем в 1840-х годах и Джеймсом Клерком Максвеллом в 1860-х годах. [4]
Немного больше было сделано с этим явлением до 1856 года, когда немецкий стеклодув Генрих Гейсслер создал ртутный вакуумный насос , который откачивал стеклянную трубку до такой степени, которая ранее была невозможна. Гейсслер изобрел первую газоразрядную лампу, трубку Гейсслера , состоящую из частично вакуумированной стеклянной трубки с металлическими электродами на обоих концах. При подаче высокого напряжения между электродами внутренняя часть трубки освещалась тлеющим разрядом . Поместив внутрь различные химические вещества, можно было сделать пробирки разных цветов, а сложные трубки Гейсслера продавались для развлечения. Более важным был его вклад в научные исследования. Одним из первых ученых, экспериментировавших с трубкой Гейсслера, был Юлиус Плюкер , который систематически описал в 1858 году люминесцентные эффекты, возникающие в трубке Гейсслера. Он также сделал важное наблюдение, что свечение в трубке меняет положение, когда находится вблизи электромагнитного поля . Александр Эдмон Беккерель заметил в 1859 году, что некоторые вещества излучают свет, когда их помещают в трубку Гейсслера. Он продолжал наносить на поверхность этих трубок тонкие покрытия из люминесцентных материалов. Флуоресценция имела место, но трубки были неэффективны и имели короткий срок службы. [5]
Запросы, начавшиеся с трубки Гейсслера, продолжались по мере того, как стали производиться более совершенные вакуумы. Самой известной была вакуумная трубка, использовавшаяся для научных исследований Уильямом Круксом . Эта трубка была откачана с помощью высокоэффективного ртутного вакуумного насоса, созданного Германом Шпренгелем . Исследования, проведенные Круксом и другими, в конечном итоге привели к открытию электрона в 1897 году Дж. Дж. Томсоном и рентгеновских лучей в 1895 году Вильгельмом Рентгеном . Трубка Крукса , как ее стали называть, давала мало света, потому что вакуум в ней был слишком велик и, следовательно, не хватало следовых количеств газа, необходимых для электрически стимулированной люминесценции .
Томас Эдисон некоторое время использовал люминесцентное освещение из-за его коммерческого потенциала. В 1896 году он изобрел люминесцентную лампу, в которой в качестве флуоресцирующего вещества использовалось покрытие из вольфрамата кальция , возбуждаемого рентгеновскими лучами . Хотя он получил патент в 1907 году, [6] он не был запущен в производство. Как и в случае с несколькими другими попытками использовать трубки Гейсслера для освещения, они имели короткий срок службы, и, учитывая успех ламп накаливания, у Эдисона не было причин искать альтернативные способы электрического освещения. Никола Тесла провел аналогичные эксперименты в 1890-х годах, разработав высокочастотные люминесцентные лампы, дающие яркий зеленоватый свет, но, как и в случае с устройствами Эдисона, коммерческого успеха добиться не удалось.
Один из бывших сотрудников Эдисона создал газоразрядную лампу, которая добилась определенного коммерческого успеха. В 1895 году Дэниел Макфарлан Мур продемонстрировал лампы длиной от 2 до 3 метров (от 6,6 до 9,8 футов), в которых использовался углекислый газ или азот для излучения белого или розового света соответственно. Они были значительно сложнее ламп накаливания и требовали как высоковольтного источника питания, так и системы регулирования давления наполняющего газа. [7]
Мур изобрел клапан с электромагнитным управлением, который поддерживал постоянное давление газа внутри трубки, чтобы продлить срок службы. [8] Хотя лампа Мура была сложной, дорогой и требовала очень высокого напряжения, она была значительно более эффективной, чем лампы накаливания, и обеспечивала более близкое приближение к естественному дневному свету, чем современные лампы накаливания. С 1904 года система освещения Мура была установлена во многих магазинах и офисах. [9] Ее успех способствовал мотивации General Electric улучшить лампу накаливания, особенно ее нить накаливания. Усилия GE увенчались успехом с изобретением нити на основе вольфрама . Увеличенный срок службы и повышенная эффективность ламп накаливания свели на нет одно из ключевых преимуществ лампы Мура, но GE приобрела соответствующие патенты в 1912 году. Эти патенты и изобретательские усилия, которые их поддерживали, имели значительную ценность, когда фирма занялась люминесцентным освещением более чем два десятилетия спустя.
Примерно в то же время, когда Мур разрабатывал свою систему освещения, Питер Купер Хьюитт изобрел ртутную лампу , запатентованную в 1901 году ( US 682692 ). Лампа Хьюитта светилась, когда через пары ртути пропускали электрический ток при низком давлении. В отличие от ламп Мура, лампы Хьюитта производились стандартизированных размеров и работали при низком напряжении. Ртутная лампа превосходила лампы накаливания того времени по энергоэффективности , но производимый ею сине-зеленый свет ограничивал ее применение. Однако его использовали для фотографии и некоторых промышленных процессов.
Ртутные лампы продолжали разрабатываться медленными темпами, особенно в Европе. К началу 1930-х годов они получили ограниченное применение для крупномасштабного освещения. В некоторых из них использовались флуоресцентные покрытия, но они использовались в основном для цветокоррекции, а не для увеличения светоотдачи. Ртутные лампы также предшествовали люминесцентным лампам, поскольку в них был включен балласт для поддержания постоянного тока.
Купер-Хьюитт не был первым, кто использовал пары ртути для освещения, поскольку более ранние попытки были предприняты Уэем, Рапиффом, Аронсом, Бастианом и Солсбери. Особое значение имела ртутная лампа, изобретенная Кюхом и Речинским в Германии . В лампе использовалась колба меньшего диаметра и более высокий ток, работающий при более высоком давлении. Из-за наличия тока лампа работала при более высокой температуре, что потребовало использования кварцевой лампы. Хотя ее светоотдача по сравнению с потреблением электроэнергии была лучше, чем у других источников света, излучаемый ею свет был подобен свету лампы Купера-Хьюитта в том смысле, что в ней отсутствовала красная часть спектра, что делало ее непригодной для обычного освещения. Из-за трудностей с припайкой электродов к кварцу лампа прослужила недолго. [10]
Следующий шаг в газовом освещении позволил использовать люминесцентные свойства неона , инертного газа, который был открыт в 1898 году путем изоляции от атмосферы. Неон светился ярко-красным светом при использовании в трубках Гейсслера. [11] К 1910 году Жорж Клод , француз, разработавший технологию и успешный бизнес по сжижению воздуха, получал достаточно неона в качестве побочного продукта для поддержки индустрии неонового освещения. [12] [13] Хотя неоновое освещение использовалось примерно в 1930 году во Франции для общего освещения, оно было не более энергоэффективным, чем обычные лампы накаливания. Освещение неоновыми трубками, которое также включает использование аргона и паров ртути в качестве альтернативных газов, стало использоваться в первую очередь для привлекательных вывесок и рекламы. Однако неоновое освещение имело важное значение для развития флуоресцентного освещения, поскольку улучшенный электрод Клода (запатентованный в 1915 году) преодолел «распыление», основной источник деградации электродов. Распыление происходило, когда ионизированные частицы ударялись об электрод и отрывали кусочки металла. Хотя изобретение Клода требовало электродов с большой площадью поверхности, оно показало, что основное препятствие для газового освещения можно преодолеть.
