Устройство и принцип работы ламп
Люминесцентные лампы низкого давления явились первыми газоразрядными лампами, которые благодаря высокой световой отдаче, хорошему спектральному составу и большому сроку службы нашли применение для целей общего освещения, несмотря на некоторую сложность их включения в электрическую сеть. Высокая световая отдача люминесцентных ламп достигнута благодаря сочетанию дугового разряда в парах ртути низкого давления, отличающегося высокой эффективностью перехода электрической энергии в ультрафиолетовое излучение, с преобразованием последнего в видимое в слое люминофора.
Люминесцентные лампы представляют собой длинные стеклянные трубки, в торцы которых впаяны ножки, несущие электроды (рисунок 1). Электроды представляют собой вольфрамовую биспираль или триспираль с нанесенным на нее слоем активного вещества, обладающего низкой работой выхода при температуре нагрева около 1200 К (оксидные катоды), либо холодный оксидный катод с увеличенной поверхностью, исключающей превышение его температуры во время горения лампы.
Рисунок 1. Схема люминесцентной лампы:1 – ножка; 2 – электрод; 3 – катод; 4 – слой люминофора; 5 – трубка колбы; 6 – цоколь; 7 – ртутные пары
Оксидный катод покрыт слоем эмитирующего вещества, состоящего из оксидов щелочноземельных металлов, получаемых при нагреве и разложении карбонидов (BaCO3, CaCO3, SrCO3). Покрытие активировано малыми примесями щелочноземельных элементов. В результате наружная поверхность катода превращается в полупроводниковый слой с малой работой выхода. Оксидные катоды работают при 1250 – 1300 К, обеспечивая большой срок службы и малые катодные падения напряжения.
В трубку люминесцентной лампы введены небольшое количество ртути, создающее при 30 – 40 °С давление ее насыщающих паров, и инертный газ с парциальным давлением в несколько сотен паскалей. Давление паров ртути определяет снижение напряжения зажигания разряда, а также выход ультрафиолетового излучения резонансных линий ртути 253, 65 и 184,95 нм. В качестве инертного газа в люминесцентной лампе используют главным образом аргон при давлении 330 Па. В последнее время для наполнения ламп общего назначения применяют смесь, состоящую из 80 – 90 % Ar и 20 – 10 % Ne при давлении 200 – 400 Па. Добавка инертного газа к парам ртути облегчает зажигание разряда, снижает распыление оксидного покрытия катода, увеличивает градиент электрического потенциала столба разряда и повышает выход излучения резонансных линий ртути. В люминесцентных лампах 55% мощности приходится на долю линии 253,65 нм, 5,7% – линии 184,95 нм, 1,5 – 2% – линии 463,546 и 577 нм, на световое излучение других линий – 1,8%. Остальная мощность расходуется на нагрев колбы и электродов. На внутреннюю поверхность трубки равномерно по всей ее длине наносят тонкий слой люминофора. Благодаря этому световая отдача ртутного разряда, равная 5 – 7 лм/Вт, возрастает до 70 – 80 лм/Вт в современных люминесцентных лампах мощностью 40 Вт. При использовании люминофоров на основе редкоземельных элементов световая отдача люминесцентной лампы диаметром 26 мм повышается до 90 – 100 лм/Вт.
Используемое в люминесцентных лампах низкое давление паров ртути, получающееся при температуре колбы, мало отличающейся от температуры внешней среды, делает ее параметры зависящими от внешних условий. Эксплуатационные параметры ламп определяются параметрами пускорегулирующей аппаратуры.
Ввиду многообразия и сложности указанных выше зависимостей рассмотрим каждую из них отдельно. При этом будем иметь в виду, что в реальных условиях работы ламп они взаимосвязаны.
Зажигаем сгоревшую лампу
В данной схеме при сгоревшей лампе двойные штырьки на концах замыкаются между собой.
Подбор компонентов в зависимости от мощности лампы, делайте ориентируясь на табличку ниже.
Если лампочка целая, перемычки все равно устанавливаются. При этом не требуется предварительный разогрев спиралей до 900 градусов, как в исправных моделях.
Электроны
необходимые для ионизации, вырываются наружу и при комнатной температуре, даже
если спираль и перегорела. Все происходит за счет умноженного напряжения.
