Принцип работы люминесцентной лампы: схемы подключения и их особенности

Несмотря на распространение сберегающих и светодиодных источников, люминесцентные лампы продолжают оставаться популярным способом освещения. И, хотя принцип работы люминесцентной лампы и ее конструкция мало изменились с момента ее появления, схемы подключения периодически дорабатываются. Вспоминаем, как устроена лампа дневного света (ЛДС), разбираемся, как работает схема подключения, какой она бывает, и какую роль выполняет дроссель.

Устройство ЛДС

Прототип современных люминесцентных светильников был продемонстрирован публике в далеком 1938 году. Это произошло в Нью-Йорке, на Всемирной выставке, а разработчиком новшества выступила компания General Electric.

С тех пор трубчатые ЛДС превратились во второй по распространенности источник света. Конкуренция с более прогрессивной световой техникой не повлияла на их популярность, стоит только вспомнить, какое освещение используется в офисах и больницах, в общественных, промышленных и торговых помещениях.

Статистика утверждает, что ежегодное производство газоразрядных светильников превышает миллиард штук, а, например, в Японии их используется больше, чем всех остальных световых приборов, вместе взятых. Устройство люминесцентной лампы следует следующему принципу:

• Конструктивно прибор представляет собой герметичную стеклянную колбу. Чаще всего это продолговатый цилиндр, прямой или изогнутый в виде кольца или другой фигуры. Наружный диаметр трубки составляет 12, 16, 26 или 38 мм.

• В процессе производства из колбы откачивают воздух, и заполняют пространство инертным газом и парами ртути. Внутреннюю поверхность стекла покрывают люминофором: веществом, способным преобразовывать поглощенную энергию в свет.
• В торцевые концы колбы впаивают электроды, изготовленные из вольфрамовой проволоки. С наружной стороны к электродам (они являются анодом и катодом) припаяны штырьки, на которые подается напряжение.

Принцип работы простой схемы с ЛДС

Понять, как работает люминесцентная лампа, можно, если рассмотреть простейшую схему ее подключения. Кроме самого устройства в схеме присутствуют еще три элемента: стартер, дроссель (пускорегулирующий аппарат) и емкость (пленочный конденсатор).

Чтобы пробить газовый промежуток в колбе, нужен стартовый высоковольтный разряд. Но спиральки внутри колбы не рассчитаны на прямое напряжение 220 В, и перегорят, если его подать. Поэтому на практике реализуется двухступенчатая (в логике работы) схема, состоящая из следующих элементов:

• Для получения стартового разряда нужен дроссель (балласт). Но он выполняет две функции: не только генерирующую пробивной импульс, но и ограничительную.

• Стартер работает на старте: он создает начальный импульс для дросселя, запускает лампу, а потом находится в неактивном состоянии; продолжает функционировать только лампа, дроссель и фильтрующая емкость.
• В результате электрического разряда в парах ртути образуется УФ-излучение. Оно попадает на люминофор, меняет спектр излучения и превращается в видимый свет.
• Когда на цепь подается сетевое напряжение (220 В), на входе его встречает конденсатор.

Дело в том, что дроссель при работе отдает в сеть электроэнергию, сдвинутую по фазе, которая отрицательно влияет на саму сеть (нагружает ее и создает помехи). Для этого в схему вводится конденсатор небольшой емкости, который компенсирует реактивную мощность, генерируемую дросселем, и сглаживает эти помехи.

Другими словами, для устойчивой работы люминесцентного источника схема должна обеспечить два условия: создать начальный пробивной импульс в колбе (запустить ее), а затем стабилизировать ток через колбу, чтобы тлеющий разряд не стал дуговым.

Подключение люминесцентной лампы с дросселем становится возможным в результате следующих процессов в цепи:

• Сетевое напряжение через внутреннюю спиральку колбы идет на стартер. Он в начальный момент не проводит ток (находится в разомкнутом состоянии).
• Затем на стартере образуется разность потенциалов (электрическая напряженность). Разомкнутые контакты внутри стартера начинают нагреваться и прерывисто контактировать друг с другом.
• Создается эффект, как будто установлен переключатель, который производит короткие импульсы, замыкающие цепь. На концах дросселя в таком прерывистом режиме (когда ток подается с перерывами) образуются всплески напряжения, по своей амплитуде превышающие сетевое напряжение.
• В момент разрыва стартера импульс высокого напряжения от дросселя идет не на стартер (там уже нет контакта), а попадает в лампу. Энергии импульса хватает, чтобы пробить газовый промежуток. При пробое напряжение резко уменьшается, а увеличивается ток, и лампа начинает светить.

• Выполнив первую задачу (обеспечив импульс высокого напряжения), дроссель начинает выполнять вторую. Когда лампа уже пробилась, ток начинает течь через колбу, минуя стартер.
• Лампе для работы нужно напряжение меньше, чем 220 в сети, и излишек оседает на дросселе. Он, как реактивный компонент схемы, переводит этот излишек не в тепло, а в электромагнитное поле, которое, по принципу трансформатора, создает электромагнитное сопротивление, и тем самым ограничивает силу тока в цепи.

Сравнение возможностей балластов разных типов

Ток, проходящий через ЛДС, регулируется с помощью балластов (пускорегулирующих аппаратов) двух типов:

• Электромагнитные (дроссельные) балласты, ЭмПРА. Аппарат представляет собой катушку (дроссель), использующую принцип электромагнитной индукции для сопротивления току.
• Электронные балласты, ЭПРА. Они ограничивают ток с помощью электронной схемы.

Перед тем, как подключить люминесцентную лампу к сети 220 вольт, нужно проанализировать возможности каждого устройства, чтоб выбрать наиболее подходящее. У дроссельных балластов выделяют следующие преимущества:

• ЭмПРА надежнее электронных аналогов.
• Они более привлекательны по цене.

