Флуоресцентная лампа , или люминесцентная трубка , представляет собой газоразрядную ртутную лампу низкого давления , которая использует флуоресценцию для получения видимого света. Электрический ток в газе возбуждает пары ртути, которые производят коротковолновый ультрафиолетовый свет , который затем заставляет фосфорное покрытие на внутренней стороне лампы светиться. Флуоресцентная лампа преобразует электрическую энергию в полезный свет гораздо эффективнее, чем лампа накаливания , но менее эффективна, чем большинство светодиодных ламп . Типичная световая эффективность люминесцентных систем освещения составляет 50–100 люмен на ватт, что в несколько раз превышает эффективность ламп накаливания с сопоставимой светоотдачей. Для сравнения, световая эффективность лампы накаливания может составлять всего 16 люмен на ватт.
Люминесцентные лампы стоят дороже ламп накаливания, поскольку, помимо прочего, им требуется балласт для регулирования тока через лампу, но первоначальная стоимость компенсируется гораздо более низкими эксплуатационными расходами. Компактные люминесцентные лампы, имеющие те же размеры, что и лампы накаливания, используются в качестве энергосберегающей альтернативы лампам накаливания в домах.
В Соединенных Штатах люминесцентные лампы классифицируются как универсальные отходы . Агентство по охране окружающей среды США рекомендует отделять люминесцентные лампы от обычных отходов для переработки или безопасной утилизации, а некоторые юрисдикции требуют их переработки. [3]
Флуоресценция некоторых горных пород и других веществ наблюдалась сотни лет, прежде чем ее природа была понята. Одним из первых, кто объяснил это, был ирландский ученый сэр Джордж Стокс из Кембриджского университета в 1852 году, который назвал явление «флуоресценцией» в честь флюорита , минерала, многие образцы которого ярко светятся из-за примесей.
К середине 19 века экспериментаторы наблюдали сияющее свечение, исходящее из частично вакуумированных стеклянных сосудов, через которые проходил электрический ток . 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]
Немногое было сделано с этим явлением до 1856 года, когда немецкий стеклодув Генрих Гейсслер создал ртутный вакуумный насос , который откачивал стеклянную трубку до степени, ранее недоступной. Гейсслер изобрел первую газоразрядную лампу, трубку Гейсслера , состоящую из частично откачанной стеклянной трубки с металлическим электродом на обоих концах. Когда между электродами подавалось высокое напряжение, внутренняя часть трубки освещалась тлеющим разрядом . Помещая внутрь различные химикаты, трубки можно было заставить производить различные цвета, и сложные трубки Гейсслера продавались для развлечения. Более важным был его вклад в научные исследования. Одним из первых ученых, экспериментировавших с трубкой Гейсслера, был Юлиус Плюккер , который в 1858 году систематически описал люминесцентные эффекты, которые происходили в трубке Гейсслера. Он также сделал важное наблюдение, что свечение в трубке меняло положение при приближении к электромагнитному полю . Александр Эдмон Беккерель заметил в 1859 году, что некоторые вещества испускают свет, когда их помещают в трубку Гейсслера. Он продолжил наносить тонкие покрытия из люминесцентных материалов на поверхности этих трубок. Флуоресценция происходила, но трубки были неэффективны и имели короткий срок службы. [5]
Исследования, начатые с трубки Гейсслера, продолжались по мере создания более совершенных вакуумов. Самой известной была вакуумная трубка, используемая для научных исследований Уильямом Круксом . Эта трубка была откачана высокоэффективным ртутным вакуумным насосом, созданным 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 большим и, таким образом, в ней не было следовых количеств газа, необходимых для электрически стимулированной люминесценции .
Томас Эдисон недолгое время занимался люминесцентным освещением из-за его коммерческого потенциала. В 1896 году он изобрел люминесцентную лампу, в которой в качестве флуоресцирующего вещества использовалось покрытие из вольфрамата кальция , возбуждаемое рентгеновскими лучами . Хотя она получила патент в 1907 году [6] , она не была запущена в производство. Как и в случае с несколькими другими попытками использовать трубки Гейсслера для освещения, она имела короткий срок службы, и, учитывая успех лампы накаливания, у Эдисона не было особых причин заниматься альтернативными способами электрического освещения. Никола Тесла проводил подобные эксперименты в 1890-х годах, разрабатывая высокочастотные люминесцентные лампы, которые давали яркий зеленоватый свет, но, как и в случае с устройствами Эдисона, коммерческого успеха достигнуто не было.
Один из бывших сотрудников Эдисона создал газоразрядную лампу, которая достигла определенного коммерческого успеха. В 1895 году Дэниел Макфарлан Мур продемонстрировал лампы длиной от 2 до 3 метров (от 6,6 до 9,8 футов), которые использовали углекислый газ или азот для излучения белого или розового света соответственно. Они были значительно сложнее, чем лампа накаливания, и требовали как высоковольтного источника питания, так и системы регулирования давления для заполняющего газа. [7]
Мур изобрел электромагнитный управляемый клапан, 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 эффективнее ламп накаливания и создавала более близкое приближение к естественному дневному свету, чем современные лампы накаливания. С 1904 года система освещения Мура была установлена в ряде магазинов и офисов. [9] Ее успех способствовал мотивации General Electric усовершенствовать лампу накаливания, особенно ее нить накаливания. Усилия GE увенчались успехом с изобретением нити накаливания на основе вольфрама . Увеличенный срок службы и улучшенная 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 электрический ток пропускался через пары ртути при низком давлении. В отличие от ламп Мура, лампы Хьюитта изготавливались в стандартизированных размерах и работали при низком напряжении. Ртутная лампа превосходила лампы накаливания того времени с точки зрения энергоэффективности , но сине-зеленый свет, который она производила, ограничивал ее применение. Однако ее использовали в фотографии и некоторых промышленных процессах.
Ртутные лампы продолжали развиваться медленными темпами, особенно в Европе. К началу 1930-х годов они получили ограниченное применение для крупномасштабного освещения. Некоторые из них использовали люминесцентные покрытия, но они использовались в основном для цветокоррекции, а не для усиления светового потока. Ртутные лампы также предвосхитили люминесцентные лампы, поскольку в них был встроен балласт для поддержания постоянного тока.
