Влияние напряжения питания на цветовые характеристики компактных люминесцентных ламп

КЛЛ излучают свет посредством электрического разряда в атмосфере паров ртути (при давлении около 1 Па) и инертного(ых) газа(ов) (аргон, криптон-аргон, неон-аргон, ксенон-аргон) (при давлении 100-400 Па). Линии излучения разряда (ртутные) лежат в основном в УФ области спектра (253,7 и 365,4 нм) и, в меньшей мере, в видимой (404,7; 435,8; 546,1; 577 и 579,1 нм.

Внутренняя поверхность разрядной трубки КЛЛ покрыта люминофором, который трансформитует часть УФ излучения в видимое. Большинство КЛЛ имеют трёхполосный люминофор. Длины волн резонансных линий фиксированы и определяются наполнением, но соотношение их энергий в спектре излучения зависит от давления паров ртути.

При проектировании ламп необходимо определять их конструктивные особенности (длину, диаметр разрядной трубки, род и давление газов, электроды, люминофор и т. д.), а также номинальные значения таких рабочих параметров, как сетевое напряжение питания (U), мощность, световой поток, цвет излучения, световая отдача, рабочая температура и т. д.

Хотя цветовые характеристики КЛЛ определяются в основном люминофором, они могут меняться при изменении давления в трубке, вызываемого изменением режима эксплуатации ламп.

Основными факторами, при эксплуатации, влияющими на давление паров ртути и, соответственно, на цветовые характеристики КЛЛ, являются U и окружающая температура. В настоящей статье рассматривается только влияние U.

При изменении U пропорционально меняется ток КЛЛ и, соответственно, мощность, внутренняя температура разрядной трубки, давление паров ртути и, в конечном счёте, световой поток лампы.

Описание эксперимента

Спектральное распределение энергии излучения измерялось спектрорадиометром MINOLTA CS 1000. U менялось от 160 до 240 В с шагом в 10 В. Окружающая температура поддерживалась при этом в диапазоне 21-23°С. В качестве экспериментальных образцов брались 30 КЛЛ с двухштырьковыми цоколями, 15 из которых были тёпло-белого света (коррелированная цветовая температура (Тц) 2700 К, номинальная) и 15 холодно-белого (Тц = 4000 К). Лампы были изготовлены различными фирмами. Их номинальные мощности – 7, 9 и 11 Вт. В соответствии с рекомендациями МЭК (1991) лампы перед измерениями отжигались при номинальном напряжении сети в течение 100 ч.

Перед каждым измерением лампы выдерживались в исследуемом режиме в течение 12 ч, поскольку это минимальное время, необходимое для стабилизации электрических и тепловых характеристик КЛЛ. Измерения велись в диапазоне длин волн 380-780 нм с разрешением в 1 нм.

По результатам измерений для каждой лампы при каждом напряжении питания определялись следующие цветовые характеристики: Тц; координаты цветности х, у; общий индекс цветопередачи (Ra) и специальные индексы цветопередачи (Ri).

Результаты

Из рис. 1 и 2 видно, что излучение ламп меняется при изменении U: чем больше U, тем больше излучение. А из рис. 3 и 4 следует, что для ламп одного типа нормированные спектры излучения практически не зависят от U.

Рис. 1. Спектры излучения КЛЛ мощностью 11 Вт с номинальной цветовой температурой 2700 К, измеренные при сетевых напряжениях питания 160 (сплошная красная линия), 220 (штрихпунктирная чёрная линия) и 240 (пунктирная линия) В

Рис. 2. Спектры излучения КЛЛ мощностью 7 Вт с номинальной цветовой температурой 4000 К, измеренные при сетевых напряжениях питания 160 (сплошная красная линия), 220 (штрихпунктирная чёрная линия) и 240 (пунктирная линия) В

 
В табл. 1, а и 1, б (см. Приложение) приведены значения яркости (Lv) и энергетической яркости (Le) КЛЛ с номинальными Тц = 2700 и 4000 К разной номинальной мощности при разных U. Средние значения отношения Lv/Le для ламп с номинальными Тц = 2700 и 4000 К равны (354±2) и (388±2) лм/Вт соответственно. То, что разброс этих значений составляет менее 1%, показывает, что при изменении U в диапазоне 160-240 В формы спектров излучения КЛЛ с одинаковой номинальной Тц не меняются (что и видно из рис. 3 и 4). Как и следовало ожидать, зависимость Lv от U больше у ламп большей номинальной мощности. Усреднённые зависимости показывают, что изменение U на 1% в диапазоне 90-110% от номинального значения вызывает изменение Lv на 1%. При U, меньших 90%, эти изменения больше 1%.