Весь процесс
выглядит следующим образом:
первоначально в колбе разряд отсутствует
затем на концы подается умноженное напряжение
свет внутри за счет этого моментально зажигается
далее загорается лампочка накаливания, которая своим сопротивлением ограничивает максимальный ток
в колбе постепенно стабилизируется рабочее напряжение и ток
лампочка накаливания немного тускнеет
Недостатки
подобной сборки:
низкий уровень яркости
повышенная пульсация
А еще при питании люминесцентных ламп постоянным напряжением, вам придется очень часто менять полярность на крайних электродах колбы. Проще говоря, перед каждым новым включением переворачивать лампу.
В противном
случае пары ртути будут собираться только возле одного из электродов и
светильник без периодического обслуживания долго не протянет. Это явление
называется катафорез или унос паров ртути в катодный конец светильника.
Там где
подключен “плюс”, яркость будет меньше и этот край начнет чернеть
значительно быстрее.
Особенно это
заметно при монтаже светильников ЛБ в холодных помещениях – гараж, сарай,
коридор, подвал. Если колба не прогрета, она может даже не запуститься.
В этом
случае стоит до нее дотронуться теплой рукой и она тут же начинает гореть.
Поэтому
запомните – люминесцентная лампа это источник света переменного тока.
Постоянный ей противопоказан и убивает лампу. Особенно импортные дохнут очень
быстро.
Еще один
минус подобных диодных схем, про который мало кто говорит – итоговый ток
потребления из розетки. Для 40Вт ЛБ лампочки при не идеально подобранных
компонентах, ток потребления из сети 220В может доходить до 1А.
А это даже
превышает нагрузку обычной лампы накаливания в 200Вт. Вот это экономия у вас
получится!
Поэтому какой из способов подойдет именно вам, решайте сами, исходя из имеющихся под рукой запчастей и познаний в электронике.
Подключение с применением электромагнитного балласта или ЭПРА
Особенности строения не позволяют подключить ЛДС непосредственно в сеть 220 В – работа от такого уровня напряжения невозможна. Для запуска требуется напряжение не ниже 600В.
С помощью электронных схем необходимо последовательно друг за другом обеспечить нужные режимы работы, каждый из которых требует определенного уровня напряжений.
Режимы работы:
- розжиг;
- свечение.
Запуск заключается в подаче импульсов высокого напряжения (до 1 кВ) на электроды, в результате чего между ними возникает разряд.
Отдельные виды пускорегулирующей аппаратуры, перед тем как произвести пуск, нагревают спираль электродов. Накаливание помогает легче запустить разряд, нить при этом меньше перегревается и дольше служит.
После того как светильник загорелся, питание производится переменным напряжением, включается энергосберегающий режим.
В устройствах, выпускаемых промышленностью, используются два вида пускорегулирующей аппаратуры (ПРА):
- электромагнитный пускорегулирующий аппарат ЭмПРА;
- электронный пускорегулирующий аппарат – ЭПРА.
Схемы предусматривают различное подключение, оно представлено ниже.
Схема с ЭмПРА
В состав электрической схемы светильника с электромагнитной пускорегулирующей аппаратурой (ЭмПРА) входят элементы:
- дроссель;
- стартер;
- компенсирующий конденсатор;
- люминесцентная лампа.
В момент подачи питания через цепь: дроссель – электроды ЛДС, на контактах стартера появляется напряжения.
Биметаллические контакты стартера, находящиеся в газовой среде, нагреваясь, замыкаются. Из-за этого в цепи светильника создается замкнутый контур: контакт 220 В – дроссель – электроды стартера – электроды лампы – контакт 220 В.
Нити электродов, разогреваясь, испускают электроны, которые создают тлеющий разряд. Часть тока начинает течь по цепи: 220В – дроссель – 1-й электрод – 2-й электрод – 220 В. Ток в стартере падает, биметаллические контакты размыкаются. По законам физики в этот момент возникает ЭДС самоиндукции на контактах дросселя, что приводит к возникновению высоковольтного импульса на электродах. Происходит пробой газовой среды, возникает электрическая дуга между противоположными электродами. ЛДС начинает светиться ровным светом.
В дальнейшем подсоединенный в линию дроссель обеспечивает низкий уровень силы тока, протекающего через электроды.
