Как подключить диодную лампу дневного света: Схема подключения светодиодных ламп вместо люминесцентных

Схема подключения диодных ламп дневного света

Люминесцентные лампы, благодаря своим революционным, для своего времени, характеристикам: низкому энергопотреблению, высокой световой эффективности и долгому сроку службы, получили очень широкое распространение.

Именно трубчатые лампы дневного света освещают большинство школ, больниц, офисов, цехов и т.д., наиболее часто они установлены в растровых светильниках, знакомых каждому.

Главным недостатком люминесцентных ламп является наличие внутри них ртути, пары которой смертельно опасны для человека.

Но технологии не стоят на месте, их активное развитие привело к созданию светодиодных ламп, которые превзошли практически по всем показателям люминесцентные. В настоящее время, единственным их недостатком является стоимость в сравнении с лампами дневного света, по сумме же всех характеристик и выгод, а главное по соображениям безопасности, они вне конкуренции.

Менять старые люминесцентные светильники целиком на аналогичные светодиодные не выгодно, хотя бы просто экономически, лучше просто заменить лампы, ведь производители давно уже выпускают трубчатые светодиодные лампы Т8 под цоколь G13 и можно установить их, оставив старый корпус светильника, лишь немного модернизировав его.

Чтобы поставить светодиодные лампы вместо люминесцентных, необходимо несколько доработать светильник, сделать его проще, убрав из схемы подключения несколько лишних компонентов. Сейчас я подробно покажу как это легко сделать самому.

В первую очередь давайте рассмотрим схемы стандартных растровых светильников, рассчитанных на установку четырех люминесцентных ламп, такие чаще всего монтируются в потолки, типа «армстронг».

Их всего две разновидности, две различных схемы, первая с балластом и стартером, встречается чаще всего:

Вторая схема более современная, с электронным пускорегулирующим аппаратом:

Как видите, светильники с люминесцентными лампами, содержат внутри различное дополнительное оборудование, которое требуется для их работы. Подробнее читайте об этом в материале — Схема подключения люминесцентных светильников

В современных же трубчатых LED лампах, в частности т8 под цоколь g13, драйвер, необходимый для того, чтобы светодиоды горели, уже встроен в корпус самой лампы и дополнительно устанавливать что-то не требуется.

Соответственно, переделка любого люминесцентного светильника, сводится к демонтажу всего лишнего оборудования: балласта, стартера, эпра и т.д. и подключению питания напрямую к контактам LED лампы. Для обоих типов светильников, схема подключения общая, все зеленые проводники на схеме, подключаем к нулевому проводу, а все красные к фазному, должно получится примерно так:

Схема подключения светодиодных ламп вместо люминесцентных

И еще раз, все достаточно просто, с одной стороны к ламам подводится фаза, а с другой ноль. При этом полярность не важна, так как подключается переменный ток, подсоединяйте так, как вам будет удобнее. Кроме того, не важно к какому из контактных штырьков подключается электрический провод, ведь их каждая пара, с каждой стороны LED лампы, замкнута.

В случае переделки растрового люминесцентного светильника, мы просто берем провода, которые идут от цоколей g13 и обрезаем их, а затем все провода одной стороны подключаем на фазную клемму, а все провода другой, на нулевую. В итоге должно получится примерно следующая схема установки led ламп вместо ламп дневного света:

Как видите, технология простая, не нужно обладать каким-то особым образованием, чтобы перевести на светодиодные лампы, допустим, все люминесцентные светильники в офисе, на производстве или в магазине.

Кстати, как монтировать и подключать люминесцентный светильник, а главное как устанавливать трубчатые лампы т8 — мы писали в статье «Подключение люминесцентного светильника»

В результате такой переделки, вы получаете новый, современный светодиодный светильник, безопасный, с низким энергопотреблением и долгим сроком службы.

Помните, что старые люминесцентные лампы нельзя просто выбросить или, хуже того, просто разбить, их необходимо обязательно утилизировать, ведь они содержат ртуть. В каждом крупном городе есть центры, куда вы сможете сдать свои энергосберегающие лампы, нередко совершенно бесплатно.

Если старый советский светильник с люминесцентными лампами дневного света типа ЛБ-40, ЛБ-80 вышел из строя, или вам надоело менять в нем стартера, утилизировать сами лампы (а просто так выкидывать их в мусорку уже давно нельзя), то его с легкостью можно переделать в светодиодный.

Самое главное, что у люминесцентных и светодиодных ламп одинаковые цоколи – G13. Никакая модернизация корпуса в отличие от других видов штырьковых контактов не потребуется.

• G- означает, что в качестве контактов используются штырьки

• 13 – это расстояние в миллиметрах между этими штырями

При этом вы получите:

• экономию электроэнергии (в 2 раза)

• меньшие потери (почти половина полезной энергии в люминесцентных светильниках может теряться в дросселе)

• отсутствие вибрации и противного звука дребезжания от балластного дросселя

Правда, в более современных моделях, уже используется электронный балласт. В них повысился КПД (90% и более), исчез шум, но расход энергии и световой поток остались на прежнем уровне.

Например, новые модели таких ЛПО и ЛВО часто используются для потолков Armstrong. Вот примерное сравнение их эффективности: 

Еще одно преимущество светодиодных – есть модели рассчитанные на напряжение питания от 85В до 265В. Для люминесцентного нужно 220В или близко к этому.

Для таких Led, даже если напряжение в сети у вас слабое или завышенное, они будут запускаться и светить без нареканий.

Светильники с электромагнитным ПРА

На что нужно обратить внимание при переделке простых люминесцентных светильников в светодиодные? Прежде всего на его конструкцию.

Если у вас простой светильник старого советского образца со стартерами и обыкновенным (не электронным ПРА) дросселем, то фактически и модернизировать ничего не надо.

Просто вытаскиваете стартер, подбираете под габаритный размер новую светодиодную лампу, вставляете ее в корпус и наслаждаетесь более ярким и экономным освещением.

Если стартер из схемы не убрать, то при замене лампы ЛБ на светодиодную, можно создать короткое замыкание.

Дроссель же демонтировать не обязательно. У светодиодной, потребляемый ток будет в пределах 0.12А-0.16А, а у балласта рабочий ток в таких старых светильниках 0.37А-0.43А, в зависимости от мощности. Фактически он будет выполнять роль обыкновенной перемычки.

После всей переделки светильник у вас остается тот же самый. На потолке не нужно менять крепление, а сгоревшие лампы не придется более утилизировать и искать специальные контейнеры для них.

Для таких ламп не нужны отдельные драйвера и блоки питания, так как они уже идут встроенными внутри корпуса.

Главное, запомнить основную особенность – у светодиодных, два штырьковых контакта на цоколе, жестко соединены между собой.

А у люминесцентной они соединены нитью накала. Когда она раскаляется, происходит зажигание паров ртути.

В моделях с электронным ПРА нить накала не используется и промежуток между контактами пробивается импульсом высокого напряжения.

Самые распространенные размеры таких трубок:

• 300мм (используется в настольных светильниках)

• 600мм (на потолок для светильников типа Armstrong)

Чем больше их длина, тем ярче свечение.

Переделка светильника с электронным ПРА

Если же у вас модель более современная, без стартера, с электронным дросселем ЭПРА (электронный пускорегулирующий аппарат), то здесь придется немного повозиться с изменением схемы.

Что находится внутри светильника до переделки:

• контактные колодки-патроны по бокам корпуса

Дроссель это то, что нужно будет выкинуть в первую очередь. Без него вся конструкция существенно потеряет в весе. Откручиваете крепежные винты или высверливаете заклепки в зависимости от крепежа.

Затем отсоединяете питающие провода. Для этого может понадобиться отвертка с узким жалом.

Можно данные проводки и просто перекусить пассатижами.

Схема подключения двух ламп отличается, на светодиодной все выполнено гораздо проще: 

Главная задача которую нужно решить – это подать 220В на разные концы лампы. То есть, фазу на один вывод (например правый), а ноль на другой (левый).

Ранее говорилось, что у светодиодной лампы оба штырьковых контакта внутри цоколя, соединены между собой перемычкой. Поэтому здесь нельзя как в люминесцентной, подать между ними 220В.

Чтобы убедиться в этом, воспользуйтесь мультиметром. Установите его в режим измерения сопротивления, и касаясь измерительными щупами двух выводов произведите замер.

На табло должны высветиться такие же значения, как и при замыкании щупов между собой, т.е. нулевые или близкие к нему (с учетом сопротивления самих щупов).

У лампы дневного света, между двумя выводами с каждой стороны, есть сопротивление нити накала, которая после подачи напряжения 220V через нее, разогревается и ”запускает” лампу.

Далее всю работу можно проделать двумя способами:

• с демонтажем и установкой перемычек через их контакты

Самый простой способ это без демонтажа, но придется докупить пару зажимов Wago.
Выкусываете вообще все провода подходящие к патрону на расстоянии 10-15мм или более. Далее заводите их в один и тот же зажим Ваго.

Тоже самое проделываете с другой стороной светильника. Если у клеммника wago недостаточно контактов, придется использовать 2 шт.

После этого, все что остается – подать в зажим на одну сторону фазу, а на другую ноль.

Нет Ваго, просто скручиваете провода под колпачок СИЗ. При таком методе, вам не нужно разбираться с существующей схемой, с перемычками, лезть в контакты патронов и т.п.

С демонтажем патронов и установкой перемычек

Другой метод более скрупулезный, зато не требует никаких лишних затрат.

Снимаете боковые крышки со светильника. Делать это нужно осторожно, т.к. в современных изделиях защелки сделаны из хрупкой и ломкой пластмассы.

После чего, можно демонтировать контактные патроны. Внутри них расположены два контакта, которые изолированы друг от друга.

Такие патроны могут быть нескольких разновидностей: 

Все они одинаково подходят для ламп с цоколем G13. Внутри них могут быть пружинки.

В первую очередь они нужны не для лучшего контакта, а для того, чтобы лампа не выпадала из него. Плюс за счет пружин, идет некоторая компенсация размера длины. Так как с точность до миллиметра, изготовить одинаковыми лампы не всегда  получается.

К каждому патрону подходят два провода питания. Чаще всего, они крепятся путем защелкивания в специальных без винтовых контактах.

Проворачиваете их по часовой и против часовой стрелки, и приложив усилие вытаскиваете наружу один из них.

Как уже говорилось выше, контакты внутри разъема изолированы друг от друга. И демонтируя один из проводков, вы фактически оставляете не удел одно контактное гнездо.

Весь ток теперь будет течь через другой контакт. Конечно, все будет работать и на одном, но если вы делаете светильник для себя, имеет смысл немного усовершенствовать конструкцию, поставив перемычку.

Благодаря ей, вам не придется ловить контакт, проворачивая светодиодную лампу по сторонам. Двойной разъем обеспечит надежное соединение.

Перемычку можно сделать из лишних проводов питания самой лампы, которые у вас обязательно останутся в результате переделки.

Тестером проверяете, что после монтажа перемычки, между ранее изолированными разъемами есть цепь. То же самое проделываете со вторым втычным контактом на другой стороне светильника.

