Розрахунок і конструювання люмінесцентної лампи типу ЛТБ65

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВСТУП

Люмінесцемнтна ламмпа -- газорозрядне джерело світла, світловий потік якого визначається в основному світінням люмінофорів під впливом ультрафіолетового випромінювання розряду: широко застосовується для загального освітлення, оскільки світлова віддача і термін служби в кілька разів більший, ніж у ламп з ниткою розжарювання того ж призначення.

Застосування люмінесцентних ламп

Люмінесцентні лампи -- найрозповсюдженіше й економне джерело світла для створення розсіяного освітлення у приміщеннях нежитлових будинків: офісах, школах, навчальних і дослідницьких інститутах, лікарнях, магазинах, банках, підприємствах. З появою сучасних компактних люмінесцентних ламп, призначених для встановлення в звичайні патрони E27 або ж E14 замість ламп з ниткою розжарювання, вони стали завойовувати популярність і в побуті. Застосування електронних пускорегулюючих пристроїв (баластів) замість традиційних, електромагнітних, дозволяє ще більше поліпшити характеристики люмінесцентних ламп -- позбутися від мерехтіння і гудіння, збільшити економічність, підвищити компактність та зручність.

Головними перевагами люмінесцентних ламп у порівнянні з лампами з ниткою розжарювання є висока світловіддача (люмінесцентна лампа у 23 Вт дає таку ж освітленість як 100 Вт лампа розжарювання) і тривалий термін служби (6000-20000 годин проти 1000 годин). Це дозволяє люмінесцентним лампам заощаджувати значні кошти, незважаючи на вищу початкову ціну.

Застосування люмінесцентних ламп особливо доцільне у випадках, коли висока освітленість потрібна в приміщенні тривалий час, оскільки вмикання для цих ламп є найнебезпечнішим режимом і постійні вмикання-вимикання сильно знижують термін їхньої служби. Найбільш розповсюдженим різновидом подібних джерел світла є ртутна люмінесцентна лампа. Вона є скляною трубкою (колбою), заповненою парами ртуті, з нанесеним на внутрішню поверхню шаром люмінофора.

Принцип роботи

При роботі люмінесцентної лампи між двома електродами, що розташовані на протилежних кінцях лампи виникає електричний розряд. У лампі, яка заповнена парами ртуті, змінний струм приводить до появи УФ-випромінювання. Це випромінювання невидиме для людського ока, тому його перетворять ультрафіолетовевипромінювання у видиме світло за допомогою явища люмінесценції Внутрішні стінки лампи покриті спеціальною речовиною -- люмінофором, що поглинає ультрафіолетове-випромінювання і виділяє видиме світло. Змінюючи склад люмінофора, можна змінювати відтінок одержаного світла.

Особливості підключення

З погляду електротехніки люмінесцентна лампа -- пристрій зі слабким опором (чим більший струм через неї проходить -- тим більше падає її опір). Тому при безпосередньому підключенні до електричної мережі лампа дуже швидко вийде з ладу через величезний струм, що проходить через неї. Щоб запобігти цьому, лампи до мережі підключають через спеціальний пристрій (баласт).

У найпростішому випадку це може бути звичайний резистор, однак у такому баласті втрачається значна кількість енергії. Щоб уникнути цих утрат при ввімкненні ламп від мережі змінного струму як баласт може застосовуватися реактивний опір (конденсатор або котушка індуктивності).

В даний час найбільше поширення одержали два типи баластів -- електромагнітний і електронний.

Люмінофори і спектр випромінюваного світла

Багато людей вважають світлове випромінювання люмінесцентних ламп грубим і неприємним. Колір предметів освітлених такими лампами може бути трохи незвичним. Частково це відбувається через сині і зелені лінії в спектрі випромінювання газового розряду в парах ртуті, частково через тип застосовуваного люмінофора.

У багатьох дешевих лампах застосовується галофосфатний люмінофор, що випромінює в здебільшого жовте і синє світло, у той час як червоного і зеленого випромінюється набагато менше. Така суміш кольорів оку здається білим, однак при відображенні від предметів світло може містити неповний спектр, що сприймається як перекручування кольору. Однак такі лампи як правило мають дуже високу світлову віддачу.