Дроссель, подключенный в цепь переменного тока, работает как индуктивное сопротивление, снижая до 30 % коэффициент полезного действия светильника.
Внимание! С целью уменьшения потерь энергии в схему включают компенсирующий конденсатор, без него светильник будет работать, но электропотребление увеличится
Схема с ЭПРА
Внимание! В рознице ЭПРА часто встречаются под наименованием электронный балласт. Название драйвер продавцы применяют для обозначения блоков питания для светодиодных лент
Внешний вид и устройство электронного балласта, предназначенного для включения двух ламп, мощностью 36 ватт каждая.
В схемах с ЭПРА физические процессы остаются прежними. В некоторых моделях предусмотрено предварительное нагревание электродов, что увеличивает срок службы лампы.
На рисунке показан внешний вид ЭПРА для различных по мощности устройств.
Размеры позволяют разместить ЭПРА даже в цоколе Е27.
Компактные ЭСЛ – один из видов люминесцентных могут иметь цоколь g23.
На рисунке представлена упрощенная функциональная схема ЭПРА.
Работа люминесцентного светильника
Для поддержания непрерывного свечения люминесцентного осветительного прибора в нём необходимо постоянное присутствие тлеющего разряда. Это достигается благодаря подаче определённого уровня напряжения на электроды люминесцентного светильника. Единственной проблемой в данном случае является необходимость постоянной подачи напряжения в значительной мере превышающего номинальные значения.
Данная проблема была решена установкой электродов с обеих сторон колбы. На них подаётся напряжение, благодаря чему происходит непрерывное поддержание разряда. При этом каждый электрод состоит из двух контактов, соединённых с источником тока, за счёт чего прогревается окружающее пространство. Поэтому лампа начинает гореть с задержкой, обусловленной прогревом электродов.
Под действием разрядов электродов газ начинает светиться ультрафиолетовым свечением, которое не воспринимает человеческий глаз. Поэтому для проявления света внутренняя часть колбы вскрывается слоем люминофора, благодаря которому происходит изменение частотных диапазонов в видимый человеком спектр.
Люминесцентная лампа не может, в отличие от стандартного источника света с нитью накаливания, включаться напрямую в сеть переменного тока. Для возникновения дуги, необходим прогрев электродов, вследствие которого появляется импульсное напряжение. Чтобы обеспечить необходимые условия для свечения люминесцентного источника света используют специальные балласты. На сегодняшний день широко применяется электромагнитный и электронный балласт.
Приступаем к работе
Сделать такой осветительный прибор своими руками вы можете любой конструкции. Но лучше выбрать вариант со съемной верхней крышкой, чем отдать предпочтение монолитной конструкции. Так, в случае всего, проводить ремонт будет удобнее. Здесь процесс изготовления предполагает проведение следующих действий:
- делаем по периметру рамку. Ее лучше изготовить двухслойной. Верхний слой будет носить декоративный характер;
- сбираем электросистему лампы по схеме;
Схема сборки
убедитесь в том, что все контакты надежно изолированы
В ситуации с близким расположением воды это жизненно важно. Для этого на концы ламп следует надеть герметичные наконечники;
- прикрепляем всю электросхему к пластиковой крышке светильника;
- далее с помощью клея фиксируем на нижней стороне прибора прямоугольник из оргстекла;
- сверху надеваем пластиковую крышку, на которой установлены люминесцентные лампы. Крышка должна легко сниматься, чтобы можно было провести ремонт прибора.
Почти готовое изделие
Если крышка имеет черный цвет, то ее необходимо оклеить белой светоотражающей пленкой. Для белого пластика такие манипуляции не проводятся. В местах состыковки светильника с аквариумом необходимо пройтись герметиком, чтобы предотвратить проникновение внутрь осветительного прибора конденсата. Но перед нанесением герметика не забудьте обезжирить стекло.
Подключение ЭПРА
Подсоединение ЭПРА (электронного пускового механизма)
Дроссели являются довольно шумными устройствами. Поэтому их последние годы подключают в систему люминесцентного освещения нечасто, заменяя их ЭПРА, цифровыми или аналоговыми.
