Lampi fluorescente

Lampi fluorescente

In aceasta categorie sunt cuprinse lampile cu vapori de mercur de joasa presiune la care descarcarea electrica intre doi electrozi emite radiatii ultraviolete absorbite si transformate in radiatii vizibile de pulberea fluorescenta depusa pe peretele interior al tubului de descarcare.

a. Lampi fluorescente tubulare - LFT

Constructie si principiu de functionare. Lampa (fig. 2.2-8) este alcatuita dintr-un tub de sticla prevazut la ambele extremitati cu electrozi de wolfram, in care se introduce mercur si un gaz inert (argon, kripton) pentru amorsarea descarcarii electrice. Suprafata interioara a tubului de sticla este acoperita cu un strat de pulbere fluorescenta. In stare 'rece', mercurul se gaseste sub forma de mici picaturi. Descarcarea electrica initiala amorsata in gazul auxiliar produce incalzirea si vaporizarea mercurului. Radiatia descarcarii in vaporii de mercur la joasa presiune (0,8 Pa) este o radiatie de rezonanta, emisa in proportie de 90% in lungimea de unda de 254 nm, cuprinsa in banda ultraviolet (vezi fig. 2.2-2 b). Pulberea fluorescenta excitata in ultraviolet emite o radiatie vizibila. Principiul fundamental de obtinere a luminii la acest tip de lampa este fluorescenta. Remarcam aici doua greseli ce exista in exprimarea uzuala: pe de o parte denumirea lampii fluorescente cu termenul absolut impropriu 'lampa cu neon' (descarcarea electrica are loc in vapori de mercur, nu in neon), iar pe de alta parte denumirea pulberii fluorescente cu termenul de 'fosfor' ce apare in tipologia lampii fluorescente standard-fosfor, tri-fosfor sau multi-fosfor (radiatia luminoasa este obtinuta prin fluorescenta, nu prin fosforescenta).

Caracteristicile radiatiei vizibile sunt determinate de caracteristicile radiatiei pulberii fluorescente si depind de tipul si compozitia chimica a acesteia: (a) pulberea fluorescenta standard-fosfor contine apatita si alti halofosfati a caror emisie acopera in mod continuu intreaga banda vizibila si da o lumina 'alba', lampa avand o buna eficacitate luminoasa dar o slaba redare a culorilor; (b) pulberea fluorescenta tri-fosfor este un amestec alcatuit din trei tipuri de pamanturi rare (aluminat de magneziu si bariu, aluminat de magneziu, ceriu si terbiu, oxid de ytriu activat cu europiu) care emite in benzile inguste de albastru, verde si rosu, lampa avand o foarte buna redare a culorilor si o inalta eficacitate luminoasa; (c) pulberea fluorescenta multi-fosfor este o realizare recenta si este un amestec de mai multe tipuri de substante alese astfel incat sa acopere intregul domeniu vizibil al spectrului, lampa avand cea mai buna redare a culorilor posibila si o buna eficacitate luminoasa.

Dimensiunile tubului de sticla lungime/diametru sunt standardizate, valorile uzuale fiind urmatoarele: lungimea de 600, 1200, 1500 mm (gama completa cuprinde valori intre 150 mm si 2400 mm sau chiar mai mult) si diametrul de 16, 26 sau 38 mm (mai putin utilizate fiind si valorile de 32 si 54 mm). Lungimea lampii este intr-o relatie de proportionalitate cu puterea acesteia, dar decizia fabricantilor de tuburi fluorescente este determinata de dimensiunile modulelor utilizate in constructia cladirilor, in special al tavanelor acestora.

Aspectele electrice ale functionarii lampii fluorescente sunt tot atat de importante ca si cele fotometrice. Caracteristica statica a descarcarii electrice (fig. 2.2-9) are o alura descrescatoare (caracteristica negativa). Pentru amorsarea descarcarii este necesar un impuls de tensiune marita intre electrozi, iar pentru mentinerea descarcarii este necesara o tensiune mai mica si o caracteristica crescatoare a sursei de alimentare (caracteristica pozitiva). In caz contrar, curentul electric prin lampa ar creste pana ce lampa s-ar distruge. Indeplinirea acestor conditii este asigurata de aparatajul auxiliar de amorsare si stabilizare a descarcarii electrice. Exista o mare diversitate de solutii tehnice din care se desprind trei tipuri constructive.