Развитие неонового света также имело большое значение для последнего ключевого элемента люминесцентной лампы — ее люминесцентного покрытия. [14] В 1926 году Жак Рислер получил французский патент на применение флуоресцентных покрытий к неоновым световым трубкам. [15] Эти лампы, которые можно считать первыми коммерчески успешными люминесцентными лампами, в основном использовались для рекламы, а не для общего освещения. Однако это было не первое использование флуоресцентных покрытий; Беккерель ранее использовал эту идею, а Эдисон использовал вольфрамат кальция для своей неудачной лампы. [16] [17] [18] Были предприняты и другие усилия, но все они страдали от низкой эффективности и различных технических проблем. Особое значение имело изобретение в 1927 году низковольтной «лампы на парах металла» Фридрихом Мейером, Хансом-Иоахимом Шпаннером и Эдмундом Гермером , которые были сотрудниками немецкой фирмы в Берлине . Был выдан немецкий патент, но в коммерческое производство лампа так и не пошла.
Все основные характеристики флуоресцентного освещения уже существовали в конце 1920-х годов. Десятилетия изобретений и разработок позволили создать ключевые компоненты люминесцентных ламп: экономично изготовленные стеклянные трубки, инертные газы для заполнения трубок, электрические балласты, долговечные электроды, пары ртути как источник люминесценции, эффективные средства создания надежного электрического разряда. и флуоресцентные покрытия, которые могут возбуждаться ультрафиолетовым светом. На тот момент интенсивное развитие было важнее фундаментальных исследований.
В 1934 году Артур Комптон , известный физик и консультант GE, сообщил отделу ламп GE об успешных экспериментах с люминесцентным освещением в компании General Electric Co., Ltd. в Великобритании (не имеющей отношения к General Electric в США). Вдохновленная этим отчетом и используя все доступные ключевые элементы, группа под руководством Джорджа Э. Инмана в 1934 году построила прототип люминесцентной лампы в инженерной лаборатории General Electric в Нела Парк (Огайо). Это было непростое упражнение; как заметил Артур А. Брайт: «Пришлось провести много экспериментов с размерами и формой ламп, конструкцией катода, давлением аргона и паров ртути, цветами флуоресцентных порошков, методами их прикрепления к внутренней части лампы. трубка и другие детали лампы и ее вспомогательных устройств, прежде чем новое устройство будет представлено публике». [19]
Помимо наличия инженеров и технических специалистов, а также средств для исследований и разработок люминесцентных ламп, General Electric контролировала то, что она считала ключевыми патентами, касающимися люминесцентного освещения, включая патенты, первоначально выданные Хьюитту, Муру и Кюху. Более важным, чем это, был патент на электрод , который не распадался при давлении газа, который в конечном итоге использовался в люминесцентных лампах. Альберт В. Халл из исследовательской лаборатории GE в Скенектади подал заявку на патент на это изобретение в 1927 году, который был выдан в 1931 году. [20] General Electric использовала свой контроль над патентами, чтобы предотвратить конкуренцию со своими лампами накаливания и, вероятно, задержала внедрение люминесцентных ламп. освещение к 20 годам. В конце концов, для военного производства потребовались круглосуточные заводы с экономичным освещением, и стали доступны люминесцентные лампы.
Хотя патент Халла дал GE основание для предъявления юридических прав на люминесцентную лампу, через несколько месяцев после того, как лампа была запущена в производство, фирма узнала о заявке на патент США, поданной в 1927 году на вышеупомянутую «лампу на парах металла», изобретенную в 1927 году. Германия Мейера, Шпаннера и Гермера. В заявке на патент указывалось, что лампа была создана как превосходное средство получения ультрафиолетового света, но в заявке также содержалось несколько утверждений, касающихся флуоресцентного освещения. Попытки получить патент США столкнулись с многочисленными задержками, но если бы он был выдан, патент мог бы вызвать серьезные трудности для GE. Сначала GE пыталась заблокировать выдачу патента, утверждая, что приоритет должен отдаваться одному из их сотрудников, Лерою Дж. Баттольфу, который, согласно их заявлению, изобрел люминесцентную лампу в 1919 году и чья заявка на патент все еще находится на рассмотрении. GE также подала заявку на патент в 1936 году на имя Инмана, чтобы охватить «улучшения», внесенные его группой. В 1939 году GE решила, что иск Мейера, Спаннера и Гермера имеет определенные основания и что в любом случае длительная процедура вмешательства не в их интересах. Поэтому они отказались от иска Баттольфа и заплатили 180 000 долларов за приобретение Мейера и др. Патент был должным образом выдан в декабре 1939 года. [21] Этот патент, наряду с патентом Халла, поставил GE на, казалось бы, прочную юридическую основу, хотя она столкнулась с многолетними судебными исками со стороны Sylvania Electric Products , Inc., которая заявила о нарушении принадлежащих ей патентов.
Несмотря на то, что проблема с патентами не была полностью решена в течение многих лет, сила General Electric в производстве и маркетинге обеспечила ей лидирующее положение на развивающемся рынке люминесцентных ламп. Продажи «люминесцентных люмилиновых ламп» начались в 1938 году, когда на рынке появились лампы четырех разных размеров. Их использовали в светильниках, выпускаемых тремя ведущими корпорациями: Lightolier , Artcraft Fluorescent Lighting Corporation и Globe Lighting. Публичное представление люминесцентного балласта Slimline в 1946 году было осуществлено компаниями Westinghouse и General Electric, а светильники Showcase/Display Case были представлены Articraft Fluorescent Lighting Corporation в 1946 году. [22] [23] В течение следующего года GE и Westinghouse рекламировали новые лампы на выставках. на Всемирной выставке в Нью-Йорке и Международной выставке Golden Gate в Сан-Франциско. Системы люминесцентного освещения быстро распространились во время Второй мировой войны, поскольку в военное время производство увеличило спрос на освещение. К 1951 году в Соединенных Штатах люминесцентные лампы производили больше света, чем лампы накаливания. [24]
В первые годы в качестве зеленоватого люминофора использовали ортосиликат цинка с различным содержанием бериллия . Небольшие добавки вольфрамата магния улучшили синюю часть спектра, обеспечив приемлемый белый цвет. После открытия токсичности бериллия преобладали люминофоры на основе галофосфатов. [25]
Фундаментальным механизмом преобразования электрической энергии в свет является испускание фотона, когда электрон в атоме ртути переходит из возбужденного состояния на более низкий энергетический уровень . Электроны, текущие в дуге, сталкиваются с атомами ртути. Если падающий электрон имеет достаточную кинетическую энергию , он передает энергию внешнему электрону атома, заставляя этот электрон временно подпрыгнуть на более высокий энергетический уровень, который не является стабильным. Атом испустит ультрафиолетовый фотон , когда электрон атома вернется на более низкий, более стабильный энергетический уровень. Большинство фотонов, испускаемых атомами ртути, имеют длины волн в ультрафиолетовой (УФ) области спектра, преимущественно с длинами волн 253,7 и 185 нанометров (нм). Они не видны человеческому глазу, поэтому ультрафиолетовая энергия преобразуется в видимый свет за счет флуоресценции внутреннего люминофорного покрытия. Разница в энергии между поглощенным ультрафиолетовым фотоном и излучаемым фотоном видимого света нагревает люминофорное покрытие.
