9zip.ru Радиотехника, электроника и схемы своими руками Как работает ЛДС

На нашем сайте мы неоднократно писали об устройстве, работе, ремонте и доработках энергосберегающих компактных люминесцентных ламп. По сути, "энергосберегайка" - это та же ЛДС, только в компактном исполнении, в которой дроссель замёнён электронным пуско-регулирующим аппаратом (ЭПРА, электронный балласт), а стартёр - резонансным конденсатором. Тем не менее, не все знают, как работает самая обычная ЛДС. Данный материал, найденных в архивах и присланный одним из наших посетителей, поможет пролить свет на этот вопрос.

Люминесцентные лампы бывают двух типов: высоковольтные и низковольтные. Низковольтные лампы могут непосредственно, без трансформатора, включаться в осветительную сеть, и в дальнейшем мы будем говорить только о них. Напряжение, приложенное к вводам лампы, распределяется внутри трубки на катодное и анодное падение и на падение в положительном столбе. Излучение положительного столба служит для возбуждения люминофора, а мощность, расходуемая у электродов, представляет собой потери. Чем больше расстояние между электродами, тем больше падение напряжения в положительном столбе и, следовательно, тем меньшая часть всей мощности расходуется у электродов. Поэтому трубки делают длинными: например для лампы в 40 ватт длина трубки 120 см. Электроды выполняют в виде вольфрамовых биспиралей, покрытых оксидной пастой для уменьшения работы выхода электронов. Оба электрода совершенно одинаковы, так как при работе на переменном токе каждый из них служит одну половину периода катодом, а другую — анодом. При нормальном режиме электроды поддерживаются в раскалённом состоянии самим разрядом, в результате бомбардировки электронами. Катодное и анодное падения напряжения в сумме составляют от 12 до 18 вольт. В процессе работы биспираль постепенно дезактивируется, и, наконец, лампа выходит из строя, проработав приблизительно 3000 часов (нормальный срок службы лампы накаливания 1000 часов).

Пожалуй, основной недостаток ЛДС — сложность их включения в цепь. Люминесцентная лампа, подобно всякому газоразрядному прибору, обладает довольно сложными электрическими характеристиками. Прежде всего различают 2 режима работы лампы: режим зажигания и режим нормального горения. Кроме того, люминесцентная лампа обладает падающей вольтамперной характеристикой, т. е. с ростом силы тока падение напряжения на лампе уменьшается. Отсюда ясно, что люминесцентную лампу нельзя включить в сеть так же просто, как лампу накаливания.


Если в процессе горения лампы накал электродов поддерживается электронной бомбардировкой, то предварительно их нужно раскалить как-то иначе. Повернув выключатель, мы подаём напряжение на электроды лампы. Но так как её спирали ещё холодны, ток идет не через лампу, а через обе спирали, последовательно включённые через реле тлеющего разряда. Это — миниатюрная разрядная трубка, наполненная инертным газом. Один из электродов выполнен в виде биметаллической пластинки. В холодном состоянии электроды разомкнуты, при нагревании они закорачиваются. Потенциал зажигания реле ниже напряжения в сети, но выше падения напряжения в уже горящей лампе при накалённых электродах. Итак, при включении лампы реле зажигается и через него, как и через обе спирали лампы, идёт ток, но весьма слабый, так как внутреннее сопротивление реле при тлеющем разряде велико. Через короткий промежуток времени под действием разряда электроды в реле нагреваются, выгибаются, и реле закорачивается. Ток через спирали лампы сильно возрастает, и они накаляются. В этот момент охладившиеся электроды реле снова размыкаются, и полное напряжение сети подаётся на лампу. А так как спирали уже раскалены (вследствие тепловой инерции они сохраняют накал некоторое время после прекращения прохождения тока через них), люминесцентная лампа вспыхивает и начинает гореть. Напряжение на её электродах падает, и реле больше не зажигается. Если же лампа почему-либо не загорится, снова зажигается реле, и всё повторяется сначала. Реле «не отстаёт» от лампы, пока та не. загорится.