(a) Lampa fluorescenta normala cu aprindere prin starter cu licarire si balast serie inductiv sau capacitiv (fig. 2.2-10). Lampa necesita o preincalzire a electrozilor si un impuls de tensiune pentru amorsarea descarcarii. Starterul este o lampa cu descarcare luminescenta in regim de licarire, a carei tensiune de amorsare este mai mare decat tensiunea de functionare a lampii, dar mai mica decat tensiunea retelei de alimentare. Balastul este o bobina cu miez magnetic cu intrefier (balast inductiv); prin inserierea unui condensator se obtine un balast capacitiv. La conectarea tensiunii retelei (prea mica pentru amorsarea lampii, dar mai mare decat cea de amorsare a starterului) se produce o descarcare luminescenta intre electrozii starterului, unul fix iar celalalt mobil, alcatuit dintr-o lamela bimetal. Energia termica disipata pe electrozi produce incalzirea lor si bimetalul se deformeaza atingand electrodul fix, moment in care inceteaza descarcarea luminescenta si in circuit se stabileste un curent electric relativ intens (de 1,5 ori mai mare decat curentul nominal) timp de 2 4 secunde. Aceasta este faza de preincalzire a electrozilor lampii la o temperatura de 600 800 C ce asigura emisia electronilor liberi necesari descarcarii electrice in lampa. Bimetalul se raceste si redeschide contactul. Energia magnetica a bobinei balastului produce un impuls de tensiune ce se aplica intre electrozii preincalziti ai lampii. Este faza de amorsare a descarcarii electrice, in atmosfera de argon sau kripton din tubul de descarcare. Procedura se repeta daca lampa nu s-a aprins la primul impuls de tensiune, cu efecte luminoase neplacute de palpaire a lampii. Acelasi balast asigura si stabilizarea descarcarii electrice. Functionarea starterului este aleatorie, in sensul ca deschiderea contactului dintre electrozii sai (ce produce impulsul de tensiune de amorsare) poate sa aiba loc in orice moment al variatiei tensiunii retelei de alimentare, momentul optim fiind a doua treime a pantei crescatoare a tensiunii. Daca acesta corespunde trecerii prin zero a tensiunii, supratensiunea obtinuta are valori scazute, insuficiente pentru amorsare, ceea ce provoaca repetarea procedurii de aprindere si, deci, o incalzire suplimentara a electrozilor. Daca, din contra, acesta corespunde trecerii prin maxim a tensiunii, supratensiunea obtinuta are valori exagerat de mari, solicitand excesiv substanta emisiva a electrozilor lampii. Ambele situatii conduc la uzura prematura a lampii fluorescente. Acest dezavantaj major (si altele) este eliminat prin folosirea starterelor sau balasturilor electronice moderne.

Lampile fluorescente cu aprindere prin starter aflate in fabricatie curenta (pe plan mondial) sunt:

Standard, cu diametrul de 38 mm, cu puteri intre 20 125 W;

'Retrofit', cu diametrul de 26 mm destinate sa inlocuiasca lampile standard in instalatiile existente, pentru aproximativ aceleasi fluxuri luminoase emise avand puteri mai mici, intre 15 70 W;

"De inalta frecventa", realizate sa functioneze cu balasturi electronice, cu diametrul de 26 mm si puteri intre 16 50 W;

'Dublu flux', de o constructie speciala (tubul prezinta diferite adancituri/proeminente sau este umplut cu un amalgam de mercur), avand un flux luminos mai mare decat cele standard, cu puteri intre 40 215 W;

Miniaturale, cu diametrul de 15 mm si puteri de 4 13 W;

Speciale, cu format diferit de cel liniar (tubul de sticla in forma de cerc sau U), colorate (prin compozitia pulberii fluorescente sau dispunerea unui start exterior de filtrare - titanat de nichel) sau cu reflector (avand un strat reflectorizant din pulbere de oxid de aluminiu depus intre pulberea fluorescenta si tubul de sticla pe portiunea superioara a tubului, acoperind o suprafata de 230).

Gazul auxiliar din interiorul tubului lampii fluorescente depinde de tipul si diametrul lampii: argon in lampile standard cu diametrul de 38 sau in unele lampi cu diametrul de 26 mm, respectiv kripton in lampile 'retrofit' sau in cele "de inalta frecventa'. Aparatajul auxiliar de amorsare si stabilizare a descarcarii este dimensionat diferit in raport cu natura gazului, deci cu tipul lampii, fapt ce trebuie avut in considerare cand se doreste inlocuirea lampilor fluorescente uzate cu altele de tip nou, mai eficiente.