Электрический ток протекает через трубку в виде дугового разряда низкого давления . Электроны сталкиваются и ионизируют атомы благородного газа внутри колбы, окружающей нить накала, образуя плазму в процессе ударной ионизации . В результате лавинной ионизации проводимость ионизированного газа быстро возрастает, позволяя протекать через лампу более высоким токам.
Наполняющий газ помогает определить электрические характеристики лампы, но сам по себе не излучает свет. Наполняющий газ эффективно увеличивает расстояние, которое электроны проходят через трубку, что дает электрону больше шансов взаимодействовать с атомом ртути. Кроме того, атомы аргона, переведённые в метастабильное состояние под воздействием электрона, могут передавать энергию атому ртути и ионизировать его, что описано как эффект Пеннинга . Это снижает пробивное и рабочее напряжение лампы по сравнению с другими возможными заполняющими газами, такими как криптон. [26]
Трубка люминесцентной лампы заполнена смесью аргона , ксенона , неона или криптона и паров ртути. Давление внутри лампы составляет около 0,3% атмосферного давления. [27] Парциальное давление паров ртути в 40-ваттной лампе Т12 составляет около 0,8 Па (8 миллионных атмосферного давления). [28] Внутренняя поверхность лампы покрыта флуоресцентным покрытием , изготовленным из различных смесей солей металлов и редкоземельных фосфоров . Электроды лампы обычно изготавливаются из спирального вольфрама и покрываются смесью оксидов бария, стронция и кальция для улучшения термоэлектронной эмиссии .
Трубки люминесцентных ламп часто бывают прямыми и имеют длину от 100 миллиметров (3,9 дюйма) для миниатюрных ламп до 2,43 метра (8,0 футов) для ламп высокой мощности. Некоторые лампы имеют круглую трубку, которая используется в настольных лампах или в других местах, где требуется более компактный источник света. Лампы U-образной формы большего размера используются для обеспечения такого же количества света на более компактной площади и применяются в особых архитектурных целях. Компактные люминесцентные лампы состоят из нескольких трубок малого диаметра, соединенных в пучок по две, четыре или шесть штук, или трубки малого диаметра, свернутой в спираль, чтобы обеспечить высокую светоотдачу в минимальном объеме.
Светоизлучающие люминофоры наносятся в виде лакокрасочного покрытия на внутреннюю часть трубки. Органическим растворителям дают испариться, затем трубку нагревают почти до температуры плавления стекла, чтобы удалить оставшиеся органические соединения и приварить покрытие к трубке лампы. Необходим тщательный контроль размера зерна взвешенных люминофоров; крупные зерна приводят к слабым покрытиям, а мелкие частицы приводят к плохому обслуживанию и эффективности. Большинство люминофоров лучше всего работают с размером частиц около 10 микрометров. Покрытие должно быть достаточно толстым, чтобы улавливать весь ультрафиолетовый свет, создаваемый ртутной дугой, но не настолько толстым, чтобы люминофорное покрытие поглощало слишком много видимого света. Первые люминофоры представляли собой синтетические версии встречающихся в природе флуоресцентных минералов с небольшим количеством металлов, добавленных в качестве активаторов. Позже были обнаружены другие соединения, позволяющие изготавливать лампы разных цветов. [29]
Люминесцентные трубки могут иметь внешнее силиконовое покрытие, которое наносят путем погружения трубки в раствор воды и силикона и последующей сушки трубки. Это покрытие защищает от влаги и, таким образом, гарантирует предсказуемое поверхностное сопротивление трубки при ее запуске. [30]
Люминесцентные лампы представляют собой устройства с отрицательным дифференциальным сопротивлением , поэтому по мере того, как через них протекает больший ток, электрическое сопротивление люминесцентной лампы падает, позволяя протекать еще большему току. Подключенная напрямую к источнику питания постоянного напряжения люминесцентная лампа быстро саморазрушится из-за неконтролируемого протекания тока. Чтобы этого не произошло, в люминесцентных лампах необходимо использовать балласт для регулирования тока, проходящего через лампу.
Напряжение на клеммах операционной лампы варьируется в зависимости от тока дуги , диаметра трубки, температуры и заполняющего газа. 48-дюймовая (1219 мм) лампа Т12 [31] для общего освещения работает при токе 430 мА с падением напряжения 100 Вольт. Лампы высокой мощности работают при токе 800 мА, а некоторые типы — до 1,5 А. Уровень мощности варьируется от 33 до 82 Вт на метр длины трубки (от 10 до 25 Вт/фут) для ламп Т12. [32]
Простейшим балластом для переменного тока (AC) является последовательно включенный индуктор , состоящий из обмотки на ламинированном магнитном сердечнике. Индуктивность этой обмотки ограничивает протекание переменного тока. Этот тип балласта распространен в странах с напряжением 220–240 В (а в Северной Америке — лампы мощностью до 30 Вт). Балласты рассчитаны на размер лампы и частоту сети. В Северной Америке переменного напряжения недостаточно для запуска длинных люминесцентных ламп, поэтому балласт часто представляет собой повышающий автотрансформатор со значительной индуктивностью рассеяния (для ограничения тока). Любая форма индуктивного балласта может также включать в себя конденсатор для коррекции коэффициента мощности .
Люминесцентные лампы могут работать непосредственно от источника постоянного тока с напряжением, достаточным для возникновения дуги. Балласт должен быть резистивным и потреблять примерно столько же энергии, сколько и лампа. При работе от постоянного тока пусковой выключатель часто меняет полярность питания лампы при каждом ее запуске; в противном случае ртуть скапливается на одном конце трубки. По этим причинам люминесцентные лампы (почти) никогда не работают напрямую от постоянного тока. Вместо этого инвертор преобразует постоянный ток в переменный и обеспечивает функцию ограничения тока, как описано ниже для электронных балластов.
На характеристики люминесцентных ламп решающее влияние оказывает температура стенки колбы и ее влияние на парциальное давление паров ртути внутри. [33] Поскольку ртуть конденсируется в самом прохладном месте лампы, требуется тщательное проектирование, чтобы поддерживать в этом месте оптимальную температуру, около 40 °C (104 °F).
Использование амальгамы с другим металлом снижает давление пара и увеличивает оптимальный температурный диапазон. Температуру «холодной точки» стенки колбы по-прежнему необходимо контролировать, чтобы предотвратить конденсацию. Люминесцентные лампы высокой мощности имеют такие особенности, как деформированная трубка или внутренние радиаторы для контроля температуры в холодных точках и распределения ртути. Тяжелонагруженные небольшие лампы, такие как компактные люминесцентные лампы, также включают в себя области теплоотвода в трубке для поддержания давления паров ртути на оптимальном уровне. [34]
Только часть электрической энергии, поступающей в лампу, преобразуется в полезный свет. Балласт рассеивает часть тепла; электронные балласты могут иметь эффективность около 90%. На электродах происходит фиксированное падение напряжения, которое также выделяет тепло. Часть энергии в столбе паров ртути также рассеивается, но около 85% превращается в видимый и ультрафиолетовый свет.
