Ртутная лампа низкого давления

Ртутная лампа низкого давления — это газоразрядный источник света, в котором электрический разряд в парах ртути при низком парциальном давлении (от 0,1 до 10 Па) генерирует преимущественно ультрафиолетовое излучение, преобразуемое в видимый свет с помощью люминофора. Относится к классу газоразрядных ламп и является наиболее распространённым типом люминесцентных ламп.

История

История ртутных ламп низкого давления начинается с экспериментов конца XIX века. В 1856 году немецкий физик Генрих Гейслер создал первые газоразрядные трубки. В 1890-х годах Никола Тесла и Петер Купер Хьюитт независимо друг от друга разработали прототипы ртутных ламп, однако их излучение было в основном в ультрафиолетовой и сине-зелёной областях спектра, что давало неестественный цвет.

Ключевой прорыв произошёл в 1926 году, когда американский инженер Эдмунд Гермер совместно с Фридрихом Мейером и Гансом Шпэнером предложили покрывать внутреннюю поверхность трубки люминофором — веществом, преобразующим ультрафиолетовое излучение в видимый свет. Это позволило получить спектр, близкий к дневному. Первая коммерческая люминесцентная лампа была представлена компанией General Electric в 1938 году на Всемирной выставке в Нью-Йорке.

В СССР массовое производство люминесцентных ламп началось в 1940-х годах. В 1950-х годах они стали активно вытеснять лампы накаливания в промышленности и общественных зданиях. К концу XX века ртутные лампы низкого давления стали доминирующим типом искусственного освещения в офисах, школах и больницах. С 2010-х годов, в связи с ужесточением экологических норм и развитием светодиодных технологий, их производство и использование в ряде стран (включая Россию) постепенно сокращается.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Основными элементами ртутной лампы низкого давления являются:

• Стеклянная трубка — герметичный сосуд, обычно из натриево-кальциевого стекла. Внутренняя поверхность покрыта слоем люминофора.
• Электроды — вольфрамовые спирали, покрытые оксидной эмиссионной пастой (оксиды бария, стронция, кальция). Расположены на концах трубки.
• Газовое наполнение — инертный газ (аргон, неон или криптон) при давлении около 400 Па и небольшое количество ртути (от 1 до 50 мг).
• Цоколи — стандартные резьбовые (E14, E27) или штырьковые (G5, G13) для подключения к сети.

Принцип работы

При подаче напряжения между электродами возникает тлеющий разряд. Электроны, ускоряясь в электрическом поле, сталкиваются с атомами ртути, переводя их в возбуждённое состояние. При возврате в основное состояние атомы ртути излучают фотоны, преимущественно в ультрафиолетовом диапазоне (длины волн 253,7 нм и 185 нм). Это излучение поглощается люминофором, который флуоресцирует в видимой области спектра. Состав люминофора определяет цветовую температуру лампы (от тёплого 2700 К до холодного 6500 К).

Для зажигания разряда требуется высокое напряжение (до 1 кВ), которое обеспечивается пускорегулирующим аппаратом (ПРА) — электромагнитным дросселем или электронным балластом. Электромагнитный ПРА работает в паре со стартером, который разогревает электроды и замыкает цепь. Электронный балласт (ЭПРА) обеспечивает более плавный пуск, отсутствие мерцания и большую энергоэффективность.

Классификация

Ртутные лампы низкого давления классифицируются по нескольким признакам.

По форме

• Линейные (трубчатые) — прямые трубки стандартных длин (600, 900, 1200, 1500 мм) с цоколями G5 (диаметр 16 мм) или G13 (диаметр 26 мм). Обозначаются как T5, T8, T12.
• Компактные (КЛЛ) — изогнутые в U-образную, спиральную или кольцевую форму трубки с встроенным цоколем (E14, E27, G23, G24). Предназначены для замены ламп накаливания.
• Кольцевые — замкнутые в кольцо трубки, используемые в настольных и декоративных светильниках.

По спектру излучения

• Лампы общего назначения — с люминофором, дающим белый свет различной цветовой температуры (от 2700 до 6500 К).
• Лампы специального назначения — с люминофором, оптимизированным для определённых задач:
• Эритемные — с усиленным излучением в УФ-В диапазоне (280–315 нм) для соляриев и фототерапии.
• Бактерицидные — без люминофора, излучают жёсткий УФ-С (253,7 нм) для обеззараживания воздуха и поверхностей. Изготавливаются из кварцевого стекла, пропускающего ультрафиолет.
• Фитолампы — с пиками излучения в красной (660 нм) и синей (450 нм) областях, стимулирующими фотосинтез растений.