Падение напряжения на ЛДС при нормальном режиме примерно в 2 раза ниже напряжения в сети (без такой разницы напряжения трудно было бы обеспечить зажигание лампы). Значит, последовательно с лампой необходимо включать балластное сопротивление. Если его сделать чисто омическим, около половины мощности будет расходоваться бесполезно. Поэтому вместо реостата включают дроссель — катушку медной проволоки, намотанной на железный сердечник. Самоиндукция дросселя ограничивает силу переменного тока. Кроме того, дроссель даёт пик напряжения в момент разрыва контакта в реле, что облегчает зажигание лампы. Однако наличие дросселя приводит к сдвигу фаз между силой тока и напряжением в цепи лампы, т. е. к ухудшению косинуса фи. Для компенсации сдвига фаз часто, кроме дросселя, включают ещё конденсатор.

Потери в дросселе составляют от 16 до 30% мощности лампы. Включение люминесцентных ламп группами даёт возможность снизить эти потери. Вместе с тем, рационально группируя лампы по две или по три, можно уменьшить колебания светового потока в течение периода переменного тока. Такие колебания благодаря малой инерции люминофора у люминесцентной лампы больше, чем у лампы накаливания. Две лампы включают, искусственно создавая сдвиг по фазе между первой и второй лампами, три лампы включают на три разные фазы при трёхфазном токе. При трёх лампах колебания общей силы света оказываются в течение периода даже меньше, чем у 40-ваттной лампы накаливания.

ЛДС должны были получить широкое применение прежде всего в текстильной, полиграфической и некоторых других отраслях промышленности. Ими же планировалось освещать также музеи и картинные галереи. Для освещения обычных помещений, когда точной цветопередачи не требуется, не было необходимости применять лампы дневного света.

Глаз, оказывается, определённым образом связывает освещённость с цветовой температурой источника. Дневной свет приятен для глаза только тогда, когда уровень яркости близок к дневному. Искусственный же свет даёт пока ещё обычно меньший уровень яркости, а при меньшем уровне яркости нам приятнее более красный свет. При обычных освещённостях простая лампа приятнее для глаза, чем лампа дневного света.

Устройство люминесцентного освещения сильно упрощается малой яркостью люминесцентных ламп. Светящаяся нить лампы накаливания обладает яркостью около 1000 стильбов, а яркость поверхности люминесцентной лампы менее одного стильба. Поэтому при сколько-нибудь высоких требованиях к качеству освещения лампы накаливания приходится окружать со всех сторон рассеивающей поверхностью {молочные шары) или по крайней мере обеспечивать весьма значительные защитные углы арматуры. Напротив, люминесцентные лампы применяются в арматуре типа открытых диффузных отражателей с небольшим защитным углом. Они мало слепят глаз.

Люминесцентные лампы начали применяться только с 1938 г. В те времена люминесцентное освещение было очень молодой отраслью светотехники, которая быстро развивалась и совершенствовалась.

Подразумевалось, что многое будет сделано в направлении упрощения включения ламп в сеть и их зажигания. Многие чисто технические усовершенствования должны были облегчить внедрение люминесцентных ламп, увеличить их экономичность. Но первоначально был поставлен только один, более общий вопрос: каковы принципиальные пределы световой отдачи люминесцентного источника света, насколько близок он сейчас к потолку своей экономичности?

Очевидно, теоретический предел световой отдачи ртутной люминесцентной лампы дневного света мы получим, полагая, что вся энергия разряда переходит в излучение с длиной волны 2537 и что квантовый выход люминофора равен 1, т. е. что он даёт фотон видимого света на каждый фотон поглощённого ультрафиолета.