Не все УФ-излучение, попадающее на люминофорное покрытие, преобразуется в видимый свет; часть энергии теряется. Самая большая разовая потеря в современных лампах связана с более низкой энергией каждого фотона видимого света по сравнению с энергией генерирующих их УФ-фотонов (феномен, называемый стоксовым сдвигом ). Падающие фотоны имеют энергию 5,5 электронвольт, но производят фотоны видимого света с энергией около 2,5 электронвольт, поэтому используется только 45% энергии УФ; остальное рассеивается в виде тепла. [35]
В большинстве люминесцентных ламп используются электроды, которые испускают электроны в трубку под действием тепла, известные как горячие катоды. Однако лампы с холодным катодом имеют катоды, которые излучают электроны только за счет большого напряжения между электродами. Катоды будут нагреваться протекающим через них током, но они недостаточно горячие для значительной термоэлектронной эмиссии . Поскольку лампы с холодным катодом не имеют термоэмиссионного покрытия, которое может изнашиваться, они могут иметь гораздо более длительный срок службы, чем лампы с горячим катодом . Это делает их желательными для долгосрочных применений (например, для подсветки жидкокристаллических дисплеев ). Распыление электрода все еще может происходить, но электродам можно придать такую форму (например, в виде внутреннего цилиндра), чтобы захватывать большую часть распыленного материала и не терять его из электрода.
Лампы с холодным катодом обычно менее эффективны, чем термоэмиссионные лампы, поскольку напряжение катодного падения намного выше. Мощность, рассеиваемая из-за катодного падения напряжения, не влияет на светоотдачу. Однако для более длинных трубок это менее важно. Повышенная рассеиваемая мощность на концах ламп также обычно означает, что лампы с холодным катодом должны работать при более низкой нагрузке, чем их термоэмиссионные эквиваленты. Учитывая, что в любом случае требуется более высокое напряжение на трубках, эти трубки можно легко сделать длинными и даже использовать в виде последовательных цепочек. Они лучше подходят для сгибания в специальные формы для надписей и вывесок, а также их можно мгновенно включать и выключать.
Газ, используемый в люминесцентной лампе, должен быть ионизирован, прежде чем дуга сможет «загореться». Небольшим лампам для зажигания дуги не требуется большого напряжения, и зажигание лампы не представляет проблем, но для ламп большего размера требуется значительное напряжение (в пределах тысячи вольт). Использовалось множество различных пусковых схем. Выбор схемы зависит от стоимости, напряжения переменного тока, длины трубки, мгновенного или немгновенного запуска, температурных диапазонов и доступности деталей.
В предварительном нагреве, также называемом переключателем, используется комбинация нитей накала и катода на каждом конце лампы в сочетании с механическим или автоматическим ( биметаллическим ) переключателем (см. принципиальную схему справа), который первоначально соединяет нити накаливания последовательно с балластом для предварительно разогрейте их; после короткого времени предварительного нагрева пусковой выключатель размыкается. Если время правильно рассчитано относительно фазы питающего переменного тока, это приводит к тому, что балласт индуцирует напряжение на трубке, достаточно высокое, чтобы инициировать стартовую дугу. [36] Эти системы являются стандартным оборудованием в странах с напряжением 200–240 В (а в США — лампами мощностью примерно до 30 Вт).
До 1960-х годов использовались четырехконтактные термопускатели и ручные выключатели. [ нужна ссылка ] Стартер накаливания автоматически нагревает катоды ламп. Он состоит из нормально разомкнутого биметаллического переключателя в небольшой герметичной газоразрядной лампе , содержащей инертный газ (неон или аргон). Выключатель накаливания циклически нагревает нити накаливания и подает импульсное напряжение для зажигания дуги; процесс повторяется до тех пор, пока лампа не загорится. Как только трубка ударяется, падающий основной разряд сохраняет катоды горячими, позволяя продолжать эмиссию электронов. Выключатель стартера снова не замыкается, поскольку напряжения на зажженной трубке недостаточно для возникновения тлеющего разряда в стартере. [36]
При использовании стартеров с выключателем накаливания неисправная трубка будет циклически повторяться. Некоторые системы пуска использовали тепловую защиту от перегрузки по току для обнаружения повторных попыток запуска и отключения цепи до тех пор, пока она не будет сброшена вручную.
Конденсатор коррекции коэффициента мощности (PFC) потребляет опережающий ток из сети, чтобы компенсировать запаздывающий ток, потребляемый цепью лампы . [36]
В электронных пускателях используется другой метод предварительного нагрева катодов. [37] Они могут быть взаимозаменяемы со стартёрами накаливания. Они используют полупроводниковый переключатель и осуществляют «мягкий запуск» лампы путем предварительного нагрева катодов перед подачей пускового импульса, который первый раз поражает лампу без мерцания; это вытесняет минимальное количество материала с катодов во время запуска, продлевая срок службы лампы. [36] Утверждается, что это продлевает срок службы лампы обычно в 3-4 раза для часто включаемых ламп, например, при домашнем использовании, [38] и уменьшает почернение концов лампы, типичное для люминесцентных ламп. Хотя схема сложна, ее сложность заложена в интегральную микросхему. Электронные пускатели могут быть оптимизированы для быстрого запуска (типичное время запуска 0,3 секунды) [38] [39] или для наиболее надежного запуска даже при низких температурах и при низком напряжении питания со временем запуска 2–4 секунды. [40] Устройства с более быстрым запуском могут издавать слышимый шум во время запуска. [41]
Электронные стартеры пытаются запустить лампу только на короткое время при первоначальном подаче питания и не пытаются повторно зажечь лампу, которая не работает и не может поддерживать дугу; некоторые автоматически прекращают попытки запустить вышедшую из строя лампу. [37] Это исключает повторное зажигание лампы и постоянное мигание неисправной лампы тлеющим стартером. Электронные пускатели не подвержены износу и не требуют периодической замены, хотя могут выйти из строя, как и любая другая электронная схема. Производители обычно указывают срок службы 20 лет или столько же, сколько светильник. [39] [40]
Люминесцентные лампы с мгновенным запуском были изобретены в 1944 году. Для мгновенного запуска просто используется достаточно высокое напряжение, чтобы разрушить столб газа и тем самым начать проводимость дуги. Как только высоковольтная искра «зажигает» дугу, ток увеличивается до тех пор, пока не образуется тлеющий разряд . По мере того, как лампа нагревается и давление увеличивается, ток продолжает расти, а сопротивление и напряжение падают, пока сетевое или линейное напряжение не возобладает и разряд не превратится в дугу. Эти лампы не имеют нитей накала и могут быть идентифицированы по одному штырю на каждом конце трубки (для обычных ламп; компактные лампы с холодным катодом также могут иметь один штырь, но работают от трансформатора, а не от балласта). Патроны ламп имеют разъем «разъединитель» на низковольтном конце, который отключает балласт при снятии трубки во избежание поражения электрическим током . Лампы мгновенного запуска немного более энергоэффективны, чем быстрые, поскольку они не посылают постоянно нагревательный ток к катодам во время работы, но запуск холодных катодов увеличивает распыление, и для перехода от тлеющего разряда к дуге требуется гораздо больше времени. во время прогрева, таким образом, срок службы обычно составляет примерно половину от срока службы сопоставимых ламп быстрого запуска. [42]
Поскольку для образования дуги требуется термоэлектронная эмиссия большого количества электронов из катода, в конструкции балласта быстрого запуска предусмотрены обмотки внутри балласта, которые постоянно нагревают катодные нити. Обычно работает при более низком напряжении дуги, чем конструкция с мгновенным запуском; при запуске не возникает всплеск индуктивного напряжения , поэтому лампы необходимо устанавливать рядом с заземленным (заземленным) отражателем, чтобы тлеющий разряд мог распространяться по трубке и инициировать дуговой разряд через емкостную связь . В некоторых лампах к внешней стороне стекла лампы прикреплена заземленная полоса «вспомогательного средства запуска». Этот тип балласта несовместим с европейскими энергосберегающими люминесцентными лампами T8, поскольку эти лампы требуют более высокого пускового напряжения, чем напряжение холостого хода балластов быстрого запуска.