У дорожчих лампах використовується «трилінійний» і «п'ятилінійний» люмінофор. Це дозволяє домогтися рівномірнішого розподілу випромінювання у видимому спектру, що приводить до натуральнішого відтворення світла. Однак такі лампи, як правило, мають нижчу світлову віддачу.

Також існують люмінесцентні лампи, призначені для освітлення приміщень, у яких утримують птахів. Спектр цих ламп містить ближній ультрафіолет, що дозволяє створити для них комфортніше освітлення, наблизивши його до природного, тому що птахи, на відміну від людей, мають чотирикомпонентний зір.

Індекс кольоропередачі

Маркування що застосовується для означення натуральності відображуваного від предметів світла лампи. Чим ближче до 10ти, тим кольори предметів здаватимуться природнішими:

* 9 -- відмінно;

* 8-9 -- дуже добре;

* 7-8 -- добре;

* 6-7 -задовільно.

Для домівки рекомендується лампа з індексом не нижче «8».

Утилізація

Усі люмінесцентні лампи містять ртуть (у дозах від 40 до 70 мг), яка є отруйною речовиною. Ця доза може заподіяти шкоду здоров'ю, якщо лампа розбилася. Якщо постійно піддаватися згубному впливові пари ртуті, то вона буде накопичуватися в організмі людини, шкодячи здоров'ю. Після закінчення терміну служби лампу, як правило, викидають будь-куди. На проблеми утилізації цієї продукції в Україні не звертають уваги ні споживачі, ні виробники, хоча існують фірми, що здійснюють утилізацією.



1. Основна частина

1.1 Вибір наповнення лампи та параметрів наповнення

Вибір складу наповнюючого газу і його тиску

При малих потужностях, коли вторинні процеси малі, світловий потік зростає пропорційно потужності. По мірі підвищення потужності зростає роль вторинних процесів (гаснення та ступінчате збудження) і теплових втрат; ріст світлового потоку сповільнюється, поступово наближаючись до визначеної границі. Чим важчий наповнюючий газ, тим крутіший підйом кривої спочатку, але раніше наступає насичення і при меншому значенні світлового потоку. Рівень насичення визначається в основному електронною температурою. Тому чим більша температура при більших потужностях, тим легший газ

Підвищення питомої потужності за рахунок збільшення струму викликає падіння світлової віддачі.

При малих питомих потужностях наповнення важким інертним газом дає високу світлову віддачу, але по мірі підвищення питомої потужності ця перевага переміщується в сторону більш легких газів.

Наповнення ламп

В сучасних люмінесцентних лампах пари ртуті є основною речовиною, яка забезпечує високу ефективність ламп.

Інертний газ, що вводиться в лампу збільшує термін її служби за рахунок зниження температури катодної плями і анодно-катодного падіння потенціалу.

Представимо, що тиск парів ртуті по будь-якій причині нижче оптимального. Такою причиною може бути зменшення температури стінки лампи за рахунок зниження температури середовища, яка оточує лампу.

Відомо, що при низьких температурах (особливо нижче 0) лампи запалюються погано і тоскно горять.

Підвищення напруги запалювання ламп при низьких температурах відбувається тому, що при цьому частково виморожуються пари Ртуті: концентрація її парів зменшується та іонізується в значні степені атомів інертного газу (аргону або суміші газів), володіючи більш потенціали іонізації. В цьому випадку зникає позитивна дія ефекту Пенкінна що бере участь у зниженні напруги запалювання розряду в Аргоні при додаванні до нього парів Ртуті.

Для того, щоб усунути вид браку «мало Ртуті» в лампах з Ртуттю вона вводиться з надлишком ( у вигляді краплі). Це необхідно й тому, що в ході експлуатації лампи Ртуть поглинається люмінофором, склом та іншими деталями лампи.

Однак забагато Ртуті вводити не можна, оскільки це негативно впливає на зовнішньому вигляді ламп (Ртуть осідає чорним нальотом на стінках, що може порушити шар люмінофору).

Призначення інертного газу

Інертний газ, ща вводиться в лампу призводить до істотного збільшення виходу резонансного випромінювання атомів Ртуті і робить лампу ще більш ефективною.

