Луминесцентна лампа

Луминесцентните лампи (наричани също и флуоресцентни лампи), известни още като луминесцентни тръби, са тип газоразрядни осветителни тела, които се състоят от стъклена тръба, запълнена с разреден газ (смес от инертни газове и живачни пари) при ниско (около 300 Pa) налягане и покрита от вътрешната ѝ страна с луминофор. При подаване на напрежение между анода и катода на лампата протича газов разряд, който е съпроводен с ултравиолетово излъчване, водещо до флуоресценция на луминофора.

Луминесцентни лампи с различни форми.

За разлика от лампите с нажежаема жичка, луминесцентните лампи изискват електронен баласт, който регулира енергийния поток в лампата. Въпреки това луминесцентната лампа превръща електрическата енергия в полезна светлина по-ефикасно и използва по-малко енергия за същото количество светлина, отколкото лампите с нажежаема жичка, но светодиодите са още по-съвършени. По-ниските енергийни разходи обикновено се компенсират с по-високата цена на лампата. Докато големите луминесцентни лампи се използват най-вече в търговски, индустриални и институционални сгради, компактните луминесцентни лампи се използват като алтернатива за спестяване на енергия в домовете.

Компактни флуоресцентни лампи с едисонов цокъл E27

Луминесцентните лампи са широко използвани за осветяване на промишлени помещения и обществени сгради през втората половина на XX век, а в началото на XXI век – и в жилищното осветление. Тогава масово се произвеждат компактни луминесцентни лампи, които могат да заменят лампите с нажежаема волфрамова жичка (винтообразни цокли E14, E27). Съгласно подписаната през 2013 г. Минаматска конвенция флуоресцентните лампи са изтеглени от обращение, а от 2020 г. производството, износа и вноса им са напълно забранени. В съвременния свят те са заменени от светодиодни лампи, които са по-енергийно ефективни и издръжливи, не съдържат живак и струват по-малко от компактните флуоресцентни лампи.

История

Луминесценцията на някои скали и други вещества се наблюдава в продължение на стотици години, дори преди природата ѝ да е разбрана. Около средата на XIX век са проведени експерименти, при които е наблюдавано сияние, излизащо от частично прочистени от въздух стъклени съдове, през които минава електрически ток. Ирландецът Джордж Гейбриъл Стокс е един от първите учени, обяснили феномена през 1852 г., и го нарича флуоресценция по името на флуорита – минерал, от който много образци сияят, поради примеси.

Развиването на неоновите лампи играе важна роля за луминесцентните лампи, тъй като те използват луминесцентно покритие след 1926 г.^[1] Въпреки това целта на тези лампи е основно за реклама и не толкова за осветление. Все пак, това не е първата употреба на луминесциращи покрития – Бекерел и Едисън използват същата идея и по-рано.^[2][3]

Към края на 20-те години на XX век всички важни елементи на луминесцентните лампи са налице. Годините на изобретения и развитие са предоставили всички ключови компоненти за флуоресциращите лампи: икономически изгодно производство на стъклени тела, инертни газове за напълването им, електрически баласти, електроди с по-голяма издръжливост, живачна пара като източник на луминесценция, ефективни начини за производство на надежден електрически разряд и флуоресциращи покрития, които могат да се енергизират с ултравиолетови лъчи.

През 1934 г. Артър Холи Комптън докладва на General Electric, че е провел успешен експеримент с луминесцентно осветление във Великобритания. Скоро след това е създаден прототип на луминесцентна лампа. Това не е тривиално, тъй като е нужно експериментиране с размерите и формите на лампата, конструкцията на катода, налягането на аргона и живачната пара, цветовете на флуоресциращия прах, методите за привличането им към вътрешността на лампата и други.^[1] От General Electric обаче използват контрола си върху патентите, за да пречат на конкуренцията, като така вероятно забавят въвеждането на луминесцентното осветление с около 20 години. Накрая, луминесцентните лампи започват да набират популярност по време на Втората световна война, тъй като военното производство се нуждае от денонощно работещи заводи с интензивно, но икономично осветление.

Продажбите на първите луминесцентни лампи на широката публика започват към края на 30-те години на XX век, като по това време на пазара има четири размера. Пазарът им се разширява драстично по време на войната, тъй като възниква нужда от икономично осветление. Към 1951 г. в САЩ е произведена повече светлина от луминесцентни лампи, отколкото от лампи с нажежаема жичка.^[4]

През първите години се използва вилемит с различно съдържание на берилий и се получава зеленикава светлина. Малки добавки от магнезиев волфрамат увеличават синята част на спектъра, като така се постига приемлива бяла светлина. След като е установено, че берилият е отровен, той бива изместен от халофосфатни луминофори.^[5]

Принцип на действие

Нагревателен електрод на луминесцентна лампа.

Класическа схема на свързване.

65-ватова луминесцентна лампа, запалвана с полу-резонансна стартова верига.

Компактна луминесцентна лампа, която е достигнала края на живота си поради адсорбция на живака.

В класическата електрическа схема веригата се затваря от устройство, наречено стартер. Той затваря и прекъсва електрическата верига, като по този начин създава необходимите условия за самоиндукция на високо напрежение (около 1000 V) в дросела, което е необходимо за запалване на разряда. По време на затваряне на веригата, нагревателни електроди в лампата излъчват електрони, подпомагащи йонизацията на газа. Те са едно от слабите места на тези лампи, което често се поврежда.