Рис. 3. Нормированные относительные спектры излучения, полученные усреднением нормированных спектров излучения всех образцов КЛЛ с номинальной коррелированной цветовой температурой 2700 К, измеренных при сетевых напряжениях питания 160 (сплошная линия), 220 (штрихпунктирная линия) и 240 (пунктирная линия) В

Рис. 4. Нормированные относительные спектры излучения, полученные усреднением нормированных спектров излучения всех образцов КЛЛ с номинальной коррелированной цветовой температурой 4000 К, измеренных при сетевых напряжениях питания 160 (сплошная линия), 220 (штрихпунктирная линия) и 240 (пунктирная линия) В

 
Из кривых на рис. 6 видна весьма слабая зависимость реальных ламп разной мощности с разными номинальными Тц от U в диапазоне 160-240 нм. В этом диапазоне средний разброс реальных Тц у ламп с номинальными Тц = 2700 и 4000 К составляет 15 и 8 К соответственно. Из левой половины рис. 6 также следует, что у ламп с номинальной Тц = 2700 К реальные Тц у ламп мощностью 7 Вт ниже номинальной Тц, а для ламп мощностью 9 и 11 Вт – в основном выше: 2650-2850 К. Из правой половины рис. 6 следует, что у ламп всех указанных мощностей с номинальной Тц = 4000 К реальные Тц ниже номинального значения, составляя 3750-3850 К. В обоих случаях это явление не может служить очевидным основанием для классификации результатов в соответствии с номинальной мощностью ламп. Специальное программное обеспечение измерительной аппаратуры позволило нам вычислять Ra и все Ri по измеренным спектрам излучения всех образцов ламп при всех U. Небольшие значения σ показывают, что указанные индексы цветопередачи всех образцов ламп соответственно одинаковы вне зависимости от их номинальной мощности. Более того, значения Ra и Ri практически не меняются при изменении U в диапазоне 160-240 В (каждый индекс меняется не более, чем на две единицы). В соответствии с публикацией МКО 13.3 (1995) это означает, что глаз не замечает изменения цвета ламп с номинальными Тц = 2700 и 4000 К при изменениях U в диапазоне 160-240 В. Ещё одна характеристика, рассматриваемая в настоящей статье, – цветность излучения, определяемая координатами цветности х, у. Последние вычислялись для каждого U по измеренным спектрам излучения двух ламп: мощностью 7 (с номинальной Тц = 2700 К) и 11 (4000 К) Вт (см. рис. 7).

Рис. 5. Зависимости относительных значений яркости Lv КЛЛ мощностью 7, 9 и 11 Вт с номинальными коррелированными цветовыми температурами 2700 K (слева) и 4000 K (справа) от относительных значений сетевого напряжения питания U

Рис. 6. Рассчитанные по измеренным спектрам излучения зависимости коррелированной цветовой температуры Тц КЛЛ мощностью 7, 9 и 11 Вт с номинальными Тц = 2700 (слева) и 4000 (справа) К от сетевого напряжения питания U

Рис. 7. Изменения координат цветности излучения х, у КЛЛ мощностью 7 (слева) и 11 (справа) Вт с номинальными коррелированными цветовыми температурами 2700 и 4000 К соответственно при изменении сетевого напряжения питания в диапазоне 160-240 В. Центры эллипсов Макадама в обоих случаях соответствуют номинальному сетевому напряжению питания (220 В)

 
В обоих случаях наблюдается рост ординаты у с ростом U от 160 до 240 В (в общем-то, это относится и к абсциссе х). Однако, при этом х, у не выходят за пределы эллипса Макадама. Это означает, что при изменении U ощутимых изменений цветности излучения ламп не происходит.

На рис. 8 приведены результаты вычислений х, у для всех образцов ламп с номинальными Тц = 2700 (слева) и 4000 (справа) К, а также изотермы и линии цветностей абсолютно чёрного тела). Там же изображены эллипсы Макадама для 3-х указанных выше мощностей ламп, соответствующие номинальному U, контуры которых соответствуют едва заметному различию цветов. И кроме того, добавлен подобный же эллипс с центром в точке (х, у), являющейся усреднённым положением центров трёх указанных эллипсов. С ростом напряжения питания, соответственно, меняется и цветность ламп. Изменения подобны для всех ламп, независимо от их номинальной мощности. Тем не менее заметна тенденция группирования соответствующих точек (х, у) в соответствии с мощностью ламп (рис. 8). Исключения из этого вносят образцы ламп с разными торговыми знаками.

