Совершенствование систем освещения ведется не только в направлении внедрения светодиодов. Есть еще одно, не менее интересное направление — плазменные светильники на основе серы. С использованием этой технологии можно создавать осветительные приборы с высокой светоотдачей и качественным спектром, не требующие, к тому же, специальных мероприятий по утилизации.

    «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 праобразом 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. 

Немного истории

     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.

Принцип работы

   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.

ДЛЯ СПРАВКИ

   Линии в спектре газоразрядного (плазменного) источника света связаны с резонансом в атомах или молекулах вещества, излучающего свет. 
  Высокое качество спектра, которое дает сера, обусловлено таким явлением как полиморфизм. 
  Сера может образовывать молекулы в виде цепочек произвольной длины, каждая из которых имеет собственную резонансную частоту. Большое количество молекул разных размеров в сумме дает непрерывный спектр.

Устройство  

   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.

Область применения 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.

Сравнительные характеристики плазменных светильников

    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.
   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.
  Плазменные светильники оказались не в пример экологичнее, чем ртутные, металлогалогенные и люминесцентные. Например, содержание ртути в ртутной лампе - 200-250 мг, в металлогалогенной - 100-150 мг, в люминесцентной - 10-20 мг; 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 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 мин. Для сравнения МГЛ требует на разогрев около 4 мин., а ее повторное включение возможно не раньше, чем через 15 мин.  
  Также, со временем они практически не подвержены «выработке» - светоотдача плазменного светильника составляет 90% на всем протяжении периода его службы, в то время как у люминесцентных ламп он может снижаться ниже 40%. Плазменный светильник не имеет электродов (а это одно из самых слабых мест газоразрядных и люминесцентных ламп, поскольку более 60% отказов подобных ламп случаются по вине выхода из строя электродов), что позволило компании довести средний срок службы устройства до 50 тыс. ч. Это существенно превосходит аналогичный показатель для натриевых ламп высокого давления, который составляет 15-20 тыс. ч.
  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.