Лампы ДРЛ – это люминесцентные ртутные разрядные лампы высокого давления с исправленной цветопередачей. Несмотря на такое определение не нужно заблуждаться. Цветопередача ламп ДРЛ оставляет желать лучшего.
История
Исторически первыми появились лампы низкого давления, где разряд происходил в парах натрия. Здесь имеется в виду не процесс изобретения, но промышленное освоение осветительных приборов. Если говорить в более широком смысле, то коммерческий смысл использовать разрядные лампы для освещения внёс в промышленность Петер Купер Хьюит. И случилось это в 1901 году. С заполнением из ртути лампы показались создателю настолько удачными, что он в следующем году организовал компанию при поддержке Джорджа Вестингауза. Предприятия последнего занимались выпуском продукции.
Этот шаг представляется логичным по той простой причине, что Джордж Вестингауз вместе с Тесла вёл борьбу за внедрение переменного тока. И таким образом был рад любому дельному изобретению, для работы которого нужен было именно такой род электричества. Натриевая лампа появилась в 1919 году, благодаря усилиям Артура Комптона. А годом позже в конструкцию внесли боросиликатное стекло. Обладая малым коэффициентом температурного расширения, оно отлично противостояло агрессивной среде паров натрия. Практическое применение ламп на улицах городов относится к началу 30-х годов (в Нидерландах – с 1 июля 1932 года).
Мощность светового потока натриевых ламп составляла 50 лм/Вт, что считалось неплохим показателем. Несмотря на специфический жёлто-оранжевый цвет излучения. В СССР освоение натриевых ламп низкого давления не пошло. Ртутные сочли более приемлемыми. К тому же, появились натриевые лампы высокого давления. Все описанные модели обладают достаточно плохой цветопередачей. Особенно это касалось живых объектов и, в частности, человека. Недостаток сумели частично преодолеть в 1938 году, введя в промышленное производство ртутные лампы низкого давления. Вот их ключевые характеристики:
- Световая отдача – от 85 до 104 лм/Вт.
- Срок службы – до 60 тыс. часов.
- Перспективный спектр излучения.
Лампы ДРЛ появились только в начале 50-х. Их эксплуатационные характеристики не дотягивают до приведённых выше (отдача от 45 до 65 лм/Вт, срок службы от 10 до 20 тыс. часов), но также приемлемы. Лампы ДРЛ применяются как для наружного, так и внутреннего освещения. Следующим шагом в развитии разрядных ламп стали РЛВИ (высокой интенсивности). Ключевым отличием явился более высокий КПД. В самых первых образцах показатель уже составлял 100 лм/Вт. Натриевые лампы высокого давления также превосходят по показателям модели ДРЛ.
Особенности работы разрядной лампы с исправленной цветопередачей
Яркость лампочки
Выше говорилось о том, что некоторые разрядные (да и люминесцентные) лампы обладают плохой цветопередачей. Это значит, что окружающий мир будет немного искажён, что быстро утомляет психику. Но есть и другой фактор – физиологическая чувствительность глаз. Она неодинакова по всему видимому спектру, а часть людей может наблюдать даже ауру. Но у большинства индивидов максимум восприимчивости приходится на волну 555 нм (зелёный цвет). А в сторону краёв чувствительность глаз спадает.
Вот почему исследователи призывают выполнять корректировку мощности ламп на физиологические особенности человека. В результате 1 Вт на длине волны 555 нм эквивалентен 10 – на 700 нм. Инфракрасное излучение вовсе не воспринимается человеком. Поэтому оценку яркости производят по световому потоку, учитывающему эффект каждой из длин волн. Единицей измерения величины служит люмен, эквивалентный мощности 1/683 Вт для длины волны 555 нм. А светоотдача (лм/Вт) показывает, какая доля мощности в лампочке становится оптическим излучением. Максимальное значение может составлять 683 лм/Вт и наблюдается только на волне 555 нм.