В стартере подобные устройства уже не нуждаются. По сути, электронные пусковые устройства – это небольшие электронные платы. Они сами способны регулировать уровень напряжения и обеспечивают ровный свет, без мерцания. Плюс они более безопасны и менее пожароопасны в эксплуатации и имеют больший срок службы.
Вариантов реализации ЭПРА может быть немало, но основных способов запуска два:
- источники предварительно разогревают; это помогает увеличить КПД прибора и снизить его мерцание
- с использованием колебательного контура; нить накала в этом случае является его частью; при прохождении разряда параметры контура меняются, в результате напряжение падает до требуемого уровня
Избавиться от надоедливого гудения и моргания можно, заменив старый дроссель на современный электронный пускорегулирующий механизм. Для этого следует:
- Разобрать старую схему, удалив из нее дроссель, стартер, а также конденсаты. Внутри должны остаться лишь источник света и провода
- Прикрепляем подобранный по мощности ЭПРА к корпусу саморезами. Если ламп две, то мощность электронного механизма должна быть выше в 2 раза
- Соединяем его проводами с гнездами ламп
- Если сборка произведена правильно, оба источника света должны засветиться одновременно, ровным ярким светом. Гудения, естественно, быть уже не должно.
Достоинства и недостатки люминесцентных источников света
Использование ламп для тепличного выращивания растений
ПЛЮСЫ:
- Первым значительным плюсом таких устройств является существенная экономия электроэнергии. Источники света последнего поколения, работающие по этому принципу, тратят ее в 4-5 раз меньше, чем обычные лампы накаливания.
- Кроме высокой светоотдачи, положительным моментом является длительный срок службы. Он может составлять 12-25 тыс. часов. Подобные устройства часто используют для контрастного освещения помещений большой площади (офисов, торговых центров, школ) или уличного освещения. Используют их на транспорте, в уличных фонарях, туннелях.
МИНУСЫ:
- Необходимость подключения дополнительных устройств (стартеров и дросселей)
- Доминирование в спектре желтого света и искажение цветопередачи освещаемых предметов
- Значительные габариты колбы, из-за чего становится сложно равномерно перераспределить поток света
- На силу света в таких источниках способна влиять температура окружающей среды
- Разогрев лампы происходит не сразу; полную яркость она набирает спустя некоторое время, иногда оно может длится 10-15 минут
- значительная пульсация света, что может сказаться отрицательно на зрении
- Наличие, пусть в минимальных количествах ртути, опасной для здоровья человека, растений и животных
Последними разработками ученых стали компактные люминесцентные источники освещения, внешне схожие с обычными лампами накаливания. Они снабжены стандартным патроном, и их можно легко вкрутить в любую люстру или торшер. Никакой модернизации при этом не требуется.
Вся пускорегулирующая аппаратура (ПРА) в них расположена в самом патроне или выносится отдельно в небольшие блоки. Подобные устройства часто называют энергосберегающими.
Сравнение параметров разных источников освещения
Но все же последние годы пользователи предпочитают подключать вместо люминесцентных ламп современные светодиодные. Принцип работы этих устройств существенно отличается. Люминесцентные колбы заполняются газом и парами ртути, и световое излучение образуется за счет разогревания вольфрамовой спирали. В светодиодных устройствах излучателем света является группа диодов или единичный светодиод. Именно он преобразует ток в световые лучи при протекании его через полупроводник.
Подобные устройства не только более прочны и менее опасны (повреждение люминесцентных же грозит попаданием в организм человека ртути). КПД светодиодных источников освещения гораздо больше, поэтому они более экономичны. Схема подключения люминесцентной или светодиодной лампы в обеих случаях максимально проста – достаточно лишь вкрутить ее патрон в цоколь.
Подробно о способах подключения люминесцентных ламп смотрите на следующем видео:
Как подключить лампу
Люминесцентную лампу можно подключить несколькими способами. Выбор зависит от условий эксплуатации и предпочтений пользователя.
Подключение с использованием электромагнитного балласта
Распространен метод подключения с использованием стартера и ЭмПРА. Питание в сети запускает стартер, который замыкает биметаллические электроды.
Ограничение тока в схеме осуществляется за счет внутреннего дроссельного сопротивления. Рабочий ток можно увеличить практически в три раза. Стремительный нагрев электродов и появление процесса самоиндукции вызывают зажигание.
