Rok LXXVI 2008 nr 11

17

ANALIZY – BADANIA – PRZEGLĄDY

Dr hab. inż. Antoni Różowicz – Politechnika Świętokrzyska, Kielce

Wpływ wybranych właściwości luminoforów

stosowanych w niskociśnieniowych rtęciowych lampach wyładowczych

na tętnienie światła

Antoni Różowicz

Tętnienie światła lamp fluorescencyjnych jest wadą

z oświetleniowego punktu widzenia. Głębokość tętnienia

jest zależna od cech charakterystycznych lampy związanych

z luminoforem: od jego rodzaju, składu granulacji, sposobu

nałożenia i temperatury barwowej. Wartość współczynnika

tętnienia jest proporcjonalna do temperatury barwowej

przy zasilaniu prądem o częstotliwości 50 Hz. Własności

fosforyzujące luminoforów w znaczący sposób wpływają na

wartość współczynnika tętnienia światła.

w niskociśnieniowych lampach wyładowczych światło powstaje

przez pobudzenie pary rtęci znajdujących się między dwiema elek-

trodami. efektem niskociśnieniowego wyładowania jest generacja

dwóch linii rezonansowych rtęci w części nadfioletu widma 184,9

i 253,7 nm oraz relatywnie słabych linii 313, 365, 405, 435, 546 nm.

intensywność promieniowania wyjściowego uV określają cztery

główne czynniki: ciśnienie par rtęci, rodzaj gazów pomocniczych,

wymiary rury wyładowczej i gęstość prądu.

luminofory wprowadzone na wewnętrzną ściankę rury wyładow-

czej powinny być zdolne do absorpcji promieniowania uV, a ich

pasmo emisyjne powinno być możliwie szerokie i leżeć głównie

w widzialnej części widma. są one zbudowane z kryształów o róż-

nych wielkościach drobin, a więc grubość powłoki luminoforu zale-

ży od rozmiaru cząstek kryształów i ich rozkładu. wpływa to istotnie

na sprawność konwersji promieniowania uV, a zatem na parametry

świetlne niskociśnieniowych rtęciowych lamp wyładowczych.

Rodzaje luminoforów i ich właściwości

jeśli źródłem światła jest wyładowanie niskociśnieniowe rtęci, ist-

nieje potrzeba zamiany promieniowania uV na światło. w tym celu

stosuje się materiały fluorescencyjne umieszczone na wewnętrznej

ściance rury wyładowczej, tzw. proszek fluorescencyjny (lumino-

for). obecnie w świetlówkach (lampach fluorescencyjnych), w za-

leżności od ich docelowego przeznaczenia, stosuje się luminofory,

które można podzielić na kilka grup. Najczęściej dokonuje się po-

działu na dwie grupy:



standardowe – z reguły są to halofosforany wapnia aktywowane

antymonem i manganem,



wąskopasmowe – najczęściej są to aluminiany aktywowane eu-

ropem lub terbem.

lampy fluorescencyjne z luminoforami standardowymi cechują

się niskim wskaźnikiem oddawania barw CRI ≥ 50 (colour ren-

dering index), dlatego ich zastosowanie jest ograniczone.

poprawę wskaźnika oddawania barw w świetlówkach z tego typu

luminoforami uzyskuje się poprzez dodanie różnych związków

chemicznych. doboru tych związków dokonuje się na podstawie

rozkładu emisji luminoforu, lecz poprawę uzyskuje się kosztem

zmniejszenia parametrów świetlnych.

ze względu na dość dobre parametry świetlne coraz szersze za-

stosowanie znajdują świetlówki z luminoforami wąskopasmowymi.

w grupie świetlówek z luminoforami wąskopasmowymi można

wyróżnić trójpasmowe o wskaźniku oddawania barw R

a

≥ 80 (klasa

1b) i o wskaźniku oddawania barw R

a

≥ 90 (klasa 1a). dostępna

jest szeroka gama luminoforów o różnych własnościach emisyjnych

– ważniejsze z nich przedstawiono w tabeli i.

pomimo istnienia takiej ilości i różnorodności luminoforów, które

umożliwiają realizację dowolnej kompozycji widmowej światła lam-

py fluorescencyjnej, wciąż poszukuje się coraz lepszych proszków

fluorescencyjnych. Niezależnie od poprawnej kompozycji proszku

fluorescencyjnego, istnieje kilka innych warunków, jakie muszą

spełniać luminofory, aby uzyskać optymalnie wykonaną lampę.

luminofory zbudowane są z kryształów [4], które pokrywają we-

wnętrzną ściankę rury wyładowczej i konwertują promieniowanie

uV na widzialne (rys. 1).

TABELA I. Przegląd ważniejszych luminoforów

stosowanych w niskociśnieniowych lampach wyładowczych

luminofor

aktywator

kwantowy

współczynnik

absorpcji Ahs

[%]

kwantowy

współczynnik

wydajności

energii QE

[%]

maksimum

emisji

[nm]

glinian

barowo-magnezowy

eu

2+

86

93

449

glinian strontu

eu

2+

89

81

480

glinian

barowo-magnezowy

mn

2+

84

84

514

glinian

magnezowo-cerowy

tb

3+

93

90

542

Boran magnezowo-

-gadolino-cerowy

tb

3+

93

89

545

tlenek itru

eu

3+

78

84

610

Boran magnezowo-

-gadolino-cerowy

mn

2+

,tb

3+

92

78

545, 623

glinian itru

ce

3+

60

31

575

Boran magnezowo-

-terbo-cerowy

mn

2+

78

92

623

18

Rok LXXVI 2008 nr 11

ANALIZY – BADANIA – PRZEGLĄDY

istotne znaczenie ma grubość warstwy luminoforu: jeśli jest

zbyt cienka, część promieni przedostaje się między kryształami

do ścianki szkła bez szansy na absorpcję przez kryształy lumino-

foru i konwersji na światło. z kolei, jeśli jest zbyt gruba, światło

generowane przez głębsze warstwy kryształów zostanie zaabsor-

bowane przez samą warstwę. Trzecim czynnikiem, który wpły-

wa na sprawność lampy, jest rozmiar cząstek kryształów i ich

rozkład. zbyt małe kryształy nie są odpowiednie dla skutecznej

przemiany promieniowania uV na widzialne [3, 7]. odbicia fal

od nich są znacznie większe niż od kryształów o większych roz-

miarach.

luminofory w lampach wyładowczych klasy 1b są wynikiem mie-

szania trzech luminoforów (czerwonego, zielonego, niebieskiego).

warstwa luminoforu w lampie najczęściej nakładana jest metodą

mokrą, na bazie wody lub rozpuszczalnika [6]. biorąc pod uwagę

różną granulację każdego z luminoforów w proszku fluorescencyj-

nym oraz sposób nakładania luminoforu na bańkę, można sądzić, że

grubości powłok luminoforu w lampach, w zależności od tempera-

tury barwowej, mogą się różnić. ocenę tych zależności przeprowa-

dzono metodą skaningu elektronowego. badaniami objęto powłoki

luminoforowe stosowane w niskociśnieniowych rtęciowych lam-

pach wyładowczych o wskaźniku oddawania barw CRI ≥ 80 (klasa

1b) i CRI ≥ 90 (klasa 1a), o różnej temperaturze barwowej. wycin-

kowe obrazy skaningu (widok z góry i przekrój) przedstawiono na

rysunku 2.

wyniki przeprowadzonych badań morfologicznych luminoforów

stosowanych w lampach klasy 1b i klasy 1a wskazują, iż luminofory

w obu typach lamp mają bardzo podobną granulację (w sensie ja-

kościowym), natomiast grubość powłoki luminoforu jest różna i za-

leży od procentowego składu mieszaniny luminoforu (czerwonego,

zielonego, niebieskiego) użytego w lampie, a więc od temperatury

barwowej światła.

rys. 1. konwersja energii elektrycznej na światło w lampie fluorescencyjnej

(promieniowanie uV generowane podczas niskociśnieniowego wyładowania

rtęci jest konwertowane na promieniowanie widzialne poprzez użycie warstwy

proszku fluorescencyjnego)

TABELA II. Parametry powłok luminoforu w lampach klasy 1b

(procentowy udział drobin proszku i grubość powłoki luminoforu)

T

c

[k]

Średnica drobin luminoforu [%]

grubość powłoki

[µm]

≤ 2 µm

≤ 6 µm ≤12 µm ≥12 µm

3000

10

46

33

11

17–22

4000

10

42

36

12

17,5–21

6000

10

39

39

12

16,5–22

rys. 2. luminofory lamp o różnych wskaźnikach oddawania barw: a) widok

z góry, b) przekrój

1 – T

c

= 4000 k, CRI ≥ 80, 2 – T

c

= 6000 k, CRI ≥ 80, 3 – T

c

= 4000 k, CRI ≥ 90

użyte w lampach fluorescencyjnych luminofory powinny absor-

bować promieniowanie 184,9, 253,7, 313 nm – w przypadku lamp

o wskaźniku oddawania barw R

a

≥ 80 – klasa 1b (krzywa A

1

) i 184,9,

253,7, 313, 365, 405, 435 – w przypadku lamp o wskaźniku odda-

wania barw R

a

≥ 90 – klasa 1a (krzywa A

2

),

pochodzące z nisko-

ciśnieniowego wyładowania rtęci (rys. 3). inaczej mówiąc, linie

rezonansowe z niskociśnieniowego wyładowania rtęci powinny być

absorbowane przez luminofor. z kolei pasmo emisyjne luminoforu

powinno być możliwie szerokie i leżeć głównie w widzialnej części

widma.

Grubości powłok luminoforowych w lampach

w literaturze brak jest danych na temat wpływu grubości powłok

luminoforu na parametry świetlne lamp. w związku z powyższym

przeprowadzono cykl badań w tej dziedzinie, metodą skaningu

elektronowego. badaniami objęto lampy fluorescencyjne typu Tl8

klasy 1b, z luminoforem trójpasmowym. wszystkie badane lampy

były tej samej mocy, o takich samych wymiarach. Nalewki lumi-

noforów na krysztale górskim wykonano z suspens technologicz-

nych (z zachowaniem reżimu nakładania i suszenia wymaganego

w produkcji). szczegółowe wyniki badań parametrów fizycznych

powłok luminoforu w lampach klasy 1b przedstawiono w tabeli ii.

otrzymane wyniki wskazują, że grubość powłok luminoforowych

w lampach klasy 1b wynosi od 17 do 22 µm (średnio ok. 20 µm)

i nie zauważa się istotnych różnic w zależności od temperatury bar-

wowej lampy. Natomiast wraz ze wzrostem temperatury barwowej

lampy wyraźny jest trend malejący ilości drobin o średnicy do 6 µm,

z jednoczesnym wzrostem ilości drobin o średnicy powyżej 6 µm.

zależność ta wynika z różnych granulacji poszczególnych lumino-

forów [6] (czerwonego, zielonego, niebieskiego) oraz ich procento-

wego udziału w proszku fluorescencyjnym.

Rok LXXVI 2008 nr 11

19

ANALIZY – BADANIA – PRZEGLĄDY

Wpływ grubości powłok luminoforowych na tętnienie światła

strumień świetlny lamp wyładowczych następuje za przepływem

prądu lampy. dwa razy na każdy okres, tj. 100 razy na sekundę, przy

częstotliwości sieci elektrycznej 50 Hz, prąd ten przechodzi przez

punkt zerowy, także dwa razy osiąga maksimum. zmiana intensyw-

ności światła w rytm zmian prądu przemiennego, od wartości mini-

malnej do maksymalnej, nazywa się tętnieniem światła. Tętnienie

światła można ilościowo wyjaśnić na wykresie opisującym strumień

świetlny w funkcji czasu (rys. 3). ilościowo tętnienie charakteryzuje

głębokość tętnienia, określana za pomocą współczynnika tętnienia

gdzie: I

min,

, I

max

– wartości chwilowe światłości, minimalne i mak-

symalne.

ponieważ parametry fotometryczne nie zależą od czasu, więc sto-

sunki wartości chwilowych do wartości średnich dowolnej wielkości

fotometrycznych są praktycznie sobie równe, a więc współczynnik

tętnienia można określać jako

gdzie:

Φ

min,

, Φ

max

– minimalna i maksymalna wartość strumienia

świetlnego.

celem określenia, jakie wielkości decydują o wartości współczynni-

ka tętnienia światła niskoprężnych rtęciowych lamp wyładowczych,

przeprowadzono następujące badania, omówione poniżej.

Ocena współczynnika tętnienia światła lamp

o różnych temperaturach barwowych

wyprodukowanych przez różnych producentów

badaniami objęto świetlówki z luminoforem trójpasmowym klasy

1b. wyniki tych badań przedstawiono w tabeli iii. wyniki wartości

współczynnika w podane w tabeli są wartościami średnimi próby.

w każdej grupie badanych lamp fluorescencyjnych wartość współ-

czynnika tętnienia jest skorelowana z temperaturą barwową: im

wyższa temperatura barwowa, tym większa wartość współczynnika

tętnienia.

każdy ze stosowanych luminoforów (czerwony, zielony, nie-

bieski) składa się z cząstek o trzech zdefiniowanych wielkościach

i jednej nie zdefiniowanej. analiza [6] ilości i składu procentowego

wielkości cząstek poszczególnych luminoforów wskazuje, iż lumi-

nofor barwy czerwonej w stosunku do luminoforu barwy niebieskiej

jest znacznie drobniejszy. udział luminoforu czerwonego w proszku

max

min

max

w

I

I

I

−

=

max

min

max

w

I

I

I

−

=

max

min

max

Φ

Φ

Φ

w

−

=

max

min

max

Φ

Φ

Φ

w

−

=

rys. 3. Pasmo absorpcji: A

1

– luminoforu lamp klasy 1b, A

2

– luminoforu lamp

klasy 1a oraz pasmo emisyjne E – luminoforu lamp klasy 1b i 1a

fluorescencyjnym, w zależności od temperatury barwowej (od 2700

do 6500 k) stanowi od ponad 70% do niecałych 10%. ponadto, jak

wykazują badania prowadzone przez autora [6, 7], luminofor niebie-

ski używany w lampach fluorescencyjnych cechuje się najkrótszym

czasem trwania fosforescencji, a więc zwiększenie procentowe jego

udziału w luminoforze powoduje zwiększenie wartości współczyn-

nika tętnienia.

analiza właściwości luminoforów trójpasmowych i zależności

przedstawione wcześniej potwierdzają różnice wielkości współ-

czynnika w w funkcji temperatury barwowej świetlówki. różnice

wartości współczynnika w dla świetlówek o tej samej temperatu-

rze barwowej, pochodzących z różnych zbiorów, mogą wynikać ze

składu chemicznego związków nieorganicznych luminoforów.

Ocena współczynnika tętnienia światła lamp

w funkcji grubości luminoforu

przeprowadzono badania lamp o różnych temperaturach barwo-

wych, nie pokrytych oraz pokrytych luminoforem o grubości: 10,

20, 30, 40 i 60 µm. wyniki badań współczynnika tętnienia, w za-

leżności od grubości proszku fluorescencyjnego, przedstawiono na

rysunku 4. szczegółowe wyniki badań wartości współczynnika

tętnienia światła lamp klasy 1b, o T

c

= 4000 k i grubościach lumi-

noforu od 0 do 60 µm, zasilanych prądem o częstotliwości 50 Hz,

przedstawiono w tabeli IV.

rys. 4. Tętnienie światła lampy fluorescencyjnej zasilanej prądem

przemiennym

TABELA III. Wartości współczynników tętnienia światła w

świetlówek trójpasmowych klasy 1b

temperatura barwowa

[k]

wartość współczynnika

w

3000

0,42

4000

0,47

6000

0,53

TABELA IV. Parametry świetlne lamp klasy 1b o T

c

= 4000 K

(oznaczenia jak na rys. 3)

grubość luminoforu

[µm]

Φ

min

Φ

max

Φ

max

– Φ

min

w

60

1,89

3,53

1,66

0,465

40

1,93

3,62

1,70

0,467

20

1,97

3,71

1,74

0,468

10

1,00

2,63

1,63

0,62

0

0

1,52

1,52

1

20

Rok LXXVI 2008 nr 11

ANALIZY – BADANIA – PRZEGLĄDY

uzyskane wyniki wskazują, iż współczynnik tętnienia w przy zmia-

nie grubości proszku fluorescencyjnego w zakresie od 0 do 20 µm

wykazuje silny trend malejący. wynika to z faktu, że cieńsze powło-

ki luminoforu powodują zmniejszoną absorpcję uV, czyli o wartości

współczynnika tętnienia w zakresie zmian grubości proszku fluore-

scencyjnego w przedziale od 0 do 20 µm decyduje jego współczyn-

nik przepuszczania uV (rys. 5).

rys. 5. wartość współczynnika tętnienia w, w zależności od grubości proszku

1 – dla lampy o T

c

= 3000 k, 2 – dla lampy o T

c

= 4000 k, 3 – dla lampy o T

c

= 6000 k

Natomiast nie obserwuje się istotnych zmian współczynnika tęt-

nienia światła przy grubościach proszku fluorescencyjnego 20 µm

i większych. wynika to z faktu, że przy grubych powłokach lumi-

noforu światło generowane przez głębsze warstwy kryształów jest

absorbowane przez samą warstwę. wyniki przeprowadzonych ba-

dań wskazują także, że wpływ na sprawność lampy, a więc i współ-

czynnik tętnienia światła, mają rozmiary cząstek kryształów oraz

ich rozkład.

Podsumowanie

badania i analizy współczynnika tętnienia światła lamp fluore-

scencyjnych klasy 1b, w funkcji wybranych właściwości luminofo-

rów stosowanych w tych lampach, wskazują że:



wartość współczynnika tętnienia światła jest odwrotnie propor-

cjonalna do wartości współczynnika przepuszczalności uV lumino-

foru,



głębokość tętnienia światła jest zależna od temperatury barwowej

świetlówki,



właściwości fosforescencyjne proszków w znaczący sposób

wpływają na wartość współczynnika tętnienia światła.

liTeraTura

[1] banach m.: Tętnienie światła. wNT, warszawa 1970
[2] godlewski j.: generacja i detekcja promieniowania optycznego. pwN, warszawa

1997

[3] Haken H., wolf H.: atomic and Quantum physics. spinger, berlin 1987
[4] mayer ch.: discharage lamps. deventer, antwerpen 1988
[5] różowicz a.: wpływ częstotliwości prądu zasilającego lampy fluorescencyjne na

ich wybrane parametry eksploatacyjne. wydawnictwo politechniki Świętokrzy-

skiej, kielce 2004

[6] różowicz a.: Quantities influencing the light ripple depth of fluorescent lamps sup-

plied with a/c voltage of various frequencies. Archives of Electrical Engineering

2005 No 212

[7] różowicz a.: materiały fluorescencyjne stosowane w niskoprężnych lampach

wyładowczych i ich wpływ na tętnienie światła. Przegląd Elektrotechniczny 2004

nr 5

Przestań zgadywać !

Termowizja widzi wszystko !

Wykryj ukryte wady

mechaniczne
i elektryczne.

Zabezpiecz się przed

pożarami i nieplano-

wanymi przestojami.

Znajdź i zmierz

anomalie

temperaturowe

Kup do

31 grudnia 2008

zaprojektowaną

dla przemysłu kamerę termowizyjną FLIR

(i5, InfraCAM, i50), a otrzymasz BEZPŁATNIE

profesjonalny zestaw pomiarowy !

FLIR i5 InfraCAM FLIR i50

=

lub

lub

Zestaw do pomiarów elektrycznych

GRATIS

Przedstawicielstwo FLIR Systems AB
ul. Zimowa 13/18, Nowa Iwiczna, 05-509
tel.: [phone] do 32, fax: [phone]
e-mail: rutkowski@fl ir.com.pl, www.fl ir.com.pl