Разработка Люминесцентных Ламп Повышенной Интенсивности

Разработка люминесцентных ламп повышенной интенсивности
Серьезным недостатком стандартных люминесцентных ламп трубчатой формы являются их большие габариты (особенно длина) при малой мощности и, как следствие, малые яркости. В силу этого требуется большое количество материалов на производство ламп и светильников и практически невозможно создать высокие уровни освещенности, необходимые для точных зрительных работ. Поэтому давно (с 50-х годов) делались попытки повысить яркость люминесцентных ламп при сохранении высокой световой отдачи и срока службы. Очевидно, что повышение яркости неизбежно связано с повышением w=k]1EI/nd.
Пути повышения световой отдачи при повышенных значениях w. Простое повышение мощности стандартных типов ламп выше определенного предела путем увеличения силы тока приводит к существенному падению световой отдачи. При перегрузке 40-ваттной лампы до 200 Вт ее температура повышается до 90—95 °С, а световая отдача падает до 34 %. При искусственном поддержании давления паров ртути на оптимальном уровне (Гтр=44-ь-50°) при том же повышении мощности световая отдача падает до 45—48 %. Поэтому задача создания люминесцентных ламп с высокой световой отдачей при повышенных значениях w состояла прежде всего в том, чтобы найти условия разряда, обеспечивающие при повышенных удельных мощностях более высокий выход резонансного излучения, чем у ламп обычного типа. Экспериментальные и теоретические исследования, проводившиеся в связи с этим за рубежом и в нашей стране, привели к более глубокому пониманию физических процессов в лампах и созданию теории разряда. В результате наметились пути частичного решения этой задачи и разработки люминесцентных ламп с более высокими световыми отдачами при повышенных значениях w. На основе анализа теоретических соотношений было показано, что необходимые условия разряда сводятся к поддержанию оптимального давления паров ртути, соответствующего максимальному выходу резонансного излучения, независимо от удельной мощности, к повышению электронной температуры, к уменьшению концентрации электронов, к уменьшению числа тушащих соударений и к уменьшению тепловых потерь.
Градиент потенциала Е и электронная температура Те могут быть повышены путем увеличения потерь электронов и ионов за счет их ускоренной рекомбинации. Этого можно достичь, уменьшая давление инертного газа, так как при этом увеличивается скорость биполярной диффузии зарядов к стенке, применяя инертный газ, обеспечивающий больший коэффициент биполярной диффузии, уменьшая диаметр трубки или применяя трубки с большим отношением поверхности к объему (периметра к поперечному сечению), а также размещая в объеме разряда поверхности, способствующие рекомбинации на них электронов с ионами.
Концентрация электронов при том же токе (je=enebeE) может быть снижена за счет увеличения сечения разряда, т. е. диаметра трубки, увеличения градиента потенциала и увеличения подвижности электронов путем снижения давления инертного газа и выбора газа, обеспечивающего наибольшую подвижность электронов.
Уменьшение тушащих соударений может быть достигнуто путем уменьшения пе, уменьшения пути фотонов в разряде за счет уменьшения диаметра, применения трубки с не круглой, а более плоской формой сечения или вытеснения разряда от оси к стенкам.
Все эти пути были исследованы и практически опробованы как за рубежом, так и в нашей стране.
На практике нашли применение люминесцентных ламп с повышенной нагрузкой в трубках с круглым поперечным сечением, в которых повышение световой отдачи достигается за счет подбора состава и давления инертного газа и поддержания давления паров ртути на оптимальном уровне.
Люминесцентные лампы повышенной мощности в трубках с некруглым сечением, выпускавшиеся в 50-х годах некоторыми зарубежными фирмами, например «Вестингауз» (США) под маркой SHO (сверхвысокой отдачи), из-за ряда недостатков не нашли применения и перестали выпускаться. Однако поскольку в этих лампах были использованы интересные технические решения, кратко остановимся на их особенностях.
Практически были реализованы лампы с вмятинами (испытывались также и винтообразные), обеспечивающие достаточную механическую прочность конструкции. Вмятины делались как с одной стороны трубки, так и поочередно с противоположных сторон. Со стороны разряда вмятины представляют выступы, входящие в плазму. В такой лампе удлиняется эффективный путь разряда (примерно на 20%), увеличивается отношение периметра к сечению и уменьшается средний путь фотонов в плазме. Благодаря этому получаются более высокие значения Е и Те и улучшается выход УФ-излучения. Ранты (края) вмятин вследствие меньшей плотности тока с этих зонах меньше нагреваются и являются холодными зонами. При правильном подборе формы они имеют температуру, оптимальную с точки зрения давления паров ртути.
Начальная световая отдача подобных ламп была на 5—10 % выше, чем у аналогичных ламп круглого сечения. Однако спад потока со временем оказывался значительно более быстрым, так что в среднем световая отдача люминесцентных ламп с вмятинами оказывалась заметно ниже. Быстрый спад потока объяснялся весьма значительной неравномерностью плотности облучения, ионной бомбардировки и нагрева по сечению. В центре выступов (вмятин) плотность в десятки раз превышала среднюю плотность в трубке с круглым сечением, что приводило к быстрому росту процессов разрушения люминофора. Это обстоятельство, а также значительная сложность изготовления привели к тому, что эти лампы не получили распространения.
Методы поддержания оптимального давления паров ртути при повышенных w. В лампах, работающих при температурах колбы выше 50—60 °С, оптимальное давление паров ртути р0пт может быть обеспечено путем поддержания небольшого участка колбы при более низкой температуре, соответствующей р0т, или путем применения амальгам ртути, имеющих более низкую упругость пара ртути.
Холодные зоны могут быть получены путем увеличения теплоотвода с внешней поверхности лампы, или путем уменьшения притока тепла к небольшому участку колбы изнутри, или одновременно тем и другим способом. Были опробованы следующие методы поддержания давления паров ртути на оптимальном уровне при помощи искусственного создания холодных зон:

• Применение тепловых экранов на концах лампы для создания холодных зон за электродами. С этой целью позади электродов на некотором расстоянии от них помещаются экраны, например, из никелевой жести, хорошо отражающие излучение электродов и разряда. Оптимальные расстояния устанавливаются опытным путем, так как расчеты сложны и содержат много допущений. К недостаткам этой конструкции относятся неприятное зрительное ощущение от затемненных концов лампы, усложнение конструкции и рост концевых потерь.
  
• Изготовление ламп с небольшими выступающими отростками, которые меньше нагреваются разрядом, вследствие чего имеют более низкую температуру.


• Применение радиаторов различной конструкции, укрепляемых на охлаждаемом участке поверхности лампы и увеличивающих теплоотвод. Использование радиаторов усложняет монтаж ламп.


• Увеличение теплоотвода путем обдува ламп при помощи вентиляторов. Этот метод удобно использовать только при наличии установок кондиционирования воздуха.


• Охлаждение при помощи автоматически действующих термоэлектрических холодильников. Этот метод не используется из-за высокой стоимости таких холодильников.

В настоящее время искусственные холодные зоны нашли практическое применение в компактных люминесцентных ламп. В других случаях применяют амальгамы.
Выбор состава наполняющего газа и его давления. Исследование вопроса показывает, что с точки зрения повышения начальной световой отдачи преимущество применения того или иного газа зависит от удельной мощности. При малых мощностях, когда вторичные процессы малы, световой поток растет пропорционально мощности. По мере повышения мощности возрастает роль вторичных процессов (тушение и ступенчатое возбуждение) и тепловых потерь; рост светового потока замедляется, постепенно приближаясь к определенному пределу. Чем тяжелее наполняющий газ, тем круче подъем кривой вначале, но тем раньше наступает насыщение и при меньшем значении светового потока. Уровень насыщения определяется в основном электронной температурой. Поэтому он тем выше и наступает при тем больших мощностях, чем легче газ. Более крутой подъем кривых вначале в тяжелых газах объясняется меньшими тепловыми потерями.
Повышение удельной мощности за счет увеличения тока вызывает падение световой отдачи. При малых удельных мощностях наполнение тяжелыми инертными газами дает более высокую световую отдачу, но по мере повышения удельной мощности это преимущество перемещается в сторону более легких газов. Для ламп диаметром 38 мм при удельных нагрузках, больше чем в 2,5 раза превышающих оптимальные, наполнение неоном дает более высокую световую отдачу, чем наполнение аргоном.
Уменьшение давления наполняющего газа повышает световую отдачу.
Таким образом, при создании ламп с 4—5-кратной перегрузкой по сравнению со стандартной замена аргона неоном и снижение давления до 200—267 Па (1,5—2 мм рт. ст.) могут дать выигрыш начальной световой отдачи на 25—50 % по сравнению с аналогичной лампой, наполненной аргоном.
Другой метод решения вопроса о выборе оптимальных условий наполнения для мощных ламп был предложен И. М. Весельницким. Экспериментально и теоретически было показано, что при понижении давления инертного газа Т|Рез проходит через максимум, положение которого по мере повышения PiCT смещается в сторону меньших давлений. Такая закономерность наиболее четко выражена для тяжелых наполняющих газов и больших диаметров трубок (38,54 мм). Исходя из этого было предложено наполнять люминесцентных ламп с высокими PICT тяжелыми инертными газами (Аг, Кг) до значительно более низких давлений, чем принято, лежащих вблизи максимума г|РСз от ри.г. Так, например, максимум iiPe3 при высоких PiCT и диаметрах трубок 38—54 мм получается при наполнении аргоном до 13,3 Па (0,1 мм рт. ст.). При этом срез подобного разряда с PiCT=l,6 Вт/см равен Чгез стандартной люминесцентной лампы мощностью 80 Вт с Р]=0,5 Вт/см. Начальная световая отдача примерно на 10—15 % выше (в зависимости от мощности), чем при наполнении их неоном до давления 270 Па (2 мм рт. ст.). Однако возникают серьезные проблемы с изготовлением и работой электродов.