В балластах быстрого запуска используется небольшой автотрансформатор для нагрева нитей накала при первой подаче питания. При зажигании дуги мощность нагрева нити снижается и трубка запускается уже через полсекунды. Автотрансформатор либо совмещен с балластом, либо может представлять собой отдельный блок. Трубки необходимо устанавливать рядом с заземленным металлическим отражателем, чтобы они могли ударять. Балласты быстрого запуска более распространены в коммерческих установках из-за более низких затрат на техническое обслуживание. Балласт быстрого запуска устраняет необходимость в пусковом выключателе, который является частым источником неисправностей ламп. Тем не менее, балласты быстрого запуска также используются в бытовых (жилых) установках из-за желательной функции, заключающейся в том, что лампа балласта быстрого запуска включается почти сразу после подачи питания (при включении выключателя). Балласты быстрого запуска используются только в цепях на 240 В и предназначены для использования со старыми, менее эффективными лампами Т12.
Схема полурезонансного запуска была изобретена компанией Thorn Lighting для использования с люминесцентными лампами T12 . В этом методе используется трансформатор с двойной обмоткой и конденсатор. При отсутствии тока дуги трансформатор и конденсатор резонируют на частоте сети и генерируют на трубке примерно вдвое большее напряжение питания, а также небольшой ток нагрева электрода. [43] Это напряжение на трубке слишком низкое, чтобы зажечь дугу с помощью холодных электродов, но по мере того, как электроды нагреваются до температуры термоэлектронной эмиссии, напряжение зажигания трубки падает ниже напряжения звонка, и дуга зажигается. По мере нагревания электродов лампа медленно, в течение трех-пяти секунд, достигает полной яркости. По мере увеличения тока дуги и падения напряжения на трубке схема обеспечивает ограничение тока.
Схемы полурезонансного запуска в основном ограничены для использования в коммерческих установках из-за более высокой начальной стоимости компонентов схемы. Однако нет необходимости заменять выключатели стартера, а повреждение катода во время запуска уменьшается, что продлевает срок службы ламп и снижает затраты на техническое обслуживание. Из-за высокого напряжения холостого хода этот метод запуска особенно хорош для запуска ламп в холодных местах. Кроме того, коэффициент мощности цепи составляет почти 1,0, и дополнительная коррекция коэффициента мощности в осветительной установке не требуется. Поскольку конструкция требует, чтобы напряжение питания было в два раза ниже, чем напряжение зажигания холодного катода (иначе лампы будут ошибочно мгновенно запускаться), эту конструкцию нельзя использовать с напряжением переменного тока 240 В , если длина трубок не превышает 1,2 м (3). футов 11 дюймов) длины. Светильники с полурезонансным запуском, как правило, несовместимы с энергосберегающими модернизированными лампами Т8, поскольку такие лампы имеют более высокое пусковое напряжение, чем лампы Т12, и могут не запускаться надежно, особенно при низких температурах. Недавние предложения в некоторых странах по поэтапному отказу от трубок Т12 сократят применение этого метода запуска.
В электронных балластах используются транзисторы для изменения частоты питания на высокочастотный переменный ток , одновременно регулируя ток в лампе. Эти балласты используют преимущества более высокой эффективности ламп, которая увеличивается почти на 10% при частоте 10 кГц по сравнению с эффективностью при нормальной частоте сети. Когда период переменного тока короче времени релаксации для деионизации атомов ртути в столбе разряда, разряд остается ближе к оптимальному рабочему состоянию. [44] Электронные балласты преобразуют переменный ток питающей частоты в переменный ток переменной частоты. Преобразование может уменьшить модуляцию яркости лампы при удвоенной частоте источника питания.
Недорогие балласты содержат только простой генератор и последовательный резонансный LC-контур . Этот принцип называется схемой резонансного инвертора тока . Через короткое время напряжение на лампе достигает около 1 кВ и лампа мгновенно запускается в режиме холодного катода. Катодные нити по-прежнему используются для защиты балласта от перегрева, если лампа не зажигается. Некоторые производители используют термисторы с положительным температурным коэффициентом (PTC) , чтобы отключить мгновенный запуск и дать некоторое время для предварительного нагрева нитей накала.
В более сложных электронных балластах используется программируемый запуск. Выходная частота запускается выше резонансной частоты выходного контура балласта; а после нагрева нитей частота быстро снижается. Если частота приблизится к резонансной частоте балласта, выходное напряжение увеличится настолько, что лампа загорится. Если лампа не зажигается, электронная схема прекращает работу балласта.
Многие электронные балласты управляются микроконтроллером , и их иногда называют цифровыми балластами. Цифровые балласты могут применять довольно сложную логику для запуска и работы ламп. Это позволяет использовать такие функции, как проверка сломанных электродов и отсутствующих трубок перед попыткой запуска, обнаружение замены трубок и определение типа трубки, так что один балласт можно использовать с несколькими разными трубками. Такие функции, как регулировка яркости, могут быть включены во встроенное программное обеспечение микроконтроллера и встречаются в продуктах различных производителей.
С момента появления в 1990-х годах высокочастотные балласты использовались в светильниках общего освещения с лампами быстрого запуска или предварительного нагрева. Эти балласты преобразуют входную мощность в выходную частоту свыше 20 кГц . Это увеличивает эффективность лампы. [45] Эти балласты работают с напряжением, которое может достигать почти 600 В, что требует некоторого внимания при проектировании корпуса и может привести к незначительному ограничению длины проводов от балласта к концам лампы.
Срок службы люминесцентной лампы в первую очередь ограничен сроком службы катодных электродов. Для поддержания адекватного уровня тока электроды покрыты эмиссионной смесью оксидов металлов. Каждый раз при запуске лампы и во время ее работы небольшое количество катодного покрытия распыляется с электродов под воздействием электронов и тяжелых ионов внутри трубки. Распыленный материал собирается на стенках трубки, затемняя ее. Способ запуска и частота влияют на катодное распыление. Нить накала также может порваться, что приведет к выводу лампы из строя.
Лампы с низким содержанием ртути могут выйти из строя, когда ртуть поглощается стеклянной трубкой, люминофором и внутренними компонентами и больше не может испаряться в наполняющем газе. Потеря ртути сначала приводит к увеличению времени прогрева до полной светоотдачи и, наконец, к тому, что лампа начинает светиться тусклым розовым светом, когда газ аргон начинает действовать в качестве основного разряда. [46]
Подвергая трубку асимметричному току, она эффективно работает под постоянным смещением и вызывает асимметричное распределение ионов ртути вдоль трубки. Локализованное снижение давления паров ртути проявляется в виде розового свечения основного газа в районе одного из электродов, при этом срок службы лампы может резко сократиться. Это может быть проблемой для некоторых плохо спроектированных инверторов . [47]
Люминофоры, покрывающие лампу, также со временем разрушаются, пока лампа не перестанет производить приемлемую часть своей первоначальной светоотдачи.
