Люминесцентные лампы: параметры, устройство, схема, плюсы и минусы по сравнению с другими

Варианты подключений

Подключение с использованием электромагнитного баланса (ЭмПРА)

Наиболее распространенный тип подключения люминесцентного источника света — схема со стартером, где используется ЭмПРА.

Принцип действия схемы базируется на том, что в результате подключения питания в стартере возникает разряд и происходит замыкание биметаллических электродов.

Ток в электроцепи проводников и стартера ограничивается только внутренним дроссельным сопротивлением. В результате рабочий ток в лампочке увеличивается почти в три раза, происходит стремительный нагрев электродов, а после потери температуры проводниками возникает самоиндукция и зажигание лампы.

Недостатки схемы:

1. В сравнении с другими способами это довольно затратный вариант с точки зрения расхода электроэнергии.
2. Пуск занимает не меньше 1 – 3 секунд (в зависимости от степени износа источника света).
3. Невозможность работы при низкой температуре воздуха (например, в условиях неотапливаемого подвального или гаражного помещения).
4. Имеется стробоскопический эффект мигания лампочки. Этот фактор отрицательно действует на человеческое зрение. Такое освещение нельзя применять в производственных целях, потому что быстро движущиеся предметы (например, заготовка в токарном станке) кажутся неподвижными.
5. Неприятное гудение дроссельных пластинок. По мере износа устройства звук нарастает.

Схема включения устроена таким образом, что в ней есть один дроссель на две лампочки. Индуктивности дросселя должно хватать на оба источника света. Используются стартеры на 127 Вольт. Для одноламповой схемы они не подходят, там нужны устройства на 220 Вольт.

На картинке внизу показано бездроссельное подключение. Стартер отсутствует.

Схема используется в случае перегорания у ламп нитей накала. Используется повышающий трансформатор Т1 и конденсатор С1, ограничивающий ток, идущий через лампочку от 220-вольтной сети.

Следующая схема используется для лампочек с перегоревшими нитями. Однако отсутствует необходимость в повышающем трансформаторе, благодаря чему конструкция устройства становится проще.

Ниже показан способ использования диодного выпрямительного моста, который нивелирует мерцание лампочки.

На рисунке внизу та же методика, но в более сложном исполнении.

Две трубки и два дросселя

Чтобы подключить лампу дневного света, можно использовать последовательное подключение:

1. Фаза от проводки направляется на вход дросселя.
2. От дроссельного выхода фаза идет на контакт источника света (1). Со второго контакта направляется на стартер (1).
3. Со стартера (1) отходит на вторую контактную пару этой же лампочки (1). Оставшийся контакт стыкуют с нулем (N).

Тем же образом подключают вторую трубку. Вначале дроссель, затем один контакт лампочки (2). Второй контакт группы направляется на второй стартер. Выход стартера объединяется со второй парой контактов источника света (2). Оставшийся контакт следует подсоединить к нулю ввода.

Схема подключения двух ламп от одного дросселя

Схема предусматривает наличие двух стартеров и одного дросселя. Наиболее дорогостоящий элемент схемы — дросселя. Более экономный вариант — двухламповый светильник с дросселем.

О том, как реализовать схему, рассказывается в видео.

Разновидности

Первоначально в качестве ПРА для люминесцентной лампы использовались электромагнитные дроссели (балласты) со стартерами. Этот комплект назывался электромагнитным пускорегулирующим аппаратом – ЭмПРА. Позже появились электронные аналоги ЭмПРА на транзисторах и микросхемах, выполняющие ту же функцию. Они получили название ЭПРА (электронный пускорегулирующий аппарат), или просто «электронный балласт». Рассмотрим конструкцию и принцип работы этих пускорегулирующих устройств.

Нередко под ЭмПРА подразумевают только электромагнитный дроссель, что не совсем верно. ЭмПРА – это дроссель и стартер – два отдельных узла.

Электромагнитный

ЭмПРА – это обычный дроссель – катушка, намотанная на магнитопроводе, и газоразрядная малогабаритная лампочка со встроенными биметаллическими контактами (рабочими электродами).

Рассмотрим процессы, происходящие в светильнике с ЭмПРА. При включении в колбе стартера зажигается разряд, который нагревает электроды из биметалла. В результате электроды замыкаются и подключают к питающей сети через дроссель спирали электродов ЛЛ. При этом тлеющий разряд в колбе лампочки-стартера гаснет.

