Люминесцентные лампы - от расцвета до заката

Обновлено: 17.04.2024

Удивительное зрелище — плазменная лампа. Герметичная стеклянная колба с установленным внутри единственным высоковольтным электродом, окруженным инертным газом под почти атмосферным давлением.

Высокое напряжение (от 2000 до 5000 В) подается к электроду лампы от одного из выводов вторичной обмотки импульсного трансформатора, работающего на частоте 30-40 кГц, который установлен внутри пластикового корпуса лампы. Трансформатор плазменной лампы похож на строчный трансформатор, какой можно встретить в старом мониторе или телевизоре с электронно-лучевой трубкой.

Высокое напряжение ионизирует молекулы газа (обычно это неон) внутри колбы - получается плазма, отсюда и название светильника - «плазменная лампа». Множественные разряды, похожие на маленькие молнии, порождаются движущимися ионами газа.

Цвет этих молний, танцующих вокруг электрода внутри колбы, может быть различным, что зависит от вида газов, входящих в состав смеси, которой колба заполнена. Что касается длины молний, то она зависит от потенциала на электроде и от степени разряженности заполняющего колбу газа.

Как видите, здесь нет нити накаливания, поэтому срок службы подобных устройств ограничен лишь качеством электроники, установленной в основании лампы, а также аккуратностью ее владельца.

Потребление декоративных плазменных ламп зависит от размеров колбы и обычно не превышает 20 Вт. Наиболее распространенные сегодня на рынке сферические и конические плазменные лампы имеют габариты не более 30 см.

Встречаются плазменные лампы с ручками регулировки мощности, подаваемой на «танцующие молнии»: при наименьшей мощности внутри лампы формируется только одна тонкая светящаяся ниточка.

Если мощность постепенно повышать, то ниточка станет все ярче и ярче, наконец, когда одна ниточка окажется переполнена подаваемой через нее энергией, в этот момент появится вторая ниточка, и они станут отталкиваться друг от друга подобно одноименным электрическим зарядам.

Светящиеся нити тонки, так как окружающие их магнитные поля оказывают магнитогидродинамический эффект типа самофокусировки: собственное магнитное поле плазменного канала создают силу, действующую на его сжатие.

Изобретателем первого прототипа устройства, которое мы сегодня называем плазменной лампой, был ученый Никола Тесла (1856-1943), американский инженер-электрик, уроженец Австрийской империи.

В патенте США №514170 от 1894 года лампа хоть и названа «электрическим источником света», тем не менее принципиальное отличие от обычной лампы накаливания налицо. Тесла предложил принципиально новую лампу — лампу с одним электродом, которая бы питалась от высоковольтного резонансного трансформатора Тесла.

Популяризатором идеи плазменной лампы как декоративного светильника в форме шара (коммерческая идея «плазменный глобус») стал в 1970-е году изобретатель из Пенсильвании Джеймс Фалк (1954 г.р.).

В его время, в отличие от времен когда Тесла работал над своей лампой, уже появилась технология создания газовых смесей различного состава (на основе ксенона, неона и криптона), позволяющих получать в колбах плазму разнообразных цветов.

Свечение здесь создается благодаря коронному разряду в газе, практически обусловленному током через емкость в цепи лампа-воздух-земля. В качестве земли для высоковольтного источника светильника используется точка нулевого потенциала, доступная при питании устройства от розетки.

Считается, что когда человек прикасается пальцем к стеклу работающей лампы, то поток энергии идет через тело, как если бы оно имело сопротивление 1000 Ом и было включено последовательно с конденсатором емкостью 150 пф (стекло колбы выступает в роли диэлектрика). Человека не убивает, поскольку ток плазменной лампы достаточно высокочастотный.

Так или иначе, контактируя с плазменной лампой соблюдайте меры безопасности! Дело в том, что переменное электрическое поле действует не только в проводах высоковольтного источника лампы, но и за пределами колбы.

Расположенный вблизи лампы металлический предмет станет электризоваться переменным электрическим полем, и коснувшись такого предмета можно получить слабый удар током и даже ожег. Если же человек, прикасаясь к лампе, случайно окажется заземлен, например держась за батарею, он получит удар током.

Кроме того, вблизи работающей плазменной лампы не следует располагать никакие электронные устройства, ведь любая электроника боится индуцированных электрических токов, и легко выйдет из строя, попав в переменное электрическое поле высокой напряженности, источником которого выступает электрод внутри лампы.

Люминесцентному освещению в том виде, в каком мы имеем его сегодня, около 80 лет, хотя история становления технологии длилась приблизительно столько же, то есть в целом на путь технологии люминесцентных ламп приходится около 160 лет.

До того как в каждом доме появилась люминесцентная лампа, до появления люминесцентных ламп в уличном освещении, до появления ламп дневного света в офисах, инженерами и учеными был пройден длинный путь от изобретения вакуумной трубки, через эксперименты со свечением инертных газов под высоким напряжением, до разработки цельной технологии с надежным и качественным флуоресцентным покрытием светящихся трубок и подходящей схемой питания люминесцентных ламп.