Главное проследить, чтобы оставшийся провод питания был уже не фазным, а нулевым. Остальное выкусываете.

Люминесцентные светильники на две, четыре и более ламп

Если светильник у вас двухламповый, лучше всего к каждому разъему подавать напряжение отдельными проводниками.

При монтаже простой перемычки между двух и более патронов, конструкция будет иметь существенный недостаток.

Вторая лампа будет светиться, только при условии, что первая установлена на свое место. Уберете ее, и тут же погаснет и другая.

Питающие проводники должны сходиться на клеммную колодку, где поочередно у вас будет подключены:

До установки светильника на потолок, необходимо подать на него напряжение и проверить работу ламп. Если какой-то контакт будет отходить, можно здесь же все и подрегулировать, не залезая на верх, прыгая по стремянкам.

Светодиодные лампы, в отличие от люминесцентных с обзором свечения 360 градусов, имеют направленный поток света.

Но за счет возможности поворачиваться вокруг оси на 35 градусов в цоколе G13 + вращая сам цоколь, вы сможете их подрегулировать в нужную вам сторону.

Однако такая конструкция цоколя есть не у всех ламп. И иногда приходится пересверливать крепление патронов на 90 градусов.

Если все в порядке, монтируете светильник на свое место и наслаждаетесь экономным и боле ярким освещением.

Заходя в любое производственное помещение, учебное заведение или даже некоторые квартиры, можно увидеть люминесцентные светильники. Они по праву завоевали репутацию лучших приборов освещения прошлых лет. Но время идет, и уже сейчас многие стараются заменить световые приборы на более высокотехнологичные, долговечные и энергосберегающие – светодиодные лампы.  И все же, как установить освещение на кристаллах на 220 вольт вместо ЛДС?

Для некоторых такая замена не представляет ничего сложного, но основная масса людей не представляет, как можно подключить светодиодную лампу взамен люминесцентной. Им проще и надежней поменять светильник целиком, и единственное, что их останавливает – это высокая стоимость такого устройства.

А ведь при затрате минимума усилий люминесцентный прибор очень быстро превращается в светодиодный светильник. Нужно лишь понять, как это сделать.

Подключение светодиодной лампы Т8

Самым распространенным корпусом люминесцентных ламп является Т8, обычная и привычная для всех ЛДС. Для большего удобства замены светодиоды выпускаются в том числе и в подобных корпусах. Особенность диодных трубок заключается в том, что для их работы не требуется пускорегулирующий аппарат, все, что нужно, уже встроено в саму светодиодную лампу.

Схема подключения светодиодной трубки

Для того чтобы модернизировать люминесцентный светильник, требуется лишь исключить из схемы стартер и дроссель и изменить подачу напряжения на лампы. Если электричество на ЛДС поступает по принципу «контактный штырь – фаза, контактный штырь – ноль» с каждой стороны, то светодиодные трубки подключаются «фаза на одну сторону лампы, ноль на другую». При этом не имеет значения, на какой из штырьков цоколя будет подходить провод, т. к. каждая сторона закорочена внутри осветительного прибора.

Существование светодиодных светильников, которые нужно подключать лишь с одной стороны (один штырь цоколя – фаза, другой – ноль), также имеет место. Такие лампы сейчас уже отсутствуют в свободной продаже, т. к. производятся они в Украине, но встретить их все-таки возможно. На таком световом приборе указана сторона подключения.

Если замена люминесцентных ламп происходит в арендованном офисе, и нет уверенности, что не придется со временем переехать в другой, демонтировать дроссели и стартеры будет неправильно. Лучше их просто отключить с возможностью восстановления до исходного состояния. Тогда при необходимости можно вернуть на место люминесцентные лампы, а светодиодные забрать с собой.

Преимущества светодиодов

Люминесцентные светильники потребляют большее количество электроэнергии за счет потерь, связанных с работой пускорегулирующего аппарата. А если установлен более старый образец, работающий посредством электромагнитного балласта, энергопотребление возрастает еще на 20–25%.

Светодиодной трубке не требуется стартера, балласта или ЭПРА. К тому же такой осветительный прибор не содержит опасных тяжелых металлов (таких, как ртуть), а потому не требует особой утилизации, в отличие от люминесцентных.

Также у световых приборов на кристаллах отсутствует мерцание и гудение, что более положительно сказывается на состоянии организма, как физическом, так и психическом. Да и долговечность службы люминесцентных ламп всего около 6 000 часов против 50 000 у светодиодной.

Светодиодная трубка Т8

Технические преимущества

Основной особенностью, обеспечивающей большой срок службы светодиодной лампы на 220 вольт, можно назвать грамотно продуманное отведение тепла от световых элементов. Основной радиатор, обеспечивающий теплоотведение, дублирует дополнительное приспособление в виде продольной пластины по всей длине трубки. В результате чего оборудование не перегревается, а значит, дольше не выходит из строя.

К тому же есть и третья точка теплоотведения – это двухсторонняя печатная плата, изготовленная из особого стеклотекстолита с повышенной плотностью.

Строение светодиодной трубки

Особенности платы

Удивительно, но контакты на плате диодной лампы не паяные. Монтаж производится с помощью инновационных контактных соединений, которые позолочены с целью повышения надежности и увеличения срока службы.

Драйвер выполнен на основе микросхем, минимизирующих габариты и позволяющих обойтись без таких деталей, как высоковольтный электролитический конденсатор. В результате данных инноваций улучшается работа светового прибора, снижаются до нуля скачки напряжения, в частности и при подаче его на лампу, а также не имеется электрических помех.

Стабилизирующее устройство смонтировано с использованием ШИМ (широтно-импульсный модулятор), который поддерживает необходимое напряжение на светодиодах при разнице этих показателей от 175 вольт до 275 вольт.

Максимально допустимая нагрузка на широтно-полюсной модулятор составляет 35 ватт. Поэтому даже при большой нагрузке температура прибора не возрастает.

Светодиодная трубка с модульной системой

Схема подключения

Схема подключения светодиодного светильника не представляет собой ничего сложного. Световые элементы на основе кристаллов подключаются к сети с переменным напряжением 220 вольт через диммер или к стабилизирующему трансформатору 12 В или 24 В. При желании стабилизирующее устройство для подключения чипов к общей электрической сети можно собрать своими руками, хотя процесс это непростой и довольно продолжительный по времени.

Что же касается светодиодных трубок Т8 с цоколем G13 и им подобных, равно как и приборов освещения с цоколем Е27, то для их подключения не требуется устанавливать дополнительные устройства. Все, что нужно для их бесперебойной стабильной работы – подать напряжение на контакты. Все необходимые элементы схемы уже включены в устройство.

Вообще при приобретении имеет смысл обратить внимание на упаковку осветительного прибора, точнее на маркировки на ней. В обязательном порядке помимо информации о номинальном напряжении, силе светового потока и цветовой температуры там будет указано, требуются ли дополнительные устройства для подключения лампы.

Схема подключения светодиодной лампы

Но обычно приборы со встроенным диммером называются лампами, в то время как требующие дополнительного оборудования – светодиодами или LED-элементами.

Также установка стабилизирующего трансформатора, а иногда и контроллера необходима и при монтаже светодиодной полосы. Контроллер – это своего рода мозг подсветки. Монтируется он при условии того, что световая полоса является многоцветной, и «продумывает» переменное включение разных цветов при помощи пульта дистанционного управления.

Схема светодиодного фонаря

Большое распространение получили в наше время и переносные фонари на основе светодиодов. Небольшие и налобные фонарики могут иметь в своей схеме от трех до двадцати двух элементов на кристаллах. Более мощные, с использованием аккумуляторных батарей и возможностью подзарядки от сети в 220 В – до 64 светодиодов. Их несомненное преимущество перед приборами на основе лампы накаливания – в яркости свечения и в то же время экономичности. Заряд батареи расходуется в 10–20 раз медленнее. При этом сила светового потока в разы сильнее.

Схема светодиодного аккумуляторного фонаря

Все дело в том, что обычные лампы накаливания рассеивают свет вокруг себя, а значит, половина светового потока идет назад. В фонарях установлены отражатели с целью уменьшить потери и направить луч в нужном направлении. Но проблема в том, что лампочка находится очень близко к отражателю, а значит, загораживает часть отраженного светового потока.

Таким образом, лампа теряет около 30 процентов света.

Светодиоды, в отличие от приборов с нитью накаливания, изначально светят вперед, не тратя силу на освещение пространства вокруг и позади себя. Конечно, отражатель здесь тоже присутствует, но служит он больше для коррекции луча светового потока, а не для его усиления.

Схема, по которой происходит подключение светодиодного фонаря, предельно проста и вполне жизнеспособна при ее сборке своими руками.

Вывод

Подключение светодиодной лампы – дело простое и не требующее каких-либо особых знаний и навыков. Главное – делать все правильно и четко по инструкции. Экономичные и имеющие очень большой срок эксплуатации осветительные приборы – хороший вариант для дома, квартиры или дачи.

При ассортименте, присутствующем сейчас на полках магазинов, возможен подбор любого типа подобных ламп в любом корпусе и для любых люстр. Замена любого вида освещения, даже люминесцентных приборов, очень проста. Ну а о лампах накаливания и говорить не приходится. А выгода от такой замены, конечно же, немалая.

Как заменить в светильнике лампы светодиодными

В настоящее время офисы, магазины и цеха промышленных предприятий, как правило, освещаются светильниками с люминесцентными лампами дневного света, в которых в качестве пускорегулирующего устройства используется балластный дроссель.

По сравнению с лампами накаливания люминесцентные лампы в пять раз экономичнее, срок службы у них в несколько раз больше, но, тем не менее, периодически их приходится заменять и нести расходы на покупку новых ламп и стартеров, оплату услуг электрика и утилизацию. К большому недостатку старых светильников также относятся низкий КПД (50% энергии теряется на балластном дросселе), мигание ламп при их старении и появляющийся дребезжащий шум балластного дросселя частотой 50 Гц.

В современных светильниках с люминесцентными лампами вместо балластного дросселя применен электронный балласт (пускорегулирующий аппарат), благодаря которому КПД стал более 90%, мигание ламп и шум больше не доставляют дискомфорт, но остальные недостатки остались. Примером таких светильников может служить модельный ряд ЛПО и ЛВО прямоугольной и квадратной формы (для потолков вида Armstrong) российского завода «Ксенон». Светильники дешевые и качественные, в моем кабинете на работе висят четыре двойных светильника, установленных более двух лет. Пока заменять лампы и ремонтировать светильники не приходилось.

Устройство линейных светодиодных ламп

В продаже появились светильники нового поколения, по габаритным размерам и внешнему виду похожие на светильники с люминесцентными лампами. Однако вместо люминесцентных ламп дневного света в них применены светодиоды. Светильники экономичны, долговечны, но пока еще достаточно дорогие.

