У газорозрядних лампах електроенергія перетворюється на світло при проходженні електричного струму через газ або пари металу. Колір світлового випромінювання залежить від роду газу, його тиску і від виду люмінофора, нанесеного на внутрішні стінки скляного балона лампи. Газорозрядні лампи наповнюються інертними газами (неоном, аргоном, криптоном або ксеноном), а також парами ртуті або натрію.

Ртутні лампи, широко застосовуються в промисловості, складаються з наступних частин (рис. 3.68): кварцовою трубки дугового розряду, наповненою аргоном і парами ртуті; зовнішньої скляної колби (з внутрішнім люмінофорним покриттям), навколишнього трубку дугового розряду, що закриває її від впливу потоків навколишнього повітря і запобігає окисленню; цоколя, на якому тримається вся лампа і є електричні контакти для підведення напруги живлення. Розміри і форма цих конструктивних елементів можуть бути різними залежно від типу лампи – загального призначення (з прозорою колбою, з люмінесцентним покриттям, з виправленою кольоровістю, рефлекторна, полурефлекторная лампи), ультрафіолетові, сонячного світла і фотохімічні лампи.

Рис. 3.68. Конструкція ртутної газорозрядної лампи [36]: 1 – зовнішня колба; 2,5 – робочі електроди; 3 – струмопровідні стійки; 4 – кварцова трубка дугового розряду; 6 – пусковий електрод;

7 – опорні траверси трубки дугового розряду;

8 – пускові резистори; 9 – опорні елементи; 10 – внутрішнє люмінофорне покриття

Після того як ртутна лампа включена і в ній встановився дугового розряд, струм розряду через пари ртуті сам по собі безупинно наростає. Тому його доводиться обмежувати зовнішнім баластовим пристроєм. Середній термін служби ртутних ламп загального призначення становить 6000-12 000 ч.

Ртутні лампи відрізняються високим світловим виходом (в 2-3 рази більшим, ніж у ламп розжарювання загального призначення), великим терміном служби і компактністю, завдяки чому вони добре підходять для регулювання світлового потоку. Їх недоліки – висока вартість лампи і допоміжного обладнання, синювато-зелений відтінок світіння і повільний повторний пуск. Кольоровість ртутної лампи виправляється застосуванням внутрішнього люмінофорного покриття.

Люмінесцентні лампи складаються з наступних основних деталей (рис. 3.69): скляного балона, двох цоколів (з вивідними контактами) на обох кінцях балона і двох подогревним катодів (електронних емітерів) з вольфрамової нитки або сталевої трубки. Балон наповнений парами ртуті і інертним газом (аргоном); на внутрішні стінки балона нанесено люмінофорне покриття, перетворює ультрафіолетове випромінювання газового розряду у видиме світло. Конструкція лампи, представлена ​​на рис. 3.69, типова для найпоширеніших 40 Вт ламп.

Лампа діє таким чином. Трубка наповнена інертним газом і парами ртуті. Внутрішні стінки трубки покриті люмінофором. Електрод на одному з кінців лампи випускає електрони, які з великою швидкістю летять вздовж лампи, поки не відбудеться зіткнення зі зустрівся атомом ртуті. При цьому вони вибивають електрони атома на більш високу орбіту. Коли вибитий електрон повертається на колишню орбіту, атом випускає ультрафіолетове випромінювання. Останнє, проходячи через люмінофор, перетвориться у видиме світло.

Рис. 3.69. Конструкція люмінесцентної лампи з холодними катодами [36]: 1 – ртуть; 2 – штампована скляна ніжка з електровводи; 3 – трубка для відкачування (при виготовленні); 4 – вивідні штирі; 5 – кінцева панелька; 6 – катод з емітерний покриттям

Люмінесцентні лампи діляться на дві групи відповідно типу електродів: з подогревним катодами і з холодними катодами. У лампах з подогревним катодами, які розраховуються на великі струми (від 1 до 2 А), як правило, використовуються спіральні активовані вольфрамові нитки напруження. У лампах ж з холодними катодами передбачаються циліндричні електроди з покриттям з емітерний матеріалів, і вони розраховуються на менші струми. Середній термін служби ламп з подогревним катодами залежить від напрацювання на один пуск: 7500 год при 3 ч напрацювання на один пуск і більше 18 000 год в безперервному режимі. Для ламп ж з холодними катодами термін служби не залежить від кількості пусків і досягає 25 000 ч.