Справедливости ради стоит начать с Михаила Васильевича Ломоносова, который еще в 18 веке наблюдал свечение заполненного водородом стеклянного шара под действием электрического тока. Ломоносов не ставил перед собой задачу создать источник электрического света, поэтому до изобретения люминесцентной лампы как таковой было еще далеко.

Первая газоразрядная лампа (в виде экспериментальной установки) увидит свет в 1856 году, и это будет трубка Гейслера. Немецкий стеклодув Генрих Гейслер отличался изобретательским талантом, и благодаря вакуумному насосу собственной разработки, Гейслер откачал воздух из стеклянной колбы.

При помощи высоковольтной катушки Гейслеру удалось возбудить в вакуумированной колбе зеленоватое свечение. Заполненная газом, колба меняла оттенок свечения под действием высоковольтных токов. Это изобретение получило название в честь ученого — трубка Гейслера.

Явление электролюминесценции разных веществ чуть позже отметит Александр Эдмон Беккерель. Экспериментируя в 1859 году с трубками Гейслера, он первым предложит покрыть внутреннюю поверхность трубок люминесцирующими веществами.

Благодаря обширному предварительному опыту исследований в области солнечного и искусственного света, именно Беккерель задаст направление по которому дальше пойдет развиваться технология люминесцентного освещения.

Интерес Беккереля был чисто научным, и создавать источники света он не собирался, поэтому на этапе экспериментов было получено не очень яркое свечение, и эксперименты не были продолжены ученым. Хотя идея применения люминофора стала важным технологическим шагом.

В мае 1891 года американский ученый, серб по происхождению, Никола Тесла, проведет в Колумбийском университете яркую демонстрацию с трубками Гейслера, где покажет свечение вакуумированных трубок в электрическом поле высокочастотной катушки.

Тесла отметит зависимость характера свечения от внутреннего покрытия трубок, например иттрий в качестве внутреннего фосфоресцирующего покрытия трубок давал яркий белый свет, интенсивности которого было достаточно для чтения. Тесла использовал электростатическое поле высокой напряженности, и мог разместить трубку без электродов в любом месте комнаты, и она светилась только благодаря индукции.

Позже, а именно 23 июня 1891 года, Тесла получит патент на систему искусственного освещения газоразрядными аргоновыми лампами, питаемыми токами высокого напряжения и высокой частоты (патент №454622). Аргон, кстати, по сей день используется в люминесцентных лампах.

В 1894 году американский инженер электрик и изобретатель Даниель МакФарлан Мур изобрел лампу дневного света, в которой использовались инертные газы диоксид углерода — для белого света, и азот для светло-розового света. Лампа отличалась сложной конструкцией, и лишь начиная с 1904 года, после усовершенствований, именно лампа Мура стала применяться в офисных помещениях и магазинах для искусственного освещения.

Томас Эдисон также предпринял попытку практически развить применяемость трубки Гейслера, и в 1896 году он разработал покрытие из вольфрамата кальция для рентгеновских трубок, позже, в 1907 году, изобретение будет запатентовано как люминесцентная лампа.

Однако для освещения такая лампа не годилась, в итоге Эдисон остановился на продвижении своих ламп накаливания, с которыми он уже тогда добился определенного коммерческого успеха. Хотя, еще в 1893 году сам Эдисон выступил на выставке в Чикаго, где показал люминесцентное свечение (вероятно, желая не отставать от Тесла и Мура).

Уже в 1901 году американский инженер электрик и изобретатель Питер Купер Хьюитт продемонстрировал первую ртутную лампу. Пары ртути давали мягкий сине-зеленый свет, а эффективность превосходила лампочку Эдисона. Тем не менее, сине-зеленый свет не подошел для повсеместного внедрения ламп Хьюитта для искусственного освещения. Хотя, позже именно лампы системы Хьюитта будут всюду на фонарных столбах (с 1930 года).

В 1926 году немецкий изобретатель Эдмунд Гермер вместе с коллегами, занимаясь поисками эффективного искусственного источника ультрафиолетового излучения, обнаружили, что увеличив давление внутри колбы покрытой флуоресцентным порошком, можно получить ровный белый свет, гораздо более яркий, и потому более пригодный для искусственного освещения, чем давали лампы накаливания.

Эдмунд Гермер позже будет по праву назван отцом современных флюоресцентных ламп, ведь именно лампы Гермера более близки к сегодняшним люминесцентным лампам по своему устройству.

В 1934 году компания General Electric выкупит патент Гермера, и исследовательская группа под руководством Джорджа Инмана и Ричарда Тайера начнет усердно доводить до совершенства изобретение Гермера.

На сегодняшний день люминесцентное освещение не спешит сдавать своих позиций, хотя наличие ртути в колбах играет отнюдь не в пользу люминесцентных ламп.