Подключение при помощи ЭмПРА.
Сравнивая метод с другими схемами подключения ламп дневного света, можно сформулировать недостатки:
- значительный расход электроэнергии;
- длительный запуск, который может занимать 3 с;
- схема не способна функционировать в условиях пониженных температур;
- нежелательное стробоскопическое мигание, негативно влияющее на зрение;
- дроссельные пластинки по мере износа могут издавать гудение.
Схема включает один дроссель на две лампочки, для одноламповой системы метод не подойдет.
Две трубки и два дросселя
В данном случае реализуется последовательное подключение нагрузок с подачей фазы на вход сопротивления.
Выход через фазу соединяется с контактом осветительного прибора. Второй контакт направляется на нужный вход стартера.
Схема с двумя трубками и двумя дросселями.
От стартера контакт идет к лампе, а свободный полюс — к нулю схемы. Так же подключается второй светильник. Подсоединяется дроссель, после чего монтируется колба.
Схема подключения двух ламп от одного дросселя
Для подсоединения двух осветительных приборов от одного стабилизатора потребуется два стартера. Схема экономная, поскольку дроссель это наиболее дорогой компонент системы. Схема показана на рисунке ниже.
Схема подключения двух светильников от одного дросселя.
Электронный балласт
Электронный балласт представляет собой современный аналог традиционного электромагнитного стабилизатора. Он значительно улучшает пуск схемы и делает использование осветительного прибора более комфортным.
Такие аппараты не гудят во время работы и потребляют значительно меньше электроэнергии. Мерцаний не появляется даже при низких частотах напряжения.
Подключение с помощью электронного балласта.
Обмотки трансформатора в данном случае включаются противофазно, а генератор нагружается высокочастотным напряжением. При подаче резонансного напряжения внутри колбы происходит пробой газовой среды, который порождает необходимое свечение.
Сразу после розжига сопротивление и подаваемое на нагрузку напряжение падают. Запуск при помощи схемы обычно занимает не более секунды. Причем можно легко использовать источники освещения без стартера.
Использование умножителей напряжения
Использование умножителей напряжения.
Метод помогает использовать люминесцентную лампу без электромагнитной балансировки. В ряде случаев он наиболее эффективен и продлевает срок службы аппарата. Даже перегоревшие приборы способны проработать некоторое время при мощностях, не превышающих 40 Вт.
Схема выпрямления дает значительное ускорение и возможность увеличить напряжение в два раза. Для его стабилизации используются конденсаторы.
Тематическое видео: Подробно про умножитель напряжения
Важно помнить, что люминесцентные лампочки не предназначены для работы с постоянным током. С течением времени ртуть скапливается в определенном участке, что снижает яркость
Для восстановления показателя необходимо периодически менять полярность, переворачивая колбу. Можно установить переключатель, чтобы не разбирать прибор.
Подключение без стартера
Схема подключения без стартера.
Стартер увеличивает время разогрева прибора. Однако он недолговечен, поэтому пользователи задумываются о подключении освещения без него через вторичные трансформаторные обмотки.
В продаже можно найти аппараты с маркировкой RS, которая говорит о возможности подключения без стартера. Установка такого элемента в осветительный прибор помогает значительно сократить время зажигания.
Типы цоколей люминесцентных ламп
Цоколь – один из обязательных конструктивных элементов люминесцентной лампы. Он предназначен для ее механической фиксации в светильнике и подсоединения к контактам источника электроэнергии. Через цокольные контакты ток поступает на электроды.
Цоколи условно разделяют на две группы:
- Резьбовые (обозначаются буквой Е). Их вкручивают в патрон светильника по резьбе.
- Штырьковые (маркируются G). Они соединяются с патроном при помощи штырьков.
Линейные лампы оснащают штырьковыми цоколями, а компактные еще и резьбовыми контактами. В таблице ниже представлены типы резьбовых и штырьковых цоколей, которыми могут быть оснащены люминесцентные лампочки.
| Типы резьбовых цоколей (Эдисона) | Типы штырьковых цоколей |
| Е14 | 2D |
| Е27 | G13 |
| Е40 | G23 |
| G24 (G24Q1, G24Q2, G24Q3) | |
| G27 | |
| G53 |
Первая буква маркировки обозначает тип цоколя. Последующие цифры определяют диаметр резьбы (для Е) или расстояние между штырьками (у G) в миллиметрах. Например, цоколь G13 относится к типу штырьковых, расстояние между его штырьками равняется 13 мм. Он используется в линейных лампах диаметром Т4, Т5, Т8, Т10, Т12.
