Конструктивные особенности люминесцентных ламп

Исследования разрядов в атмосфере ртути при разных давлениях выявили две области давлений, при которых разряд целесообразно использовать для целей электрического освещения:

– область низких давлений паров (0,8…1,33 Па, т.е. около 0,01 мм рт. ст.);

– область высоких давлений паров (10⁵…10⁶ Па).

Если вторая область используется при работе ламп ДРЛ, то первая – в люминесцентных лампах.

Ртутный разряд при низком давлении содержит примерно 63,7 % излучений в ультрафиолетовой области спектра (основная доля – 55 % приходится на длину волны 253,7 нм, а остальная доля – на 184,9 нм), 34,5 % – это тепловые потери и только 1,8 % излучений приходится на видимую область спектра.

По этой причине возникает задача преобразования ультрафиолетовых излучений в видимые. Задача была решена С.И. Вавиловым за счёт использования люминесценции.

Люминесценция – явление свечения отдельных тел под воздействием процессов, не связанных с нагревом. Существует несколько видов люминесценции, например: триболюминесценция – под воздействием трения; хемилюминесценция – под влиянием химических реакций и др. В РЛ используется фотолюминесценция – свечение люминофоров под воздействием ультрафиолетового облучения.

Люминофоры – вещества, способные преобразовывать поглощаемую ими энергию в видимые излучения. Каждый люминофор характеризуется:

– спектром поглощения;

– спектром испускания, который является сплошным.

Спектр поглощения и его максимум всегда лежат в области более коротких волн, чем спектр испускания и его максимум. Чем ближе расположены эти спектры, тем экономичнее ЛЛ.

В ЛЛ используются различные люминофоры, из которых самым распространённым вследствие меньшей стоимости является галофосфат кальция (ГФК), активированный сурьмой и марганцем. Благодаря люминофору, на долю видимого излучения ЛЛ приходится до 23%. Меняя состав люминофора, можно изменить спектр излучения ЛЛ, в том числе добиться излучений, близких к естественному свету. Для этих целей в ЛЛ с улучшенной цветопередачей применяют трёх- и пятислойные люминофоры.

Люминофор наносится на внутреннюю поверхность колбы (рис. 35). Стекло колбы не пропускает ультрафиолетовое излучение в окружающую среду, предохраняя зрение наблюдателей. Колба ламп, предназначенных для медицинских целей (бактерицидных, ультрафиолетовых), выполняется из кварцевого или увиолевого стекла, пропускающего ультрафиолетовое излучение. В связи с тем, что разряд в атмосфере ртути при низких давлениях имеет относительно малый градиент потенциала, т.е. падение напряжения на единицу длины разрядного столба (от 500 до 2000 В/м), а для возникновения разряда необходимо иметь доста­точ­но большое напряжение, разрядная трубка ЛЛ должна быть весьма про­тя­жён­ной.

Внутрь колбы ЛЛ вводится дозированное количество ртути так, чтобы давление её паров в рабочем режиме составляло 0,8…1,33 Па. Для обеспечения термостойкости люминофора в трубку добавляется ещё и аргон под давлением около 4 мм рт. ст. Так как давление паров очень мало, то даже небольшие колебания температуры окружающей среды приводят к тому, что в самом холодном месте разрядной трубки ртуть конденсируется, и её давление меняется. Это приводит к выходу разряда из режима, оптимального с позиций получения видимых излучений, и световой поток ЛЛ резко уменьшается. Поэтому для ЛЛ, использующих ртуть, оптимальной считается температура окружающей среды 18…25 °С, что соответствует оптимальной температуре стенок колбы – 40…45 °С. Чтобы поднять допустимую температуру окружающей среды до 60 °С в настоящее время вместо чистой ртути стали применять амальгамы (сплавы с ртутью) индия, скандия и других элементов.

Напряжение зажигания U_З – то минимальное напряжение, при котором в лампе возникает электрический разряд, является важнейшей характеристикой РЛ. У ЛЛ напряжение зажигания значительно превосходит напряжение сети.

На напряжение зажигания влияют:

1) род и давление газа в разрядной трубке;

2) материал электродов, который должен быть таким, чтобы работа выхода электрона была минимальной. С этой целью спиральные вольфрамовые электроды покрывают оксидной пленкой (плёнкой карбонатов или перекисей щелочно-земельных металлов – бария, стронция). В процессе эксплуатации ЛЛ эта плёнка разрушается, и в конечном счёте ЛЛ теряет эмиссию;

3) температура электродов в момент зажигания – чем она выше, тем сильнее термоэлектронная эмиссия, и тем проще зажечь разряд в ЛЛ;

4) расстояние между электродами – чем длиннее трубка, тем выше напряжение зажигания. В ЛЛ это расстояние может превышать 1 м. Поэтому разряд между столь удалёнными электродами сразу возникнуть не может. В ЛЛ используют специальные приёмы «приближения» электродов (рис. 36).

Во-первых, электроды 1 снабжаются усами 2, между которыми и возникает первичный разряд. Потом этот разряд переходит в разряд между электродом и трубкой и, наконец, после распространения ионизации вдоль всей трубки – в разряд (сначала тлеющий, а потом дуговой) между противоположными электродами.

Во-вторых, используют лампы быстрого зажигания (ЛБЭ). На внешнюю поверхность колбы таких ЛЛ наносится токопроводящая плёнка, соединённая с противоположным электродом через токоограничивающее сопротивление;

5) диаметр разрядной трубки – в узких трубках напряжение зажигания выше.