Люминесцентная лампа

Люминесцентная лампа — это газоразрядный источник света, в котором видимое свечение возникает в результате преобразования ультрафиолетового излучения, создаваемого электрическим разрядом в парах ртути, с помощью люминофора — вещества, способного к фотолюминесценции. Относится к классу ртутных ламп низкого давления.

История

Первые наблюдения свечения газов под действием электрического тока относятся к XVII—XIX векам, однако практическая реализация люминесцентной лампы стала возможна лишь в начале XX века.

В 1901 году американский инженер Питер Купер Хьюитт продемонстрировал ртутную лампу низкого давления, которая излучала преимущественно в ультрафиолетовой и сине-зелёной областях спектра. Для получения белого света требовалось преобразование ультрафиолета. В 1926 году немецкий изобретатель Эдмунд Гермер совместно с Фридрихом Мейером и Хансом Шпайером запатентовали лампу, в которой внутренняя поверхность колбы покрывалась люминофором, преобразующим ультрафиолет в видимый свет.

Массовое производство люминесцентных ламп началось в 1938 году компанией General Electric (организация признана иноагентом в РФ) в США. В СССР первые люминесцентные лампы были выпущены в 1940-х годах, а широкое внедрение в освещение началось в 1950-е годы. В последующие десятилетия люминесцентные лампы стали основным типом источников света для освещения общественных, промышленных и административных зданий, постепенно вытесняя лампы накаливания в коммерческом секторе.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Основными элементами люминесцентной лампы являются:

• Стеклянная колба — цилиндрическая трубка, внутренняя поверхность которой покрыта слоем люминофора. Колба заполнена инертным газом (обычно аргоном) и содержит небольшое количество ртути (от 1 до 50 мг в зависимости от мощности).
• Электроды — расположены на концах трубки, изготавливаются из вольфрамовой проволоки, покрытой оксидным эмиссионным слоем (оксиды бария, стронция, кальция) для облегчения эмиссии электронов.
• Цоколи — крепятся к концам колбы, обеспечивают электрический контакт и фиксацию лампы в патроне. Наиболее распространены цоколи G5 (для ламп T5) и G13 (для ламп T8).

Принцип работы

При подаче напряжения на электроды между ними возникает электрический разряд. Электроны, разгоняясь в электрическом поле, сталкиваются с атомами ртути, находящимися в газовой фазе. При столкновении атом ртути переходит в возбуждённое состояние, а затем, возвращаясь в основное состояние, излучает квант ультрафиолетового света с длиной волны 253,7 нм (основная линия) и 185 нм (вспомогательная). Ультрафиолетовое излучение, проходя через слой люминофора, вызывает его фотолюминесценцию — люминофор поглощает ультрафиолет и испускает видимый свет. Состав люминофора определяет цветовую температуру и спектр излучения лампы.

Для зажигания разряда и ограничения тока в цепи используется пускорегулирующий аппарат (ПРА). В современных лампах применяются электронные ПРА (ЭПРА), которые обеспечивают более высокую частоту работы (20–50 кГц), что исключает видимый стробоскопический эффект и мерцание.

Классификация

Люминесцентные лампы классифицируются по нескольким признакам:

По форме колбы

• Линейные (трубчатые) — наиболее распространённый тип, обозначаются буквой T (от англ. tube) и числом, указывающим диаметр в восьмых долях дюйма. Например, T8 (диаметр 26 мм), T5 (16 мм), T12 (38 мм). Длина варьируется от 150 до 2400 мм.
• Компактные — имеют изогнутую колбу (U-образную, спиральную, квадратную) и встроенный цоколь (E27, E14, G23, G24 и др.). Предназначены для замены ламп накаливания в бытовых светильниках.

По спектру излучения

• Лампы дневного света (Д) — цветовая температура около 6500 К, имитируют дневной свет.
• Лампы белого света (Б) — 4000–4500 К, нейтральный белый свет.
• Лампы тёплого белого света (ТБ) — 2700–3000 К, близки к свету ламп накаливания.
• Лампы с улучшенной цветопередачей — имеют более высокий индекс цветопередачи (CRI > 80), используются в музеях, магазинах, медицинских учреждениях.
• Специальные лампы — для растений (фитолампы), для аквариумов, для соляриев, для обеззараживания (бактерицидные, без люминофора, излучающие жёсткий ультрафиолет).