Выход из строя встроенного электронного балласта компактной люминесцентной лампы также приведет к прекращению ее срока службы.
Спектр света, излучаемого люминесцентной лампой, представляет собой комбинацию света, излучаемого непосредственно парами ртути, и света, излучаемого фосфоресцентным покрытием. Спектральные линии излучения ртути и эффект фосфоресценции дают комбинированное спектральное распределение света, отличное от распределения света от ламп накаливания. Относительная интенсивность света, излучаемого в каждой узкой полосе длин волн видимого спектра, находится в разных пропорциях по сравнению с интенсивностью источника накаливания. Цветные объекты воспринимаются по-разному под источниками света с разным спектральным распределением. Например, некоторые люди считают цветопередачу некоторых люминесцентных ламп резкой и неприятной. Иногда при флуоресцентном освещении у здорового человека может показаться нездоровый оттенок кожи. Степень проявления этого явления связана со спектральным составом света и может быть оценена по его индексу цветопередачи (CRI).
Коррелированная цветовая температура (CCT) — это мера «оттенка» белизны источника света по сравнению с черным телом. Типичное освещение лампами накаливания имеет температуру 2700 К и имеет желтовато-белый цвет. [48] Галогенное освещение составляет 3000 К. [49] Люминесцентные лампы изготавливаются с выбранной ЦТТ путем изменения смеси люминофоров внутри трубки. Теплые белые флуоресцентные лампы имеют CCT 2700 К и популярны для освещения жилых помещений. Нейтрально-белые флуоресцентные лампы имеют CCT 3000 К или 3500 K. Холодно-белые флуоресцентные лампы имеют CCT 4100 K и популярны для офисного освещения. Люминесцентные лампы дневного света имеют CCT 6500 К, что соответствует голубовато-белому цвету.
Индекс цветопередачи (CRI) — это попытка измерить способность источника света точно передавать цвета различных объектов по сравнению с излучателем черного тела. Цвета можно воспринимать, используя свет от источника по сравнению со светом от эталонного источника, такого как дневной свет или черное тело той же цветовой температуры . По определению, лампа накаливания имеет индекс цветопередачи 100. Реальные люминесцентные лампы достигают индекса цветопередачи от 50 до 98. Люминесцентные лампы с низким индексом цветопередачи имеют люминофоры, которые излучают слишком мало красного света. Кожа кажется менее розовой и, следовательно, «нездоровой» по сравнению с освещением лампами накаливания. Цветные объекты кажутся приглушенными. Например, галофосфатная трубка с низким CRI 6800 K (крайний пример) сделает красные цвета тускло-красными или даже коричневыми. Поскольку глаз относительно менее эффективно обнаруживает красный свет, улучшение индекса цветопередачи с увеличением энергии в красной части спектра может снизить общую светоотдачу. [32] : 8
В осветительных устройствах используются люминесцентные лампы различных оттенков белого. Смешение типов трубок в фитингах может улучшить цветопередачу трубок более низкого качества.
Наименее приятный свет исходит от трубок, содержащих старые люминофоры галофосфатного типа ( химическая формула Ca 5 ( PO 4 ) 3 ( F , Cl ): Sb 3+ , Mn 2+ ). Этот люминофор излучает преимущественно желтый и синий свет и относительно мало зеленого и красного. В отсутствие эталона эта смесь кажется глазу белой, но свет имеет неполный спектр . Индекс цветопередачи (CRI) таких ламп составляет около 60.
С 1990-х годов в более качественных люминесцентных лампах используется смесь трифосфоров на основе ионов европия и тербия , полосы излучения которых более равномерно распределены по спектру видимого света. Трифосфорные трубки обеспечивают более естественную цветопередачу для человеческого глаза. Индекс цветопередачи таких ламп обычно составляет 85.
Люминесцентные лампы бывают разных форм и размеров. [50] Многие компактные люминесцентные лампы интегрируют вспомогательную электронику в цоколь лампы, что позволяет устанавливать их в патрон обычной лампочки.
В жилых домах в США люминесцентные лампы чаще всего встречаются на кухнях , в подвалах или гаражах . Школы и предприятия считают, что люминесцентные лампы экономят значительные средства, и редко используют лампы накаливания. Затраты на электроэнергию, налоговые льготы и строительные нормы и правила приводят к более широкому использованию электроэнергии в таких регионах, как Калифорния . Использование флуоресцентных ламп сокращается, их вытесняет светодиодное освещение, которое более энергоэффективно и не содержит ртути. [ нужна цитата ]
В других странах использование флуоресцентного освещения в жилых помещениях варьируется в зависимости от стоимости энергии, финансовых и экологических проблем местного населения, а также приемлемости световой мощности. В Восточной и Юго-Восточной Азии лампы накаливания в зданиях встречаются редко.
Многие страны поощряют поэтапный отказ от ламп накаливания и замену их другими типами энергосберегающих ламп.
Помимо общего освещения, в сценическом освещении кино- и видеопроизводства часто используются специальные люминесцентные светильники. Они холоднее традиционных галогенных источников света и используют высокочастотные балласты для предотвращения мерцания видео, а индексные лампы с высокой цветопередачей приближают цветовую температуру дневного света.
Люминесцентные лампы преобразуют большую часть входной мощности в видимый свет, чем лампы накаливания. Типичная лампа накаливания с вольфрамовой нитью мощностью 100 Вт может преобразовать только 5% потребляемой мощности в видимый белый свет (длина волны 400–700 нм), тогда как типичные люминесцентные лампы преобразуют около 22% потребляемой мощности в видимый белый свет. [32] : 20
Эффективность люминесцентных ламп колеблется от примерно 16 люмен на ватт для 4-ваттной лампы с обычным балластом до более 100 люмен на ватт [51] с современным электронным балластом, обычно в среднем от 50 до 67 лм/Вт в целом. [52] Потери балласта могут составлять около 25% мощности лампы при использовании магнитных балластов и около 10% при использовании электронных балластов.
Эффективность люминесцентной лампы зависит от температуры самой холодной части лампы. В лампах Т8 это центр трубки. В лампах Т5 это конец трубки с отпечатанным на нем текстом. Идеальная температура для лампы T8 составляет 25 °C (77 °F), а для лампы T5 — 35 °C (95 °F).
Обычно люминесцентная лампа прослужит в 10–20 раз дольше, чем эквивалентная лампа накаливания, если работать несколько часов подряд. В стандартных условиях испытаний люминесцентные лампы служат от 6 000 до 90 000 часов (от 2 до 31 года при 8 часах в день). [53]
Более высокая первоначальная стоимость люминесцентной лампы по сравнению с лампой накаливания обычно компенсируется меньшим потреблением энергии в течение срока ее службы. [54] [ нужно обновить ]
По сравнению с лампой накаливания люминесцентная лампа является более рассеянным и физически более крупным источником света. В лампах соответствующей конструкции свет может распределяться более равномерно без точечного источника бликов, например, от нерассеянной нити накаливания; Лампа имеет большие размеры по сравнению с типичным расстоянием между лампой и освещаемыми поверхностями.
Люминесцентные лампы выделяют примерно одну пятую тепла, чем эквивалентные лампы накаливания. Это значительно снижает размер, стоимость и потребление энергии за счет кондиционирования воздуха в офисных зданиях, в которых обычно много света и мало окон.