Значна частина (до 2/3) атомів Ртуті в розряді низького тиску виявляється в метастабільному стані.

Метастабільні атоми - це атоми збуджені до рівня, з яких випромінюючі переходи малоймовірні. В процесі горіння розряду атоми Ртуті переміщуються до стінки лами і їх енергія постійно перетворюється в теплову. При введенні в ртутний розряд інертних газів тиск в лампі зростає в сотні разів і при цьому атоми випромінюють.

Велике значення інертних газів складає те, що їх використання разом з парами Ртуті дозволяє реалізувати Ефект Пенінга для підтримання заданої напруги запалювання лампи.

Тиск Аргону в промисловому виробництві становить 330 Па. Але тому, що всі дані для проектованої лампи в літературі подаються для тиску в 265 Па, то тиск Аргону буде складати 265 Па. Аргон знижує розпилення катодного покриття.

1.2 Визначення електричних параметрів лимпи та характеристик розряду

Визначаємо напругу на лампі:

U_л=U_м•m;

m=0,25;

U_л=220•0,25=55 В;

U_л-напруга на лампі; U_м-напруга мережі; m-

Знаходимо струм на лампі:

;

P=20 Вт; k_л=0,885;

P-потужність лампи; k_л-коофіцієнт потужності лампи;

Знаходимо напругу на стовпі розряду:

U_ст= U_л;

-однокатодне падіння напруги;

-падіння напруги на електродах лампи (3,5В);

-напруга анода (обираемо з меж 3-6В), вибираємо ;

-напруга катода (9,5В для аргону);

Визначаємо градієнт потенціалу розряду:

;

E=0,65 (з графіку);

Знаходимо питому потужність стовпа розряду:

;

Визначаємо напругу на дроселі:

P_др= 0,2P_л= 0,2 = 4Вт;

=0,15 (обрали)



1.3 Розрахунок розмірів колби

Зовнішній діаметр колби береться з числа стандартних (з довідника).

Для лампи потужністю 20В діаметр =38мм.

Товщина стінки :

Знаходимо внутрішній діаметр колби

Знаходимо довжину стовпа розряду:

Для знаходження довжини лампи вибираємо довжину прикатодної зони:

=2см;

Визначаємо довжину лампи:

1.4 Визначення теплового режиму колби; розрахунок температури холодноїх точки

Ртуть у лампу дозується з надлишком (режим насиченних парів), тому важливо розрахувати таку температуру холодної точки колби, яка забезпечуватиме цей режим.

Визначаємо питому електричне навантаження:

Температура холодної точки колби залежить від питомого електричного навантаження на її поверхню.

Тоді по графіку для t₀=19 t_x=39

Отже

1.5 Оцінка балансу потужностей лампи

Розраховуємо ліву частину рівняння:

Розраховуємо праву частину рівняння:

Визначемо питомі теплові втрати:

А=3,88- з таблиці;

А-коефіцієнт,який враховує слабку залежність від навколишнього середовища;

;

;

G= - стала Больцмана;

Отже

Тоді

Допустима різниця. Мій результат %, отже прийняті величини прийняти за кінцеві.

1.6 Вибір люмінофору

Найбільш ефективним і широко використовуваним люмінофором для массових люмінісцентних ламп є галофосфат кальцію (ГФК) активований сурьмою і марганцем.

Галофосфат кальцію використовується в найбільш масових ЛБ і випускається сотнями тонн.

Технічні вимоги нормативної документацїї на люмінофори заключаються в наступному:

1. Яскравість світіння у випробуваній партіі повинна бути не нижче ніж у типового зразку люмінофору;

2. Довжини хвиль максимумів смуг випромінювання Sb і Mn повинні бути 480 та 581±2нм відповідно,а відсоткове відношення 22%±3%;

3. Граничний склад порошку повинен бути таким,щоб вміст частин розміром 14мкм не перевищував 15% складу.

Окрім вимог перевіряємих безпосередньо при виготовленні люмінофору на хімічних заводах маються окремі вимоги по світловій віддачі,стабільності світлового потоку і кольоровості ламп,які виготовляють із застосуванням цього люмінофору.