(b) Lampa fluorescenta cu aprindere rapida, fara starter. Sunt folosite frecvent doua scheme de alimentare, cu circuit de preincalzire a electrozilor printr-un transformator de incalzire (fig. 2.2-11, b) sau un balast echipat cu doua infasurari suplimentare (fig. 2.2-11, c), respectiv cu un balast semirezonant (fig. 2.2-11, c). Preincalzirea electrozilor printr-un circuit separat este avantajoasa. In schemele de reglare a fluxului luminos emis de lampa, electrozii fiind incalziti independent de valoarea curentulului prin lampa. Balastul rezonant este alcatuit dintr-o inductanta cu doua infasurari si un condensator, formand un circuit serie-rezonant. La conectarea lampii la tensiunea retelei se produce o tensiune marita ce se aplica electrozilor lampii si in acelasi timp electrozii sunt preincalziti. Lampa se aprinde fara palpaire dupa 1,5 secunde. Circuitul rezonant este scurtcircuitat de rezistenta ohmica a lampii, iar descarcarea este stabilizata de una din infasurarile balastului. Lampa folosita in aceste scheme este prevazuta cu o banda conductiva dispusa in lungul tubului, pe suprafata exterioara a acestuia (sau o folie siliconica exterioara), conectata la unul din electrozii lampii printr-o rezistenta de 1 MW (sau legata la pamant). Aceasta banda functioneaza ca un electrod auxiliar capacitiv de amorsare a descarcarii.

(c) Lampa fluorescenta cu electrod auxiliar, cu aprindere instantanee (fig. 2.2-12). Este o lampa cu electrozi 'reci', care nu sunt preincalziti pentru a le asigura emisia electronica necesara amorsarii si functionarii descarcarii electrice; de aceea forma lor constructiva este speciala, pentru ca sa inglobeze mai mult material emisiv. Lampa are un electrod auxiliar pentru amorsarea descarcarii, realizat dintr-o banda conductoare dispusa in lungul tubului pe peretele interior al acestuia, racordata cu un capat la un electrod si avand celalat capat in imediata apropiere a celuilalt electrod, la o distanta de cativa milimetri. La conectarea lampii la retea, in acest spatiu se produce o descarcare luminescenta intre electrodul auxiliar si electrodul principal al lampii in gazul auxiliar, care incalzeste atmosfera interioara si amorseaza descarcarea principala intre electrozii lampii in vaporii de mercur, in lungul tubului. Aprinderea are loc dupa 0,3 1 s linistit, fara palpairi. Lampa este de tipul 'monostift', avand la capete cate un singur piciorus de racordare in circuitul electric de alimentare. Balastul este de o constructie speciala ce produce supratensiunea de amorsare, dar pentru unele tipuri de lampi se poate folosi si balastul uzual, similar cu cel al lampilor standard (fapt mentionat de producator, in prospectul de fabricatie).

Caracteristici de functionare. Lampile fluorescente tubulare - LFT au: - puterea nominala cuprinsa intr-o gama larga de valori, de la 4 W pana la 215 W; - eficacitatea luminoasa intre 30 94 lm/W, depinde de tipul lampii si puterea absorbita de sistemul lampa/balast; - durata de viata variaza in limite largi, putandu-se accepta o medie de 20.000 ore (cu o depreciere a fluxului luminos de 70% din valoarea initiala), respectiv de 7500 ore (timp in care se deterioreaza 50% din lampi); - luminanta redusa, de ordinul a (0,4 1,5) 10⁴ nt, ce face ca lampa sa nu fie deranjanta daca se afla in campul vizual (calitate deosebit de favorabila la iluminatul interior al incaperilor joase). Caracteristicile colorimetrice - culoarea aparenta, temperatura de culoare asociata, compozitia spectrala a radiatiei sunt extrem de variate, lampile fiind proiectate si realizate pentru cele mai diverse aplicatii. Unele valori informative sunt prezentate in tabelul 2.2-4. Aceste caracteristici confera LFT o excelenta culoare aparenta si o foarte buna redare a culorilor (R_a 98). Aprinderi si stingeri repetate afecteaza durata de viata a lampii. Durata standard de functionare este de 3 ore dupa aprindere; functionarea continua a unei LFT mareste durata de viata de 2,5 ori. Reglajul (diminuarea) fluxului luminos al LFT cu starter si balast electromagnetic este posibil pana la un punct, tensiunea minima de alimentare fiind conditionata de reaprinderea descarcarii electrice la fiecare trecere prin zero a tensiunii (valoarea ei depinde de tipul lampii). Ca valoare minima se poate accepta tensiunea care conduce la diminuarea fluxului luminos cu 50% din fluxul luminos nominal. LFT cu aprindere rapida fara starter, cu circuit de preincalzire a electrozilor printr-un transformator de incalzire separat si LFT de inalta frecventa, cu balasturi electronice permit diminuarea fluxului luminos pana la zero, datorita conditiilor excelente de mentinere a descarcarii electrice la valori scazute ale tensiunii (curentului) de alimentare. Variatia tensiunii de alimentare nu influenteaza sensibil caracteristicile fotometrice. Functionarea lampii este puternic afectata de temperatura mediului ambiant, prin dependenta fluxului luminos emis de temperatura tubului de descarcare - figura 2.2-13. Astfel, temperatura mediului ambiant influenteaza si eficacitatea luminoasa a lampii insasi. Bilantul energetic al unei lampi 'retrofit' de 36 W este prezentat in figura 2.2-14. In tabelul 2.2-5 sunt prezentate unele caracteristici ale LFT.