Лампи з подогревним катодами за способом їх пуску діляться на лампи з попередніми прогріванням, швидкого і моментального пуску. Як і всі інші газорозрядні прилади, лампи з подогревним катодами не можна приєднувати до джерела живлення без баластного пристрої, що обмежує струм (рис. 3.70). Лампи з попередніми прогріванням потребують також стартері; при пуску такої лампи замикається стартер, і катоди, з’єднані послідовно, підключаються до мережі живлення, так що по них проходить струм. Після того як катоди розігріються настільки, що можуть еміттірованних електрони, стартер автоматично розмикається, і лампа загоряється. У сприятливих умовах весь пуск займає кілька секунд. У лампах швидкого пуску катоди нагріваються постійно, а розряд виникає при підвищенні напруги. Стартери не потрібні, і час пуску значно менше, ніж у ламп з попередніми прогріванням. У лампах моментального пуску не потрібно ні прогріву катодів, ні стартера. Просто на катод подається підвищена напруга, яке викликає емісію електронів і запалювання розряду в лампі.

Рис. 3.70. Конструкція люмінесцентної лампи з подогревним катодами, розрахована на великі струми [36]

До переваг люмінесцентних ламп відносяться висока світлова віддача (до 77 лм / Вт) і велика довговічність. Недоліки – висока початкова вартість лампи і світильника, шум дроселя стартера і мерехтіння. Хоча перелік недоліків обширнее, гідності настільки великі, що вже до 1952 року лампи розжарювання в США були витіснені люмінесцентними лампами в якості основного електричного джерела світла.

Особливої ​​уваги заслуговує проблема зниження енергоспоживання електролюмінесцентних ламп. На відміну від люмінесцентних ламп (в яких світло випускається при порушенні люмінофора ультрафіолетовим випромінюванням газового розряду), в електролюмінесцентних лампах, винайдених в 1936 році, електроенергія перетворюється безпосередньо в світ завдяки застосуванню спеціальних люмінофорів. Лампа являє собою багатошарову конструкцію з шару люмінофора (цинк-сульфидного, активованого міддю або свинцем) і двох електропровідних пластин, одна з яких прозора. Пристрій електролюмінесцентних ламп двох типів показано на рис. 3.71. Колір світіння лампи (синій, зелений, жовтий або рожевий) залежить від частоти напруги живлення, а яскравість – від частоти й напруги. Електролюмінесцентні лампи поки що не відрізняються великою світловий віддачею.

Рис. 3.71. Конструкція електролюмінесцентної лампи з використанням органічного діелектрика з електролюмінофори (а) і керамічного діелектрика з електролюмінофори (б)

Таким чином, історія люмінесцентних ламп денного світла налічує вже багато десятків років. Принцип їх роботи заснований на світінні люмінофора під впливом ультрафіолетового випромінювання, що випускається «Холодним» плазмовим розрядом в парах ртуті. Представляють інтерес і безртутних люмінесцентні лампи з розрядом низького тиску в інертних газах. Всі газорозрядні лампи мають так звану «падаючу» вольт-амперну характеристику. З ростом струму через таку лампу напругу на ній не росте, а зменшується. Якщо струм розряду не обмежувати, він буде лавиноподібно зростати. Отже, газорозрядні джерела світла повинні включатися з такими пристроями, які забезпечують подачу напруги, достатнього для виникнення розряду, тобто для запалювання лампи і, одночасно, обмежують струм розряду на рівні, необхідному для нормальної роботи лампи [35].

Стандартна схема підключення до змінної мережі люмінесцентної лампи наведена на рис. 3.72.

Рис. 3.72. Стандартна схема підключення люмінесцентної лампи

Слід зазначити недоліки стандартної схеми:

– Великі габарити і маса дроселя;

– Наявність електромеханічного елемента – стартера;

– Низький ККД конструкції через резистивних втрат енергії в дроселі;

Схема чутлива до зниження напруги в мережі (при малому може не запалитися);

– Мерехтіння з частотою 100 Гц;

– Відносно низька надійність (термін служби знижується, якщо лампа при запуску кілька разів моргає).