Промышленностью освоен выпуск альтернативных LED ламп, по габаритным размерам, внешнему виду и яркости свечения, полностью соответствующих люминесцентным лампам. В качестве источника света в них используются светодиоды. Срок службы светодиодных аналогов в десятки раз больше и не требуется их утилизация. Благодаря наличию светодиодных аналогов люминесцентных ламп появилась возможность сэкономить – не покупая светильники нового поколения заменить своими руками в устаревших светильниках только люминесцентные лампы светодиодными, оставив прежнюю арматуру. Переделка старых люминесцентных светильников не требует от исполнителя высокой квалификации и при наличии инструкции ее может выполнить любой домашний мастер своими руками.

Светодиодная лампа трубка представляет собой прозрачную пластмассовую трубку, в которой установлена планка из гетинакса с распаянными на ней светодиодами и драйвер. Поэтому для светодиодной лампы трубки не требуется устанавливать внешний драйвер. Она подключается непосредственно к электрической сети 220 В.

На светодиодных лампах трубках, как и на люминесцентных трубках, установлен цоколь G13. С внутренней стороны светодиодной лампы трубки штыри соединены между собой отрезком медной проволоки, поэтому питающее напряжение можно подавать на любой из штырей. LED лампа трубка полностью адаптирована для замены в светильниках люминесцентных ламп без механической доработки их конструкции. Достаточно только провести небольшую работу по изменению разводки проводов – удалить лишние.

LED трубки выпускаются длиной 600 мм и 1500 мм, мощностью от 9 до 25 Вт, холодного и теплого света и экономят не менее 65% электроэнергии, по сравнению с люминесцентными лампами. Например, светодиодная лампа трубка мощностью 18 Вт подойдет для замены люминесцентной лампы мощностью 36 Вт. Так что есть возможность подобрать LED трубку для замены при переделке любого светильника. При этом если модернизируемый светильник недостаточно освещал помещение, то заодно можно увеличить яркость его свечения, установив светодиодные трубки большей мощности, или установить большее количество LED ламп.

Инструкция по замене люминесцентных трубок
LED лампами-трубками

Как снять светильник с потолка или стены

Прежде, чем приступить к модернизации светильника необходимо его отсоединить от электропроводки. Чтобы не попасть под опасное напряжение фазы, нужно выключить выключателем подачу напряжения и проверить с помощью индикатора, что на клеммной колодке, с помощью которой обычно подобные светильники подключаются к электросети, отсутствует фаза. Хотя выключатель и должен быть установлен на размыкание фазного провода, но на практике это не всегда электрики соблюдают. Если фаза на клеммной колодке есть, то нужно найти автоматический выключатель, через который подается напряжение на светильники и временно отключить его.

На следующем шаге необходимо провода подводящей электропроводки отсоединить от клеммной колодки и оголенные концы заизолировать изоляционной лентой.

Обычно кроме нулевого N и фазного провода L к корпусу светильника подключен еще и заземляющий провод PL желто — зеленого цвета. Как правило, он прижат винтом к оголенному от краски месту корпуса светильника с помощью винта, как на фотографии. Этот провод, тоже нужно отпустив винт, освободить. Заземляющий провод PL изолировать не нужно.

Если в помещении или офисе установлен не один светильник, то теперь можно включить свет, чтобы продолжать работу при хорошем освещении и отвинтить винты, удерживающие светильник на потолке. Если снимается люминесцентный светильник с подвесного потолка типа Armstrong, то его достаточно вдавить вверх и, развернув вынуть по диагонали образовавшегося пустого квадрата в потолке.

Электрическая схема подключения
линейной светодиодной лампы-трубки

Подача питающего напряжения на каждый из двух патронов при подключении к нему люминесцентной линейной лампы осуществляется двумя проводами по следующей электрической схеме.

Это связано с тем, что для поджога паров ртути при небольшом напряжении в люминесцентной лампе необходимо создать на двух ее концах облака из электронов с помощью раскаленных нитей накала.

LED светодиодная линейная лампа работает на другом принципе и чтобы она начала светиться, достаточно подать непосредственно на противоположные штыри цоколя питающее напряжение переменного тока 220 В, как на приведенной выше электрической схеме. Поэтому к каждому из патронов необходимо подключить только по одному проводу. Какой из патронов будет подключен к фазному проводу, а какой к нулевому значения не имеет.

Удаление из светильника ненужных элементов

Светильник снят, и можно приступать к его переделке. В первую очередь необходимо снять из светильника люминесцентные лампы. Для этого нужно обхватить люминесцентную лампу двумя руками у цоколей и повернуть в любую сторону на 90°. После этого лампа легко извлечется из патронов. Прежде, чем снимать светильник с потолка полезно отметить маркером еще рабочие лампы, вполне возможно они еще какое-то время послужат в других светильниках. Удаление ламп нужно производить осторожно, чтобы их не разбить, так как внутри их колбы содержатся опасные для здоровья человека пары ртути.

Далее от стартеров (представляет собой по внешнему виду цилиндр в колодке) и дросселя (похож на трансформатор) отсоединяются электрические провода. Дроссель и стартеры с колодками удаляются, они больше уже не понадобятся.

Патроны старого типа для стартеров крепятся к арматуре светильника с помощью винтов или узких металлических полосок. Современные патроны стартеров крепятся с помощью защелок. Для того чтобы снять такой патрон не повредив крепление нужно пинцетом сжать цилиндры защелок и они легко выйдут из отверстий корпуса светильника. В противном случае патрон можно снять поддев его отверткой.

В старых патронах токоподводящие проводники крепятся с помощью винтов. В современных патронах использован

Как работают люминесцентные лампы

Как работают люминесцентные лампы

Elliott Sound Products

Как работают люминесцентные лампы

© 2007 Род Эллиотт (ESP)

---

Лампы и индекс энергии
Основной указатель

---

Содержание

---

1 Введение

Статья «Традиционные люминесцентные ламповые лампы и их альтернативы» рассматривает работу люминесцентных ламп в довольно простых терминах, но здесь мы рассмотрим лампы и их балласты (как «традиционные» магнитные, так и электронные) и немного углубимся в их внутреннюю часть. выработки.Используются альтернативные схемы балласта (такие как «опережение / запаздывание»), и это показано в предыдущей статье. Здесь это не рассматривается, потому что речь идет о том, как они работают, а не о способе подключения арматуры.

Принцип работы люминесцентной лампы сильно отличается от простой лампы накаливания, и современные люминесцентные лампы (особенно компактные люминесцентные лампы или КЛЛ) используют электронные балласты для регулирования напряжения на лампе и тока через нее.При первом запуске необходимо обеспечить значительно более высокое напряжение, чем обычно, чтобы вызвать возникновение внутренней дуги, а после запуска ток должен быть ограничен до безопасного значения для трубки.

В этой статье показаны некоторые способы достижения этих целей, начиная с базового индуктивного балласта, который на протяжении многих лет является основой производства люминесцентных ламп.

Обратите внимание, что показанные здесь формы сигналов представляют собой комбинацию моделирования и реальных измерений.При необходимости смоделированные формы сигналов корректируются для соответствия измеренным. Причина этого подхода проста … имитатор не может представить нагрузку с отрицательным импедансом с соответствующими напряжениями удара и другими характеристиками, которые представляет люминесцентная лампа. Точно так же очень сложно (и потенциально смертельно) пытаться уловить все напряжения и токи, которые существуют в цепях реальных люминесцентных ламп.

Хотя принятый подход действительно вносит некоторые незначительные ошибки в показанные формы сигналов, они относительно незначительны, а конечный результат находится в пределах любого традиционного производственного допуска для балластов, ламп и других компонентов.

---

2 Индуктивный балласт

Для объяснения индуктивного балласта я использовал старую «компактную» люминесцентную лампу, которая идеально подходит для тестирования. Хотя он по-прежнему работает, световой поток несколько ниже, чем должен быть, но это лишь немного меняет некоторые измеренные значения. Принципы не меняются.

Сама лампа имеет следующие характеристики …

Диаметр трубки	11,3 мм (нестандартный)
Длина	533 мм (21 дюйм)
Сопротивление нити (холодное)	12.8 Ом
Сопротивление нити (горячее)	23 Ом
Балластное сопротивление	105 Ом
Балластная индуктивность	2,11 Гн
Стартер	Обычный неон
Пусковой конденсатор	1,2 нФ

Диаметр люминесцентных ламп обычно обозначается как Т8 (например). Это означает, что диаметр равен 8 x 1/8 дюйма, что составляет 1 дюйм (25.4 мм). Ранние трубки были T12 (1½ дюйма или 38 мм в диаметре), но они были уменьшены в размерах до T8, когда были представлены (тогда) «новые» высокоэффективные типы. Стандартная 4-футовая трубка (1200 мм) раньше рассчитывалась на 40 Вт, но их замена была 36 Вт, а светоотдача была улучшена. Последнее воплощение — T5 (диаметр 16 мм), в котором используется меньшее расстояние между выводами и другой фитинг надгробия. Они также короче (1163 мм) и не подходят для стандартного светильника. разработан для более ранних ламп.

В случае моего тестового образца диаметр трубки намного меньше обычного, потому что лампа обозначена как компактная, поэтому ее складывают, чтобы уменьшить общую длину.Упоминается сопротивление нити, потому что оно будет упомянуто позже в этой статье. Схема представлена ​​ниже и является стандартной во всех отношениях.

Рисунок 1 — Схема люминесцентной лампы

Катушка индуктивности — это балласт, и на самом деле это гораздо более важный компонент, чем он может показаться. Он не только ограничивает максимальный ток трубки, но и используется для генерации импульсов высокого напряжения, необходимых для запуска плазменной дуги внутри трубки. Сама люминесцентная лампа имеет на каждом конце нагреватель, небольшое количество ртути и инертный газ (обычно аргон).Стенка трубки покрыта люминофором, который излучает видимый свет при возбуждении интенсивным коротковолновым ультрафиолетовым светом, излучаемым ртутным дуговым разрядом. Дополнительный конденсатор (C2) предназначен для коррекции коэффициента мощности — подробнее об этом позже.

Маленькая лампочка — стартер. Биметаллическая полоса запечатана в стеклянную оболочку с (обычно) неоновым газом внутри. При подаче питания напряжения более чем достаточно, чтобы вызвать дугу в неоновом стартере, но не настолько, чтобы вызвать дугу в самой лампе.Тепло от неоновой дуги заставляет биметаллическую полосу изгибаться, пока не замыкаются контакты. Затем дуга в неоновом пускателе прекращается, и сеть подключается через балласт и нити на каждом конце трубки через выключатель стартера.

Когда в пускателе нет дуги (или накаливания), биметаллическая полоса охлаждается, и примерно через секунду выключатель размыкается. Прерывание тока через катушку индуктивности вызывает возврат напряжения — импульс высокого напряжения, который (будем надеяться) зажжет дугу в трубке.Если дуга не запускается с первого раза, процесс повторяется до тех пор, пока не начнется. Вот почему стандартные люминесцентные лампы несколько раз мигают при включении. Нити — это нагреватели, которые действуют как катоды (эмиттеры электронов) и необходимы для обеспечения достаточного количества тепла для испарения ртути и для получения хорошего электронного потока для возбуждения плазмы. Когда лампа работает нормально, потока электронов достаточно для поддержания приемлемой рабочей температуры нити накала. Обе нити действуют как катоды и аноды поочередно, потому что полярность меняется 50 (или 60) раз в секунду.

