Срок службы люминесцентных ламп
Срок службы люминесцентных ламп определяется многими причинами, которые можно разделить на три основные группы: конструктивные, технологические или производственные и эксплуатационные, включая ПРА.
Подавляющая часть люминесцентных ламп выходит из строя из-за того, что люминесцентная лампа перестает зажигаться в результате полного использования оксида и потери эмиссии. Небольшая часть люминесцентных ламп выходит из строя по другим причинам, например вследствие перегорания или обрыва спирали, натекания и т. п. Если исключить эти случайные причины, то можно принять, что продолжительность горения люминесцентных ламп определяется в основном запасом (привесом) оксида на электродах и скоростью его расходования. Привес оксида зависит от конструкции катода и в среднем для данного типа ламп является величиной заданной. Фактический привес оксида у каждой лампы может отличаться от среднего и определяется технологическим разбросом при производстве. Скорость расходования оксида определяется режимом работы катодов в процессе зажигания ламп и условиями горения.
К числу наиболее важных причин производственного характера, влияющих на срок службы люминесцентных ламп определенного типа, относятся давление наполняющего газа, чистота газа и качество вакуумной обработки катодов и лампы, привес оксида, количество ртути.
Число причин эксплуатационного характера, влияющих на продолжительность работы ламп, весьма велико. Среди них особо надо выделить тип и параметры ПРА. Поскольку ПРА определяет условия зажигания и горения люминесцентных ламп, работа люминесцентных ламп всегда должна рассматриваться в неразрывной связи с ним. К числу других эксплуатационных причин относятся изменения напряжения сети, число включений и длительность цикла, окружающая температура, условия охлаждения, влажность и т. д.
В реальных условиях эксплуатации ввиду одновременного действия многих и часто не контролируемых причин кривая распределения ламп по продолжительности горения будет шире и иной формы, чем при контрольных испытаниях.
Ниже рассмотрено влияние различных факторов на продолжительность горения стандартных люминесцентных ламп.
Влияние давления инертного газа. Снижение давления инертного газа приводит к существенному снижению срока службы лампы, поскольку облегчаются условия для распыления оксида.
В производственных условиях разброс давления в отдельных люминесцентных лампах из-за больших допусков на диаметр и по другим причинам может достигать 10—15%, так что разброс по сроку службы только по этой причине может доходить до 50%. Отсюда ясно, насколько важны контроль и поддержание постоянства давления инертного газа в процессе изготовления люминесцентных ламп.
Влияние рода наполняющего газа и примесей. Чем меньше молекулярный вес газа, тем меньше срок службы люминесцентной лампы. Это объясняется, во-первых, тем, что с уменьшением молекулярного веса газа уменьшается его защитная роль в отношении распыления оксида, во-вторых, тем, что увеличивается катодное падение потенциала, что приводит к усиленному распылению оксида. Так, при замене Аг на Ne при тех же условиях срок службы падает до 40%, а при Кг соответственно повышается до 180%.
Примеси молекулярных газов, содержащие кислород, снижают срок службы люминесцентных ламп, так как вызывают отравление катода и ухудшение его эмиссионных способностей. Водородсодержащие примеси вредно сказываются на полном сроке службы, так как приводят к повышению напряжения зажигания и увеличению пиков повторного зажигания .
Влияние «холодных» зажиганий. «Холодные» зажигания приводят к существенному снижению срока службы стандартных люминесцентных ламп. Если срок службы при достаточно прогретых катодах принять за 100%, то при 50% «холодных» зажиганий он снижается примерно до 70%, а при 100% «холодных» зажиганий составляет всего 30%. Поэтому в схемах с «холодным» зажиганием необходимо применять люминесцентных ламп со специальными катодами.
Влияние формы кривой тока. Чем больше коэффициент амплитуды кривой тока и круче фронт, тем меньше срок службы люминесцентных ламп. Если срок службы при синусоидальной форме кривой тока (коэффициент амплитуды 1,41) принять за 100%, то при коэффициенте амплитуды 2 продолжительность горения падает на 30—40%- Поэтому в требованиях на ПРА указано, что коэффициент амплитуды не должен превосходить 1,7; при этом коэффициенте срок службы составляет около 95%' срока службы при синусоидальной форме кривой тока (см. ГОСТ 16809—78).
Влияние силы тока. Увеличение силы тока по сравнению с оптимальной для работы катодов вызывает снижение срока службы люминесцентных ламп. Уменьшение силы тока ниже определенного предела также вызывает снижение срока службы.