Нельзя обойти вниманием и единицу освещённости – люкс. Численно она равна 1 лм/кв.м. Зная световой поток, высоту установки лампы, угол её раскрыва, можно посчитать освещённость. В свою очередь, этот параметр для тех или иных помещений нормируется по ГОСТ. В свете сказанного должно быть понятно, почему лампы ДРЛ с исправленной цветопередачей все ещё встречаются на рынке, несмотря на сравнительно незавидные характеристики.
Для оценки цветопередачи применяется локус. Это фигура, напоминающая перевёрнутую параболу, чуть заваленную на левый бок. В ней каждый цвет имеет свои две координаты от 0 до 1. Чтобы лампа обладала хорошей цветопередачей, положение её интегрального излучения должно быть расположено приблизительно в центре локуса. Добавим к этому, что повышение цветовой температуры смешает спектр от красного к фиолетовому:
- 2880 – 3200 К – тёплый жёлтый;
- 3500 К – нейтральный белый;
- 4100 К – холодный белый;
- 5500 – 7000 К – дневной свет.
В этом плане жёлто-оранжевые натриевые лампы низкого давления считаются неудачным выбором. От них химический дисбаланс в сетчатке глаза вызывает утомление. Однако не нужно забывать, что решающую роль все-таки играет спектр, а не цветовая температура: любая лампочка уступает Солнцу. Вот почему в бедном спектре натриевой лампы низкого давления (две спектринки в районе жёлтого) предметы будут смотреться черными, серыми или жёлтыми. Это и называется плохой цветопередачей.
Принято этот параметр характеризовать индексом на основе визуального сравнения освещаемых лампочкой образцов с эталоном. Значение укладывается в диапазон от 1 (самый плохой вариант) до 100 (идеал). На практике максимум можно найти лампу в интервале от 95 до 98. Это поможет выбрать лампу ДРЛ на прилавке (типичное значение от 40 до 70).
Исправление цветопередачи
В среде ионизированного газа тлеет разряд. Вот и весь принцип действия. Остальное сводится к условиям получения горения дуги между электродами. Условия ионизации требуют наличия высокого напряжения, которое в дальнейшем уже не понадобится. Вот почему многие разрядные лампы требуют наличия пуско-регулирующего аппарата. Атмосфера заполнена инертным газом и некоторым количеством упругих металлических паров (ртуть, натрий, их галогенидов). В практике ламп используются преимущественно следующие виды разрядов:
- Тлеющий – с малой плотностью тока при низком давлении газа или пара. Падение напряжения на катоде может составлять до 400 В. Визуально видны тёмные пятна в районе катода.
- Дуговой – с высокой плотностью тока при различном давлении. Падение напряжения на катоде сравнительно невелико (до 15 В). Столб дуги низкого давления подобен тлеющему.
- Дуги высокой интенсивности – специфическое явление, используемое в прожекторах. В частности, применялись для выявления воздушных объектов врага в период Второй мировой войны. Основывается на особом режиме работы угольного стержня, открытом в 1910 году Г. Беком.
Спектр ртутного разряда лежит в ультрафиолетовой области на 40%. Люминофор преобразует эту область в красное свечение, при этом большая часть фиолетовой и синей части свободно проходит. Качество исправление спектра определяется красным отношением (растёт при повышении толщины слоя, как и цена, нужные параметры определяют экспериментально из-за сложности расчёта). Ртутная горелка обычно из кварцевого стекла (не выделяет в процессе работы газообразных веществ), а внешняя колба, изнутри покрытая люминофором – из обычного, но тугоплавкого. Цоколь обычный, эдисоновский. В качестве люминофора обычно применяют активированный европием фосфат-ванадат иттрия. Этот материал имеет спектр свечения из четырёх красных полос: 535, 590, 618 (max), 650 нм. Оптимальный режим работы достигается при температуре от 250 до 300 градусов (время выхода порядка четверти часа).
