В каких типах ламп для получения видимого света используется люминофор: рассказываем о том, какие бывают лампы

рассказываем о том, какие бывают лампы

Источники света — один из самых массовых товаров. Ежегодно производят и потребляют миллиарды ламп, значительную долю которых пока составляют лампы накаливания и галогенные лампы.

Стремительно растёт потребление современных ламп — компактных люминесцентных и светодиодных. Происходящие изменения в качестве дают надежду на то, что источники света станут важным инструментом дизайнера, архитектора, проектировщика.

Об освещённости и цветовой температуре света

Ряд параметров ламп определяет насколько они применимы в том или ином проекте.

Световой поток определяет количество света, которое дает лампа (измеряется в люменах). Установленная в люстре лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет световой поток 1200 лм, 35-ватная «галогенка» — 600 лм, а натриевая лампа мощностью 100 Вт — 10 000 лм.

У разных типов ламп разная световая отдача, определяющая эффективность преобразования электрической энергии в свет и, следовательно, разную экономическую эффективность применения. Световую отдачу лампы измеряют в лм/Вт (светотехники говорят «люменов с ватта», имея в виду, что каждый ватт потребляемой электроэнергии «преобразуется» в некоторое количество люменов светового потока).

Переходя от количества к качеству, рассмотрим цветовую температуру (Т_цв, единица измерения — градус Кельвина) и индекс цветопередачи (Ra). При выборе ламп дизайнер обязательно учитывает цветовую температуру для той или иной установки. Комфортная среда сильно зависит от того, какое освещение в помещении «тёплое» или «холодное» (чем выше цветовая температура, тем «холоднее» свет).

Цветопередача — важный параметр, о котором часто забывают. Чем более сплошной и равномерный спектр у лампы, тем различимее цвета предметов в её свете. У Солнца сплошной спектр излучения и наилучшая цветопередача, при этом Т_цв меняется от 6000К в полдень до 1800К в рассветные и закатные часы. Но далеко не все лампы могут сравниться с Солнцем.

Если у искусственных световых источников теплового излучения сплошной спектр и нет проблем с цветопередачей, то разрядные лампы, имеющие в своем спектре полосы и линии, сильно искажают цвета предметов.

Индекс цветопередачи тепловых источников равен 100, для разрядных он колеблется от 20 до 98. Правда, индекс цветопередачи не даёт сделать вывод о характере передачи цветов, а иногда способен запутать дизайнера. Так, у люминесцентных ламп и у белых светодиодов хорошая цветопередача (Ra=80), но при этом они неудовлетворительно передают некоторые цвета.

Другой крайний случай, когда индекс цветопередачи более 90 — в этом случае некоторые цвета воспроизводятся неестественно насыщенными.

Лампы выходят из строя. Кроме того, световой поток лампы уменьшается в процессе работы. Срок службы — основной эксплуатационный параметр источников света.

Проектируя осветительную установку нельзя забывать об обслуживании, т. к. частая замена ламп увеличивает стоимость эксплуатации и вносит дискомфорт.

Лампы накаливания

Вольфрамовая спираль в колбе разогревается под действием электрического тока. Для сокращения скорости распыления вольфрама и соответственно увеличения срока службы лампы колба наполняется инертным газом. По принципу действия лампа накаливания относится к тепловым источникам света, т. е. значительная доля потребляемой энергии расходуется на тепловое и инфракрасное излучение.

Типичная для ламп накаливания световая отдача 10–15 лм/Вт, а срок службы редко превышает 2000 часов. Достоинства этих ламп: низкая цена и качество света (Т_цв=2700, Ra=100). Сплошной спектр качественно воспроизводит цвета окружающих предметов. Лампы накаливания постепенно вытесняются разрядными источниками света и светодиодными лампами.

Галогенные лампы накаливания

Добавление галогенов в колбу лампы накаливания и использование кварцевого стекла позволили сделать серьезный шаг вперёд, получив новый класс источников света — галогенные лампы накаливания. Световая отдача современных ГЛН составляет 30 лм/Вт. Типичное значение цветовой температуры света 3000К и индекс цветопередачи 100. «Точечная» форма источника света с помощью отражателей даёт управлять пучком света.

Получающийся при этом искристый свет определил приоритет таких ламп в интерьерном дизайне, где они заняли лидерство. Ещё одно преимущество в том, что количество и качество света лампы постоянно на протяжении срока службы. Популярны низковольтные «галогенки» мощностью 10–75 Вт с отражателем, который фокусирует луч в угле 10–40°.

Недостатки ГЛН очевидны: малая световая отдача, короткий срок службы (в среднем 2000–4000 часов), необходимость использования (для низковольтных) понижающих трансформаторов. Там, где эстетический компонент важнее экономического, с ними приходится мириться.

Люминесцентные лампы

Люминесцентные лампы (ЛЛ) — разрядные лампы низкого давления — представляют собой цилиндрическую трубку с электродами, которая наполнена инертным газом и малым количеством ртути. При включении в трубке возникает дуговой разряд, и атомы ртути начинают излучать видимый свет и ультрафиолет. Нанесённый на стенки трубки люминофор под действием ультрафиолетовых лучей излучает видимый свет.

Основа светового потока лампы — излучение люминофора, видимые линии ртути составляют лишь малую часть. Многообразие люминофоров (смесей люминофоров) позволяет получить источники света с различным спектральным составом, который определяет цветовую температуру и индекс цветопередачи.

Люминесцентные лампы дают мягкий, равномерный свет, но его распределением в пространстве трудно управлять из-за большой поверхности излучения. Для работы люминесцентных ламп необходима специальная пускорегулирующая аппаратура. Лампы долговечны — срок службы до 20 000 часов.

Световая отдача и срок службы сделали их самыми распространёнными источниками света в офисном освещении.

Компактные люминесцентные лампы

Развитие люминесцентных ламп привели к созданию компактных люминесцентных ламп (КЛЛ). Это источник света похожий на миниатюрную люминесцентную, иногда с встроенным электронным пускорегулирующим аппаратом и резьбовым цоколем Е27 (для непосредственной замены ламп накаливания), Е14 и др.

Различие заключается в уменьшенном диаметре трубки и использовании другого типа люминофора. Компактная люминесцентная лампа может с успехом заменить лампы накаливания.

Разрядные лампы высокого давления

Последние разработки позволяют использовать для освещения разрядные лампы высокого давления. По ряду показателей подходят металлогалогенные (МГЛ). У этих ламп во внешней колбе размещается горелка с излучающие добавки. В горелке присутствует некоторое количество ртути, галоген (чаще йод) и атомы химических элементов (Tl, In, Th, Na, Li и др.).

Сочетание излучающих добавок достигает интересных параметров: высокая световая отдача (до 100 лм/Вт), отличная цветопередача Rа=80–98, диапазон Тцв от 3000 К до 6000 К, средний срок службы до 15 000 часов. Для работы этих ламп требуется пускорегулирующие аппараты и специальные светильники. Рекомендуется использовать эти источники для освещения помещений с большой площадью, с высокими потолками, просторных залов.

Светодиодные лампы

Светодиоды — полупроводниковые светоизлучающие приборы, называют источниками света будущего. Если говорить о современном состоянии «твердотельной светотехники», можно утверждать, что она вышла из периода младенчества. Достигнутые характеристики светодиодов (световая отдача до 140 лм/Вт, Rа=80–95, срок службы 70 000 часов) уже обеспечили лидерство во многих областях.

Диапазон мощностей светодиодных источников, реализация в лампах разных типов цоколей, управление лампами позволили в короткий срок удовлетворить растущие требования к источникам света. Главными преимуществами светодиодов остаются компактные размеры и управления цветовыми параметрами (цветодинамика).

Читайте также:

Освещение — выбор источников света

 

    Для создания белого света излучения светодиодов используется два метода:

— смешивание красного, зеленого и синего цветов. При их равенстве получается белый свет. Меняя соотношения цветов можно получить практически любой цвет. Этот метод называется RGB и чаще используется в архитектурном освещении.

— использование люминофора. При этом светодиод излучает монохромный свет преимущественно в диапазоне синего света, а люминофор преобразует излучение светодиода в более длинноволновое излучение видимого диапазона. Такие светодиоды, как правило, используются в осветительных лампах.

    Еще одним недостатком многих светодиодных ламп, имеющих цветовую температуру выше 4000 ^оК, является резкий подъем в спектре на участке синего света, что неблагоприятно сказывается на сетчатке глаз, особенно у детей. Если такие лампы использовать для освещения жилых помещений, то избыток синего света в течение 2 – 3 часов непосредственно перед сном способен вызвать бессонницу.

    Современные люминесцентные лампы имеют хорошие характеристики, как по индексу цветопередачи, так и по световой отдаче. Но они требуют специальной утилизации отработавших ламп, так как в их колбах содержится ртуть. Компактные люминесцентные лампы постепенно вытесняют лампы накаливания при освещении жилых зданий. Но если все повсеместно начнут выбрасывать сгоревшие лампы в обычные мусорные контейнеры, то содержание ртути в наших организмах примет угрожающие масштабы.

    При использовании компактных люминесцентных ламп для освещения квартир лучше приобретать лампы с цветовой температурой не выше 3000 ^оК. Для освещения помещений без окон – с цветовой температурой 4000 ^оК и выше, при условии, что лампы не имеют резкого подъема в диапазоне синего света и провала в диапазоне красного.

    Если в освещаемом люминесцентными лампами помещении имеются вращающиеся механизмы, то необходимо приобретать светильники с электронным ПРА для предотвращения стробоскопического эффекта.

    Разрядные лампы высокого давления имеют высокую световую отдачу и большой срок службы, но их индекс цветопередачи, как правило, сильно уступает многим другим типам источников света. Коэффициент пульсаций у них достаточно высок, что приводит к появлению стробоскопического эффекта. Многие разрядные лампы требуют полного остывания колбы для повторного включения даже при кратковременном их выключении.

   Натриевые разрядные лампы высокого давления (НЛВД) в основном используют для уличного освещения. В их спектре практически отсутствует синяя составляющая спектра, поэтому их свет, попадая ночью в квартиры, обычно не мешает сну.

    Ртутные разрядные лампы высокого давления (РЛВД) используют и для уличного освещения, и для освещения производственных зданий и территорий. Синяя составляющая в их спектре имеет довольно большую величину, поэтому их не желательно применять для освещения дворов и прилегающих к жилым зданиям территорий.

    Металлогалогенные лампы используют как для уличного освещения, так и для внутреннего освещения зданий. Благодаря очень широкой номенклатуре выпускаемых ламп они нашли очень широкое применение.

    Для удобства сравнения различных ламп их основные параметры сведены в таблицу.

 

Тип лампы	Световая отдача, лм/Вт	Индекс цвето-передачи, Ra	Цветовая температура, оК	Срок службы, тыс. часов	Примечание
Накаливания	10 — 15	100	2700 — 2900	1
Галогенная	12-22	100	2800 — 3000	2 — 3
Люминесцентная с колбой Т8	60 — 80	60 — 85	2700 — 6500	10
Люминесцентная с колбой Т5	80 — 90	80 — 95	3000 — 4000	15
Люминесцентная компактная	40 — 65	80 — 90	2700 — 6500	10
Светодиодная	60 — 90	60 — 80	1800 — 10000	50
Натриевые высокого давления	100 — 130	25 — 35	1800 — 1900	20
Ртутные  высокого давления — ДРЛ	50	40 — 45	3800 — 4200	10
Ртутные высокого давления с вольфрамовой спиралью — ДРВ	25	45 — 55	3800 — 4200	3
Металлогалогенные	70-100	70 — 90	2500 — 10000	6 — 9

 

Световая отдача у большинства источников света увеличивается с повышением их мощности. Приведенные в таблице данные весьма приблизительны, и всегда можно найти лампу с параметрами, выходящими за пределы указанных в таблице значений.

    Рекомендации по выбору источников света можно найти в своде правил СП 52.13330.2011. Здесь в приложении «З» даны рекомендации для производственных зданий и в приложении «И» — для жилых и общественных зданий.

6 июля 2013 г.

    

К ОГЛАВЛЕНИЮ (Все статьи сайта)

К разделу  СВЕТИЛЬНИКИ 

Способ получения видимого света и люминесцентные источники на его основе (варианты)

Изобретение относится к области светотехники, а именно приборов, предназначенных для излучения света в видимом диапазоне, и может быть использовано как в приборах индикации, так и освещения.

Источники света существуют в самых разных формах выполнения и размерах. При этом, например, лампы накаливания известны как источники света, у которых, как правило, вольфрамовую проволоку посредством джоулева тепла нагревают до максимально высокой температуры. При этом создается тепловое излучение. Светоотдача раскаленных проволок резко возрастает с повышением температуры. Помимо этого, известны также так называемые нетепловые источники излучения, такие как разрядные лампы в виде газосветных, ртутных, натриевых или металлогалогенных разрядных ламп в выполнении с высоким или низким давлением. (RU №2260226 МПК7 Н01К 1/4, опубл. 2003.11.10).

Недостаток всех известных до сих пор работающих от электричества типов источников света в том, что они очень неэффективны в отношении преобразования электрической мощности в видимый световой поток. Наибольшей долей израсходованной электрической мощности является неэкономичная мощность потерь в виде преимущественно тепла.

В настоящее время в указанной области техники наибольшее применение получили неорганические светодиоды, отличающиеся, среди прочего, длительным сроком службы, незначительной занимаемой площадью, нечувствительностью к тряске и излучением в узкой полосе спектра. Однако в светодиодах при помощи присущего им излучения полупроводникового материала очень неэффективно реализовать многочисленные цвета излучения в широком диапазоне излучения. Поэтому наиболее яркие светодиодные источники света с широким белым цветом свечения содержат преобразующий люминофор, переизлучающий узкую коротковолновую полосу свечения светодиода в более широкий длинноволновый спектр от 500 нм до 650 нм.

Известен способ создания белого света в котором светодиод, излучающий в ультрафиолетовой (УФ) или синей области спектра от 420 до 470 нм, комбинируется со смесью люминофоров, состоящей не менее чем из двух люминофоров, излучающих с различными спектрами. Применяемая смесь люминофоров всегда содержит в себе один красный компонент и один зеленый компонент. В этом случае благодаря смешению этих цветов с синим излучением возникает белый свет. Люминесцентный источник света на его основе содержит в себе светодиод, излучающий исключительно синий свет, или лазерный диод, который взаимодействует со смесью люминофоров (WO 0033390, МПК С09К 11/07, опубл. 2006.06.08).

Однако светодиод, излучающий исключительно синий свет, изготавливается на основе твердых растворов AlGaN и имеет в настоящее время недостаточную мощность излучения (менее 300 миллиВатт) из-за малой проводимости области р-типа проводимости. Возникающие при прохождении через нее тока тепловые потери обуславливают разогрев светодиода до 200°С, его малый коэффициент полезного действия (менее 5%) и малую яркость свечения (не более 40 люмен/Ватт).

Наиболее чувствительным для человеческого глаза для целей освещения и индикации в видимом диапазоне излучения является зеленый свет. До настоящего времени выпускали светодиоды зеленого цвета свечения на основе эпитаксиальных структур твердых растворов фосфида галлия без преобразующего люминофора (Semiconductor Physics, Quantum electronics and optoelectronics, 2003, v.6, №4, p.499-504).