• К устройству можно подключить два источника света половинной мощности.

Электронный балласт является более продвинутой технологией, поэтому он демонстрирует более длинный список плюсов:

• Более компактные габариты.
• Продленный срок эксплуатации (на 50% дольше, чем дроссельные аналоги).
• Запуск происходит мгновенно, без раздражающего глаза мерцания.
• После запуска лампа не мерцает частотой сети, работает бесшумно (катушка ЭмПРА гудит).
• В схеме с ЭПРА можно использовать диммер (устройство для плавной регулировки яркости освещения).
• Потребление энергии снижено на 20%, нагрев практически отсутствует при той же светоотдаче.

Однако все эти преимущества приходится оплачивать – как более ощутимым ценником, так и повышенной чувствительностью ЭПРА. Подключение люминесцентной лампы с дросселем оказывается более надежным и устойчивым во время работы; электронные аналоги уступают им по этому параметру. Кроме того, ЭПРА должны точно соответствовать характеристикам (мощности) лампы, но, с другой стороны, они нередко поддаются ремонту.

Балласты в разных схемах с ЛДС

Схема с двумя источниками света строится по тому же принципу; конденсатор и дроссель выполняют те же функции. Лампы подключаются последовательно, каждая оснащается стартером. При включении оба стартера начинают замыкаться и размыкаться. Дроссель создает общий импульс, который распределяется между лампами; происходит пробой, после чего лампы загораются.

Описанная схема является классической; она использует стартер и электромагнитный (стандартный) дроссель. Схема с электронным пускорегулирующим автоматом работает без стартера, но подходит не для всех моделей ламп.

В любом случае пред тем, как подключить люминесцентную лампу, необходимо удостовериться в правильности выбора балласта. У классического дросселя имеются следующие особенности:

• Устройство по мощности должно соответствовать лампе, то есть для ЛДС на 40 Вт приобретают такой же электромагнитный балласт.
• Некоторые разновидности дросселя можно использовать по-разному, например, для одной лампы на 36 Вт, или для двух ламп по 18 Вт. Такая возможность указывается в маркировке, расположенной на корпусе устройства.

• Если дроссель рассчитан на работу с одной ЛДС, в схеме с двумя светильниками он не будет работать, или запустится, но работа будет нестабильной (даже если они соответствуют по мощности).

Электронные балласты содержат электронную схему, которая обеспечивает стартовый импульс для пробоя лампы, а после пробоя выполняет ограничительную функцию. Электронные дроссели имеют более сложное устройство, и полупроводники нередко выходят из строя. Поэтому старая схема на электромагнитном балласте часто оказывается более надежной.

Плюсы и минусы использования ЛДС

Повсеместное использование люминесцентных источников света объясняется следующими их сильными сторонами:

• Они превосходят лампы накаливания (сравнение идет именно с ними) по сроку эксплуатации (в 6-8 раз) и КПД (световой отдаче). Разница особенно ощутима для ЛДС последнего поколения: при мощности в 20 Вт они дают освещенность, как 100-ваттные лампочки накаливания.
• Световому потоку можно придавать разные оттенки или делать его рассеянным.
• Они обладают хорошим соотношением цена/качество и цена/продолжительность службы.

В то же время у люминесцентных источников света имеются и слабые стороны:

• Они нуждаются в более устойчивых условиях: качестве электропитания и балласта.
• Чтобы срок службы был продолжительным, следует ограничивать количество включений и выключений. Именно поэтому ЛДС выгодно использовать там, где свет нужен постоянно (в цеху, в аэропорту), и невыгодно там, где есть большой поток людей и установлены датчики движения.
• Использование ртути делает люминесцентные источники потенциально опасными во время эксплуатации и утилизации.
• Мерцание и неравномерный спектр некоторых моделей вызывает усталость глаз.
• Люминофор, покрывающий колбу изнутри, со временем деградирует, что оборачивается снижением КПД и изменением спектра.
• Для работы люминесцентных светильников необходимо дополнительное оборудование: шумный ЭмПРА или дорогой электронный балласт.

Подключение без стартера и/или балласта

Время от времени в старых лампах выходит из строя балласт и/или стартер, и тогда появляется закономерный вопрос, как подключить лампу дневного света без дросселя и стартера. Светильник можно вернуть к жизни, если в хозяйстве найдется паяльник, несколько диодов и конденсаторов.

На диодах собирается мост, который будет служить простейшим умножителем, способным увеличить напряжение в два раза. Существует несколько схем; величину напряжения подбирают на основе параметров лампы и сети. Интересно, что спирали в процессе зажигания не участвуют, поэтому схема подходит для ЛДС со сгоревшими спиралями.

Самодельное решение может сказаться на светоотдаче, или появится заметное мерцание, но для освещения, например, коридора или подсобного помещения это не критично. Самоделка может стать опасной для мастерской, если в ней расположен станок. Мерцание способно вызвать зрительную иллюзию: вращающиеся детали покажутся неподвижными, а это чревато несчастным случаем.

Коротко о главном

Лампы дневного света – экономный вариант освещения с несложной схемой подключения. Как все газоразрядные приборы, люминесцентные светильники нуждаются в дополнительных устройствах для включения в сеть, а запуск проводится с помощью стартового разряда.

В стандартную схему, кроме ЛДС, входит пускорегулирующий аппарат (балласт) и конденсатор. Балласты делятся на два типа: электромагнитные (дроссельные) и электронные; для цепи с дросселем нужен дополнительный элемент: стартер. Чтобы люминесцентная лампа работала без перебоев, важно подобрать балласт, соответствующий ей по параметрам.