Купер-Хьюитт не был первым, кто использовал пары ртути для освещения, так как более ранние попытки были предприняты Уэем, Рапиевым, Аронсом, Бастианом и Солсбери. Особое значение имела ртутная лампа, изобретенная Кюхом и Речинским в Германии . Лампа использовала колбу меньшего диаметра и более высокий ток, работающий при более высоком давлении. Вследствие тока лампа работала при более высокой температуре, что требовало использования кварцевой лампы. Хотя ее световой поток относительно потребления электроэнергии был лучше, чем у других источников света, свет, который она производила, был похож на свет лампы Купера-Хьюитта, поскольку в ней отсутствовала красная часть спектра, что делало ее непригодной для обычного освещения. Из-за трудностей с герметизацией электродов к кварцу лампа имела короткий срок службы. [10]
Следующий шаг в газовом освещении использовал люминесцентные качества неона , инертного газа, который был открыт в 1898 году путем изоляции от атмосферы. Неон светился ярко-красным цветом при использовании в трубках Гейсслера. [11] К 1910 году Жорж Клод , француз, который разработал 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 около 1930 года во Франции для общего освещения, оно было не более энергоэффективным, чем обычное освещение лампами накаливания. Освещение неоновыми трубками, которое также включает использование аргона и паров ртути в качестве альтернативных газов, стало использоваться в основном для привлекательных вывесок и рекламы. Однако неоновое освещение имело отношение к развитию люминесцентного освещения, поскольку улучшенный электрод Клода (запатентованный в 1915 году) преодолел «распыление», основной источник деградации электрода. Распыление происходило, когда ионизированные частицы ударялись об электрод и отрывали кусочки металла. Хотя изобретение Клода требовало электродов с большой площадью поверхности, оно показало, что можно преодолеть главное препятствие для газового освещения.
Развитие неонового света также имело значение для последнего ключевого элемента люминесцентной лампы, ее люминесцентного покрытия. [14] В 1926 году Жак Рислер получил французский патент на нанесение люминесцентных покрытий на неоновые трубки. [15] Основное применение этих ламп, которые можно считать первыми коммерчески успешными люминесцентными лампами, было в рекламе, а не в общем освещении. Однако это было не первое использование люминесцентных покрытий; Беккерель ранее использовал эту идею, а Эдисон использовал вольфрамат кальция для своей неудачной лампы. [16] [17] [18] Были предприняты и другие попытки, но все они были осложнены низкой эффективностью и различными техническими проблемами. Особое значение имело изобретение в 1927 году низковольтной «лампы на парах металла» Фридрихом Мейером, Гансом-Иоахимом Шпаннером и Эдмундом Гермером , которые были сотрудниками немецкой фирмы в Берлине . Немецкий патент был выдан, но лампа так и не пошла в коммерческое производство.
Все основные характеристики люминесцентного освещения были на месте в конце 1920-х годов. Десятилетия изобретений и разработок обеспечили 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 люминесцентные покрытия, которые могли быть активированы ультрафиолетовым светом. На этом этапе 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 General Electric Co., Ltd. в Великобритании (не связанной с General Electric в Соединенных Штатах). Стимулируемая этим отчетом и имея все ключевые элементы в наличии, команда под руководством Джорджа Э. Инмана построила прототип люминесцентной лампы в 1934 году в инженерной лаборатории General Electric в Нела-Парке (Огайо). Это было нетривиальное упражнение; как отметил Артур А. Брайт, «Много экспериментов пришлось провести по размерам и формам ламп, конструкции катода, давлению газа как аргона, так и паров ртути, цветам люминесцентных порошков, способам их крепления к внутренней части трубки и другим деталям лампы и ее вспомогательных устройств, прежде чем новое устройство было готово для публики». [19]
Помимо инженеров и техников, а также возможностей для НИОКР по люминесцентным лампам, General Electric контролировала то, что она считала ключевыми патентами, охватывающими люминесцентное освещение, включая патенты, первоначально выданные Хьюитту, Муру и Кюху. Более важным, чем они, был патент на электрод , который не распадался при давлении газа, которое в конечном итоге использовалось 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 люминесцентного освещения на 20 лет. В конце концов, военное производство потребовало круглосуточных фабрик с экономичным освещением, и люминесцентные лампы стали доступны.
Хотя патент Халла дал GE основание для заявления законных прав на люминесцентную лампу, через несколько месяцев после того, как лампа была запущена в производство, фирма узнала о патентной заявке США, которая была подана в 1927 году на вышеупомянутую «лампу с парами металла», изобретенную в Германии Мейером, Шпаннером и Гермером. В патентной заявке указывалось, что лампа была создана как превосходное средство получения ультрафиолетового света, но в заявке также содержалось несколько утверждений, относящихся к люминесцентному освещению. 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, заявляя, что приоритет должен быть предоставлен одному из их сотрудников, Лерою Дж. Баттольфу, который, согласно их заявлению, изобрел люминесцентную лампу в 1919 году и чья патентная заявка все еще находилась на рассмотрении. GE также подала патентную заявку в 1936 году от имени Инмана, чтобы покрыть «улучшения», внесенные его группой. В 1939 году GE решила, что иск Мейера, Шпаннера и Гермера имел некоторые основания, и что в любом случае длительная процедура вмешательства не в их интересах. Поэтому они отозвали иск Баттолфа и заплатили 180 000 долларов за приобретение заявки Мейера и др., которая на тот момент принадлежала фирме, известной как Electrons, Inc. Патент был надлежащим образом выдан в декабре 1939 года. [21] Этот патент, наряду с патентом Халла, поставил GE на, казалось бы, прочную правовую почву, хотя она столкнулась с годами юридических проблем со стороны Sylvania Electric Products , Inc., которая заявила о нарушении патентов, которыми она владела.
Несмотря на то, что патентный вопрос не был полностью решен в течение многих лет, сила General Electric в производстве и маркетинге обеспечила ей выдающееся положение на формирующемся рынке люминесцентных ламп. Продажи «люминесцентных люминесцентных ламп» начались в 1938 году, когда на рынок были выпущены четыре различных размера трубок. Они использовались в светильниках, производимых тремя ведущими корпорациями: Lightolier , Artcraft Fluorescent Lighting Corporation и Globe Lighting. Публичное представление люминесцентного балласта Slimline в 1946 году было осуществлено Westinghouse и General Electric, а светильники Showcase/Display Case были представлены Artcraft Fluorescent Lighting Corporation в 1946 году. [22] [23] В течение следующего года GE и Westinghouse рекламировали новые светильники 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 военное производство усилило спрос на освещение. К 1951 году в Соединенных Штатах люминесцентные лампы производили больше света, чем лампы накаливания. [24]
В первые годы в качестве зеленоватого фосфора использовался ортосиликат цинка с различным содержанием бериллия . Небольшие добавки вольфрамата магния улучшали синюю часть спектра, давая приемлемый белый цвет. После открытия токсичности бериллия доминировали фосфоры на основе галофосфата. [25]
Фундаментальным механизмом преобразования электрической энергии в свет является испускание фотона , когда электрон в атоме ртути падает из возбужденного состояния на более низкий энергетический уровень . Электроны, текущие в дуге, сталкиваются с атомами ртути. Если падающий электрон имеет достаточно кинетической энергии , он передает энергию внешнему электрону атома, заставляя этот электрон временно перейти 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, которые испускаются атомами ртути, имеют длины волн в ультрафиолетовой (УФ) области спектра, преимущественно на длинах волн 253,7 и 185 нанометров (нм). Они не видны человеческому глазу, поэтому ультрафиолетовая энергия преобразуется в видимый свет посредством флуоресценции внутреннего люминофорного покрытия. Разница в энергии между поглощенным ультрафиолетовым фотоном и испущенным видимым световым фотоном нагревает люминофорное покрытие.