Плазма имеет интересную характеристику … отрицательное сопротивление! Как только начинается дуга, более высокий рабочий ток вызывает падение сопротивления и меньшее напряжение появляется на трубке. Если бы это продолжалось, трубка очень быстро разрушилась бы. Балласт предотвращает это, потому что он вводит последовательный импеданс для ограничения тока. Сопротивление не сработает, потому что оно слишком расточительно и не обеспечивает накопления энергии для генерации всплеска обратного напряжения, чтобы повторно зажигать дугу при каждом изменении полярности.

Рисунок 2 — Рабочие кривые

На рисунке 2 вы можете видеть, что когда ток трубки (зеленая кривая) максимален, напряжение (красная кривая) на трубке минимально. Вы можете увидеть эффект сразу после каждого скачка напряжения. По мере увеличения тока напряжение падает (для этой трубки минимум составлял ± 126 В). Пик в точке пересечения нуля формы волны тока генерируется балластом, и именно он повторно зажигает дугу для каждого полупериода подключенной сети.На рисунке 3 показано напряжение на балласте — быстрые переходы соответствуют пикам, приложенным к лампе, и происходят около пика напряжения, где ток прерывается, когда проходит через ноль.

Рисунок 3 — Напряжение и ток в балласте

Форма волны напряжения на балласте по существу представляет собой разницу между приложенным сетевым напряжением и напряжением на лампе. Для работы на 120 В напряжение явно меньше, но лампе все еще нужно где-то между 300-400 В, чтобы зажигать (или повторно зажигать) дугу, поэтому балласт должен иметь возможность компенсировать разницу с помощью обратного импульса на каждом нуле. -пересечение тока.У меня нет люминесцентной лампы на 120 В или балласта, поэтому я не могу предоставить полную информацию. То, что люминесцентные лампы вообще работают с напряжением 120 В, несколько примечательно, но легко понять, почему электронные балласты так популярны в США. Многие балласты для стран с напряжением 120 В используют «балласт» автотрансформатора, который увеличивает доступное напряжение и действует как ограничитель тока.

---

3 Системные потери

В системе несколько потерь, при этом балласт является одним из основных факторов.Балласт, использованный в моих тестах, имеет сопротивление постоянному току 105 Ом, поэтому расходуется почти 7 Вт. Потери на самом деле выше, потому что стальные листы очень быстро нагреваются, поэтому «потери в стали» значительны. Это можно уменьшить только за счет использования стали более высокого качества и более тонких листов. Оба значительно увеличат стоимость.

Каждая нить накала имеет горячее сопротивление 23 Ом, а напряжение почти 6 В присутствует на каждой нити во время работы лампы. Помните, что во время работы конец нити накала, идущий к стартеру, отключается (за исключением очень маленькой емкости на стартере).Измеренное напряжение представляет собой градиент, вызванный током плазмы, и каждая нить накала рассеивает около 1,5 Вт (всего 3 Вт). Только в этих компонентах люминесцентная лампа расходует 10 Вт подаваемой мощности в виде тепла (7 Вт для балласта, 3 Вт для нити накала).

Хотя балластные отходы можно уменьшить с помощью более качественного устройства, потеря накала необходимы для работы лампы. Это относится ко всем люминесцентным лампам, кроме специализированных типов с холодным катодом, но для них требуется такой же специализированный электронный балласт.CCFL (люминесцентные лампы с холодным катодом) чаще всего встречаются в ЖК-мониторах и телевизорах, но теперь их заменяют светодиоды в новых моделях.

Есть еще одна потеря, которую пользователь не видит и даже не оплачивает. Эти потери являются результатом низкого коэффициента мощности люминесцентных ламп, и это вызвано преимущественно индуктивной нагрузкой. Индуктивная нагрузка вызывает запаздывающий коэффициент мощности, когда максимальный ток возникает после максимального напряжения. Вы также можете рассматривать это как точку, где нагрузка (лампа и индуктор) фактически возвращает некоторую мощность источнику.Для поставщика электроэнергии это означает, что трансформаторы, кабели и генераторы переменного тока должны выдерживать более высокий ток, чем должен быть. Это становится очень дорогостоящим, когда очень много нагрузок имеют низкий коэффициент мощности.

Рисунок 4 — Напряжение Vs. Текущие, нескорректированные и исправленные

На рисунке 4 вы можете видеть, что нескорректированная форма волны тока имеет видимые искажения около точки пересечения нуля. Как вы также можете видеть, среднеквадратичный ток также значительно выше, чем указано в номинальной мощности.Реактивные нагрузки имеют разные значения мощности и ВА, но для резистивной (или нереактивной) нагрузки они одинаковы.

В этом случае ток без C2 составляет 256 мА, а при добавлении C2 он падает до 162 мА. При приложенном напряжении 240 В это означает, что …

Без компенсации	Общая мощность = 38 Вт
	ВА = 61,4	Коэффициент мощности = 0,62
С компенсацией	Общая мощность = 38 Вт
	ВА = 38.9	Коэффициент мощности = 0,97

Коэффициент мощности можно рассчитать с использованием задержки по фазе или делением фактической мощности на ВА (Вольт * Ампер). Для угла сдвига по фазе ток отстает от напряжения на 57,4 °, а коэффициент мощности рассчитывается путем взятия косинуса фазового угла — 0,53 в данном случае. Цифры разные, потому что форма волны тока не является чистой синусоидой — она ​​имеет искажения. Добавление конденсатора сдвигает фазу искажения, так что форма сигнала компенсированного тока становится плоской (что-то вроде ограничения усилителя).Хотя это вносит гармоники в сеть, их влияние далеко не так плохо, как в некомпенсированной цепи, о чем свидетельствует скорректированный коэффициент мощности. Добавление конденсатора правильного номинала в чисто индуктивную цепь (без искажения формы сигнала) даст коэффициент мощности, равный единице — идеальный вариант.

Обратите внимание, что использование косинуса фазового угла (CosΦ) является сокращением, и может использоваться только , когда оба напряжение и ток являются синусоидальными волнами.Он вообще не работает для сильно искаженных сигналов, например, от электронных нагрузок, и даст неверный ответ для индуктивных нагрузок, которые включают искажения (например, люминесцентные лампы). Вы получите , всегда получите правильный ответ, если разделите реальную мощность на ВА.

Также доступны пускорегулирующие аппараты с «быстрым запуском» и без пускового устройства. Они выходят за рамки данной статьи, которая предназначена для описания основных принципов, а не для подробного описания всех имеющихся балластов люминесцентного освещения.

---

4 электронных балласта

Электронные балласты становятся все более распространенными, потому что их можно сделать более эффективными, чем типичный магнитный балласт, и для них требуется гораздо меньше материала. Это делает их дешевле (в производстве, но не обязательно для вас), чем люминесцентные лампы с обычным балластом. В частности, теперь все компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) используют электронный балласт, который обычно поставляется с самой лампой. Хотя это удобно, это ужасная трата ресурсов, потому что все электронные компоненты просто выбрасываются при выходе из строя лампы.Лампы T5 в настоящее время становятся стандартом для люминесцентного освещения, и для максимального срока службы электронный балласт необходим.

В некоторой степени повышение эффективности по сравнению с магнитным балластом может быть иллюзией — по крайней мере, частично. Поскольку они намного легче, есть реальная и определенная экономия на транспортных расходах, но магнитные балласты могут быть такими же эффективными, как электронная версия, а может быть, даже больше. Как бы то ни было, переход к электронным балластам сейчас не остановить, и по мере того, как цена снизится, их использование будет продолжать расти.У электронных балластов есть и другие преимущества, о которых мы поговорим позже.

Типичная (более или менее) принципиальная схема электронного балласта, используемого в КЛЛ, показана ниже. Те, которые используются для обычных люминесцентных ламп, будут очень похожи, но, как правило, будут использовать обновленные компоненты. В то время как электроника в КЛЛ может прослужить всего 15 000 часов, стационарный электронный балласт, как ожидается, прослужит 100 000 часов или более (более 10 лет непрерывной работы).На самом деле электронный балласт должен быть способен прослужить столько же, сколько и его магнитный аналог, поэтому срок службы 40 лет не так глуп, как может показаться.

Рисунок 5 — Схема электронного балласта [2]

Схема на Рисунке 5 представляет собой немного упрощенную версию схемы, показанной в листе данных Infineon. Он полностью скорректирован по коэффициенту мощности и имеет защиту для обнаружения неисправных (или отсутствующих) ламп. Характерным режимом отказа люминесцентных ламп является «выпрямление», когда одна нить накала (катод) становится значительно слабее другой.Если не обнаружено, смещение постоянного тока приведет к отказу коммутирующих устройств, что сделает балласт бесполезным (маловероятно, что кто-то отремонтирует их, когда они выйдут из строя).

Электронный балласт действительно имеет ряд преимуществ перед магнитной версией. Поскольку дуга полностью погаснет примерно через 1 мс, при использовании более высокой частоты, чем сеть 50 или 60 Гц, дуга останется. Его не нужно наносить повторно, а просто меняет направление [1]. Кроме того, светоотдача увеличивается примерно на 10% выше 20 кГц, поэтому улучшается световая отдача.

До тех пор, пока коэффициент мощности всех этих электронных балластов не будет исправлен, они будут вызывать проблемы с распределением. К сожалению, во многих странах не требуется, чтобы приборы малой мощности (обычно менее 75 Вт) имели коррекцию коэффициента мощности, но, учитывая распространение КЛЛ и электронных балластов в обычных люминесцентных лампах, это придется изменить. Поскольку освещение используется в каждом доме, проблема неисправленного коэффициента мощности выйдет из-под контроля, если что-то не будет сделано.

В отличие от магнитного балласта (индуктора), коэффициент мощности электронного балласта нельзя скорректировать простым добавлением конденсатора. Как видно на диаграмме выше (хотя это может быть не сразу видно), на выходе входного мостового выпрямителя имеется очень маленький конденсатор емкостью 220 нФ. Первый МОП-транзистор работает как повышающий преобразователь и переключается на протяжении каждого полупериода. Таким образом, среднеквадратичный ток, потребляемый из сети, поддерживается в фазе с напряжением, а форма волны тока является приблизительно синусоидальной.Это дает очень хороший коэффициент мощности — возможно лучше 0,9. Чтобы предотвратить возвращение высокоскоростных коммутационных импульсов в сеть, необходима обширная фильтрация, на что указывает фильтр EMI (электромагнитные помехи) на входе.

Для компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) используется несколько более простая схема, так как схемы предназначены для выбрасывания. Лично я считаю это бессмысленным расточительством и надеюсь, что это не будет продолжаться (или, по крайней мере, будет введена переработка, чтобы восстановить как можно больше).Типичный инвертор CFL показан ниже …

Рисунок 6 — Типовая схема электронного балласта CFL

Я говорю «в разумных пределах», потому что реальные схемы сильно различаются. Доступны специализированные микросхемы драйверов MOSFET, но большинство дешевых (потребительских) CFL будут использовать вариант вышеупомянутого. Обратите внимание, что резистор 0,47 Ом, показанный на входе, обычно представляет собой плавкий резистор, и он используется в первую очередь в качестве предохранителя. Почему бы не использовать настоящий предохранитель? Резисторы дешевле.Большинство деталей будет выбрано таким образом, чтобы выжить в течение указанного срока службы лампы, поэтому лучшие методы проектирования обычно игнорируются, если можно ожидать, что деталь с более низким номиналом (и более дешевая) прослужит около 10 000 часов.