Однак в силу високого ККД самої лампи сумарний ККД конструкції виявляється значно вище, ніж, наприклад, у звичайної лампи розжарювання при однаковій потужності. Крім того, схема має низьку собівартість.

З появою ламп з «холодним» катодом і успіхами в розвитку напівпровідникової силової електроніки люмінесцентна лампа отримала друге народження. На рис. 3.73 приведена структурна схема електронного драйвера люмінесцентної лампи з холодним катодом.

Використання таких драйверів дозволило істотно підвищити ККД люмінесцентних джерел світла. При цьому масогабаритні параметри конструкції і надійність також значно покращилися.

Переваги драйвера люмінесцентної лампи з холодним катодом:

– Завдяки високочастотної комутації 12-50 кГц виключаються мерехтіння і стробоскопический ефект;

– Значно зменшуються розміри дроселя і всього електронного блоку, який може розміститися всередині цоколя лампи;

Схема має високовольтний імпульс підпалу, гарантовано включає лампу з першого разу, що виключає мерехтіння при включенні;

– Більш високий ККД.

Рис. 3.73. Структурна схема драйвера люмінесцентної лампи з холодним катодом

Області застосування люмінесцентних ламп з холодним катодом (з електронним баластом):

Освітлення;

– Планшетні комп’ютери;

– Сканери і копіювальні апарати;

– Цифрові камери;

– Ноутбуки та плоскопанельні монітори;

– PQS (торгові) – термінали;

– Підсвічування шкал та індикаторів в різних приладах.

Вітчизняна мікросхема ILA3354N є типовим представником сімейства інтегральних пристроїв силової електроніки, призначених для організації енергозберігаючого керування освітлювальною технікою при застосуванні люмінесцентних ламп. Використовується ця мікросхема для запуску, контролю і виключення високочастотної генерації електронного баласту для люмінесцентних ламп залежно від заздалегідь запрограмованих керуючих сигналів.

Технологічно мікросхема реалізована на біполярної технології з ізоляцією р-п-переходом.

Фактично ILA3354N (напруга живлення 10 В, струм споживання 1,5 мА) реалізує функцію контролера управління блоком живлення люмінесцентної лампи.

Мікросхема організована у вигляді ряду взаємопов’язаних функціональних блоків:

Схема, що здійснює вибір температурного режиму;

– Тактовий генератор;

Схема запуску і відключення високочастотної генерації;

Схема виявлення помилки;

Схема визначення вибору лампи;

блок перемикання режимів.

Рис. 3.74. Схема застосування ІМС ILA3354N для управління блоком живлення люмінесцентної лампи

Принципова електрична схема забезпечує виконання таких функцій:

– Захист від перегріву без додаткових зовнішніх компонентів;

– Запуск алгоритму опитування для визначення несправної люмінесцентної лампи;

– ІМС має таймер виходу і мінімальна кількість зовнішніх навісних елементів;

– Автоматичний запуск при заміні ламп.

На рис. 3.74 представлена ​​електрична схема закінченого пристрою контролера управління блоком живлення люмінесцентної лампи.

У промислових виробництвах часто використовується й інший тип лампи – індукційні лампи. Принцип роботи індукційної лампи заснований на ідеї Н. Тесла, висунутої ним ще наприкінці XIX століття [37]. Індукційна лампа (рис. 3.75) працює як звичайна флуоресцентна, але при цьому не має електродів. По суті, вона являє собою трансформатор, в якому роль вторинної обмотки грає колба лампи, заповнена газом. Магнітне поле, створюване двома котушками, породжує електричне поле в замкнутому витку (колбі лампи). Воно, у свою чергу, породжує електричний струм, який розігріває плазму, що випромінює в ультрафіолетовому діапазоні. Під впливом ультрафіолетового випромінювання плазми люмінофор випромінює в видимому спектрі частот, тобто створює видиме світло.

Рис. 3.75. Індукційна лампа

Джерело: Білоус О.І., Єфименко С.А., Турцевич А.С., Напівпровідникова силова електроніка, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. кол. вкл.