Люминесцентные лампы

Это весьма распространенный тип газоразрядных ламп, используемых для облучения растений. Впервые люминесцентные лампы были созданы в СССР в конце 30-х годов коллективом физиков под руководством акад. С. И. Вавилова.

Люминесцентные лампы низкого давления представляют собой тонкие белые стеклянные трубки, диаметр и длина которых зависит от мощности ламп.

На обоих концах стеклянной трубки укреплены двухштырьковые цоколи, которые служат для крепления ламп в специальных патронах. Цоколи соединены с электродами, находящимися внутри трубки. Электроды представляют собой двойную вольфрамовую спираль, покрытую слоем окиси бария или других щелочноземельных металлов. Электрическая энергия, подводимая к люминесцентной лампе, вызывает электрический разряд в парах ртути, которыми наполнена лампа.

Мощность, Вт

Напряже­ние, В

Размеры ламп, мм

внешний диаметр

полная длина

длина без штырьков

диаметр цоколя

15

127

27±0

451,6

437,4

27

30

220

26 ±3

908,8

894,6

27

40

220

40 ±4

1213,6

1199,4

40

80

220

40±4

1514,2

1500,0

40

Ультрафиолетовое излучение ртутного разряда поглощается тонким слоем люминофора (тонкокристаллический порошок), нанесенного на внутренние стенки трубки, и вызывает его свечение (фотолюминесценцию). Таким образом, светящийся состав (люминофор) превращает невидимое ультрафиолетовое излучение в видимое излучение. Небольшая часть ультрафиолетового излучения (длиннее 300 нм) проходит через стекло и попадает на растения.

В зависимости от химического состава люминофора излучение ламп может быть разного цвета: белого, синего, зеленого, розового, красного.

В последнее время были изменены названия отдельных люминесцентных ламп, отличающихся по цветности излучения. Так, лампы ДС (дневной свет) теперь называют ЛД, а с улучшенной цветопередачей — ЛДЦ; ХБС (холоднобелый свет) — ЛХБ; ВС (белый свет) — ЛБ; ТБС (теплобелые) — ЛТБ.

Спектр излучения люминесцентных ламп

Спектр излучения люминесцентных ламп: слева — ЛДЦ, справа — ЛБ

Лампы ЛД имеют цветовую температуру 6500 К — их цветность соответствует цвету голубого неба без солнца; лампы ЛХБ — 4800 К, что соответствует небу, покрытому тонким слоем белых облаков; ЛБ — 4200 К, что соответствует яркому солнечному дню; ЛТБ — 2800 К, что соответствует цветности ламп накаливания.

Однако надо помнить, что совпадение цветовой температуры не означает полного совпадения со спектральным составом излучения.

В светокультуре растений большое распространение имеют лампы дневного и белого света, в спектре излучения которых варьируют различные оттенки рассеянного дневного света в летний день.

Для зажигания люминесцентной лампы необходимо устройство, обеспечивающее предварительный подогрев электродов. Таким устройством служит стартер, т. е. маленькая неоновая лампочка в металлическом или пластмассовом футляре. В момент включения лампы в сеть стартер находится под полным напряжением и в нем возникает тлеющий разряд. Электроды стартера нагреваются, и один из них, сделанный из биметалла, изгибается до соприкосновения с другим. В результате этого они замыкаются, и катоды ламп накаливаются проходящим через них током.

Люминесцентные лампы чутко реагируют на падение напряжения в сети. Например, лампы с номинальным напряжением 220 В не загораются при падении напряжения в сети до 190 В, что иногда бывает в тепличных хозяйствах, удаленных от магистральных линий энергопередачи. В то же время при изменении напряжения в сети на 1 % лучистый поток люминесцентных ламп также изменяется на 1%. У ламп накаливания это изменение составляет около 3,0%. При этом световая отдача у люминесцентных изменяется на 0,44%, а у ламп накаливания — почти на 2%.

Срок службы люминесцентных ламп по ГОСТ 6825—70 составляет 10000 ч. Частое включение и выключение ламп быстро сокращает его. В тепличных хозяйствах условия эксплуатации более благоприятны, так как там лампы обычно горят без перерыва по 10—12 ч в сутки и более. По мере эксплуатации ламп их световой поток постепенно уменьшается. По этой причине в последние годы в исследовательских организациях для поддержания постоянной высокой облученности опытных растений через каждые 1000 ч горения примерно одну пятую часть ламп заменяют в определенной последовательности новыми. Для лучшей работы ламп рекомендуется температура воздуха 20—25° С. При температуре около 5° С лампы зажигаются плохо, а светоотдача уменьшается. При температуре выше 35°С их эксплуатация не допускается.

Относительная влажность воздуха свыше 65% ухудшает условия зажигания люминесцентных ламп. Для устранения этого поверхность ламп рекомендуется покрывать гидрофобной защитной пленкой. Температура стекла лампы, непрерывно горящей 15—20 ч, не превышает 45—50° С.