Влияние напряжения сети. С ростом напряжения сети срок службы люминесцентных ламп падает, но значительно меньше, чем для ламп накаливания. Так, при повышении напряжения на 20% срок службы люминесцентных ламп, работающих в схеме с дросселем, падает до 50%, в то время как у ламп накаливания он падает больше чем в 10 раз. При работе ламп в цепи с емкостным балластом изменения напряжения сети влияют на срок службы меньше, чем при работе в цепи с дросселем, но по абсолютному значению срок службы оказывается ниже.
Рост срока службы при уменьшении напряжения сети наблюдается только в ограниченных пределах, так как при снижении напряжения ниже определенной величины лампа гаснет .
Влияние продолжительности цикла и числа включений. Опыты показали, что при прочих одинаковых условиях на продолжительность горения влияет число включений и продолжительность цикла горения. Предполагая, что во время каждого включения происходит дополнительный расход оксида, можно записать фактическую продолжительность горения лампы тф следующим образом:
Тф=тн—Ат,
где тн — продолжительность горения в тех же точно условиях при непрерывном горении без выключений и повторных включений; п — число включений; Ат — уменьшение срока службы в расчете на одно включение — «цена включения» .
Анализ имеющегося экспериментального материала показывает, что Ат зависит от длительности цикла включения, причем в разных экспериментах получается совершенно различный характер зависимости. Это свидетельствует о том, что Ат должно зависеть также и от других причин, не учтенных при экспериментах. К их числу надо отнести в первую очередь длительность цикла выключения, которая, безусловно, должна влиять на зажигания. Поэтому наряду с «ценой включения» формально следовало бы ввести и «цену выключения», которая может иметь и обратный знак.
Об ускоренных испытаниях люминесцентных ламп на продолжительность горения. Средняя продолжительность горения современных люминесцентных ламп с самокалящимися катодами согласно ГОСТ 6825—74 должна быть не менее 15 тыс. ч. Поэтому длительность испытания ламп на срок службы при круглосуточном горении составляет больше 600 сут, т. е. около 1,7 г. Совершенно ясно, что результаты подобных испытаний не могут быть использованы для оперативного наблюдения за качеством текущей продукции. Поэтому непрерывно ведутся работы по созданию ускоренных методов испытания ламп на срок службы.
Было исследовано много методов, которые, как правило, сводились к форсированию одного или нескольких параметров, влияющих на срок службы люминесцентной лампы, и попытке установить соответствующий пересчетный коэффициент. Однако при сильном форсировании параметров, необходимом для существенного сокращения срока испытания, физические условия работы лампы меняются настолько, что введение пересчетных коэффициентов не может дате надежных результатов .
Из различных методов наибольшего внимания заслуживают метод ускоренных испытаний в режиме частых включений, а также методы контроля количества оксида и скорости его расхода.
В основе метода частых включений лежит предположение о том, что расход оксида происходит в основном в процессе включения ламп. Но, как было указано, цена включения не учитывает всех сторон процесса и пока для нее не установлено однозначной зависимости.
Количество оксида на катоде в готовой лампе может быть определено по изменению теплоемкости катода по сравнению с его теплоемкостью без оксида. Однако большой разброс параметров катодов у отдельных ламп весьма затрудняет использование этого метода на практике.
В основе метода ускоренной оценки срока службы ламп по скорости перемещения катодного пятна лежит предположение о том, что известен закон перемещения пятна и он остается неизменным. Тогда, определив величину перемещения пятна за небольшой по сравнению с полным сроком службы лампы промежуток времени, можно рассчитать время, в течение которого должен израсходоваться весь оксид .
В последние годы интенсивно разрабатываются математические методы анализа качества изделий, в том числе и источников света, основанные на использовании вероятностно-статистических корреляционных моделей .
Для оперативной оценки качества люминесцентных ламп в условиях производства следует систематически вести контроль на всех производственных операциях, в частности регулярно контролировать давление газа в лампе (путем измерения напряжения на лампе) и его чистоту (по напряжению возникновения высокочастотного разряда). Ориентировочное представление о сроках службы люминесцентных ламп дает наблюдение за характером, интенсивностью и скоростью появления темных налетов на концах трубки в районе электродов. Появление интенсивных налетов к концу 1000 ч горения свидетельствует о сильном распылении электродов и низком сроке службы лампы.