Спирали люминесцентной лампы разогреваются, их способность испускать электроны многократно увеличивается. После остывания контактов стартера они размыкаются. В результате на электродах ЛЛ появляется импульс высокого (до 1 кВ) напряжения, создаваемого самоиндукцией дросселя.

На схеме буквами обозначены:

• А – люминесцентная лампа.
• В – сеть переменного тока.
• С – стартер.
• D – биметаллические электроды.
• Е – искрогасящий конденсатор.
• F – нити накала катодов.
• G – электромагнитный дроссель (балласт).

Высокое напряжение пробивает газовый промежуток. В колбе ЛЛ начинается разряд. При этом ртуть переходит в парообразное состояние, сопротивление газового промежутка резко падает. Чтобы разряд не перешел в неуправляемый дуговой, ток через лампу ограничивается дросселем с большим индуктивным сопротивлением. Поэтому его называют балластом.

Электронный

Внешне электронный балласт для люминесцентных ламп похож на электромагнитный. У него серьезные конструктивные отличия и другой принцип работы.

Как видно на фото, в электронном балласте много радиоэлементов. Рассмотрим типовую структурную схему ЭПРА и узнаем, как он работает.

Переменное сетевое напряжение проходит через фильтр электромагнитных помех, выпрямляется, сглаживается и подается на инвертор. Задача инвертора – обеспечить напряжение для работы ЛЛ. Сформированное инвертором напряжение через схему ограничения тока (балласт) подается на лампу. Схема запуска служит только для пуска ЛЛ. После выполнения своей функции в дальнейшей работе она не участвует.

Узлы инвертора, балласта и пуска на структурной схеме разделены условно. Часто функции балласта выполняет инвертор, дополнительно являющийся стабилизатором тока. В некоторых схемах он играет роль стартера, самостоятельно принимая решение о подогреве спиралей лампы и о подаче на них запускающего высоковольтного импульса.

Более простые схемы запуска представляют собой обычный конденсатор, образующий со спиралями и выходными дросселями колебательный контур. Последний настроен на частоту работы инвертора. Возникающий при погашенной лампе резонанс повышает напряжение на электродах лампы до единиц и даже десятков киловольт и зажигает разряд в колбе без предварительного подогрева спиралей (холодный пуск).

Что даёт такая схема? Прежде всего, мерцание. Обычный электромагнитный дроссель питает лампу переменным током частотой 50 Гц. Люминофор имеет малую инерционность и в промежутках между полуволнами заметно теряет яркость свечения. В результате люминесцентная лампа заметно мерцает. Это плохо для зрения.

Особенно заметно мерцание на изношенных лампах, люминофор которых теряет свойства инерционности.

Инвертор, питающий ЛЛ, работает на частотах десятка и даже сотни кГц. При этом инерционности люминофора достаточно, чтобы «переждать» паузы между питающими импульсами без заметной потери яркости. То есть благодаря ЭПРА у люминесцентной лампы малый коэффициент пульсаций.

Далее электронная схема обеспечивает стабильным питанием лампу, даже если сетевое напряжение отличается от номинального. К примеру, ЭПРА POSVET (фото см. выше) позволяет работать ЛЛ при напряжении в сети от 195 до 242 В. У лампы, подключённой через ЭмПРА, при таких напряжениях либо сократится срок эксплуатации, либо она не запустится.

Принцип работы стартера люминесцентной лампы

Конструкция устройства представлена компактной стеклянной колбой, заполненной инертным газом. Колба установлена внутри металлического или пластикового корпуса, с парой электродов, один из которых относится к биметаллическому типу.

Напряжение на зажигание стартера не должно быть выше, чем номинальное напряжение питающей сети. В процессе подключения схемы запуска к питающей электросети, значительная часть напряжения переходит на разомкнутые стартерные электроды. Под воздействием напряжения обеспечивается образование тлеющего разряда, небольшая часть которого используется для разогрева биметаллических электродов.

Схема работы стартера

Результатом нагревания становится изгиб и замыкание электроцепи, с последующим прекращением тлеющего разряда внутри стартера. Проход тока по цепи последовательно соединенных дросселя и катодов вызывает их эффективный прогрев. Временем замкнутого состояния стартерных электродов определяется продолжительность прогрева катодов любой люминесцентной лампы.