Трансформатор (T1) обеспечивает обратную связь с транзисторами и генерирует базовый ток, необходимый для надежного переключения. Цикл инициируется DIAC — двунаправленным устройством, которое имеет резкий переход из непроводящего состояния в проводящее.Поскольку он имеет характеристики, очень похожие на устройство с отрицательным импедансом, его часто используют в диммерах, люминесцентных балластах и ​​даже стробоскопах. Для получения дополнительной информации щелкните здесь, чтобы просмотреть руководство по DIAC.

Обратите внимание, что схемы, показанные выше, предназначены только для информации, и их нельзя строить так, как показано. Для некоторых компонентов требуются очень специфические параметры, трансформаторы и индукторы имеют решающее значение. В схемах нет ничего плохого, им просто не хватает всей информации, необходимой для их построения.Речь идет о том, как эти вещи работают, а не о том, как их построить.

---

5 Коэффициент мощности Коэффициент мощности

не совсем понятен большинству энтузиастов электроники, и это вполне понятно, потому что он мало востребован в общих электронных схемах. Есть аспекты коэффициента мощности, которые даже не понимают многие инженеры, которым следует знать лучше. Когда создаются несинусоидальные формы волны тока, даже многие инженеры делают двойную работу, потому что они не могут быть использованы для работы с электронными нагрузками.Я рассмотрю здесь оба случая, а также намереваюсь показать методы пассивной и активной коррекции коэффициента мощности. Хотя пассивный PFC (коррекция коэффициента мощности) привлекает своей простотой, на самом деле он оказывается более дорогим из-за необходимости в большом индукторе. Активный PFC кажется сложным (и это действительно так, если вам нужно его спроектировать), но после разработки использует относительно дешевые компоненты.

Самый простой случай — индуктивная нагрузка. Это относится ко многим электрическим машинам, включая двигатели, трансформаторы и (конечно) балласты люминесцентного освещения (магнитные типы).Когда двигатель или трансформатор полностью нагружены, он проявляет себя как резистивная нагрузка и имеет отличный коэффициент мощности. При малых нагрузках эта же часть оказывается индуктивной, и это приводит к отставанию тока от напряжения. Если нагрузка работает в этом режиме большую часть своего срока службы, необходимо применить поправку, чтобы вернуть коэффициент мощности как можно ближе к единице.

Коэффициент мощности резистивной нагрузки равен , всегда единицы — это идеально. Каждый вольт и каждый ампер используются для выработки тепла.Распространенными примерами являются электрические обогреватели, тостеры, чайники и лампы накаливания. Однако не все нагрузки резистивные, поэтому давайте рассмотрим типичный пример (но упрощенный для простоты описания и понимания).

Электрическая машина обычно работает с половинной нагрузкой, но может потребоваться полная мощность при запуске или для работы с переходными нагрузками. Это может быть двигатель или трансформатор — две из наиболее распространенных используемых электрических машин (люминесцентная лампа с магнитным балластом немного сложнее).В каждом случае индуктивная и резистивная составляющие нагрузки будут равны (для половинной мощности), а формы сигналов напряжения, тока и мощности выглядят следующим образом …

Рисунок 7 — Электрическая машина на половинной мощности

Как и ожидалось, когда резистивная и индуктивная составляющие равны, наблюдается сдвиг фазы на 45 °, при этом ток отстает от напряжения (отстающий коэффициент мощности). Приложенное напряжение — 240 В, резистивная часть нагрузки — 120 Ом, индуктивное реактивное сопротивление — также 120 Ом, мощность — 240 Вт.Мы должны потреблять 1 А от сети (240 В x 1 А = 240 Вт), но вместо этого потреблять 1,414 А. Дополнительный ток необходимо подавать, но он полностью теряется. Что ж, это не совсем так — его возвращают в сеть. Однако, если многие нагрузки делают то же самое, то оно просто рассеивается в виде тепла в трансформаторах, линиях передачи и генераторах электростанций. Очень мало реальных нагрузок являются емкостными, поэтому в схему добавляется конденсатор.

При сдвиге фазы 45 ° коэффициент мощности равен 0.707, и мы потребляем 1,42 А из сети вместо 1 А. Чтобы восстановить ток так, чтобы он был в фазе с напряжением, нам нужно добавить в схему конденсатор. Конденсатор фактически является противоположностью катушки индуктивности и (сам по себе) будет создавать ведущий коэффициент мощности — ток будет предшествовать напряжению. Добавив в схему конденсатор нужного номинала, коэффициент мощности можно вернуть к единице, что приведет к значительному снижению тока, потребляемого из сети. Для этого примера 13 мкФ почти идеальны, но даже 10 мкФ уменьшат сдвиг фазы задержки до 14.2 °, и это увеличивает коэффициент мощности до 0,96 — обычно считается максимально близким к идеальному.

Весь процесс несколько противоречит интуиции. То, что нагрузка может потреблять больше тока, чем должно, достаточно легко понять, но то, что повторное потребление большего тока через конденсатор уменьшит сетевой ток, не имеет никакого смысла. Все дело в относительной фазе двух токов, и это действительно работает. В противном случае наша энергосистема оказалась бы в крайне тяжелом положении.

Рисунок 8 — Люминесцентный свет при нормальной работе

На несколько упрощенной диаграмме выше показаны кривые напряжения и тока люминесцентной лампы. Упрощение состоит в том, что симуляторы не включают в себя нелинейные нагрузки с отрицательным сопротивлением, но на основной принцип (и результирующие формы сигналов) это существенно не влияет. Как видите, форма сигнала тока немного искажена, и это влияет на форму сигнала после применения компенсации. Фактически, гармоники, генерируемые искажением, сдвинуты по фазе, поэтому окончательная форма волны тока выглядит как обрезанная синусоида.Однако после компенсации коэффициент мощности очень хороший, 0,98 — отличный результат.

Без компенсации потребляемый ток составляет 276,5 мА (что дает коэффициент мощности 0,57), а после компенсации он падает до 159,5 мА. Мощность нагрузки (самой лампы) составляет 29,8 Вт, а резистивный компонент балласта (R1) рассеивает 7,8 Вт — это теряется в виде тепла. Все потраченное впустую тепло снижает общую эффективность, но это неизбежно, поскольку реальные компоненты имеют реальные потери.

Ситуация становится намного хуже, когда используется нелинейная (электронная) нагрузка.На рисунке 9 показаны эквивалентная схема и осциллограммы — ток протекает только на пике приложенного напряжения. Хотя этот ток находится в фазе с напряжением, коэффициент мощности ужасен, потому что форма волны тока не похожа на синусоиду. Резкие пики тока имеют сравнительно высокое среднеквадратичное значение, но мощность, подаваемая и передаваемая в нагрузку, намного меньше.

Рисунок 9 — Осциллограммы мощности электронной нагрузки

Скорректированный ток не показан по той простой причине, что для корректировки формы сигнала необходимы значительные дополнительные компоненты.В отличие от случая, когда ток нагрузки является синусоидальным (или близок к нему), простое добавление конденсатора не принесет ничего полезного. Пики тока таковы, что их можно удалить только с помощью фильтра, предназначенного для пропускания только частоты сети. Как показано, ток составляет 296 мА, но, как видно, пиковое значение составляет почти 2 А. Нагрузка рассеивает 28 Вт, но «полная мощность» (ВА) составляет 71,4 ВА. Это дает коэффициент мощности 0,39 — действительно очень плохо. Если вам интересно, куда пропала разница в 1 Вт между источником и нагрузкой, она теряется в диодах.

Добавив фильтр (пассивный PFC), состоящий из катушки индуктивности и пары конденсаторов, это можно улучшить, но требование относительно большой индуктивности значительно увеличивает вес и стоимость. Один Генри примерно настолько мал, насколько вы можете использовать для определения номинальной мощности нагрузки, и хотя большее значение будет работать лучше, оно также снова будет больше, а также будет иметь более высокие потери. По этим причинам пассивная коррекция коэффициента мощности обычно не используется с импульсными источниками питания.

Рисунок 10 — Пассивная коррекция коэффициента мощности

За счет добавления катушки индуктивности и конденсатора, как показано, коэффициент мощности значительно повышается.Форма волны тока все еще не очень хорошая, но она намного лучше, чем схема без коррекции. Среднеквадратичный ток снижен с 296 мА до 136 мА, что дает 32,6 ВА. Мощность нагрузки составляет 29 Вт, поэтому коэффициент мощности теперь составляет 0,88, что намного более достойно. Как показано на рисунке 9, электроника практически не имеет потерь. Излишне говорить, что это не так, но речь идет скорее о PFC, чем о потерях в цепи.

Катушка индуктивности (L1) представляет собой относительно большой компонент, и из-за этого будет сравнительно дорогим.Для снижения стоимости и веса электронная схема коррекции коэффициента мощности является лучшим предложением, и она также будет более эффективной. Более низкие потери мощности означают меньше потерь тепла и более прохладную электронику.

Рисунок 11 — Схема активной коррекции коэффициента мощности

Схема, показанная здесь, почти идентична схеме на рисунке 5, но упрощена, чтобы ее было легче понять. Входящая сеть проходит через фильтр электромагнитных помех, состоящий из C1 и L1. Затем он переходит в мостовой выпрямитель, но вместо большого электролитического конденсатора нужен конденсатор 220 нФ (C2).Выходной сигнал является пульсирующим постоянным током и изменяется от почти нуля до полного пикового напряжения (340 В для источника питания 240 В RMS). Затем он передается на очень умный повышающий преобразователь режима переключения — L2, Q1 и D5. Это увеличивает любое мгновенное напряжение на его входе до пикового напряжения — в этом случае моделируемый преобразователь стабилизируется на уровне 446 В (несколько выше, чем обычно используется).

Время включения и выключения тщательно контролируется для поддержания тока, который пропорционален форме волны входящего переменного тока, поэтому рабочий цикл (коэффициент включения-выключения) постоянно изменяется для поддержания правильного повышенного напряжения и пропорционального тока.D6 включен для быстрой зарядки крышки основного фильтра (C3) от сети, а также обеспечивает подзарядку крышки. Это позволяет упростить схему управления.

Выходное напряжение повышающего преобразователя (обычно) регулируется, но регулирование не обязательно должно быть прекрасным, что опять же до некоторой степени упрощает схему. В схеме, показанной на Рисунке 5, вы видите, что индуктор повышающего преобразователя (1,58 мГн) имеет вторичную обмотку. Это используется, чтобы сообщить IC контроллера, когда был достигнут правильный ток.В упрощенной схеме, показанной на рисунке 11, это не используется — период переключения фиксирован (схема была смоделирована, чтобы я мог получить форму тока, показанную ниже). Хотя эта упрощенная версия не так хороша, как «настоящая», она работает неплохо — по крайней мере, в симуляторе.

