Дуговая ртутная люминесце́нтная лампа низкого давления, в обиходе называемая просто люминесцентной лампой — газоразрядная лампа, выполненная в виде прямой или свëрнутой определëнным образом (например, в спираль) стеклянной трубки, в которой спектр излучаемого света складывается из свечения дугового разряда в смеси аргона и паров ртути при низком (около 300 Па) давлении и вторичного свечения люминофора, возбуждаемого ультрафиолетовой составляющей свечения разряда, равномерно нанесённого на внутреннюю часть колбы. Люминесцентные лампы широко использовались для освещения производственных помещений и общественных зданий в течение второй половины XX века, а в начале XXI века — также для освещения жилых помещений, когда стали массово производить компактные люминесцентные лампы, взаимозаменяемые с лампами накаливания (цоколи Е14, Е27). Согласно подписанной в 2013 году Минаматской конвенции люминесцентные лампы выводятся из обращения, а с 2020 года их производство, экспорт и импорт полностью запрещены. Вытеснены светодиодными лампами, более энергоэффективными и долговечными, не содержащими ртути.
История
Впервые свечение газов под воздействием электрического тока наблюдал Михаил Ломоносов, пропуская ток через заполненный водородом стеклянный шар. Считается, что первая газоразрядная лампа изобретена в 1856 году. Генрих Гейслер получил синее свечение от заполненной газом трубки, которая была возбуждена при помощи соленоида. 23 июня 1891 года Никола Тесла запатентовал систему электрического освещения газоразрядными лампами (патент № 454,622), которая состояла из источника высокого напряжения высокой частоты и газоразрядных аргоновых ламп, запатентованных им ранее (патент № 335,787 от 9 февраля 1886 года выдан United States Patent Office). В 1893 году на всемирной выставке в Чикаго, штат Иллинойс, Томас Эдисон продемонстрировал люминесцентное свечение. В 1894 году М. Ф. Моор создал лампу, в которой использовал смесь азота и углекислого газа, испускающую розово-белый свет. Эта лампа имела умеренный успех. В 1901 году продемонстрировал ртутную лампу, которая испускала свет сине-зелёного цвета и, таким образом, была непригодна в практических целях. Однако, её конструкция была очень близка к современной и имела намного более высокую эффективность, чем лампы Гейслера и Эдисона. В 1926 году и его сотрудники предложили увеличить операционное давление в пределах колбы и покрывать колбы флуоресцентным порошком, преобразующим ультрафиолетовый свет, испускаемый возбуждённой плазмой, в более однородный белый видимый свет. Э. Гермер в настоящее время признан изобретателем лампы дневного света. General Electric позже купила патент Гермера и под руководством Джорджа Э. Инмана довела лампы дневного света до широкого коммерческого использования к 1938 году.
Устройство
Люминесцентная лампа представляет собой запаянную стеклянную трубку, покрытую изнутри слоем люминофора. Трубка заполняется инертным газом давлением значительно ниже атмосферного — в несколько сотен паскалей. Также в трубку вводится небольшое количество ртути — чистой либо в виде амальгамы. На концах лампы располагаются подогреваемые электроды в виде вольфрамовых спиралей, покрытых составом, имеющим низкую работу выхода.
Буферный инертный газ является вспомогательным компонентом, так как основной разряд происходит в парах ртути. Буферный газ нужен для облегчения зажигания разряда, а также для уменьшения испарения катодов. На большей части длины лампы излучение происходит за счёт ионизации паров ртути, буферный газ вносит вклад в спектр излучения в основном в приэлектродных областях. В качестве буферного газа может использоваться аргон под давлением 300 паскалей.
Перед зажиганием лампы электроды должны быть разогреты, что необходимо как для облегчения эмиссии электронов, так и для испарения ртути. В процессе работы температура электродов поддерживается на значении около 1000 °C за счёт саморазогрева под действием разряда. Для зажигания разряда может потребоваться импульс напряжением в несколько сотен вольт. В установившемся режиме падение напряжения, в зависимости от мощности и конструкции лампы, а также условий эксплуатации, может составлять от нескольких десятков до сотни вольт.
