Первая стеклянная вакуумная трубка была создана в 1856 году немецким изобретателем Генрихом Гейслером, который разработал вакуумный насос для откачки воздуха из стеклянной емкости. Позже эта прямая трубчатая форма получила название трубка Гейслера.
Принцип работы люминесцентной лампы
Люминесцентные лампы стали самыми популярными среди эвакуационных светильников. Эти устройства представляют собой стеклянные цилиндры с люминофорным покрытием на внутренней поверхности. Принцип работы люминесцентной лампы основан на создании газового разряда в газообразной среде, содержащей разбавленные пары ртути внутри лампы. Под действием ультрафиолетового излучения люминофор начинает светиться, что и является источником основного светового потока.
Перед тем как углубиться в принципы работы люминесцентной лампы, стоит хотя бы кратко обсудить историю ее разработки. Впервые явление флуоресценции было обнаружено в середине 18 века выдающимся российским ученым М.В. Ломоносовым. В ходе эксперимента использовалась стеклянная оболочка, заполненная водородом. При подаче электрического тока эта оболочка начала излучать видимый свет. Тем не менее, данное устройство не расценивалось как полноценный источник света, и серьезные исследования в этой области стартовали только в 19 веке.
В 1856 году немецкий стеклодув Гейслер продемонстрировал способность извлекать воздух из стеклянной бутылки, используя созданный им вакуумный насос. С помощью высоковольтной катушки он смог вызвать зеленоватое свечение внутри бутылки. Это устройство получило название вакуумная трубка Гейслера. В 1859 году Александр Беккерель начал покрывать трубки материалами с флуоресцентными свойствами. С этого момента началось активное развитие данного типа осветительных приборов. В то время проекты оставались в стадии экспериментов, но идея продолжала развиваться и находила практическое применение.
Первую публичную демонстрацию трубок Гейслера в 1891 году осуществил американский ученый Никола Тесла. Он наглядно показал, что трубки с различными покрытиями способны светиться при воздействии высокочастотного электрического поля. В том же году Тесла получил патент на аргоновые газоразрядные лампы, предназначенные для систем освещения.
Первые лампы, содержащие ртуть, были созданы американским изобретателем Петером Хьюиттом. Они излучали бледный сине-зеленый свет благодаря ртутным парам и имели превосходящие характеристики по сравнению с лампами Эдисона. Тем не менее, эти цветовые оттенки не получили широкого распространения в области искусственного освещения. В 1926 году немецкий изобретатель Эдмунд Гермер добился появления мягкого белого света, нанеся флуоресцентный порошок, известный как люминофор, на внутреннюю поверхность лампы и увеличив давление внутри нее. Свет, испускаемый этим источником, был значительно ярче, чем у ламп накаливания. Дизайн данных устройств был задуман с учетом современных люминесцентных ламп.
В 1934 году компания General Electric запатентовала и начала выпуск нового типа ламп. Они сразу же приобрели большую популярность и стали применяться по всему миру в качестве источников искусственного освещения, заменяя традиционные лампы.
Характеристики конструкции
Корпусы всех ламп, независимо от их формы, имеют цилиндрическую форму. Их внешний диаметр составляет 12, 16, 26 и 38 мм. Источники света чаще всего располагаются в прямой линии, однако некоторые из них могут быть выполнены в виде кольца, U-образной или спиральной формы и так далее.
В конструкции люминесцентной лампы концы запаяны стеклянными стержнями, в которые встроены электроды зажигания. Эти электроды делают из вольфрама и они имеют спиральное расположение, аналогично обычным лампам накаливания. Снаружи электроды соединяются с клеммами основания, которые функционируют как контакты. Прямоугольные и U-образные лампы имеют два типа цоколей — G5 и G13. Цифры в этой маркировке указывают расстояние между штифтами в миллиметрах. При изучении устройства лампы необходимо отметить, что в одно из стеклянных оснований помещен специальный стержень, через который в лампу нагнетается воздух. Затем внутрь попадает инертный газ с небольшим количеством ртути (примерно 30 мг). Вместо чистой ртути может также использоваться амальгама — сплав ртути с такими металлами, как индий, висмут и другими. Вольфрамовые электроды покрыты активирующим веществом. Для этой цели применяются оксиды бария, кальция или стронция. В некоторых случаях добавляется торий.
Ключевая задача электродов заключается в передаче и приеме ионов и электронов, что обеспечивает протекание тока в области, где происходит разряд. Для активации процесса выделения тепла их необходимо нагреть до температуры 1100-1200 градусов Цельсия. Поверхность активного материала начинает излучать электроны. В ходе работы слой этого материала постепенно истощается и оседает на стенках стеклянной колбы, что влияет на общий срок службы люминесцентной лампы. Максимальная интенсивность ультрафиолетового излучения ртути достигается благодаря эффективному использованию разряда. При этом внутри лампы необходимо поддерживать соответствующую температуру. Диаметр лампы определяется этими техническими требованиями.
