Принцип работы люминесцентной лампы

Люминесцентными называются электрические газоразрядного типа лампы, отличающиеся большим сроком службы. Изделия обеспечивают искусственное освещение в жилых комплексах, офисных и торговых центрах, промышленных объектах. Разработаны варианты устройств с разными оттенками излучения, видом цоколя, формой трубки, функциональностью и т.д.

• Устройство и принцип работы ламп
• Классификация люминесцентных ламп
• Маркировка
• Цветность и состав излучения ламп
• Преимущества и недостатки
• Устройство люминесцентных ламп
• Как работает люминесцентная лампа
• Варианты подключений
• Электронный балласт
• Замена лампы
• Проверка работоспособности системы
• Схема компактной люминесцентной лампы (КЛЛ)
• Преимущества компактной люминесцентной лампы (КЛЛ)
• Недостатки компактной люминесцентной лампы (КЛЛ)

Устройство и принцип работы ламп

Конструкция относится к газоразрядным источникам освещения, сконструирована с использованием трубки из стекла, которая с двух сторон запаяна. Изнутри на поверхности лампы нанесен слой специального вещества (люминофора). Устройство излучает рассеивающий свет после подключения к источнику электропитания. Изнутри колбу наполняют аргоном.

Люминесцентное устройство включает:

• катоды, защищенные эмиттерным слоем;
• выводные штыри;
• концевую панель;
• трубки для отвода инертного газа;
• ртуть;
• стеклянную штампованную ножку, дополненную электровводами и т.д.

Принцип функционирования основывается на возникновении электроразряда между электродами после подсоединения к электросети. После взаимодействия разряда с газами инертными и испарениями ртути возникает излучение ультрафиолета, воздействующее на люминофор, преобразующий энергию в световое излучение. Для корректировки оттенков ртутьсодержащих устройств применяются люминофоры с разными химическими компонентами.

Дуговой разряд в колбе создается оксидным самокалящимся катодом, на который воздействует электричество. Для включения ламп ДРЛ, ЛД катоды разогревают посредством пропускания разряда тока. Устройства с холодным катодом запускаются ионным воздействием в тлеющем разряде высокого напряжения.

Для функционирования люминесцентным приборам требуется дополнительный узел (балласт), обеспечивающий работу дросселем и стартером. Балласт регулирует силу разряда и выпускается 2 видов (электромагнитный и электронный). Электромагнитный балласт является механическим. Устройство относится к бюджетным вариантам, в работе прибор может издавать шум.

Электронные узлы дороже по стоимости, работают бесшумно, оперативно включают систему, компактны.

Классификация люминесцентных ламп

По показателю спектрального излучения приборы люминесцентного типа подразделяются на 3 категории:

• стандартные;
• с усовершенствованной передачей цвета;
• со специальными функциональными назначениями.

Стандартные приборы снабжаются люминофорами однослойными, позволяющими излучать разные тона белого. Приборы оптимальны для освещения жилых помещений, административных и производственных блоков. Люминесцентные лампы с усовершенствованной передачей света оснащаются люминофором с 3-5 слоями.

Структура позволяет качественно отражать оттенки за счет усиленной световой отдачи (на 12% больше типовых ламп). Модели подходят для витрин магазинов, выставочных залов и т.д. Люминесцентные лампы специализированного назначения совершенствуются с помощью разных составов в трубке, позволяющих поддерживать заданную частоту спектра. Устройства применяют в больницах, концертных залах и т.д. Приборы разделяются на модели высокого и низкого давления.

Конструкции с высоким давлением оптимальны для монтажа в уличных лампах и приборах, имеющих большую мощность. Лампы невысокого давления применяются в квартирах, административных комплексах, производственных помещениях. По внешнему виду ЛЛ представлены линейным и компактным вариантами.