Электрический ток протекает через трубку в дуговом разряде низкого давления . Электроны сталкиваются с атомами благородных газов внутри колбы, окружающей нить накаливания, и ионизируют их, образуя плазму в процессе ударной ионизации . В результате лавинной ионизации проводимость ионизированного газа быстро возрастает, что позволяет более высоким токам протекать через лампу.
Наполнительный газ помогает определить электрические характеристики лампы, но сам по себе не излучает свет. Наполнительный газ эффективно увеличивает расстояние, которое электроны проходят через трубку, что увеличивает вероятность взаимодействия электрона с атомом ртути. Кроме того, атомы аргона, возбужденные до метастабильного состояния ударом электрона, могут передавать энергию атому ртути и ионизировать его, что описывается как эффект Пеннинга . Это снижает пробивное и рабочее напряжение лампы по сравнению с другими возможными наполнителями, такими как криптон. [26]
Трубка люминесцентной лампы заполнена смесью аргона , ксенона , неона или криптона и паров ртути. Давление внутри лампы составляет около 0,3% от атмосферного давления. [27] Парциальное давление одних только паров ртути составляет около 0,8 Па (8 миллионных атмосферного давления) в лампе T12 мощностью 40 Вт. [28] Внутренняя поверхность лампы покрыта люминесцентным покрытием, изготовленным из различных смесей солей металлических и редкоземельных фосфорных элементов . Электроды лампы обычно изготавливаются из спирального вольфрама и покрываются смесью оксидов бария, стронция и кальция для улучшения термоионной эмиссии .
Трубки люминесцентных ламп часто прямые и имеют длину от 100 миллиметров (3,9 дюйма) для миниатюрных ламп до 2,43 метра (8,0 футов) для ламп с высокой светоотдачей. Некоторые лампы имеют круглую трубку, используемую для настольных ламп или других мест, где требуется более компактный источник света. Более крупные U-образные лампы используются для обеспечения того же количества света в более компактной области и используются для специальных архитектурных целей. Компактные люминесцентные лампы имеют несколько трубок малого диаметра, соединенных в пучок из двух, четырех или шести, или трубку малого диаметра, скрученную в спираль, для обеспечения большого количества светового потока в минимальном объеме.
Светоизлучающие люминофоры наносятся в виде покрытия, похожего на краску, на внутреннюю часть трубки. Органическим растворителям дают испариться, затем трубку нагревают почти до температуры плавления стекла, чтобы удалить оставшиеся органические соединения и прикрепить покрытие к трубке лампы. Необходим тщательный контроль размера зерна взвешенных люминофоров; крупные зерна приводят к слабым покрытиям, а мелкие частицы — к плохому поддержанию света и эффективности. Большинство люминофоров работают лучше всего с размером частиц около 10 микрометров. Покрытие должно быть достаточно толстым, чтобы захватывать весь ультрафиолетовый свет, производимый ртутной дугой, но не настолько толстым, чтобы люминофорное покрытие поглощало слишком много видимого света. Первые люминофоры были синтетическими версиями природных флуоресцентных минералов с небольшим количеством металлов, добавленных в качестве активаторов. Позже были обнаружены другие соединения, позволяющие изготавливать лампы разных цветов. [29]
Флуоресцентные трубки могут иметь внешнее силиконовое покрытие, нанесенное путем погружения трубки в раствор воды и силикона, а затем высушивания трубки. Это покрытие придает трубке шелковистую поверхность и защищает от влаги, гарантируя предсказуемое поверхностное сопротивление трубки при ее запуске. [30]
Люминесцентные лампы являются устройствами с отрицательным дифференциальным сопротивлением , поэтому при увеличении тока через них электрическое сопротивление люминесцентной лампы падает, что позволяет протекать еще большему току. Подключенная напрямую к источнику постоянного напряжения , люминесцентная лампа быстро самоуничтожится из-за неконтролируемого тока. Чтобы предотвратить это, люминесцентные лампы должны использовать балласт для регулирования тока через лампу.
Напряжение на клеммах рабочей лампы зависит от тока дуги , диаметра трубки, температуры и заполняющего газа. Лампа общего освещения T12 [31] размером 48 дюймов (1219 мм) работает при 430 мА с падением напряжения 100 вольт. Высокомощные лампы работают при 800 мА, а некоторые типы работают при 1,5 А. Уровень мощности варьируется от 33 до 82 Вт на метр длины трубки (от 10 до 25 Вт/фут) для ламп T12. [32]
Самый простой балласт для переменного тока (AC) — это последовательно включенный индуктор , состоящий из обмотки на ламинированном магнитном сердечнике. Индуктивность этой обмотки ограничивает поток переменного тока. Этот тип балласта распространен в странах с напряжением 220–240 В (а в Северной Америке — до 30 Вт ламп). Балласты рассчитаны на размер лампы и частоту сети. В Северной Америке напряжение переменного тока недостаточно для запуска длинных люминесцентных ламп, поэтому балласт часто представляет собой повышающий автотрансформатор со значительной индуктивностью рассеяния (для ограничения потока тока). Любая форма индуктивного балласта может также включать конденсатор для коррекции коэффициента мощности .
Люминесцентные лампы могут работать напрямую от источника постоянного тока (DC) достаточного напряжения для образования дуги. Балласт должен быть резистивным и потреблять примерно столько же энергии, сколько и лампа. При работе от постоянного тока пусковой переключатель часто устроен так, чтобы менять полярность питания лампы каждый раз при ее запуске; в противном случае ртуть скапливается на одном конце трубки. Люминесцентные лампы (почти) никогда не работают напрямую от постоянного тока по этим причинам. Вместо этого инвертор преобразует постоянный ток в переменный и обеспечивает функцию ограничения тока, как описано ниже для электронных балластов.
На производительность люминесцентных ламп критически влияет температура стенки колбы и ее влияние на парциальное давление паров ртути внутри. [33] Поскольку ртуть конденсируется в самой холодной точке лампы, требуется тщательное проектирование, чтобы поддерживать в этой точке оптимальную температуру, около 40 °C (104 °F).