Однако наиболее яркие светодиоды зеленого диапазона имеют оптическую мощность менее 200 миллиВатт.

Известны способ создания белого света и люминесцентный источник на его основе со светоизлучающим полупроводниковым элементом УФ (WO 0033389, МПК Н01L 33/00, опубл. 2006.06.08), в которых для преобразования излучения в видимую область спектра в качестве люминофора применяют Ва₂SiO₄:Eu²⁺.

Однако максимум излучения люминофора Ba₂SiO₄:Eu²⁺приходится примерно на 505 нм, так что с помощью такой комбинации нельзя надежно создать источник излучения в видимом диапазоне.

Наиболее близким способом создания белого света, принятым за прототип, является способ, включающий облучение антистоксового люминофора инфракрасным излучением, причем люминофор выбирают из группы активированных трехвалентными эрбием и иттербием оксосульфидов иттрия, а в качестве источника инфракрасного излучения выбирают излучение титан-сапфирового лазера (возбуждение при 921 нм) (А.Н.Георгобиани и др. «Инфракрасная люминесценция соединений Y₂O₂S:Er³⁺и Y₂O₃:Er³⁺«, журнал «Неорганические материалы», 40 (2004), стр.963-968).

Однако эффективность преобразования составила около 2%.

Известен принятый за прототип люминесцентный источник видимого света, содержащий светодиод и, по меньшей мере, один стоксовый люминофор. Причем светодиод испускает синее и/или ультрафиолетовое излучение, а люминофор представляет собой активированный двухвалентным европием ортосиликат щелочно-земельного металла, излучение которого испускается в желто-зеленой, желтой или оранжевой области спектра (RU, 2251761, МПК Н01L, опубл 2005.05.10).

Однако использование светодиода для испускания синего и/или ультрафиолетового излучения не позволяет получать оптическую мощность более 300 миллиВатт, что необходимо для целей освещения и индикации.

Предлагаемое изобретение решает задачу преобразования инфракрасного излучения в видимый диапазон с большой выходной оптической мощностью и высоким коэффициентом полезного действия.

Техническим результатом при этом являются разработка способа и устройств на его основе для получения света в диапазоне от желто-зеленого, желтого до оранжево-желтого цвета оптической мощностью вплоть до 10 ватт и коэффициентом полезного действия вплоть до 20%.

Поставленная задача достигается за счет разработки способа получения видимого света, включающего облучение антистоксового люминофора инфракрасным излучением, новизна которого заключается в том, что облучение осуществляют излучением в спектральном диапазоне 940-1030 нм, а в качестве антистоксового люминофора берут неорганический материал со спектральной полосой поглощения, близкой к спектральной полосе ИК-излучения.

В настоящей заявке под термином «антистоксовый люминофор» понимается люминофор, преобразующий длинноволновое инфракрасное излучение в более коротковолновое видимое излучение.

В качестве неорганического материала можно брать активированный трехвалентными эрбием и иттербием оксосульфид иттрия одного из нижеследующих составов или смеси из этих составов:

а)

где

0,01<х<0,05; 0,005<у<0,05; х≥у; х+у<0,1

0,5<а<1,5;

b)

где

0,01<х<0,05; 0,01<у<0,05; х<у; х+у<0,1

0,5<а<1,5;

В качестве неорганического материала можно также брать активированный трехвалентными эрбием и иттербием оксид иттрия одного из нижеследующих составов или смеси из этих составов:

a)

где

0,01<х<0,05; 0,005<у<0,05; х≥у; х+у<0,1

b)

где

0,01<х<0,05; 0,01<у<0,05; х<у; х+у<0,1

При этом ионы эрбия, меньшие по размерам, чем ионы иттрия, способствуют смещению максимума излучения в более коротковолновую область, в то время как более крупные ионы иттербия являются центрами поглощения инфракрасного излучения светодиода. Кроме того, было установлено, что для кристалличности, излучающей способности и особенно для стабильности люминофоров, согласно данному изобретению, предпочтительно, дополнительное отклонение по сере или кислороду от стехиометрического состава.

Кроме того, при осуществлении способа может быть использован по крайней мере один, дополнительный люминофор, излучающий красный свет, из группы алюминатов щелочно-земельных металлов, активированных двухвалентным европием и/или марганцем, или дисиликата щелочно-земельного магния: Eu²⁺Mn²⁺, с формулой (V)

где

0,005<х<0,5; 0,005<у<0,5

и Ме=Ва, и/или Sr, и/или Са,

или из группы тройных соединений, легированных европием и висмутом, с формулой (VI)

где Me один из группы металлов ванадий (V), фосфор (Р) или кремний (Si).

Таким способом можно точно установить оттенок белого цвета, требуемый для соответствующего случая применения, и, в частности, можно получить значения Ra (показатель близости координаты цветности к белому цвету) больше 60.

Оптимальный результат получают при облучении выше описанных люминофоров излучением в спектральном диапазоне 960 нм.

Другим аспектом изобретения является люминесцентный источник видимого света на основе предлагаемого способа, содержащий лампу накаливания. Новизна предлагаемого источника заключается в том, что он дополнительно содержит антистоксовый люминофор, содержащий, по крайней мере, один неорганический материал со спектральной полосой поглощения, близкой к спектральной полосе ИК-излучения, причем спектральный диапазон лампы накаливания включает диапазон 940-1030 нм.

В качестве люминофора берут, по крайней мере, одно из соединений формулы (I), (II), (III) или (IV).

Люминофор может быть размешан в стекле стеклянной колбы лампы накаливания или нанесен на внешнюю или на внутреннюю часть стеклянной колбы лампы накаливания.

Для увеличения светового потока, излучаемого лампой на нижнюю часть стеклянной колбы лампы накаливания, может быть нанесен отражающий слой-рефлектор, и тогда люминофор может быть нанесен на рефлектор и/или диспергирован на верхней части стеклянной колбы лампы, размещенной над рефлектором

Лампа накаливания может содержать дополнительный люминофор, излучающий красный свет, из группы алюминатов щелочно-земельных металлов, активированных двухвалентным европием и/или марганцем, или дисиликата щелочно-земельного магния: Eu²⁺, Mn²⁺, с формулой (V)

где

0,005<х<0,5; 0,005<у<0,5

и Ме=Ва, и/или Sr, и/или Са,

или из группы тройных соединений, легированных европием и висмутом, с формулой (VI)

где Me один из группы металлов ванадий (V), фосфор (Р) или кремний (Si),

причем дополнительный люминофор расположен пространственно в той же области, что и основной, или размещен относительно основного друг за другом в направлении распространения света.

Еще одним аспектом изобретения является люминесцентный источник видимого света на основе предлагаемого способа, содержащий светодиод и, по меньшей мере, один люминофор, в котором новым является то, что в качестве светодиода используют светодиод, содержащий светодиодный чип из арсенида галлия, а в качестве люминофора берут антистоксовый люминофор, содержащий, по крайней мере, один неорганический материал со спектральной полосой поглощения, близкой к спектральной полосе ИК-излучения.

Известно (В.П.Гапонцев, В.П.Минаев, В.И.Савин, И.Э.Самарцев. «Медицинские аппараты на основе мощных полупроводниковых лазеров». Квантовая электроника, 2002, №11, с.1003-1006), что из всего многообразия электролюминесцентных диодов наибольшей эффективностью и яркостью свечения обладают светодиоды ИК диапазона на основе эпитаксиальных структур из арсенида галлия. Это объясняется развитой и более простой технологией получения легированных слоев высокой электронной и дырочной проводимостью из этого материала, по сравнению с более широкозонными полупроводниками зеленого (фосфид галлия) и синего (нитрид галлия) диапазонов спектра. Самый эффективный и мощный светодиод на сегодняшний день сделан именно на основе арсенида галлия и имеет максимум излучения 960 нм в ИК области с оптической мощностью 30 Ватт.

Комбинирование его с подобранными в результате испытания предлагаемого нами способа люминофорами формулы (I), (II), (III) или (IV) позволяет получить источник видимого света с оптической мощностью вплоть до 10 Ватт и коэффициентом полезного действия 20%.

Источник дополнительно может содержать рефлектор, при этом один или несколько светодиодных чипов размещены на печатной плате внутри рефлектора, а люминофор нанесен на рефлектор и/или диспергирован на световом диске, размещенном над рефлектором.

Предпочтительно залить светодиодные чипы прозрачной заливочной массой. Эта заливочная масса образует, с одной стороны, механическую защиту; с другой стороны, она улучшает также оптические свойства (повышение выхода света из светодиодного кристалла).

В качестве заливочной массы оптимальней использовать кремний-неорганический лак.

Люминесцентный источник света может дополнительно содержать полимерную линзу, по возможности без газовых включений, причем лучше, если полимерная линза и заливочная масса имеют показатели преломления, отличающиеся не более чем на 0,1, а люминофор диспергирован в заливочной массе, которая связывает микросборку светодиодных чипов на печатной плате. Благодаря похожим показателям преломления на поверхностях раздела почти нет потерь из-за отражения.

Для уменьшения высоты механической сборки полимерная линза может иметь выемку сферической или эллиптической формы, заполненную заливочной массой, так что светодиодная микросборка закреплена на незначительном расстоянии от полимерной линзы.

Люминофор при этом может быть суспендирован в полимерной линзе.

Люминесцентный источник света может содержать дополнительный люминофор, излучающий красный свет, из группы алюминатов щелочно-земельных металлов, активированных двухвалентным европием и/или марганцем, или из группы дисиликатов щелочно-земельного магния: Eu²⁺, Mn²⁺, с формулой (V)

где

0,005<х<0,5; 0,005<у<0,5

и Ме=Ва, и/или Sr, и/или Са,

или из группы тройных соединений, легированных европием и висмутом, с формулой (VI)

где Me один из группы металлов ванадий (V), фосфор (Р) или кремний (Si), причем дополнительный люминофор расположен пространственно в той же области, что и основной люминофор, или размещен относительно основного последовательно друг за другом в направлении распространения света. .

Для того чтобы добиться равномерного распределения люминофора, целесообразно люминофор суспендировать предпочтительно в неорганической матрице. При применении, по меньшей мере, двух люминофоров целесообразно отдельно суспендировать в матрицах, по меньшей мере, два люминофора, расположенных друг за другом в направлении распространения света. Благодаря этому можно снизить концентрацию люминофоров по сравнению с гомогенной дисперсией различных люминофоров.

Дальнейшие преимущества изобретения поясняются ниже при помощи примеров осуществления изобретения и чертежей.

На фиг.1-2 представлены варианты люминесцентного источника видимого света на основе предлагаемого способа, содержащего лампу накаливания.

Данный источник состоит из вольфрамовой нити накаливания 1, закрепленной в цоколе 2, внутри стеклянной колбы 3. На фиг.2 на нижнюю часть стеклянной колбы нанесен рефлектор 4. Он служит для увеличения светового потока, излучаемого лампой.

На фиг.3-4 представлены варианты люминесцентного источника видимого света на основе предлагаемого способа, содержащего светодиод, а на фиг.5-8 показаны спектры (относительная интенсивность I в зависимости от длины волны) различных светодиодных источников света согласно данному изобретению.

Данные источники состоят из светодиодных чипов 1 из арсенида галлия, размещенных на печатной плате 2. Для изготовления источников освещения целесообразно вместо отдельных светодиодов применять матрицы светодиодов. В предпочтительном варианте осуществления изобретения формирование цвета осуществляется на матрице светодиодов 1′ (см. фиг.4), у которой светодиодные кристаллы 1 собираются непосредственно на печатной плате 2, залитые прозрачной заливочной массой 3, с одной стороны, для защиты светодиодных кристаллов и, с другой стороны, для обеспечения улучшенного вывода света, созданного в светодиоде. Эта заливочная масса 3 может содержать в себе каждый кристалл по отдельности или может представлять собой общую форму для всех кристаллов. На фиг.3 печатная плата 2 вставляется в рефлектор 4, или рефлектор накладывается поверх светодиодных кристаллов 1. На рефлекторе 4 устанавливается световой диск 5. Он служит, с одной стороны, для защиты микросборки; с другой стороны, в этот световой диск можно вводить люминофоры 6.

При работе такого источника инфракрасное излучение от светодиодных чипов 1, проходящее через световой диск 5, при прохождении частично преобразуется люминофором 6 во вторую спектральную область, так что в целом получается свечение зеленого цвета. Потери вследствие эффектов волноводов, возникающих в плоскопараллельных пластинах, уменьшаются благодаря свойствам непрозрачности и рассеяния диска 5. Далее, рефлектор 4 обеспечивает попадание на световой диск 5 только что предварительно направленного света, так что эффекты полного отражения сразу ослабляются.

На фиг.4 печатная плата 2 приклеивается при помощи заливочной массы (3) (например, эпоксида) к прозрачной полимерной линзе 7, которая состоит из другого материала (например, РММА (полиметилметакрилат)). Материалы полимерной линзы 7 и заливочной массы 3 выбираются так, чтобы их показатели преломления были как можно более близкими, т.е. согласованными по фазе. Заливочная масса 3 находится в выемке максимально сферической или эллипсоидальной формы полимерной линзы 7. Форма выемки имеет значение постольку, поскольку в заливочной массе 3 диспергирован материал для абконверсии цвета. Поэтому посредством придания формы можно обеспечить создание цветов излучения, независимых от угла. В качестве альтернативы этому матрицу можно сначала залить прозрачной заливочной массой, а затем приклеить к полимерной линзе при помощи заливочной массы, которая содержит в себе материал для конверсии цвета. Можно также нанести люминофор на полимерную линзу 7.

При работе такого источника инфракрасное излучение от светодиодных чипов 1 проходит через заливочную массу 3 и световой диск 5 с растворенным в нем антистоксовым люминофором 6. В люминофоре инфракрасное излучение преобразуется в видимое с энергетической эффективностью около 50%.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения формирование цвета осуществляется следующим образом:

— инфракрасное излучение имеет длину волны 960 нм;

— антистоксовый люминофор состава Y_1.9O₂S: Er_0.05, Yb_0.05 диспергирован в слое кремний-неорганического лака «Цапон» в объемном соотношении 1:1;

— ионы иттербия поглощают инфракрасные фотоны и передают энергию ионам эрбия, где происходит суммирование энергии ИК фотонов и излучение фотонов зеленого и красного цвета с длинами волн 555 нм и 670 нм (фиг.5).

Для изготовления белых светодиодов с особо хорошим цветовоспроизведением, в которых используются, по меньшей мере, два различных люминофора, целесообразно диспергировать их не вместе в матрице, а диспергировать и наносить по отдельности. Это особенно относится к комбинациям, в которых окончательный цвет света создается в результате многоступенчатого процесса формирования цвета. Это значит, что цвет самого длинноволнового излучения генерируется в процессе излучения, который протекает следующим образом: поглощение излучения светодиода первым люминофором — излучение первого люминофора — поглощение излучения первого люминофора вторым люминофором и излучение второго люминофора. Особенно предпочтительно для процесса такого рода размещать отдельные материалы друг за другом в направлении распространения света, поскольку благодаря этому можно снизить концентрацию материалов по сравнению с гомогенной дисперсией различных материалов.

