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.: +48 (22) 703 36 30 do 32, fax: +48 (22) 703 36 34
e-mail: rutkowski@fl ir.com.pl, www.fl ir.com.pl