Штырьковые цоколи линейных моделей ламп
Иногда дополнительно после символа G могут быть буквы X, Y, Z, или U. Они определяют модификацию цоколя.
Разновидности цоколей люминесцентных ламп
Колбы с резьбовыми цоколями сейчас широко распространены. Ими заменяют лампы накаливания. В быту часто используют цоколи типа Е14 и Е27. Мощные лампочки оснащают Е40 и применяют на производстве, для освещения складов, улиц.
Разные модели светильников оснащают патронами под определенный тип цоколя. Покупая лампу нужно учитывать этот момент: данные элементы конструкции должны соответствовать друг другу. Иначе использовать лампочку не получится.
Схемы подключения
Прежде чем перейти к модернизации светильника с заменой люминесцентных ламп Т8 на светодиодные, сначала нужно как следует разобраться со схемами. Все люминесцентные светильники подключаются по одному из двух вариантов:
на базе ПРА, в составе которого дроссель, стартер и конденсатор (рис.1);
на базе электронного балласта (ЭПРА), который состоит из одного блока – высокочастотного преобразователя (рис.2).
Схема подключения светодиодной лампы Т8 не содержит никаких дополнительных элементов (Рис.3).
Поэтому прежде чем модифицировать светильник, нужно внимательно изучить схему подключения, приведенную на корпусе LED-лампы или в документации к ней.
Варианты подключений
Бездроссельное включение
Схема бездроссельного подключения ЛДС Чтобы ненадолго продлить работу сгоревшего светового прибора, существует вариант, при котором возможно подключение лампы дневного света без дросселя и стартера (схема подключения на рисунке). Он предусматривает использование умножителей напряжения.
Подача напряжения происходит после короткого замыкания нитей накаливания. Выпрямленное напряжение становится больше вдвое, чего вполне хватает для запуска лампы. С1 и С2 (на схеме) необходимо подобрать для 600 В, а С3 и С4 – под напряжение в 1 000 В. По прошествии некоторого времени пары ртути оседают в области одного из электродов, в результате чего свет от лампы становится менее ярким. Лечится это путем изменения полярности, т. е. необходимо просто развернуть реанимированную перегоревшую ЛЛ.
Подключение люминесцентных ламп без стартера
Задача этого элемента, обеспечивающего питание люминесцентных ламп – увеличение времени разогрева. Но долговечность стартера небольшая, он часто сгорает, а потому имеет смысл рассмотреть возможность того, как включить люминесцентную лампу без него. Для этого нужна установка вторичных трансформаторных обмоток.
Существуют ЛДС, которые изначально предусмотрены для подключения без стартера. На таких лампах имеется маркировка RS. При установке такого прибора в светильник, оборудованный этим элементом, лампа быстро горит. Происходит это по причине необходимости большего времени на разогрев спиралей таких ЛЛ. Если запомнить эту информацию, то уже не возникнет вопроса, как зажечь люминесцентный светильник, если произошло перегорание дросселя или стартера (схема соединения ниже).
Схема бесстартерного подключения ЛДС
Замена лампы
Как и другие источники света, люминесцентные приборы выходят из строя. Единственным выходом будет замена основного элемента.
Замена лампы дневного света.
Процесс замены на примере потолочного светильника Армстронг:
Осторожно разбирается светильник. С учетом указанных на корпусе стрелочек колба поворачивается по оси.
Повернув колбу на 90 градусов, можно опустить ее вниз
Контакты сместятся и выйдут через отверстия.
Новую колбу поместить в паз, следя за попаданием контактов в соответствующие отверстия. Установленную трубку повернуть в противоположную сторону. Фиксация сопровождается щелчком.
Включить осветительный прибор и проверить работоспособность.
Собрать корпус и установить рассеивающий плафон.
Если недавно установленная колба снова перегорела, имеет смысл проверить дроссель. Возможно, именно он подает на прибор слишком большое напряжение.