Частые включения (чаще чем каждые 3 часа) сокращают срок службы ламп. [55] Каждый пусковой цикл слегка разрушает эмитирующую электроны поверхность катодов; когда весь излучающий материал исчезнет, лампа не сможет запуститься при имеющемся балластном напряжении. В светильниках для мигалок (например, рекламных) используется балласт, который поддерживает температуру катода при выключенной дуге, продлевая срок службы лампы.
Дополнительная энергия, используемая для запуска люминесцентной лампы, эквивалентна нескольким секундам нормальной работы; более энергоэффективно выключать лампы, если они не нужны в течение нескольких минут. [56] [57]
Если люминесцентная лампа сломается, очень небольшое количество ртути может загрязнить окружающую среду. Около 99% ртути обычно содержится в люминофоре, особенно в лампах, срок службы которых приближается к концу. [58] Сломанные лампы могут выделять ртуть, если их не очищать правильными методами. [59] [ не удалось проверить ]
Из-за содержания ртути с выброшенными люминесцентными лампами следует обращаться как с опасными отходами. Для крупных пользователей люминесцентных ламп в некоторых регионах доступны услуги по переработке , и это может потребоваться в соответствии с законодательством. [60] [61] В некоторых регионах переработка также доступна потребителям. [62]
Люминесцентные лампы излучают небольшое количество ультрафиолетового (УФ) света. Исследование, проведенное в США в 1993 году, показало, что воздействие ультрафиолета от сидения под флуоресцентными лампами в течение восьми часов эквивалентно одной минуте пребывания на солнце. [63] Ультрафиолетовое излучение компактных люминесцентных ламп может усугубить симптомы у светочувствительных людей. [64] [65] [66]
Музейные артефакты могут нуждаться в защите от ультрафиолета, чтобы предотвратить разрушение пигментов или текстиля. [67]
Люминесцентным лампам требуется балласт для стабилизации тока через лампу и обеспечения начального напряжения зажигания, необходимого для запуска дугового разряда. Часто один балласт распределяется между двумя или более лампами. Электромагнитные балласты могут издавать слышимый гудящий или жужжащий шум. В Северной Америке магнитные балласты обычно заполняются смоляным герметиком для снижения излучаемого шума. Гул устраняется в лампах с высокочастотным электронным балластом. По данным литературы GE от 1978 года, потери энергии в магнитных балластах составляют около 10% входной мощности лампы. [32] Электронные балласты уменьшают эти потери.
Простые балласты индуктивных люминесцентных ламп имеют коэффициент мощности меньше единицы. Индуктивные балласты включают в себя конденсаторы коррекции коэффициента мощности. Простые электронные балласты также могут иметь низкий коэффициент мощности из-за входного каскада выпрямителя.
Люминесцентные лампы являются нелинейной нагрузкой и генерируют гармонические токи в сети электропитания. Дуга внутри лампы может создавать радиочастотный шум, который может передаваться по силовой проводке. Возможно подавление радиопомех. Возможно очень хорошее подавление, но это увеличивает стоимость люминесцентных светильников.
Люминесцентные лампы, срок службы которых подходит к концу, могут представлять серьезную опасность радиочастотных помех. Колебания генерируются отрицательным дифференциальным сопротивлением дуги, и ток, протекающий через трубку, может образовывать настроенную цепь, частота которой зависит от длины пути. [68]
Люминесцентные лампы лучше всего работают при комнатной температуре. При более низких или более высоких температурах эффективность снижается. При минусовой температуре штатные лампы могут не загореться. Для надежной работы на открытом воздухе в холодную погоду можно использовать специальные лампы.
Люминесцентные лампы представляют собой длинные источники низкой яркости по сравнению с газоразрядными лампами высокой интенсивности , лампами накаливания и галогенными лампами, а также светодиодами высокой мощности. Однако низкая сила света излучающей поверхности полезна, поскольку уменьшает блики . Конструкция светильника должна обеспечивать свет из длинной трубки, а не из компактного шара. Компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) заменяет обычные лампы накаливания во многих светильниках, где позволяет пространство.
Люминесцентные лампы с магнитными балластами мерцают с обычно незаметной частотой 100 или 120 Гц, и это мерцание может вызвать проблемы у некоторых людей со светочувствительностью ; [69] они перечислены как проблемные для некоторых людей с аутизмом , эпилепсией , [70] волчанкой , [71] синдромом хронической усталости , болезнью Лайма , [72] и головокружением . [73]
Можно заметить стробоскопический эффект , когда что-то, вращающееся с нужной скоростью, может казаться неподвижным, если его освещать только одной люминесцентной лампой. Этот эффект устраняется парными лампами, работающими на опережающем балласте. В отличие от настоящей стробоскопической лампы, уровень освещенности падает за заметное время, поэтому становится очевидным существенное «размытие» движущейся части.
Люминесцентные лампы могут мерцать на частоте источника питания (50 или 60 Гц), что заметно большему количеству людей. Это происходит, если поврежденный или вышедший из строя катод приводит к незначительному выпрямлению и неравномерному световому потоку в положительных и отрицательных циклах переменного тока. Мерцание частоты питания может излучаться на концах трубок, если каждый электрод трубки создает немного разную структуру светового потока в каждом полупериоде. Мерцание на промышленной частоте более заметно при периферийном зрении , чем при прямом взгляде.
Ближе к концу срока службы люминесцентные лампы могут начать мерцать с частотой ниже частоты сети. Это связано с нестабильностью отрицательного сопротивления дугового разряда [74] , что может быть связано с неисправностью лампы или балласта или плохим соединением.
Новые люминесцентные лампы могут иметь извилистую спираль света в некоторых частях лампы. Этот эффект обусловлен рыхлым материалом катода и обычно исчезает через несколько часов работы. [32] : 22
Электромагнитные балласты также могут вызывать проблемы при записи видео, поскольку между частотой кадров видео и колебаниями интенсивности люминесцентной лампы может возникать так называемый эффект биения .
Люминесцентные лампы с электронными балластами не мерцают, поскольку при частоте выше примерно 5 кГц период полураспада возбужденного электронного состояния превышает полупериод, и светопроизводство становится непрерывным. Рабочие частоты электронных балластов выбраны таким образом, чтобы избежать помех работе инфракрасных пультов дистанционного управления. Плохое качество или неисправные электронные балласты могут иметь значительную модуляцию света 100/120 Гц.
Люминесцентные светильники нельзя подключать к диммерам , предназначенным для ламп накаливания. За это ответственны два эффекта: форма напряжения, излучаемого стандартным диммером с фазовым регулированием, плохо взаимодействует со многими балластами, и становится трудно поддерживать дугу в люминесцентной лампе на малых уровнях мощности. Для установки диммирования требуется совместимый диммирующий балласт . Некоторые модели компактных люминесцентных ламп можно регулировать по яркости; в США такие лампы идентифицируются как соответствующие стандарту UL 1993 года. [75]
Систематическая номенклатура идентифицирует лампы массового рынка по общей форме, номинальной мощности, длине, цвету и другим электрическим и осветительным характеристикам.