Световой поток люминесцентных ламп увеличивается с повышением их мощности. При равных затратах электроэнергии крупные лампы излучают больше света, чем мелкие.

Светотехнические и электрические характеристики люминесцентных ламп

Мощность ламп, Вт

Напряжение, В

Сила тока ламп, А

Световой поток, лм

Световая отдача, лм/Вт

в сети в лам­пе

лдц

ЛБ

лдц

ЛБ

15 127 54 0,33 460 710 30 47
30 220 104 0,35 1320 I960 44 65
40 220 103 0,43 1750 2800 44 70
80 220 102 0,88 3225 4880 40 61

За последние годы мощность люминесцентных ламп значительно возросла. В США начали выпускать лампы мощностью 400 Вт. Длина каждой лампы около 2,5 м. Такие лампы обеспечивают световой поток до 20 тыс. лм.

Применение крупных ламп (при создании облучательной установки, равной удельной мощности) позволяет сократить число пусковых приспособлений (стартеров и дросселей) и значительно уменьшить расходы на монтаж установок. При светофизиологических исследованиях иногда используют цветные люминесцентные лампы с широким спектром излучения. К ним относятся: красные (Л-37) с максимумом излучения 560—620 нм, синие (Л-30) с максимумом излучения 430—540 нм, зеленые (К-35) с максимумом излучения 530 нм и др.

За последние годы в ряде стран на базе обычных люминесцентных ламп начали выпускать специальные лампы для выращивания растений с особым люминофором — фитолампы. Спектральные кривые излучения этих ламп близки к спектральным кривым фотосинтеза и синтеза хлорофилла, особенно в зонах 400—500 и 600— 700 нм. У нас, люминесцентные лампы подобного типа— ЛФ-40-1 и ЛФ-40-2 созданы и изготовлены Всесоюзным научно-исследовательским светотехническим институтом (ВНИСИ), а затем совместно с Институтом электрификации ВАСХНИЛ (ВИЭСХ) испытаны в лаборатории искусственного климата Тимирязевской академии. Предварительные исследования показали, что эффективность фитоламп на 20—30% выше, чем у серийно выпускаемых осветительных ламп типа ЛДЦ или ЛБ той же мощности.

Спектры излучения люминесцентных фитоламп

Спектры излучения люминесцентных фитоламп: А - ЛФ-40-1; Б - ЛФ-40-2; В - L. Fluora

Аналогичные по устройству и спектральному составу излучения лампы выпускаются и в других странах: ГДР (Lumoflor), США (Grolux), Японии (Plantalux), Финляндии (Floralux). На рисунке изображена кривая распределения излучения лампы фирмы Osram (ФРГ) — «L. Fluora».

Дроссели, необходимые для поддержания нормально го режима горения ламп, обычно монтируют в отдельном железном ящике со сквозными отверстиями для вентиляции и уменьшения нагрева. Ящик соединяют с облучательной рамой гибким резиновым шлангом, внутри которого находятся провода, соединяющие дроссели с лампами. Длина шланга не ограничена. Поэтому ящики с дросселями можно помещать в стороне на любом расстоянии от рам.

В облучательных установках для теплиц, изготовляемых в ГДР (Praxisaggregat), — РА-57 и РА-62 — дроссели смонтированы над осветительной рамой с лампами, что в значительной степени повышает вес установки и может вызвать перегрузку конструкции теплицы.

Быстрое и надежное зажигание обеспечивается у ламп, у которых поверхность стеклянной трубки покрыта пленкой из четыреххлорного олова (ЛБ-40 бп). Прозрачность пленки достигает 94%. Лампы этого типа могут применяться в районах с пониженным напряжением сети.

Чтобы растения максимально использовали излучение ламп, их обычно монтируют параллельно на металлической или деревянной прямоугольной раме с интервалами между продольными осями трубок от 35 до 90 мм. Размер рамы определяется длиной лампы и площадью, которую надо облучать. Рамы с люминесцентными лампами помещают горизонтально над растениями или вертикально между рядами растений. Горизонтально их располагают при выращивании рассады или низкорослых растений; вертикально — при выращивании на плодоношение более высоких растений (томаты, кукуруза, пшеница).

В помещениях без естественного излучения или при слабой облученности в теплицах применяют отражающие экраны (один на раму) из полированного алюминия, жести или окрашенного железа. Невысокая температура на поверхности люминесцентных ламп допускает также использование в качестве экрана белого картона, бумаги или побеленной фанеры, которые необходимо пропитать огнестойким раствором. Особенно высокое отражение дает экран, покрытый специальным раствором: BaS04 — 1000 вес. ед.; кинопленка — 26; ацетон— 1300 вес. ед.