Термічна стабільність ГФК проявляється окремо,якщо має місце відхилення в температурі синтезу люмінофора на хімічних заводах,коли активатори не повністю розчиняються в основі люмінофору.

Лампи типів ЛД,ЛХБ,ЛТБ виготовляються з використанням різних марок галофосфату кальцію.

Лампи ЛТБ виготовляються на люмінофорі ЛГ-5 з відношенням смуг 12%.

1.7 Розрахунок світлових параметрів лампи

Поток люмінісцентної лампи складається з двох сладових:

- потік видимих ліній розряду;

- потік люмінісценції.

Введемо поняття питомого стовпа розряду:



V - відносна світлова ефективність люмінесценції, її значення V=0,546

- ККД шару люмінофору, в розрахунках 0,9

- сума двох резонансних ліній

- квантовий вихід = 0,95

- квантове відношення

Для =185=0,33

=254=0,45

- коефіцієнт, використання УФ люмінофорне покриття

=0,9

- питомий променевий потік резонансних ліній

- з таблиці, в залежності від сили струму, діаметра трубки та тиску аргону.

Знаходимо значення для :

Визначаємо питомий променевий потік резонансних ліній для

знаходимо за таблицею методичного посібника.

Даних для струму 0,4 А немає,для їх отримання будуємо графік

	0,3	0,2072
	0,6	0,1092

Знаходимо значення для :

Визначаємо питомий променевий потік резонансних ліній для

Знаходимо

V - відносна світлова ефективність люмінісценції, V=0,546;

ККД слою люмінофору, ;

Знаходимо :

Визачаємо питомий стовп розряду:

Знаходимо потік стовпа розряду:

Знаходимо світлову віддачу стовпа:

Знаходимо віддачу лампи:



Будуємо криву стабільності потоку для вибраного люмінофору:

1) t=0год. ;

2) t=100год. ;

B=5 - вибрав; ;

3) t=0,4;

t=4000 год.;

4) t=0,8;

t=8000 год;



1.8 Конструювання катода лампи; вибір емітуючої речовини

Електроди люмінесцентної працюють на змінному струмі, тому виконують функції катоду (в катодний півперіод) і аноду (в анодний півперіод). Однак для того щоб підкреслити вирішальну для лампи роль емісії електронів, електроди люмінесцентної лампи називають катодами.

Катод сучасної люмінесцентної лампи розробляється х використанням орієнтовних розрахунків і контрольних експериментів. При запалюванні лампи, в пусковий період, катод нагрівається струмом, що проходить через нього і його температура повинна бути оптимальною для запалювання заряду, тому катод розраховують по рівнянню теплового балансу і підбирають дослідним шляхом по пусковому струму. В робочому режимі явища, що відбуваються на катоді, ще не повністю вивчені, особливо в кількісному відношенні. Основне призначення катоду - імітувати електрони в розряд.

Конструкція катоду: біспіраль, моноспіраль.

Першим у масовозатосовуваних біспіральних є вольфрамова спіраль марки ВА. Емітуючою речовиною, яка покриває керн, є шар окислів лужноземельних металів. В суспензії, яку наносять на катоди при виготовленні люмінесцентних ламп, застосовують карбонати в наступному відношенні:

BaCO₃ : CaCO₃ : SrCO₃= 50 : 30: 30

У суспензію додається приблизно 5% ZrO₂.

Після чого вже в готовій лампі відбувається розклад карбонів шляхом нагріву пропусканням струму, тобто всі 3 карбонати розкладаються на:

MeCO₃ - MeO + CO₂

BaCO₃ - BaO + CO₃

CaCO₃ - CaO + CO₃

SrCO₃ - SrO + CO₃

люмінесцентний лампа потужність цоколь

При першому запалюванні лампи на операаціі відкачці оксиди розпадаються до чистих металів.

Метал, а особливо Барій і є основним активатором.

Для того, щоб оксидне покриття стало нормальним емітером, воно після розкладу карбонатів повинно біти активоване малими домішками самих лужноземельних металів. Це перетворює його в напівпровідник, що має малу роботу виходу ( тобто потребує малої затрати енергії на видалення із катоду емітованих електродів.