Большая часть (около 70 %) излучения разряда в парах ртути приходится на линию 253,7 нм, некоторая часть — на 184,9 и не более 3-4 % — на видимый свет. Чтобы обеспечить достаточный КПД лампы, а также равномерный спектр излучения, ультрафиолетовый свет паров ртути преобразуется в видимый с помощью люминофора. Люминофоры
От люминофора зависит спектр излучения лампы, её КПД, а также в некоторой степени — пульсации. На эти параметры влияет не только состав люминофора, но также толщина его слоя, величина фракции. Также КПД снижается по мере износа люминофора за счёт появления в нём посторонних примесей. Основные виды люминофоров, применяемых в люминесцентных лампах: Галофосфат кальция, активированный сурьмой и марганцем — люминофор среднего уровня. Имеет достаточно высокий КПД и длительное послесвечение, но его излучение состоит из двух достаточно широких линий марганца (580-590 нм) и сурьмы (широкая полоса с максимумом около 480 нм). Такие лампы имеют невысокий Ra с недостатком в красной (610−660), сине-голубой (440−460 и 460−510 нм) и некоторый избыток в сине-фиолетовой (420−440) и жёлто-зелёной (560−610) областях, а потому не рекомендуются там, где требуется высокое качество цветопередачи.
Многокомпонентные люминофоры имеют более низкий КПД и короткое послесвечение — последнее приводит к повышенным пульсациям света при включении в сеть промышленной частоты, которые могут превышать 70 %. Однако они позволяют достичь более равномерного спектра излучения и высокого Ra. Такие люминофоры включают в себя фторогерманат натрия, активированный марганцем и ортофосфатом магния (до 656 нм); стронций, активированный оловом (до 630); ортофосфат кальция и цинка, активированный оловом (до 605 нм); силикат цинка, активированный марганцем (до 525 нм); галофосфат кальция, активированный только сурьмой, без марганца, либо пирофосфат бария, активированный титаном (оба ≈480 нм). Качество цветопередачи определяется соотношением разных люминофоров с учётом также собственного излучения ртути в видимом диапазоне. Узкополосные люминофоры применяются в цветных лампах, а также в лампах, требующих высокой светоотдачи. Из-за неравномерного заполнения спектра такие лампы могут быть неприемлемы, если требуется хорошее различение цветовых оттенков. Для ламп общего освещения применялись так называемые трёхполосные люминофоры, излучение которых сосредоточено в синей (алюминат бария и магния, активированный европием — 450 нм), зелёной (алюминат магния, активированный церием и тербием — 543 нм) и красной (оксид иттрия, активированный европием — 611 нм) областях. В цветных лампах могли применяться и другие люминофоры. Для получения «ближнего» ультрафиолета (350−370 нм) может использоваться специальный люминофор на основе дисиликата бария, активированного свинцом (BaSiO5:Pb) или европием. Для того, чтобы отсечь видимый свет, может использоваться колба из стекла Вуда, такие лампы также называют «лампами чёрного света». Такие лампы применяются для возбуждения люминесцентных красок или поиска органических веществ, светящихся в ультрафиолете. В медицине также применяются эритемные лампы с пиком излучения в 300−310 нм. В них используется фосфат кальция и цинка, активированный таллием, или фосфат кальция, цинка, магния, активированный таллием, а также силикат бария, цинка, активированный свинцом.
Форм-факторы
Самая простая разновидность ЛЛ — линейные. Такие лампы обозначались буквой T (от англ. Tube) и числом (диаметр в 8-х долях дюйма). Наиболее распространённый цоколь у этих ламп — G13, лампы T4 оснащались цоколем G5. Кроме линейных, существовали также кольцевые, U-образные и фигурные лампы.