Средний срок эксплуатации стартера равен продолжительности работы осветительного прибора, но с течением времени уровень интенсивности напряжения тлеющего внутреннего разряда заметно понижается.

Принцип работы и устройство ЛЛ

Люминесцентный прибор представляет собой газозарядный источник света, где в ртутных парах электрический разряд создает интенсивное ультрафиолетовое излучение.

Компактные модули люминесцентного типа имеют стандартный цоколь, благодаря которому становятся удобной заменой ярких, но более энергозатратных ламп накаливания.

Как работает люминесцентная лампочка?

В видимый человеческому глазу свет его преображает специальный состав под названием люминофор, состоящий из галофосфата кальция, смешанного с дополнительными элементами.

После подключения к центральной электросети люминесцентной лампы, внутри стеклянной колбы требуется поддерживать так называемый тлеющий разряд.

Он дает возможность обеспечить свечение люминофорного слоя в постоянном режиме и даже в период кратковременного отключения центрального электропитания.

Раньше классическая лампа люминесцентного типа имела вид запаянной с двух сторон трубки, внутри которой находятся пары ртути. Сейчас приборы выпускаются в более разнообразных формах и конфигурациях

Конструкционные особенности прибора

Традиционная лампа люминесцентного типа — это стеклянный цилиндр с внешним диаметром 12, 16, 26 и 38 мм, обычно представленный как:

• прямая удлиненная трубка;
• изогнутый U-образный модуль;
• кольцо;
• сложная фигура.

В торцевые края герметично впаяны ножки. На их внутренней стороне размещены вольфрамовые электроды, конструктивно напоминающие биспиральные тела накала, встроенные в лампочки «Ильича».

В отдельных типах люминесцентных ламп используются более прогрессивные триспирали, представляющие собой закрученную биспираль. Оснащенные ими приборы имеют повышенный уровень КПД и более низкий порог теплопотери, существенно поднимающие общую эффективность светопотока

С наружной части электродные элементы подпаяны к металлическим штырькам металлического цоколя, на которые подается рабочее напряжение.

U-подобные и прямые приборы обычно оснащены цоколями G5 и G13, где буквенная кодировка означает штырьковый тип цокольного элемента, а цифровая показывает, на каком расстоянии друг от друга располагаются рабочие элементы.

Электропроводная среда, располагающаяся внутри стеклянной колбы, обладает отрицательным сопротивлением. Когда между двумя противоположными электродами возникает рост тока, требующий ограничения, оно проявляется и снижает рабочее напряжение.

В схему цепи включения обычной люминесцентной лампочки входит дроссель или балластник. Он отвечает за создание высокоуровневого импульсного напряжения, необходимого для корректной активации лампы.

Рисунок показывает внутреннее обустройство лампы люминесцентного типа и наглядно объясняет базовый принцип работы ее основных составных элементов

Помимо этой детали, ЭмПРА комплектуется стартером. Он представляет собой элемент тлеющего разряда, внутри которого располагаются два электрода, окруженные средой инертного газа.

Один из них состоит из биметаллической пластины. В спящем режиме оба электрода находятся в разомкнутом состоянии.

Устройство и принцип работы

Конструктивно люминесцентные лампы представляют собой стеклянную колбу, внутренняя поверхность которой покрывается специальным составом – люминофором. Он состоит из галофосфата кальция и других примесей, некоторые варианты содержат редкоземельные элементы – тербий, европий или церий, но такие комбинации являются довольно дорогими.

Из колбы на этапе изготовления откачивается весь воздух, а емкость заполняется смесью инертных газов, чаще всего аргона, и паров ртути. В зависимости от модели лампы химический состав, как инертных газов, так и люминофора будет отличаться. Внутри газовой смеси располагается вольфрамовая нить накала, которая покрывается эмитирующим покрытием.

