Как работают лампы в солярии? Принцип работы лампы низкого давления в цепи с электромагнитным балластом
В данной статье мы рассмотрим принцип работы трубчатых люминесцентных ультрафиолетовых ламп низкого давления и электромагнитных балластов. В частности, нас интересуют именно УФ лампы для соляриев, а их принцип работы абсолютно идентичен принципу работы обычных люминесцентных ламп для освещения помещений. Точнее, ультрафиолетовые лампы для соляриев являются люминесцентными и отличаются они от лампочек, которые располагались на потолках офисных помещений только типом цоколей, диаметром колбы, излучаемым спектром и мощностью. В данном случае, делаем акцент именно на УФ лампах для соляриев.
Люминесцентные лампы для освещения, бытового назначения, с 2018 года начали выводиться из оборота, а с января 2021 года их производство полностью прекратилось. Это связано с современными требованиями, касающимися экологии и безопасности, т.к. для ламп, содержащих ртуть, выработавших свой ресурс, требуется создать условия по переработке и нести расходы по утилизации. Бытовое освещение перешло на более экологичные, практичные и эффективные светодиодные светильники. А трубчатые люминесцентные лампы низкого давления и лампы высокого давления для соляриев не запрещены для производства и продажи, а наоборот, вместе с бактерицидными лампами продолжают производиться, сертифицироваться и импортироваться во многие страны, в том числе, и в Россию. Лампы высокого давления (ЛВД), требующие для использования специальные фильтры-стёкла, мы рассмотрим в другой раз, а в данной статье речь пойдёт только о лампах низкого давления.
Трубчатая лампа получила своё название из-за цилиндрической вытянутой формы, а низкое давление в лампе обусловлено тем, что сумма парциальных давлений газов, наполняющих колбу ниже нормального атмосферного давления, которое равно 740 мм ртутного столба или 101 325 Па.
Сама лампа состоит из стеклянной колбы и двух цоколей по краям, в которые вмонтированы электроды с нитями накала (спиралями). В колбу закачаны инертные газы - Ar (аргон) и, в некоторых лампах, Ne (неон) и добавлено небольшое количество ртути. На внутреннюю поверхность лампы тонким ровным слоем нанесён люминофор (специальная фосфорная смесь). Строение и принципы работы трубчатых ультрафиолетовых, коллагеновых, коллатановых ламп низкого давления, применяемых в соляриях, коллагенариях, коллариумах, во всём спектре мощностей, принципиально не отличаются, будь то тоненькая 30-ти сантиметровая лампа 15 Вт или двухметровая лампа, с высокой мощностью 230 Вт. Различия тут будут состоять, в первую очередь, в формуле люминофора и в составе стекла колбы.
Принцип работы УФ лампы
В схему питания лампы входят: источник питания, УФ лампа, стартер, дроссель (балласт) и компенсирующий конденсатор, подключенный параллельно сети, он компенсирует своей ёмкостью индуктивность дросселя и ток, потребляемый комплектом лампа-дроссель, снижается почти в 2 раза!
По своей сути, стартеры для УФ ламп это автоматические выключатели. Однако стартер отличается от сетевого выключателя тем, что он автоматически замыкает и размыкает цепь предварительного подогрева вольфрамовых нитей (спиралей) электродов люминесцентной лампы для ее зажигания. Стартеры бывают двух типов – простые и электронные. В данной статье рассматриваем работу только простых стартеров. Стартеры используются в комбинации с электромагнитными балластами (дросселями) для запуска (разжигания) ламп.
Электромагнитный балласт - это устройство, предназначенное для ограничения величины тока в электрической цепи, по сути это катушка из проволоки, намотанная на металлический сердечник, имеющая индуктивное сопротивление. Ультрафиолетовые лампы, как и все газоразрядные лампы, из-за их отрицательного дифференциального сопротивления (чем больший ток через неё проходит, тем меньше её сопротивление), не могут работать непосредственно с сетевым напряжением и нуждаются в соответствующих пускорегулирующих аппаратах, балластах, обеспечивающих активное или реактивное сопротивление, ограничивающих ток на приемлемом уровне. Различаются два типа балластов для соляриев: электромагнитный балласт (индуктивный, индукционный, а в быту - «простой» или «обычный» балласт) - ЭмПРА (Электромагнитный Пускорегулирующий Аппарат) и электронный балласт - ЭПРА (Электронный Пускорегулирующий Аппарат), у последнего совсем другой принцип работы, без стартеров. ЭПРА в этой статье мы рассматривать не будем.