Для повышения коэффициента отражения и улучшения вентиляции экран рекомендуется помещать на расстоянии 2—3 см от ламп.

Облученность и освещенность под горизонтальной рамой с люминесцентными лампами ДС-30 при удельной мощности 450 Вт/м2:

Облученность и освещенность под горизонтальной рамой с люминесцентными лампами ДС-30 при удельной мощности 450 Вт/м2: 1- с белым экраном; 2 - без экрана

Применение отражающих экранов позволяет увеличить облученность и освещенность растений на 30—40% . Чем выше будет коэффициент отражения экрана, тем больше лучистой энергии попадет на растение. В последнее время в теплицах стали применять полуавтоматические экраны из мягких материалов, свертывающихся в трубку, что позволяет ими пользоваться в зависимости от наличия или отсутствия солнечного излучения (полиэтиленовая пленка, покрытая алюминием). Экранированные рамы, приближенные к растениям до 5 см, повышают около них температуру воздуха на 2— 5° С по сравнению с температурой помещения. Поэтому общую температуру воздуха в помещении надо соответственно понижать.

По мере удаления растений от горизонтальных или вертикальных рам облученность и освещенность уменьшаются, но значительно слабее, чем при удалении от ламп накаливания, так как источником излучения в данном случае является плоскость, а не точечный источник.

Облученность н освещенность растений под люминесцентными лампами ДС-30, смонтированными на раках с интервалами 60 мм

Расстояние между растениями и рамой, см

Без экрана

С экраном

облученность в области ФАР, Вт/м2

освещенность, клк

облученность в области ФАР, Вт/м2

освешенность клк

2

30,0

7,5

48,0

12,0

5

28,0

7 0

44,0

11,0

10

25,0

5,5

40,0

10,0

15

24,4

6,1

35,0

9,0

25

22,0

5,5

30,0

7,5

50

14,0

3,5

18,0

4,5

Суммарная облученность и освещенность растений, находящихся между вертикальными рамами, зависит от частоты размещения рам и количества ламп. При расстоянии между рамами 50 см (удельная электрическая мощность 450 Вт/м²) освещенность на поверхности листьев колеблется от 5 до 7 клк, а фотосинтетически активная облученность — от 20 до 28 Вт/м². При расположении рам на расстоянии 100 см одна от другой освещенность растений снижается до 3,5—5 клк, а облученность — до 14—20 Вт/м².

Облученность и освещенность между вертикальными рамами с люминесцентными лампами.

Облученность и освещенность между вертикальными рамами с люминесцентными лампами. Расстояние между рамами 100 см. Удельная мощность 300 Вт/м2.

При культуре растений с боковым облучением между вертикальными рамами с люминесцентными лампами достигается равномерное облучение верхних и нижних листьев. В этом случае лучистая энергия ламп используется полнее, результатом чего является хорошее состояние растений и более высокий урожай. Боковое облучение люминесцентными лампами теперь широко распространено.

Кроме стандартных рам с люминесцентными трубками, предложены оригинальные системы расположения их между растениями как горизонтально, так и вертикально.

В безрамном облучателе, предложенном Ю. М. Жилинским и В. Д. Куминым (Московский институт инженеров сельскохозяйственного производства), люминесцентные лампы соединены между собой металлическими шарнирами, которые позволяют изменять расстояние между ними, т. е. менять удельную мощность. Вертикальное размещение каждой лампы отдельно между растениями позволяет наиболее полно использовать их лучистую энергию. Предварительные испытания в теплицах совхоза «Марфино» (Москва) дали весьма положительные результаты.

Для некоторых декоративных культур с успехом применяют облучение растений снизу, когда люминесцентные лампы располагаются ниже листьев. В отдельных случаях рамы помещают и сверху, и с четырех сторон вокруг растений, создавая так называемые «световые ящики». Такие установки позволяют выращивать до плодоношения светолюбивые южные культуры: баклажаны, перец и др. Удельная мощность установки достигает 2 кВт/м².

Передвижение рам по мере роста растений осуществляется либо с помощью блоков и противовесов, либо скольжением вдоль направляющей вертикальной оси с закреплением положения специальными барашками.

Другой способ повышения эффективности люминесцентных ламп — создание ламп с направленным светораспределением. В СССР такие лампы выпускались под маркой ЛБР-40. Верхний полуцилиндр каждой трубки покрыт отражающим слоем из двуокиси титана и имеет направленное вниз выходное окно с размахом в 130°. Световой поток — 3460 лм.

Чтобы одним количеством установок облучать два или три участка теплицы по 8—12 ч в сутки, рамы с люминесцентными лампами поочередно передвигаются по горизонтали на довольно большие расстояния (5—10 м и более). Надо сказать, что для выращивания хороших растений этот прием требует строгого соблюдения определенных условий. Облучаемая часть теплицы должна быть наглухо закрыта от той, где растения не облучают. Это требование вызвано биологическими особенностями тепличных культур (томатов, огурцов и др.). Каждое растение для нормального развития и роста должно в течение суток не менее 6—8 ч находиться в темноте при одновременном понижении температуры воздуха на 5-7 °С.