Рис. 1. Устройство и принцип действия люминесцентной лампы

Принцип действия такой энергосберегающей лампы заключается в такой последовательности электрохимических процессов:

• На контакты газоразрядной ртутной лампы подается напряжение питания, за счет чего в цепи нити накаливания начинает протекать электрический ток.
• При протекании электрического тока с поверхности нити начинает распространяться тепловая энергия и частицы эмиттеры, которые активируют инертный газ и обуславливают выделение ультрафиолетового излучения.
• Свечение газов имеет относительно низкий процент видимого спектра, так как большая часть приходится на ультрафиолетовые волны. Но при достижении ультрафиолетом стеклянной колбы газоразрядной лампы, происходит активация и последующей свечение люминофора.

Спектр свечения люминесцентных лампочек может варьироваться в довольно широком диапазоне. Выбор оттенков свечения в осветительных устройствах осуществляется посредством изменения процентного соотношения магния и сурьмы в составе люминофора.

Также важным моментом является температурный показатель, поэтому величина подаваемого напряжения и протекающего электрического тока должны иметь постоянное значение для каждого диаметра колбы. Именно строгое соблюдение электрических характеристик по отношению к ее геометрическим параметрам в люминесцентной лампе позволяет выдавать нужный цвет и яркость свечения.

Какая экономия?

Для того, чтобы посчитать экономию от замены люминесцентных ламп на светодиодные, нужно произвести соответствующий расчет, для этого за основу можно взять два светильника одинаковой мощности, один из которых оснащен люминесцентной лампой, а второй – светодиодами.

Для расчета возьмем светильники, с одинаковыми характеристиками по световому потоку, обеспечивающему требуемую освещенность в заданной точке помещения, а в качестве показателя, на котором будет основан расчет, выступит мощность источника света.

Сравнительные значения, по мощности, люминесцентных и светодиодных источников света приведены в таблице:

Тип источника		Мощность, Вт
люминесцентный	5,0 – 7,0	10,0 -13,0	15,0 – 16,0	18,0 – 20,0	25,0 – 30,0	40,0 – 50,0	60,0 – 80,0
светодиодный	2,0 – 3,0	4,0 – 5,0	8,0 – 10,0	10,0 – 12,0	12,0 – 15,0	18,0 – 20,0	25,0 – 30,0

Светильник одноламповый люминесцентный, модель Camelion WL-3016 36W 2765, мощностью 36 Вт обойдется покупателю в 820,0 рублей, плюс стоимость самой лампы и стартера – общая сумма составит, в среднем, 900,00 рублей.

Встраиваемый светодиодный светильник, модель Feron AL527 28542, мощностью 18 Вт, белого свечения, обойдется покупателю в 840,00 рублей.

На начальном этапе сравнения исходные параметры примерно одинаковы, это: сила светового потока, зависящая от мощности установленного источника света и стоимость самого светильника. Для сравнительного анализа необходимо заполнить сравнительную таблицу, составленную из расчета того, что светильники работают 10 часов в день, 365 дней в году.

Показатель	Люминесцентный светильник	Светодиодный светильник
Мощность светильника, кВт	0,036	0,018
Потребление электроэнергии в сутки, кВт/час	0,36	0,18
Потребление электроэнергии в год, кВт/час	131,4	65,7
Стоимость электроэнергии для потребителей в 2017 году, рублей/кВт*час	2,97	2,97
Затраты на оплату потребленной энергии, рублей	390,26	195,13
Экономия по году, рублей	—	195,13
Затраты на содержание светильников, рублей	100,00	—
Экономия, итого, рублей	—	295,13

Примечания:

Как видно из таблицы, при одинаковых начальных показателях, экономия от использования светодиодных светильников, по стоимости использованной электрической энергии, в сравнении с люминесцентным светильником, составляет 100%.

Конечно, полученная цифра, определяющая экономию использования светодиодного источника света не велика, т.к. сравнивались всего два светильника, но даже в масштабах отдельно взятой квартиры, когда будет произведена замена 5 – 10 люминесцентных ламп, экономия увеличится в разы, что существенно отразиться на семейном бюджете. В случае же, когда замена проводится в офисном помещении или производственном цеху, экономию от замены светильников, можно почувствовать уже в первый месяц после завершения работ.

Устройство металлогалогенных ламп

Конструкция ламп представляет собой внешнюю колбу с заключенной в ней горелкой с электродами внутри, которая, собственно, и является источником света – именно в этой горелке происходит дуговой разряд между электродами. Материалом изготовления последней служит, обычно, кварц.