Использование амальгамы с каким-либо другим металлом снижает давление паров и увеличивает оптимальный температурный диапазон. Температура «холодной точки» стенки колбы все равно должна контролироваться, чтобы предотвратить конденсацию. Высокомощные люминесцентные лампы имеют такие особенности, как деформированная трубка или внутренние радиаторы для контроля температуры холодной точки и распределения ртути. Тяжело нагруженные небольшие лампы, такие как компактные люминесцентные лампы, также включают области радиатора в трубке для поддержания давления паров ртути на оптимальном уровне. [34]
Только часть электрической энергии, входящей 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 производит тепло. Часть энергии в столбе паров ртути также рассеивается, но около 85% преобразуется в видимый и ультрафиолетовый свет.
Не все УФ-излучение, попадающее на фосфорное покрытие, преобразуется в видимый свет; часть энергии теряется. Самая большая потеря в современных лампах происходит из-за более низкой энергии каждого фотона видимого света по сравнению с энергией УФ-фотонов, которые их генерировали (явление, называемое сдвигом Стокса ). Падающие фотоны имеют энергию 5,5 электрон-вольт, но производят фотоны видимого света с энергией около 2,5 электрон-вольт, поэтому используется только 45% УФ-энергии; остальная часть рассеивается в виде тепла. [35]
Большинство люминесцентных ламп используют электроды, которые испускают электроны в трубку под действием тепла, известные как горячие катоды. Однако лампы с холодным катодом имеют катоды, которые испускают электроны только из-за большого напряжения между электродами. Катоды будут нагреваться током, протекающим через них, но недостаточно горячими для значительной термоионной эмиссии . Поскольку лампы с холодным катодом не имеют термоионного эмиссионного покрытия, которое могло бы изнашиваться, они могут иметь гораздо более длительный срок службы, чем лампы с горячим катодом . Это делает их желательными для долгосрочных применений (например, подсветки в жидкокристаллических дисплеях ). Распыление электрода все еще может происходить, но электроды можно формировать (например, во внутренний цилиндр), чтобы захватывать большую часть распыленного материала, чтобы он не терялся из электрода.
Лампы с холодным катодом, как правило, менее эффективны, чем лампы с термоэлектронной эмиссией, поскольку напряжение падения катода намного выше. Мощность, рассеиваемая из-за напряжения падения катода, не влияет на светоотдачу. Однако это менее существенно при более длинных трубках. Повышенное рассеивание мощности на концах трубок также обычно означает, что трубки с холодным катодом должны работать при более низкой нагрузке, чем их эквиваленты с термоэлектронной эмиссией. Учитывая более высокое требуемое напряжение трубки, эти трубки можно легко сделать длинными и даже использовать в виде последовательных цепочек. Они лучше подходят для изгибания в специальные формы для надписей и вывесок, а также могут мгновенно включаться и выключаться.
Газ, используемый в люминесцентной трубке, должен быть ионизирован, прежде чем дуга сможет «зажечься». Для небольших ламп не требуется большого напряжения для зажигания дуги, и зажигание лампы не представляет проблемы, но для более крупных трубок требуется значительное напряжение (в диапазоне тысячи вольт). Было использовано много различных схем запуска. Выбор схемы основан на стоимости, напряжении переменного тока, длине трубки, мгновенном или не мгновенном запуске, температурных диапазонах и доступности деталей.
Предварительный нагрев, также называемый switchstart, использует комбинацию нити накала – катода на каждом конце лампы в сочетании с механическим или автоматическим ( биметаллическим ) переключателем (см. схему справа), который изначально последовательно соединяет нити накала с балластом для их предварительного нагрева; после короткого времени предварительного нагрева пусковой переключатель размыкается. Если правильно рассчитать время относительно фазы переменного тока питания, это заставляет балласт индуцировать напряжение на трубке, достаточно высокое для инициирования пусковой дуги. [36] Эти системы являются стандартным оборудованием в странах с напряжением 200–240 В (и в лампах США мощностью около 30 Вт).
До 1960-х годов использовались четырехконтактные тепловые стартеры и ручные переключатели. [ необходима цитата ] Стартер с тлеющим выключателем автоматически предварительно нагревает катоды лампы. Он состоит из нормально открытого биметаллического переключателя в небольшой герметичной газоразрядной лампе, содержащей инертный газ (неон или аргон). Тлеющий выключатель будет циклически нагревать нити накаливания и инициировать импульсное напряжение для зажигания дуги; процесс повторяется до тех пор, пока лампа не загорится. После зажигания трубки падающий основной разряд поддерживает катоды горячими, позволяя продолжать эмиссию электронов. Стартерный выключатель не замыкается снова, потому что напряжение на зажженной трубке недостаточно для запуска тлеющего разряда в стартере. [36]
При использовании стартеров с переключателем накаливания неисправная трубка будет циклически повторяться. Некоторые системы стартеров используют тепловой выключатель перегрузки по току для обнаружения повторных попыток запуска и отключения цепи до ручного сброса.
Конденсатор коррекции коэффициента мощности (PFC) потребляет опережающий ток из сети, чтобы компенсировать запаздывающий ток, потребляемый цепью лампы. [ 36]
Электронные стартеры используют другой метод предварительного нагрева катодов. [37] Они могут быть взаимозаменяемыми со стартерами тлеющего разряда. Они используют полупроводниковый переключатель и «мягкий запуск» лампы путем предварительного нагрева катодов перед подачей пускового импульса, который ударяет по лампе в первый раз без мерцания; это вытесняет минимальное количество материала из катодов во время запуска, обеспечивая более длительный срок службы лампы. [36] Утверждается, что это продлевает срок службы лампы обычно в 3–4 раза для лампы, часто включаемой, как в бытовых условиях, [38] и уменьшает почернение концов лампы, типичное для люминесцентных ламп. Хотя схема сложна, сложность встроена в микросхему интегральной схемы . Электронные стартеры 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, когда питание подается изначально, и не пытаются повторно зажечь лампу, которая не горит и не может поддерживать дугу; некоторые автоматически прекращают попытки запустить неисправную лампу. [37] Это исключает повторное зажигание лампы и непрерывное мигание неисправной лампы со стартером тлеющего разряда. Электронные стартеры не подвержены износу и не требуют периодической замены, хотя они могут выйти из строя, как и любая другая электронная схема. Производители обычно указывают срок службы в 20 лет или столько же, сколько и срок службы осветительного прибора. [39] [40]
Люминесцентные лампы с мгновенным запуском были изобретены в 1944 году. Мгновенный запуск просто использует достаточно высокое напряжение, чтобы пробить газовый столб и тем самым начать дуговую проводимость. Как только высоковольтная искра «зажигает» дугу, ток усиливается 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 возьмет верх и разряд не станет дугой. Эти трубки не имеют нитей накаливания и могут быть идентифицированы по одному штифту на каждом конце трубки (для обычных ламп; компактные лампы с холодным катодом также могут иметь один штифт, но работают от трансформатора, а не от балласта). Патроны ламп имеют «разъединительное» гнездо на низковольтном конце, которое отключает балласт при извлечении трубки, чтобы предотвратить поражение электрическим током . Лампы с мгновенным запуском немного более энергоэффективны, чем лампы с быстрым запуском, поскольку они не посылают постоянно ток нагрева на катоды во время работы, но запуск холодных катодов увеличивает распыление, и им требуется гораздо больше времени для перехода от тлеющего разряда к дуге во время прогрева, поэтому срок службы обычно составляет около половины срока службы сопоставимых ламп с быстрым запуском. [42]
Поскольку для образования дуги требуется термоионная эмиссия большого количества электронов с катода, конструкции балластов с быстрым запуском предусматривают обмотки внутри балласта, которые непрерывно нагревают нити катода. Обычно работают при более низком напряжении дуги, чем конструкция с мгновенным запуском; для запуска не создается индуктивный скачок напряжения , поэтому лампы должны быть установлены рядом с заземленным (заземленным) отражателем, чтобы тлеющий разряд мог распространяться по трубке и инициировать дуговой разряд через емкостную связь . В некоторых лампах заземленная полоса «пускового устройства» прикреплена к внешней стороне стекла лампы. Этот тип балласта несовместим с европейскими энергосберегающими люминесцентными лампами T8, поскольку эти лампы требуют более высокого пускового напряжения, чем напряжение разомкнутой цепи балластов с быстрым запуском.