Eficacitatea luminoasa a ansamblului lampa - balast este o marime esentiala pentru analiza unui sistem de iluminat eficient energetic. Ea depinde de tipul lampii fluorescente - putere, culoare (compozitia pulberii fluorescente), frecventa de alimentare si de componentele folosite in circuitul de alimentare - balast.

Exemplu. In tabelul 2.2-6 sunt prezentate valorile eficacitatii luminoase pentru 6 cazuri: (a) LFT de 40 W ce emite un flux luminos de 3000 lm; (b) LFT de inalta frecventa de 32 W ce emite un flux luminos de 3450 lm; (c) LFT de 40 W echipata cu un balast inductiv ce consuma 10 W; (d) doua LFT de 40 W echipate cu un balast inductiv unic (circuitul contine doua lampi si un singur balast, de tip special) ce consuma 12 W; (e) LFT de inalta frecventa de 32 W echipata cu un balast electronic ce consuma 4 W; (f) doua LFT de inalta frecventa de 32 W echipate cu un balast electronic unic ce consuma 5 W.

Alimentare. LFT necesita aparataj auxiliar de aprindere si stabilizare a descarcarii electrice. Diversitatea solutiilor constructive privind lampile, starterele si balasturile au condus spre diferitele scheme electrice de alimentare a acestor lampi. Cerintele impuse de cresterea eficientei energetice a sistemelor de iluminat se reflecta prin adoptarea unor noi solutii de alimentare, cum sunt starterele sau balasturile electronice. Balastul electronic - BE a aparut pe piata in ultimii ani ai decadei '80. Se compune (fig. 2.2-15) din mai multe module inseriate: alimentare, filtru de armonici, redresor, inversor de inalta frecventa de 20 100 kHz. Prin utilizarea frecventei inalte se asigura o crestere a eficacitatii luminoase de circa 25% (la valoarea uzuala de 30 kHz), pierderi de putere foarte scazute, aprindere rapida, fara palpairi, solicitari minime ale elctrozilor si pulberii fluorescente ce conduc la marirea duratei de viata pana la 30.000 ore, factor de putere aproape unitar, eliminarea efectului stroboscopic si intreruperea conectarii lampii defecte. Pretul de cost este de 28 32 USD, cu circa 60 75% mai mult decat un balast electromagnetic modern, cu pierderi de putere reduse. Economia de energie fiind de circa 20%, eficienta unei investitii in utilizarea LFT de inalta frecventa si BE depinde de costurile locale ale lampii, balastului, energiei electrice si de durata de functionare zilnica (anuala) a instalatiei de iluminat (vezi cap. 2.8).

Utilizare. Avantajele pe care le prezinta LFT fata de alte surse de lumina, ca eficacitatea luminoasa ridicata, durata mare de viata, spectrul de radiatie complet, forma tubulara, luminanta redusa fac ca majoritatea instalatiilor de iluminat interior in cladirile social-administrative, culturale si industriale sa fie realizate cu aceste lampi. Exista recomandari specifice de utilizare in functie de caracteristicile colorimetrice ale LFT - tabelul 2.2-5.

b. Lampi fluorescente compacte - LFC

Constructie si principiu de functionare. LFC au aparut la mijlocul deceniului '70 ca o sursa de lumina eficienta, pentru a fi utilizate in aplicatiile consacrate LIG. Ele combina o eficacitate luminoasa ridicata si caracteristici colorimetrice bune cu un consum scazut de energie electrica si o durata de viata mare (in medie 8000 ore fata de 1000 ore pentru LIG). Pentru a obtine o forma compacta, asigurandu-se insa si lungimea necesara coloanei luminoase a descarcarii electrice, tubul de descarcare este indoit in forma de U sau dublu U, ori este fractionat in doua sau patru segmente paralele scurte, unite la capete - figura 2.2-16. Electrozii lampii sunt racordati la un soclu tip filet sau cu un format special. In prezent se fabrica doua tipuri de LFC, cu o constructie integrala (cu balast magnetic sau electronic incorporat in soclu), respectiv cu o constructie modulara (cu balast independent) - figura 2.2-17. Primul tip este destinat sa inlocuiasca nemijlocit LIG in corpurile de iluminat existente, cel de-al doilea necesita un dispozitiv de adaptare sau corpuri de iluminat specifice. Pulberea fluorescenta este de tipul tri-fosfor cu emisie luminoasa in trei benzi inguste de culoare.