Помимо снижения потерь тепла, внешняя колба металлогалогенной лампы несет функцию своего рода, светофильтра, задерживающего, исходящее от горелки вредное ультрафиолетовое излучение. Материал, применяемый для изготовления внешних колб должен «выдерживать» температуру находящейся внутри неё горелки, поэтому используют термически устойчивое  боросиликатное стекло.

По своему исполнению, металлогалогенные лампы можно разделить на одно- и двухцокольные. На фото, в качестве примера показаны лампы двухцокольного (или софитного) исполнения.

Типы цоколя

Существуют несколько типов цоколей компактных люминесцентных ламп: штырьковые и резьбовые. Наиболее распространённые штырьковые:

• 2D
• G23
• 2G7
• G24Q1
• G24Q2
• G24Q3
• G53

Также есть лампы для установки в резьбовые патроны E14, E27 и E40 со встроенным электронным пускорегулирующим аппаратом (ПРА). Цокольные гнёзда для таких ламп очень просты для монтажа в обычные светильники, заявленный срок службы таких ламп составляет от 3000 до 15000 часов.

2D

Лампа 2D в герметичном светильнике

Представляет собой изогнутую в одной плоскости люминесцентную лампу с очертаниями в форме квадрата. Цоколь представляет собой прямоугольник 36×60 мм, имеет встроенный электронный стартер, в центре 2 латунных контакта на расстоянии 8 мм друг от друга, в качестве крепления на высоте 20 мм от центра используется пластиковый затвор. Мощность ламп 2D составляет 16, 28 и 36 Ватт. Основное применение: в качестве декоративного освещения, иногда встречаются в герметичных светильниках для душевых кабинок и в качестве интегрированного освещения современных душевых кабинок.

G23

G23 и светильник с индуктивным ПРА

Лампа G23 представляет собой трубку, сложенную вдвое. Внутри цоколя расположен стартер, для запуска лампы дополнительно необходим только электромагнитный дроссель. Выпускаются на мощность 5 — 14 Вт. Основное применение — настольные лампы, но зачастую встречаются в светильниках для душевых и ванных комнат. Цокольные гнёзда таких ламп имеют специальные отверстия для монтажа в обычные настенные светильники.

2G7

Форма трубки и применение аналогичны G23, но лампа может работать и с электронным ПРА. Стартер и конденсатор отсутствуют, на цоколь выведены четыре контакта.

G24

Отличия цоколей g24q-1, g24q-2 и g24q-3.

Лампа G24 аналогична лампе G23, но трубка лампы сложена вчетверо. Выпускаются на мощность от 10 до 36 Вт. Применяются как в промышленных, так и в бытовых светильниках. Лампы с двухштырьковым цоколем G24d предназначены для использования с электромагнитными ПРА (ЭмПРА). Цоколи этих ламп содержат стартер и конденсатор для подавления электромагнитных помех. Лампы с четырехштырьковым цоколем G24q предназначены для использования с электронными ПРА (ЭПРА). Цоколи G24q-1, G24q-2 и G24q-3 отличаются расположением направляющих штырьков.

G53

Лампы G53 представляют собой диск, толщиной 16—20 мм и диаметром около 73 мм, в который вписана изогнутая люминесцентная трубка. Лампа оснащена встроенными отражателем, рассеивателем и электронным пускорегулирующим аппаратом (ЭПРА). Цоколь таких ламп имеет 2 латунных Т-образных контакта по бокам на расстоянии 53 мм друг от друга. Мощность таких ламп составляет от 6 до 11 ватт, светильники для ламп этого типа выпускаются как в герметичном исполнении IP44 для влажных помещений, так и в обычном — для монтажа в гипсокартонный или натяжной потолок на замену более энергоёмким галогенным лампам.

Е14, Е27 и E40

Лампа E27 без рассеивателя

Предназначены для установки в патрон вместо ламп накаливания. Эти лампы уже имеют встроенный электронный ПРА. Впервые появились на рынке в конце 1980-х. Цоколи ламп Е14, Е27 и E40 имеют резьбу диаметром 14 мм, 27 мм и 40 мм соответственно, что позволяет производить монтаж в стандартные бытовые и промышленные патроны (E14 для патрона «миньон», E27 для стандартного бытового патрона и E40 для стандартного промышленного патрона). В целом, типичная люминесцентная лампа со встроенным ПРА по габаритам крупнее лампы накаливания на тот же световой поток, поэтому такая замена возможна не для всех светильников. Лампы под такой патрон выпускаются как с открытой трубкой, так и с рассеивателем.