Быстродействующие балласты используют небольшой автотрансформатор для нагрева нитей накаливания при первой подаче питания. Когда зажигается дуга, мощность нагрева нити накаливания уменьшается, и трубка запустится в течение полсекунды. Автотрансформатор либо объединен с балластом, либо может быть отдельным блоком. Трубки необходимо монтировать рядом с заземленным металлическим отражателем, чтобы они зажглись. Быстродействующие балласты чаще встречаются в коммерческих установках из-за более низких затрат на обслуживание. Быстродействующий балласт устраняет необходимость в пусковом переключателе, распространенном источнике отказов ламп. Тем не менее, быстродействующие балласты также используются в бытовых (жилых) установках из-за желательной функции, заключающейся в том, что свет быстродействующего балласта включается почти сразу после подачи питания (при включении переключателя). Быстродействующие балласты используются только в цепях 240 В и предназначены для использования со старыми, менее эффективными трубками T12.
Полурезонансная схема запуска была изобретена Thorn Lighting для использования с люминесцентными трубками T12 . Этот метод использует трансформатор с двойной обмоткой и конденсатор. При отсутствии тока дуги трансформатор и конденсатор резонируют на частоте линии и генерируют примерно в два раза больше напряжения питания на трубке, а также небольшой ток нагрева электродов. [43] Это напряжение трубки слишком низкое, чтобы зажечь дугу с холодными электродами, но по мере того, как электроды нагреваются до температуры термоионной эмиссии, напряжение зажигания трубки падает ниже напряжения звонка, и дуга зажигается. По мере нагрева электродов лампа медленно, в течение трех-пяти секунд, достигает полной яркости. По мере того, как ток дуги увеличивается, а напряжение трубки падает, схема обеспечивает ограничение тока.
Полурезонансные схемы запуска в основном ограничены использованием в коммерческих установках из-за более высокой начальной стоимости компонентов схемы. Однако нет необходимости заменять пусковые переключатели, а повреждение катода во время запуска уменьшается, что позволяет продлить срок службы ламп, снижая расходы на техническое обслуживание. Из-за высокого напряжения разомкнутой цепи трубки этот метод запуска особенно хорош для запуска трубок в холодных местах. Кроме того, коэффициент мощности цепи составляет почти 1,0, и в осветительной установке не требуется дополнительная коррекция коэффициента мощности. Поскольку конструкция требует, чтобы напряжение питания было в два раза ниже напряжения зажигания холодного катода (иначе трубки ошибочно запустятся мгновенно), эту конструкцию нельзя использовать с питанием переменного тока 240 В , если только длина трубок не менее 1,2 м (3 фута 11 дюймов). Полурезонансные пусковые светильники, как правило, несовместимы с энергосберегающими модернизированными трубками T8, поскольку такие трубки имеют более высокое пусковое напряжение, чем лампы T12, и могут не запускаться надежно, особенно при низких температурах. Недавние предложения в некоторых странах о постепенном отказе от ламп Т12 приведут к сокращению применения этого метода запуска.
Электронные балласты используют транзисторы для изменения частоты питания в высокочастотный переменный ток , регулируя при этом ток в лампе. Эти балласты используют более высокую эффективность ламп, которая увеличивается почти на 10% при 10 кГц по сравнению с эффективностью при нормальной частоте питания. Когда период переменного тока короче времени релаксации для деионизации атомов ртути в разрядном столбе, разряд остается ближе к оптимальному рабочему состоянию. [44] Электронные балласты преобразуют частоту питания переменного тока в переменный ток переменной частоты. Преобразование может уменьшить модуляцию яркости лампы при удвоенной частоте 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 примерно 1 кВ, и лампа мгновенно запускается в режиме холодного катода. Нити катода 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.
Более сложные электронные балласты используют программируемый запуск. Выходная частота запускается выше резонансной частоты выходной цепи балласта; и после нагрева нитей частота быстро уменьшается. Если частота приближается к резонансной частоте балласта, выходное напряжение увеличится настолько, что лампа загорится. Если лампа не загорится, электронная схема останавливает работу балласта.
Многие электронные балласты управляются микроконтроллером , и их иногда называют цифровыми балластами. Цифровые балласты могут применять довольно сложную логику для запуска и работы лампы. Это позволяет выполнять такие функции, как проверка сломанных электродов и отсутствующих трубок перед попыткой запуска, обнаружение замены трубок и обнаружение типа трубок, так что один балласт может использоваться с несколькими различными трубками. Такие функции, как диммирование, могут быть включены во встроенное программное обеспечение микроконтроллера и могут быть найдены 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 входящую мощность в выходную частоту, превышающую 20 кГц . Это повышает эффективность лампы. [45] Эти балласты работают с напряжениями, которые могут достигать почти 600 вольт, что требует некоторого внимания при проектировании корпуса и может вызвать небольшое ограничение длины проводов от балласта до концов лампы.
Ожидаемый срок службы люминесцентной лампы в первую очередь ограничен сроком службы катодных электродов. Для поддержания адекватного уровня тока электроды покрываются эмиссионной смесью оксидов металлов. Каждый раз при запуске лампы и во время работы небольшое количество катодного покрытия распыляется с электродов под воздействием электронов и тяжелых ионов внутри трубки. Распыленный материал собирается на стенках трубки, затемняя ее. Метод запуска и частота влияют на катодное распыление. Нить накала также может порваться, что выведет лампу из строя.