От диаметра трубки люминесцентной лампы зависит энергоэффективность: более тонкая трубка даёт больше света при одинаковой длине и подводимой мощности. Однако с уменьшением диаметра трубки растёт износ люминофора, из-за большей облучаемости ультрафиолетом, более интенсивной бомбардировки заряженными частицами и более высокой рабочей температуры. Изначально стандартом были лампы диаметром 38мм (T12). По мере усовершенствования технологий производства люминофора всё более целесообразно было уменьшать диаметр трубки сначала до 31 (T10), а потом и до 26 мм (T8). Для того, чтобы снизить потребление электроэнергии при использовании существующих светильников, в лампах стандарта T8 газовая смесь подбиралась так, чтобы увеличить напряжение перезажигания при сохранении всех остальных характеристик — рабочего падения напряжения, рабочего тока и светового потока, однако при этом за счёт более позднего перезажигания снижался коэффициент мощности — на 10%, в результате чего на эту же величину уменьшается потребляемая мощность, но также и повышаются пульсации светового потока. Таким образом, в светильнике для лампы T12 мощностью 40 ватт в большинстве случаев без какой-либо переделки можно использовать лампу T8 мощностью 36 ватт. Исключение составляют некоторые бесстартерные схемы, в которых зажигание происходит при напряжении сети.
Компактные люминесцентные лампы
Недостаток линейных ламп — большие габариты светильников на их основе. С появлением более стабильных люминофоров, способных работать при высоких плотностях облучения, стали разрабатываться компактные люминесцентные лампы. Такие лампы имели уменьшенный диаметр трубки, при этом сама трубка плотно укладывалась в небольшой объём. Типичные формы трубок: Н-образные, U-образные, спиральные, зигзагообразные и т. д. Большое распространение с 1990-х годов получили лампы, содержащие встроенное пускорегулирующее устройство и оснащённые винтовым цоколем, что позволяло использовать их в светильниках, предназначенных для ламп накаливания.
Принцип работы
Источником первичного светового излучения в люминесцентной лампе является свечение положительного столба дугового разряда в парах ртути при низком давлении. В исправной лампе и установившемся режиме работы светятся практически исключительно пары ртути, так как они имеют небольшой потенциал возбуждения, за исключением свечения прикатодных областей, где за счёт наличия быстрых электронов происходит ионизация инертных газов. Другие виды разряда могут возникнуть в момент запуска, в случае неисправности лампы или пускорегулирующего устройства. Работа лампы в режиме тлеющего разряда может привести к распылению катодов, быстрой потере эмиссии и выходу лампы из строя и увеличенному падению напряжения в прикатодной области, которая может достичь, в зависимости от материала катода, десятков или сотен вольт.
Для поддержания дугового разряда необходима постоянная термоэлектронная эмиссия, для возникновения которой электроды должны быть нагреты до температуры около 1000 °C. В момент запуска нагрев происходит за счёт пропускания электрического тока через спирали. После возникновения разряда нагрев катодов продолжается за счёт бомбардировки ионами газа на небольшом участке, называемом катодным пятном, благодаря чему после запуска лампы при работе её в штатном режиме необходимость в дополнительном прогреве катодов отпадает.
Включение в сеть В отличие от лампы накаливания, люминесцентные лампы, как и большинство ламп дугового разряда, не могут быть включены в сеть переменного или постоянного тока напрямую. Рабочее напряжение большинства люминесцентных ламп ниже сетевого и непостоянно, а вольт-амперная характеристика электрической дуги имеет отрицательное дифференциальное сопротивление, кроме того, она зависит от температуры разряда и других внешних факторов, что не позволяет питать лампу от источника с низким внутренним сопротивлением. Поэтому последовательно с лампой требуется включить элемент, удерживающий ток лампы в определённых пределах — так называемый балласт.