Рисунок 12 — Формы сигналов активной коррекции коэффициента мощности

Как видите, форма сигнала тока довольно искажена, но измеренные характеристики симулятора впечатляют, несмотря на его относительную простоту.При 60 Вт в нагрузке (балласт и люминесцентная лампа) фактическая мощность сети составляет 61 Вт (потери в диодах, как и раньше), а при сетевом токе 266 мА он потребляет 64 ВА. Таким образом, коэффициент мощности составляет 0,94 — действительно очень удовлетворительный результат. Это значительно лучше, чем схема пассивной коррекции коэффициента мощности, и этого следовало ожидать. Весь анализ, который я видел, показывает, что активная схема коррекции коэффициента мощности превосходит пассивную схему как с точки зрения общего КПД, так и коэффициента мощности. Катушки индуктивности имеют небольшие размеры (электрически и физически), а потери будут намного ниже, чем в любой пассивной цепи PFC.

На случай, если вам интересно, мощность лампы в два раза больше, чем в двух предыдущих примерах, из-за более высокого выходного напряжения повышающего преобразователя, чем желаемое. Мне очень не хотелось тратить много времени на попытки подобрать уровни мощности, а моя упрощенная версия не регулируется. Обеспечить успешную работу симуляции для импульсного преобразователя было непросто, а симуляции требовали много времени из-за высокочастотного переключения.

Сейчас довольно стандартно, что искажение формы волны обозначается как THD (полное гармоническое искажение), которое в случае активной схемы PFC равно 11.7%. Делайте из этого то, что хотите.

---

6 Температура

Для правильной работы всех ртутных люминесцентных ламп очень важна температура. Есть относительно узкая полоса над и под которой уменьшается дуга, что приводит к более низкому, чем ожидалось, светоотдаче. Когда трубка холодная, в ней остается меньше паров ртути, поэтому дуга не может достичь полной силы, потому что молекул ртути недостаточно для поддержания разряда на желаемом уровне.

Когда температура слишком высока, давление пара увеличивается, увеличивая эффективное сопротивление дуги и снова уменьшая ток разряда. Для большинства компактных ламп (а также для большинства стандартных люминесцентных ламп) температура трубки должна быть около 40 ° C для максимальной светоотдачи. При 0 ° C световой поток составляет всего 40% — действительно очень тусклая лампа. Более высокие температуры не так сильны, но слишком горячая лампа все равно будет сильно разряжена.

Рисунок 13 — Светоотдача в зависимости отТемпература

Когда температура приближается к -38,83 ° C, световой поток полностью прекращается. Это температура, при которой ртуть замерзает, поэтому пары ртути не могут поддерживать дугу и излучать УФ-излучение. Кроме того, по мере снижения температуры напряжение, необходимое для зажигания дуги, увеличивается, и при 0 ° C лампе для зажигания потребуется примерно на 40% больше напряжения по сравнению с напряжением зажигания при нормальной температуре окружающей среды.

Во многих частях мира 0 ° C (или ниже) — это нормальная температура окружающей среды в течение многих месяцев в году, поэтому лампу будет труднее запустить, и она будет иметь низкую мощность, пока лампа не нагреется немного. .В таких климатических условиях трубу следует закрывать, чтобы защитить ее от ветра, который может значительно снизить температуру и светоотдачу.

Относительный световой поток (RLO) [3]
Окружающая температура	Открытое приспособление	Закрытое приспособление *
-10 ° C	25%	50%
0 ° C	50%	80%
10 ° C	80%	100%
25 ° C	100%	98%

Световой поток vs.Температура окружающей среды

* Примечание — закрытый светильник обеспечивает повышение температуры на + 10 ° C по сравнению с окружающей средой.

Как и все материалы по этой теме, существуют различия в способе подачи материала, и разные типы трубок могут существенно отличаться друг от друга. Цифры в основном согласуются с приведенным выше графиком, но в небольшом примечании предполагается, что указанные температуры находятся в состоянии теплового равновесия. Для стабилизации может потребоваться некоторое время, поэтому исходная светоотдача при первом включении лампы будет одинаковой для открытых и закрытых светильников.Поскольку объем светильника по отношению к лампе не указан, будут большие отклонения, если размер корпуса будет больше или меньше (неустановленных) значений, используемых в таблице.

---

Ссылки

1. Электронный балласт для люминесцентных ламп, учебный модуль для студентов — Цзинхай Чжоу, Политехнический институт Вирджинии и Государственный университет
2. ICB1FL02G Интеллектуальная интегральная схема управления балластом для балластов люминесцентных ламп, техническое описание, версия 1.2, февраль 2006 г., Infineon Technologies AG
3. Работа флуоресцентных систем при низких температурах (Sylvania)

---

---

Лампы и энергетический индекс
Основной индекс

Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2007. Воспроизведение или повторная публикация любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены. в соответствии с международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только в личных целях, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.

Страница создана и авторские права © июнь 2007.
.

Источники видимого света — Введение

Видимый свет составляет лишь крошечную часть всего спектра электромагнитного излучения, однако он содержит единственную область частот, на которую реагируют палочки и колбочки человеческого глаза. Длины волн, которые люди обычно могут визуализировать, лежат в очень узком диапазоне от примерно 400 до 700 нанометров. Люди могут наблюдать и реагировать на раздражители, создаваемые видимым светом, потому что глаза содержат специализированные нервные окончания, чувствительные к этому диапазону частот.Однако остальная часть электромагнитного спектра невидима.

За излучение электромагнитного излучения отвечает широкий спектр источников, которые, как правило, классифицируются в соответствии с определенным спектром длин волн, генерируемых источником. Относительно длинные радиоволны производятся электрическим током, протекающим через огромные широковещательные антенны, в то время как гораздо более короткие видимые световые волны создаются колебаниями энергетического состояния отрицательно заряженных электронов внутри атомов.Самая короткая форма электромагнитного излучения, гамма-волны, возникает в результате распада ядерных компонентов в центре атома. Видимый свет, который люди могут видеть (спектр показан на рисунке 1), обычно представляет собой смесь длин волн, чей изменяющийся состав зависит от источника света.

В повседневной жизни мы подвергаемся бомбардировке огромным спектром электромагнитного излучения, только часть которого мы действительно можем «видеть» как видимый свет. Когда вы выходите на улицу, подавляющее большинство видимого людям света испускается солнцем, которое также производит множество других частот излучения, не попадающих в видимый диапазон.Внутри мы видим видимый свет, исходящий от искусственных источников, в основном люминесцентных и ламп накаливания вольфрамовых приборов.

Ночью естественный свет излучается небесными телами, такими как луна, планеты и звезды, в дополнение к периодическому Северному сиянию (Северное сияние) и случайным кометам или метеорам («падающая звезда»). Другие источники естественного света включают метеорологические молнии, вулканы, лесные пожары, а также некоторые биохимические источники видимого света ( биолюминесценция ).Биологические источники света включают знакомых молниеносных насекомых («светлячков») и более экзотическое свечение моря, в том числе биолюминесцентные виды бактерий, водоросли, динофлагелляты, медузы, гребневики (гребневики) и некоторые виды рыб.

Длина волны видимого света и воспринимаемый цвет

400-430

Диапазон длин волн (нанометров)	Воспринимаемый цвет
340-400	Ближний ультрафиолет (УФ; Невидимый)78	32
Фиолетовый
430-500	Синий
500-570	Зеленый
570-620 570-620 9000 От желтого до оранжевого
620-670	Ярко-красный
670-750	Темно-красный
Более 750	Ближний инфракрасный (ИК; Невидимый)

Таблица 1

Таблица 1 содержит список видимого цвета r распределение, воспринимаемое людьми для ряда узких диапазонов длин волн в спектре видимого света.Связывание определенных цветов с областью длин волн позволяет различать разные тона, оттенки и оттенки. Многие различные спектральные распределения могут вызывать идентичные цветовые ощущения (явление, известное как метамеров ). Например, ощущение желтого цвета может быть вызвано светом с одной длиной волны, например 590 нанометров, или может быть результатом просмотра двух равных количеств света с отдельными длинами волн, например 580 и 600 нанометров.Также можно рассматривать желтый цвет как узкое распределение, охватывающее все длины волн от 580 до 600 нанометров. Что касается зрительной системы человека, то тот же аргумент справедлив для всех цветов видимого спектра. Однако недавние исследования показывают, что некоторые виды (в первую очередь птицы) могут различать цвета, воспринимаемые людьми как метамеры.

Источники света накаливания

Ранние люди не имели надежного источника света в течение долгих ночей, но они могли иногда находить и собирать горящие дрова от лесных пожаров, а затем поддерживать огонь в костре в течение короткого периода времени. время.По мере развития знаний человек обнаружил, что искры, а затем и огонь могут возникать при столкновении некоторых камней друг с другом (например, кремень и железный колчедан) или при агрессивном трении дерева о дерево. Как только эти техники были освоены, человек мог разводить огонь, когда он пожелал.

Когда горит огонь, выделяется химическая энергия в виде тепла и света. Горящее топливо, будь то трава, дерево, масло или какой-либо другой горючий материал, испускает газы, которые нагреваются огромной химической энергией, генерируемой при сгорании, заставляя атомы в газе светиться или накаливать .Электроны в атомах газа продвигаются на более высокие уровни энергии за счет тепла, и свет высвобождается в форме фотонов, когда электроны релаксируют в свое основное состояние. Цвет пламени указывает на температуру и количество выделяемой энергии. Тускло-желтое пламя намного холоднее ярко-синего пламени, но даже самое холодное пламя все равно очень горячее (не менее 350 градусов Цельсия).

Хотя смола и тряпки использовались для изготовления первых факелов, первый практический шаг в борьбе с огнем произошел, когда была изобретена масляная лампа.Были обнаружены первые лампы возрастом более 15 000 лет (рис. 2), сделанные из камней и ракушек, которые сжигали животный жир и растительные масла. До изобретения газового освещения животный жир пользовался огромным спросом. Основным источником этого масла был жир , полученный путем варки жировых тканей, полученных от морских животных, таких как киты и тюлени. Масляные лампы в конечном итоге превратились в свечи, которые были сформированы путем заливки затвердевшего жира или пчелиного воска, как показано на рисунке 2. Ранние свечи генерировали довольно много дыма, но не так много света.В конце концов было обнаружено, что парафиновый воск при правильном отливке с пропитанным тканевым фитилем дает относительно яркое пламя без значительного количества дыма.

В 19 веке освещение на природном газе получило широкое распространение во многих крупных городах Европы, Азии и Соединенных Штатов. Ранние газовые фонари работали, производя струю горящего газа (довольно опасная ситуация), в то время как более поздние модели были оснащены плащом или тонкой сеткой из химически обработанной ткани, которая рассеивает пламя и излучает гораздо более яркий свет.

Молния: естественный конденсатор

Изучите накопление статических электрических зарядов между грозовыми облаками и влажной землей во время грозы с помощью этого учебного пособия, которое имитирует конденсаторные разряды молний, ​​одного из источников света в природе.

Ранние микроскописты полагались на свечи, масляные лампы и естественный солнечный свет для освещения относительно грубых оптических систем в своих микроскопах. Эти примитивные источники света страдали от мерцания, неравномерного освещения, бликов и часто представляли потенциальную опасность возгорания.Сегодня лампы накаливания высокой интенсивности на основе вольфрама являются основным источником света, используемым в современных микроскопах и большинстве бытовых осветительных систем.

На рисунке 3 представлены кривые спектрального распределения, демонстрирующие относительные количества энергии в зависимости от длины волны для нескольких различных источников белого света (состоящего из смеси, содержащей все или большинство цветов видимого спектра). Красная кривая представляет относительную энергию вольфрамового света во всем видимом спектре.Как видно из рисунка, энергия вольфрамового света увеличивается с увеличением длины волны. Этот эффект существенно влияет на среднюю цветовую температуру получаемого света, особенно по сравнению с естественным солнечным светом и флуоресцентным светом (ртутная лампа). Спектр, представленный желтой кривой, представляет собой распределение видимого света из спектра естественного солнечного света, взятого в полдень. В нормальных условиях солнечный свет содержит наибольшее количество энергии, но все кривые, показанные на рисунке 3, были нормированы на спектр вольфрама, чтобы облегчить сравнение.Темно-синяя спектральная кривая характерна для ртутной дуговой лампы и демонстрирует некоторые заметные отличия от спектров вольфрама и естественного солнечного света. В спектре газоразрядной лампы присутствует несколько энергетических пиков, которые возникают в результате наложения отдельных линейчатых спектров, происходящих от паров ртути.

Спектр видимого света, создаваемый белым светоизлучающим диодом ( LED ), представлен зеленой кривой на рисунке 3. Светоизлучающие диоды по своей природе монохроматические устройства, цвет которых определяется шириной запрещенной зоны между различными используемыми полупроводниковыми материалами. в диодной конструкции.Красные, зеленые, желтые и синие диоды являются обычными и широко используются в качестве индикаторов для компьютеров и других устройств бытовой электроники, таких как радиотюнеры, телевизионные приемники, проигрыватели компакт-дисков, видеомагнитофоны и цифровые проигрыватели видеодисков. Светодиоды белого света изготавливаются из синих диодов из нитрида галлия путем покрытия полупроводниковой матрицы люминофором, который излучает широкий диапазон видимых длин волн при возбуждении светом, излучаемым синим диодом. Спектры лазеров, получаемые от диодов или газовых лазеров, обычно очень узкие, часто включают только одну или несколько определенных длин волн.На рисунке 3 (голубая кривая) показан пример слаботочного полупроводникового диодного лазера, который полезен для множества приложений, включая считывание штрих-кодов и отслеживание данных на оптических дисках.

Вольфрамовые источники света обычно называют лампами накаливания , потому что они излучают свет при нагревании электрической энергией. Нити современных лампочек (или ламп) обычно состоят из вольфрама — металла, который в некоторой степени эффективно излучает свет при резистивном нагреве электрическим током.Современные лампы накаливания произошли от угольных дуговых ламп, изобретенных сэром Хамфри Дэви, которые излучают свет за счет разрядной дуги, образованной между двумя угольными стержнями (или электродами накаливания), когда на электроды подается электрический потенциал. В конце концов, угольные дуговые лампы уступили место первым лампам, в которых использовались углеродные нити, заключенные в вакуумированный стеклянный колпак. Вольфрамовые нити, впервые примененные в 1910 году Уильямом Дэвидом Кулиджем, испаряются намного медленнее, чем углеродные волокна, полученные из хлопка, при нагревании в вакууме стеклянной оболочки.Нить накала действует как простой резистор и излучает значительное количество света в дополнение к теплу, выделяемому током.

Светоизлучающие диоды

Узнайте, как два разнородных легированных полупроводника могут быть объединены в диод и производить свет при приложении напряжения к области соединения между материалами.

Вольфрамовые лампы накаливания — это тепловые излучатели, которые излучают непрерывный спектр света, простирающийся от примерно 300 нанометров в ультрафиолетовой области до примерно 1400 нанометров в ближней инфракрасной области.Их конструкция, конструкция и работа очень просты, и большое количество этих ламп использовалось в качестве источников света накаливания. Типичные лампы состоят из герметичной стеклянной колбы (см. Рисунок 4), откачанной или заполненной инертным газом, и содержащей вольфрамовую проволочную нить накаливания, питаемую постоянным или переменным током. Лампы производят огромное количество света и тепла, но на свет приходится всего 5-10 процентов их общей выходной энергии.

Вольфрамовые лампы имеют несколько недостатков, таких как снижение интенсивности с течением времени и почернение внутренней поверхности оболочки из-за медленного осаждения испаренного вольфрама на стекле.Цветовая температура и яркость вольфрамовых ламп меняются в зависимости от приложенного напряжения, но средние значения для цветовой температуры находятся в диапазоне примерно от 2200 K до 3400 K. Температура поверхности активной вольфрамовой нити очень высока, обычно в среднем составляет 2550 градусов Цельсия для стандартных 100 градусов. -ваттная коммерческая лампочка. В некоторых случаях оболочки вольфрамовых ламп заполнены благородными газами криптоном или ксеноном (инертный газ , заполненный газом ) в качестве альтернативы созданию вакуума для защиты горячей вольфрамовой нити.Эти газы повышают эффективность ламп накаливания, поскольку они уменьшают количество испаренного вольфрама, который осаждается внутри стеклянного сосуда.

Галогенные лампы, высокоэффективная версия вольфрамовой лампы накаливания, обычно содержат следы йода или брома в заполняющем газе, которые возвращают испаренный вольфрам в нить накаливания намного эффективнее, чем лампы, изготовленные с использованием других газов. Вольфрамово-галогенные лампы, впервые разработанные General Electric в 1950-х годах для освещения кончиков сверхзвуковых реактивных крыльев, способны давать очень однородный яркий свет на протяжении всего срока службы лампы.Кроме того, галогенные лампы намного меньше и эффективнее вольфрамовых ламп сопоставимой мощности. Срок службы вольфрамово-галогенной лампы в идеальных условиях может достигать 10 лет.

Нити накаливания вольфрамово-галогенных ламп часто представляют собой очень компактные спиральные сборки, помещенные в оболочку из боросиликатно-галогенидного стекла (часто называемого плавленым кварцем ). Высокие рабочие температуры ограничивают использование вольфрамово-галогенных ламп только хорошо вентилируемыми лампами с веерообразными радиаторами, чтобы устранить огромное количество тепла, выделяемого этими лампами.Многие бытовые лампы оборудованы для работы с вольфрамово-галогенными лампами мощностью 300-500 Вт и излучают значительное количество света, который заполняет комнату намного лучше, чем их вольфрамовые аналоги с более слабым излучением. В сочетании с волоконно-оптическими световодами и абсорбционными или дихроматическими фильтрами вольфрамово-галогенные лампы обеспечивают освещение высокой интенсивности для широкого спектра применений в оптической микроскопии, но, как главный недостаток, выделяют значительное количество инфракрасного света в форме лучистого тепла, которое может легко разрушить образец.

Флуоресцентные источники света

Существует широкий спектр источников видимого света без накаливания, которые используются для внутреннего и наружного освещения, помимо важных приложений в оптической микроскопии. Большинство этих источников света основаны на электрическом разряде через такой газ, как ртуть, или благородные газы — неон, аргон и ксенон. Генерация видимого света в газоразрядных лампах основана на столкновениях между атомами и ионами в газе с электрическим током, который проходит между парой электродов, размещенных на концах оболочки колбы.

Стеклянная трубка обычной люминесцентной лампы покрыта люминофором на внутренней поверхности стекла, а трубка заполнена парами ртути при очень низком давлении (см. Рисунок 5). Электрический ток подается между электродами на концах трубки, создавая поток электронов, который течет от одного электрода к другому. Когда электроны из потока сталкиваются с атомами ртути, они переводят электроны внутри атомов в более высокое энергетическое состояние. Эта энергия выделяется в виде ультрафиолетового излучения, когда электроны в атомах ртути возвращаются в основное состояние.Ультрафиолетовое излучение впоследствии возбуждает внутреннее люминофорное покрытие, заставляя его излучать яркий белый свет, который мы наблюдаем от люминесцентных ламп. Флуоресцентные лампы примерно в два-четыре раза эффективнее излучают видимый свет, производят меньше отходящего тепла и обычно служат в десять-двадцать раз дольше, чем лампы накаливания.

Уникальной особенностью флуоресцентных источников света является то, что они генерируют серию длин волн, которые часто концентрируются в узких полосах, называемых линейчатыми спектрами .Как следствие, эти источники не создают непрерывного спектра освещения, характерного для источников накаливания. Хорошим примером (почти исключительно) источника видимого света с одной длиной волны не накаливания являются натриевые лампы, обычно используемые в уличном освещении. Эти лампы излучают очень интенсивный желтый свет, при этом более 95 процентов излучения состоит из 589-нанометрового света, и на выходе практически отсутствуют другие длины волн. Можно разработать газоразрядные лампы, которые будут излучать почти непрерывный спектр в дополнение к линейчатым спектрам, присущим большинству этих ламп.Наиболее распространенный метод — покрытие внутренней поверхности трубки частицами люминофора, которые будут поглощать излучение, испускаемое светящимся газом, и преобразовывать его в широкий спектр видимого света от синего до красного.

В нормальных условиях большинство людей не в состоянии различить разницу между линейчатым спектром и спектром непрерывных длин волн. Однако некоторые объекты отражают необычные цвета в свете прерывистого источника, особенно при флуоресцентном освещении.Вот почему одежда или другие ярко окрашенные предметы, купленные в магазине при освещении флуоресцентным светом, часто выглядят немного другого цвета при естественном солнечном свете или постоянном вольфрамовом освещении.

Цветовая температура

Узнайте, как медленно нагревание виртуального излучателя черного тела смещает цветовой спектр света, излучаемого излучателем, с более длинных на более короткие средние длины волн при повышении температуры.

В стереомикроскопии отраженного света, особенно при исследовании термочувствительных образцов, люминесцентные лампы предпочтительнее вольфрамовых ламп из-за их высокой эффективности и низкой теплоотдачи.Современные люминесцентные лампы могут быть сконфигурированы для линейных ламповых или кольцевых осветителей, чтобы обеспечить микроскописта интенсивным рассеянным светом. Этот источник искусственного белого света не уступает солнечному свету (без сопутствующего тепла) по цветовой температуре и устраняет характеристики мерцания, типичные для люминесцентных ламп потребительского уровня. По сравнению с вольфрамовыми, вольфрамово-галогеновыми или дуговыми лампами осветители микроскопов с люминесцентными лампами могут обеспечить относительно длительные периоды (примерно 7000 часов) высококачественного обслуживания.В качестве источника рассеянного света люминесцентные лампы создают равномерно освещенное поле зрения, не вызывая раздражающих горячих точек или бликов. Новейшая технология освещения с холодным катодом является многообещающей в качестве специализированного источника света в оптической микроскопии, особенно для короткоживущих событий, усиленных возбуждением флуоресценции, а также для приложений, где избыточное тепло или время разогрева в источнике света могут мешать образцу или наблюдаемое событие.

Специализированный метод фотографирования движущихся образцов, особенно полезный при освещении темнопольной микроскопии, был разработан с использованием электронных фотовспышек.Электронные вспышки работают за счет ионизации в стеклянной оболочке, наполненной ксеноновым газом, за счет разряда большого конденсатора. Короткоживущий высоковольтный импульс от трансформатора заставляет газообразный ксенон ионизироваться, позволяя конденсатору разряжаться через проводящий теперь газ. Внезапная вспышка яркого света испускается, после чего газообразный ксенон быстро возвращается в непроводящее состояние, и конденсатор перезаряжается. Фотовспышки обеспечивают мгновенную вспышку освещенности 5 500 К, что позволяет уловить значительное количество деталей объекта для получения впечатляющих результатов в фотографии, цифровой обработке изображений и микрофотографии.

Дуговые газоразрядные лампы, наполненные такими газами, как пары ртути и ксенон, являются предпочтительными источниками освещения для некоторых специализированных форм флуоресцентной микроскопии. Типичная дуговая лампа в 10-100 раз ярче, чем аналоги на основе вольфрама, и может обеспечить яркое монохроматическое освещение в сочетании с дихроматическими интерференционными фильтрами со специальным покрытием. В отличие от вольфрамовых и вольфрамово-галогенных ламп, дуговые лампы не содержат нити накала, а, скорее, зависят от ионизации газообразного пара с помощью дугового разряда высокой энергии между двумя электродами для получения интенсивного света.Обычно дуговые лампы имеют средний срок службы около 100-200 часов, а большинство внешних источников питания оснащены таймером, который позволяет микроскописту отслеживать, сколько времени прошло. Ртутные дуговые лампы (часто называемые горелками ; см. Ртутные и ксеноновые лампы, показанные на рисунке 6) имеют мощность от 50 до 200 Вт и обычно состоят из двух электродов, герметизированных под высоким давлением паров ртути в корпусе из кварцевого стекла.

Ртутные и ксеноновые дуговые лампы не обеспечивают равномерной освещенности во всем спектре длин волн от ближнего ультрафиолетового до инфракрасного.Большая часть интенсивности ртутной дуговой лампы расходуется в ближнем ультрафиолетовом и синем спектре, причем большинство пиков высокой интенсивности приходится на диапазон 300-450 нанометров, за исключением нескольких пиков с более высокими длинами волн в зеленой области спектра. . Напротив, ксеноновые дуговые лампы имеют более широкий и более равномерный выход по интенсивности в видимом спектре и не демонстрируют пиков очень высокой спектральной интенсивности, характерных для ртутных ламп. Однако ксеноновым лампам не хватает ультрафиолета, и они расходуют большую часть своей силы в инфракрасном диапазоне, что требует осторожности при контроле и устранении избыточного тепла при использовании этих ламп.

Эра использования светодиодов в качестве практического источника освещения наступила в двадцать первом веке, и диод является идеальным дополнением к объединению полупроводниковой технологии и оптической микроскопии. Относительно низкое энергопотребление (от 1 до 3 вольт при 10-100 миллиампер) и длительный срок службы светодиодов делают эти устройства идеальными источниками света, когда требуются уровни белого света от низкой до средней. Микроскопы, подключенные к компьютерам, подключенным через порт универсальной последовательной шины ( USB ) или работающие от батарей, могут использовать светодиод в качестве небольшого, низкотемпературного, маломощного и недорогого внутреннего источника света для визуального наблюдения и цифрового захват изображения.В некоторых учебных микроскопах и микроскопах начального уровня в настоящее время используется внутренний высокоинтенсивный белый светоизлучающий диод, который служит основным источником света.

Хотя характеристики проецирования света эпоксидной оболочкой все еще исследуются, светоизлучающие диоды в настоящее время тестируются и продаются для широкого спектра применений, таких как светофоры, знаки, фонарики и внешние кольцевые осветители для микроскопии. Свет, излучаемый белыми светодиодами, имеет спектр цветовой температуры, аналогичный спектру ртутной лампы, которая относится к категории освещения дневного света .Изучая спектр излучения белого светодиода, представленный на рисунке 3, пик пропускания при 460 нм обусловлен синим светом, излучаемым полупроводниковым диодом из нитрида галлия, в то время как широкий диапазон высокого пропускания, расположенный между 550 и 650 нм, является результатом вторичного света, излучаемого люминофорное покрытие внутри полимерной оболочки. Комбинация длин волн дает «белый» свет с относительно высокой цветовой температурой, который является подходящим диапазоном длин волн для визуализации и наблюдения в оптической микроскопии.

Источники лазерного света

Еще одним источником видимого света, который становится все более важным в нашей повседневной жизни, является лазерное освещение. Аббревиатура LASER является аббревиатурой от L ight A , усиленного миссией S timulated E от R . Среди уникальных особенностей лазеров — то, что они излучают непрерывный луч света, состоящий из одной дискретной длины волны (или иногда нескольких длин волн), который выходит из устройства в единой выровненной фазе, обычно называемой когерентным светом .Длина волны света, излучаемого лазером, зависит от материала, из которого состоит лазерный кристалл, диод или газ. Лазеры производятся самых разных форм и размеров, от крошечных диодных лазеров, достаточно маленьких, чтобы пройти сквозь игольное ушко, до огромных военных и исследовательских инструментов, заполняющих все здание.

Лазеры используются в качестве источников света в ряде приложений, от считывателей компакт-дисков до измерительных инструментов и хирургических инструментов. Знакомый красный свет гелий-неонового лазера (часто сокращенно He-Ne ) сканирует покупки потребителей с помощью оптических штрих-кодов, но также играет важную роль во многих системах лазерной сканирующей конфокальной микроскопии.Использование лазеров в оптической микроскопии также приобретает все большее значение как в качестве единственного источника света, так и в сочетании с флуоресцентными и / или лампами накаливания. Несмотря на относительно высокую стоимость, лазеры находят особенно широкое применение во флуоресценции, монохроматическом светлом поле и в быстрорастущих областях конфокального лазерного сканирования, полного внутреннего отражения, резонансного переноса энергии флуоресценции и многофотонной микроскопии.

Газовые аргоно-ионные лазеры

Узнайте, как газоразрядная трубка аргон-ионного лазера работает с ионизированным газом, генерируя непрерывную волну световой энергии через выходное зеркало.В учебном пособии показано медленное накопление световой энергии внутри трубки до установления устойчивого состояния лазерного разряда.

Лазеры на ионах аргона (рис. 8) производят мощное спектральное излучение на 488 и 514 нм, тогда как газовые лазеры на криптоне демонстрируют большие пики на длинах волн 647,1 и 752,5 нм. Оба этих лазера часто используются в качестве источников возбуждения в лазерной сканирующей конфокальной микроскопии. Импульсные лазеры с синхронизацией мод на сапфировом кристалле, легированном титаном, используются в качестве источников для многофотонного возбуждения из-за их высокой пиковой интенсивности, но они также обладают низкой средней мощностью и короткими рабочими циклами.В качестве предпочтительных источников света для многофотонной микроскопии импульсные лазеры значительно дороже и сложнее в эксплуатации, чем небольшие лазеры с воздушным охлаждением, используемые в конфокальной микроскопии.

В новой лазерной технологии используются лазерные диоды на основе полупроводников и отдельные лазеры на кристалле, которые уменьшают размер и требования к мощности для источников света. Лазерные диоды, такие как неодим: фторид иттрия-лития (Nd: YLF) и неодим: ванадат иттрия (Nd: YVO (4)), обычно намного быстрее реагируют, чем светодиоды, но также относительно малы и потребляют мало энергии.К недостаткам использования лазеров в микроскопии относятся дополнительные затраты на источник света, риск дорогостоящего повреждения оптики, увеличение затрат, связанных с покрытием линз и зеркал, разрушение образцов и возможное повреждение сетчатки глаза микроскописта, если не соблюдаются безопасные методы обращения и работы. .

Из этого обсуждения становится очевидным, что, несмотря на широкий спектр доступных источников освещения, в повседневной жизни мы обычно полагаемся только на некоторые из них.В дневное время солнце служит нашим основным источником освещения на открытом воздухе, в то время как в помещении и в вечерние часы мы обычно полагаемся на флуоресцентное и вольфрамовое освещение. Как обсуждалось выше, все эти три основных источника освещения имеют разные свойства и спектральные характеристики, но их максимальная интенсивность попадает в диапазон видимого света. Человеческий мозг автоматически приспосабливается к различным источникам света, и мы интерпретируем цвета большинства окружающих нас объектов как почти не меняющиеся, когда они рассматриваются в различных условиях освещения.

Соавторы

Кеннет Р. Спринг — научный консультант, Ласби, Мэриленд, 20657.

Майкл У. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 г. Ист. Пол Дирак Доктор, Университет штата Флорида, Таллахасси , Флорида, 32310.

.

Линейный флуоресцентный | Типы лампочек

Какие они?

Линейная люминесцентная лампа или лампа представляет собой газоразрядную лампу. Линейные люминесцентные лампы бывают разной длины, диаметра, мощности и цветовой температуры. Они известны высокой энергоэффективностью, долгим сроком службы и относительно невысокой стоимостью.

Откуда они взялись?

Ранняя история линейных люминесцентных ламп отражает историю других газоразрядных ламп, которые использовались и разрабатывались с 1700-х годов.

В 1934 году группа ученых и инженеров General Electric построила прототип того, что стало линейным флуоресцентным светом, каким мы его знаем сегодня.

Современные линейные люминесцентные лампы стали коммерчески жизнеспособным световым решением в конце 1930-х годов, в 1938 году первые люминесцентные лампы были выставлены на продажу населению.

Еще один рубеж был преодолен в 1951 году; Впервые в США люминесцентные лампы производят больше света, чем лампы накаливания.

Как они работают?

Линейные люминесцентные лампы функционально идентичны компактным люминесцентным (КЛЛ) лампам.

Обе газоразрядные лампы используют электричество, излучаемое катодами, для возбуждения паров ртути, содержащихся в стеклянной оболочке, с использованием процесса, известного как неупругое рассеяние.

Фосфор и благородный газ, например аргон, также содержатся внутри стеклянной оболочки. Атомы ртути излучают ультрафиолетовый (УФ) свет, который, в свою очередь, заставляет люминофор в лампе флуоресцировать или светиться, производя видимый свет.

Эти лампы действительно зависят от внешнего источника питания и регулирования от балласта.

Где они используются?

Линейные люминесцентные лампы являются одними из самых популярных световых решений в мире благодаря их высокой эффективности, низкой стоимости и широкому спектру областей применения, для которых они могут использоваться. Они являются основным источником света в большинстве коммерческих помещений, а также используются во многих домашних условиях. Их можно использовать как в помещении, так и на открытом воздухе, а с помощью подходящего дополнительного оборудования их можно затемнять и использовать в экстремальных холодных условиях, например, в морозильных камерах и уличных вывесках.Короче говоря, линейные флуоресцентные лампы можно использовать практически везде.

.