По типу пускорегулирующего аппарата

• С электромагнитным ПРА (ЭмПРА) — устаревший тип, работает на частоте 50 Гц, вызывает мерцание и гул.
• С электронным ПРА (ЭПРА) — современный тип, обеспечивает бесшумную работу, высокую частоту, меньшие потери энергии и более быстрый запуск.

Характеристики

Основные параметры люминесцентных ламп:

• Мощность — от 4 до 200 Вт для линейных, от 5 до 55 Вт для компактных.
• Световой поток — от 100 до 10 000 люмен (лм).
• Световая отдача — 50–100 лм/Вт, что в 4–5 раз выше, чем у ламп накаливания.
• Цветовая температура — от 2700 до 6500 К.
• Индекс цветопередачи (CRI) — от 60 до 98.
• Срок службы — 6 000–15 000 часов для стандартных ламп, до 20 000–30 000 часов для качественных моделей с ЭПРА.
• Время разгорания — 1–3 секунды до полного выхода на режим (для ЭПРА), до 10–30 секунд (для ЭмПРА).

Применение

Люминесцентные лампы широко используются в различных сферах:

• Освещение общественных зданий — офисы, школы, больницы, магазины, торговые центры.
• Промышленное освещение — цеха, склады, производственные помещения.
• Уличное освещение — в светильниках для дорог, парков, остановок (частично вытесняются светодиодными лампами).
• Бытовое освещение — компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) применялись в жилых помещениях как энергосберегающая альтернатива лампам накаливания, однако в 2010-х годах активно вытесняются светодиодными лампами.
• Специальное освещение — в аквариумистике, растениеводстве, в медицинских и бактерицидных установках, в копировальных аппаратах и сканерах.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая световая отдача (в 4–5 раз выше, чем у ламп накаливания).
• Большой срок службы (в 6–15 раз больше, чем у ламп накаливания).
• Разнообразие цветовых температур и спектров.
• Относительно низкая стоимость по сравнению со светодиодными лампами (на момент массового распространения).

Недостатки

• Наличие ртути (токсичный металл), что требует специальной утилизации.
• Чувствительность к температуре окружающей среды (снижение светового потока при низких температурах, трудности с запуском на морозе).
• Наличие пускорегулирующей аппаратуры (увеличивает габариты и стоимость светильника).
• Мерцание (при использовании устаревших ЭмПРА) и стробоскопический эффект.
• Относительно медленный выход на рабочий режим (особенно при низких температурах).
• Снижение светового потока к концу срока службы.

Утилизация и экологические аспекты

Люминесцентные лампы относятся к категории опасных отходов (I класс опасности) из-за содержания ртути. Запрещено выбрасывать их в мусорные контейнеры для твёрдых бытовых отходов. В России и других странах действуют системы сбора и утилизации отработанных ламп через специализированные пункты приёма. Ртуть извлекается и перерабатывается, а стекло и металлы могут быть вторично использованы. Нарушение правил утилизации влечёт административную ответственность.

В связи с экологическими рисками и появлением более эффективных и безопасных светодиодных источников света, производство и использование люминесцентных ламп в мире постепенно сокращается. С 2023 года в странах Европейского союза введён поэтапный запрет на продажу люминесцентных ламп. В России полного запрета на данный момент нет, однако наблюдается тенденция к замещению их светодиодными аналогами.

Интересные факты

• Первая в мире люминесцентная лампа, выпущенная серийно, имела диаметр 1,5 дюйма (38 мм) и длину 48 дюймов (1220 мм).
• В СССР люминесцентные лампы называли «лампами дневного света» из-за их спектра, близкого к дневному.
• Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) в России часто называют «энергосберегающими», хотя этот термин применим и к другим типам энергоэффективных ламп.
• Содержание ртути в одной лампе может составлять от 1 до 50 мг — для загрязнения 1 м³ воздуха до опасной концентрации достаточно разбить одну лампу в плохо проветриваемом помещении.

Источники

• ГОСТ Р 54992-2012 «Лампы люминесцентные. Общие технические условия».
• ГОСТ Р 54350-2011 «Приборы осветительные. Светотехнические требования и методы испытаний».
• Справочная книга по светотехнике / под ред. Ю. Б. Айзенберга. — М.: Энергоатомиздат, 1995.
• Федеральный закон от 24.06.1998 № 89-ФЗ «Об отходах производства и потребления».
• Постановление Правительства РФ от 03.09.2010 № 681 «Об утверждении Правил обращения с отходами производства и потребления в части осветительных устройств, электрических ламп...».