Плазменные светильники: экологичность и сплошной спектр
Первым электрическим источником света, получившим широкое распространение, были лампы накаливания. Позже принцип их работы был усовершенствован, в результате чего появились галогенные лампы накаливания (ГЛН). При всех недостатках у ГЛН есть одно важное преимущество — спектр их излучения непрерывен и близок к солнечному.
Эволюция источников света привела к появлению газоразрядных ламп, принцип работы которых основана на электрическом разряде в парах металлов. В частности, разновидностью газоразрядных ламп являются люминесцентные. В них разряд происходит в парах ртути, в результате создается свечение в ультрафиолетовом диапазоне, которое преобразуется люминофором в видимый свет. Другой разновидностью газоразрядных ламп являются металлогалогенные (МГЛ). Для получения свечения в видимом спектре в горелку добавляются галогениды некоторых металлов.
Свет, излучаемый МГЛ, многими людьми признается «неестественным». Цвет предметов, освещенных такими лампами, может быть сильно искажен. Попробуйте, например, почитать журнал с множеством цветных фотографий под освещением МГЛ, а затем выйдите с ним на улицу под солнечный свет, и вы сразу заметите, что под МГЛ некоторые оттенки выглядят иначе. Причина заключается в том, что спектр МГЛ не является непрерывным, как у Солнца или ГЛН, а состоит из отдельных линий. Соотношение интенсивностей этих составляющих выбрано таким образом, что свет от МГЛ кажется нам белым, но при отражении света с подобным спектром от предметов возможны искажения цвета.
В результате электрического разряда в газе возникает плазма, так что все газоразрядные источники света можно отнести к плазменным. Решением проблемы является выбор серы в качестве вещества для получения плазмы и последующей эмиссии света. Так как сера в состоянии плазмы излучает свет в процессе молекулярной, а не атомной эмиссии, спектр излучения остается непрерывным во всем видимом диапазоне (о причинах подробнее — см. врезку). При этом 73% общей эмиссии излучается в видимом диапазоне, около 20% в инфракрасном и менее 1% в ультрафиолетовом. Но использовать для серы традиционные электроды не представляется возможным, поскольку раскаленные пары серы мгновенно вступают в реакцию с металлом и разрушают электрод. Здесь требуются новые подходы, а, именно, возбуждение плазмы СВЧ-излучением.
Немного истории
«Плазменной лампой» часто называют бытовой светильник в виде шара, в котором возникают миниатюрные молнии разных цветов. Это устройство было изобретено выдающимся сербским инженером Николой Тесла еще в 1894 году и стало прообразом современных газоразрядных источников света. Однако, светильники, о которых пойдет речь, напоминают указанную «плазменную лампу» только тем, что в обоих случаях светится плазма. Но принцип ее возбуждения совсем другой.
Плазменные светильники на основе серы были изобретены в 1990 году американскими учеными Майклом Ури (Michael Ury) и Чарльзом Вудом (Charles Wood). Разработка получила поддержку Департамента энергетики США, и уже в 1992 году был продемонстрирован первый реально работающий образец плазменного светильника на основе серы.
Современная история плазменных светильников начинается в 1994 году с разработок компании Fusion Lighting. Со временем к разработкам плазменных ламп подключились компании Ceravision и Luxim. К сожалению, первые опыты оказались неудачными с точки зрения маркетинга. Компания Fusion Lighting свернула производство плазменных ламп в 1998 году, а в 2002 году вообще прекратила свое существование. Ее патенты перешли в собственности компании LG. Параллельно в 90-х годах исследования по плазменным светильникам велись в Китайской инженерно-физической академии. Результаты были реализованы на практике компанией Ningbo Youhe New Lighting Source, которая в 2001 году начала массовый выпуск «серных» светильников. В настоящее время деятельность этой компании также свернута.
И только выход на рынок плазменных светильников компании LG, имеющий большой задел в области СВЧ-технологий, изменил ситуацию. Стремление компании LG постоянно находиться на острие технологий привело к созданию в компании специализированного подразделения по разработке самых передовых устройств освещения. И одним из приоритетных направлений данного подразделения в настоящий момент являются именно плазменные светильники как наиболее перспективные и технологически совершенные устройства освещения. Серийное производство плазменных светильников было запущено в 2010 году, и в настоящее время компания LG является единственным в мире массовым производителем такой продукции.
Как это работает
В основе работы плазменного светильника лежит принцип микроволновой ионизации газов. Микроволновое излучение, испускаемое магнетроном (впрочем, так как это уже не микроволновая печь, а светильник, в LG придумали новый термин — «лайтрон»), возбуждает пары серы в аргоне внутри колбы лампы. При достижении определенного значения рабочей температуры высокоионизированный газ переходит в состояние плазмы, которое начинает постоянно испускать свет.
Излучатель представляет собой запаянную стеклянную колбу диаметром 30 мм, в которой находятся аргон и несколько миллиграмм серы. При необходимости достижения определенного спектра внутрь колбы могут добавляться и другие вещества. Колба помещена в микроволновый резонатор, в который через волновод подается СВЧ-излучение от магнетрона. Резонатор представляет собой «корзину» из мелкоячеистой сетки. Свет через нее проходит, а СВЧ-излучение — нет. При разогреве аргона давление в колбе может достигать 5 атм. Важным моментом является необходимость охлаждения колбы, так как при слишком высоких температурах сера теряет полиморфные свойства, из-за чего спектр излучения может стать линейчатым.
|
|
Колба вращается для равномерного нагрева газа. Впрочем, есть вероятность, что в будущем эта проблема будет принципиально решена, например, путем использования микроволн с круговой поляризацией, которые будут сами заставлять плазму вращаться.
Все компоненты, необходимые для производства подобных ламп, уже давно освоены компанией LG в массовом производстве. Например, применяемый в устройстве магнетрон с рабочей частотой 2,45 гигагерца производится по уже существующей технологии магнетрона для микроволновых печей LG, что делает и саму технологию, и производимую по ней продукцию в конечном итоге доступной и конкурентноспособной по цене.
Применение плазменных светильников
В основном осветительные приборы данного типа предназначены для общественных, торговых и спортивных зданий и сооружений, конференц-залов, промышленных и складских помещений, теплиц. Главным образом, это помещения с высотой потолков от 6 м, для которых сложно реализовать освещение иными способами.
В отличие от светодиодных ламп, плазменные светильники могут создавать большой световой поток, и тем самым пригодны для освещения больших пространств — открытых территорий, стадионов, подсветки флагштоков и рекламно-информационных щитов, подсветки зданий и сооружений, и так далее. Следует отметить, что для стадионов, конференц-залов и других публичных мест, откуда могут вестись телевизионные трансляции, плазменные светильники представляются наилучшим вариантом освещения, поскольку обладают сплошным световым спектром и отсутствием пульсаций, что благотворно влияет на качество телевизионной «картинки». Также они хорошо подойдут для выставочного бизнеса, где востребованы высокая мощность, большой срок работы и качество светового потока.
Примеры плазменных светильников LG Electronics
| Модель | PSH0731B | PSF1032A |
| Тип | потолочный светильник | прожектор |
| Потребляемая мощность, Вт | 730 | 1030 |
| Световой поток, лм | 58500 | 85000 |
| Цветовая температура, K | 4500/6500/7500 | 7500 |
| Параметры электропитания | 220 – 240 В, 50/60 Гц | 220 – 240 В, 50/60 Гц |
| Масса, кг | 19 | 20 |
| Особенности | доступны три типа отражателей, дистанционное управление опусканием и подниманием (опционально) | степень защиты IP55, доступны три типа отражателей, наличие цветных фильтров (опционально) |
| Ориентировочная цена, руб. | 33360 | 76890 |
Если сравнивать плазменные светильники со светильниками на основе МГЛ, то, во-первых, налицо разница в светоотдаче. Светоотдача всего светильника на МГЛ оставляет примерно 60 – 80 лм/Вт. Плазменный светильник имеет светоотдачу 80 – 85 лм/Вт.
Далее, свет плазменного светильника излучает в разы меньше ультрафиолета — на 92% меньше, чем галогенные лампы накаливания с колбой из кварцевого стекла и на 66% меньше, чем люминесцентные лампы, что благотворно влияет на здоровье людей, работающих под светом таких ламп.
Вообще, плазменные светильники оказались не в пример экологичнее, чем ртутные, металло-галогенные и люминесцентные. Например, содержание ртути в ртутной лампе — 200 – 250 миллиграмм, в металло-галогенной — 100 – 150 миллиграмм, в люминесцентной — 10 – 20 миллиграмм; в плазменном же светильнике ртути нет вообще, что ставит плазменные светильники на одну ступеньку по экологичности со светодиодными. Также плазменные светильники не содержат ни свинца, ни мышьяка.
Спектр излучения светильников данного типа по своему спектральному составу очень близок к естественному свету, излучаемому солнцем. Плазменные лампы от LG характеризуются высоким индексом цветопередачи CRI — более 80 единиц. Если сравнить графики световых спектров, выдаваемые различными типами металлогалогенных ламп и плазменной лампой, то можно увидеть, что спектр первых является «линейчатым», а спектр последних сплошной и максимально приближен к спектру настоящего солнечного света.
Важное преимущество плазменного светильника — быстродействие. Например, чтобы после включения светильник стал светить на 80% от номинальной мощности, нужно всего 12 с. После выключения повторно можно включить светильник через 5 минут. Для сравнения, МГЛ требует на разогрев около 4 минут, а ее повторное включение возможно не раньше, чем через 15 мин.
Также, со временем они практически не подвержены «выработке» — светоотдача плазменного светильника составляет 90 процентов от начального значения на всем протяжении периода его службы, в то время как у люминесцентных ламп она может упасть ниже 40%. Серная лампа не имеет электродов (а это одно из самых слабых мест газоразрядных и люминесцентных ламп, поскольку более 60 процентов отказов подобных ламп случаются по вине выхода из строя электродов), что позволило компании LG довести средний срок службы источника света до 50 тыс. часов. Для сравнения, срок службы натриевых ламп высокого давления составляет 15 – 20 тысяч часов.
Помимо всего прочего, плазменная лампа оказалась прекрасным источником света для растений в силу особенностей своего спектра — по спектральной составляющей он наиболее близок к солнечному среди всех присутствующих на рынке, это благодатно сказывается на ходе процессов фотосинтеза, которые обычно идут только под солнечным светом. Некоторые ученые считают плазменные светильники наиболее перспективными источниками света для оранжерей.
А. Фролов
Источник: Магазин Свет