Дроселът е бобина, навита на магнитопровод с въздушна междина. Той има за цел да осигури високо електрическо напрежение за запалване на разряда в лампата и след това да ограничи протичащия през нея ток.

Тлеещият разряд в стартера започва при 160 V. Биметалните пластинки се нагряват, огъват се и затварят веригата, изстиват и разкъсват веригата. Това продължава до запалване на разряда в лампата. Напрежението при запалена лампа спада до 100 – 130 V и стартерът спира да функционира.

Луминофорът, нанесен от вътрешната страна на луминесцентните тръби, превръща произведената в лампата ултравиолетова светлина (невидима за човешкото око) във видима светлина.

Средната продължителност на живот на луминесцентните тръби е 7500 часа и зависи от режима на работа на лампите. Обикновено те имат по-дълъг живот от лампите тип нажежаема жичка. Луминесцентните лампи са сравнително енергоспестяващи, но светодиодните са още по-икономични от тях.

Спектър на излъчване на луминесцентните лампи

Типична луминесцентна лампа с редкоземен луминофор
Луминесцентна лампа с естествена светлина
Жълта луминесцентна лампа
Луминесцентна лампа с черна светлина

Употреба

Луминесцентните лампи имат различни форми и размери.^[6] Все по-популярни са компактните луминесцентни лампи. Те включват спомагателната електроника в основата на лампата, което им позволява да се поставят в стандартно гнездо за лампа с нажежаема жичка.

Луминесцентните лампи се срещат често в кухни, мазета или гаражи, но училищата и предприятията спестяват значителни суми, използвайки този вид лампи, и рядко използват лампи с нажежаеми жички. В повечето държави жилищната употреба на луминесцентно осветление варира според цената на електроенергията, финансовите и екологичните проблеми на местното население, както и приемането на излъчваната светлина. Някои държави насърчават заменянето на лампите с нажежаема жичка с флуоресцентни лампи или други видове енергоефективни лампи.

Специални луминесцентни лампи често се използват при театрално осветление, както и при производството на филми и видео. Те имат по-студена светлина от традиционните халогенни източници на светлина и използват високочестотни баласти, което предотвратява трептенето.

Предимства и недостатъци

Предимства

Луминесцентните лампи преобразуват по-голяма част от внесената енергия във видима светлина, отколкото лампите с нажежаема жичка, т.е. имат по-голяма светлинна ефективност (произведен светлинен поток на единица входна мощност). Една 100-ватова лампа с волфрамова жичка може да преобразува едва 5% от консумираната мощност в светлина, докато обичайната луминесцентна лампа преобразува около 22% от мощността в светлина. Светлинната ефективност на луминесцентните лампи варира от 16 лумена на ват до над 100 лумена на ват,^[7] като най-често се срещат лампите с ефективност от 50 до 67 lm/W. Обикновената луминесцентна лампа има 10 – 20 пъти по-голям живот, отколкото еквивалентна лампа с нажежаема жичка. Следователно, по-високата първоначална цена на луминесцентната лампа в сравнение с лампата с нажежаема жичка, често се компенсира от по-ниската консумация на енергия през живота ѝ.^[8] Този вид лампи разпръскват светлината по-равномерно и причиняват по-малко светлинни отблясъци. Луминесцентните лампи излъчват много по-малко топлина – около 1/5 от тази на еквивалентна лампа с нажежаема жичка. Това намалява консумацията на енергия за климатизиране на офис сгради, които обикновено имат много лампи и малко прозорци.

Недостатъци

Биене, създадено при снимането на филм при стандартно луминесцентно осветление.

Ако лампата е инсталирана на място, където често се включва и изключва, тя ще се износи бързо.^[9] При екстремни условия нейният живот може да е много по-къс, отколкото този на една евтина лампа с нажежаема жичка. Всеки стартов цикъл леко износва електрон-излъчващата повърхност на катодите. Използваната енергия за запалване на лампата е равностойна на няколко секунди нормална работа и следователно е по-енергоефективно тя да се изгаси, когато не е нужна за няколко минути.^[10][11] При счупване на този вид лампа се отделя малко количество живак, който може да замърси околната среда. Луминесцентните лампи с магнитен баласт трептят с честота от 100 или 120 Hz (нормално незабележима, но това трептене може да причини проблеми у някои хора с фотосензитивност).^[12] Луминесцентните лампи излъчват малко количество ултравиолетови лъчи. Американско проучване от 1993 г. е установило, че осем часа престой под такава лампа е еквивалентен на една минута престой на слънце.^[13] Това лъчение може да увреди пигментите в картините (особено такива, рисувани с водни бои) и да причини избледняване на боите в текстилни изделия. Тези лампи се нуждаят от баласт, който да стабилизира тока в лампата и да предоставя първоначално напрежение за запалването ѝ. Повредени баласти могат да станат източник на бръмчене. Луминесцентните лампи работят най-добре при стайна температура и ефективността им намалява, когато температурата е твърде висока или ниска. Към края на живота си тези лампи могат да започнат да трептят с по-ниска честота дори и от тази на захранването.^[14] Електромагнитните баласти могат да създават проблеми при записването на видео, тъй като може да се създаде т. нар. биене между периодичното четене на сензора на видеокамерата и колебанията в интензитета на лампата. Изхвърлянето и рециклирането на луминесцентните лампи представлява проблем за околната среда, тъй като съдържат живак.

Вижте също

• Луминесценция
• Газов разряд