Флюоресцентная лампа - Fluorescent lamp

"Tubelight" перенаправляется сюда. Для использования в других целях см. Tubelight (значения).
Размеры и обозначения ламп см. Форматы люминесцентных ламп.
Линейные люминесцентные лампы для освещения пешеходного тоннеля
Сверху: два компактные люминесцентные лампы без встроенного балласта. Внизу: две люминесцентные лампы. Спичка слева показана для масштабирования.
Компактная люминесцентная лампа с Электронный балласт
Типичная двухконтактная лампа F71T12 мощностью 100 Вт, используемая в соляриях. Символ (Hg) указывает на то, что эта лампа содержит Меркурий. В США этот символ теперь требуется на всех ртутьсодержащих люминесцентных лампах.[1]
Единый тип патрона для двухштырьковых люминесцентных ламп T12 и T8
Внутри торца двухштырьковой лампы предварительного нагрева. В этой лампе нить накала окружена продолговатым металлическим катод экран, который помогает уменьшить потемнение концов лампы.[2]

А флюоресцентная лампа, или же флуоресцентная лампа, представляет собой газоразрядную лампу низкого давления на парах ртути, в которой используется флуоресценция производить видимый свет. Электрический ток в газе возбуждает пары ртути, которые производят коротковолновый ультрафиолетовый свет, который затем вызывает свечение люминофорного покрытия внутри лампы. Люминесцентная лампа преобразует электрическую энергию в полезный свет намного эффективнее, чем лампы накаливания. Типичная световая отдача люминесцентных систем освещения составляет 50–100 люмен на ватт, что в несколько раз превышает эффективность ламп накаливания с сопоставимой светоотдачей.

Светильники люминесцентных ламп дороже, чем лампы накаливания, потому что они требуют балласт регулировать Текущий через лампу, но более низкая стоимость энергии обычно компенсирует более высокую начальную стоимость. Компактные люминесцентные лампы теперь доступны в тех же популярных размерах, что и лампы накаливания, и используются в качестве сохранение энергии альтернатива в домах.

Поскольку они содержат ртуть, многие люминесцентные лампы классифицируются как опасные отходы. В Агентство по охране окружающей среды США рекомендует отделять люминесцентные лампы от обычных отходов для переработка отходов или безопасная утилизация, а в некоторых юрисдикциях требуется их переработка.[3]

История

Физические открытия

Флуоресценция некоторых горных пород и других веществ наблюдалась за сотни лет до того, как стала понятна ее природа. К середине XIX века экспериментаторы наблюдали лучистое свечение, исходящее от частично вакуумированных стеклянных сосудов, через которые проходил электрический ток прошедший. Одним из первых это объяснил ирландский ученый. Сэр Джордж Стоукс от Кембриджский университет в 1852 году, назвавший явление «флуоресценцией» в честь флюорит, минерал, многие образцы которого сильно светятся из-за примесей. Объяснение основывалось на природе явления электричества и света, разработанном британскими учеными. Майкл Фарадей в 1840-х и Джеймс Клерк Максвелл в 1860-х гг.[4]

Немногое было сделано с этим явлением до 1856 года, когда немецкий стеклодув Генрих Гайсслер создал ртутный вакуумный насос который вакуумировал стеклянную трубку до такой степени, которая ранее была невозможна. Гайсслер изобрел первую газоразрядную лампу, Трубка Гейсслера, состоящий из частично вакуумированной стеклянной трубки с металлическим электрод с обоих концов. Когда между электродами было приложено высокое напряжение, внутренняя часть трубки загоралась тлеющий разряд. Помещая внутрь разные химические вещества, можно было сделать трубки разных цветов, а сложные трубки Гейслера продавались для развлечения. Однако более важным был его вклад в научные исследования. Одним из первых ученых, которые экспериментировали с трубкой Гейслера, был Юлиус Плюкер который в 1858 году систематически описал люминесцентные эффекты, происходящие в лампе Гейсслера. Он также сделал важное наблюдение: свечение в трубке меняет положение, когда она находится вблизи электромагнитное поле. Александр Эдмон Беккерель В 1859 году заметил, что некоторые вещества излучают свет, когда их помещают в трубку Гейсслера. Он продолжил наносить тонкие покрытия из люминесцентных материалов на поверхности этих трубок. Произошла флуоресценция, но трубки были очень неэффективными и имели короткий срок службы.[5]

Запросы, которые начались с трубки Гейсслера, продолжались, так как были созданы еще лучшие пылесосы. Самым известным из них была вакуумная трубка, которую использовал для научных исследований Уильям Крукс. Эта трубка была откачана высокоэффективной ртутью. вакуумный насос сделано Герман Шпренгель. Исследования, проведенные Круксом и другими, в конечном итоге привели к открытию электрон в 1897 г. Дж. Дж. Томсон и Рентгеновские лучи в 1895 г. Вильгельм Рентген. Но Трубка Крукса, как стало известно, давал мало света, потому что в нем был слишком хороший вакуум и, следовательно, не хватало следовых количеств газа, которые необходимы для электрически стимулированного свечение.

Ранние газоразрядные лампы

Один из первых ртутные лампы изобретен Питер Купер Хьюитт, 1903. Он был похож на люминесцентную лампу без люминесцентного покрытия на трубке и давал зеленоватый свет. Круглое устройство под лампой - это балласт.

Томас Эдисон вкратце изучил коммерческий потенциал люминесцентного освещения. В 1896 году он изобрел люминесцентную лампу с покрытием из кальций вольфрамат как флуоресцентное вещество, возбуждаемый Рентгеновские лучи, но хотя он получил патент в 1907 году,[6] в производство не пущена. Как и в случае с некоторыми другими попытками использовать трубки Гейсслера для освещения, у него был короткий срок службы, и, учитывая успех лампы накаливания, у Эдисона не было особых причин для поиска альтернативных средств электрического освещения. Никола Тесла провела аналогичные эксперименты в 1890-х годах, разработав высокочастотные люминесцентные лампы, дающие яркий зеленоватый свет, но, как и в случае с устройствами Эдисона, коммерческого успеха достичь не удалось.

Один из бывших сотрудников Эдисона создал газоразрядную лампу, добившуюся определенного коммерческого успеха. В 1895 г. Дэниел Макфарлан Мур продемонстрированные лампы длиной от 2 до 3 метров (от 6,6 до 9,8 футов), которые использовались углекислый газ или же азот излучать белый или розовый свет соответственно. Они были значительно сложнее лампы накаливания и требовали как источника питания высокого напряжения, так и системы регулирования давления наполняющего газа.[7]

Питер Купер Хьюитт

Мур изобрел клапан с электромагнитным управлением, 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 более эффективной, чем лампы накаливания, и давала 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] Его успех способствовал General Electric Мотивация улучшить лампу накаливания, особенно ее нить. Усилия GE увенчались изобретением вольфрам нить на основе. Увеличенный срок службы и повышенная 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 поддерживали их, должны были иметь значительную ценность, когда фирма занялась люминесцентным освещением. более двух десятилетий спустя.

Примерно в то же время, когда Мур разрабатывал свою систему освещения, Питер Купер Хьюитт изобрел ртутная лампа, запатентовано в 1901 г. (США 682692 ). Лампа Хьюитта загоралась, когда электрический ток пропускался через пары ртути под низким давлением. В отличие от ламп Мура, лампы Хьюитта производились стандартных размеров и работали при низких напряжениях. Лампа на парах ртути превосходила лампы накаливания того времени с точки зрения энергоэффективности, но излучаемый ею сине-зеленый свет ограничивал возможности ее применения. Однако он использовался для фотографии и некоторых промышленных процессов.

Лампы на ртутных парах продолжали развиваться медленными темпами, особенно в Европе, и к началу 1930-х годов они получили ограниченное применение для крупномасштабного освещения. В некоторых из них использовались флуоресцентные покрытия, но они использовались в основном для коррекции цвета, а не для увеличения светоотдачи. Лампы на ртутных парах также предвосхитили люминесцентные лампы с их балластом для поддержания постоянного тока.

