Лекція ЗМ2-1

1. Джерела світла

Лектор: к.т.н., доцент Суворова Кристина Ігорівна

2. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Розрядні лампи низького тиску
План лекції
1. Розрядні джерела світла. Загальні відомості
2. Переваги та недоліки газорозрядних ламп
3. Особливості ртутного розряду низького тиску
4. Конструкція і принцип дії люмінесцентних ламп
5. Особливості запалювання люмінесцентних ламп

3. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

1.
2.
3.
4.
Методичне забезпечення курсу
Методичні рекомендації до виконання лабораторних робіт із дисципліни «Джерела світла (для
студентів денної і заочної форм навчання спеціальності 141 – Електроенергетика, електротехніка та
електромеханіка) / Харків. нац. ун-т міськ. госп-ва ім. О. М. Бекетова ; уклад. :
Л. Д. Гуракова, К. І. Суворова, Л. Г. Баландаєва. – Харків : ХНУМГ ім.
О. М. Бекетова, 2019. – 48 с. https://eprints.kname.edu.ua/55342/.
Методичні рекомендації до виконання курсового проекту «Розрахунок параметрів і розробка
конструкції джерела світла» з навчальної дисципліни «Джерела світла» (для студентів денної і
заочної форм навчання спеціальності 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка /
Харків. нац. ун–т міськ. госп–ва ім. О. М. Бекетова ; уклад. : Л. Д. Гуракова,
К. І. Суворова, Л. Г. Баландаєва. – Харків : ХНУМГ ім. О. М. Бекетова, 2019. – 49 с.
https://eprints.kname.edu.ua/54089/
Методичні рекомендації до самостійного вивчення курсу «Джерела світла» (для студентів денної і
заочної форм навчання спеціальності141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка /
Харків. нац. ун–т міськ. госп–ва ім. О. М. Бекетова ; уклад. : К. І. Суворова. – Харків : ХНУМГ ім.
О. М. Бекетова, 2021. https://eprints.kname.edu.ua/31223/
Дистанційний курс «Джерела світла» https://dl.kname.edu.ua/course/view.php?id=589

4. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Список рекомендованої літератури
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Назаренко Л. А. Фізичні основи джерел світла : навч. посіб. / Л. А. Назаренко ; Харків. нац.
академія міськ. госп-ва. – Харків: ХНАМГ, 2009. - 206 с.
Споживачі електричної енергії. Електричне освітлення : навч. посіб. / О. І. Соловей,
А. В. Чернявський, О. О. Ситник, В. Ф. Ткаченко, Г. В. Курбака ; за ред. Солов’я О. І. ; М-во освіти
і науки України, Черкас. держ. технол. ун-т. – Черкаси : ФОП Гордієнко Є.І., 2018. – 132 с.
Елкина Т.В. Курс лекций по дисциплине «Электрическое освещение» / Т.В. Елкина ; Гомельский
государственный политехнический колледж. – Гомель : ГГПК, Республика Беларусь, 2011.
Черепанова Г.А. Электрическое освещение : конспект лекций для студентов дневной и заочной
форм обучения спеціальності 140205 / Г. А. Черепанова ; Вятский государственный университет –
Киров : ВГУ, 2007.
Рохлин Г. Н. Разрядные источники света. / Г. Н. Рохлин – М. : Энергоатомиздат, 1991 – 719 с.
Справочная книга по светотехнике : под ред. Ю. Б. Айзенберга. – [3-е изд., перераб. и доп.] – М. :
Знак, 2006. – 972 с.

5. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Питання для самостійного вивчення
1. Проходження електричного струму крізь газ
2. Фізичні явища в газовій плазмі
3. Процеси на аноді та катоді
4. Види розрядів
5. Випромінювання та енергія розряду

6. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Низька економічність ламп розжарювання стала причиною створення більш
економічних джерел світла, заснованих на електричному розряді в газах і парах металів.
Газорозрядна лампа (ГЛ) – це таке джерело світла, в якому оптичне випромінювання
виникає в результаті електричного розряду в газах, парах або їх сумішах.
Всі ГЛ, які використовуються для освітлення, умовно можна розділити на кілька
підгруп:
– ртутні лампи низького тиску (до 1,04 Па) – типу ЛЛ (для штучного внутрішнього
освітлення) та високого тиску 0,3 – 0,5 МПа – типу ДРЛ для зовнішнього освітлення*;
– металогалогенні (МГЛ) – типу ДРИ (для загального освітлення спортивних споруд,
виставок, кінозйомок тощо);
– натрієві низького і високого тиску – типу ДНаТ (для зовнішнього освітлення і великих
внутрішніх площ);
* - заборонені для використання

7. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Переваги та недоліки газорозрядних ламп
–
–
–
–
–
–
Переваги ГЛ:
висока світловіддача (від 60 до 100 лм/Вт);
значний термін служби (від 10 до 15 тис. годин);
різний спектр випромінювання: ультрафіолетовий (УФ); видимий; інфрачервоний (ІЧ).
Недоліки:
складне включення в мережу. Для запалювання необхідна висока напруга. Для стійкого
горіння в ланцюг кожної лампи вмикається баласт, що обмежує струм розряду;
залежність характеристик від теплового режиму, тому що температура визначає тиск парів
робочої речовини. Нормальний режим встановлюється після закінчення деякого часу після
включення;
пульсація світлового потоку.

8. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Особливості ртутного розряду низького тиску
В теорії газового розряду процес початкової іонізації газового проміжку під дією прикладеної
напруги називається пробоєм газового проміжку. Проходження електричного струму через газ
називають розрядом.
Під дією напруги, що є достатньою для пробою в газі можна виявити виникають такі види
розряду:
1. При невеликих щільності струму має місце темний розряд, характерний відсутністю
видимого світіння.
2. У міру зростання щільності струму при деякому її значенні для даного газоразрядного
проміжку відбувається запалювання розряду, тобто з'являється світіння і напруга на газорозрядному
проміжку помітно падає.
3. При подальшому зростанні щільності струму напруга залишається незмінною до тих пір, поки
вся поверхня катода не покриється світінням; цій ділянці вольт-амперної характеристики відповідає
так званий нормальний тліючий розряд.

9. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Особливості ртутного розряду низького тиску
4. Подальше зростання щільності струму супроводжується підвищенням напруги
розрядного проміжку, розряд переходить в аномальний тліючий, що характеризується
інтенсивним світінням на катоді, температура якого зростає з щільністю струму.
5. Після досягнення катодом температури термоелектронної емісії, яка залежить від
матеріалу катода, відбувається перехід тліючого розряду в дуговий, що супроводжується
збільшенням інтенсивності світіння стовпа розряду і околокатодних і околоанодних
ділянок. При цьому напруга на газорозрядному проміжку різко падає і продовжує падати
у міру зростання щільності струму, розряд має падаючу вольт-амперну характеристику.

10. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Розрядні лампи низького тиску
Найбільше застосування для оптичного випромінювання отримали ртутні лампи низького тиску
(ГЛНТ).
ГЛНТ – це протяжні люмінесцентні лампи (ЛЛ) низького тиску, в яких невидиме УФ
випромінювання ртутного розряду перетворюється люмінофором у видиме.
По виду розряду різняться:
– ЛЛ дугового розряду з гарячими електродами, з попереднім підігрівом;
– ЛЛ тліючого розряду з холодними електродами, без попереднього підігріву.
У залежності від способу запалювання ЛЛ можуть бути стартерного, швидкого або миттєвого
запалювання.
Освітлювальні ЛЛ загального призначення, зазвичай, дугового розряду стартерного
запалювання, в прямій колбі для мереж з напругою 220 В.

11. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Конструкція і принцип дії люмінесцентних ламп
Люмінесцентна лампа низького тиску являє собою циліндричну скляну колбу 1, на
кінцях якої в цоколях 2 змонтовані вольфрамові біспіральні електроди 4. На внутрішню
поверхню по всій її довжині завдано тонкий шар твердої кристалічної порошкоподібної
речовини – люмінофору 5. Довжина і діаметр трубки визначається потужністю лампи і
напругою, на яке вона розрахована.
Після відкачування повітря до 1÷1,5 Па (6·10-3 ÷ 1·10-2 мм рт.ст.) всередину колби
вводиться крапля (20-30 мг) ртуті, яка випаровується при роботі лампи 6, і невелика
кількість чистого газу – аргону, що служить для зменшення процесу випаровування
вольфрамових електродів і полегшення запалювання лампи.
1 – колба;
2 – цоколь;
3 – контактні штирі цоколя;
4 – електрод;
5 – шар люмінофора; 6 – ртутні пари

12. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Конструкція і принцип дії люмінесцентних ламп
Перші вітчизняні люмінесцентні лампи були розроблені в 1938 році колективом
співробітників Фізичного інституту АН СРСР і Всесоюзного електротехнічного
інституту під керівництвом С. І. Вавілова і В. А. Фабріканта.
Принцип дії заснований на перетворенні
ультрафіолетового
випромінювання
(УФВ),
отриманого при розряді в парах ртуті, у видиме за
допомогою люмінофора при тиску до 10 Па.

13. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Конструкція і принцип дії люмінесцентних ламп
Електродами люмінесцентної лампи є вольфрамові нитки, вкриті пастою (активною масою)
із лужноземельних металів, яка забезпечує стабільний дуговий розряд і захищає вольфрамові
нитки від перегріву. У процесі роботи паста поступово обсипається з електродів, вигорає і
випаровується (звідси потемніння на кінцях лампи, яке спостерігається ближче до закінчення
терміну служби), особливо інтенсивним є обсипання під час запуску.
Люмінофор – речовина, яка під дією ультрафіолетового випромінювання здатна світитися.
Основним матеріалом, з якого виконується люмінофор при виробництві люмінесцентних
ламп є галофосфат кальцію, дозований марганцем і сурмою.
У більш дорогих лампах використовується «трисмужний» і «п’ятисмужний» люмінофор. Це
дозволяє домогтися більш рівномірного розподілу випромінювання за видимим спектром, що
призводить до більш натурального відтворення світла. Однак такі лампи, як правило, мають
більш низьку світлову віддачу.

14. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Конструкція і принцип дії люмінесцентних ламп
Змінюючи пропорції компонентів, що входять в люмінофор, можна отримати люмінесцентні
лампи з різною кольоровістю випромінювання. Так для потреб освітлення випускаються п'ять
типів люмінесцентних ламп, які відрізняються один від одного кольоровістю випромінювання.
Трубчасті люмінесцентні лампи низького тиску з дуговим розрядом у парах ртуті по
кольоровості випромінювання поділяються на:
– лампи білого світла (ЛБ, колірна температура 3 500 К);
– лампи тепло-білого кольору (ЛТБ, 2 700 К);
– лампи холодно-білого кольору (ЛХБ, 4 850 К);
– лампи денного світла (ЛД, 6 500 К) і лампи денного світла з виправленою кольоровістю
(ЛДЦ).

15. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Особливості запалювання люмінесцентних ламп
Люмінесцентна лампа не може бути включена прямо в електричну мережу із наступних двох
причин:
– для запалювання дуги в люмінесцентній лампі необхідний попередній прогрів електродів і імпульс
високої напруги;
– після ввімкнення струм на лампі багаторазово зростає, і якщо його не обмежити, лампа вийде з ладу.
Для запалювання люмінесцентної лампи і її нормальної роботи потрібна додаткова апаратура, яка
називається пускорегулюючою апаратурою (ПРА). Для вирішення вище вказаних проблем застосовують
спеціальні пристрої – баласти, найбільш розповсюдженими з яких на сьогоднішній день є
електромагнітний баласт із неоновим стартером та різні типи електронних баластів.
а)
б)
Пускорегулююча апаратура для ЛЛ:
а) електромагнітний баласт
із неоновим стартером;
б) електронний баласт

16. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Особливості запалювання люмінесцентних ламп
Електромагнітний баласт – це електромагнітний дросель, що
підключається послідовно з лампою. Паралельно лампі підключається
стартер, що представляє собою неонову лампу з біметалічними
електродами і конденсатор. Дросель формує за рахунок самоіндукції
імпульс, що запускає лампу, а також обмежує струм через неї.
-
-
Перевага: простота конструкції
Недоліки:
довгий запуск (1..3 с в залежності від ступеня зносу лампи);
більше споживання енергії, в порівнянні з електронною схемою;
низькочастотний гул (100 Гц) від дроселя;
мерехтіння лампи з подвоєною частотою мережі, що може зашкодити зору, а іноді буває
небезпечним (через виникнення стробоскопічного ефекту люмінесцентні лампи з
електромагнітним баластом не застосовують для освітлення рухомих частин верстатів і
механізмів);
великі габарити і маса.

17. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Особливості запалювання люмінесцентних ламп
У випадку застосування електромагнітного баласту можуть використовуватися два
варіанти запуску ламп:
– холодний запуск – коли лампа запалюється відразу після включення (така схема
використовується у випадку, якщо лампа включається і виключається рідко, тому що режим
холодного пуску більш шкідливий для її електродів);
– гарячий запуск – запуск із попереднім прогрівом електродів, в такому випадку лампа
запалюється не відразу, а після 0,5-1 с, що дає змогу подовжити термін її служби, особливо
за частих вмикань і вимикань.

18. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Особливості запалювання люмінесцентних ламп
Лампи з підігрівними катодами за способом їх пуску діляться на лампи з попередніми
прогріванням, швидкого і моментального пуску.
У лампах швидкого пуску катоди нагріваються постійно, а розряд виникає при
підвищенні напруги. Стартери не потрібні, і час пуску значно менше, ніж у ламп з
попередніми прогріванням.
У лампах моментального пуску не потрібно ні прогріву катодів, ні стартера. Просто на
катод подається підвищена напруга, яке викликає емісію електронів і запалювання розряду
в лампі.
Лампи з підігрівними катодами включають в електричну мережу тільки послідовно з
баластним пристроєм, що обмежує зростання струму в лампі, і таким чином оберігає її від
руйнування. У мережах змінного струму в якості баластного резистора застосовують
конденсатор або котушку з великим індуктивним опором – дросель.

19. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Особливості запалювання люмінесцентних ламп
а – стартер (неонова лампа
тліючого розряду):
1 – металевий електрод;
2 – склянный балон;
3 – захисна оболонка;
4 – биметалевий електрод
Електрична схема включення люмінесцентної лампи в мережу
б – схема принципова:
1 – стартер;
2 – лампа;
3 – баластний дросель

20. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Особливості запалювання люмінесцентних ламп
Електронний баласт подає на електроди лампи напругу не
з подвоєною частотою мережі (як у випадку електромагнітного
баласту), а високочастотну (20 ÷ 60 кГц), в результаті чого
помітне для очей мерехтіння ламп виключене.
Багато недоліків люмінесцентних ламп усуваються при
використанні електронних високочастотних апаратів включення,
які останнім часом знаходять все більше застосування. На
рисунку зображена спрощена блок-схема електронного ПРА
(ЕПРА). Апарат складається з випрямляча 1 перетворювача
випрямленої напруги в високочастотне змінне 2. Напруга з
виходу перетворювача через підсилювач 3 подається на лампу 4,
включену послідовно з дроселем 5.
Блок-схема ЕПРА

21. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Особливості запалювання люмінесцентних ламп
Так як частота напруги становить 20 ÷ 40 кГц, то розміри
і маса дроселя значно менше тих, що застосовуються в
стартерних схемах запалювання. Паралельно лампі
включається конденсатор 6, ємність якого підбирається таким
чином, щоб на частоті напруги, що подається на лампу
індуктивний опір дроселя і ємнісний опір конденсатора були
рівні за величиною
Блок-схема ЕПРА
Блок управління 7 виконує кілька функцій: стабілізацію струму лампи при коливаннях напруги,
компенсацію реактивної потужності і регулювання світлового потоку ламп за рахунок зміни частоти
напруги на виході перетворювача.

22. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Особливості запалювання люмінесцентних ламп
Застосування високочастотних апаратів включення дає
такі позитивні результати:
– через особливості високочастотного розряду збільшується
світлова віддача ламп;
– коефіцієнт пульсацій світлового потоку з частотою 100 Гц
зменшується до 5%;
– виключаються звукові перешкоди, створювані дроселями;
– виключається миготіння ламп при включенні;
– підвищується термін служби ламп (до півтора разів);
– з'являється можливість регулювання світлового потоку
ламп;
– ЕПРА значно легше апаратних, що дозволяє застосовувати
їх в компактних люмінесцентних лампах.
Блок-схема ЕПРА

23. Змістовий модуль 2 Розрядні джерела світла

Особливості запалювання люмінесцентних ламп
Споживання
електроенергії
люмінесцентними
світильниками у разі використання ЕПРА звичайно на 2025% нижче.
Застосування електронних ПРА з автоматичною
підтримкою рівня освітленості в залежності від рівня
природного освітлення та наявності людей в приміщенні
дозволяє економити до 85% електроенергії, що
витрачається на освітлення. Важливість такої економії стає
зрозумілою, якщо врахувати, що на освітлення витрачається
понад 100 млн. кВт × год електроенергії на рік.
Блок-схема ЕПРА