Конструкции ламп с низким содержанием ртути могут выйти из строя, когда ртуть поглощается стеклянной трубкой, фосфором и внутренними компонентами и больше не может испаряться в заполняющем газе. Потеря ртути изначально приводит к увеличению времени прогрева до полной светоотдачи и, наконец, заставляет лампу светиться тусклым розовым цветом, когда аргоновый газ берет на себя роль первичного разряда. [46]
Подвергая трубку асимметричному току, эффективно эксплуатирует ее под постоянным током смещения и вызывает асимметричное распределение ионов ртути вдоль трубки. Локальное истощение давления паров ртути проявляется как розовое свечение базового газа вблизи одного из электродов, и срок службы лампы может быть резко сокращен. Это может быть проблемой с некоторыми плохо спроектированными инверторами . [47]
Люминофор, покрывающий лампу, со временем также деградирует, и в итоге лампа перестает давать приемлемую долю своего первоначального светового потока.
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 от излучения ртути и эффекта фосфоресценции дают комбинированное спектральное распределение света, которое отличается от того, которое производятся источниками накаливания. Относительная интенсивность света, излучаемого в каждой узкой полосе длин волн в видимом спектре, находится в иных пропорциях по сравнению с источником накаливания. Цветные объекты воспринимаются по-разному под источниками света с различным спектральным распределением. Например, некоторые люди считают цветопередачу, производимую некоторыми люминесцентными лампами, резкой и неприятной. Здоровый человек иногда может иметь нездоровый оттенок кожи при флуоресцентном освещении. Степень, в которой происходит это явление, связана со спектральным составом света и может быть оценена по его индексу цветопередачи (CRI).
Коррелированная цветовая температура (CCT) является мерой «оттенка» белизны источника света по сравнению с черным телом. Типичное освещение ламп накаливания составляет 2700 К, что является желтовато-белым. [48] Галогенное освещение составляет 3000 К. [49] Люминесцентные лампы производятся с выбранным CCT путем изменения смеси люминофоров внутри трубки. Тепло-белые люминесцентные лампы имеют CCT 2700 К и популярны для освещения жилых помещений. Нейтрально-белые люминесцентные лампы имеют CCT 3000 К или 3500 К. Холодно-белые люминесцентные лампы имеют CCT 4100 К и популярны для освещения офисов. Дневные люминесцентные лампы имеют CCT 6500 К, что является голубовато-белым.
Индекс цветопередачи (CRI) — это попытка измерить способность источника света точно отображать цвета различных объектов по сравнению с излучателем черного тела. Цвета можно воспринимать с помощью света от источника относительно света от эталонного источника, такого как дневной свет или черное тело с той же цветовой температурой . По определению, лампа накаливания имеет CRI 100. Реальные люминесцентные лампы достигают CRI от 50 до 98. Люминесцентные лампы с низким CRI 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, галогенофосфатная лампа с низким CRI 6800 K (экстремальный пример) сделает красные цвета тускло-красными или даже коричневыми. Поскольку глаз относительно менее эффективен при обнаружении красного света, улучшение индекса цветопередачи с увеличением энергии в красной части спектра может снизить общую световую эффективность. [32] : 8
В осветительных приборах используются люминесцентные трубки в ассортименте оттенков белого. Смешивание типов трубок в арматуре может улучшить цветопередачу трубок более низкого качества.
Один из наименее приятных световых потоков исходит от трубок, содержащих старые люминофоры на основе галофосфата кальция (химическая формула Ca 5 ( P O 4 ) 3 ( F , Cl ): Sb 3+ , Mn 2+ ). Этот люминофор в основном излучает желтый и синий свет и относительно немного зеленого и красного. При отсутствии 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 редкоземельных трифосфоров на основе ионов европия и тербия , которые имеют полосы излучения, более равномерно распределенные по спектру видимого света, но с пиками в красном, зеленом и синем. Трифосфорные трубки дают более естественную для человеческого глаза цветопередачу. Индекс цветопередачи таких ламп обычно составляет 85.
Люминесцентные лампы бывают разных форм и размеров. [50] Многие компактные люминесцентные лампы имеют встроенную в основание вспомогательную электронику, что позволяет вставлять их в обычный патрон лампочки.
В жилых домах США люминесцентные лампы в основном используются на кухнях , в подвалах или гаражах . Школы и предприятия считают, что экономия средств за счет люминесцентных ламп существенна, и редко используют лампы накаливания. Стоимость электроэнергии, налоговые льготы и строительные нормы приводят к более широкому использованию в таких местах, как Калифорния . Использование люминесцентных ламп сокращается, их вытесняет светодиодное освещение, которое более энергоэффективно и не содержит ртути. [ требуется цитата ]
В других странах использование люминесцентного освещения в жилых помещениях варьируется в зависимости от стоимости энергии, финансовых и экологических проблем местного населения, а также приемлемости светового потока. В Восточной и Юго-Восточной Азии лампы накаливания редко встречаются в зданиях.
Во многих странах поощряется постепенный отказ от ламп накаливания и замена их другими типами энергосберегающих ламп.
Помимо общего освещения, специальные люминесцентные лампы часто используются в сценическом освещении для кино- и видеопроизводства. Они холоднее традиционных галогенных источников света и используют высокочастотные балласты для предотвращения мерцания видео и лампы с высоким индексом цветопередачи для приближения к дневным цветовым температурам.
Флуоресцентные лампы преобразуют большую часть входной мощности в видимый свет, чем лампы накаливания. Типичная 100-ваттная вольфрамовая нить накаливания может преобразовать только 5% своей входной мощности в видимый белый свет (длина волны 400–700 нм), тогда как типичные флуоресцентные лампы преобразуют около 22% входной мощности в видимый белый свет. [32] : 20
Эффективность люминесцентных ламп варьируется 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 составляя в среднем от 50 до 67 лм/Вт в целом. [52] Потери балласта могут составлять около 25% мощности лампы с магнитными балластами и около 10% с электронными балластами.
Эффективность люминесцентной лампы зависит от температуры лампы в самой холодной части лампы. В лампах T8 это центр трубки. В лампах T5 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 служит в 10-20 раз дольше, чем эквивалентная лампа накаливания, если она работает несколько часов подряд. При стандартных условиях испытаний люминесцентные лампы служат от 6000 до 90000 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 службы. [54] [ требуется обновление ]
По сравнению с лампой накаливания, люминесцентная трубка является более рассеянным и физически более крупным источником света. В лампах соответствующей конструкции свет может быть распределен более равномерно без точечного источника бликов, как это наблюдается у нерассеянной нити накаливания; лампа большая по сравнению с типичным расстоянием между лампой и освещаемыми поверхностями.
Флуоресцентные лампы выделяют около одной пятой тепла эквивалентных ламп накаливания. Это значительно снижает размер, стоимость и потребление энергии кондиционированием воздуха для офисных зданий, в которых обычно много света и мало окон.