Купер-Хьюитт не был первым, кто использовал пары ртути для освещения, поскольку ранее усилия были предприняты Уэй, Рапифф, Аронс, Бастиан и Солсбери. Особое значение имела ртутная лампа, изобретенная Кюхом и Речински в Германия. В лампе использовалась колба меньшего диаметра и больший ток, работающий при более высоких давлениях. Вследствие тока лампа работала при более высокой температуре, что потребовало использования кварцевой лампы. Хотя ее светоотдача по сравнению с потреблением электроэнергии была лучше, чем у других источников света, излучаемый ею свет был подобен свету лампы Купера-Хьюитта в том, что в ней отсутствовала красная часть спектра, что делало ее непригодной для обычного освещения. Из-за трудностей с приваркой электродов к кварцу лампа имела очень короткий срок службы.[10]

Неоновые лампы

Основная статья: Неоновое освещение

Следующий шаг в области газового освещения позволил использовать люминесцентные свойства неон, инертный газ, который был открыт в 1898 году путем изоляции от атмосферы. При использовании в лампах Гейслера неон светился ярко-красным светом.[11] К 1910 г. Жорж Клод француз, разработавший технологию и успешный бизнес по сжижению воздуха, получал достаточно неона в качестве побочного продукта для поддержки индустрии неонового освещения.[12][13] В то время как неоновое освещение использовалось примерно в 1930 году во Франции для общего освещения, оно было не более энергоэффективным, чем обычное освещение лампами накаливания. Освещение с неоновой трубкой, которое также включает использование паров аргона и ртути в качестве альтернативных газов, стало использоваться в основном для привлекательных вывесок и рекламы. Однако неоновое освещение имело отношение к развитию люминесцентного освещения, поскольку усовершенствованный электрод Клода (запатентованный в 1915 году) преодолел «разбрызгивание», основной источник деградации электрода. Распыление происходит, когда ионизированные частицы ударяются об электрод и отрывают кусочки металла. Хотя изобретение Клода требовало электроды с большой площадью поверхности, он показал, что можно преодолеть серьезное препятствие для газового освещения.

Развитие неонового света также имело значение для последнего ключевого элемента люминесцентной лампы - ее флуоресцентного покрытия.[14] В 1926 году Жак Рислер получил французский патент на применение флуоресцентных покрытий на неоновых лампах.[15] Эти лампы, которые можно считать первыми коммерчески успешными люминесцентными лампами, использовались в основном для рекламы, а не для общего освещения. Однако это было не первое использование флуоресцентных покрытий; Беккерель ранее использовал эту идею, а Эдисон использовал вольфрамат кальция для своей неудачной лампы.[16][17][18] Были предприняты другие попытки, но все они сопровождались низкой эффективностью и различными техническими проблемами. Особое значение имело изобретение в 1927 году Фридрихом Мейером, Гансом-Иоахимом Шпаннером и Фридрихом Мейером низковольтной «лампы на парах металла». Эдмунд Гермер, которые были сотрудниками немецкой фирмы в Берлин. Немецкий патент был выдан, но в серийное производство лампа так и не пошла.

Коммерциализация люминесцентных ламп

Все основные функции люминесцентного освещения были сохранены в конце 1920-х годов. Десятилетия изобретений и разработок обеспечили ключевые компоненты люминесцентных ламп: экономичные стеклянные трубки, инертные газы для заполнения трубок, электрические балласты, долговечные электроды, пары ртути как источник люминесценции, эффективные средства создания надежного электрического разряда. , и флуоресцентные покрытия, которые могут быть возбуждены ультрафиолетовым светом. В этот момент интенсивные разработки были важнее фундаментальных исследований.

В 1934 г. 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 имеет отношения к General Electric в США). Вдохновленная этим отчетом и со всеми доступными ключевыми элементами, группа под руководством Джорджа Э. Инмана в 1934 году построила прототип люминесцентной лампы в г. General Electric С Нела Парк (Огайо) инженерная лаборатория. Это было нетривиальным занятием; как отметил Артур А. Брайт, «пришлось провести множество экспериментов с размерами и формой ламп, конструкцией катода, давлением газа аргона и паров ртути, цветами флуоресцентных порошков, методами их прикрепления к внутренней части лампы. трубку и другие детали лампы и ее вспомогательных устройств до того, как новое устройство было готово для публики ».[19]

В дополнение к наличию инженеров и техников, а также помещений для НИОКР по люминесцентным лампам, General Electric контролировала то, что она считала ключевыми патентами, касающимися флуоресцентного освещения, включая патенты, первоначально выданные Hewitt, Moore и Küch. Более важным, чем это, был патент на электрод которые не распадались 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, которое было выдано в 1931 году.[20] General Electric использовала свой контроль над патентами, чтобы предотвратить конкуренцию со своими лампами накаливания, и, вероятно, отложила внедрение люминесцентного освещения на 20 лет. В конце концов, военное производство потребовало круглосуточных фабрик с экономичным освещением и люминесцентными лампами.

Хотя патент Hull дал GE основание для требования законный права на люминесцентную лампу, через несколько месяцев после того, как лампа была запущена в производство, фирма узнала о заявке на патент США, поданной в 1927 году на вышеупомянутую «лампу на парах металла», изобретенную в Германии Мейером, Шпаннером и Гермером. В заявке на патент указывалось, что лампа была создана как превосходное средство для получения ультрафиолетового света, но в заявке также содержалось несколько утверждений, относящихся к флуоресцентному освещению. Попытки получить патент в США натолкнулись на многочисленные задержки, но если бы он был выдан, патент мог бы вызвать серьезные трудности для GE. Сначала GE стремилась заблокировать выдачу патента, требуя, чтобы приоритет был отдан 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 заявку на патент в 1936 году на имя Инмана, чтобы охватить «улучшения», внесенные его группой. В 1939 году GE решила, что в заявлении Мейера, Спаннера и Гермера есть основания и что в любом случае длительная процедура вмешательства не в их интересах. Поэтому они отказались от иска Buttolph и заплатили 180 000 долларов за приобретение Meyer et al. заявка, которая на тот момент принадлежала фирме, известной как Electrons, Inc. Патент был должным образом выдан в декабре 1939 года.[21] Этот патент, наряду с патентом Халла, поставил GE на то, что казалось твердым юридическим основанием, хотя она столкнулась с годами юридических проблем со стороны Продукция Sylvania Electric, Inc., которая потребовала нарушение о патентах, которыми он владел.

Несмотря на то, что проблема с патентами не была полностью решена в течение многих лет, сильные стороны General Electric в области производства и маркетинга позволили компании занять лидирующее положение на развивающемся рынке люминесцентных ламп. Продажа «люминесцентных люмилиновых ламп» началась в 1938 году, когда на рынок были выпущены лампы четырех разных размеров. Они использовались в светильниках трех ведущих корпораций: Lightolier, Корпорация по флуоресцентному освещению Artcraft, и глобус освещения. Публичное представление люминесцентного балласта Slimline в 1946 году было произведено Westinghouse и General Electric, а светильники для витрин и витрин были представлены Корпорация флуоресцентного освещения Artcraft в 1946 г.[22][23] В течение следующего года GE и Westinghouse рекламировали новые огни на выставках в Всемирная выставка в Нью-Йорке и Международная выставка Golden Gate в Сан-Франциско. Флуоресцентные системы освещения быстро распространились во время Второй мировой войны, поскольку военное производство увеличило спрос на освещение. К 1951 году в Соединенных Штатах люминесцентные лампы производили больше света, чем лампы накаливания.[24]

В первые годы ортосиликат цинка с различным содержанием бериллий использовался как зеленоватый люминофор. Небольшие добавки вольфрамата магния улучшили синюю часть спектра, получив приемлемый белый цвет. После того, как было обнаружено, что бериллий был токсичным, фосфор на основе галофосфата взял верх.[25]

Принцип работы

Основным механизмом преобразования электрической энергии в свет является излучение фотон когда электрон в атоме ртути падает из возбужденного состояния в более низкое уровень энергии. Электроны, протекающие в дуге, сталкиваются с атомами ртути. Если у налетающего электрона достаточно кинетическая энергия, он передает энергию внешнему электрону атома, заставляя этот электрон временно подпрыгивать на более высокий энергетический уровень, который не является стабильным. Атом будет излучать ультрафиолет фотон когда электрон атома возвращается на более низкий, более стабильный энергетический уровень. Большинство фотонов, испускаемых атомами ртути, имеют длины волн в ультрафиолетовый (УФ) область спектра, преимущественно на длинах волн 253,7 и 185 нанометры (нм). Они не видны человеческому глазу, поэтому ультрафиолетовая энергия преобразуется в видимый свет флуоресценция внутреннего люминофорного покрытия. Разница в энергии между поглощенным ультрафиолетовым фотоном и испускаемым фотоном видимого света идет на нагрев покрытия люминофора.

Электрический ток течет по трубке в условиях низкого давления. дуговая разрядка. Электроны сталкиваются и ионизируются благородный газ атомы внутри колбы, окружающей нить, образуют плазма в процессе ударная ионизация. В результате лавинная ионизация проводимость ионизированного газа быстро возрастает, позволяя протекать через лампу более высоким токам.

Заполняющий газ помогает определить электрические характеристики лампы, но сам по себе не излучает свет. Наполняющий газ эффективно увеличивает расстояние, на которое электроны проходят через трубку, что дает электрону больше шансов на взаимодействие 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 наполняющими газами, такими как криптон.[26]

Строительство

Катоды катода крупным планом. бактерицидная лампа (по существу аналогичная конструкция, в которой не используется люминофор, что позволяет электроды чтобы увидеть)

Трубка люминесцентной лампы заполнена смесью аргон, ксенон, неон, или же криптон, и пары 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 долей атмосферного давления) в 40-ваттной лампе T12.[28] Внутренняя поверхность лампы покрыта флуоресцентный покрытие из различных смесей металлических и редкоземельный люминофор соли. Электроды лампы обычно изготавливаются из спиральных вольфрам и покрыты смесью оксидов бария, стронция и кальция для улучшения термоэлектронная эмиссия.