Рис. 8. Изменения координат цветности х, у всех образцов КЛЛ с номинальными коррелированными цветовыми температурами 2700 (слева) и 4000 (справа) К при изменениях сетевого напряжения питания от 160 до 240 В

Рис. 9. «Траектория» цветности (х, у) одного исследуемого образца КЛЛ мощностью 11 Вт с номинальной коррелированной цветовой температурой 4000 К, её соответствующая линейная аппроксимация и прямая линия с угловым коэффициентом mav, характеризующая поведение всех образцов КЛЛ данного типа при изменении сетевого напряжения питания (слева), и то же для остальных образцов этой лампы, включая их линейные аппроксимации (справа)

 
Особое внимание следует обратить на правую половину рис. 8 и там, особенно, на нижнюю левую кривую, соответствующую лампам мощностью 11 Вт с номинальной Тц = 4000 К. Линейная аппроксимация этой кривой (по методу наименьших квадратов) показана на рис. 9 (левая половина). Таким же образом можно получить линейные аппроксимации кривых, соответствующих образцам всех ламп, определить их угловые коэффициенты и усреднением последних получить средний угловой коэффициент (mav). Тем самым представляется возможным представлять поведение каждой отдельной лампы при изменении U прямой линией с угловым коэффициентом mav, проходящей через точку (х, у), соответствующую данной лампе, работающей при номинальном U. Если обозначить эту точку как (хо, уо), то изменение цветности излучения лампы при изменении напряжения питания можно выразить следующим образом:

где i обозначает номер лампы; (хо, уо) обозначает, как уже говорилось, координаты цветности лампы при номинальном U (220 В); mav – равен 2,04. Изменения координат цветности при изменении напряжения питания определяются следующими выражениями:
для ламп с номинальной Тц = 2700 К

для ламп с номинальной Тц = 4000 К

На рис. 9 представлены результаты аналогичных измерений остальных ламп, аппроксимированные прямой линией.

Заключение

Исследовалась зависимость цветовых характеристик КЛЛ от напряжения питания и окружающей температуры. В настоящей статье приведены данные, касающиеся зависимости цветовых характеристик КЛЛ только от U. Все представленные здесь данные соответствуют лампам, анализируемым в «базовой» позиции.

Как и ожидалось, значения Lv стабильно меняются при изменении U, причём с ростом U световой поток ламп растёт. Это можно было бы предсказать на основании принципа действия КЛЛ. Данный факт позволяет рассматривать Lv в качестве контрольной переменной, что обеспечивает надёжность получаемых результатов при измерении цветовых характеристик КЛЛ. Из полученных данных видно, что с ростом U световой поток ламп растёт и наоборот. При изменении U в диапазоне 90-110% от номинального значения на 1% Lv также меняется на 1% (см. рис. 5).

Относительное спектральное распределение энергии излучения КЛЛ практически не зависит от U для всех испытуемых ламп (см. рис. 3 и 4). То же самое можно сказать и о таких цветовых характеристиках, как Тц, Ra и Ri.

Легко видеть, что изменения Тц при изменении U от 160 до 240 В значительно меньше разброса Тц от образца к образцу: (170-190) и (80-100) К для ламп с Тц = 2700 и 4000 К соответственно.

Индексы цветопередачи (Ra и Ri) также незначительно меняются при изменении питающего напряжения от 160 до 240 В: не более, чем на две единицы. В соответствии с публикацией МКО 13.3 это свидетельствует об отсутствии различимых изменений в цветности.

С другой стороны, координаты цветности кажутся единственным показателем, явно меняющимся при изменении U. При увеличении последнего координаты х и у также увеличиваются. В диапазоне изменения U 160-240 В их изменение соответствует приблизительно едва различимому различию цветов.

В результате исследований было впервые обнаружено, что цветовые характеристики КЛЛ, независимо от номинальной мощности и торгового знака, имеют значительный разброс от образца к образцу и большие отклонения от номинальных значений. Правда, этот факт не имеет существенного практического значения, но когда цвет играет главную роль в светотехническом проекте, разработчик должен владеть всей информацией о характеристиках КЛЛ, в т.ч. об их цветовых свойствах и зависимости этих свойств от работы осветительной системы. Это необходимо для правильного выбора источников света.

В этих случаях, существующей информации о цветовых характеристиках КЛЛ явно недостаточно для проектировщиков освещения. В этой области должны быть произведены улучшения и в описании параметров, и в нормативах по методам контроля, и во многом другом.

В итоге, можно сказать, что изменения цветовых характеристик излучения КЛЛ при изменении U от 160 до 240 В практически пренебрежимо малы и проектировщикам освещения не стоит опасаться этих изменений.