Строение стартера
Стартер представляет собой герметично запаянные электроды с биметаллическим контактом, окружёнными стеклянной колбой, заполненной инертным газом неон, с установленным по соседству с этой колбой конденсатором, подключенным параллельно контактам стартера. Напряжение зажигания стартера должно быть ниже номинального напряжения питающей сети, но выше рабочего напряжения свечения УФ лампы. В нормальном состоянии биметаллический контакт разомкнут. При подключении схемы запуска к питающей сети, практически все её напряжение будет приложено к разомкнутым электродам стартера. Под действием этого напряжения в стартере происходит чуть заметный тлеющий разряд: инертный газ в колбе, при прохождении через него тока совсем небольшой величины начинает светиться, свет производит тепло, от этого тепла биметаллический контакт нагревается и выпрямляясь совмещается с другим электродом, замыкая цепь.
Теперь ток в цепи электродов лампы и стартера ограничивается только величиной напряжения в сети, внутренним сопротивлением дросселя и самих электродов лампы, в результате чего, ток, проходящий через спирали УФ лампы возрастает почти в 1,5-2 раза больше рабочей величины. При этом происходит прогрев катодов (предварительный разогрев спиралей) в УФ лампе и они начинают излучать электроны, а неон в стартере прекращает свечение, т.к. ток минуя газ, следует по биметаллическому контакту. Когда свечение гаснет, биметаллический контакт остывает, принимает прежнюю форму и размыкает цепь. Остывает биметалл довольно быстро, до 2-х секунд.
Так как дроссель обладает большой индуктивностью, то в момент размыкания электродов стартера в дросселе возникает большой импульс напряжения, примерно до 1кВ! (ЭДС самоиндукции дросселя складывается с напряжением сети). Это напряжение прикладывается к предварительно разогретым спиралям электродов лампы, что приводит к дуговому разряду в газовой среде и запуску лампы. Дуговой разряд является частным случаем четвёртой формы состояния вещества — плазмы. В процессе горения лампы ионизированная плазма бомбардирует фотонами слой люминофора в лампе.
Если лампе не удаётся зажечься с этим коротким, но амплитудным импульсом напряжения, то весь процесс повторяется до тех пор, пока спирали катодов не прогреются более, чем до 900 °С и пока не произойдёт успешный запуск лампы (напряжение зажигания лампы станет меньше, чем импульс напряжения, возникающий при размыкании электродов стартера). Из-за конструктивной простоты и дешевизны, стартер имеет определённый разброс характеристик, это играет свою роль. Вследствие отклонений во взаимосвязанных между собой характеристиках ламп и стартеров, лампы в солярии мигают и моргают во время запуска по несколько раз.
Запуск лампы
При дуговом разряде в лампе, предварительно разогретые катоды эмиттируют (излучают) электроны из оксидной смеси на спиралях. Эти электроны ионизируют атомы смеси инертных газов (Ne и Ar), а затем, после нагрева лампы и испарения ртути, ионизируют пары ртути до образования плазмы. Образовавшаяся плазма излучает фотоны (кванты электромагнитного излучения) с длинами волн, расположенными преимущественно в коротковолновом ультрафиолетовом участке спектра и совсем небольшое количество в видимом спектре света. В процессе горения, напряжение на лампе и стартере одинаковое (они подключены параллельно), оно составляет около половины сетевого за счёт падения напряжения на дросселе, что устраняет повторное срабатывание стартера, т.к. этого напряжения не достаточно для запуска тлеющего разряда инертного газа в стартере.