А бактерицидная лампа использует ртутный тлеющий разряд низкого давления, идентичный люминесцентной лампе, но без покрытия плавленый кварц оболочка пропускает ультрафиолетовое излучение.

Трубки люминесцентных ламп часто бывают прямыми и имеют длину от около 100 миллиметров (3,9 дюйма) для миниатюрных ламп до 2,43 метра (8,0 футов) для ламп высокой мощности. У некоторых ламп трубка изогнута в круг, что используется для настольных ламп или в других местах, где требуется более компактный источник света. П-образные лампы большего размера используются для обеспечения того же количества света в более компактных помещениях и используются в особых архитектурных целях. Компактные люминесцентные лампы иметь несколько трубок малого диаметра, соединенных в пучок из двух, четырех или шести, или трубку малого диаметра, свернутую в спираль, чтобы обеспечить большое количество светового потока в небольшом объеме.

Светоизлучающие люминофоры наносятся на внутреннюю часть трубки в виде лакокрасочного покрытия. Органическим растворителям дают испариться, затем трубку нагревают почти до температуры плавления стекла, чтобы удалить оставшиеся органические соединения и сплавить покрытие с трубкой лампы. Необходим тщательный контроль размера зерна подвешенных люминофоров; большие зерна приводят к слабому покрытию, а мелкие частицы приводят к плохому обслуживанию и эффективности освещения. Большинство люминофоров лучше всего работают с размером частиц около 10 микрометров. Покрытие должно быть достаточно толстым, чтобы улавливать 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 небольшими количествами металлов, добавленных в качестве активаторов. Позже были обнаружены другие соединения, позволяющие изготавливать лампы разных цветов.[29]

Балласты

Различные балласты для люминесцентных и газоразрядных ламп

Люминесцентные лампы бывают отрицательное дифференциальное сопротивление устройств, поэтому по мере прохождения через них большего тока электрическое сопротивление люминесцентной лампы падает, позволяя протекать еще большему току. Подключен напрямую к источник питания постоянного напряжения, люминесцентная лампа может быстро самоуничтожиться из-за неконтролируемого протекания тока. Чтобы предотвратить это, люминесцентные лампы должны использовать балласт регулировать ток через лампу.

Напряжение на клеммах операционной лампы варьируется в зависимости от дуга ток, диаметр трубки, температура и наполняющий газ. Служба общего освещения 48 дюймов (1219 мм) T12[30] лампа работает при 430 мА, при падении напряжения 100 В. Лампы с высокой выходной мощностью работают при 800 мА, а некоторые типы - до 1,5 А. Уровень мощности варьируется от 33 до 82 Вт на метр длины трубки (от 10 до 25 Вт / фут) для ламп T12.[31]

Самый простой балласт для переменный ток (AC) использование индуктор размещены последовательно, состоящие из обмотки на многослойном магнитопроводе. В индуктивность этой обмотки ограничивает прохождение переменного тока. Этот тип до сих пор используется, например, в настольных лампах с питанием от 120 вольт, использующих относительно короткие лампы. ПРА рассчитаны на размер лампы и частоту сети. Там, где переменного напряжения недостаточно для запуска длинных люминесцентных ламп, балласт часто является повышающим. автотрансформатор с существенным индуктивность рассеяния (чтобы ограничить текущий поток). Любая форма индуктивного балласта может также включать конденсатор за фактор силы исправление.

230 В балласт на 18–20 Вт

Люминесцентные лампы могут работать непосредственно от постоянный ток (DC) подача напряжения, достаточного для зажигания дуги. Балласт должен быть резистивным и потреблять примерно столько же энергии, сколько и лампа. При работе от постоянного тока пусковой выключатель часто предназначен для изменения полярности питания лампы каждый раз при ее запуске; в противном случае ртуть скапливается на одном конце трубки. По этим причинам люминесцентные лампы (почти) никогда не работают напрямую от постоянного тока. Вместо этого инвертор преобразует постоянный ток в переменный и обеспечивает функцию ограничения тока, как описано ниже для электронных балластов.

Влияние температуры

Тепловое изображение винтовой люминесцентной лампы.

На характеристики люминесцентных ламп в значительной степени влияет температура стенки колбы и ее влияние на парциальное давление паров ртути внутри лампы.[32] Поскольку ртуть конденсируется в самом холодном месте лампы, необходимо тщательно продумать дизайн, чтобы поддерживать в этом месте оптимальную температуру, около 40 ° C (104 ° F).

Используя амальгама с другим металлом снижает давление пара и расширяет оптимальный диапазон температур вверх; тем не менее, температуру «холодного пятна» на стенке колбы необходимо контролировать, чтобы предотвратить конденсацию. Люминесцентные лампы высокой мощности имеют такие особенности, как деформированная трубка или внутренние радиаторы для контроля температуры холодного пятна и распределения ртути. Сильно нагруженные маленькие лампы, такие как компактные люминесцентные лампы, также включают в себя зоны теплоотвода в трубке, чтобы поддерживать давление паров ртути на оптимальном уровне.[33]

Убытки

А Диаграмма Санки потерь энергии в люминесцентной лампе. В современном дизайне самая большая потеря - это квантовая эффективность преобразования ультрафиолетовых фотонов высокой энергии в фотоны видимого света меньшей энергии.

Только часть электроэнергии, потребляемой лампой, преобразуется в полезный свет. Балласт рассеивает тепло; электронные балласты могут иметь КПД около 90%. На электродах возникает фиксированное падение напряжения, которое также выделяет тепло. Часть энергии в столбе паров ртути также рассеивается, но около 85% превращается в видимый и ультрафиолетовый свет.

Не все УФ-излучение, попадающее на люминофорное покрытие, преобразуется в видимый свет; некоторая энергия теряется. Самая большая разовая потеря в современных лампах связана с более низкой энергией каждого фотона видимого света по сравнению с энергией генерирующих их УФ-фотонов (явление, называемое Стоксов сдвиг ). Падающие фотоны имеют энергию 5,5 электронвольт, но производят фотоны видимого света с энергией около 2,5 электронвольт, поэтому используется только 45% энергии ультрафиолета; остальное рассеивается в виде тепла.[34]

Люминесцентные лампы с холодным катодом

"CCFL" перенаправляется сюда. Для использования в других целях см. CCFL (значения).
Дальнейшая информация: Инвертор CCFL
Люминесцентная лампа с холодным катодом от знака аварийного выхода. Работая при гораздо более высоком напряжении, чем другие люминесцентные лампы, лампа выдает низкую силу тока. тлеющий разряд а не дугу, похожую на неоновый свет. Без прямого подключения к сети ток ограничивается одним трансформатором, что исключает необходимость в балласте.

В большинстве люминесцентных ламп используются электроды, которые излучают электроны в трубку за счет тепла. Тем не мение, холодный катод у трубок есть катоды, которые излучают электроны только из-за большого Напряжение между электродами. Катоды будут нагреваться протекающим через них током, но они недостаточно горячие для значительного термоэлектронная эмиссия. Поскольку лампы с холодным катодом не имеют термоэмиссионного покрытия, которое могло бы изнашиваться, они могут иметь гораздо больший срок службы горячий катод трубки. Это делает их желательными для приложений с длительным сроком службы (например, для подсветки в жидкокристаллические дисплеи ). Распыление электрода все еще может происходить, но электроды могут иметь форму (например, внутреннего цилиндра), чтобы захватывать большую часть распыленного материала, чтобы он не терялся с электрода.

Лампы с холодным катодом обычно менее эффективны, чем лампы с термоэлектронной эмиссией, потому что напряжение катодного падения намного выше. Мощность, рассеиваемая из-за катодного падения напряжения, не влияет на светоотдачу. Однако это менее важно для более длинных трубок. Повышенное рассеивание мощности на концах трубок также обычно означает, что лампы с холодным катодом должны работать при более низкой нагрузке, чем их эквиваленты с термоэлектронной эмиссией. Учитывая, что в любом случае требуется более высокое напряжение на лампе, эти лампы можно легко сделать длинными и даже работать в виде последовательных цепочек. Они лучше подходят для сгибания в специальные формы для надписей и вывесок, а также могут быть мгновенно включены или выключены.

Запуск

Газ, используемый в люминесцентной лампе, должен быть ионизирован, прежде чем дуга сможет «загореться». Для небольших ламп для зажигания дуги не требуется большого напряжения, и запуск лампы не представляет проблемы, но для больших ламп требуется значительное напряжение (в диапазоне от тысячи вольт). Было использовано много разных пусковых схем. Выбор схемы основан на стоимости, напряжении переменного тока, длине трубки, мгновенном или не мгновенном пуске, диапазонах температур и наличии деталей.

Предварительный нагрев

А разогреть Схема люминесцентной лампы с использованием автоматического пускового выключателя. A: Люминесцентная лампа, B: Питание (+220 В), C: Стартер, D: Переключатель (биметаллический термостат), E: Конденсатор, F: Нити, G: Балласт
Запуск лампы предварительного нагрева. Автоматический выключатель стартера мигает оранжевым при каждой попытке запустить лампу.

В этой технике используется комбинация нить –катод на каждом конце лампы в сочетании с механическим или автоматическим (биметаллическим) переключателем (см. принципиальную схему справа), который первоначально соединяет нити накала последовательно с балластом для их предварительного нагрева; при зажигании дуги нити отключаются. Эта система описывается как разогреть в некоторых странах и Switchstart в других.[35] Эти системы являются стандартным оборудованием в странах с напряжением 200–240 В (а для ламп 100–120 В - до 30 Вт).[нужна цитата ]

А разогреть люминесцентная лампа «стартер» (автоматический пусковой выключатель)

До 1960-х годов использовались четырехконтактные термостартеры и ручные выключатели.[нужна цитата ] А выключатель накала стартера автоматически подогревает катоды лампы. Он состоит из нормально открытого биметаллический переключатель в небольшой герметичный газоразрядная лампа содержащий инертный газ (неон или аргон). Переключатель накаливания будет циклически нагревать нити и инициировать импульсное напряжение для зажигания дуги; процесс повторяется, пока лампа не загорится. Как только трубка ударяется, падающий основной разряд сохраняет катоды горячими, позволяя продолжать эмиссию электронов. Выключатель стартера не замыкается снова, потому что напряжение на горящей трубке недостаточно для запуска тлеющего разряда в стартере.[35]

Электронные пускатели люминесцентных ламп

В стартерах с выключателем накаливания неисправная трубка будет циклически повторяться. В некоторых системах пуска использовалось тепловое отключение от сверхтока для обнаружения повторных попыток пуска и отключения цепи до ручного сброса.

А фактор силы коррекция (PFC) конденсатор потребляет опережающий ток от сети, чтобы компенсировать запаздывающий ток, потребляемый цепью лампы.[35]

Мгновенный старт

Мгновенный старт Люминесцентные лампы просто используют достаточно высокое напряжение, чтобы разрушить столб газа и ртути и тем самым запустить дугу. Эти трубки не имеют нитей и могут быть идентифицированы по одному штырю на каждом конце трубки. Патроны лампы имеют "разъединяющее" гнездо на низковольтном конце, которое отключает балласт при снятии трубки, чтобы предотвратить поражение электрическим током. В Северной Америке недорогие осветительные приборы со встроенным электронным балластом используют мгновенное включение ламп, изначально предназначенных для предварительного нагрева, хотя это сокращает срок службы ламп.[нужна цитата ] Эта балластная технология не распространена за пределами Северной Америки.

Быстрый старт

Быстрый старт В конструкции балласта предусмотрены обмотки внутри балласта, которые постоянно нагревают катодные нити. Обычно работает при более низком напряжении дуги, чем конструкция с мгновенным запуском; нет индуктивного скачок напряжения производится для запуска, поэтому лампы должны быть установлены рядом с заземленным отражателем, чтобы тлеющий разряд мог распространяться по трубке и инициировать дуговый разряд.[Почему? ]. В некоторых лампах заземленная полоса «стартера» прикреплена к внешней стороне стекла лампы. Этот тип балласта несовместим с европейскими люминесцентными лампами Energy Saver T8, поскольку для этих ламп требуется более высокое пусковое напряжение, чем напряжение холостого хода балластов для быстрого запуска.

Быстрозарядный «утюг» (магнитный) балласт постоянно нагревает катоды на концах ламп. В этом балласте последовательно работают две лампы F40T12.

Быстрый старт

ПРА с быстрым запуском используют небольшой автотрансформатор для нагрева нитей при первом включении питания. Когда возникает дуга, мощность нагрева нити уменьшается, и трубка запускается через полсекунды. Автотрансформатор либо совмещен с балластом, либо может быть отдельным блоком. Трубки необходимо установить рядом с заземленным металлическим отражателем, чтобы они не ударяли. Quick-start ballasts are more common in commercial installations because of lower maintenance costs. A quick-start ballast eliminates the need for a starter switch, a common source of lamp failures. Nonetheless, Quick-start ballasts are also used in domestic (residential) installations because of the desirable feature that a Quick-start ballast light turns on nearly immediately after power is applied (when a switch is turned on). Quick-start ballasts are used only on 240 V circuits and are designed for use with the older, less efficient T12 tubes.

Semi-resonant start

A 65-watt fluorescent lamp starting on a semi-resonant start circuit
A semi-resonant start circuit diagram

The semi-resonant start circuit was invented by Thorn Lighting for use with T12 fluorescent tubes. This method uses a double wound transformer and a capacitor. With no arc current, the transformer and capacitor resonate at line frequency and generate about twice the supply voltage across the tube, and a small electrode heating current.[36] This tube voltage is too low to strike the arc with cold electrodes, but as the electrodes heat up to thermionic emission temperature, the tube striking voltage falls below that of the ringing voltage, and the arc strikes. As the electrodes heat, the lamp slowly, over three to five seconds, reaches full brightness. As the arc current increases and tube voltage drops, the circuit provides current limiting.

Semi-resonant start circuits are mainly restricted to use in commercial installations because of the higher initial cost of circuit components. However, there are no starter switches to be replaced and cathode damage is reduced during starting making lamps last longer, reducing maintenance costs. Because of the high open circuit tube voltage, this starting method is particularly good for starting tubes in cold locations. Additionally, the circuit power factor is almost 1.0, and no additional power factor correction is needed in the lighting installation. As the design requires that twice the supply voltage must be lower than the cold-cathode striking voltage (or the tubes would erroneously instant-start), this design cannot be used with 240 volt AC power unless the tubes are at least 1.2 m (3 ft 11 in) length. Semi-resonant start fixtures are generally incompatible with energy saving T8 retrofit tubes, because such tubes have a higher starting voltage than T12 lamps and may not start reliably, especially in low temperatures. Recent proposals in some countries to phase out T12 tubes will reduce the application of this starting method.

Electronic ballasts

Fluorescent lamp with an electronic ballast.
Electronic ballast for fluorescent lamp, 2×58 W
Electronic ballast basic schematic
Electronic ballasts and different compact fluorescent lamps

Electronic starters use a different method to preheat the cathodes.[37] They may be plug-in interchangeable with glow starters. They use a semiconductor switch and "soft start" the lamp by preheating the cathodes before applying a starting pulse which strikes the lamp first time without flickering; this dislodges a minimal amount of material from the cathodes during starting, giving longer lamp life.[35] This is claimed to prolong lamp life by a factor of typically 3 to 4 times for a lamp frequently switched on as in domestic use,[38] and to reduce the blackening of the ends of the lamp typical of fluorescent tubes. The circuit is typically complex, but the complexity is built into the IC. Electronic starters may be optimized for fast starting (typical start time of 0.3 seconds),[38][39] or for most reliable starting even at low temperatures and with low supply voltages, with a startup time of 2–4 seconds.[40] The faster-start units may produce audible noise during start-up.[41]

Electronic starters only attempt to start a lamp for a short time when power is initially applied, and do not repeatedly attempt to restrike a lamp that is dead and unable to sustain an arc; some automatically shut down a failed lamp.[37] This eliminates the re-striking of a lamp and the continuous flickering of a failing lamp with a glow starter. Electronic starters are not subject to wear and do not need replacing periodically, although they may fail like any other electronic circuit. Manufacturers typically quote lives of 20 years, or as long as the light fitting.[39][40]

Electronic ballasts employ transistors to change the supply frequency into high-частота AC while regulating the current flow in the lamp. These ballasts take advantage of the higher efficacy of lamps, which rises by almost 10% at 10 kHz, compared to efficacy at normal power frequency. When the AC period is shorter than the relaxation time to de-ionize mercury atoms in the discharge column, the discharge stays closer to optimum operating condition.[42] Electronic ballasts convert supply frequency AC power to variable frequency AC. The conversion can reduce lamp brightness modulation at twice the power supply frequency.

Low cost ballasts contain only a simple oscillator and series resonant LC circuit. This principle is called the current resonant inverter circuit. After a short time the voltage across the lamp reaches about 1 kV and the lamp instant-starts in cold cathode mode. The cathode filaments are still used for protection of the ballast from overheating if the lamp does not ignite. A few manufacturers use positive temperature coefficient (PTC) thermistors to disable instant starting and give some time to preheat the filaments.

More complex electronic ballasts use programmed start. The output frequency is started above the resonance frequency of the output circuit of the ballast; and after the filaments are heated, the frequency is rapidly decreased. If the frequency approaches the resonant frequency of the ballast, the output voltage will increase so much that the lamp will ignite. If the lamp does not ignite, an electronic circuit stops the operation of the ballast.