Линейная конструкция колбы удлиненная, применяется для промышленных помещений, торговых центров, офисов, медучреждений, спортивных организаций, заводских цехов и т.д. Линейная модель представлена разными вариантами диаметров трубки и конфигураций цоколя. Устройства обозначаются кодами. Прибор с диаметром 1,59 см на упаковке отмечается знаком Т5, с размером 2,54 см -- Т8 и т.д.

Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) представляют спиралевидную стеклянную трубку и предназначены для установки в квартирах, офисах и т.д. КЛЛ делятся на 2 типа, главное отличие -- виды цоколей (стандартный и с основанием в форме штыря). Традиционный цоколь в форме резьбы отмечается знаком «Е» и кодом с размером диаметра. Штырьковый вид цоколя отмечается символом «G»; цифровые данные обозначают расстояние между штырями. Этот вил лампы оптимален для установки в настольных лампах, подвесных бра в небольших помещениях.

Люминесцентные лампы различаются мощностью (слабые и сильные). Мощность люминесцентной лампы в Вт может превышать показатель 80 единиц. Устройства с небольшой мощностью представлены изделиями до 15 Вт. По показателю распределения света устройства могут быть направленного действия (рефлекторные, щелевого типа) либо ненаправленного. По типу разряда приборы подразделяются на дуговые, устройства свечения либо тлеющего разряда.

Различается сфера применения осветительных устройств (наружные, внутренние, взрывозащищенные, консольные). Наружные устройства подходят для оформления зданий с внешней стороны, для освещения беседок, оформления двора и т.д. При выборе необходимо учитывать температурные режимы региона. Внутренние подходят для офисных и жилых зданий. Устройства снабжаются защитой от влажности и воздействия пыли. Детали корпуса соединяются герметичным способом. Конструкция ламп может быть прямой, подвесной, предназначенной для крепления к поверхности потолка.

Приборы взрывозащищенные разработаны для территорий с риском возникновения взрывов (склады, цеха по производству красителей и т.д.). Приборы консольного типа монтируются с помощью специальных креплений и имеют индивидуальный корпус.

Маркировка

Маркировочное обозначение люминесцентных ламп указано на коробке и содержит данные о фирме, мощности, конструкции цоколя, периоде работы, оттенке свечения и т.д.

Согласно расшифровке индекса первая буква маркировки приборов люминесцентного типа -- Л. Последующие буквы указывают на цвет оттенка излучения прибора (дневной, белый, холодный тон белого, ультрафиолетовое излучение и т.д.). Кодовое значение будет включать символы Д, Б, УФ и т.д.

Особенности конструктивного исполнения на маркировках обозначаются соответствующими буквами:

• u-образные люминесцентные лампы (У);
• изделия кольцевой формы (К);
• устройства рефлекторного типа (Р);
• лампы быстрого запуска (Б).

В устройствах люминесцентного вида на маркировке отображаются и показатели свечения, единицей измерения служит Кельвин (К). Показатель температуры 2700 К по оттенку соответствует излучению лампы накаливания. маркировка 6500 К обозначает холодный белоснежный тон.

Мощность приборов маркируется цифрой и единицей измерения -- Вт. Стандартные показатели представлены устройствами от 18 до 80 Вт.

На этикетке также представлено обозначение ламп в соответствии с такими характеристиками, как длина, диаметр и форма колбы.

Диаметр колбы на лампе фиксируется буквой «Т» с кодовым обозначением. Прибор, обозначенный кодом Т8, имеет диаметр 26 мм, Т12 -- 38 мм и т.д.

Маркировки приборов по типу цоколя содержат буквы Е, G и цифровой код. Обозначение для миниатюрной формы резьбового цоколя -- Е14. Средний резьбовой цоколь имеет код Е27. Цоколь втычного типа для декоративных конструкций и люстр маркируется символом G9. Приборы u-образные обозначаются символом G23, двойные u-образные приборы -- G24 и т.д.

Показатели цветовой температуры приборов варьируются в зависимости от модели в пределах от 2000 до 6500 К. КПД светильника составляет 45-75%.

Цветность и состав излучения ламп

Различаются оттенки светового излучения приборов, изменяющие цветовые характеристики предметов.

Люминесцентные устройства имеют следующие типы оттенков излучения:

• дневной (Д);
• белоснежный (Б);
• естественный оттенок белого (Е);
• белый с теплым тоном (ТБ);
• белый с холодным тоном (ХБ);
• ультрафиолетовый (УФ);
• холодное естественное свечение (ЛХЕ) и т.д.

Добавление знака Ц в указании цветности свидетельствует об использовании состава люминофора с усовершенствованной передачей цвета.

Преимущества и недостатки

Люминесцентные устройства имеют преимущества, достоинства и недостатки. Лампы имеют высокий показатель световой отдачи. Люминесцентные приборы в 20 Вт обеспечивают освещение в комнате, которое имеют устройства накаливания и иллюминационные лампы в 100 Вт.

Изделия отличаются высоким коэффициентом полезного действия. Энергосберегающие лампы используются до 20 тыс. часов при обеспечении требований эксплуатации.

Свет у люминесцентных конструкций не направленный, а рассеивающий. В северных регионах рекомендовано применение люминесцентных ламп дневного света в жилых и общественных зданиях.

Преимущество люминесцентных устройств в разнообразии конструктивных решений. Разные формы, цветовые оттенки устройств позволяют реализовывать оригинальные дизайнерские решения в архитектуре общественных и жилых комплексов.

К недостаткам люминесцентных приборов относится содержание в конструкции ртути, в зависимости от размера лампы объем вещества варьируется от 2,3 мг до 1 г. Однако производители разрабатывают конструкции, которые в применении не опасны.

Устройство люминесцентных ламп

В большинстве лампочек колба выполнена в форме цилиндра.

Встречаются более сложные геометрические формы.

По торцам лампы имеются электроды, напоминающие по конструкции спирали лампочек накаливания.

Электроды изготовлены из вольфрама и припаяны к находящимся с наружной стороны штырькам.

На эти штырьки подается напряжение.

Внутри люминесцентной лампы создана газовая среда, которая характеризуется отрицательным сопротивлением, что проявляется при уменьшении напряжении между находящимися напротив друг друга электродами.

В схеме включения лампы используется дроссель (балластник). Его задача — образовать значительный импульс напряжения, за счет которого включится лампочка. В комплект входит стартер, представляющий лампу тлеющего разряда с парой электродов в инертной газовой среде. Один из электродов представляет собой биметаллическую пластину. В выключенном состоянии электроды люминесцентной лампочки разомкнуты.

На рисунке внизу изображена схема работы люминесцентной лампы.

Как работает люминесцентная лампа

Принципы работы люминесцентных источников света основываются на следующих положениях:

1. На схему направляется напряжение. Однако вначале ток не попадает на лампочку из-за высокого напряжения среды. Ток движется по спиралям диодов, постепенно нагревая их. Ток подается на стартер, где напряжения достаточно для появления тлеющего разряда.
2. В результате нагрева контактов пускателя током происходит замыкание биметаллической пластины. Металл берет на себя функции проводника, разряд завершается.
3. Температура в биметаллическом проводнике падает, происходит размыкание контакта в сети. Дроссель создает импульс высокого напряжения в результате самоиндукции. Вследствие этого зажигается люминесцентная лампочка.
4. Через осветительный прибор идет ток, который уменьшается вдвое, так как напряжение на дросселе сокращается. Его не хватает для еще одного запуска стартера, контакты которого находятся в разомкнутом состоянии при включенной лампочке.

Чтобы составить схему включения двух лампочек, установленных в одном осветительном приборе, необходим общий дроссель. Лампы подключаются последовательно, однако на каждом источнике света имеется параллельный стартер.

Варианты подключений

Подключение с использованием электромагнитного баланса (ЭмПРА)

Наиболее распространенный тип подключения люминесцентного источника света — схема со стартером, где используется ЭмПРА.