Через некоторое время, после испарения всей ртути лампа выходит на свой рабочий режим, обычно этот процесс занимает от 1-ой до 4-х минут, в зависимости от многих внешних и внутренних параметров, например от: величины напряжения в сети, температуры в газовой среде лампы, температуры окружающей среды и т.д. В частности, лампы могут быстрее выйти на свой рабочий режим, если будут расположены горизонтально (обеспечивая более равномерный прогрев по всей длине), ближе друг к другу и если вентиляция в солярии включится не сразу, а через некоторое время, как например, в соляриях MegaSun. Но, сразу после прогрева лампы встаёт вопрос о её грамотном охлаждении, ведь лампы в солярии будут иметь оптимальные условия для работы при нагреве в диапазоне температуры 32-43 °С, принято считать оптимальной температуру в 40 °С. Из-за большой зависимости параметров ртути от температуры, при превышении оптимального температурного диапазона, наблюдается снижение эффективности излучения УФ ламп, а при её падении ниже, будет происходить ещё большая потеря эффективности, вплоть до невозможности запуска лампы. С учётом оптимальных температурных условий работы ламп, была определена зависимость мощности лампы от диаметра и длины колбы. При величине тока в 1,5-1,6 А, что соответствует рабочим показателям лампы мощностью в 160-200 Вт, с диаметром колбы в 38 мм (стандартный диаметр ламп низкого давления с мощностью 80-230 Вт), средняя температура нагрева колбы лампы составит около 60 градусов. Оптимально, в процессе работы, эту колбу охладить на 20 градусов. Но, пространство вокруг лампы в современном солярии нагревается ещё за счёт соседних ламп и балластов, поэтому температура будет ещё расти и потребуются дополнительные усилия системы охлаждения. Оптимальный выход резонансного излучения зависит от давления паров ртути, которое определяется температурой наиболее холодной части колбы. Температура концов колбы, в которых расположены катоды, довольно высокая, так как температура термоэлектронной эмиссии оксидного катода превышает 900°С. Наиболее холодной является середина колбы и максимальный поток излучения ультрафиолета будет наблюдаться именно в этой области. В лампе с увеличенным сроком службы используется "длинный катод" (термин, употребляемый именно в России), т.е. с удлинённой зоной охлаждения, расположенной между спиралью и ближайшим к ней цоколем лампы (более длинные электроды, соединённые спиралью), в этой зоне не происходит ионизация газов. Это позволяет спиралям выдерживать тяжёлые температурные условия, уменьшить расход оксидного слоя и увеличить срок службы. Тем не менее, повышенная температура, при которой приходится работать многим соляриям с их несовершенными системами охлаждения и непродуманными системами вентиляции помещений играют критическую роль и обуславливают снижение фактического срока службы ламп.
Что происходит в лампе, когда она выходит на рабочий режим?
Электроны эмиттируемые оксидным слоем спиралей лампы бомбардируют атомы ртути. Они выбивают электроны с энергетических орбит атома ртути на более высокую орбиту (на более высокий энергетический уровень), в этом возбуждённом состоянии, атом ртути находится довольно короткий промежуток времени. После чего электрон возвращается на прежний низкий энергетический уровень и атом снова переходит в основное состояние. Если между низшим энергетическим уровнем и тем уровнем, на котором находится электрон, имеются промежуточные уровни, то указанный переход может совершаться в несколько этапов. Во время этого процесса, атом ртути, испускает квант электромагнитного излучения (фотон) с энергией, равной разнице между энергией возбуждённого атома и энергией конечного состояния атома. Эта энергия, поглощаемая специальным флуоресцентным внутренним покрытием лампы - люминофором, возбуждает его, и люминофор начинает испускать фотоны с другой длиной волны.
Люминофор является соединением фосфорных солей металлов и редкоземельных элементов. Примерно от 3 до 5 различных химических веществ, как правило, используется в смеси люминофора, сами компоненты и их пропорции держатся в строжайшем секрете производителями ламп. Формула люминофора подбирается таким образом, чтобы излучаемые им фотоны, проходя через люминофор и стекло лампы, имели требуемые спектральные характеристики, т.е. в нужных пропорциях UVA, UVB. Часть коротковолнового излучения UVC, при прохождении через люминофор, преобразуется в видимый свет. Интересный факт - с помощью люминофора можно преобразовать ультрафиолет в видимый свет, а противоположный процесс невозможен! В отличие от ламп высокого давления, стекло, которое используется в лампах низкого давления для соляриев, отфильтровывает всё вредное излучение UVC! Поэтому, клиент в солярии всегда получает дозированную дозу ультрафиолета только в спектрах UVA и UVB.
Цветовая палитра ламп в солярии
Изменяя состав люминофора можно менять цвет ламп в соляриях. И производители, а точнее, маркетинговые отделы фирм производителей ламп, придумали интересное решение, решили выпустить лампы не с одним люминофором, а с двумя или тремя, имеющими пиковые характеристики излучения в сине-голубой, зеленоватой и красновато-розовой областях видимого диапазона (соответственно, 450, 540 и 610 нм). Таким образом, на свет появились нестандартные "цветные" серии ламп для соляриев, выпускаемые, в основном, только заводами Cosmedico, LightTech и Sylvania. Это одноцветные Green и Blue (зелёные и синие), двухцветные DUO и Combi (одна треть лампы розового цвета), Trisun (верхняя и нижняя треть розовые) и трёхцветные TRIO (по одной трети: розовая, синяя, зелёная). Но эти люминофоры довольно дорого обходятся в производстве, потому что в них используются соединения редкоземельных частей - европия, церия и тербия. Поэтому лампы этих серий всегда дороже стандартных серий. Кроме цвета, особенными качествами эти лампы не отличаются, скорее даже наоборот, по характеристикам, в большинстве случаев, они уступают более дешёвым стандартным одноцветным лампам.