Кисень, який виділяється справляє позитивний вплив на якість люмінофорного шару і його стабільність. Заміна карбонатів перекисами дозволяє збільшити кількість емітуючої речовини, котра залишається на катоді після його обробки. Це пояснюється тим, що при рівному привісі початкової речовини катод на перекисах буде мати більше МеО за рахунок меншої кількості О₂, які виділяються з перекисів. Це дозволяє підвищити термін служби ламп і відкачуваних автоматів.

Молібденові керни спіралі витравлюються. Простір між між струмлвідним вольфрамовим дротом - керном і навиваємим вольфрамовим дротом у подальшому заповнюється оксидом. Вольфрамовий керн повинен мати достатню площю перерізу - діаметр, щоб він витримував струм лампи в робочому і пускових режимах.

1.9 Конструювання ніжки та колби

Конструкція колби люмінесцентної лампи

Трубка - колба люмінесцентної лампи виконує наступні функції:

1) Слугує для ізоляції газового розряду лампи від навколишнього середовища і визначає тим самим форму і герметичні параметри розряду , а значить і впливає на його електричні параметри.

2) Слугує місцем конденсації надлишкової Ртуті в лампі; температури трубки - колби визначає тиск насичених парів Ртуті і впливає на світлові та електричні параметри лампи.

3) Несе на собі люмінофорне покриття , від якого у вирішальній мірі залежить світлові, кольорові та спектральні характеристики лампи

Вимоги до матеріалу колби

Скляна трубка повинна бути:

1) Прозорою у внутрішній області спектру, а в деяких типів ламп (наприклад у еритемної) і в ближніх УР областях.

2) Газонепроникною для забезпечення збереженості заданого газового наповнення.

3) Нагрівостійкою в умовах виробництва і експлуатації ламп.

4) Хімічно стійкою до парів Ртуті.

5) Здатною до обезгаження при відкачці ламп і не виділяючою шкідливих газів при роботі лампи.

6) Дешевою і технологічною у виробництві ламп.

Трубка повинна зберігати задану форму, мати достатньо високу механічну міність. Скло повинно добре спаюватися з ніжками, утворюючи з ними щільновакуумні спаї.

Для виготовлення люмінесцентних ламп застосовується скло марки СЛ-95.

СЛ96-12(ТКЛР=96*)

СЛ97-1(ТКЛР=97*; )



Конструювання ніжки люмінесцентної лампи.

Масовий характер виготовлення ЛЛ на високопродуктивних збиральних лініях призвів до необхідності використання в них штампованої гребінцевої ніжки, на відміну від плоскої, механічна напруга в склі, яка виникає при виготовленні, компенсується за рахунок пружної деформації стінки ніжка виготовлена з легкоплавкого свинцевого скла марки СЛ93-1 з .

У гребінцевої ніжки, на відміну від плоскої, механічне напруження в склі, яке виникає при виготовленні , компенсується за рахунок пружної деформації стінки.

Призначення ніжок:

· несуть на собі робочі електроди;

· забезпечують підвід струму до електродів;

· конструктивно однакові, але одна ніжка має відкачний штенгель.

1.10 Конструювання цоколя

Цоколі масових ЛЛ стартерного запалення і швидкого пуску повинні забезпечувати:

1. надійний електричний контакт лампи з патроном (лампотримачами) світильників на протязі всього терміну служби;

2. можливість здійснення підігріву катодів в пусковому режимі лампи.

Цоколь складається з металічного (алюмінієвого) стаканчика, гетинаксової ізолюючої прокладки і двох штирків.

Гетинаксова прокладка ізолює штирьки між собою і попереджує електричний пробій від штирька на стаканчик цоколя.



ЗАКЛЮЧНА ЧАСТИНА

Люмінесцентні лампи зараз використовуються для загального освітлення приміщень як виробничого, так і суспільного призначення:

· житлові кімнати;

· приміщення навчальних закладів;

· приміщення дитячих дошкільних закладів;

· офісних приміщень;

· виробничих приміщень (порівняно невисоких).

Експлуатація рекомендовано при температурі від 15 до 25°С.



ЛІТЕРАТУРА

1) Г.И. Рохлин «Разрядные лампы»

2) П.В. Пляскин «Основы конструирования электрических источников света»

3) Методичний посібник.

Размещено на Allbest.ru

...