Флуоресцентные лампы с холодным катодом

В статье приведены основные характеристики и особенности эксплуатации флуоресцентных ламп с холодным катодом.

А. Мельниченко

Флуоресцентные лампы с холодным катодом (Cold Cathode Fluorescent Lamps – CCFL) широко использу­ются в качестве источников белого света для подсвет­ки жидкокристаллических дисплеев. Эти лампы имеют ряд положительных качеств, выгодно отличаю­щих их от других источников света.

Флуоресцентная лампа с холодным катодом представляет собой заполненную парами ртути запа­янную стеклянную трубку. При приложении к трубке высокого напряжения испускаемые катодом электро­ны ускоряются и сталкиваются с атомами ртути, пере­водя их в нестабильное состояние. Возвращение ато­мов ртути в стабильное состояние сопровождается ультрафиолетовым излучением с длиной волны около 254 нм. Попадая на слой фосфора, покрывающий стенки лампы изнутри, это излучение преобразуется в видимый свет. Основные преимущества ламп CCFL:

• высокая равномерность излучаемого спектра
• КПД около 60 лм/Вт (вдвое выше, чем КПД свето­диодов)
• большой срок службы (более 25 тыс. часов)
• стабильность параметров
• возможность изменения яркости
• дешевизна
• малая масса.

Лампы CCFL имеют ряд уникальных особенностей, которые должны быть рассмотрены для того, чтобы

максимизировать их КПД и срок службы. Отметим, что данные были сняты на лампе одного типа, и что для других ламп они могут несколько отличаться. Од­нако, описанные здесь общие тенденции характерны для всех ламп CCFL.

Зависимость параметров от температуры

Как показано на рис. 1, 2, и 3, параметры ламп в большой степени зависят от температуры. При низких температурах яркость лампы существенно снижается (см. рис. 1), а напряжение, необходимое для ее зажи­гания, значительно возрастает (рис. 2). Изменение яркости лампы после ее включения, происходящее в результате ее разогрева, показано на рис. 3.

Рис. 1. Зависимость яркости лампы от температуры окружающей среды

Рис. 2. Зависимость напряжения зажигания лампы от температуры окружающей среды

Рис. 3. Изменение яркости лампы, вызванное саморазогревом, при различных температурах окружающей среды

Влияние формы тока на параметры лампы

КПД ламп (отношение излучаемой энергии к пот­ребляемой) в значительной мере зависит от формы то­ка, протекающего через лампу. Наибольший КПД дос­тигается при синусоидальной форме тока. С увеличе­нием пикфактора тока КПД ламп снижается. На рис. 4 показаны две формы тока с примерно одинаковым действующим значением. В те промежутки времени, когда ток несинусоидальной формы превышает неко­торый порог, яркость лампы практически не увеличива­ется и почти вся энергия рассеивается в виде тепла.

Рис. 4. Формы тока через лампу

Наличие постоянной составляющей в токе, проте­кающем через лампу, приводит к осаждению ртути на одном из ее электродов. Во избежание этого уровень постоянной составляющей в токе лампы необходимо уменьшать настолько, насколько это возможно.

Типовое среднеквадратичное значение тока боль­шинства ламп находится в пределах от 3 до 8 мА. На рис. 5 показана зависимость светового потока лампы от проходящего через нее тока. Видно, что при токах, близких к номинальному, эта зависимость линейна, а при токах, превышающих (1.3-1.4)1_ном, носит нелиней­ный характер. Кроме снижения КПД лампы питание ее током, существенно превышающим номинальный, приводит к сокращению срока ее службы. Кроме того, при использовании нескольких ламп для подсветки экранов мониторов или телевизоров яркости этих ламп должны быть согласованы между собой с высо­кой степенью точности во избежание неравномерной засветки.

Рис. 5. Зависимость яркости лампы от протекающего через нее тока

Рабочее напряжение

Как напряжение зажигания, так и рабочее напря­жение ламп зависят от их длины и диаметра. С увели­чением длины и уменьшением диаметра лампы ее ра­бочее напряжение увеличивается (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость рабочего напряжения на лампе от ее длины

Интересной особенностью ламп является их отри­цательное сопротивление, означающее, что при уве­личении тока через лампу напряжение на ней умень­шается (рис. 7). Поэтому при использовании несколь­ких ламп для подсветки постоянство светоотдачи дос­тигается питанием каждой лампы от отдельного трансформатора, что позволяет поддерживать номи­нальную величину тока через лампы с высокой точ­ностью.

Рис. 7. Вольт-амперная характеристика лампы

Напряжение зажигания

Для зажигания лампы необходимо ионизировать находящийся в ней газ. Для этого на несколько сотен микросекунд к лампе следует приложить напряжение, в 1.2-1.5 раза превышающее рабочее. До ионизации сопротивление лампы составляет несколько сотен ме­гаом и носит преимущественно емкостный характер. После ионизации сопротивление становится актив­ным, а его значение падает до величины нескольких сотен килоом. Для уменьшения нагрузки на лампу нап­ряжение зажигания должно быть симметричным, сину­соидальной или близкой к ней формы, без крутых фронтов. Как было указано выше, напряжение зажига­ния изменяется в зависимости от температуры (рис. 2). Время зажигания лампы имеет широкий разб­рос и может изменяться в два и более раз даже при одинаковых значениях температуры и напряжения.