Длину волны видимого света, испускаемого люминофором, в среднем примем вдвое большей, чем длина волны света поглощённого. Подсчитано, что для лампы дневного света средний коэффициент видности равен 0.44. Потери заключаются в правиле «квант за квант». Люминофор отдаёт за фотон ультрафиолета, обладающий большой энергией, фотон видимого света с энергией значительно меньшей. Остальная энергия переходит в тепло. Чем больше разница между длиной волны возбуждающего света и длиной волны света излучённого, тем меньше становится энергетический выход.

Существенный недостаток люминесцентных ламп — зависимость их светоотдачи от температуры окружающего воздуха. Резкое изменение внешней температуры приводит к изменению температуры лампы, а следовательно, и давление паров ртути меняется.

Лампа выходит из определённого режима, и её отдача уменьшается. Коренным образом можно было бы ликвидировать этот недостаток, заменив пары ртути каким-нибудь инертным газом. Но резонансные линии инертных газов лежат в пределах от 584 для гелия до 1469 для ксенона. Обмен таких квантов на видимое излучение «квант за квант» совсем невыгоден, и, действительно, опыты показали крайне низкую отдачу ламп, в которых излучают инертные газы.
Но быть может, если энергия кванта очень велика, его можно «разменять» на 2 или 3 кванта видимого света, которые в сумме будут обладать меньшей энергией, и только небольшой остаток получить в виде теплоты?

При оптическом возбуждении паров натрия такой размен действительно наблюдается. После однократного акта поглощения кванта, соответствующего длине волны 3302.34, атом натрия приходит в возбуждённое состояние, из которого возвращается в первоначальное состояние не сразу, а проходя через две промежуточные ступени, причём излучаются 3 кванта, соответствующие длинам волн 22057, 11382 и 5895.93 (уровни энергии у натрия раздвоены; мы привели только один из возможных путей перехода). Мы видим, что здесь один «крупный» квант разменян на 3 «мелких». Намечается как будто возможность получения люминофоров, обладающих способностью «разменивать» кванты. Если эти надежды оправдаются, сразу появится возможность отказаться от применения ртути в люминесцентных лампах и одновременно значительно увеличить их светоотдачу.

Литература:

Теория и практика переделки энергосберегаек
Практика ремонта КЛЛ
Модернизация энергосберегающих ламп
Схемы и работа энергосберегающих ламп
Ремонт энергосберегающих лампочек
ЭПРА для галогенок

Переделка настольной лампы
Настольная лампа с электронным балластом

Светильник из ЛДС с ЭПРА от энергосберегайки
Ещё один светильник из ЛДС

Ультрафиолет из лампы ДРЛ
Бактерицидный светильник

Регистратор космических частиц из ЛДС

Виртуальный музей старых радиодеталей:
Газоразрядные приборы
Неоновые лампы
Лампы накаливания

С. И. Вавилов. Люминесценция и её применение в технике. Электричество, № 12, 3, 1947.
С. И. Вавилов. Глаз и солнце. Изд. АН СССР, М.—Л., 1941
Н. Н. Ермолинский и Е. Б. Шефтель. Люминесцентные лампы в текстильной промышленности. Электричество, № 8, 16, 1946.
А. П. Иванов. Электрические источники света. Лампы газового разряда. Госэыергоиздат, М.— Л., 1948.
Д. Н. Лазарев. Техника освещения театральных сцен и картинных галерей. Электричество, № 12, 14, 1947.
А. В. Луизов. Лампы дневного света. Физика в школе, № 1, 1949.
Ш. Фабри. Общее введение в фотометрию. ОНТИ—ГТТИ, Л-—М., 1934.
В. А. Фабрикант. Физика и техника люминесцентных ламп. Успехи физ. наук, XXVII, вып. 2, 159, 1945.
Н. Т. Фёдоров. Общее цветоведение. Гос. Научн. техн. изд-во, М., 1939.
Б. Ф. Фёдоров. Общий курс светотехники. Госэнергоиздат, М.—Л., 1944.
C. L. Awick. Fluorescent Lighting Manual. 1947.

Понравилась статья? Иосиф Виссарионович говорит: поделись с друзьями!