По типу пускорегулирующего аппарата

• С электромагнитным ПРА — устаревшая конструкция, характеризуется мерцанием с частотой 100 Гц, шумом дросселя и низким коэффициентом мощности.
• С электронным ПРА (ЭПРА) — современная конструкция, обеспечивающая пуск без мерцания, высокий коэффициент мощности (до 0,95) и работу на частотах 20–50 кГц.

Характеристики

Основные технические характеристики ртутных ламп низкого давления:

• Световая отдача — от 50 до 100 лм/Вт (у ламп накаливания — 10–15 лм/Вт).
• Срок службы — от 6000 до 15000 часов (в зависимости от качества и режима эксплуатации).
• Цветовая температура — от 2700 К (тёплый белый) до 6500 К (холодный дневной).
• Индекс цветопередачи (CRI) — от 70 до 90 (у ламп с трёхполосным люминофором — до 98).
• Мощность — от 4 до 200 Вт (наиболее распространены 18, 36, 58 Вт для линейных и 9–40 Вт для компактных).
• Время выхода на рабочий режим — от 1 до 3 минут (для КЛЛ с электромагнитным ПРА).

Применение

Ртутные лампы низкого давления широко применялись в различных сферах:

• Освещение общественных зданий — офисы, школы, больницы, библиотеки, торговые центры. Линейные лампы T8 и T5 были стандартом для потолочных светильников типа «Армстронг».
• Промышленное освещение — цеха, склады, производственные помещения.
• Бытовое освещение — компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) использовались для замены ламп накаливания в жилых комнатах, кухнях, прихожих.
• Специальное применение:
• Медицина — бактерицидные лампы для обеззараживания воздуха в операционных, палатах, лабораториях.
• Сельское хозяйство — фитолампы для досвечивания рассады и тепличных растений.
• Косметология — эритемные лампы в соляриях.
• Наука и техника — источники УФ-излучения для спектроскопии, фотолитографии, анализа минералов.

Достоинства и недостатки

Достоинства

• Высокая световая отдача по сравнению с лампами накаливания (в 4–5 раз выше).
• Большой срок службы (в 5–10 раз больше, чем у ламп накаливания).
• Разнообразие цветовых температур и спектров.
• Низкое тепловыделение.

Недостатки

• Содержание ртути — от 1 до 50 мг на лампу. Ртуть является токсичным веществом I класса опасности. Разбитая лампа требует специальной утилизации и демеркуризации помещения.
• Необходимость утилизации — лампы нельзя выбрасывать с бытовым мусором. В России они подлежат обязательному сбору и переработке на специализированных предприятиях.
• Мерцание — у ламп с электромагнитным ПРА частота мерцания 100 Гц, что может вызывать утомление глаз и головные боли.
• Зависимость от температуры — световой поток снижается при низких (ниже -10 °C) и высоких (выше +40 °C) температурах окружающей среды.
• Время выхода на режим — для КЛЛ требуется до 3 минут для достижения полной яркости.
• Снижение светового потока со временем — к концу срока службы световой поток может упасть на 20–30%.
• Экологические риски — при попадании ртути в окружающую среду (например, на свалках) происходит загрязнение почвы и грунтовых вод.

Экологические аспекты и регулирование

В связи с токсичностью ртути, производство и оборот ртутных ламп регулируются международными и национальными нормами. В 2013 году была принята Минаматская конвенция по ртути, направленная на сокращение использования ртути и её выбросов в окружающую среду. Россия ратифицировала конвенцию в 2014 году.

В странах Европейского союза с 2018 года поэтапно запрещается производство и импорт некоторых типов люминесцентных ламп (в частности, T8 и T5). В России прямого запрета на производство нет, но с 2020 года введены повышенные требования к утилизации: все юридические лица и индивидуальные предприниматели обязаны сдавать отработанные лампы в специализированные организации.

Альтернативой ртутным лампам низкого давления являются светодиодные лампы, которые не содержат ртути, имеют более высокую световую отдачу (до 150 лм/Вт), срок службы до 50000 часов и мгновенное включение.

Источники

• ГОСТ Р 54992-2012 «Лампы люминесцентные. Общие технические условия».
• «Светотехника: учебник для вузов» / под ред. Ю. Б. Айзенберга. — М.: Знак, 2008.
• «Ртуть и её соединения: токсикология, гигиена, экология» / под ред. В. М. Боева. — М.: Медицина, 2005.
• Минаматская конвенция о ртути (2013).
• Технический регламент Таможенного союза «О безопасности низковольтного оборудования» (ТР ТС 004/2011).