Many electronic ballasts are controlled by a microcontroller, and these are sometimes called digital ballasts. Digital ballasts can apply quite complex logic to lamp starting and operation. This enables functions such as testing for broken electrodes and missing tubes before attempting to start, detection of tube replacement, and detection of tube type, such that a single ballast can be used with several different tubes. Features such as dimming can be included in the embedded microcontroller software, and can be found in various manufacturers' products.

Since introduction in the 1990s, high-frequency ballasts have been used in general lighting fixtures with either rapid start or pre-heat lamps. These ballasts convert the incoming power to an output frequency in excess of 20 kHz. This increases lamp efficiency.[43] These ballasts operate with voltages that can be almost 600 volts, requiring some consideration in housing design, and can cause a minor limitation in the length of the wire leads from the ballast to the lamp ends.

End of life

The life expectancy of a fluorescent lamp is primarily limited by the life of the cathode electrodes. To sustain an adequate current level, the electrodes are coated with an emission mixture of metal oxides. Every time the lamp is started, and during operation, some small amount of the cathode coating is sputtered off the electrodes by the impact of electrons and heavy ions within the tube. The sputtered material collects on the walls of the tube, darkening it. The starting method and frequency affect cathode sputtering. A filament may also break, disabling the lamp.

This tube, which was turned on and off regularly, could no longer start after enough thermionic emission mix had sputtered from the cathodes. The vaporized material adheres to the glass surrounding the electrodes, causing it to darken and turn black.
Closeup of the filament on a low pressure mercury gas discharge lamp showing white thermionic emission mix coating on the central portion of the coil acting as hot cathode. the coating is sputtered away every time the lamp starts, resulting in lamp failure.

Low-mercury designs of lamps may fail when mercury is absorbed by the glass tube, phosphor, and internal components, and is no longer available to vaporize in the fill gas. Loss of mercury initially causes an extended warm-up time to full light output, and finally causes the lamp to glow a dim pink when the argon gas takes over as the primary discharge.[44]

Subjecting the tube to asymmetric current flow, effectively operates it under a DC bias, and causes asymmetric distribution of mercury ions along the tube. The localized depletion of mercury vapor pressure manifests itself as pink luminescence of the base gas in the vicinity of one of the electrodes, and the operating lifetime of the lamp may be dramatically shortened. This can be an issue with some poorly designed inverters.[45]

The phosphors lining the lamp degrade with time as well, until a lamp no longer produces an acceptable fraction of its initial light output.

Failure of the integral electronic ballast of a compact fluorescent bulb will also end its usable life.


Compact fluorescent lamp that has reached end of life because of mercury adsorption. Light is produced only by the base argon fill.

Phosphors and the spectrum of emitted light

Light from a fluorescent tube lamp reflected by a CD shows the individual bands of color.

The spectrum of light emitted from a fluorescent lamp is the combination of light directly emitted by the mercury vapor, and light emitted by the phosphorescent coating. В spectral lines from the mercury emission and the phosphorescence effect give a combined spectral distribution of light that is different from those produced by incandescent sources. The relative intensity of light emitted in each narrow band of wavelengths over the visible spectrum is in different proportions compared to that of an incandescent source. Colored objects are perceived differently under light sources with differing spectral distributions. For example, some people find the color rendition produced by some fluorescent lamps to be harsh and displeasing. A healthy person can sometimes appear to have an unhealthy skin tone under fluorescent lighting. The extent to which this phenomenon occurs is related to the light's spectral composition, and may be gauged by its color rendering index (CRI).

Цветовая температура

Основная статья: Цветовая температура
В color temperature of different electric lamps

Correlated color temperature (CCT) is a measure of the "shade" of whiteness of a light source compared with a blackbody. Typical incandescent lighting is 2700 K, which is yellowish-white.[46] Halogen lighting is 3000 K.[47] Fluorescent lamps are manufactured to a chosen CCT by altering the mixture of phosphors inside the tube. Warm-white fluorescents have CCT of 2700 K and are popular for residential lighting. Neutral-white fluorescents have a CCT of 3000 K or 3500 K. Cool-white fluorescents have a CCT of 4100 K and are popular for office lighting. Daylight fluorescents have a CCT of 5000 K to 6500 K, which is bluish-white.

High CCT lighting generally requires higher light levels. At dimmer illumination levels, the human eye perceives lower color temperatures as more pleasant, as related through the Kruithof curve. So, a dim 2700 K incandescent lamp appears comfortable and a bright 5000 K lamp also appears natural, but a dim 5000 K fluorescent lamp appears too pale. Daylight-type fluorescents look natural only if they are very bright.

Индекс цветопередачи

A helical cool-white fluorescent lamp reflected in a diffraction grating reveals the various spectral lines which make up the light.
Fluorescent spectra in comparison with other forms of lighting. Clockwise from upper left: Fluorescent lamp, incandescent bulb, свеча flame and LED lighting.
Основная статья: Индекс цветопередачи

Color rendering index (CRI) is a measure of how well colors can be perceived using light from a source, relative to light from a reference source such as daylight or a blackbody of the same color temperature. By definition, an incandescent lamp has a CRI of 100. Real-life fluorescent tubes achieve CRIs of anywhere from 50 to 98. Fluorescent lamps with low CRI have phosphors that emit too little red light. Skin appears less pink, and hence "unhealthy" compared with incandescent lighting. Colored objects appear muted. For example, a low CRI 6800 K halophosphate tube (an extreme example) will make reds appear dull red or even brown. Since the eye is relatively less efficient at detecting red light, an improvement in color rendering index, with increased energy in the red part of the spectrum, may reduce the overall luminous efficacy.[48]

Lighting arrangements use fluorescent tubes in an assortment of tints of white. Mixing tube types within fittings can improve the color reproduction of lower quality tubes.

Phosphor composition

Some of the least pleasant light comes from tubes containing the older, halophosphate-type phosphors (chemical formula Ca5(пО4)3(F, Cl ):Sb3+, Mn2+). This phosphor mainly emits yellow and blue light, and relatively little green and red. In the absence of a reference, this mixture appears white to the eye, but the light has an incomplete spectrum. В color rendering index (CRI) of such lamps is around 60.

Since the 1990s, higher-quality fluorescent lamps use either a higher-CRI halophosphate coating, or a triphosphor mixture, based on europium и terbium ions, which have emission bands more evenly distributed over the spectrum of visible light. High-CRI halophosphate and triphosphor tubes give a more natural color reproduction to the human eye. The CRI of such lamps is typically 82–100.

Fluorescent-lamp spectra
Typical fluorescent lamp with rare-earth phosphorFluorescent lighting spectrum peaks labeled with colored peaks added.pngA typical "cool white" fluorescent lamp utilizing two rare-earth-doped phosphors, Tb3+, Ce3+:La PO4 for green and blue emission and Eu:Y2О3 for red. For an explanation of the origin of the individual peaks click on the image. Several of the spectral peaks are directly generated from the mercury arc. This is likely the most common type of fluorescent lamp in use today.
An older-style halophosphate-phosphor fluorescent lampSpectrum of halophosphate type fluorescent bulb (f30t12 ww rs).pngHalophosphate phosphors in these lamps usually consist of trivalent antimony - and divalent марганец -doped кальций halophosphate (Ca5(PO4)3(Cl, F ):Sb3+, Mn2+). The color of the light output can be adjusted by altering the ratio of the blue-emitting antimony dopant and orange-emitting manganese dopant. The color rendering ability of these older-style lamps is quite poor. Halophosphate phosphors were invented by A. H. McKeag и другие. в 1942 г.
"Natural sunshine" fluorescent lightSpectra-Philips 32T8 natural sunshine fluorescent light.svgPeaks with stars are Меркурий линий.
Yellow fluorescent lightsYellow fluorescent light spectrum.pngThe spectrum is nearly identical to a normal fluorescent lamp except for a near total lack of light shorter than 500 nanometers. This effect can be achieved through either specialized phosphor use or more commonly by the use of a simple yellow light filter. These lamps are commonly used as lighting for photolithography work in cleanrooms and as "bug repellent" outdoor lighting (the efficacy of which is questionable).
Spectrum of a "blacklight " lampFluorescent Black-Light spectrum with peaks labelled.gifThere is typically only one phosphor present in a blacklight lamp, usually consisting of europium -doped стронций fluoroborate, which is contained in an envelope of Стекло Вуда.

Приложения

Fluorescent lamps come in many shapes and sizes.[49] В компактная люминесцентная лампа (CFL) is becoming more popular. Many compact fluorescent lamps integrate the auxiliary electronics into the base of the lamp, allowing them to fit into a regular light bulb socket.

In US residences, fluorescent lamps are mostly found in kitchens, basements, или же garages, but schools and businesses find the cost savings of fluorescent lamps to be significant and rarely use incandescent lights. Tax incentives and building codes result in higher use in places such as Калифорния.