Принцип действия схемы базируется на том, что в результате подключения питания в стартере возникает разряд и происходит замыкание биметаллических электродов.

Ток в электроцепи проводников и стартера ограничивается только внутренним дроссельным сопротивлением. В результате рабочий ток в лампочке увеличивается почти в три раза, происходит стремительный нагрев электродов, а после потери температуры проводниками возникает самоиндукция и зажигание лампы.

Недостатки схемы:

1. В сравнении с другими способами это довольно затратный вариант с точки зрения расхода электроэнергии.
2. Пуск занимает не меньше 1 – 3 секунд (в зависимости от степени износа источника света).
3. Невозможность работы при низкой температуре воздуха (например, в условиях неотапливаемого подвального или гаражного помещения).
4. Имеется стробоскопический эффект мигания лампочки. Этот фактор отрицательно действует на человеческое зрение. Такое освещение нельзя применять в производственных целях, потому что быстро движущиеся предметы (например, заготовка в токарном станке) кажутся неподвижными.
5. Неприятное гудение дроссельных пластинок. По мере износа устройства звук нарастает.

Схема включения устроена таким образом, что в ней есть один дроссель на две лампочки. Индуктивности дросселя должно хватать на оба источника света. Используются стартеры на 127 Вольт. Для одноламповой схемы они не подходят, там нужны устройства на 220 Вольт.

На картинке внизу показано бездроссельное подключение. Стартер отсутствует.

Схема используется в случае перегорания у ламп нитей накала. Используется повышающий трансформатор Т1 и конденсатор С1, ограничивающий ток, идущий через лампочку от 220-вольтной сети.

Следующая схема используется для лампочек с перегоревшими нитями. Однако отсутствует необходимость в повышающем трансформаторе, благодаря чему конструкция устройства становится проще.

Ниже показан способ использования диодного выпрямительного моста, который нивелирует мерцание лампочки.

На рисунке внизу та же методика, но в более сложном исполнении.

Две трубки и два дросселя

Чтобы подключить лампу дневного света, можно использовать последовательное подключение:

1. Фаза от проводки направляется на вход дросселя.
2. От дроссельного выхода фаза идет на контакт источника света (1). Со второго контакта направляется на стартер (1).
3. Со стартера (1) отходит на вторую контактную пару этой же лампочки (1). Оставшийся контакт стыкуют с нулем (N).

Тем же образом подключают вторую трубку. Вначале дроссель, затем один контакт лампочки (2). Второй контакт группы направляется на второй стартер. Выход стартера объединяется со второй парой контактов источника света (2). Оставшийся контакт следует подсоединить к нулю ввода.

Схема подключения двух ламп от одного дросселя

Схема предусматривает наличие двух стартеров и одного дросселя. Наиболее дорогостоящий элемент схемы — дросселя. Более экономный вариант — двухламповый светильник с дросселем.

О том, как реализовать схему, рассказывается в видео.

Электронный балласт

Недостатки схемы ЭмПРА вызвали необходимость поиска более оптимального способа подключения. В ходе изысканий был изобретен способ с участием электронного балласта. В данном случае используется не сетевая частота (50 Гц), а высокие частоты (20 – 60 кГц). Удается избавиться от вредного для глаз мигания света.

Внешне электронный балласт — это блок с выведенными наружу клеммами. Внутренняя часть устройства содержит печатную плату, на основе которой можно собрать всю схему. Блок малогабаритен, благодаря чему помещается в корпусе даже небольшого прибора освещения. Включение осуществляется гораздо быстрее по сравнению со стандартом ЭмПРА. Работа устройства не доставляет акустического дискомфорта. Данный способ подключения называется бесстартерным.

Разобраться в принципе функционирования устройства такого типа не сложно, поскольку на его обратной стороне есть схема. На ней показано количество ламп для подключения и поясняющие надписи. Имеется информация о мощности лампочек и других технических параметрах устройства.

Подключение осуществляется следующим образом:

1. Первый и второй контакт соединяют с парой ламповых контактов.
2. Третий и четвертый контакты направляют на оставшуюся пару.
3. На вход подают электропитание.

Использование умножителей напряжения

Данный вариант позволяет подключать люминесцентную лампу без применения электромагнитного баланса. Используется обычно для увеличения периода эксплуатации лампочек. Схема подключения сгоревших ламп дает возможность работать источникам света еще какое-то время при условии, что их мощность не более 20 – 40 Вт. Нити накала допускаются как пригодные для работы, так и перегоревшие. В любом случае выводы нитей необходимо закоротить.

В результате выпрямления напряжение увеличивается в два раза, поэтому лампочка включается почти мгновенно. Конденсаторы C1 и С2 подбираются исходя из рабочего напряжения 600 Вольт. Недостаток конденсаторов состоит в их больших размерах. В качестве конденсаторов С3 и С4 отдают предпочтение слюдяным устройствам на 1000 Вольт.

Люминесцентные лампы несовместимы с постоянным током. Очень скоро ртути в устройстве накапливается столько, что свет становится ощутимо слабее. Чтобы восстановить яркость свечения, меняют полярность путем переворачивания лампочки. Как вариант, можно установить переключатель, чтобы каждый раз не снимать лампу.

Подключение без стартера

Метод с использованием стартера сопряжен с длительным разогревом лампочки. К тому же эту деталь необходимо часто менять. Обойтись без стартера позволяет схема, где подогрев электродов осуществляется с помощью старых трансформаторных обмоток. Трансформатор выступает в роли балласта.

На лампочках, используемых без стартера, должна быть надпись RS (быстрый старт). Источник света с запуском через стартер не подходит, так как его проводники долго греются, а спирали быстро сгорают.

Последовательное подключение двух лампочек

В данном случае необходимо соединить две люминесцентные лампы с одним балластом. Все устройства подключают последовательным образом.

Для проведения электромонтажных работ понадобятся такие детали:

• индукционный дроссель;
• стартеры (2 единицы);
• люминесцентные лампочки.

Подключение выполняется в следующем порядке:

1. Присоединяем к каждой лампочке стартеры. Соединение выполняем параллельно. Место соединения — штыревой вход на торцах прибора освещения.
2. Свободные контакты направляем в электрическую сеть. Для соединения используем дроссель.
3. К контактам источника света присоединяем конденсаторы. Позволят снизить интенсивность помех в сети и компенсировать реактивность мощности.

Обратите внимание! В стандартных бытовых переключателях (особенно в недорогих моделях) нередко залипают контакты из-за слишком высоких стартовых токов. В связи с этим для использования в совокупности с люминесцентными лампами рекомендуется приобретать качественные выключатели.

Замена лампы

Если отсутствует свет и причина проблемы лишь в том, чтобы заменить перегоревшую лампочку, действовать нужно следующим образом:

1. Разбираем светильник. Делаем это осторожно, чтобы не повредить прибор. Поворачиваем трубку по оси. Направление движения указано на держателях в виде стрелочек.
2. Когда трубка повернута на 90 градусов, опускаем ее вниз. Контакты должны выйти через отверстия в держателях.
3. Контакты новой лампочки должны находиться в вертикальной плоскости и попадать в отверстие. Когда лампа установлена, поворачиваем трубку в обратную сторону. Остается лишь включить электропитание и проверить систему на работоспособность.
4. Завершающее действие — монтаж рассеивающего плафона.

Проверка работоспособности системы

После подключения люминесцентной лампы следует убедиться в ее работоспособности и в исправности пускорегулирующих устройств. Для проведения испытаний понадобится тестер, с помощью которого проверяют катодные нити накала. Допустимый уровень сопротивления — 10 Ом.

Если тестер определил сопротивление как бесконечное, необязательно выбрасывать лампочку. Данный источник света еще сохраняет функциональность, но использовать его нужно в режиме холодного запуска. В обычном состоянии контакты стартера разомкнуты, а его конденсатор не пропускает постоянный ток. Иными словами, прозвон должен показывать очень высокое сопротивление, которое иной раз достигает сотен Ом.

