Как работают люминесцентные лампы

Из физики известна вольт - амперная характеристика электрического разряда в газе. Она показана  на рис. 1.

Рисунок 1.

Для разных газов участок B-C вольт - амперной характеристики имеет разную протяженность и разное напряжение в точке B (U_B).

Газовая среда в люминесцентной лампе представляет собой откаченную до некоторого давления (порядка ~ 0,7 н/м²) воздушную среду в которую добавлена ртуть, которая при рабочей температуре распределяется в парообразном виде по внутреннему объему лампы.

Люминесцентная лампа работает на участке B-C-D, вольт - амперной характеристики. Для удержания ее на данном участке (что бы разряд не перешел в дуговой D-E) применяются пассивные и активные (электронные) балласты.

В результате работы балласта, напряжение на лампе 220 вольт поддерживается на уровне 102 -110 вольт для разной мощности и моделей.

Переменный ток дважды за период меняет направление тока при переходе напряжения через ноль. Кроме того, в районе перехода через ноль, напряжение на люминесцентной лампе ниже напряжения горения. Это дает погасание разряда в лампе на время составляющее порядка 10-15% от периода питающего напряжения (для 50 Гц это 20 мсек). А как известно люминофор светится под действием УФ света генерируемого в электрическом разряде в лампе.

Нет разряда - нет ультрафиолета.

Поэтому при работе на переменном токе, дважды в течение периода питающего напряжения происходят погасание и перезажигание разряда. При питании как током промышленной частоты, так и при высокочастотном питании.

При изменении направления тока лампы напряжение на ней изменяет знак и быстро (в зависимости от формы питающего напряжения) нарастает до напряжения перезажигания Uz, происходит перезажигание лампы, напряжение на ней устанавливается равным напряжению горения U_Г, которое лишь незначительно изменяется в течение времени горения. При уменьшении тока до нуля происходит погасание лампы и далее перезажигание при изменении знака тока.

В России, на промышленных предприятиях и во многих офисах,  в настоящее время преобладают люминесцентные источники света переменного тока с электромагнитными балластами на лампах низкого давления. Они имеют существенные недостатки:

1. высокие пульсации светового потока (до 57% для одноламповых светильников  и до 25% для двухламповых светильников с «расщеплённой фазой»),
2. большой вес,
3. высокий уровень акустических шумов,
4. вредность для зрения.

Все справочники по светотехнике, изданные в советское время, запрещали применение  люминесцентного освещения в детских учреждениях и ограничивали его применение в быту.

Применение качественных (импортных электромагнитных балластов) снижает уровень шума, но ничего не меняет в режиме горения разряда. Включение светильников по схеме с «расщеплённой фазой» или в трехфазной схеме включения (каждый светильник в свою фазу) только снижает интегральную пульсацию света на контролируемой поверхности (до 4-8%), которая остается на грани европейской нормы.

Европейская норма по пульсации светового потока - до 5%.

Цитата из [Л.1]:

Желая избавиться хотя бы от части недостатков современного люминесцентного освещения, многочисленные исследователи в СССР и за рубежом обратили внимание на питание люминесцентных ламп низкого давления выпрямлённым током промышленной частоты. Наиболее весома по этому вопросу выступили в журналах «Светотехника» № 2, 1987 г., «Светотехника» № 8, 1988 Г. Специалисты Каунасского политехнического института Р.Й.Бальсис, С.В.Думскис и Й.Ю.Коразна. В журнале «Светотехника» № 8, 1988 г. Были также опубликованы результаты обсуждения статей этих авторов с ведущими специалистами советской светотехнической науки из ВНИСИ.

В результате обсуждения было отмечено, что авторы статей подняли актуальный для светотехники вопрос, что для светильников, работающих на выпрямленном токе, нужны специальные безкатафорезные  люминесцентные лампы и зажигающие лампу устройства, которые ещё нужно создать. Что массовое применение светильников выпрямленного тока приведёт к искажению формы синусоидального напряжения питающей сети переменного тока и к перегрузке нулевого провода высшими гармониками частоты сети 50 Гц. Было заявлено, что по обсуждаемому вопросу ВНИСИ готов лишь возглавить группу специалистов чтобы сформулировать постановку задачи. Вопросы реализации светильников выпрямленного тока и их усовершенствования не рассматривались. После распада СССР и установления рыночных отношений вопрос об усовершенствовании люминесцентных светильников выпрямленного тока не поднимался.

Применение люминесцентных светильников выпрямленного тока [Л.1] обеспечивается высокое качество света  – пульсации светового потока составляют от 1% до 3% (у ламп накаливания – менее 5% только при мощности более 250 Вт) при коэффициент мощности которого без входной компенсирующей цепи может доходить до 0,9.

Применение высокочастотных электронных балластов пока тоже не решает проблему. Поскольку они питаются от той сети переменного тока, а лапы имеют те же характеристики - высокое напряжение зажигания. Единственная разница между магнитным и электронным балластом - это использование вместо импульса питающего тока длительностью около 8,5 мсек, пакета импульсов той же длительностью.

Но возможно применение электронных балластов на постоянном токе. Но питание их постоянным током требует применения крупногабаритных электронных компонентов - фильтрующих конденсаторов. Их емкость должна превышать 1 мкФ  на каждый ватт потребляемой мощности, при его рабочим напряжении более 250 вольт.

Не у всякой экономичной лампы они есть, а у мощных ламп они просто не поместятся в цоколь лампы.

Выводы

При работе на ПК на пульсации светового потока на рабочем месте накладываются (суммируются) частота обновления экрана монитора, которые могут образовывать даже видимые глазом изменения (биения, мерцания) яркости экрана монитора. Это создает дискомфорт. Но много хуже изменения яркости которые мы обнаруживаем только через некоторое в виде быстрого утомления нашего зрения.

Пока, чтобы сохранить зрение, остается только ограничить применение люминесцентных ламп при высоких нагрузках на глаза. Это работа на ПК, работа в условиях искусственного освещения с применением люминесцентных ламп.

Длительная нагрузка на глаза в условиях высоких пульсаций светового потока - просто недопустима.

Сейчас когда в мире внедряются технологии экономии энергоресурсов, что возможно только при замене ламп накаливания на экономичные люминесцентные необходимо использовать:

1. светильники с питанием люминесцентных ламп постоянным током,
2. применение люминофоров с большим послесвечением (много больше 20 мсек).

Для предотвращения повреждения зрения при работе с ПК, необходимо проверять коэффициент пульсации светового потока на рабочем месте. Для этого нужно использовать приборы для изменения коэффициента пульсации светового потока.