Частое переключение (чаще, чем каждые 3 часа) сократит срок службы ламп. [55] Каждый цикл запуска немного разрушает поверхность катодов, излучающую электроны; когда весь эмиссионный материал исчезает, лампа не может запуститься с имеющимся напряжением балласта. Светильники для мигающих огней (например, для рекламы) используют балласт, который поддерживает температуру катода, когда дуга выключена, сохраняя срок службы лампы.
Дополнительная энергия, используемая для запуска люминесцентной лампы, эквивалентна нескольким секундам нормальной работы; более энергоэффективно выключать лампы, когда они не требуются в течение нескольких минут. [56] [57]
Если люминесцентная лампа разбивается, очень небольшое количество ртути может загрязнить окружающую среду. Около 99% ртути обычно содержится в люминофоре, особенно в лампах, срок службы которых близок к концу. [58] Разбитые лампы могут выделять ртуть, если их не очищать правильными методами. [59] [ не пройдена проверка ]
Из-за содержания ртути выброшенные люминесцентные лампы должны рассматриваться как опасные отходы. Для крупных пользователей люминесцентных ламп в некоторых регионах доступны услуги по переработке , и они могут быть обязательными по правилам. [60] [61] В некоторых регионах переработка также доступна потребителям. [62]
Флуоресцентные лампы излучают небольшое количество ультрафиолетового (УФ) света. Исследование, проведенное в США в 1993 году, показало, что воздействие ультрафиолета при сидении под флуоресцентными лампами в течение восьми часов эквивалентно одной минуте пребывания на солнце. [63] Ультрафиолетовое излучение от компактных флуоресцентных ламп может усугубить симптомы у светочувствительных людей. [64] [65] [66]
Музейные артефакты могут нуждаться в защите от ультрафиолетового излучения, чтобы предотвратить деградацию пигментов или тканей. [67]
Люминесцентным лампам требуется балласт для стабилизации тока через лампу и для обеспечения начального напряжения зажигания, необходимого для начала дугового разряда. Часто один балласт используется совместно двумя или более лампами. Электромагнитные балласты могут производить слышимый жужжащий или гудящий шум. В Северной Америке магнитные балласты обычно заполняются смолоподобным заливочным компаундом 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% от входной мощности лампы. [32] Электронные балласты уменьшают эти потери.
Простые индуктивные балласты люминесцентных ламп имеют коэффициент мощности меньше единицы. Индуктивные балласты включают конденсаторы коррекции коэффициента мощности. Простые электронные балласты также могут иметь низкий коэффициент мощности из-за их входного выпрямительного каскада.
Флуоресцентные лампы являются нелинейной нагрузкой и генерируют гармонические токи в электросети. Дуга внутри лампы может генерировать радиочастотный шум, который может передаваться по силовой проводке. Подавление радиопомех возможно. Очень хорошее подавление возможно, но увеличивает стоимость люминесцентных светильников.
Флуоресцентные лампы, близкие к концу срока службы, могут представлять серьезную опасность радиочастотных помех. Колебания генерируются из-за отрицательного дифференциального сопротивления дуги, а ток, протекающий через трубку, может образовывать настроенный контур, частота которого зависит от длины пути. [68]
Люминесцентные лампы работают лучше всего при комнатной температуре. При более низких или более высоких температурах эффективность снижается. При температурах ниже нуля стандартные лампы могут не запуститься. Специальные лампы могут использоваться для надежной работы на открытом воздухе в холодную погоду.
Люминесцентные трубки — это длинные, малояркие источники по сравнению с газоразрядными лампами высокой интенсивности , лампами накаливания и галогенными лампами, а также светодиодами высокой мощности. Однако низкая интенсивность света излучающей поверхности полезна, поскольку она уменьшает блики . Конструкция светильника должна контролировать свет из длинной трубки, а не компактного шара. Компактная люминесцентная лампа (CFL) заменяет обычные лампы накаливания во многих светильниках, где позволяет пространство.
Флуоресцентные лампы с магнитными балластами мерцают с обычно незаметной частотой 100 или 120 Гц, и это мерцание может вызывать проблемы у некоторых людей с повышенной чувствительностью к свету ; [69] они указаны 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 правильной скоростью, может казаться неподвижным, если освещается только одной люминесцентной лампой. Этот эффект устраняется парными лампами, работающими на свинцово-запаздывающем балласте. В отличие от настоящей стробоскопической лампы, уровень света падает за значительное время, и поэтому существенное «размывание» движущейся части будет очевидным.
Флуоресцентные лампы могут производить мерцание на частоте источника питания (50 или 60 Гц), что заметно большему количеству людей. Это происходит, если поврежденный или неисправный катод приводит к небольшому выпрямлению и неравномерному световому потоку в положительных и отрицательных циклах переменного тока. Мерцание промышленной частоты может испускаться с концов трубок, если каждый электрод трубки производит немного отличающуюся картину светового потока на каждом полупериоде. Мерцание промышленной частоты более заметно периферическим зрением , чем при прямом просмотре.
Ближе к концу срока службы люминесцентные лампы могут начать мерцать с частотой ниже частоты сети. Это происходит из-за нестабильности отрицательного сопротивления дугового разряда [74] , которая может быть вызвана плохой лампой или балластом или плохим соединением.
Новые люминесцентные лампы могут показывать закрученный спиральный рисунок света в части лампы. Этот эффект возникает из-за рыхлого материала катода и обычно исчезает через несколько часов работы. [32] : 22
Электромагнитные балласты также могут вызывать проблемы при видеозаписи, поскольку может возникнуть так называемый эффект биений между частотой кадров видео и колебаниями интенсивности люминесцентной лампы.
Люминесцентные лампы с электронными балластами не мерцают, так как выше примерно 5 кГц период полураспада возбужденного состояния электронов больше половины цикла, [ необходима ссылка ] и производство света становится непрерывным. Рабочие частоты электронных балластов выбираются так, чтобы избежать помех инфракрасным пультам дистанционного управления. Некачественные или неисправные электронные балласты могут иметь значительную модуляцию света 100/120 Гц.
Люминесцентные светильники нельзя подключать к диммерам, предназначенным для ламп накаливания. За это отвечают два эффекта: форма волны напряжения, излучаемого стандартным фазовым диммером, плохо взаимодействует со многими балластами, и становится трудно поддерживать дугу в люминесцентной трубке на низких уровнях мощности. Для диммирующих установок требуется совместимый диммирующий балласт . Некоторые модели компактных люминесцентных ламп можно диммировать; в Соединенных Штатах такие лампы идентифицируются как соответствующие стандарту UL 1993. [75]
Систематическая номенклатура идентифицирует лампы массового спроса по общей форме, номинальной мощности, длине, цвету и другим электрическим и световым характеристикам.
В США и Канаде лампы обычно идентифицируются кодом, например FxxTy, где F означает люминесцентную лампу, первая цифра (xx) указывает либо мощность в ваттах, либо длину в дюймах, T указывает на то, что форма колбы трубчатая, а последняя цифра (y) — диаметр в восьмых долях дюйма (иногда в миллиметрах, округленных до ближайшего миллиметра). Типичные диаметры — T12 или T38 ( 1+1 ⁄ 2 дюйма или 38 мм) для бытовых ламп, T8 или T26 (1 дюйм или 25 мм) для коммерческих энергосберегающих ламп.
Перегрузка люминесцентной лампы — это метод получения большего количества света от каждой трубки, чем получается при номинальных условиях. Люминесцентные лампы ODNO (Overdriven Normal Output) обычно используются, когда недостаточно места для установки большего количества лампочек для увеличения освещенности. Метод эффективен, но создает некоторые дополнительные проблемы. Этот метод стал популярным среди аквариумистов как экономически эффективный способ добавить больше света в свои аквариумы. Перегрузка выполняется путем переподключения ламповых креплений для увеличения тока лампы; однако срок службы лампы сокращается. [76]
Лампы черного света — это подвид люминесцентных ламп, которые используются для получения УФ-А- света (при длине волны около 360 нм). Они построены по тому же принципу, что 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 краски черного света и для обнаружения таких материалов, как моча и некоторые красители, которые были бы невидимы в видимом свете), а также для привлечения насекомых к мухобойкам .
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 видимых цветов света, непосредственно излучаемого разрядом ртутных паров, производя пропорционально меньше видимого света по сравнению с ультрафиолетовым светом. Это позволяет легче увидеть флуоресценцию, вызванную ультрафиолетом (тем самым позволяя плакатам с черным светом казаться намного более драматичными). Лампы черного света, используемые в ловушках для насекомых, не требуют такой доработки, поэтому ее обычно опускают в интересах экономии; их называют просто blacklite (а не blacklite blue).
Лампы, используемые в соляриях, содержат другую смесь фосфора (обычно от 3 до 5 или более фосфоров), которая излучает как UVA, так и UVB, вызывая реакцию загара у большинства людей. Обычно выход оценивается как 3–10% UVB (5% наиболее типично), а оставшийся УФ — как UVA. В основном это лампы высокой мощности 100 Вт, хотя довольно распространены лампы очень высокой мощности 160 Вт. Одним из распространенных фосфоров, используемых в этих лампах, является активированный свинцом дисиликат бария, но также используется активированный европием фторборат стронция. Ранние лампы использовали таллий в качестве активатора, но выбросы таллия во время производства были токсичными. [77]
Лампы, используемые в фототерапии, содержат фосфор, который излучает только ультрафиолетовый свет UVB. [ необходима цитата ] 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 эритему на коже, как широкополосные. [ сомнительно – обсудить ] Они требуют в 10–20 раз большей дозы для кожи, и им требуется больше ламп и большее время воздействия. Узкополосный хорош при псориазе, экземе (атопическом дерматите), витилиго, красном плоском лишае и некоторых других кожных заболеваниях. [ необходима цитата ] Широкополосный лучше для увеличения витамина D3 в организме.
Лампы для выращивания содержат фосфорные смеси, которые стимулируют фотосинтез , рост или цветение растений, водорослей, фотосинтетических бактерий и других светозависимых организмов. Они часто излучают свет в основном в красном и синем диапазоне цветов, который поглощается хлорофиллом и используется для фотосинтеза в растениях. [78]
Лампы могут быть сделаны с литий-металлуминатом фосфора, активированного железом. Этот фосфор имеет пиковые излучения между 675 и 875 нанометрами, с меньшими излучениями в глубокой красной части видимого спектра. [79]
Глубокий синий свет, генерируемый активированным европием фосфором, используется в светотерапии желтухи ; свет этого цвета проникает через кожу и помогает расщеплять избыток билирубина . [79 ]
Бактерицидные лампы вообще не содержат фосфора, что делает их газоразрядными лампами на основе паров ртути, а не люминесцентными. Их трубки изготовлены из плавленого кварца, прозрачного для УФ-С-света, излучаемого ртутным разрядом. 254 нм УФ-С, излучаемый этими трубками, убивает микробы, а 184,45 нм дальний УФ-С ионизирует кислород в озон . Лампы с маркировкой OF блокируют 184,45 нм дальний УФ-С и не производят значительного количества озона. Кроме того, УФ-С может вызывать повреждения глаз и кожи. Иногда их используют геологи для идентификации определенных видов минералов по цвету их флуоресценции, если они оснащены фильтрами, пропускающими коротковолновый УФ-С и блокирующими видимый свет, излучаемый ртутным разрядом. Они также используются в некоторых стирателях EPROM . Обозначения бактерицидных ламп начинаются с буквы G, например, G30T8 — это бактерицидная лампа мощностью 30 Вт, диаметром 1 дюйм (2,5 см) и длиной 36 дюймов (91 см) (в отличие от F30T8, которая представляет собой люминесцентную лампу того же размера и номинала).
Безэлектродные индукционные лампы — это люминесцентные лампы без внутренних электродов. Они поступили в продажу в 1990 году. Ток индуцируется в газовый столб с помощью электромагнитной индукции . Поскольку электроды обычно являются элементом, ограничивающим срок службы люминесцентных ламп, такие безэлектродные лампы могут иметь очень долгий срок службы, хотя они также имеют более высокую закупочную цену.
Холоднокатодные люминесцентные лампы использовались в качестве подсветки ЖК-дисплеев в компьютерных мониторах и телевизорах до появления ЖК-дисплеев со светодиодной подсветкой . Они также были популярны среди моддеров компьютерных корпусов .
Флуоресцентные лампы могут освещаться и другими способами, помимо надлежащего электрического соединения. Однако эти другие методы приводят к очень тусклому или очень кратковременному освещению, поэтому их можно увидеть в основном на научных демонстрациях. Статическое электричество или генератор Ван де Граафа заставят лампу на мгновение вспыхнуть, поскольку она разряжает высоковольтную емкость. Катушка Теслы будет пропускать высокочастотный ток через трубку, и поскольку она также имеет высокое напряжение, газы внутри трубки будут ионизироваться и излучать свет. Это также работает с плазменными шарами . Емкостная связь с высоковольтными линиями электропередач может непрерывно освещать лампу с низкой интенсивностью, в зависимости от интенсивности электрического поля.
Все три марки стартеров "FAST" (< .5 секунд) вызывали слышимый шум "BURRRRRRRP" в некоторых осветительных приборах при запуске, и это внутренняя проблема, вызванная использованием ими более быстрого нагрева "DC". Это ухудшается с трубками более высокой мощности и если в осветительном приборе есть какой-либо свободный металл.