В США и Канаде лампы обычно обозначаются таким кодом, как FxxTy, где F означает люминесцентные лампы, первое число (xx) указывает либо мощность в ваттах, либо длину в дюймах, буква T указывает на форму лампы. является трубчатым, а последняя цифра (y) — это диаметр в восьмых долях дюйма (иногда в миллиметрах, округленный до ближайшего миллиметра). Типичные диаметры: T12 или T38 ( 1+1 ⁄ дюйма или 38 мм) для бытовых ламп, Т8 или Т26 (1 дюйм или 25 мм) для коммерческих энергосберегающих ламп.
Перегрузка люминесцентной лампы — это метод получения от каждой лампы большего количества света, чем получается в номинальных условиях. Люминесцентные лампы ODNO (с повышенной нормальной мощностью) обычно используются, когда недостаточно места для установки большего количества лампочек для увеличения освещенности. Метод эффективен, но порождает некоторые дополнительные проблемы. Этот метод стал популярен среди водных садоводов как экономичный способ добавить больше света в аквариумы. Перегрузка осуществляется путем переподключения светильников для увеличения тока лампы; однако срок службы лампы сокращается. [76]
Blacklights — это разновидность люминесцентных ламп, которые используются для обеспечения света UVA (длиной волны около 360 нм). Они устроены так же, как и обычные люминесцентные лампы, но стеклянная трубка покрыта люминофором, который преобразует коротковолновое УФ-излучение внутри трубки в длинноволновое УФ-излучение, а не в видимый свет. Они используются для провоцирования флуоресценции (для создания драматических эффектов с использованием черной краски и для обнаружения таких материалов, как моча и некоторые красители, которые были бы невидимы в видимом свете), а также для привлечения насекомых к ловушкам насекомых .
Так называемые лампы blacklite blue также изготавливаются из более дорогого темно-фиолетового стекла, известного как стекло Вуда , а не из прозрачного стекла. Темно-фиолетовое стекло отфильтровывает большую часть видимого цвета света, излучаемого непосредственно разрядом паров ртути, производя пропорционально меньше видимого света по сравнению с ультрафиолетовым светом. Это позволяет легче увидеть флуоресценцию, вызванную УФ-излучением (тем самым позволяя плакатам с черным светом казаться гораздо более драматичными). Лампы черного света, используемые в устройствах для борьбы с жуками, не требуют этой доработки, поэтому ее обычно опускают из соображений экономии; их называют просто блэклайт (а не блэклайт синий).
Лампы, используемые в соляриях , содержат различную смесь люминофоров (обычно от 3 до 5 или более люминофоров), которая излучает как UVA, так и UVB, вызывая реакцию загара на коже большинства людей. Обычно мощность составляет 3–10 % UVB (обычно 5 %), а оставшаяся часть UV – UVA. В основном это лампы высокой мощности мощностью 100 Вт, хотя встречаются и лампы очень высокой мощности мощностью 160 Вт. Одним из распространенных люминофоров, используемых в этих лампах, является дисиликат бария, активированный свинцом, но также используется фторборат стронция, активируемый европием. В ранних лампах в качестве активатора использовался таллий , но выбросы таллия во время производства были токсичными. [77]
Лампы, используемые в фототерапии , содержат люминофор, излучающий только ультрафиолетовый свет UVB. [ нужна цитация ] Существует два типа: широкополосный UVB, который дает 290–320 нанометров с пиковой длиной волны 306 нм, и узкополосный UVB, который дает 311–313 нанометров. Из-за большей длины волны узкополосные лампы UVB не вызывают эритемы кожи, в отличие от широкополосных. [ сомнительно ] Для них требуется в 10–20 раз более высокая доза на кожу, больше лампочек и более длительное время воздействия. Узкополосный эффективен при псориазе, экземе (атопическом дерматите), витилиго, плоском лишае и некоторых других кожных заболеваниях. [ нужна цитата ] Широкополосная связь лучше подходит для увеличения уровня витамина D3 в организме.
Лампы для выращивания содержат смеси фосфора, которые стимулируют фотосинтез , рост или цветение растений, водорослей, фотосинтезирующих бактерий и других светозависимых организмов. Они часто излучают свет преимущественно красного и синего цветового диапазона, который поглощается хлорофиллом и используется для фотосинтеза в растениях. [78]
Лампы могут быть изготовлены из литий-металлолюминатного люминофора, активированного железом. Этот люминофор имеет пиковое излучение в диапазоне от 675 до 875 нанометров, с меньшими выбросами в темно-красной части видимого спектра. [79]
Глубокий синий свет, генерируемый люминофором , активированным европием , используется при светотерапии при лечении желтухи ; Свет этого цвета проникает в кожу и помогает расщеплению избытка билирубина . [79]
Бактерицидные лампы вообще не содержат люминофора, что делает их ртутными газоразрядными лампами, а не люминесцентными. Их трубки изготовлены из плавленого кварца , прозрачного для УФ-излучения, испускаемого ртутным разрядом. УФ-излучение с длиной волны 254 нм, излучаемое этими трубками, убивает микробы, а дальнее УФ-излучение с длиной волны 184,45 нм ионизирует кислород в озон . Лампы с маркировкой OF блокируют УФ-излучение длиной 184,45 нм и не выделяют значительного количества озона. Кроме того, УФ-излучение может вызвать повреждение глаз и кожи. Иногда геологи используют их для идентификации определенных видов минералов по цвету их флуоресценции, когда они оснащены фильтрами, пропускающими коротковолновое ультрафиолетовое излучение и блокирующими видимый свет, создаваемый ртутными разрядами. Они также используются в некоторых стирателях EPROM . Обозначения бактерицидных ламп начинаются с буквы G, например G30T8 означает бактерицидную лампу мощностью 30 Вт, диаметром 1 дюйм (2,5 см) и длиной 36 дюймов (91 см) (в отличие от F30T8, которая была бы люминесцентной лампой того же размера и номинала).
Безэлектродные индукционные лампы представляют собой люминесцентные лампы без внутренних электродов. Они имеются в продаже с 1990 года. Ток в столбе газа наводится с помощью электромагнитной индукции . Поскольку электроды обычно являются элементом, ограничивающим срок службы люминесцентных ламп, такие безэлектродные лампы могут иметь очень длительный срок службы, хотя они также имеют более высокую закупочную цену.
Люминесцентные лампы с холодным катодом использовались в качестве подсветки ЖК -дисплеев в компьютерных мониторах и телевизорах до использования ЖК-дисплеев со светодиодной подсветкой . Они также были популярны среди моддеров компьютерных корпусов .
Люминесцентные лампы могут освещаться иными способами, кроме надлежащего электрического соединения. Однако эти другие методы приводят к очень тусклому или очень кратковременному освещению, поэтому их можно увидеть в основном в научных демонстрациях. Статическое электричество или генератор Ван де Граафа вызовут кратковременное вспыхивание лампы, поскольку она разряжает высоковольтную емкость. Катушка Тесла пропускает через трубку высокочастотный ток, а поскольку она также имеет высокое напряжение, газы внутри трубки ионизируются и излучают свет. Это также работает с плазменными шарами . Емкостная связь с высоковольтными линиями электропередачи позволяет зажигать лампу непрерывно с небольшой интенсивностью, в зависимости от напряженности электрического поля.
Все три марки стартеров «БЫСТРО» (< 0,5 секунды) вызывали слышимый шум «BURRRRRRRP» в некоторых осветительных приборах при запуске, и это естественная проблема, вызванная использованием ими более быстрого нагрева «постоянным током».
Хуже с лампами большей мощности и если в светильнике есть незакрепленный металл.