Данное изобретение не ограничивается описанными примерами. Люминофоры можно было бы также вводить в полимерную линзу (или другую оптику). Можно также размещать люминофор непосредственно поверх светодиодного кристалла или на поверхности прозрачной заливочной массы (фиг.3). Люминофор можно также вводить в матрицу вместе с рассеивающими частицами. Благодаря этому предотвращается осаждение частиц в матрице и обеспечивается равномерный выход света.

На фиг.5 показан спектр излучения зеленого светодиода, который возник в результате комбинации инфракрасного светодиода АЛ123А, излучающего при напряжении 1.5 В в первой спектральной области с центральной длиной волны 940 нм, и люминофора формулы (I) согласно данному изобретению, имеющего состав Y_1.9O₂S: Er_0.05, Yb_0.05, излучающего во второй спектральной области с максимумом 556 нм. Видно также наличие в видимой области спектра электролюминесценции узких пиков с максимумами при 550 нм и 670 нм, а также инфракрасного свечения 980 нм.

На фиг.6 приведены спектры возбуждения видимых полос свечения 550 нм (а), 556 нм (в) и 670 нм (с) люминофора формулы (I) согласно данному изобретению, имеющего состав Y_1.9O₂S:Er_0.05, Yb_0.05, в инфракрасной области спектра свечения (d) инфракрасного светодиода АЛ123А.

На фиг.7. представлены типичные спектры электролюминесценции полупроводникового источника света (с использованием люминесцентного материала формулы (I), имеющего состав Y_{1. 9}O₂S:Er_0.05, Yb_0.05) при разных уровнях возбуждения. Питание полупроводникового источника осуществляется прямоугольными импульсами от генератора Г5-15, длительность импульса — 10 мкс, период следования импульсов — 100 мкс. Напряжение в импульсе 1.5 В (а), 2.0 В (в). При питании постоянным током спектральная зависимость излучения близка к указанным спектрам. Электролюминесцентный источник света имеет трехполосный спектр излучения в видимой области с характерными полосами при 550, 556 и 670 нм и более длинноволновой широкой полосой 980 нм.

На фиг.8 представлены примеры комбинации светодиода, излучающего на длине волны 940 нм, с одним люминофором на основе оксосульфида иттрия согласно данному изобретению. Если для преобразования цвета применяется люминофор, излучающий более зеленый свет 550 нм, с составом Y_1.9 O_1.5 S_1.5:Er_0.05, Yb_0.05 (а), то можно установить цвет более зеленого света, в то время как при применении люминофора с составом Yi_{1. 9} O₂S:Er_0.06, Yb_0.04 можно изготовить источник более желтого света (556 нм) с очень малой интенсивностью красной полосы 670 нм (в). Увеличение доли иттербия в составе люминофора Y_1.9 O₂S:Er_0.04, Yb_0.06 (с) приводит к росту интенсивности красной полосы 670 нм в видимой области спектра источника света.

Пример 1. Способ приготовления люминофоров.

Для изготовления люминофоров на основе оксосульфидов иттрия соответственно выбранному составу тщательно смешиваются в стехиометрических количествах исходные вещества — оксид иттрия, оксид эрбия, а также оксид иттербия, которые в ходе твердофазной реакции, обычной для изготовления светящихся красок, в восстановительной атмосфере сероводорода при температурах в диапазоне от 1100°С до 1400°С превращаются в требуемый люминофор. В заявленном изобретении можно также заменить часть оксидов сульфидами путем добавки соединений названных элементов в соответствующих стехиометрии количествах, которые можно подвергнуть термическому синтезу в инертной атмосфере. Подобным образом можно добиться встраивания незначительных количеств ионов редкоземельных металлов в соответствующую кристаллическую решетку.

Полученные люминофоры на основе оксосульфидов иттрия согласно данному изобретению излучают на длинах волн, примерно, 980 нм, 660 нм и 550 нм и имеют несколько узких линий с полушириной пика до 10 нм (фиг.5).

Благодаря соответствующим параметрам реакции и благодаря определенным изменениям концентраций серы и кислорода, гранулометрический состав люминофоров согласно данному изобретению можно оптимально приспособить к требованиям соответствующего применения, не используя причиняющие повреждения процессы механического измельчения. Таким способом можно установить все узко- и широкополосные гранулометрические составы со средними размерами зерен d₅₀ примерно от 2 мкм до 20 мкм.

Пример 2. Способ получения видимого света зеленого свечения.

В качестве источника излучения берут лампу накаливания, спектральный диапазон которой включает 350-1500 нм. В качестве люминофора берут антистоксовый люминофор формулы (I) Y_1.90 O_1.5 S_1.5:Er_0.05, Yb_0.05, спектральная полоса поглощения которого 940-1020 нм (фиг.6) близка к спектральной полосе максимума ИК-излучения 1100 нм лампы накаливания. Люминофор предварительно был размешан в стекле стеклянной колбы лампы накаливания. При включении лампы накаливания часть ее инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, увеличивая ее яркость свечения примерно на 20-25%.

Пример 3. Способ получения видимого света желтого свечения.

В качестве источника излучения берут лампу накаливания, спектральный диапазон которой включает 350-1500 нм. В качестве люминофора берут антистоксовый люминофор формулы (II) Y_1.9 O₂ S:Er_0.04, Yb_0.06, спектральная полоса поглощения (фиг.6) которого 940-1020 нм близка к спектральной полосе ИК-излучения лампы накаливания. Люминофор наносят на внешнюю часть стеклянной колбы лампы накаливания. При включении лампы накаливания часть ее инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, увеличивая ее яркость свечения примерно на 20-25%.

Пример 4. Способ получения видимого света зеленого свечения.

В качестве источника излучения берут лампу накаливания, спектральный диапазон которой включает 350-1500 нм. В качестве люминофора берут антистоксовый люминофор формулы (III) Y_1.91O₃: Er_0.05, Yb_0.04, спектральная полоса поглощения (фиг.6) которого 950-1010 нм близка к спектральной полосе ИК-излучения лампы накаливания. Люминофор наносят на внутреннюю часть стеклянной колбы лампы накаливания. При включении лампы накаливания часть ее инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, увеличивая ее яркость свечения примерно на 20-25%.

Пример 5. Способ получения видимого света желтого свечения.

В качестве источника излучения берут лампу накаливания, спектральный диапазон которой включает 350-1500 нм. В качестве люминофора берут антистоксовый люминофор формулы (IV) Y_1.91O₃: Er_0.04, Yb_0.05, спектральная полоса поглощения которого 950-1010 нм (фиг.6) близка к спектральной полосе ИК-излучения лампы накаливания. На нижнюю часть стеклянной колбы лампы накаливания наносят отражающий слой-рефлектор (фиг.2) и люминофор наносят на рефлектор. При включении лампы накаливания часть ее инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, увеличивая ее яркость свечения примерно на 20-25%.

Пример 6. Способ получения видимого света желтого свечения.

В качестве источника излучения берут лампу накаливания, спектральный диапазон которой включает 350-1500 нм. В качестве люминофора берут антистоксовый люминофор формулы (IV) Y_1.91 O₃: Er_0.04, Yb_0.05, спектральная полоса поглощения которого 950-1010 нм (фиг.6) близка к спектральной полосе ИК-излучения лампы накаливания. На нижнюю часть стеклянной колбы лампы накаливания наносят отражающий слой-рефлектор (фиг. 2) и люминофор диспергируют на верхнюю часть стеклянной колбы лампы, размещенную над рефлектором. При включении лампы накаливания часть ее инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, увеличивая ее яркость свечения примерно на 20-25%.

Пример 7. Способ получения видимого света оранжевого свечения.

То же, что в примере 6, только к антистоксовому люминофору дополнительно добавляют люминофор, излучающий красный свет, из группы алюминатов щелочно-земельных металлов, активированных двухвалентным европием и/или марганцем Са_0.95 Al₂O₄:Eu_0.05.

Причем дополнительный люминофор расположен пространственно в той же области, что и основной. При включении лампы накаливания часть ее инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, увеличивая ее яркость свечения примерно на 20-25%.

Пример 8. Способ получения видимого света оранжевого свечения.

То же, что в примере 6, только к антистоксовому люминофору дополнительно добавляют люминофор, излучающий красный свет Y_{1. 94}O₂S: Eu_0.03, Bi_0.03. Причем дополнительный люминофор расположен относительно основного друг за другом в направлении распространения света. При включении лампы накаливания часть ее инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, увеличивая ее яркость свечения примерно на 20-25%.

Пример 9. Способ получения видимого света оранжевого свечения.

То же, что в примере 6, только к антистоксовому люминофору дополнительно добавляют люминофор, излучающий красный свет, из группы дисиликата щелочно-земельного магния: Eu²⁺, Mn²⁺, с формулой (V) Са_2.94MgSi₂O₈:Eu_0.03, Mn_0.03, причем дополнительный люминофор расположен относительно основного друг за другом в направлении распространения света. При включении лампы накаливания часть ее инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, увеличивая ее яркость свечения примерно на 20-25%.

Пример 10. Способ получения видимого света зеленого свечения

В качестве источника излучения берут светодиод, содержащий матрицу светодиодных чипов из арсенида галлия, спектральный диапазон которого составляет 940-1000 нм (фиг.5). В качестве люминофора берут антистоксовый люминофор формулы (I) Y_1.9 O_1.5 S_1.5: Er_0.05, Yb_0.05, спектральная полоса поглощения которого 940-1020 нм близка к спектральной полосе ИК-излучения светодиода. Люминофор предварительно был диспергирован в заливочной массе светодиода. При включении светодиода (напряжение питания 1,2-1,5 Вольт) часть его инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, давая яркое свечение (фиг.7) с оптической мощностью вплоть до 10 Ватт и коэффициентом полезного действия 20%.

Пример 11. Способ получения видимого света желтого свечения.

В качестве источника излучения берут светодиод, содержащий матрицу светодиодных чипов из арсенида галлия, спектральный диапазон (фиг. 6) которого составляет 940-1000 нм. В качестве люминофора берут антистоксовый люминофор формулы (II) Y_1.9 O₂ S: Er_0.04, Yb_0.06, спектральная полоса поглощения которого 940-1020 нм близка к спектральной полосе ИК-излучения светодиода (фиг.6). Люминофор предварительно был диспергирован в заливочной массе светодиода. При включении светодиода(напряжение питания 1,2-1,5 Вольт) часть его инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, давая яркое свечение (фиг.7) с оптической мощностью вплоть до 10 Ватт и коэффициентом полезного действия 20%.

Пример 12. Способ получения видимого света зеленого свечения.

В качестве источника излучения берут светодиод, содержащий матрицу светодиодных чипов из арсенида галлия, спектральный диапазон которого составляет 940-1000 нм. В качестве люминофора берут антистоксовый люминофор формулы (III) Y_1.91 O₃:Er_0.05, Yb_0.04, спектральная полоса поглощения которого 950-1010 нм близка к спектральной полосе ИК-излучения светодиода (фиг. 6). Люминофор предварительно был диспергирован в заливочной массе светодиода. При включении светодиода (напряжение питания 1,2-1,5 Вольт) часть его инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, давая яркое свечение (фиг.7) с оптической мощностью вплоть до 10 Ватт и коэффициентом полезного действия 20%.

Пример 13. Способ получения видимого света желтого свечения.

В качестве источника излучения берут светодиод, содержащий матрицу светодиодных чипов из арсенида галлия, спектральный диапазон которого составляет 940-1000 нм. В качестве люминофора берут антистоксовый люминофор формулы (IV) Y_1.91 O₃: Er_0.04, Yb_0.05, спектральная полоса поглощения которого 950-1010 нм близка к спектральной полосе ИК-излучения светодиода. На нижнюю часть светодиода наносят отражающий слой-рефлектор (фиг.3) и люминофор наносят на рефлектор. При включении светодиода (напряжение питания 1,2-1,5 Вольт) часть его инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, давая яркое свечение (фиг. 7) с оптической мощностью вплоть до 10 Ватт и коэффициентом полезного действия 20%. При этом рефлектор увеличивает яркость в направлении вперед.

Пример 14. Способ получения видимого света желтого свечения

В качестве источника излучения берут светодиод, содержащий матрицу светодиодных чипов из арсенида галлия, спектральный диапазон которого составляет 940-1000 нм. В качестве люминофора берут антистоксовый люминофор формулы (IV) Y_1.91O₃: Er_0.04, Yb_0.05, спектральная полоса поглощения которого 950-1010 нм близка к спектральной полосе ИК-излучения светодиода. На нижнюю часть светодиода наносят отражающий слой-рефлектор (фиг.3) и люминофор диспергируют в световом диске, размещенном над рефлектором. При включении светодиода (напряжение питания 1,2-1,5 Вольт) часть его инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, давая яркое свечение (фиг.7) с оптической мощностью вплоть до 10 Ватт и коэффициентом полезного действия 20%.

Пример 15. Способ получения видимого света оранжевого свечения.

То же, что в примере 14, только к антистоксовому люминофору дополнительно добавляют люминофор, излучающий красный свет, из группы алюминатов щелочно-земельных металлов, активированных двухвалентным европием и/или марганцем Са_0.95 Al₂O₄:Eu_0.05.

Причем дополнительный люминофор расположен пространственно в той же области, что и основной. При включении светодиода (напряжение питания 1,2-1,5 Вольт) часть его инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, давая более красное видимое свечение.

Пример 16. Способ получения видимого света оранжевого свечения.

То же, что в примере 14, только к антистоксовому люминофору дополнительно добавляют люминофор, излучающий красный свет, из группы тройных соединений легированных европием и висмутом с формулой (VI)

YVO₄: Eu, Bi, Y₂O₂S: Eu, Bi,

Пример 17. Способ получения видимого света оранжевого свечения.

То же, что в примере 16, только в качестве дополнительного люминофора формулы (VI) берут YPO₄: Eu, Bi, Y₂O₂S: Eu, Bi.

Пример 18. Способ получения видимого света оранжевого свечения.

То же, что в примере 16, только в качестве дополнительного люминофора формулы (VI) берут YSiO₄: Eu, Bi, Y₂O₂S: Eu, Bi. Причем дополнительный люминофор расположен относительно основного друг за другом в направлении распространения света. При включении светодиода (напряжение питания 1,2-1,5 Вольт) часть его инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, давая более красное видимое свечение.

Пример 19. Способ получения видимого света оранжевого свечения.

То же, что в примере 14, только к антистоксовому люминофору дополнительно добавляют люминофор, излучающий красный свет, из группы дисиликата щелочно-земельного магния: Eu²⁺, Mn²⁺, с формулой (V) Са_{2. 94}MgSi₂O₈:Eu_0.03, Mn_0.03, причем дополнительный люминофор расположен относительно основного друг за другом в направлении распространения света. При включении светодиода часть его инфракрасного излучения преобразуется в видимый свет, давая более красное видимое свечение.

Пример 20. Способ получения видимого света зеленого свечения

То же, что в примере 10, только дополнительно источник света содержит полимерную линзу, по возможности без газовых включений (фиг.4). Причем полимерная линза и заливочная масса имеют показатели преломления, отличающиеся не более чем на 0,1, а люминофор диспергирован в заливочной массе.

Пример 21. Способ получения видимого света зеленого свечения.

Все как в примере 20, только полимерная линза имеет выемку сферической или эллиптической формы, заполненную заливочной массой так, что светодиодная микросборка закреплена на незначительном расстоянии от полимерной линзы, а люминофор суспендирован в полимерной линзе.

Как видно из приведенных примеров, предлагаемые нами способ получения видимого света и источники света на его основе позволяют получать мощные и компактные источники видимого света с низким рабочим напряжением (напряжение питания 1,2-1,5 Вольт), увеличенной яркости и с высоким коэффициентом полезного действия 20%.

(I)или(II)илисмесиизэтихсоставов:611200000010.tiftifdrawing151где0,01

Люминесцентная лампа — Энциклопедия Нового Света

Различные типы люминесцентных ламп . Вверху две компактные люминесцентные лампы, внизу две обычные трубки. Спичка показана для масштаба.

Люминесцентная лампа представляет собой газоразрядную лампу, использующую электричество для возбуждения паров ртути в аргоне или неоне, в результате чего образуется плазма, излучающая коротковолновое ультрафиолетовое излучение. Затем этот свет заставляет люминофор флуоресцировать, производя видимый свет.

В отличие от ламп накаливания, люминесцентным лампам всегда требуется балласт для регулирования потока энергии через лампу. В обычных ламповых светильниках — обычно 4 фута (120 сантиметров) или 8 футов (240 сантиметров) — балласт заключен в светильнике. Компактные люминесцентные лампы могут иметь обычный балласт, расположенный в светильнике, или они могут иметь балласты, встроенные в лампы. что позволяет использовать их в патронах, обычно используемых для ламп накаливания.

Поскольку люминесцентные лампы потребляют значительно меньше энергии, чем лампы накаливания, правительства и промышленность поощряют замену традиционных ламп накаливания люминесцентными лампами в рамках разумной экологической и энергетической политики.

История

Самым ранним предком люминесцентной лампы, вероятно, является устройство Генриха Гейсслера, который в 1856 году получил голубоватое свечение от газа, который был запечатан в трубке и возбужден с помощью индукционной катушки.

На Всемирной выставке 1893 года на Всемирной колумбийской выставке в Чикаго, штат Иллинойс, были представлены флуоресцентные лампы Николы Теслы.

В 1894 году Д. Макфарлейн Мур создал лампу Мура, коммерческую газоразрядную лампу, призванную конкурировать с лампой накаливания его бывшего босса Томаса Эдисона.Используемые газы представляли собой азот и углекислый газ, испускающие соответственно розовый и белый свет, и имели умеренный успех.

В 1901 году Питер Купер Хьюитт продемонстрировал ртутную лампу, которая излучала свет сине-зеленого цвета и поэтому была непригодна для большинства практических целей. Однако он был очень близок к современному дизайну и имел гораздо более высокий КПД, чем лампы накаливания.

В 1926 году Эдмунд Гермер и его коллеги предложили увеличить рабочее давление внутри трубки и покрыть трубку флуоресцентным порошком, который преобразует ультрафиолетовый свет, излучаемый возбужденной плазмой, в более однородный белый свет.Сегодня Гермер известен как изобретатель люминесцентной лампы.

General Electric позже купила патент Гермера и под руководством Джорджа Э. Инмана довела люминесцентную лампу до широкого коммерческого использования к 1938 году.

Принцип работы

Основной принцип работы люминесцентной лампы основан на неупругом рассеянии электронов. Падающий электрон (испускаемый катушками проволоки, образующей катодный электрод) сталкивается с атомом газа (например, ртути, аргона или криптона), используемого в качестве излучателя ультрафиолетового излучения.Это заставляет электрон в атоме временно перейти на более высокий энергетический уровень, чтобы поглотить часть или всю кинетическую энергию, переданную сталкивающимся электроном. Вот почему столкновение называется «неупругим», так как часть энергии поглощается. Это более высокое энергетическое состояние нестабильно, и атом будет излучать ультрафиолетовый фотон, когда электрон атома вернется на более низкий, более стабильный энергетический уровень. Фотоны, испускаемые выбранными газовыми смесями, обычно имеют длину волны в ультрафиолетовой части спектра.Это не видно человеческому глазу, поэтому его необходимо преобразовать в видимый свет. Это делается с помощью флуоресценции. Это флуоресцентное преобразование происходит в люминофорном покрытии на внутренней поверхности люминесцентной трубки, где ультрафиолетовые фотоны поглощаются электронами в атомах люминофора, вызывая аналогичный скачок энергии, а затем падение с испусканием следующего фотона. Фотон, испускаемый в результате этого второго взаимодействия, имеет меньшую энергию, чем фотон, вызвавший его. Химические вещества, входящие в состав люминофора, специально подобраны таким образом, чтобы эти излучаемые фотоны находились на длинах волн, видимых человеческому глазу.Разница в энергии между поглощенным ультрафиолетовым фотоном и излучаемым фотоном видимого света идет на нагрев люминофорного покрытия.

Механизм производства света

Крупный план катодов и анодов бактерицидной лампы (по существу аналогичная конструкция, в которой не используется флуоресцентный люминофор, что позволяет видеть электроды)
Нефильтрованное ультрафиолетовое свечение бактерицидной лампы создается разрядом паров ртути низкого давления (аналогичным разряду в люминесцентной лампе) в непокрытой оболочке из плавленого кварца.

Люминесцентная лампа заполнена газом, содержащим пары ртути низкого давления и аргон (или ксенон), реже аргон-неон, а иногда даже криптон.Внутренняя поверхность колбы покрыта флуоресцентным (и часто слегка фосфоресцирующим) покрытием, состоящим из различных смесей солей металлов и редкоземельных люминофоров. Катод лампы обычно изготавливается из спирального вольфрама, покрытого смесью оксидов бария, стронция и кальция (выбранной из-за относительно низкой температуры термоэлектронной эмиссии).
Когда свет включается, электрическая энергия нагревает катод настолько, что он испускает электроны. Эти электроны сталкиваются с атомами инертных газов в колбе, окружающей нить накала, ионизируют их, образуя плазму в процессе ударной ионизации.В результате лавинной ионизации проводимость ионизированного газа быстро возрастает, что позволяет пропускать через лампу более высокие токи. Ртуть, которая существует в стабильной точке равновесия давления паров около одной части на тысячу внутри трубки (при этом давление инертных газов обычно составляет около 0,3 процента от стандартного атмосферного давления), затем также ионизируется, заставляя ее испускать свет в ультрафиолетовой (УФ) области спектра преимущественно на длинах волн 253. 7 нм и 185 нм. Эффективность флуоресцентного освещения во многом обусловлена ​​тем фактом, что ртутные разряды низкого давления излучают около 65 процентов своего общего света на линии 254 нанометров (также около 10-20 процентов света, излучаемого в УФ, приходится на линию 185 нанометров). УФ-свет поглощается флуоресцентным покрытием лампы, которое повторно излучает энергию на более низких частотах (более длинные волны: на коммерческих люминесцентных лампах появляются две интенсивные линии с длинами волн 440 и 546 нм) (см. стоксов сдвиг) для излучения видимого света.Смесь люминофоров контролирует цвет света и вместе со стеклом колбы предотвращает утечку вредного ультрафиолетового излучения.

Электрические аспекты эксплуатации

Люминесцентные лампы являются устройствами с отрицательным сопротивлением, поэтому, чем больше тока проходит через них (более ионизированный газ), электрическое сопротивление люминесцентной лампы падает, позволяя течь еще большему току. Подключенная напрямую к сети постоянного напряжения, люминесцентная лампа быстро самоуничтожится из-за неограниченного тока. Чтобы предотвратить это, люминесцентные лампы должны использовать вспомогательное устройство, обычно называемое балластом, для регулирования тока, протекающего через трубку.

В то время как балласт может быть (и иногда является) таким же простым, как резистор, в резистивном балласте теряется значительная мощность, поэтому балласты обычно используют реактивное сопротивление (катушку индуктивности или конденсатор). Для работы от сети переменного тока обычно используют простой индуктор (так называемый «магнитный балласт»). В странах, где используется сеть переменного тока на 120 вольт, сетевого напряжения недостаточно для освещения больших люминесцентных ламп, поэтому балласт для этих больших люминесцентных ламп часто представляет собой повышающий автотрансформатор со значительной индуктивностью рассеяния (чтобы ограничить ток).Любая форма индуктивного балласта может также включать конденсатор для коррекции коэффициента мощности.

В прошлом люминесцентные лампы иногда работали напрямую от источника постоянного тока с достаточным напряжением для зажигания дуги. В этом случае не было никаких сомнений в том, что балласт должен быть резистивным, а не реактивным, что приводит к потерям мощности в балластном резисторе. Кроме того, при работе напрямую от постоянного тока полярность питания лампы должна меняться на противоположную каждый раз при включении лампы; в противном случае ртуть скапливается на одном конце трубки.В настоящее время люминесцентные лампы практически никогда не работают напрямую от постоянного тока; вместо этого инвертор преобразует постоянный ток в переменный и обеспечивает функцию ограничения тока, как описано ниже для электронных балластов.

Более сложные балласты могут использовать транзисторы или другие полупроводниковые компоненты для преобразования сетевого напряжения в высокочастотный переменный ток, а также для регулирования тока, протекающего в лампе. Их называют «электронными балластами».

Люминесцентные лампы, работающие непосредственно от сети переменного тока, будут мерцать с двойной частотой сети, поскольку мощность, подаваемая на лампу, падает до нуля дважды за цикл. Это означает, что свет мерцает с частотой 120 раз в секунду (Гц) в странах, где используется переменный ток с частотой 60 циклов в секунду (60 Гц), и 100 раз в секунду в странах, использующих 50 Гц. По этому же принципу может гудеть и люминесцентная лампа, точнее ее балласт. И раздражающий гул, и мерцание устраняются в лампах, в которых используется высокочастотный электронный балласт, например во все более популярных компактных люминесцентных лампах.

Хотя большинство людей не могут непосредственно видеть мерцание с частотой 120 Гц, некоторые люди ^[1] сообщают, что мерцание с частотой 120 Гц вызывает напряжение глаз и головную боль.Доктор Дж. Вейч обнаружил, что люди лучше читают, используя высокочастотные (20-60 кГц) электронные балласты, чем магнитные балласты (120 Гц). ^[2]

В некоторых случаях люминесцентные лампы, работающие на частоте сети, могут также производить мерцание на частоте сети (50 или 60 Гц), что заметно большему количеству людей. Это может произойти в последние несколько часов срока службы лампы, когда эмиссионное покрытие катода на одном конце почти израсходовано, и этот катод начинает испытывать трудности с эмиссией достаточного количества электронов в газовое наполнение, что приводит к небольшому выпрямлению и, следовательно, к неравномерному светоотдаче в положительном и отрицательные циклы сети.Мерцание частоты сети также может иногда излучаться с самых концов ламп в результате того, что каждый электрод лампы попеременно работает как анод и катод в каждом полупериоде сети и создает немного разную картину светового потока в режиме анода или катода (это было более серьезная проблема с трубами более 40 лет назад, и в результате многие фитинги той эпохи скрывали концы труб). Мерцание на частоте сети более заметно в периферийном зрении, чем в центре взора.

Метод «запуска» люминесцентной лампы

Цепь люминесцентной лампы с предварительным нагревом с использованием автоматического пускового выключателя.
A предварительный нагрев люминесцентная лампа «стартер» (автоматический пусковой выключатель)

Атомы ртути в люминесцентной лампе должны быть ионизированы до того, как дуга сможет «зажечь» внутри трубки. Для небольших ламп не требуется большого напряжения, чтобы зажечь дугу, и запуск лампы не представляет проблемы, но для ламп большего размера требуется значительное напряжение (в диапазоне тысяч вольт).

В некоторых случаях это делается именно так: мгновенный запуск люминесцентные лампы просто используют достаточно высокое напряжение, чтобы разрушить столб газа и ртути и тем самым запустить дуговую проводимость. Эти трубки можно идентифицировать по тому факту, что

1. Имеют по одному штифту на каждом конце трубки
2. Патроны, в которые они вставляются, имеют разъединяющую розетку на низковольтной стороне для обеспечения автоматического отключения сетевого тока, чтобы лицо, заменяющее лампу, не могло получить удар током высокого напряжения

В других случаях, должно быть предусмотрено отдельное средство облегчения запуска. В некоторых люминесцентных конструкциях (лампы предварительного нагрева) используется комбинированная нить накала/катод на каждом конце лампы в сочетании с механическим или автоматическим переключателем (см. удар по дуге.

Эти системы являются стандартным оборудованием в странах с напряжением 240 вольт и обычно используют пускатель накаливания. В прошлом также использовались 4-контактные термопускатели и ручные выключатели. Электронные стартеры также иногда используются с этими электромагнитными балластными фитингами.

Во время предварительного нагрева нити накала испускают электроны в газовый столб посредством термоэлектронной эмиссии, создавая вокруг нитей тлеющий разряд. Затем, когда пусковой переключатель размыкается, индуктивный балласт и конденсатор небольшой емкости на пусковом переключателе создают высокое напряжение, которое зажигает дугу. Зажигание трубки в этих системах надежно, но пускатели накала часто включаются несколько раз, прежде чем оставить трубку гореть, что вызывает нежелательное мигание во время запуска. Старые термостартеры вели себя в этом отношении лучше.

После удара по трубке падающий основной разряд сохраняет нить накала/катод горячими, позволяя продолжать излучение.

Если трубка не зажжется или зажжется, а затем погаснет, последовательность запуска повторяется. Таким образом, в автоматических стартёрах, таких как тлеющие стартеры, неисправная лампа будет работать бесконечно, мигая снова и снова, поскольку стартер неоднократно запускает изношенную лампу, а затем лампа быстро гаснет, поскольку излучения недостаточно для поддержания тепла катодов, и лампа ток слишком низок, чтобы удерживать калильный стартер открытым.Это вызывает визуально неприятные частые яркие вспышки и приводит к тому, что балласт работает при температуре выше расчетной. Если повернуть пускатель на четверть оборота против часовой стрелки, он отключится, и цепь разомкнется.

У некоторых более продвинутых пускателей в этой ситуации истекает время ожидания, и они не предпринимают попыток повторных пусков, пока питание не будет сброшено. В некоторых старых системах для обнаружения повторных попыток пуска использовалось отключение по перегрузке по току. Они требуют ручного сброса.

Новый быстрый пуск Конструкция балласта обеспечивает силовые обмотки накала внутри балласта; они быстро и непрерывно нагревают нити накала / катоды с помощью низковольтного переменного тока.При запуске не возникает индуктивного всплеска напряжения, поэтому лампы обычно необходимо устанавливать рядом с заземленным (заземленным) отражателем, чтобы тлеющий разряд мог распространяться по трубке и инициировать дуговой разряд.

Электронные балласты часто возвращаются к стилю между стилями предварительного нагрева и быстрого запуска: конденсатор (или иногда схема с автоматическим отключением) может замыкать цепь между двумя нитями накала, обеспечивая предварительный нагрев нити. Когда лампа зажигается, напряжение и частота на лампе и конденсаторе обычно падают, поэтому ток конденсатора падает до низкого, но ненулевого значения. Обычно этот конденсатор и катушка индуктивности, обеспечивающая ограничение тока в нормальном режиме работы, образуют резонансный контур, увеличивая напряжение на лампе, чтобы она могла легко включиться.

В некоторых ЭПРА используется запрограммированный пуск. Частота выходного переменного тока начинается выше резонансной частоты выходного контура балласта, а после нагрева нитей частота быстро снижается. Если частота приблизится к резонансной частоте балласта, выходное напряжение увеличится настолько, что лампа зажжется.Если лампа не зажигается, электронная схема останавливает работу балласта.

Механизмы отказа лампы в конце срока службы

Режим отказа в конце срока службы люминесцентных ламп зависит от того, как вы их используете, и типа их механизма управления. В настоящее время существует три основных режима отказа, и четвертый начинает появляться:

Смесь выбросов заканчивается

Крупный план нити накала ртутной газоразрядной лампы низкого давления, показывающий белое термоэмиссионное покрытие на центральной части катушки. Обычно сделанное из смеси оксидов бария, стронция и кальция, покрытие распыляется при нормальном использовании, что часто в конечном итоге приводит к выходу лампы из строя.

«Эмиссионная смесь» на нитях накала/катодах лампы необходима для того, чтобы позволить электронам проходить в газ посредством термоэлектронной эмиссии при используемых рабочих напряжениях лампы. Смесь медленно распыляется при бомбардировке электронами и ионами ртути во время работы, но большее ее количество выбрасывается каждый раз при запуске лампы с холодными катодами (метод запуска лампы и, следовательно, тип пускорегулирующей аппаратуры оказывает существенное влияние на это).Лампы, работающие, как правило, менее трех часов при каждом включении, обычно исчерпают свою эмиссионную смесь до того, как другие части лампы выйдут из строя. Распыленная эмиссионная смесь образует темные метки на концах трубок, которые можно увидеть на старых трубках. Когда вся эмиссионная смесь исчезнет, ​​катод не сможет пропустить достаточное количество электронов в газовое наполнение, чтобы поддерживать разряд при расчетном рабочем напряжении трубки. В идеале, управляющий механизм должен отключать трубу, когда это происходит. Однако некоторые управляющие устройства будут обеспечивать достаточное повышенное напряжение для продолжения работы трубки в режиме с холодным катодом, что приведет к перегреву конца трубки и быстрому разрушению электродов и их поддерживающих проводов до тех пор, пока они полностью не исчезнут или стекло не треснет, выведя из строя лампу. заполнение газом низкого давления и прекращение сброса газа.

Отказ встроенной электроники балласта

Относится только к компактным люминесцентным лампам со встроенными электрическими балластами. Выход из строя электроники балласта — это несколько случайный процесс, который соответствует стандартному профилю отказа для любых электронных устройств. Существует начальный небольшой пик ранних отказов, за которым следует падение и устойчивый рост в течение срока службы лампы. Срок службы электроники сильно зависит от рабочей температуры — обычно он уменьшается вдвое при повышении температуры на каждые 10 °C. Указанный средний срок службы обычно составляет 25°C (может варьироваться в зависимости от страны). В некоторых фитингах температура окружающей среды может быть значительно выше, и в этом случае отказ электроники может стать преобладающим механизмом отказа. Точно так же использование цоколя компактной люминесцентной лампы приведет к более сильному нагреву электроники и сокращению среднего срока службы (особенно с более высокой номинальной мощностью). Электронные балласты должны быть сконструированы так, чтобы отключать трубу, когда иссякает смесь выбросов, как описано выше.В случае встроенных электронных балластов, поскольку им больше никогда не придется работать, это иногда делается путем преднамеренного выгорания какого-либо компонента, чтобы навсегда прекратить работу.

Выход из строя люминофора

Эффективность люминофора снижается во время использования. Примерно через 25 000 часов работы она обычно будет вдвое меньше яркости новой лампы (хотя некоторые производители заявляют о гораздо более длительном периоде полураспада своих ламп). Лампы, которые не страдают от отказов смеси излучения или встроенной электроники балласта, в конечном итоге разовьют этот режим отказа.Они все еще работают, но стали тусклыми и неэффективными. Процесс этот медленный и часто становится очевидным только тогда, когда новая лампа работает рядом со старой лампой.

В трубке закончилась ртуть

Ртуть теряется из газового наполнителя в течение всего срока службы лампы, поскольку она медленно поглощается стеклянными, люминофорными и трубчатыми электродами, где она больше не может функционировать. Исторически это не было проблемой, потому что в трубках было избыток ртути. Тем не менее, экологические проблемы в настоящее время приводят к использованию трубок с низким содержанием ртути, в которые гораздо более точно дозируется количество ртути, достаточное для обеспечения ожидаемого срока службы лампы.Это означает, что потеря ртути компенсирует выход из строя люминофора в некоторых лампах. Симптом отказа аналогичен, за исключением того, что потеря ртути сначала приводит к увеличению времени работы (время до достижения полной светоотдачи) и, наконец, заставляет лампу светиться тускло-розовым цветом, когда ртуть заканчивается, а основной газ аргон вступает в силу. первичный разряд.

Люминофоры и спектр излучаемого света

Многие люди считают цветовой спектр некоторых люминесцентных ламп резким и неприятным.Здоровый человек иногда может иметь болезненно выглядящий размытый оттенок кожи при флуоресцентном освещении. Это связано с двумя вещами.

Первой причиной является использование ламп плохого качества света с низким CRI и высоким CCT, таких как «холодный белый». Они имеют плохое качество света, из-за чего пропорция красного света ниже идеальной, поэтому кожа кажется менее розовой, чем при лучшем освещении.

Вторая причина связана с характеристиками глаза и типа трубки.Естественный дневной свет с высокой цветовой температурой выглядит естественным цветом при уровне освещенности дневного света, но по мере снижения уровня освещенности он кажется для глаз все более холодным. При более низких уровнях освещенности человеческий глаз воспринимает более низкие цветовые температуры как нормальные и естественные. Большинство люминесцентных ламп имеют более высокую цветовую температуру, чем лампы накаливания 2700 К, а более холодные лампы не выглядят естественными для глаз при освещении намного ниже дневного света. Этот эффект зависит от люминофора трубки и применим только к трубкам с более высокой CCT при уровне освещенности значительно ниже естественного дневного.

Цвет многих пигментов немного отличается при просмотре под некоторыми люминесцентными лампами по сравнению с лампами накаливания. Это происходит из-за разницы в двух свойствах, CCT и CRI.

CCT (цветовая температура) ламп накаливания GLS составляет 2700 K, а галогенных ламп — 3000 K, в то время как люминесцентные лампы широко доступны в диапазоне от 2700 K до 6800 K, что представляет собой значительную разницу в восприятии.

CRI, индекс цветопередачи, является мерой того, насколько хорошо сбалансированы различные цветовые компоненты белого света.Спектр лампы с теми же пропорциями R, G, B, что и у излучателя черного тела, имеет CRI 100 процентов, но люминесцентные лампы достигают CRI от 50 процентов до 99 процентов. Трубки с более низким индексом цветопередачи имеют несбалансированный цветовой спектр визуально низкого качества, что приводит к некоторым изменениям в восприятии цвета. Например, галофосфатная трубка с низким индексом цветопередачи 6800 K, визуально неприятная настолько, насколько это возможно, сделает красный цвет тускло-красным или коричневым.

Наименее приятный свет исходит от трубок, содержащих старые люминофоры галофосфатного типа (химическая формула Ca ₅ (PO ₄ ) ₃ (F,Cl):Sb ³⁺ ,Mn ²⁺ ), обычно обозначаемый как «холодный белый».Плохая цветопередача связана с тем, что этот люминофор в основном излучает желтый и синий свет и относительно мало зеленого и красного. На глаз эта смесь кажется белой, но свет имеет неполный спектр. В люминесцентных лампах лучшего качества используют либо галофосфатное покрытие с более высоким индексом цветопередачи или смесь трифосфора на основе ионов европия и тербия, полосы излучения которых более равномерно распределены по всему спектру видимого света. человеческий глаз.

Спектры люминесцентных ламп
Типичная люминесцентная лампа с редкоземельным люминофором		Типичная «холодно-белая» люминесцентная лампа, использующая два люминофора, легированных редкоземельными элементами, Tb 3+ , Ce 3+ :LaPO 4 для зеленого и синего излучения и Eu:Y 2 O 3 для красного . Для объяснения происхождения отдельных пиков нажмите на изображение. Обратите внимание, что несколько спектральных пиков генерируются непосредственно ртутной дугой.Это, вероятно, самый распространенный тип люминесцентных ламп, используемых сегодня.
Галофосфатно-люминесцентная люминесцентная лампа старого типа		Галофосфатные люминофоры в этих лампах обычно состоят из трехвалентной сурьмы и двухвалентного марганца, легированного галогенфосфатом кальция (Ca 5 (PO 4 ) 3 (Cl, F): Sb 3+ , Mn 2+ ). Цвет светоотдачи можно регулировать, изменяя соотношение синей излучающей примеси сурьмы и оранжевой излучающей примеси марганца.Способность цветопередачи этих ламп старого типа довольно плохая. Галофосфатные люминофоры были изобретены AH McKeag et al. в 1942 году.
Люминесцентная лампа «Естественное солнце»		Объяснение происхождения пиков находится на странице изображения.
Желтые люминесцентные лампы		Спектр почти идентичен спектру обычной люминесцентной лампы, за исключением почти полного отсутствия света ниже 500 нанометров. Этот эффект может быть достигнут либо за счет специального использования люминофора, либо, чаще, за счет использования простого желтого светофильтра.Эти лампы обычно используются в качестве освещения для фотолитографических работ в чистых помещениях и в качестве наружного освещения «от насекомых» (эффективность которого сомнительна).
Спектр лампы «черного света»		Обычно в лампе черного света присутствует только один люминофор, обычно состоящий из легированного европием фторбората стронция, который содержится в оболочке из стекла Вуда.

Применение

Люминесцентные лампы бывают разных форм и размеров.Все более популярной становится компактная люминесцентная лампа (CF). Во многих компактных люминесцентных лампах вспомогательная электроника встроена в основание лампы, что позволяет им поместиться в обычный патрон для лампочки.

В США использование флуоресцентного освещения в жилых помещениях остается низким (обычно ограничивается кухнями, подвалами, коридорами и другими помещениями), но школы и предприятия считают, что флуоресцентные лампы значительно экономят средства, и лишь изредка используют лампы накаливания.

В осветительных приборах часто используются люминесцентные лампы разных оттенков белого.В большинстве случаев это связано с неспособностью оценить разницу или важность различных типов трубок. Смешивание типов трубок внутри фитингов также делается для улучшения цветопередачи трубок низкого качества.

В других странах использование флуоресцентного освещения в жилых помещениях зависит от цен на энергию, финансовых и экологических проблем местного населения и приемлемости светоотдачи.

В феврале 2007 года в Австралии был принят закон, запрещающий к 2010 году продажу большинства ламп накаливания. ^{[3] [4]} Хотя в законе не указано, какую альтернативу должны использовать австралийцы, компактные люминесцентные лампы, вероятно, будут основной заменой.

Ртутная токсичность

Поскольку люминесцентные лампы содержат ртуть, токсичный тяжелый металл, правительственные постановления во многих областях требуют специальной утилизации люминесцентных ламп, отдельно от обычных и бытовых отходов. Ртуть представляет наибольшую опасность для беременных женщин, младенцев и детей.

Свалки часто отказываются от люминесцентных ламп из-за высокого содержания в них ртути.С домашними и коммерческими отходами часто обращаются по-разному.

Количество ртути в стандартной лампе может сильно варьироваться от 3 до 46 мг. ^[5] Типичная четырехфутовая (120-сантиметровая) люминесцентная лампа T-12 эпохи 2006 года (а именно, F32T12) содержит около 12 миллиграммов ртути. ^[6] Новые лампы содержат меньше ртути, а версии на 3-4 миллиграмма (например, F32T8) продаются как лампы с низким содержанием ртути.

Уборка разбитых люминесцентных ламп

Разбитая люминесцентная лампа более опасна, чем разбитая обычная лампа накаливания из-за содержания в ней ртути. Из-за этого безопасная уборка разбитых люминесцентных ламп отличается от уборки обычных битых стекол или ламп накаливания. Девяносто девять процентов ртути обычно содержится в люминофоре, особенно в лампах, срок службы которых приближается к концу. ^[7] Таким образом, типичная безопасная очистка обычно включает в себя тщательную утилизацию любого битого стекла, а также любого свободного белого порошка (флуоресцентное покрытие стекла) в соответствии с местными законами об опасных отходах. Влажное полотенце обычно используется вместо пылесоса для уборки стекла и порошка, в основном для уменьшения распространения порошка по воздуху.

Преимущества перед лампами накаливания

Люминесцентные лампы более эффективны, чем лампы накаливания эквивалентной яркости. Это связано с тем, что большая часть потребляемой энергии преобразуется в полезный свет, а меньшая — в тепло, что позволяет люминесцентным лампам меньше нагреваться. Лампа накаливания может преобразовывать в видимый свет только 10 процентов входной мощности. Люминесцентная лампа, производящая такое же количество полезной энергии видимого света, может потреблять от одной трети до одной четверти меньшего количества электроэнергии.Обычно люминесцентная лампа служит в 10-20 раз дольше, чем эквивалентная лампа накаливания. Если освещение используется в помещениях с кондиционированием воздуха, все потери в лампах также должны компенсироваться оборудованием для кондиционирования воздуха, что приводит к двойному штрафу за потери из-за освещения.

Более высокая начальная стоимость люминесцентной лампы с лихвой компенсируется более низким потреблением энергии в течение срока службы. Более длительный срок службы может также снизить затраты на замену ламп, обеспечивая дополнительную экономию, особенно там, где трудозатратно.Поэтому он широко используется предприятиями по всему миру, но не столько домохозяйствами.

Ртуть, выбрасываемая в воздух при утилизации от 5 до 45 процентов люминесцентных ламп, ^[8] , компенсируется тем фактом, что многие электрогенераторы, работающие на угле, выбрасывают ртуть в воздух. Большая эффективность люминесцентных ламп помогает снизить выбросы силовой установки.

Недостатки

Проблема «эффекта биений», возникающая при съемке фотографий или фильмов при стандартном флуоресцентном освещении.

Для люминесцентных ламп требуется балласт для стабилизации лампы и обеспечения начального напряжения зажигания, необходимого для запуска дугового разряда; это увеличивает стоимость люминесцентных светильников, хотя часто один балласт используется двумя или более лампами.Некоторые типы балластов издают слышимые гудящие или жужжащие звуки.

Обычные балласты для ламп не работают на постоянном токе. Если доступен источник постоянного тока с достаточно высоким напряжением для зажигания дуги, резистор можно использовать для балласта лампы, но это приводит к низкой эффективности из-за потери мощности в резисторе. Кроме того, ртуть имеет тенденцию мигрировать к одному концу трубки, что приводит к тому, что только один конец лампы дает большую часть света. Из-за этого эффекта лампы (или полярность тока) необходимо регулярно менять местами.

Люминесцентные лампы лучше всего работают при комнатной температуре (скажем, 68 градусов по Фаренгейту или 20 градусов по Цельсию). При значительно более низких или более высоких температурах КПД снижается, а при низких температурах (ниже нуля) штатные лампы могут не запускаться. Для надежной работы на открытом воздухе в холодную погоду могут потребоваться специальные лампы. В середине 1970-х также была разработана электрическая схема «холодного запуска».

Поскольку дуга довольно длинная по сравнению с газоразрядными лампами более высокого давления, количество света, излучаемого на единицу поверхности ламп, меньше, поэтому лампы имеют большие размеры по сравнению с источниками накаливания.Это влияет на дизайн светильников, поскольку свет должен быть направлен из длинных трубок, а не из компактного источника. Однако во многих случаях полезна низкая сила света излучающей поверхности, поскольку она уменьшает блики.

Люминесцентные лампы не дают постоянного света; вместо этого они мерцают (колеблются по интенсивности) со скоростью, которая зависит от частоты управляющего напряжения. Хотя это нелегко различить человеческому глазу, это может вызвать стробоскопический эффект, представляющий угрозу безопасности, например, в мастерской, где что-то, вращающееся с нужной скоростью, может казаться неподвижным, если освещается исключительно люминесцентной лампой.Это также вызывает проблемы при записи видео, поскольку между периодическими показаниями датчика камеры и колебаниями интенсивности люминесцентной лампы может возникать «эффект биений». Частота наиболее заметна на компьютерных ЭЛТ-мониторах с частотой обновления, аналогичной частоте лампочек, которые будут мерцать из-за эффекта биения. Чтобы устранить это мерцание, можно изменить частоту обновления своего монитора.

Лампы накаливания из-за тепловой инерции их элемента меньше колеблются в своей силе, хотя эффект измеряется приборами. Это также менее проблематично для компактных люминесцентных ламп, поскольку они умножают частоту линии до невидимых уровней. Установки могут уменьшить стробоскопический эффект за счет использования балластов опережения-запаздывания или включения ламп на разных фазах многофазного источника питания.

Проблемы с точностью цветопередачи обсуждались выше.

Если только они специально не разработаны и не одобрены для диммирования, большинство люминесцентных светильников нельзя подключать к стандартному диммеру, используемому для ламп накаливания.За это ответственны два эффекта: форма волны напряжения, излучаемого стандартным диммером с фазовым управлением, плохо взаимодействует со многими балластами, и становится трудно поддерживать дугу в люминесцентной лампе при низких уровнях мощности. Во многих установках требуются 4-контактные люминесцентные лампы и совместимые контроллеры для успешного затемнения люминесцентных ламп; эти системы, как правило, поддерживают полностью нагретыми катоды люминесцентной лампы даже при уменьшении тока дуги, способствуя легкой термоэлектронной эмиссии электронов в поток дуги.

Утилизация люминофора и небольшого количества ртути в трубках также представляет собой экологическую проблему по сравнению с утилизацией ламп накаливания. Для крупных коммерческих или промышленных пользователей люминесцентных ламп начинают становиться доступными услуги по переработке.

Обозначения трубок

Примечание. Информация в этом разделе может быть неприменима за пределами Северной Америки.

Лампы обычно обозначаются таким кодом, как F##T##, где F означает люминесцентные лампы, первая цифра указывает мощность в ваттах (или, как ни странно, длину в дюймах для очень длинных ламп), буква T указывает на то, что форма колба имеет трубчатую форму, а последнее число обозначает диаметр в восьмых долях дюйма.Типичные диаметры: T12 (1½ дюйма или 38 миллиметров) для бытовых ламп со старыми магнитными балластами, T8 (1 дюйм или 25 миллиметров) для коммерческих энергосберегающих ламп с электронными балластами и T5 ( ⁵ ⁄ 8 дюйма или 16 миллиметров) для очень маленьких ламп, которые могут работать даже от устройства с батарейным питанием.

Лампы Slimline работают от балласта с мгновенным пуском и узнаваемы по своим одноштырьковым цоколям.

Лампы с высокой мощностью ярче и потребляют больше электрического тока, имеют разные концы контактов, поэтому их нельзя использовать в неправильном светильнике, и имеют маркировку F##T12HO или F##T12VHO для очень высокой мощности.Примерно с начала до середины 1950-х годов и по сегодняшний день компания General Electric разработала и усовершенствовала лампу Power Groove с маркировкой F##PG17. Эти лампы узнаваемы по трубкам большого диаметра с желобками.

U-образные трубки имеют обозначение FB##T##, где буква B означает «изогнутая». Чаще всего они имеют те же обозначения, что и линейные трубы. Круглые лампы имеют обозначение FC##T#, при этом диаметр круга (, а не окружность или ватты) является первым числом, а второе число обычно равно 9 (29 мм) для стандартных светильников.

Цвет обычно обозначается WW для теплого белого, EW для усиленного (нейтрального) белого, CW для холодного белого (наиболее распространенный) и DW для голубоватого дневного белого. BL часто используется для черного света (обычно используется в ловушках для насекомых), а BLB — для обычных темно-фиолетовых темно-фиолетовых лампочек. Другие нестандартные обозначения применяются для освещения растений или освещения для выращивания растений.

Philips использует цифровые цветовые коды для цветов:

• Низкая цветопередача
  • 33 вездесущий холодный белый (4000 К)
  • 32 теплый белый (3000 К)
  • 27 гостиная теплый белый (2700 K)

• Высокая цветопередача
  • 9xy «Graphica Pro» / «De Luxe Pro» (xy00 K; например, «965» = 6500 K)
  • 8xy (xy00 К; например, «865» = 6500 К)
  • 840 холодный белый (4000 К)
  • 830 теплый белый (3000 К)
  • 827 теплый белый (2700 K)

• Другое
  • 09 Лампы для загара
  • 08 Черный свет
  • 05 Hard UV (люминофоры вообще не используются, используется оболочка из плавленого кварца)

Нечетные длины обычно добавляются после цвета. Одним из примеров является F25T12/CW/33, то есть 25 Вт, диаметр 1,5 дюйма, холодный белый цвет, длина 33 дюйма или 84 сантиметра. Без 33 можно было бы предположить, что F25T12 имеет более распространенную длину 30 дюймов.

Компактные люминесцентные лампы не имеют такой системы обозначений.

Прочие люминесцентные лампы

Черные фонари

Blacklights — это разновидность люминесцентных ламп, которые используются для получения длинноволнового ультрафиолетового света (с длиной волны около 360 нанометров). Они построены так же, как обычные люминесцентные лампы, но стеклянная трубка покрыта люминофором, который преобразует коротковолновое УФ внутри трубки в длинноволновое УФ, а не в видимый свет.Они используются для стимуляции флуоресценции (для создания драматических эффектов с помощью черной светящейся краски и для обнаружения таких материалов, как моча и некоторые красители, которые были бы невидимы в видимом свете), а также для привлечения насекомых к ловушкам для насекомых.

Так называемые лампы blacklite blue также изготавливаются из более дорогого темно-фиолетового стекла, известного как стекло Вуда, а не из прозрачного стекла. Темно-фиолетовое стекло отфильтровывает большую часть видимых цветов света, непосредственно излучаемого разрядом паров ртути, производя пропорционально менее видимый свет по сравнению с ультрафиолетовым светом.Это позволяет легче увидеть флуоресценцию, индуцированную УФ-излучением (что позволяет плакатам с черным светом казаться гораздо более драматичным).

Солнечные лампы

Лампы для загара содержат другой люминофор, который сильнее излучает в средневолновом УФ-диапазоне, вызывая загар на большей части кожи человека.

Лампы для выращивания

Лампы для выращивания содержат люминофорную смесь, которая стимулирует фотосинтез в растениях; они обычно кажутся розоватыми для человеческих глаз.

Бактерицидные лампы

Бактерицидные лампы вообще не содержат люминофора (технически это делает их газоразрядными лампами, а не люминесцентными), а их трубки сделаны из плавленого кварца, прозрачного для коротковолнового УФ излучения, непосредственно излучаемого ртутным разрядом. Ультрафиолетовое излучение, излучаемое этими трубками, убивает микробы, ионизирует кислород до озона и вызывает повреждение глаз и кожи. Помимо их использования для уничтожения микробов и создания озона, они иногда используются геологами для идентификации определенных видов минералов по цвету их флуоресценции. При таком использовании они снабжены фильтрами так же, как и черно-голубые лампы; фильтр пропускает коротковолновое УФ и блокирует видимый свет ртутного разряда. Они также используются в стирателях EPROM.

Безэлектродные индукционные лампы

Безэлектродные индукционные лампы представляют собой люминесцентные лампы без внутренних электродов. Они имеются в продаже с 1990 года. С помощью электромагнитной индукции в газовую колонку индуцируется ток. Поскольку электроды обычно являются элементом, ограничивающим срок службы люминесцентных ламп, такие безэлектродные лампы могут иметь очень длительный срок службы, хотя они также имеют более высокую покупную цену.

Люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL)

Люминесцентные лампы с холодным катодом используются в качестве подсветки жидкокристаллических дисплеев в персональных компьютерах и телевизионных мониторах.

Использование кино и видео

Специальные люминесцентные лампы часто используются в производстве фильмов и видео. Фирменные лампы Kino Flos используются для создания более мягкого заполняющего света и меньше нагреваются, чем традиционные галогенные источники света. Эти люминесцентные лампы разработаны со специальными высокочастотными балластами для предотвращения мерцания изображения и лампами с высоким индексом цветопередачи, приближающимися к цветовой температуре дневного света.

Споры об Агапито Флоресе

Многие считают, что изобретателем флуоресцентного света был филиппинец по имени Агапито Флорес.Сообщается, что он получил французский патент на свое изобретение и продал его компании General Electric, которая заработала на его идее миллионы долларов. Однако Флорес представил свой патент General Electric после того, как компания уже представила публике флуоресцентный свет, и намного позже того, как он был первоначально изобретен. ^[9]

См. также

Примечания

1. ↑ Lightsearch.com. Световод: флуоресцентные балласты. Адаптировано из Руководства по усовершенствованному освещению , первоначально опубликованного Калифорнийской энергетической комиссией в 1993 году.Проверено 31 мая 2007 г.
2. ↑ Национальный исследовательский совет Канады, Мерцание люминесцентной лампы. Проверено 31 мая 2007 г.
3. ↑ Тодд Вуди, «Австралия запрещает использование традиционных лампочек для борьбы с глобальным потеплением». Зеленый вомбат. 20 февраля 2007 г. Проверено 31 мая 2007 г.
4. ↑ «Впервые в мире! Австралия сокращает выбросы парниковых газов из-за неэффективного освещения». Офис министра окружающей среды и водных ресурсов Австралии. Пресс-релиз (20 февраля 2007 г.). Проверено 31 мая 2007 г.
5. ↑ Программа ООН по окружающей среде, «Инструментарий для выявления и количественного определения выбросов ртути». п. 183. Проверено 31 мая 2007 г.
6. ↑ Лаборатория светодизайна, Ртуть в люминесцентных лампах. Проверено 31 мая 2007 г.
7. ↑ Флойд и др. (2002). Цитируется по Программе Организации Объединенных Наций по окружающей среде, «Инструментарий для выявления и количественной оценки выбросов ртути», с. 184. Проверено 10 февраля 2012 г.
8. ↑ Программа ООН по окружающей среде. «Инструментарий для идентификации и количественной оценки выбросов ртути.» п. 184. Проверено 31 мая 2007 г.
9. ↑ Agapito Flores: Изобретатели About.com. Проверено 31 мая 2007 г.

Ссылки

Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов

• Аткинсон, Скотт. Идеи для отличного домашнего освещения . Издательство Sunset Publishing, 2003. ISBN 037601315X

.

• Дерри, Т.К., и Тревор Уильямс. Краткая история техники . Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications, 1993. ISBN 0486274721
• Хьюз, Томас П. American Genesis: век изобретений и технологического энтузиазма, 1870-1970 гг. 2-е издание. Чикаго, Иллинойс: University of Chicago Press, 2004. ISBN 0226359271

Внешние ссылки

Все ссылки получены 14 апреля 2017 г.

Источники света/освещения:
Естественные/доисторические источники света:	Биолюминесценция | Небесные объекты | Молния
Источники света на основе сгорания:	Ацетиленовые/карбидные лампы | Свечи | Лампы Дэви | Огонь | Газовое освещение | Керосиновые лампы | Фонари | центры внимания | Масляные лампы | Рашлайты
Ядерные/прямые химические источники света:	Betalights/Trasers | Хемолюминесценция (световые палочки)
Электрические источники света:	Дуговые лампы | Лампы накаливания | Люминесцентные лампы
Разрядные источники света высокой интенсивности:	Керамические газоразрядные металлогалогенные лампы | Лампы человеко-машинного интерфейса | Ртутные лампы | Металлогалогенные лампы | Натриевые лампы | Ксеноновые дуговые лампы
Прочие электрические источники света:	Электролюминесцентные (ЭЛ) лампы | Глобар | Индуктивное освещение | Дискретные светодиоды/твердотельное освещение (светодиоды) | Неоновые и аргоновые лампы | Нернст лампа | Серная лампа | Ксеноновые импульсные лампы | Свечи Яблочкова

Кредиты

Энциклопедия Нового Света авторов и редакторов переписали и дополнили статью Википедии
в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Упоминание должно быть выполнено в соответствии с условиями этой лицензии, которая может ссылаться как на авторов New World Encyclopedia , так и на самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:

История этой статьи с момента ее импорта в New World Encyclopedia :

Примечание. На использование отдельных изображений, которые лицензируются отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.

Фосфорное покрытие – обзор

11.4.1.1 Светоизлучающие диоды

Огромный рост проникновения светодиодов на мировой рынок освещения делает их самым сильным кандидатом для VLC [30]. Использование светодиодов высокой яркости набирает обороты для внутреннего освещения, уличного освещения и наружных дисплеев. Белый свет широко используется в современных системах освещения из-за его естественных характеристик, воспринимаемых человеческим глазом [31]. Наиболее перспективные светодиодные технологии для высокоскоростных ВНК представлены в таблице 11.2. Электрическая полоса пропускания оптического устройства является очень важным показателем производительности, поскольку она указывает скорость, с которой данные могут модулироваться и передаваться. Точка 3 дБ определяет частоту, при которой электрическая мощность становится вдвое меньше своего максимального значения. Световая отдача, также известная как эффективность в светотехническом сообществе, является важным показателем качества светодиодов видимого диапазона [31]; определяется отношением выходного светового потока к потребляемой электрической мощности и измеряется в люменах на ватт (лм/Вт).Световая отдача рассчитывается по [31]:

Таблица 11.2. Сравнение основных светодиодных технологий; обновленная версия Таблицы III в Ref. [30].

+

Технология	люминофор покрытие	многокристальных	микрометра размером	резонирующая полость
Применение	Подсветка		Дисплеев, Биосенсоры	оптических волокон Полимерных
Сложности	Низкие	Умеренный	Высокий	Высокий
10150	Низкий	Высокий	Высокий	Высокий
Электрическая пропускная способность	2-5 МГц	10-20 МГц	от десятков МГц до 1. 5 ГГц	от десятков до сотен МГц
Эффективность света	150 лм / Вт	65 лм / Вт	0,7 лм / Вт	0,3 лм / Вт

(11.9) ηled = 683VfIf∫λp(λ)Ves(λ)dλ,

где В _f — напряжение прямого смещения, I _f — ток прямого смещения, λ — длина волны в рабочем спектре, p (λ) — это PSD светодиода, а V _es (λ) обозначает функцию чувствительности глаза.

Традиционным методом получения белого света является комбинированное использование чипа, излучающего синий цвет, с желтым люминофорным покрытием. Часть синего света преобразуется в красный, зеленый и желтый, а остальная часть проходит через люминофор. Толщина слоя люминофора определяет коррелированную цветовую температуру (CCT). ¹ На качество света светодиодов с люминофорным покрытием (PC) не влияют быстрые колебания их интенсивности ² при передаче данных, пока применяется смещение постоянного тока (DC) [32]. Электрическая полоса пропускания ПК-светодиодов на уровне 3 дБ составляет порядка 2–3 МГц из-за медленного поглощения и переизлучения фотонов люминофором [33]. Типичный способ увеличить пропускную способность системы на основе ПК-светодиодов — использовать синий фильтр в приемнике за счет снижения энергоэффективности [33,34]; таким образом, сообщалось о увеличенных значениях до 20 МГц для ширины полосы модуляции [35]. В 2014 году компания Cree сообщила о рекордной светоотдаче 303 лм/Вт для белой светодиодной лампы PC, в то время как типичные значения эффективности составляют порядка 150 лм/Вт [31].

Альтернативным методом создания белого света является использование отдельных монохроматических источников красного, зеленого и синего (RGB) светодиодов. Цвет светодиода RGB можно контролировать, изменяя интенсивность излучения нескольких излучающих чипов. Так, показано, что индекс цветопередачи (CRI) ³ варьируется от 60 и 70 до 95 для трихроматических и тетрахроматических белых светодиодов соответственно, а CRI ПК-светодиодов — от 55 до 95 [31]. RGB-светодиоды демонстрируют более высокую полосу модуляции на 3 дБ, чем PC-светодиоды со значениями от 10 до 20 МГц [34].Однако многокристальные светодиоды считаются более дорогими и сложными по своей структуре по сравнению с ПК-светодиодами [30]. Сообщается, что наивысшая светоотдача для одного чипа, излучающего видимый свет, составляет 180 лм/Вт при плотности тока 35 А/см ² на длине волны 565 нм [36]. С точки зрения высокоскоростной передачи данных многочиповая структура белых светодиодов наиболее желательна из-за большого потенциала использования мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) [37].

Основное ограничение АЧХ светодиодов накладывается временем жизни неосновных носителей и емкостью перехода диода [31].Чтобы увеличить ширину полосы модуляции светодиодов, были введены светоизлучающие чипы микронного размера [38]. Микросветодиоды на основе нитрида галлия (GaN) были предложены для высокоскоростной VLC и связи с использованием полимерных оптических волокон (POF) [38,39]. Эти устройства в основном излучают в диапазоне длин волн от 370 до 520 нм и могут сочетаться с преобразователями длин волн для создания белого света. Из-за их очень малого размера µLED можно использовать в виде матрицы для дисплеев; каждый излучающий чип фактически представляет собой отдельный пиксель с типичным диаметром от 14 до 84 мкм [39,40].Ширина полосы оптической модуляции µLED варьируется от 40 МГц [39] до рекордных значений даже более 800 МГц [41]; частотная характеристика микросветодиодов зависит от плотности инжектируемого тока и диаметра кристалла. Возможность использования VLC со скоростью 3 Гбит/с для синего µLED диаметром 60 мкм показана в [1]. [40]. Световая отдача этого оптического источника рассчитывается как η _LED = 0,7 лм/Вт при подаче В _f = 5,2 В, I _f = 40 мА, λ = 450 нм. р (λ)=4.5 мВт и 90 664 В 90 665 90 129 es 90 130 = 0,05 [31,40] до (11,9). Продемонстрирована современная матрица фиолетовых µLED, способная передавать информацию со скоростью 12 Гбит/с. [4]; структура массива представлена ​​на рис. 11.5. Для формирования светодиодного передатчика используются две кольцевые матрицы: внутреннее и внешнее кольца состоят из пяти и 10 пикселей соответственно. Оптическая полоса пропускания 655 МГц для внутреннего пикселя массива µLED считается самой высокой в ​​фиолетовой области длин волн [4].Сообщается о рекордной полосе модуляции 3 дБ на частоте 1,5 ГГц для 450-нм неполярного индия GaN (InGaN)/GaN µLED с плоскостью м при плотности тока 1 кА/см ² [10]. В то время как время жизни неосновных носителей уменьшается за счет подачи более высоких плотностей тока на µLED, «падение», то есть постепенное снижение энергоэффективности, значительно увеличивается [31]. Для оптических устройств из нитрида III–V ⁴ падение эффективности в основном связано с уникальными поляризационными зарядами и электрическими полями, а не с делокализацией носителей и оже-рекомбинацией. ⁵

Рисунок 11.5. Микрофотографии в плане сегментированных массивов фиолетовых светодиодов микрометрового размера (µLED) [4]; увеличенные микрофотографии показывают настройку двух массивов и отдельных пикселей, а единицы измерения указаны в микрометрах (мкм).

Предоставлено с любезного разрешения профессора М. Доусона из Института фотоники Университета Стратклайд, Глазго, Соединенное Королевство. Светодиоды с резонансным резонатором

(RCLED) являются многообещающей технологией для LiFi из-за очень узкой ширины спектра, направленного пропускания света и повышенной выходной мощности [31].Они состоят из оптического резонатора с типичной толщиной доли 1 мкм. Длина волны излучения активного слоя совпадает с резонансной длиной волны резонатора. Хотя RCLED с центральной длиной волны 650 нм в основном использовались из-за их повышенной эффективности связи с POF, эти устройства также стали доступны на длинах волн ИК, например, 850 и 930 нм [31]; поэтому они являются многообещающими кандидатами для восходящей связи в системах LiFi. Рекордная скорость передачи данных 4.2 Гбит/с для RCLED сообщается в Ref. [42] с помощью готового чипа красного цвета. Однако световая отдача этого устройства определена как η _LED = 0,3 лм/Вт при подаче В _f = 2 В, I _f = 20 мА, λ = 650 нм, p (λ)=0,2 мВт и V _es =0,1 [31,42] до (11,9). Основным недостатком RCLED на основе алюминиевого сплава InGaN (AlInGaN) является сложность изготовления микрорезонаторов [38].Органические светодиоды также были предложены в качестве потенциальной технологии в передатчиках систем VLC [43]. Однако их низкая ширина полосы модуляции, порядка сотен кГц, является важным недостатком для высокоскоростной передачи данных наряду со временем деградации их органического слоя.

Рисунок 11.9. Блок-схема системы эрмитово-симметричного мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (HS-OFDM) [69].

Светоотдача-токовая характеристика светодиода, как правило, нелинейна, поэтому сигнал связи часто обрезается на определенных минимальных и максимальных уровнях [44–46].Шум отсечения сигнала O-OFDM определяется с помощью Bussgang и центральной предельной теоремы в Ref. [44]. Шум ограничения моделируется в частотной области как затухание поднесущих данных и добавление комплексного гауссова шума с нулевым средним значением. Кроме того, нелинейная передаточная характеристика передатчика VLC моделируется с использованием обобщенной кусочно-полиномиальной функции в работе. [45]. Аналитическое решение в закрытой форме для коэффициента битовых ошибок (BER) беспроводной системы O-OFDM впервые получено в [1].[46] рассматривает произвольное нелинейное искажение без памяти. Интересное решение для преодоления сильно нелинейной характеристики светодиода дано в [1]. [47] с помощью дискретного передатчика VLC со ступенчатым изменением уровня мощности или модулятора преобразования данных в свет. В частности, излучатель состоит из нескольких переключаемых групп светодиодов. Эти группы управляются отдельно и передают определенные ступенчатые уровни оптической мощности параллельно, которые конструктивно складываются в приемнике. Следовательно, передача сигналов с модуляцией интенсивности с использованием, например, амплитудно-импульсной модуляции (PAM) или мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) возможна без необходимости использования цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) или усилителей. Возможность генерации 16 уровней интенсивности при частоте переключения до 500 МГц показана в [1]. [48] ​​для нового цифрового преобразователя в свет.

Люминесцентные лампы — промышленный свет и мощность

Когда вы включаете лампу, ток проходит через электрическую цепь к электродам. На электродах имеется значительное напряжение, поэтому электроны будут мигрировать через газ от одного конца трубки к другому. Эта энергия превращает часть ртути в трубке из жидкости в газ.Когда электроны и заряженные атомы движутся по трубке, некоторые из них будут сталкиваться с газообразными атомами ртути. Эти столкновения возбуждают атомы, поднимая электроны на более высокие энергетические уровни. Когда электроны возвращаются на свой первоначальный энергетический уровень, они испускают световые фотоны.

Как мы видели в предыдущем разделе, длина волны фотона определяется особым расположением электронов в атоме. Электроны в атомах ртути устроены таким образом, что испускают в основном световые фотоны в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Наши глаза не воспринимают ультрафиолетовые фотоны, поэтому для освещения лампы этот вид света необходимо преобразовать в видимый свет.

Здесь в дело вступает люминофорное порошковое покрытие трубки. Люминофоры — это вещества, излучающие свет при воздействии света. Когда фотон попадает на атом люминофора, один из электронов люминофора перескакивает на более высокий энергетический уровень, и атом нагревается. Когда электрон возвращается к своему нормальному уровню, он высвобождает энергию в виде другого фотона.Этот фотон имеет меньше энергии, чем первоначальный фотон, потому что часть энергии была потеряна в виде тепла. В люминесцентной лампе излучаемый свет находится в видимом спектре — люминофор излучает белый свет, который мы видим. Производители могут варьировать цвет света, используя различные комбинации люминофоров.

Обычные лампы накаливания также излучают значительное количество ультрафиолетового света, но они не преобразуют его в видимый свет. Следовательно, много энергии, используемой для питания лампы накаливания, тратится впустую. Люминесцентная лампа заставляет этот невидимый свет работать, и поэтому она более эффективна. Лампы накаливания также теряют больше энергии за счет тепловыделения, чем люминесцентные лампы.

В целом обычная люминесцентная лампа в четыре-шесть раз эффективнее лампы накаливания. Однако люди обычно используют лампы накаливания дома, поскольку они излучают «более теплый» свет — свет с большим количеством красного и меньшим количеством синего.

Как мы видели, вся система люминесцентных ламп зависит от электрического тока, протекающего через газ в стеклянной трубке.

На сегодняшний день самой популярной конструкцией люминесцентных ламп является лампа быстрого включения. Эта конструкция работает по тому же основному принципу, что и традиционная пусковая лампа, но у нее нет пускового выключателя. Вместо этого балласт лампы постоянно пропускает ток через оба электрода. Этот поток тока сконфигурирован так, что между двумя электродами существует разница заряда, устанавливающая напряжение на трубке.

Люминесцентная лампа использует совершенно другой метод для получения света.На обоих концах люминесцентной трубки расположены электроды, а внутри трубки находится газ, содержащий аргон и пары ртути. Поток электронов течет через газ от одного электрода к другому (подобно потоку электронов в электронно-лучевой трубке). Эти электроны сталкиваются с атомами ртути и возбуждают их. Когда атомы ртути переходят из возбужденного состояния обратно в невозбужденное, они испускают ультрафиолетовые фотоны. Эти фотоны попадают на люминофор, покрывающий внутреннюю часть люминесцентной лампы, и этот люминофор создает видимый свет.Звучит сложно, так что давайте пройдемся еще раз в замедленной съемке:

— Между электродами на обоих концах люминесцентной лампы течет поток электронов.

— Электроны взаимодействуют с атомами паров ртути, плавающими внутри колбы.

-Атомы ртути возбуждаются, и когда они возвращаются в невозбужденное состояние, они испускают фотоны света в ультрафиолетовой области спектра.

-Эти ультрафиолетовые фотоны сталкиваются с люминофором, покрывающим внутреннюю часть колбы, и люминофор создает видимый свет.Люминофор флуоресцирует, излучая свет.

Люминесцентная лампа производит меньше тепла, поэтому она гораздо более эффективна, а люминесцентная лампа может производить от 50 до 100 люменов на ватт, что делает люминесцентные лампы в четыре-шесть раз более эффективными, чем лампы накаливания. Вот почему вы можете купить 15-ваттную люминесцентную лампу, которая дает такое же количество света, как 60-ваттная лампа накаливания.

**Эта технология выводится из эксплуатации в Соединенных Штатах, и в конечном итоге ее планируется полностью вывести в соответствии с Федеральным законом об энергетической независимости и безопасности от 2007 года.

3. Как работают люминесцентные лампы?

3.4. Физические характеристики ламп

Принцип работы

Люминесцентная лампа излучает свет от столкновений в горячем
газ («плазма») свободно ускоренного
электроны с атомами –
обычно ртуть – в
какие электроны поднимаются на более высокие энергетические уровни, а затем
отступать, излучая две линии УФ-излучения (254
нм и 185 нм). таким образом
создаваемое УФ-излучение затем преобразуется в
видимый свет от УФ
возбуждение флуоресцентного покрытия на стеклянной оболочке
фонарь. Химический состав этого покрытия подобран так, чтобы
излучать в желаемом спектре.

Строительство

Трубка люминесцентной лампы заполнена газом с низким содержанием
давление паров ртути и
инертные газы в сумме
давление около 0.3%
атмосферное давление. В
самая распространенная конструкция, пара излучателей накала, один
на каждом конце трубки, нагревается током и используется для
испускают электроны, которые
возбудить благородные газы и газообразную ртуть ударной ионизацией.
Эта ионизация может иметь место только в неповрежденных лампочках.Таким образом, неблагоприятные последствия для здоровья от этого процесса ионизации
невозможны. Кроме того, лампы часто оснащены двумя
оболочки, тем самым резко уменьшая количество УФ-излучения
излучаемый.

Электрические аспекты эксплуатации

Для запуска лампы и
поддерживать токи на адекватном уровне для постоянного освещения
эмиссия. В частности, схема подает высокое напряжение на
запускает лампу и регулирует ток, протекающий через трубку.
Возможен ряд различных конструкций. в
В простейшем случае используется только резистор, что относительно
энергоэффективность неэффективна. Для работы от
переменный ток (AC)
сетевому напряжению, использование индуктивного балласта является обычным явлением и было
известен отказом до окончания срока службы лампы, вызывающим
мерцание лампы.Различные схемы, разработанные для
начать и запустить
выставка люминесцентных ламп
различные свойства, т.е. эмиссия акустического шума (гула),
срок службы (лампы и балласта), энергоэффективность и
мерцание интенсивности света. Сегодня в основном улучшенная схема
используется, особенно с компактными люминесцентными лампами, где
схемотехника не может быть заменена перед люминесцентными лампами.Это уменьшило количество технических сбоев, вызывающих
эффекты, как перечисленные выше.