Caracteristici de functionare. Lampile fluorescente compacte - LFC au: - puterea nominala de 9 23 W (inclusiv pierderile in balast) pentru cele create ca alternativa la LIG, ajungand pana la 55 W (exclusiv pierderile in balast) pentru cele destinate sa fie o alternativa de mici dimensiuni fata de LFT; - eficacitatea luminoasa intre 45 85 lm/W; - durata de viata de 8000 ore. Temperatura de culoare corelata de 2700 K si radiatia in benzile de culoare fundamentale confera acestei lampi o excelenta culoare aparenta alb-cald sau alb-lumina zilei si o buna redare a culorilor (R_a = 80). Reglajul (diminuarea) fluxului luminos este posibil pana la o valoare minima de 50% din fluxul luminos nominal.

Alimentare. LFC integrate se racordeaza direct la reteaua de alimentare, in soclurile tip Edison specifice LIG. Cele modulare se introduc in corpuri de iluminat speciale de mici dimensiuni, in care sunt montate si balasturile corespunzatoare.

Utilizare. LFC au dimensiuni compacte, comparabile cu cele ale LIG si mult reduse fata de LFT. Pentru acelasi flux luminos emis de LIG, puterea consumata este de 4 5 ori mai mica iar durata de viata de 5 8 ori mai mare. LFC de puteri pana la 25 W sunt destinate inlocuirii LIG, iar cele de puteri peste 25 W concureaza LFT similare.

Exemplu. Sa se analizeze eficienta economica inlocuirii lampilor cu incandescenta cu lampi fluorescente compacte intr-o instalatie de iluminat interior.

Solutie. Eficienta economica a solutiei propuse se determina prin mai multe metode. Una dintre ele, simpla dar nu suficient de riguroasa consta in compararea costului real al iluminatului - costul per 1000 ore de functionare.

a) Costul real al iluminatului

1. Pretul unui KWh . lei/kWh

2. Puterea unei lampi .. W

3. Costul a 1000 ore de consum al lampii - inmultiti 1x2

(1x2) .. lei / 1000 ore

4. Durata de viata a lampii in mii de ore (durata de viata impartita la 1000)

.. mii de ore

5. Costul unei lampi .. lei

6. Costul unei lampi per 1000 ore de functionare

(5:4) . lei / 1000 ore

7. Costul total per 1000 ore de functionare (energie electrica + lampi)

(3+6) . lei / 1000 ore

Observatie - Pentru a compara doua lampi diferite, trebuie sa luam in considerare fluxul luminos emis de cele doua lampi si sa introducem in calculele de comparatie un numar echivalent de lampi.

De exemplu - LIG de 100 W emite 1380 lm si are durata de viata de 1000 ore. LFC de 20 W emite 1200 lm si are durata de viata de 8000 ore. Astfel, o lampa cu incandescenta de 100 W este echivalenta din punct de vedere al fluxului luminos emis cu 1380/1200=1,15 lampi fluorescente compacte de 20 W.

Pentru aplicarea metodei prezentate: 1 kWh = 600 lei (pretul maximal); costul unei LIG 100 W = 4000 lei; costul unei LFC 20 W = 150.000 lei. Rezulta LIG - 64.000 lei / 1000 ore; LFC - 30.750 lei / 1000 ore

Vom compara astfel cele 64.000 lei/1000 ore ale LIG cu cele 35.362 (=30.750x1,15) lei/1000 ore ale LFC echivalente (pentru a avea aceeasi emisie de flux luminos de 1380 lm). Deci, desi costul unei lampi fluorescente compacte pare (si este) prea scump pentru puterea noastra de cumparare, el reprezinta 55,25% din pretul pe care il platim pe durata de 1000 ore de functionare a unei lampi cu incandescenta de 100 W. Iar 1000 ore de functionare inseamna 4 ore pe zi x 250 zile, adica investitia initiala se amortizeaza dupa 250/360=0,68 ani!! dupa care iluminatul devine mai ieftin.