In other countries, residential use of fluorescent lighting varies depending on the price of energy, financial and environmental concerns of the local population, and acceptability of the light output. В Восток и Юго-Восточная Азия it is very rare to see incandescent bulbs in buildings anywhere.

Some countries are encouraging the phase-out of incandescent light bulbs and substitution of incandescent lamps with fluorescent lamps or other types of energy-efficient lamps.

In addition to general lighting, special fluorescent lights are often used in stage lighting for film and video production. They are cooler than traditional halogen light sources, and use high-frequency ballasts to prevent video flickering and high color-rendition index lamps to approximate daylight color temperatures.

Comparison to incandescent lamps

Световая отдача

Fluorescent lamps convert more of the input power to visible light than incandescent lamps. A typical 100 watt tungsten filament incandescent lamp may convert only 5% of its power input to visible white light (400–700 nm wavelength), whereas typical fluorescent lamps convert about 22% of the power input to visible white light.[50]

The efficacy of fluorescent tubes ranges from about 16 lumens per watt for a 4 watt tube with an ordinary ballast to over 100 люмен per watt[51] with a modern electronic ballast, commonly averaging 50 to 67 lm/W overall.[52] Ballast loss can be about 25% of the lamp power with magnetic ballasts, and around 10% with electronic ballasts.

Fluorescent lamp efficacy is dependent on lamp temperature at the coldest part of the lamp. In T8 lamps this is in the center of the tube. В T5 lamps this is at the end of the tube with the text stamped on it. The ideal temperature for a T8 lamp is 25 °C (77 °F) while the T5 lamp is ideally at 35 °C (95 °F).

Жизнь

Typically a fluorescent lamp will last 10 to 20 times as long as an equivalent incandescent lamp when operated several hours at a time. Under standard test conditions fluorescent lamps last 6,000 to 80,000 hours (2 to 27 years at 8 hours per day).[53]

The higher initial cost of a fluorescent lamp compared with an incandescent lamp is usually compensated for by lower energy consumption over its life.[54][нуждается в обновлении ]

Lower luminance

Compared with an incandescent lamp, a fluorescent tube is a more diffuse and physically larger light source. In suitably designed lamps, light can be more evenly distributed without point source of glare such as seen from an undiffused incandescent filament; the lamp is large compared to the typical distance between lamp and illuminated surfaces.

Lower heat

Fluorescent lamps give off about one-fifth the heat of equivalent incandescent lamps. This greatly reduces the size, cost, and energy consumption devoted to air conditioning for office buildings that would typically have many lights and few windows.

Недостатки

Frequent switching

Frequent switching (more than every 3 hours) will shorten the life of lamps. [55] Each start cycle slightly erodes the electron-emitting surface of the cathodes; when all the emission material is gone, the lamp cannot start with the available ballast voltage. Fixtures for flashing lights (such as for advertising) use a ballast that maintains cathode temperature when the arc is off, preserving the life of the lamp.

The extra energy used to start a fluorescent lamp is equivalent to a few seconds of normal operation; it is more energy-efficient to switch off lamps when not required for several minutes.[56][57]

Mercury content

Основная статья: Fluorescent lamps and health

If a fluorescent lamp is broken, a very small amount of Меркурий can contaminate the surrounding environment. About 99% of the mercury is typically contained in the phosphor, especially on lamps that are near the end of their life.[58] Broken lamps may release mercury if not cleaned with correct methods.[59][неудачная проверка ]

Due to the mercury content, discarded fluorescent lamps must be treated as hazardous waste. For large users of fluorescent lamps, recycling services are available in some areas, and may be required by regulation.[60][61] In some areas, recycling is also available to consumers.[62]

Ultraviolet emission

Fluorescent lamps emit a small amount of ультрафиолетовый (UV) light. A 1993 study in the US found that ultraviolet exposure from sitting under fluorescent lights for eight hours is equivalent to one minute of sun exposure.[63] Ultraviolet radiation from compact fluorescent lamps may exacerbate symptoms in photosensitive individuals.[64][65][66]

Museum artifacts may need protection from UV light to prevent degradation of pigments or textiles. [67]

Балласт

Magnetic single-lamp ballasts have a low фактор силы.

Fluorescent lamps require a балласт to stabilize the current through the lamp, and to provide the initial striking voltage required to start the arc discharge. Often one ballast is shared between two or more lamps. Electromagnetic ballasts can produce an audible humming or buzzing noise. Magnetic ballasts are usually filled with a деготь -like potting compound to reduce emitted noise. Hum is eliminated in lamps with a high-frequency electronic ballast. Energy lost in magnetic ballasts is around 10% of lamp input power according to GE literature from 1978.[31] Electronic ballasts reduce this loss.

Power quality and radio interference

Simple inductive fluorescent lamp ballasts have a фактор силы of less than unity. Inductive ballasts include power factor correction capacitors. Simple electronic ballasts may also have low power factor due to their rectifier input stage.

Fluorescent lamps are a non-linear load and generate harmonic currents in the electrical power supply. The arc within the lamp may generate radio frequency noise, which can be conducted through power wiring. Suppression of radio interference is possible. Very good suppression is possible, but adds to the cost of the fluorescent fixtures.

Fluorescent lamps near end of life can present a serious radio frequency interference hazard. Oscillations are generated from the negative differential resistance of the arc, and the current flow through the tube can form a tuned circuit whose frequency depends on path length. [68]

Рабочая Температура

Fluorescent lamps operate best around room temperature. At lower or higher temperatures, efficacy decreases. At below-freezing temperatures standard lamps may not start. Special lamps may be used for reliable service outdoors in cold weather.

Lamp shape

Fluorescent tubes are long, low-luminance sources compared with high pressure arc lamps, incandescent lamps and LEDs. However, low luminous intensity of the emitting surface is useful because it reduces glare. Lamp fixture design must control light from a long tube instead of a compact globe. В компактная люминесцентная лампа (CFL) replaces regular incandescent bulbs in many light fixtures where space permits.

Flicker

Fluorescent lamps with magnetic ballasts flicker at a normally unnoticeable frequency of 100 or 120 Hz and this flickering can cause problems for some individuals with light sensitivity;[69] they are listed as problematic for some individuals with аутизм, эпилепсия,[70] lupus,[71] Синдром хронической усталости, Болезнь Лайма,[72] и vertigo.[73]

The "beat effect" problem created when shooting photos under standard fluorescent lighting

А stroboscopic effect can be noticed, where something spinning at just the right speed may appear stationary if illuminated solely by a single fluorescent lamp. This effect is eliminated by paired lamps operating on a lead-lag ballast. Unlike a true strobe lamp, the light level drops in appreciable time and so substantial "blurring" of the moving part would be evident.

Fluorescent lamps may produce flicker at the power supply frequency (50 or 60 Hz), which is noticeable by more people. This happens if a damaged or failed cathode results in slight rectification and uneven light output in positive and negative going AC cycles. Power frequency flicker can be emitted from the ends of the tubes, if each tube electrode produces a slightly different light output pattern on each half-cycle. Flicker at power frequency is more noticeable in the peripheral vision than it is when viewed directly.

Near the end of life, fluorescent lamps can start flickering at a frequency lower than the power frequency. This is due to instability in the negative resistance of arc discharge,[74] which can be from a bad lamp or ballast or poor connection.

New fluorescent lamps may show a twisting spiral pattern of light in a part of the lamp. This effect is due to loose cathode material and usually disappears after a few hours of operation. [31]

The "beat effect" problem created when shooting films under standard fluorescent lighting

Electromagnetic ballasts may also cause problems for video recording as there can be a so-called бить effect between the video frame rate and the fluctuations in intensity of the fluorescent lamp.

Fluorescent lamps with electronic ballasts do not flicker, since above about 5 kHz, the excited electron state half-life is longer than a half cycle,[нужна цитата ] and light production becomes continuous. Operating frequencies of electronic ballasts are selected to avoid interference with infrared remote controls. Poor quality or faulty electronic ballasts may have considerable 100/120 Hz modulation of the light.

Dimming

Fluorescent light fixtures cannot be connected to dimmer switches intended for incandescent lamps. Two effects are responsible for this: the waveform of the voltage emitted by a standard phase-control dimmer interacts badly with many ballasts, and it becomes difficult to sustain an arc in the fluorescent tube at low power levels. Dimming installations require a compatible dimming ballast. Some models of compact fluorescent lamps can be dimmed; in the United States, such lamps are identified as complying with UL standard 1993.[75]

Lamp sizes and designations

Основная статья: Fluorescent lamp formats

Systematic nomenclature identifies mass-market lamps as to general shape, power rating, length, color, and other electrical and illuminating characteristics.