Классификация люминесцентных ламп

По показателю спектрального излучения приборы люминесцентного типа подразделяются на 3

• стандартные;
• с усовершенствованной передачей цвета;
• со специальными функциональными назначениями.

Стандартные приборы снабжаются люминофорами однослойными, позволяющими излучать разные тона белого. Приборы оптимальны для освещения жилых помещений, административных и производственных блоков.

Люминесцентные лампы с усовершенствованной передачей света оснащаются люминофором с 3-5 слоями. Структура позволяет качественно отражать оттенки за счет усиленной световой отдачи (на 12% больше типовых ламп). Модели подходят для витрин магазинов, выставочных залов и т.д.

Люминесцентные лампы специализированного назначения совершенствуются с помощью разных составов в трубке, позволяющих поддерживать заданную частоту спектра. Устройства применяют в больницах, концертных залах и т.д.

Приборы разделяются на модели высокого и низкого давления.

Конструкции с высоким давлением оптимальны для монтажа в уличных лампах и приборах, имеющих большую мощность.

Лампы невысокого давления применяются в квартирах, административных комплексах, производственных помещениях.

По внешнему виду ЛЛ представлены линейным и компактным вариантами.

Линейная конструкция колбы удлиненная, применяется для промышленных помещений, торговых центров, офисов, медучреждений, спортивных организаций, заводских цехов и т.д. Линейная модель представлена разными вариантами диаметров трубки и конфигураций цоколя. Устройства обозначаются кодами. Прибор с диаметром 1,59 см на упаковке отмечается знаком Т5, с размером 2,54 см — Т8 и т.д.

Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) представляют спиралевидную стеклянную трубку и предназначены для установки в квартирах, офисах и т.д. КЛЛ делятся на 2 типа, главное отличие — виды цоколей (стандартный и с основанием в форме штыря).

Традиционный цоколь в форме резьбы отмечается знаком «Е» и кодом с размером диаметра.

Штырьковый вид цоколя отмечается символом «G»; цифровые данные обозначают расстояние между штырями. Этот вил лампы оптимален для установки в настольных лампах, подвесных бра в небольших помещениях.

Люминесцентные лампы различаются мощностью (слабые и сильные). Мощность люминесцентной лампы в Вт может превышать показатель 80 единиц. Устройства с небольшой мощностью представлены изделиями до 15 Вт.

По показателю распределения света устройства могут быть направленного действия (рефлекторные, щелевого типа) либо ненаправленного.

По типу разряда приборы подразделяются на дуговые, устройства свечения либо тлеющего разряда.

Различается сфера применения осветительных устройств (наружные, внутренние, взрывозащищенные, консольные).

Наружные устройства подходят для оформления зданий с внешней стороны, для освещения беседок, оформления двора и т.д. При выборе необходимо учитывать температурные режимы региона.

Внутренние подходят для офисных и жилых зданий. Устройства снабжаются защитой от влажности и воздействия пыли. Детали корпуса соединяются герметичным способом. Конструкция ламп может быть прямой, подвесной, предназначенной для крепления к поверхности потолка.

Приборы взрывозащищенные разработаны для территорий с риском возникновения взрывов (склады, цеха по производству красителей и т.д.).

Приборы консольного типа монтируются с помощью специальных креплений и имеют индивидуальный корпус.

Обустройство стеллажей с подсветкой

Как говорит закон обратных квадратов, интенсивность света падает в пропорции к квадрату расстояния до светильника. Потери света при расстоянии от верхушки растения до лампы в 30 см составляют 30 %, в 60 см – 50 %. Эти цифры верны в случае использования светильника с рефлектором. Если рефлектора нет, смело увеличиваем потери света в 2 раза.

Фото стеллажа для комнатных растений с подсветкой

Лампа искусственного освещения должна располагаться в 15 сантиметрах от светолюбивых растений и в 50 сантиметрах от тенелюбивых. Таким образом, на полках лучше размещать растения одного размера и подсвечивать их по всей длине.