Выбор состава и давления наполняющих газов определяется не только высоким значением начальной световой отдачи, но также и рядом других факторов. Среди них обеспечение заданных электрических характеристик при заданной длине, а часто и при ограниченных возможностях изменения диаметра, приемлемого напряжения зажигания, достаточно большого срока службы катодов, стабильности светового потока.
В настоящее время для согласования всех этих, подчас противоречивых, требований с успехом применяют смеси нескольких инертных газов, причем выявлено большое разнообразие смесей, которые могут быть использованы для этих целей. В этих условиях важное значение для ускорения разработок и выбора оптимальных составов смесей газов и их давлений наряду с экспериментальными исследованиями приобретает метод математического моделирования .
При необходимости повысить градиент потенциала следует использовать (обычно в смеси с аргоном) более легкие газы, например неон (реже гелий), при необходимости понизить — более тяжелые, например криптон. Предварительное определение градиента потенциала в двухкомпонентной смеси может проводиться по простой эмпирической формуле.
Расчеты напряжения зажигания U3 в газовых смесях пока достаточно. Поэтому в инженерной практике можно рекомендовать ориентироваться на качественные соображения, вытекающие из теории, и уточнять их количественно на основании экспериментов. Расчетное и частично экспериментальное решение этих задач ведется на кафедре светотехники МЭИ.
Падение яркости люминофоров и предельная величина удельной нагрузки люминесцентных ламп. Повышение удельной электрической нагрузки w приводит к повышению температуры трубки и люминофора и увеличению интенсивности воздействия на него облучения коротким УФ-излучением, потоками электронов, ионов и метастабильных атомов. В результате происходит более быстрый спад яркости со временем горения. Исследования люминесцентных ламп с галофосфатными люминофорами показывают, что спад среднего за всю продолжительность горения светового потока увеличивается практически линейно с увеличением удельной электрической нагрузки. Таким образом, средний за срок службы световой поток люминесцентных ламп в зависимости от w, с одной стороны, растет за счет роста начального светового потока, а с другой стороны, падает за счет более быстрого спада среднего за продолжительность горения светового потока. В связи с этим средний за продолжительность горения световой поток Фср имеет максимум в зависимости от w или Рл, положение которого с повышением стабильности люминофора смещается в сторону больших w или Рл. Действительно, зависимость нулевого (не более чем через 2—3 ч горения) светового потока люминесцентных ламп от w можно выразить формулой, однотипной с формулой, описывающей зависимость выхода резонансного излучения от концентрации электронов.
Разработка люминофоров с узкополосными спектрами излучения, обладающих высокой радиационной и термической стабильностью и высокими квантовыми выходами, позволила создать люминесцентную лампу с повышенными удельными нагрузками до со спадами светового потока, не превышающими спада в стандартных лампах с люминофором ГФК- На этой основе за последние 10— 15 лет были разработаны два новых класса люминесцентных ламп: так называемые энергосберегающие люминесцентные лампы и маломощные компактные люминесцентные лампы для замены ламп накаливания.