Overdriving

Overdriving a fluorescent lamp is a method of getting more light from each tube than is obtained under rated conditions. ODNO (Overdriven Normal Output) fluorescent tubes are generally used when there isn't enough room to put in more bulbs to increase the light. The method is effective, but generates some additional issues. This technique has become popular among aquatic gardeners as a cost-effective way to add more light to their aquariums. Overdriving is done by rewiring lamp fixtures to increase lamp current; however, lamp life is reduced.[76]

Other fluorescent lamps

Black light

Blacklights are a subset of fluorescent lamps that are used to provide near ультрафиолетовый light (at about 360 nm wavelength). They are built in the same fashion as conventional fluorescent lamps but the glass tube is coated with a phosphor that converts the short-wave UV within the tube to long-wave UV rather than to visible light. They are used to provoke fluorescence (to provide dramatic effects using blacklight paint and to detect materials such as urine and certain dyes that would be invisible in visible light) as well as to attract insects to bug zappers.

So-called blacklite blue lamps are also made from more expensive deep purple glass known as Стекло Вуда rather than clear glass. The deep purple glass filters out most of the visible colors of light directly emitted by the mercury-vapor discharge, producing proportionally less visible light compared with UV light. This allows UV-induced fluorescence to be seen more easily (thereby allowing blacklight posters to seem much more dramatic). The blacklight lamps used in bug zappers do not require this refinement so it is usually omitted in the interest of cost; they are called simply blacklite (and not blacklite blue).

Tanning lamp

The lamps used in tanning beds contain a different phosphor blend (typically 3 to 5 or more phosphors) that emits both UVA and UVB, provoking a tanning response in most human skin. Typically, the output is rated as 3–10% UVB (5% most typical) with the remaining UV as UVA. These are mainly F71, F72, or F73 HO (100 W) lamps, although 160 W VHO are somewhat common. One common phosphor used in these lamps is lead-activated barium disilicate, but a europium-activated strontium fluoroborate is also used. Early lamps used thallium as an activator, but emissions of thallium during manufacture were toxic.[77]

UVB medical lamps

The lamps used in phototherapy contain a phosphor that emits only UVB ultraviolet light.[нужна цитата ] There are two types: broadband UVB that gives 290–320 nanometer with peak wavelength of 306 nm, and narrowband UVB that gives 311–313 nanometer. Because of the longer wavelength, the narrowband UVB bulbs do not cause erytherma in the skin like the broadband.[сомнительный – обсуждать] They requires a 10-20 times higher dose to the skin and they require more bulbs and longer exposure time. The narrowband is good for psoriasis, eczema (atopic dermatitis), vitiligo, lichen planus, and some other skin diseases.[нужна цитата ] The broadband is better for increasing Vitamin D3 in the body.

Grow lamp

Grow lamps contain phosphor blends that encourage photosynthesis, growth, or flowering in plants, algae, photosynthetic bacteria, and other light-dependent organisms. These often emit light primarily in the red and blue color range, which is absorbed by chlorophyll and used for photosynthesis in plants.[78]

Infrared lamps

Lamps can be made with a lithium metaluminate phosphor activated with iron. This phosphor has peak emissions between 675 and 875 nanometers, with lesser emissions in the deep red part of the visible spectrum.[79]

Bilirubin lamps

Deep blue light generated from a europium -activated phosphor is used in the light therapy лечение jaundice; light of this color penetrates skin and helps in the breakup of excess bilirubin.[79]

Germicidal lamp

Germicidal lamps contain no phosphor at all, making them mercury vapor gas discharge lamps rather than fluorescent. Their tubes are made of fused quartz transparent to the UVC light emitted by the mercury discharge. The 254 nm UVC emitted by these tubes will kill germs and the 184.45 nm far UV will ionize кислород к озон. Lamps labeled OF block the 184.45 nm far UV and do not produce significant ozone. In addition the UVC can cause eye and skin damage. They are sometimes used by geologists to identify certain species of минералы by the color of their fluorescence when fitted with filters that pass the short-wave UV and block visible light produced by the mercury discharge. They are also used in some EPROM erasers. Germicidal lamps have designations beginning with G, for example G30T8 for a 30-watt, 1-inch (2.5 cm) diameter, 36-inch (91 cm) long germicidal lamp (as opposed to an F30T8, which would be the fluorescent lamp of the same size and rating).

Electrodeless lamp

Основная статья: Electrodeless lamp

Electrodeless induction lamps are fluorescent lamps without internal electrodes. They have been commercially available since 1990. A current is induced into the gas column using electromagnetic induction. Because the electrodes are usually the life-limiting element of fluorescent lamps, such electrodeless lamps can have a very long service life, although they also have a higher purchase price.

Cold-cathode fluorescent lamp

Cold-cathode fluorescent lamps were used as backlighting за ЖК-дисплеи в компьютерные мониторы and televisions before the use of LED-backlit LCDs. They are also popular with computer case modders в былые времена.

Science demonstrations

Capacitive coupling with high-voltage power lines can light a lamp continuously at low intensity.
Capacitive coupling с high-voltage power lines can light a lamp continuously at low intensity.