После прикосновения щупами омметра дроссельных выводов сопротивление постепенно снижается до постоянной величины, присущей обмотке (несколько десятков Ом).

Обратите внимание! О неисправном состоянии дросселя говорит перегорание недавно поставленной лампочки.

Достоверно определить межвитковое замыкание в дроссельной обмотке, используя обычный омметр, не получится. Однако если в приборе есть функция замера индуктивности и данные по ЭмПРА, несоответствие значений укажет на наличие проблемы.

Схема компактной люминесцентной лампы (КЛЛ)

Плата КЛЛ довольно компактна и помещается в основание держателя. Несмотря на компактность, он эффективно выполняет требования дросселя. Схема КЛЛ объясняется в последующих пунктах.

Ключевые компоненты печатной платы КЛЛ

Печатная плата КЛЛ содержит следующие ключевые компоненты:

• Мостовой выпрямитель из диода 1Н-4007
• Подавитель помех
• Конденсатор фильтра
• Предохранитель
• Точка снабжения

Объяснение схемы КЛЛ

Работу КЛЛ можно разделить на две широкие фазы:

• Начальная фаза
• Нормальная фаза

Начальная фаза

Стартовый сегмент состоит из динистора, C2, D1 и R6. Компоненты D3, R3, D2 и R1 работают как схема защиты, а остальные как цепь нормальной работы. Вы должны помнить следующую терминологию:

• D относится к диоду
• R обозначает резистор
• С обозначает конденсатор
• Q обозначает транзистор

Динистора, C2 и R6 посылают импульс напряжения на базу транзистора Q2, в результате чего он получает пороговое значение и начинает работать. Как только операция начинается, диод D1 блокирует весь участок. Конденсатор С2 также разряжается (после полной зарядки) каждый раз, когда работает транзистор Q2.

Поэтому после его первого запуска осталось недостаточно энергии для повторного открытия Динистора. Далее транзисторы возбуждаются с помощью трансформатора TR1. Когда напряжение повышается от резонансного контура (L1, TR1, C3 и C6), трубка загорается, как только резонансное напряжение определяется конденсатором C3 (который питает нити). На данный момент напряжение C3 превышает 600В.

Нормальная фаза

Сразу после ионизации газа, присутствующего в вакуумной трубе, выполняется практическое замыкание конденсатора С3. Это приводит к понижению напряжения. После этого С6 начинает движение чейнджером. Этот чейнджер генерирует очень небольшое напряжение, но достаточно, чтобы лампа работала во включенном состоянии.

При нормальном рабочем состоянии, если транзистор переходит в состояние ОТКРЫТО, ток, подаваемый на TR1, продолжает увеличиваться до насыщения сердечника трансформатора, и, таким образом, подача на базу падает, в результате чего он закрывает транзистор.

Сразу после этого процесса второй транзистор возбуждается обратной обмоткой TR1, и процесс продолжается.

Преимущества компактной люминесцентной лампы (КЛЛ)

Преимущества КЛЛ заключаются в следующем:

• Это энергоэффективность
• Он имеет более высокий срок службы (почти в пять-пятнадцать раз) по сравнению со старыми лампами накаливания.
• Он имеет меньшую номинальную мощность (почти 80 процентов) по сравнению со старыми лампами накаливания.
• Это низкая стоимость жизненного цикла. Несмотря на то, что он имеет более высокую покупную цену, чем лампа накаливания, он может сэкономить в пять раз больше покупной цены на электроэнергию в течение срока службы лампы.

Недостатки компактной люминесцентной лампы (КЛЛ)

• Это займет больше времени, чтобы начать
• Начальная стоимость покупки высока.
• Это не входит в темные оттенки также.
• Как и все другие люминесцентные лампы, КЛЛ содержат ртуть, что затрудняет их утилизацию.