Эффективность работы лампы для светильника во многом определяется плотностью тока. Для вычисления этого параметра нужно разделить текущее значение тока на поверхность поперечного сечения цилиндра. Мощность лампы прямо пропорциональна ее длине, следовательно, просто уменьшить размер лампы невозможно. Поэтому размеры были скорректированы путем изменения конфигурации таким образом, чтобы общая длина устройства осталась без изменений.
Принцип работы устройства с люминофором
Работа люминесцентной лампы в значительной степени зависит от ее конструкции. Газ внутри лампы создает электропроводящую среду с отрицательным сопротивлением, что приводит к изменению напряжения между электродами, расположенными по разные стороны устройства. При увеличении тока напряжение начинает снижаться, и его необходимо ограничивать.
Люминесцентная лампа для освещения активируется с помощью электромеханического устройства, известного как электронный предваряющий резистор (ЭПРА). Ключевыми элементами данной системы являются дроссель и стартер. Первое устройство создает высоковольтный импульс, способствующий инициированию горения. Второй элемент представляет собой лампу накаливания, внутри которой находятся два электрода в газовом окружении. Один из этих электродов — биметаллическая пластина, и в начальной стадии оба электрода остаются открытыми.
Процесс ввода светильника в эксплуатацию и его дальнейшая работа должны выполняться по следующему алгоритму:
- В первую очередь на пусковую цепь подается напряжение. Сначала ток не проходит через лампу, поскольку он ограничен высоким сопротивлением внутренней среды. Он достигает катодов катушек, нагревая их. В то же время ток поступает к стартеру, вызывая в нем тлеющий разряд.
- Когда контакты дросселя начинают нагреваться под действием электрического тока, биметаллическая пластина замыкается. Это преобразует металл в проводник, что приводит к прекращению разряда.
- На следующем этапе, по мере охлаждения биметаллического электрода, контакты размыкаются. Индукция, возникающая в дросселе, генерирует высоковольтный импульс, который инициирует зажигание лампы.
- Ток, протекающий через лампу к светильнику, постепенно уменьшается наполовину из-за падения напряжения на катушке дросселя. Хотя недостаточно повторно запустить стартер при разомкнутых контактах, сама лампа продолжает работать.
Когда в одном светильнике используются две лампы, схема подключения должна включать единую дроссельную катушку для обеих ламп. Лампы соединены последовательно, при этом каждая из них оснащена своим стартером, который подключён параллельно. В случае если одна лампа выходит из строя, это приводит к отключению второй. Рекомендуется использовать в цепи только качественные выключатели, так как у моделей низкого качества под давлением входного тока контакты могут прилипать. Учитывая, что дроссель и стартер являются ключевыми элементами цепи, их функционирование следует изучить более подробно.
Электромагнитный дроссель представляет собой катушку, намотанную на сердечник из высокопроницаемой электротехнической стали, что увеличивает индуктивность.
Устройство люминесцентной лампы
Сначала давайте разберемся в устройстве люминесцентной лампы и лампы дневного света (CFL).
Люминесцентная лампа состоит из:
- Стеклянной трубки (лампы), внутренняя поверхность которой покрыта специальным составом — фосфором, а также заполнена инертным газом;
- Двух вольфрамовых нитей, находящихся в торцевых колпачках и покрытых металлом, который при нагревании выбрасывает большое количество свободных электронов;
- Капли ртути, расположенной внутри колбы лампы.
Конструкция люминесцентной лампы с дроссельным управлением.
Принцип работы люминесцентной лампы (светильника)
Ртуть в лампе испаряется, образуя пары ртути, которые постоянно присутствуют внутри стеклянной трубки. Когда электрический ток проходит через нити накала, они начинают разогреваться. Металлическое покрытие этих нитей выделяет свободные электроны. Эти электроны, в свою очередь, выбивают дополнительные электроны из атомов инертного газа.
Теперь происходит активация зажигания. Подвижная биметаллическая пластина нагревается и соприкасается с неподвижным контактом. Ток резко увеличивается, и в люминесцентной лампе образуется тлеющий разряд. Частицы, которые высвобождаются из атомов инертного газа, взаимодействуют с атомами ртути, что приводит к излучению света в ультрафиолетовом диапазоне. Это, в свою очередь, вызывает свечение покрытия из люминофора.
Зачем нужен дроссель для люминесцентной лампы? Принцип его работы.
Дроссель выполняет ключевую роль в процессе зажигания лампы и поддержания ее работы. В момент старта дроссель создает волну напряжения с достаточно высокой амплитудой. Это вызывает разряд между катодом и анодом (фактически нитью накаливания на концах лампы). После включения лампы он обеспечивает стабильную работу, выполняя функцию балласта в цепи разряда и предотвращая риск возникновения дугового замыкания.
Вас также может заинтересовать — «Запуск электричества».