Выдерживать эти требования, т. е. устраивать светонепроницаемые занавески и понижать температуру в части теплицы, довольно сложно. Поэтому в последнее время ряд хозяйств отказывается от такого способа использования облучательных установок.

В исследовательских целях горизонтальные рамы с люминесцентными лампами иногда монтируют на каретку, постоянно движущуюся над растениями вперед и назад со скоростью 10—15 м/мин. Переменное облучение растений способствует их росту и активизирует физиологические процессы.

Малая единичная мощность люминесцентных ламп, недостаток в их излучении оранжево-красной части спектра, необходимой для более интенсивного фотосинтеза и правильного формирования растений, побудили к созданию ряда установок, в которых люминесцентные лампы и лампы накаливания смонтированы совместно, но в самостоятельных электрических схемах. Как показали многочисленные исследования, объединение этих двух типов ламп способствует успешному росту растений только в том случае, если облученность от ламп накаливания будет примерно в 3—5 раз слабее, чем от люминесцентных ламп.

На основе благоприятного влияния на растения добавления небольшого излучения ламп накаливания было сделано предложение заменить дроссели лампами накаливания, включив их в одну электрическую схему, мотивируя эту замену удешевлением конструкции, уменьшением ее веса, меньшим расходом меди и трансформаторной стали. Таким образом, лампы накаливания иногда стали использовать в качестве балластного сопротивления, необходимого для зажигания и горения люминесцентных ламп. При этом для нормальной работы люминесцентных ламп мощностью 30 Вт вместо дросселя применяли лампы накаливания мощностью 40 Вт, а для люминесцентных ламп мощностью 40 Вт — лампу 60 Вт на напряжение 127 В.

Авторы предложенных конструкций (например, облучатель типа ОСТ-10-40), к сожалению, упустили из виду, что совмещенная электрическая схема, помимо указанных преимуществ, имеет ряд серьезных недостатков. К последним относится прежде всего большая затрата электроэнергии во время эксплуатации облучательных установок. Вместо дросселя, в котором потери составляют 7—9 Вт, приходится ставить лампу накаливания мощностью 40—60 Вт. В современных теплицах, где число люминесцентных ламп при выращивании рассады достигает иногда нескольких тысяч, такой прием вызывает колоссальный перерасход электроэнергии и значительно повышает себестоимость единицы продукции. Кроме того, лампы накаливания, работающие с перекалом, быстро выходят из строя, что уменьшает и без того небольшой срок их службы (1000 ч). У люминесцентных ламп ухудшаются условия зажигания и приходится помещать вдоль лампы узкую металлическую полосу, соединенную с каким-либо электродом лампы.

При совмещенной схеме светоотдача люминесцентных ламп падает на 25—38% (Рохлин), т. е. аннулируется основное преимущество люминесцентных ламп. И самое главное, в таких установках значительно увеличивается количество оранжево-красного и инфракрасного излучения. Качество растений, выращенных под комбинированной установкой, значительно хуже, чем под люминесцентными лампами той же мощности.

По расчетам Ф. Казанцева и А. Басова, чтобы получить освещенность рассады огурцов порядка 7 клк, требуется следующая удельная мощность: люминесцентные лампы (ЛЛ) —480 Вт/м²; ЛЛ + ЛН — 770 Вт/м² и ЛП — 1200 Вт/м². При этом готовность рассады к первой прищипке под ЛЛ + ЛН или ЛН всего только на 1—3 дня опережает рассаду под ЛЛ. Урожай плодов в варианте ЛЛ + ЛН был на 8% выше, зато затрата электроэнергии на 43% больше, чем при облучении рассады люминесцентными лампами.

Весьма перспективный прием повышения эффективности люминесцентных ламп — питание их током высокой частоты. Под руководством Л. Г. Прищепа разработаны и испытаны схемы включения ламп на повышенной частоте (2650 Гц).

Люминесцентные облучательные установки, работающие на повышенной частоте, имеют следующие преимущества:

Другой прием, значительно снижающий расход электроэнергии на выращивание растений, — импульсный способ излучения. Автор (О. И. Кузнецов, Ленинградский сельскохозяйственный институт) получил короткие импульсы (1 —10 мс) с помощью специальных генераторов на полупроводниковых управляемых вентилях — тиристорах, обладающих высоким КПД. Досвечивание огуречной рассады импульсным методом значительно ускорило ее выгонку и сократило расход электроэнергии в два раза. Испытания в теплицах Ленинграда (фирма «Лето») подтвердили перспективность предложения.