Fluorescent lamps can be illuminated by means other than a proper electrical connection. These other methods, however, result in very dim or very short-lived illumination, and so are seen mostly in science demonstrations. Static electricity или Van de Graaff generator will cause a lamp to flash momentarily as it discharges a high voltage capacitance. А Катушка Тесла will pass high-frequency current through the tube, and since it has a high voltage as well, the gases within the tube will ionize and emit light. This also works with plasma globes. Capacitive coupling с high-voltage power lines can light a lamp continuously at low intensity, depending on the intensity of the electric field, as shown in the image on the right.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "Mercury-containing Lights and Lamps as Universal Waste". Департамент экологии штата Вашингтон. Получено 2016-06-11.
  2. ^ M. A. Laughton. Electrical Engineer's Reference Book Sixteenth Edition, Newnes, 2003 ISBN  0-7506-4637-3, pp. 21-12.
  3. ^ Mercury-Containing Light Bulb (Lamp) Recycling | Universal Waste | Агентство по охране окружающей среды США.
  4. ^ Gribben, John; "The Scientists; A History of Science Told Through the Lives of Its Greatest Inventors"; Случайный дом; 2004; pp 424–432; ISBN  978-0-8129-6788-3
  5. ^ Bright 1949, pp. 381–385.
  6. ^ US 865367  Fluorescent Electric Lamp
  7. ^ "Mr. Moore's Etheric Light. The Young Newark Electrician's New And Successful Device". Нью-Йорк Таймс. October 2, 1896. Получено 2008-05-26. Paid access.
  8. ^ Gaster, Leon; Dow, John Stewart (1915). Modern illuminants and illuminating engineering. Whittaker & Co. pp.107 –111.
  9. ^ Bright 1949, pp. 221–223.
  10. ^ Article about Küch and Retschinsky lamp
  11. ^ Weeks, Mary Elvira (2003). Discovery of the Elements: Third Edition (reprint). Kessinger Publishing. п. 287. ISBN  978-0-7661-3872-8.
  12. ^ Claude, Georges (November 1913). "The Development of Neon Tubes". The Engineering Magazine: 271–274.
  13. ^ van Dulken, Stephen (2002). Inventing the 20th century: 100 inventions that shaped the world : from the airplane to the zipper. New York University Press. п. 42. ISBN  978-0-8147-8812-7.
  14. ^ Bright 1949, pp. 369–374.
  15. ^ Bright 1949, п. 385.
  16. ^ Binggeli, Corky (2010). Building Systems for Interior Designers – Corky Binggeli – Google Books. ISBN  9780470228470. Получено 2016-06-05.
  17. ^ Sacks, Oliver (June 16, 2011). Uncle Tungsten: Memories of a Chemical Boyhood – Oliver Sacks – Google Books. ISBN  9780330537216. Получено 2016-06-05.
  18. ^ "Discover Lighting! History > Milestones in Lighting". Ies.org. Архивировано из оригинал on 2016-06-04. Получено 2016-06-05.
  19. ^ Bright 1949 С. 388–391.
  20. ^ US patent 1790153, Albert W. Hull, "Electrical Discharge Device and Method of Operation", issued 1931-01-27, assigned to General Electric Company 
  21. ^ US patent 2182732, Friedrich Meyer; Hans-Joachim Spanner & Edmund Germer, "Metal Vapor Lamp", issued 1939-12-05, assigned to General Electric Company 
  22. ^ Electrical Consultant, Volume 50, Page 4, 1946
  23. ^ Westinghouse Engineer, Volume 12–13, Page 141, 1952
  24. ^ "Lighting A Revolution: 20th Century Store-room". americanhistory.si.edu.
  25. ^ Van Broekhoven 2001, п.97–98.
  26. ^ William M. Yen, Shigeo Shionoya, Hajime Yamamoto, Practical Applications of Phosphors,CRC Press, 2006, ISBN  1-4200-4369-2, pages 84–85
  27. ^ Kulshreshtha, Alok K. (2009). Basic Electrical Engineering: Principles and Applications. India: Tata McGraw-Hill Education. п. 801. ISBN  978-0-07-014100-1.
  28. ^ Kane & Sell 2001, п. 185.
  29. ^ Van Broekhoven 2001, п. 93.
  30. ^ T12 specifies the bulb's diameter in 1/8 inch units; a T12 bulb is 12×(1/8) inches or 1.5 in (38 mm) in diameter.
  31. ^ а б c General Electric, Fluorescent Lamps Technical Bulletin TP 111R, December 1978
  32. ^ Kane & Sell 2001, c.f. 182.
  33. ^ Kane & Sell 2001, п. 188.
  34. ^ Kane & Sell 2001, pp. 196–197.
  35. ^ а б c d "Chapter 8. Lighting" (PDF). Power Semiconductor Applications. Philips Semiconductors. Архивировано из оригинал (PDF) on 2009-11-22. Получено 2009-11-22.
  36. ^ Thorn Lighting Technical Handbook
  37. ^ а б "Datasheet of typical electronic starter (not fast start), with detailed explanation of operation" (PDF).
  38. ^ а б "Datasheet of typical fast start electronic starter, with detailed explanation of operation" (PDF).
  39. ^ а б "Electronic Tube Starter 300C Fastlux for fluorescent strip lights". www.tabelek.co.uk.
  40. ^ а б "Soft Start Electronic Starter for fluorescent tubes the UM2 Multi Pulse". www.tabelek.co.uk.
  41. ^ Quick Start for Fluorescent Lights "All three of the 'FAST' (< .5 seconds) starter brands caused an audible 'BURRRRRRRP' noise in some light fittings as they started and this is an inherent problem caused by their use of the faster 'DC' heating. It is worse with higher wattage tubes and if there is any loose metal in the light fitting."
  42. ^ Kane & Sell 2001, п. 182.
  43. ^ "Energy Conservation Standards for Fluorescent Lamp Ballasts" (PDF). US Department of Energy. п. 3–23. Архивировано из оригинал (PDF) on 2012-08-03. Получено 2012-01-29.
  44. ^ Corazza, A.; Giorgi, S.; Massaro, V. (October 5–9, 2008). "Mercury Dosing in Fluorescent Lamps". 2008 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting. Industry Applications Society Annual Meeting.IEEE. С. 1–4. Дои:10.1109 / 08ИАС.2008.237. ISSN  0197-2618.
  45. ^ «Люминесцентная лампа с холодным катодом» (PDF). Harison Toshiba Corp. Архивировано с оригинал (PDF) на 2007-10-22. Получено 2007-10-22.
  46. ^ Карлен, Марк; Беня, Джеймс Р .; Спанглер, Кристина (1 июня 2012 г.). Основы светового дизайна. Джон Вили и сыновья. ISBN  9781118287927.
  47. ^ Ленк, Рон; Ленк, Кэрол (10 марта 2017 г.). Практичный дизайн освещения со светодиодами. Джон Вили и сыновья. ISBN  9781119165323.
  48. ^ Неизвестно н.о., п. 8.
  49. ^ Стиллер, Майкл (16 июля 2013 г.). Качественное освещение для высокоэффективных зданий. Lulu Press, Inc. ISBN  9781304236159.
  50. ^ Неизвестно н.о., п. 20.
  51. ^ Panasonic. "Спиральные люминесцентные потолочные светильники Panasonic, 124,3 лм / Вт". Получено 2010-09-27.
  52. ^ Клипштейн, Дональд Л. "Факты и факты о свете и освещении!". Архивировано из оригинал на 2007-12-28. Получено 2007-12-29.
  53. ^ "Каталог освещения Philips" (PDF). images.philips.com. Philips. стр. 16–47. Получено 2019-11-24.
  54. ^ Национальный исследовательский совет (США). Строительный научно-исследовательский институт. Освещение здания: эффект новых уровней освещения Издательство National Academies, 1959. Стр. 81
  55. ^ «Компактное люминесцентное освещение» (PDF). eere.energy.gov. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-05-11. Получено 2012-07-24.
  56. ^ «Научный факт или научная фантастика: флуоресцентные лампы». Причуды и кварки. CBC. Архивировано из оригинал на 2011-10-28. Получено 2011-10-27.
  57. ^ «Когда выключать свет». Министерство энергетики США. Министерство энергетики США. Получено 2012-11-28.
  58. ^ ООН-Окружающая среда (январь 2017 г.). Инструментарий для идентификации и количественной оценки источников ртути, справочный отчет и руководство по инвентаризации уровня 2, версия 1.4 (PDF) (Отчет). Женева, Швейцария: Отделение ООН по химическим веществам в окружающей среде (опубликовано в декабре 2017 г.). п. 199. Ссылаясь на Floyd, et al. (2002).
  59. ^ «Часто задаваемые вопросы о компактных люминесцентных лампах (КЛЛ) и ртути» (PDF). Июль 2008 г.. Получено 2020-06-04.
  60. ^ "Коммерческое освещение: переработчики ламп". LampRecycle.org.
  61. ^ «Нормативно-правовая база в отношении ртутьсодержащих ламп (ламп)». EPA.gov. Архивировано из оригинал на 25 января 2010 г.
  62. ^ «Программы сбора и переработки ртутьсодержащих лампочек (ламп) в местах вашего проживания». EPA.gov. Архивировано из оригинал 10 января 2010 г.
  63. ^ Lytle, CD; Cyr, WH; Пиво, JZ; Miller, SA; Джеймс, Р.Х .; Landry, RJ; Джейкобс, Мэн; Качмарек, Р.Г .; Sharkness, CM; Гейлор, Д.; и другие. (Декабрь 1993 г.). «Оценка риска плоскоклеточного рака от ультрафиолетового излучения, испускаемого люминесцентными лампами». Фотодерматол Фотоиммунол Фотомед. 9 (6): 268–74. PMID  1343229.
  64. ^ Николь, Венди (2012). «Ультрафиолетовые утечки из КЛЛ». Перспективы гигиены окружающей среды. 120 (10): а387. Дои:10.1289 / ehp.120-a387. ЧВК  3491932. PMID  23026199.
  65. ^ Мозли, Гарри; Фергюсон, Джеймс (2011). «Риск для нормальных и светочувствительных людей от воздействия света компактных люминесцентных ламп». Фотодерматология, фотоиммунология и фотомедицина. 27 (3): 131–137. Дои:10.1111 / j.1600-0781.2011.00576.x. PMID  21535166. S2CID  9509601.
  66. ^ SCENIHR (Научный комитет по возникающим и недавно выявленным рискам для здоровья) (23 сентября 2008 г.). «Научное мнение о светочувствительности» (PDF). Получено 2016-01-16.
  67. ^ Справочник музея: Коллекции музея. Часть I Служба национальных парков США, Министерство внутренних дел, 1991 г., стр. K19
  68. ^ «Радиочастотное излучение компактных люминесцентных ламп». 17 декабря 2012 г.
  69. ^ «Работа со светочувствительностью».
  70. ^ «Идеи размещения для сотрудников, страдающих эпилепсией».
  71. ^ «Серия адаптации и соблюдения нормативных требований: сотрудники с волчанкой».
  72. ^ Шадик Н.А., Филлипс С.Б., Санга О. и др. (Декабрь 1999 г.). «Костно-мышечные и неврологические исходы у пациентов с ранее леченной болезнью Лайма». Анна. Междунар. Med. 131 (12): 919–26. Дои:10.7326/0003-4819-131-12-199912210-00003. PMID  10610642. S2CID  20746489.
  73. ^ «Приспособление к людям с головокружением». Архивировано из оригинал на 2008-06-08.
  74. ^ Глозман, Станислав; Бен-Яаков, Шмуэль (сентябрь – октябрь 2001 г.). «Анализ динамического взаимодействия ВЧ балластов и люминесцентных ламп на основе моделирования огибающей». IEEE Transactions по отраслевым приложениям. 37 (5): 1531–1536. Дои:10.1109/28.952531.
  75. ^ «Часто задаваемые вопросы о КЛЛ и затемнении» (PDF). www.nema.org.
  76. ^ «Почему перегрузка может сжечь ваш дом». Практическое рыбоводство. 13 июня 2016 г.. Получено 2020-03-31.
  77. ^ Кейн и Селл 2001, п. 120.
  78. ^ Гоинс GD, Йорио NC, Санво MM, Brown CS (1997). «Фотоморфогенез, фотосинтез и урожай семян растений пшеницы, выращенных с использованием красных светодиодов (LED) с дополнительным синим освещением и без него». Журнал экспериментальной ботаники. 48 (7): 1407–1413. Дои:10.1093 / jxb / 48.7.1407. PMID  11541074.
  79. ^ а б Кейн и Селл 2001, п. 122.

Источники

дальнейшее чтение

  • Эмануэль Глускин, «Схема люминесцентной лампы», (Выставки схем и систем)
  • IEEE Transactions on Circuits and Systems, Part I: Fundamental Theory and Applications 46 (5), 1999 (529–544).

внешняя ссылка