Перед нанесением люминофор размалывают и прокаливают. Фосфат-ванадат иттрия выбран за то, что отлично выдерживает обработку. Высокая стоимость может быть компенсирована совместным применением с другими материалами. Например, ортофосфат стронция-цинка. Они лучше поглощают длину волны 365 нм, и в целом удаётся добиться приемлемых характеристик (учитывая специфику применения в сфере промышленного освещения при высоте установки от 3 до 5 метров).
Имеются случаи применения активированного четырёхвалентным марганцем фторогерманата магния. Световая отдача и красное отношение (6-8%) при этом несколько снижаются. Оптимальный температурный режим также находится в районе 300 градусов Цельсия. При дальнейшем нагреве эффективность устройства падает. Материала по всем показателям, кроме цены, уступает фосфат-ванадату иттрия: поглощает часть фиолетово-синей области спектра, имеет спектр свечения в дальней красной области (где глаз имеет малую чувствительность), при обработке теряет свою яркость.
В конструкции обычно предусмотрены один или два зажигающих электрода, расстояние от которых до катода сравнительно небольшое. Так что внешний пускорегулирующий аппарат не требуется. В сочетании со стандартным цоколем получается удобная замена лампочкам накала при увеличенном КПД. Колба в процессе работы сильно греется из-за интенсивного поглощения люминофором излучения. Расчёт геометрической формы ведётся, исходя из этого параметра. С одной стороны нужно, чтобы все излучение горелки упало на люминофор, с другой – температура в рабочем режиме не должна превысить оптимальной (см. выше).
Колбу наполняют чаще всего аргоном. Он дешёвый и вносит малый тепловые потери. Подмешивают 10-15% азота для увеличения напряжения пробоя. Общее давление примерно равняется атмосферному. Недопустимо попадание внутрь кислорода (разрушает металлические детали) или водорода (повышает напряжение розжига дуги). Положение горения допускается любое, но горизонтальное не поощряется. Дуга в этом случае несколько изгибается, и кварцевое стекло оказывается в невыгодном температурном режиме. Температура среды влияет на напряжение пробоя. Зимой разжечь дугу будет сложнее, потому что ртуть оседает, и процесс идёт в среде практически чистого аргона (по этой причине пусковые устройства иногда приходится применять).
У ламп ДРЛ сравнительно сильно греется цоколь. Температура может переваливать за точку кипения воды. Это нужно учитывать, подбирая патрон и люстру (фонарь) под установку лампы. В пору вспомнить советы авторов патента на первые галогенные лампы. Температура горелки сравнительно невысокая, но легко расплавит алюминий.
Маркировка
В отечественной практике цифра, идущая после ДРЛ, означает потребляемую мощность в Вт. Затем следует красное отношение: отношение красного потока (от 600 до 780 нм) к общему – выражается в процентах. Через дефис ставится номер разработки. Красное отношение характеризует цветопередачу, хорошими значениями считаются те, что выше десяти.
По международному стандарту IEC 1231 применяется система ILCOS. Это конкуренты немецкой маркировки LBS и общеевропейской ZVEI. Так что на рынке царит полный разброд. Согласно ILCOS:
- QE обозначает эллипсоидную форму колбы.
- QR обозначает колбу с внутренним отражающим слоем, грибовидную.
- QG обозначает сферическую колбу.
- QB обозначает изделия с встроенным балластом.
- QBR обозначает изделия с встроенным балластом и отражающим слоем.
У Philips на этот счёт свой взгляд на вещи, а в General Electric не хотят слышать про то и другое. Собственно, лучше всего ориентироваться в этом плане на справочники, либо читать информацию на упаковке. И не следует забывать, что цоколь может быть как стандартным, так и других размеров. Доля производства ламп ДРЛ непрерывно снижается, поэтому, быть может, и нет смысла изучать все эти сложные обозначения слишком подробно. А учитывая выход на рынок светодиодов, для дома и дачи лучше подыскать нечто более современное и, самое главное, постоянно развивающееся. Что касается КПД, то спор решится явно не в пользу разрядных ламп, хотя какое-то время они успешно осаждали нить накала.