ЭДС

Часть
электромагнитный спектр
который включает в себя статические поля и поля до 300 ГГц, это то, что
здесь упоминается как
электромагнитные поля
(ЭМП). Литература о том, какие виды и какие силы ЭМП
которые излучаются КЛЛ
является редким. Тем не менее, существует несколько видов ЭМП, обнаруженных в
вблизи этих ламп. Как и другие устройства, которые зависят
на электричество для своих функций они излучают
электрические и
магнитные поля в
низкочастотный диапазон (т.
частота распределения 50 Гц и, возможно, также гармоники
из них, т.е.г. 150 Гц, 250 Гц и т. д. в Европе). Кроме того, КЛЛ,
в отличие от
лампы накаливания,
также излучают в высокочастотном диапазоне ЭМП (30-60 кГц).
Эти частоты отличаются
между разными типами ламп.

Мерцание

Все лампы будут изменять свою силу света в два раза больше, чем в сети.
(линейной) частоты, так как
мощность, подаваемая на лампу, достигает пика дважды за цикл при 100
Гц или 120 Гц.За
лампы накаливания это
мерцание уменьшается по сравнению с люминесцентными лампами за счет тепла
емкость нити. Если модуляция света
интенсивность достаточна для восприятия человеческим глазом, то
это определяется как мерцание. Модуляции на частоте 120 Гц не видно,
в большинстве случаев даже не на частоте 50 Гц (Seitz et al.2006).
Флюоресцентные лампы
в том числе КЛЛ, которые используют
Поэтому высокочастотные (кГц) электронные балласты называются
«без мерцания».

Однако как лампы накаливания (Чау-Шинг и Девани, 2004), так и
Флуоресцентные источники света без мерцания (Хазова и О’Хаган
2008) производят едва заметное остаточное мерцание.Дефектный
лампы или схемы могут в некоторых случаях привести к мерцанию при более низких
частоты либо только в
части лампы или во время пускового цикла продолжительностью несколько минут.

Световое излучение, УФ-излучение и синий свет

Имеются характерные различия между спектрами, излучаемыми
люминесцентными лампами и
лампы накаливания, потому что
разных принципов работы.Лампы накаливания
настроены на свою цветовую температуру специальными покрытиями
стекло и часто продаются либо по атрибуту «теплый», либо
«холодный» или, точнее, по их цветовой температуре для
профессиональное освещение (фотостудии,
магазины одежды и др. ). В случае с люминесцентными лампами
спектральное излучение зависит от люминофорного покрытия. Таким образом,
люминесцентные лампы могут быть обогащены синим светом (длина волны
400-500 нм), чтобы
лучше имитируют дневной свет по сравнению с лампами накаливания.
Как и люминесцентные лампы, компактные люминесцентные лампы излучают больше синего цвета.
светлее, чем лампы накаливания.Есть на международном уровне
признанные пределы воздействия радиации (200-3000 нм)
испускаемых лампами и светильниками, предназначенными для защиты от
фотобиологической опасности (Международный электротехнический
Комиссия 2006 г.). Эти пределы также включают излучение от
КЛЛ.

УФ-содержание испускаемого спектра зависит как от
люминофор и стеклянный колпак люминесцентной лампы.УФ
эмиссия
лампы накаливания это
ограничивается температурой нити и
впитывание стекла. Немного
КЛЛ с одной оболочкой излучают
УФ-В и следы УФ-С излучения на длине волны 254
нм, что не так
для ламп накаливания (Хазова и О’Хаган, 2008 г.).Экспериментальный
данные показывают, что КЛЛ производят больше
излучение UVA, чем
вольфрамовая лампа. Кроме того, количество
УФ-излучение, производимое
одноконвертных КЛЛ, с того же расстояния в 20 см, было примерно
в десять раз выше, чем при облучении вольфрамовой лампой
(Мозли и Фергюсон, 2008 г. ).

Canon : Технология Canon | Научная лаборатория Canon

Для этого сайта требуется браузер с поддержкой JavaScript.

Лампы накаливания и люминесцентные лампы

Мы не можем производить солнечный свет, но мы можем создавать аналогичное освещение. Примеры включают лампы накаливания и люминесцентные лампы.

То, что излучает свет, называется источником света.
Источники света можно разделить на естественные источники света, такие как солнце, звезды, молния и биолюминесценция, и искусственные источники света, включая лампы накаливания, флуоресцентные лампы и натриевые лампы.Их также можно разделить на категории по характеристикам интенсивности света, т. е. постоянные источники света, излучающие одинаковое количество света в течение фиксированного периода времени (например, солнце и лампы накаливания), и источники света, изменяющиеся во времени. Флуоресцентное освещение может казаться постоянным, но на самом деле оно меняется в зависимости от частоты источника питания. Человеческий глаз просто не способен обнаружить такие быстрые изменения.

Лампа накаливания светится из-за тепла

Лампы накаливания кажутся желтоватыми по сравнению с флуоресцентными лампами.Это потому, что лампы накаливания производят свет от тепла. В лампе накаливания нить нагревается. Нити сделаны из двойных катушек вольфрама, типа металла. Вольфрам имеет высокое электрическое сопротивление, поэтому он светится (накаливается) при протекании электрического тока. Электрический ток из-за высокого электрического сопротивления приводит к теплу из-за трения между материалом и электронами, протекающими через материал. Вольфрам используется для нитей накаливания ламп накаливания, потому что он чрезвычайно устойчив к плавлению при высоких температурах.Он также не горит, потому что в лампы накаливания впрыскивается газ для удаления всего кислорода.

Лампа накаливания была изобретена Томасом Эдисоном в 1879 году. В то время нити накаливания представляли собой карбонизированные волокна, полученные путем удушения определенного вида бамбука, выращенного в Киото, Япония, но в наши дни для производства лампочек используются различные материалы и методы. Существует много типов лампочек, каждая из которых имеет свое предназначение. Например, есть кварцевые колбы с частицами кварца, покрытые электростатически на их внутренней поверхности для значительного улучшения светопропускания и рассеивания, криптоновые колбы, в которые впрыскивается газ криптон (более высокий атомный вес, чем обычно используемый газ аргон) для увеличения яркости, и рефлекторные лампы, использующие сильно отражающий алюминий на их внутренней поверхности.

Люминесцентный свет сложнее, чем кажется

Люминесцентные лампы, распространенный вид освещения в офисах, имеют более сложный механизм излучения света, чем лампы накаливания. Ультрафиолетовые лучи, создаваемые люминесцентными лампами, преобразуются в видимый свет, который мы можем видеть. Важную роль здесь играют явления электрического разряда, «возбужденное состояние» и «основное состояние» электронов. Давайте начнем с рассмотрения базовой структуры люминесцентной лампы.Люминесцентные лампы представляют собой тонкие стеклянные трубки, покрытые люминесцентным веществом на внутренней поверхности.

Внутрь вводят пары ртути, к обоим концам прикрепляют электроды. Когда подается напряжение, в электродах протекает электрический ток, в результате чего нити на обоих концах нагреваются и начинают испускать электроны. Далее выключается небольшая газоразрядная лампа внутри люминесцентной лампы; Электроны испускаются электродом и начинают течь к положительному электроду.Именно эти электроны производят ультрафиолетовое излучение.

Столкновение электронов и атомов в люминесцентных лампах

Давайте подробнее рассмотрим механизм испускания ультрафиолетовых лучей флуоресцентным светом. Электроны, испускаемые электродом, сталкиваются с атомами ртути, составляющими пар внутри стеклянной трубки. Это приводит к тому, что атомы ртути переходят в возбужденное состояние, в котором электроны на самой внешней орбите атомов и молекул получают энергию, заставляя их переходить на более высокую орбиту.

Возбужденные атомы ртути постоянно пытаются вернуться в свое прежнее низкоэнергетическое состояние (основное состояние), потому что они настолько нестабильны. Когда это происходит, разница энергий между двумя орбитальными уровнями высвобождается в виде света в форме ультрафиолетовых волн. Однако, поскольку ультрафиолетовые лучи не видны человеческому глазу, внутренняя часть стеклянной трубки покрыта флуоресцентным материалом, преобразующим ультрафиолетовые лучи в видимый свет. Именно это покрытие заставляет люминесцентные лампы светиться белым светом.Люминесцентные лампы не всегда прямые. Они бывают и других форм, таких как кольца и лампочки. Некоторые типы люминесцентных ламп претерпели оригинальные модификации, такие как лампы, в которых используется металлическая линия на внешней поверхности трубки (тип быстрого пуска), что устраняет необходимость в газоразрядной лампе внутри.

Белые светодиоды, используемые в освещении

Светодиоды (светоизлучающие диоды), используемые в освещении, излучают белый свет, подобный солнечному. Белый свет создается, когда присутствуют три основных цвета света — RGB (красный, зеленый и синий). Сначала были только красные и зеленые светодиоды, но разработка синих светодиодов привела к разработке белых светодиодов для использования в освещении.
Есть два способа создания белых светодиодов. Первый — это «многочиповый метод», в котором объединены все три светодиода основного цвета, а второй — «одночиповый метод», в котором сочетаются люминофор и синий светодиод. Многочиповый метод с использованием трех цветов требует баланса между яркостью и цветом для реализации равномерного освещения и требует, чтобы каждый из трех цветных чипов был оснащен цепью питания.

Это послужило причиной разработки одночипового метода, который излучает почти белый (квазибелый) цвет с использованием одного синего светодиода и желтого люминофора. Это связано с тем, что синий свет и желтый свет, смешанные вместе, кажутся человеческому глазу почти белыми.
С использованием одночипового метода были разработаны белые светодиоды, в которых используется синий светодиод в сочетании с желтым + красным люминофором или зеленым + красным люминофором для достижения более естественного белого света на основе светодиодов. Кроме того, недавно были разработаны светодиоды, излучающие ближний ультрафиолетовый свет (светодиоды ближнего ультрафиолетового света: длина волны 380–420 нм), которые, будучи использованы в качестве источника возбуждающего света, позволили создать белые светодиоды, способные излучать весь видимый диапазон света.

Источники света имеют «цветовую температуру»

В нашей повседневной жизни мы часто замечаем, что цвет одежды, видимый при свете люминесцентных ламп в помещении, выглядит иначе при солнечном свете на улице, и что одна и та же пища кажется более аппетитной при свете ламп накаливания, чем при люминесцентном освещении. Вы когда-нибудь задумывались, что вызывает такие различия? Мы видим цвет объекта, когда свет падает на него и отражается обратно в наши глаза. Короче говоря, цвета, которые мы воспринимаем, изменяются в соответствии с длиной волны источника света, освещающего объекты, которые мы видим.Это приводит к вышеупомянутым различиям, которые мы видим в освещении одежды и пищи.

Различия в цвете представлены «цветовой температурой». Цветовая температура — это числовое значение, представляющее цветность, а не температуру источника света. Все объекты излучают свет при нагревании до чрезвычайно высокой температуры. Цветовая температура показывает, какой цвет мы увидели бы, если бы нагрели объект, который вообще не отражает свет, т. е. «черное тело», до определенной температуры.Единицей измерения, используемой в данном случае, является градус Кельвина. Низкотемпературные объекты кажутся красными, а при нагревании становятся синими.

Как видно из таблицы ниже, цветовая температура красноватых цветов низкая, а голубоватых — высокая. Цветовая температура используется для таких целей, как настройка цвета на мониторе компьютера.

Цветовая температура и источники света

Цветовая температура	Источник света
10 000	Чистое небо
9000	Туманное небо
8000
7000	Облачное небо
6000	Лампа-вспышка
4 500	Белая люминесцентная лампа
4000
3 500	Лампа накаливания 500 Вт
3000	Восход солнца, закат
2 500	Лампа накаливания 100 Вт
2000
1000	Свеча

Как получается белый свет с помощью светодиодов? | Системы светодиодного освещения | Освещение ответы

Как получается белый свет с помощью светодиодов? В настоящее время существует два подхода к созданию белого света. Белый свет смешанных цветов: один из подходов заключается в смешении света от нескольких цветных светодиодов (рис. 4) для создания спектрального распределения мощности, которое кажется белым. Точно так же в так называемых люминесцентных лампах с тремя люминофорами используются три люминофора, каждый из которых излучает относительно узкий спектр синего, зеленого или красного света при получении ультрафиолетового излучения от ртутной дуги в трубке лампы. Располагая красные, зеленые и синие светодиоды рядом друг с другом и правильно смешивая количество их выходного сигнала (Zhao et al.2002), полученный свет имеет белый цвет. Рис. 4. Спектральное распределение мощности нескольких типов светодиодов. Белый свет, преобразованный из люминофора. Другой подход к получению белого света заключается в использовании люминофоров вместе с коротковолновым светодиодом. Например, когда один люминофор, используемый в светодиодах, освещается синим светом, он излучает желтый свет, имеющий довольно широкое спектральное распределение мощности.При включении люминофора в корпус синего светодиода с пиковой длиной волны от 450 до 470 нанометров часть синего света будет преобразована люминофором в желтый свет. Оставшийся синий свет при смешивании с желтым светом дает белый свет. Разрабатываются новые люминофоры для улучшения цветопередачи, как показано на рис. 5. Рис. 5. Спектральное распределение мощности белых светодиодов на основе люминофора (слева) и белых светодиодов, использующих недавно разработанные люминофоры (справа) с повышенной выходной мощностью от 600 до 650 нанометров.

Линейный флуоресцентный | Типы лампочек

Какие они?

Линейная люминесцентная лампа или лампа относится к разряду газоразрядных ламп. Линейные люминесцентные лампы бывают разной длины, диаметра, мощности и цветовой температуры. Они известны высокой энергоэффективностью, длительным сроком службы и относительно низкой 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 создала прототип того, что стало известно сегодня как линейный флуоресцентный свет.

Современные линейные люминесцентные лампы стали коммерчески жизнеспособным решением для освещения в конце 1930-х годов, в 1938 году первые люминесцентные лампы были предложены для продажи населению.

Еще одна веха была пройдена в 1951 году; впервые в США люминесцентные лампы давали больше света, чем лампы накаливания.

Как они работают?

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

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

Люминофоры и инертные газы, такие как аргон, также содержатся внутри стеклянной оболочки. Атомы ртути излучают ультрафиолетовый (УФ) свет, который, в свою очередь, заставляет люминофоры в лампе флуоресцировать или светиться, излучая видимый свет.

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

Где они используются?

Линейные люминесцентные лампы являются одним из самых популярных осветительных решений в мире благодаря их высокой эффективности, низкой стоимости и широкому спектру применений, в которых они могут использоваться. Они являются основным источником света в большинстве коммерческих помещений, а также используются во многих домашних условиях. Их можно использовать в помещении и на улице, а с помощью подходящего дополнительного оборудования их также можно затемнять и использовать в экстремально холодных условиях, например, в морозильных камерах и наружных вывесках.