Встроенные рефлекторы в лампах
По сравнению со стандартными лампами, сейчас пользуются гораздо большей популярностью лампы с отражателями, встроенными внутри - рефлекторами. Это достигается путем нанесения на чистое стекло, перед использованием любого люминофора, белого непрозрачного химического состава, с высокими отражательными характеристиками. Это делается только на определенный процент от лампы, обычно на 210 градусов. После этого рефлекторное покрытие сушат или дополнительно обрабатывают, чтобы гарантировать, что оно будет хорошо держаться на поверхности стекла (даже после продолжительного теплового воздействия). Далее, на внутреннюю часть лампы, с нанесённым рефлектором, наносится смесь люминофора, как обычно. Как правило, рефлекторные лампы создают более эффективное и направленное излучение ультрафиолета в солярии, чем безрефлекторные. Однако есть солярии с небольшим количеством ламп, в которых применяются специальные отражающие элементы в самих соляриях. В таких аппаратах более эффективными себя показывают лампы без нанесённых на внутреннюю поверхность колбы рефлекторов (например, МИРО, SunVision V230, SunBreeze De Luxe и др.).
Оксидное покрытие спиралей ламп
Катод изготовляется из вольфрамовой нити, свернутой в небольшую спираль. Спирали покрываются специальной пастой, богатой редкоземельными солями щёлочноземельных металлов: карбонатами бария, стронция или кальция. На одном из заключительных этапов производства ламп, предусмотрен обжиг катодов, чтобы преобразовать соли в оксиды, этот эмиттирующий состав будет обладать низкой работой выхода. Через катоды на заданный промежуток времени, пропускают ток, определённой величины, при этом катоды разогреваются в течение фиксированного времени, рассчитанного для завершения преобразования катодных материалов в эффективные эмиттеры (излучатели). Затем, лампу заставляют зажигаться и гаснуть неоднократно, чтобы завершить обработку и увеличить качество выпускаемого товара, отбраковывая неудачные экземпляры.
В дальнейшем, при работе лампы, при нагревании в достаточной степени, оксиды на спиралях катодов будут свободно излучать потоки электронов. Этот эффект называется термоэлектронной эмиссией, величина которой, зависит от температуры, материала и формы поверхности катода. Оксидное покрытие катода, увеличивает способность излучения электронов и облегчает зажигание лампы при более низком напряжении.
Для чего лампы в солярии наполняются ртутью и инертными газами?
В процессе производства в трубку ультрафиолетовой лампы, после полной откачки воздуха добавляются небольшое количество ртути (буквально, одна капля) и инертный газ с парциальным давлением в несколько сотен паскалей, в лампах для соляриев используют главным образом газ аргон или смесь, состоящую преимущественно из аргона (Ar) и гораздо меньшего количества неона (Ne). При запуске лампы, под действием теплоты, капля ртути испаряется и создает в лампе ртутные пары необходимой плотности. Так как они ионизируются значительно легче паров аргона, то в дальнейшем разряд происходит в основном уже не в аргоне, а в ртутных парах. Оптимальное давление паров ртути, возникающее при температуре колбы лампы в 40 °С, определяет снижение напряжения зажигания разряда, а также обеспечивает максимальный выход ультрафиолетового излучения резонансных линий ртути с пиковыми длинами волн: 254, 185 и 65 нм, расположенных в основном, в спектре UVC. Добавка инертных газов к парам ртути облегчает зажигание разряда (электропроводность этих газов превосходит другие газы, иногда значительно), снижает распыление оксидного покрытия катода, увеличивает градиент электрического потенциала столба разряда и повышает выход излучения резонансных линий ртути (т.е. увеличивает эффективность лампы).
Интересный факт
В сети переменного тока, на проводе N напряжение равно нулю, относительно него, в другом проводе L значение напряжения постоянно меняет свою полярность, оно то положительное (+220В), то отрицательное (-220В). Вследствие этого лампа в солярии 100 раз в секунду зажигается и гаснет, так как при частоте в сети переменного тока 50 Гц ток 100 раз в секунду меняет направление, проходя через ноль. Мы наблюдаем этот эффект в виде очень частого мерцания УФ лампы.