На пятки уже наступают сверхэффективные светодиоды, которые не содержат ртуть, при этом световая отдача достигает 150 люмен на ватт, что в 1,5 раза превосходит средние показатели для ламп люминесцентных, так что закат люминесцентного освещения, пожалуй, близок.

Освещение и светотехника сами по себе являются требовательными областями, объединяющими эстетические, технические критерии и критерии безопасности в одно целое, воздействующее на глаза человека. Технология освещения разрабатывалась на протяжении многих десятилетий и достигла универсального разнообразия.

В 1879 году Томас Алва Эдисон впервые включил электрическую лампочку из углеродного волокна, произведя революцию в технологии освещения. С тех пор электрические источники света претерпели огромное развитие.

Сами лампочки, использующие так называемый эффект накаливания согласно теории излучения черного тела (горячая нить) при высокой температуре, постепенно совершенствовались.

Их разработка шла от используемого прямого и скрученного вольфрамового волокна до галогенового цикла в кварцевой колбе, что позволяет волокну перегреваться, обеспечивает лучшую цветопередачу и экономит половину энергии.

В обычных лампах накаливания электрический ток, проходящий через нить накаливания лампы, нагревал нить накала за счет джоулева тепла до высокой температуры, и нить накала светится как черное тело с соответствующей температурой.

В оригинальной конструкции лампы Эдисона использовалось углеродное волокно, полученное в результате обугливания бамбуковой нити. Его помещали в вакуумную стеклянную колбу для предотвращения окисления и горения волокна.

Углеродное волокно нельзя было нагреть до слишком высокой температуры, поэтому первые лампочки имели КПД преобразования энергии всего 0,5%. Использование вольфрамового волокна позволило повысить КПД примерно до 1 %.

В современных обычных лампочках в качестве нити накала используется двойная вольфрамовая спираль, а колба заполнена инертным газом аргоном.

Такая конструкция позволила повысить температуру волокна примерно до Т = 2800 К, повысить КПД до 3% и получить более благоприятный спектр излучения с лучшей цветопередачей. При более высоких температурах нить накала быстро испаряется, что приводит к ее обрыву и порче колбы.

Галогенный цикл используется в специальных так называемых галогенных лампах: колба содержит внутренний элемент, обычно йод. Атомы вольфрама, испарившиеся из волокна, перемещаются к стенке колбы, где температура ниже (около 1000 К), где образуется галогенид вольфрама (обычно йодид).

Затем молекулы галогенида вольфрама диффундируют обратно к волокну, где они разлагаются при более высоких температурах волокна. При этом атомы вольфрама снова оседают на волокне, а свободные атомы диффундируют к стенке колбы, где они снова готовы к следующему циклу регенерации.

Таким образом, испаренный вольфрам возвращается в нить накала, что позволяет повысить температуру вольфрамовой спирали до Т = 3200 К, а в некоторых специальных студийных лампах с коротким сроком службы до Т = 3400 К.

Это повышает эффективность преобразование энергии в видимый свет с КПД до 6% и дальнейшее улучшение цветопередачи, поскольку спектр излучения больше похож на солнечный свет.

Помимо ламп накаливания со временем появились еще более экономичные газоразрядные источники света (дуговые ртутные лампы, металлогалоенные лампы, натриевые лампы, люминесцентные лампы, газовые лазеры), основанные на принципе переходов электронов между энергетическими уровнями в разрядах газов и паров металлов.

Для различных целей применялись тлеющие и дуговые разряды высокого и низкого давления, во многих случаях излучение трансформировалось люминофорами. Также долгое время очень перспективной технологией считались волоконно-оптические световые системы.

Затем были разработаны специальные источники излучения, основанные на принципах теории твердого тела ( полупроводниковые лазеры, светодиоды, светодиодные ленты, светодиодные панели).

Сегодня компании по всему миру производят сотни типов электрических источников электромагнитного излучения, предназначенных для различных технических применений, от общего освещения, проектирования, репрографии, медицины, сельского хозяйства, сигнализации и управления до самых специальных применений, таких как рентгеновские лучи, лазеры, газоразрядные лампы высокого и низкого давления.

Галогенные лампы накаливания:

В конце 90-х годов XX века в быту появились компактные люминесцентные лампы с электронными баластами и цоколями Е14 и Е27 для прямой замены ламп накаливания.

Технология люминесцентого освещения к тому времени насчитывала уже не один десяток лет. Но до этого времени применялись, в основном, люминесцентные лампы линейной формы преимущественно в промышленных и административных помещениях.

Развитие электроники позволило создать универсальный компактный источник люминесцентного освещения. Такие лампы в быту называли «энергосберегающими», так как они потребляли примерно в 3,5 — 4 раза меньше электрической энергии, чем лампы накаливания с аналогичным световым потоком.

До появления светодиодных источников света считалось, что именно компактные люминисцентные лампы смогут полностью вытеснить лампы накаливания из бытового освещения.

На протяжениии первых 10 лет XXI века ассортимент компактных люминесцентных ламп постоянно расширялся во всех возможных направлениях, но затем их количество резко пошло на спад.

Читайте также: