Skuteczność świetlna lamp fluoroscencyjnych zasilanych prądem o różnej częstotliwości.pdf

PRZEGL

Skuteczność świetlna lamp fluorescencyjnych

zasilanych prądem o różnej częstotliwości

Antoni Różowicz

Obecnie częściej niż kiedykolwiek dotąd spotykamy się

z coraz nowszymi rozwiązaniami urządzeń oświetlenio-

wych. Skupiając się na lampach fluorescencyjnych, zmie-

niają się one zarówno w rozwiązaniach technologicznych

samej świetlówki (lampy fluorescencyjnej), jak i zasila-

czy (układów stabilizacyjno-zapłonowych). Przyczyną

tak dużej ilości zmian konstrukcyjno-technologicznych

tych lamp były i są wymagania rynku, a efektem tych

zmian są układy bardziej energooszczędne, technologicz-

nie bardziej zaawansowane (zasilacze wysokiej częstot-

liwości, mniejsze gabaryty itd.) i niezawodne w okresie

eksploatacji.

100

Rys. 1.

Wartość strumienia świetlnego

lampy fluorescencyjnej

w zależności od temperatury T

i ciśnienia p

40'

T[°q

p[Pa]

0,1

Ciśnienie par rtęci określa temperatura najzimniejszego punktu na

ściance rury (rys. 1). Jeśli temperatura w rurze jest wyższa i rośnie,

to rtęć może parować. Jeśli nie - rtęć osadza się w najzimniejszym

punkcie.

Prawdopodobieństwo wzbudzenia atomu rtęci przez elektron swo-

bodny, jeśli temperatura i ciśnienie par rtęci są małe, jest także

niewielkie. Wyższa temperatura powoduje wyższe ciśnienie par

rtęci, więcej atomów zostaje wzbudzonych, a dwie linie rezonan-

sowe UV stają się wyraźniejsze. Jednak powyżej pewnej wartości

ciśnienia par rtęci, intensywność linii rezonansowych spada,

w związku ze znacznym wzrostem samoabsorpcji promieniowania

rezonansowego. Istnieje zatem dla maksymalnej intensywności

dwóch linii rezonansowych UV optymalna wartość ciśnienia par

rtęci. Wynosi ona 0,8 Pa, zostaje osiągnięta w temperaturze 40°C,

jeśli temperatura otoczenia wynosi około 20-25°C. Przy tej

wartości ciśnienia strumień świetlny osiąga maksimum (rys. 1).

Ciepło generowane przez wyładowanie wystarcza do osiągnięcia

wymaganej temperatury 40°C. Temperatura poniżej wartości op-

tymalnej jest zbyt mała dla wystarczającego wzbudzenia, powyżej

- wzrasta efekt samoabsorpcji. Ze względu na fakt, że temperatura

najzimniejszego punktu określa ciśnienie par rtęci, także tem-

peratura otoczenia wpływa na wartość tego ciśnienia.

Zmiany temperatury otoczenia powodują zmianę temperatury

najzimniejszego punktu. Dlatego też, jeśli temperatura otoczenia

wzrasta powyżej lub maleje poniżej optymalnej, strumień świetlny

lampy fluorescencyjnej maleje.

Warunki temperaturowe w lampach fluorescencyjnych mają zasad-

nicze znaczenie dla ciśnienia par rtęci, zatem i dla wyjściowego

promieniowania UV. Zależą one nie tylko od temperatury otocze-

nia, ale także od energii wejściowej, która rośnie prawie proporc-

jonalnie do prądu lampy.

Razem z energią rośnie także temperatura ścianki rury (rys. 2).

W wyniku tego poziom światła wyjściowego spada, jeśli tylko

przekroczona zostaje temperatura optymalna. Wyższa wartość

prądu lampy oznacza większą gęstość prądu, a zatem większe

prawdopodobieństwo kumulacyjnego wzbudzenia atomów rtęci, co

powoduje wyższe wzbudzone poziomy energii, kosztem poziomów

rezonansowych.

Układy energooszczędne to takie układy, z których przy okreś-

lonym poborze mocy elektrycznej uzyskuje się znacznie większą

moc świetlną. Inaczej mówiąc - zwiększa się skuteczność świetlna

układu lampy.

O wartości skuteczności świetlnej lamp fluorescencyjnych decydu-

je promieniowanie wyjściowe UV oraz jego konwersja na promie-

niowanie widzialne. W artykule przedstawiono analizę wpływu

właściwości fizyczno-chemicznych stosowanych luminoforów

oraz innych czynników na wielkość strumienia świetlnego.

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE

NA WARTOŚĆ PROMIENIOWANIA WYJŚCIOWEGO UV

Skuteczność świetlna lamp fluorescencyjnych r\, będąca miarą

sprawności przemiany materii, jest definiowana jako stosunek

wytworzonego strumienia świetlnego (P do mocy elektrycznej

P pobieranej przez źródło

»/=- [Im/W]

O wartości skuteczności świetlnej niskociśnieniowych rtęciowych

lamp wyładowczych (lamp fluorescencyjnych) decyduje promie-

niowanie wyjściowe UV oraz jego konwersja na promieniowanie

widzialne. Na wielkość promieniowania wyjściowego mają wpływ

zarówno czynniki zewnętrzne, zależne od użytkownika (tem-

peratura otoczenia, gęstość prądu w obwodzie lampy), jak i czyn-

niki techniczno-technologiczne (ciśnienie gazu pomocniczego,

wymiary rury wyładowczej). Zmiana temperatury otoczenia czy też

wartości prądu w obwodzie lampy w stosunku do wielkości

optymalnych prowadzi do zmiany ciśnienia par rtęci w lampie,

a w konsekwencji do zmiany intensywności linii rezonansowych.

Dr inż. Antoni Różowicz - Politechnika Świętokrzyska w Kielcach,

członek SEP

WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE • ROK LXXII • 2004 nr 11

PRZEGLĄDY - POGLĄDY

Luminofor

płynny

~ rura lampy

^ wypływ luminoforu

— pokrycie luminoforem

Rys. 2. Temperatura ścianki T v

w zależności od prądu lampy /„

w lampach fluorescencyjnych

(wymiary lampy pozostają niezmienione)

ziarna luminoforu

0 polimery

tu— czynnik wiążący

Rys. 3.

Kryształy luminoforu warstwy proszku fluorescencyjnego: a) nakładanie luminoforu, b) widok nałożonych luminoforów

Absorpcja własna promieniowania rezonansowego przez pary rtęci

wzrasta przy wyższej gęstości prądu. Oba efekty zmniejszają

intensywność linii rezonansowych. Różne intensywności linii

rezonansowych to również różne wartości strumienia wyjściowego.

WŁAŚCIWOŚCI LUMINOFORÓW

Rys. 4.

Wpływ grubości luminoforu

na wartość strumienia świetlnego

Użyte w lampach proszki fluorescencyjne powinny spełniać kilka

wymagań, przede wszystkim absorbować promieniowanie UV

pochodzące z niskociśnieniowego wyładowania rtęci oraz emito-

wać promieniowanie głównie w widzialnej części widma. W przy-

padku lamp trójpasmowych o wskaźniku oddawania barw R a > 80

(klasa Ib) najczęściej stosuje się luminofory z grupy glinianów:

glinian magnezowo-cerowy aktywowany terbem (luminofor barwy

zielonej - X G ), glinian barowo-magnezowy aktywowany euro-

penem (luminofor barwy niebieskiej - X B ) i tlenek itru aktywowany

europenem (luminofor barwy czerwonej - Xg). W zależności od

procentowego udziału użytych luminoforów w proszku fluorescen-

cyjnym uzyskuje się różne temperatury barwowe.

Zwiększanie grubości warstwy luminoforu powoduje zwiększanie

absorpcji światła przez warstwę kryształów luminoforu, w efekcie

zmniejsza się ilość światła wychodzącego. Natomiast w przypadku

cieńszych powłok (10 firn), część promieniowania UV przedostaje

się między kryształami do ścianki szkła, bez szansy na absorpcję

przez kryształy luminoforu i konwersji na światło. Uzyskanie

największej wartości strumienia świetlnego jest możliwe przy

grubości warstwy proszku fluorescencyjnego wynoszącego od

trzech do czterech drobin. Rozkład taki osiąga się, stosując średnio

3,5 g luminoforów na lampę [6].

Jak podają autorzy [3, 5], czynnikiem, który także wpływa na

wartość strumienia świetlnego lampy, jest rozmiar cząstek krysz-

tałów i ich rozkład - zbyt małe kryształy nie są odpowiednie dla

skutecznej przemiany promieniowania UV na widzialne. Odbicia

fal od małych cząstek są znacznie większe niż od kryształów

o większych rozmiarach, dlatego winno się dążyć do usunięcia

najmniejszych kryształów.

Grubość warstwy kryształów luminoforu, wymiary ich cząstek oraz

rozkład mają istotne znaczenie dla kształtowania się parametrów

świetlnych lamp. Aby ocenić wpływ właściwości luminoforu na

kształtowanie się skuteczności świetlnej lamp o różnych tem-

peraturach barwowych, przeprowadzono badania morfologiczne

proszków fluorescencyjnych stosowanych w badanych lampach.

W badaniach zastosowano metodę skaningu elektronowego. Przy-

kładowe wyniki badań przedstawiono w tabeli.

Rozkład zmienności granulacji drobin luminoforu jest funkcją

procentowego udziału luminoforów: niebieskiego, zielonego i cze-

rwonego w proszku fluorescencyjnym (luminoforze). Wymiary

cząstek luminoforu w lampach o wyższych temperaturach bar-

wowych są większe niż w lampach o niższych temperaturach

barwowych. Występujące różnice w granulacji luminoforów wpły-

wają na skuteczność świetlną.

Niezależnie od konieczności poprawnej kompozycji proszku fluo-

rescencyjnego istnieje kilka innych warunków, jakie muszą speł-

niać luminofory. Są one zbudowane z kryształów, które pokrywają

wnętrze ścianki rury wyładowczej w formie zawiesiny.

Warstwa luminoforu w lampie najczęściej nakładana jest metodą

mokrą, na bazie wody lub rozpuszczalnika. Zawiesina jest stabili-

zowana przez dodanie spoiwa - są to głównie polimery. Procesy

suszenia oraz spiekania pozwalają usunąć ciekłe cząsteczki zawie-

siny. Sposób nakładania luminoforów oraz układ cząstek luminofo-

ru po nałożeniu przedstawiono na rysunku 3.

Grubość warstwy proszku fluorescencyjnego także ma wpływ na

wartość strumienia świetlnego [3,6]. W celu ustalenia tego wpływu

przeprowadzono badania lamp, w których grubość powłoki lumino-

foru wynosiła: O, 10, 20, 40 i 60 jan.

Grubość warstwy luminoforu dobrano na podstawie przeprowadzo-

nych badań morfologicznych powłok luminoforu. Przyjęto optymalną

grubość powłoki luminoforowej w lampie jako 20 ^m. Wyniki badań

przedstawiono na rysunku 4. Przedstawione dane wskazują jedno-

znacznie, że zmiana grubości warstwy luminoforu w lampach

w istotny sposób wpływa na wartość strumienia świetlnego.

WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE • ROK LXXII • 2004 nr 11

Granulacje luminoforu stosowanego w lampach fluorescencyjnych o różnych

temperaturach barwowych

T c

[K]

Średnica drobin [jaa]

Grubość powłoki

[im]

0,1

0,46

0,42

0,39

412,5

0,33

0,36

0,39

>12,5

0,11

0,12

3000

4000

6000

17-22

16,5-21

16-22

~230V

50Hz

Różne skuteczności świetlne lamp dla różnych temperatur bar-

wowych w danej klasie są wynikiem m.in. zmienności granulacji

luminoforu. Luminofory o większej granulacji cechują się większą

samoabsorpcją, a więc mniejszą skutecznością świetlną.

Rys. 5. Układ pomiarowy strumienia świetlnego lamp fluorescencyjnych zasilanych

prądem o różnej częstotliwości

Tr - transformator podgrzewania elektrod lampy, LF - lampa, G - generator typ G 430,

WM- wzmacniacz mocy, L - indukcyjność regulowana, R - rezystor bezindukcyjny,

O - oscyloskop Hewlett Packard typ HP 54602A, Sp - sonda pomiarowa Tektronk typ

A 6302, W 2 - wzmacniacz Tektronix typ AM 503S, S ~ miernik L50, D - głowica

L5010/96

ZASILANIE LAMP WYŻSZĄ CZĘSTOTLIWOŚCIĄ

Badania wpływu zmian częstotliwości prądu w obwodzie lampy na

wartość strumienia świetlnego lamp fluorescencyjnych przeprowa-

dzono w układzie pomiarowym jak na rys. 5. Pomiary wykonano

z zachowaniem optymalnych parametrów temperatury otoczenia

i prądu obwodu lampy.

Wyniki przeprowadzonych badań skuteczności świetlnej lamp

fluorescencyjnych, w zależności od zmian częstotliwości prądu

w obwodzie lampy w zakresie od 50 Hz do 70 kHz, przedstawiono

na rysunku 6.

Praca lamp zasilanych prądem o podwyższonej częstotliwości dość

znacznie różni się od pracy lamp zasilanych prądem o częstotliwo-

ści 50 Hz. Różnica ta wynika z faktu, iż przy wzroście częstotliwo-

ści prądu w obwodzie lampy skraca się czas dejonizacji plazmy

wyładowania, a więc zwiększa się gęstość elektronów - w konsek-

wencji zmniejszają się modulacje charakterystyk wyładowania [1].

Charakterystyki dynamiczne lamp dla wybranych częstotliwości

prądu w obwodzie lampy przedstawiono na rysunku 7.

Zawężanie się pętli charakterystyki prądowo-napięciowej (rys. 7),

co szczególnie jest widoczne dla częstotliwości prądu w obwodzie

lampy większej od l kHz, świadczy że wyładowanie w lampie dąży

do równowagi dynamicznej. Oznacza to, iż przy wzroście częstot-

liwości prądu w obwodzie lampy proces ponownego zapłonu lampy

trwa coraz krócej. Krótszy czas ponownego zapłonu lampy prowa-

dzi do zmniejszenia, a następnie zaników pików zapłonowych

w krzywej napięcia lampy (rys. 8).

Rys. 6. Skuteczność świetlna lamp fluorescencyjnych klasy Ib, zasilanych prądem

o częstotliwości od 50 Hz do 70 kHz

/ - częstotliwość prądu w obwodzie lampy, J/SOHZ - skuteczność świetlna lampy

zasilanej prądem o częstotliwości 50 Hz, t] f - skuteczność świetlna lampy zasilanej

częstotliwością/

Rys. 7. *•

Charakterystyki dynamiczne lamp zasilanych prądem o różnych częstotliwościach

Rys. 8. Przebiegi czasowe prądu i napięcia lampy zasilanej prądem o różnych częstotliwościach

WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE • ROK LXXII • 2004 nr 11

PRZEGLĄDY - POGLĄDY

To z kolei jest przyczyną wzrostu generacji promieniowania

rezonansowego w wyładowaniu w parach rtęci (rys. 9).

Niewielki wzrost promieniowania rezonansowego w zakresie

zmian częstotliwości prądu w obwodzie lamp do l kHz jest

wynikiem zmniejszania się strat przyelektrodowych. Powyżej

częstotliwości l kHz straty przyelektrodowe są praktycznie stałe,

nieco wyższe niż przy prądzie stałym [2, 4].

W wyniku oddziaływania wyładowania o wyższej wartości na

proszek fluorescencyjny, zwiększa się także natężenie promienio-

wania, a więc i strumień świetlny lampy. Natomiast występujące

różnice skuteczności świetlnej lamp o różnych temperaturach

barwowych dla wyższych częstotliwości prądu obwodu lampy

wynikają z różnej skuteczności świetlnej stosowanych luminofo-

rów [5].

Rys. 9. Zależność

luminancji energetycznej L e l

wyładowania niskiego ciśnienia

linii widmowych 253,7 i 184,9 nm

od częstotliwości prądu /

f [kHz]

Przy wzroście częstotliwości prądu w obwodzie lampy wzrost

skuteczności świetlnej lamp (niezależnie od temperatury bar-

wowej) występuje w zakresie zmian częstotliwości prądu w ob-

wodzie lampy od 50 Hz do 25 kHz. Powyżej 25 kHz obserwuje się

także niewielki wzrost (od l do 2,5% w zakresie zmian częstotliwo-

ści od 25 do 70 kHz).

LITERATURA

[1] GABRYJELSKI Z., KOWALSKI Z.: Sieci i urządzenia oświetleniowe. Politech-

nika Łódzka, Łódź 1997

[2] GODLEWSKI J.: Generacja i detekcja promieniowania optycznego. PWN,

Warszawa 1997

[3] MAYER Ch., NTENHUIS H.: Discharge lamps. Philips Technical Library, 1988

[4] OHONSKAJA E. V.: Effektivnost luminescentnych lamp pri wysokoczastotnom

pitanii. Sovetotechnika 1987 nr 2

[5] ROŻOWICZ A.: Materiały fluorescencyjne stosowane w niskoprężnych lampach

wyładowczych i ich wpływ na tętnienie światła. Przegląd Elektrotechniczny 2004

nr 5

[6] SMETS B. M. J.: The phosphors of the three-line concept in one-concept lamps.

Mater. Chem. And Phys. 1987 nr 16

[7] SOULES T. F., HAMMER E. E„ SOMMEER T. J.: Optimized phosphor systems

and spectra for fluorescent lamps. International Symposium on the Physics and

Chemistry of Luminescent Materials. 198 l h Meeting - Phoenix. Arizona, October

2000

PODSUMOWANIE

Na podstawie analizy wyników przeprowadzonych badań skutecz-

ności świetlnej lamp fluorescencyjnych zasilanych prądem o częs-

totliwości 50 Hz można stwierdzić, że:

- skuteczność świetlna lamp zależy od temperatury barwowej

lampy,

- różnice wartości skuteczności świetlnej lamp o różnych tem-

peraturach barwowych wynikają z granulacji i zdolności absorpcyj-

nych i emisyjnych luminoforów (czerwonego, niebieskiego i zielo-

nego) oraz ich mieszaniny,

- grubość warstwy luminoforu w istotny sposób wpływa na

wielkość strumienia świetlnego lampy.

Z ŻYCIA STOWARZYSZENIA

ELEKTRYKÓW

POLSKICH

Z działalności

Sekcji Instalacji i Urządzeń Elektrycznych SEP

pie". W wyniku obrad i dyskusji uchwalono szereg postulatów,

m.in. opracowania i przyjęcia modelu organizacyjnego polskiej

energetyki, nowelizacji polityki energetycznej Polski, podjęcia

działań prowadzących do poprawy bezpieczeństwa użytkowników

energii elektrycznej, wdrożenie systemu informacji o produktach

opartego na ocenie niezależnych instytucji, szersze wykorzystanie

cyfrowych technik komunikacyjnych, upowszechnienie nowoczes-

nych systemów edukacji.

• Centralne Kolegium Sekcji opracowało opinię do nowelizacji

projektu rozporządzenia ministra infrastruktury w sprawie samo-

dzielnych funkcji technicznych w budownictwie. Opinia zawiera

szereg krytycznych uwag, merytorycznie uzasadnionych, i ma

służyć do wystąpienia SEP w tej sprawie do Ministerstwa.

• 14 września przebywała w Polsce delegacja elektryków japońs-

kich reprezentujących środowiska naukowe, stowarzyszeniowe

i gospodarcze. Spotkanie odbyło się w PKN. Gości japońskich

interesowały, oprócz wybranych spraw technicznych, sprawy

normalizacyjne, przede wszystkim system wprowadzania norm

międzynarodowych CENELEC i zakres współpracy z tą instytucją

oraz sprawy związane z uprawnieniami dotyczącymi projektowa-

nia, kierowania budową i nadzoru eksploatacji.

Andrzej Boczkowski

• Straciliśmy wybitnych specjalistów i szanowanych kolegów:

15 czerwca 2004 r. zmarł koi. mgr inż. Stanisław Kozłowski,

wieloletni członek Centralnego Kolegium naszej sekcji, były

kierownik pracowni w Centralnym Ośrodku Badawczo-Projek-

towym Budownictwa Ogólnego,

8 lipca 2004 r. zmarł koi. mgr inż. Stefan Skorupski, członek

Centralnego Kolegium naszej sekcji, były kierownik pracowni

w Biurze Projektów, członek Komitetu Technicznego 55 PKN.

• 14 czerwca 2004 r. odbyło się zebranie Centralnego Kolegium

Sekcji, na którym koi. A. Wolski omówił zatwierdzone nowe

normy dotyczące instalacji elektrycznych oraz zreferował nowo

wprowadzane terminologie z zakresu instalacji.

• Koi. K. Cedro z firmy Spinpol przedstawił propozycje roz-

wiązań urządzeń piorunochronnych i odpowiedniego sprzętu pro-

dukowanego i dostarczanego przez tę firmę.

• W ramach obchodów Międzynarodowego Dnia Elektryki 21

czerwca odbyła się sesja „Polska elektryka w zjednoczonej Euro-

WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE • ROK LXXII • 2004 nr 11

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: