Грибанов А.А. Электрическое освещение

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 7. Схема йодно-вольфрамового возвратного цикла на поперечном разрезе

трубчатой галогенной лампы накаливания.

Для йодно-вольфрамового цикла требуются следующие условия:

1) температура внутренней стенки колбы повсюду должна быть

не ниже 250 и не выше 1200 ºС; наиболее предпочтительна

температура 500 – 600 ºС, поэтому колбу изготавливают из

кварца и придают ей необходимую форму для обеспечения

лучшей равномерности температуры;

2) минимальная температура тела накала должна быть выше 1600

ºС;

йод не должен образовывать на стенке колбы какие-либо дру-

гие соединения, кроме WI

, поэтому в галогенные лампы на-

каливания недопустимо применение никеля и молибдена,

алюминиевого, циркониевого и фосфорного газопоглотителей,

с которыми йод активно взаимодействует;

4) количество йода дозировано; излишек йода для компенсации

потерь не допускается, так как пары йода заметно поглощают

видимое излучение, особенно в области 500–520 нм.

Преимущества галогенных ламп перед лампами накаливания

за-

ключаются в следующем:

– они преобразуют энергию более эффективно (световая отдача в

среднем составляет 24 лм/Вт);

– имеют в два раза больший срок службы (2000 ч и больше);

– более высокие термостойкость и механическая прочность за

счёт использования кварцевой колбы;

– производят более яркий белый цвет (Т

цв

=3000-3100 К);

W+2I

Колба

Тело накала

>1600ºС

– отличная цветопередача (Ra ~ 100, как у солнца);

– позволяют лучше управлять световым пучком и направлять его

с большей точностью;

– более компактны, благодаря чему создаются новые возможно-

сти дизайна;

– поглощение ультрафиолетовой составляющей, пониженный

эффект выцветания предметов и возможность использования в откры-

тых светильниках.

Недостатки галогенных ламп накаливания:

– они требуют бережного обращения. Температура

колбы может

достигать 300 ºС, а если на ней окажутся, например, частицы жира с

пальцев, это приведёт к разрушению стекла. Поэтому помещать лампу

в светильник нужно, держась за пластиковый пакет, в котором она

продаётся;

– отрицательно сказываются перепады напряжения. Если они

увеличатся до 5 – 6 %, то срок службы уменьшится почти в два раза.

Особенно

чувствительны к перепадам низковольтные галогенные лам-

пы, требующие установки понижающих трансформаторов;

– длинные линейные галогенные лампы накаливания невозможно

долго эксплуатировать в наклонном или вертикальном положении, так

как при этом галогенные добавки и инертный газ, в основном, из-за

разности их молекулярных масс отделяются друг от друга и регенера-

тивный процесс прекращается.

Галогенные лампы накаливания применяются для светильни-

ков общего освещения и прожекторов, инфракрасного облучения, ки-

нофотосъёмочного и телевизионного освещения, автомобильных фар,

аэродромных огней, оптических приборов и др.

По конструктивным признакам галогенные лампы накали-

вания делятся на две группы: с длинным спиральным телом накала

при соотношении длины галогенных ламп накаливания к диаметру

более

10 – линейные или трубчатые лампы; с компактным телом нака-

ла при отношении длины галогенной лампы накаливания к диаметру

менее 8 – эти галогенные лампы накаливания подразделяются в свою

очередь на мощные и малогабаритные, в которых электроды размеще-

ны с одной стороны.

Основы маркировки галогенных ламп накаливания.

В нашей стране приняты следующие обозначения галогенных

ламп накаливания: первая буква – материал колбы (К – кварцевая);

вторая буква – вид галогенной добавки (Г – галоген); третья буква –

область применения (О – облучательная) или конструктивная особен-

ность (М – малогабаритная, МН – миниатюрная, К – концентрирован-

ное тело накала); первая группа цифр – напряжение питания, В; вторая

группа цифр – мощность, Вт, сила света, кд, ток, А, или световой по-

ток, лм, в зависимости от принятой маркировки для ламп соответст-

вующего типа; последняя цифра – порядковый номер разработки после

первой.

Примеры: КГ220-1000-5; КГК

110-2000; КГМ36-400;

КГМН12-100-3.

2.6. Газоразрядные лампы

Разрядной лампой называют лампу, в которой оптическое излу-

чение возникает в результате электрического разряда в газах, парах

или их смесях.

Достоинства и недостатки газоразрядных ламп.

Особенности разрядных ламп и области применения определяют-

ся тем, что разрядные лампы имеют самую высокую световую отдачу и

больший срок службы по сравнению с лампами накаливания

, а также

могут иметь разнообразные спектры излучения и широкий диапазон

значений мощности, яркости и других параметров. Поэтому современ-

ные разрядные лампы всё шире применяются для освещения, посте-

пенно вытесняя лампы накаливания. Уже сегодня в передовых странах

мира разрядные лампы создают более половины светового потока, и,

по-видимому, в будущем эта

доля возрастёт.

Недостатком разрядных ламп является некоторая сложность их

включения в сеть, связанная с особенностями разряда. Для его зажига-

ния требуется более высокое напряжение, чем для устойчивого горе-

ния. Для обеспечения устойчивого горения в цепь каждой лампы необ-

ходимо включать балласт, ограничивающий ток разряда требуемыми

пределами. Другой недостаток разрядных ламп с

парами обусловлен

зависимостью их характеристик от теплового режима, поскольку их

температура определяет давление паров рабочего вещества лампы.

Номинальный режим устанавливается в них только спустя некоторое

время после включения. Повторное зажигание ламп с разрядом в парах

металла при высоком и сверхвысоком давлении возможно только по

истечении некоторого времени после выключения.

Принцип

действия газоразрядных ламп основан на электриче-

ском разряде между электродами, запаянными в прозрачную для опти-

ческого излучения колбу той или иной формы. Иногда для облегчения

зажигания впаивают дополнительные электроды. Внутреннее про-

странство колбы после удаления воздуха и тщательного обезгаживания

лампы (удаление сорбированных в материале колбы и электродах па-

ров воды и других газов при помощи нагрева под откачкой) наполняет-

ся определённым газом (чаще всего инертным) до заданного давления

или инертным газом и небольшим количеством металла с высокой уп-

ругостью паров, например, ртутью

, натрием и др. Начиная с 60-х годов

широкое распространение получили разрядные лампы, в которые кро-

ме инертного газа и ртути вводят галогениды различных металлов.

В разрядных лампах многих типов разрядную колбу, часто назы-

ваемую горелкой, помещают во внешнюю колбу, которая выполняет

ряд функций:

1) защищает горелку от повреждения;

2) уменьшает влияние

окружающей среды на тепловой режим го-

релки;

3) предохраняет нагретые выводы и монтаж от окисления;

4) служат поверхностью для нанесения различного рода покры-

тий.

Зажигание разряда возможно лишь при напряжении выше опре-

делённого значения, когда становится возможным лавинное образова-

ние зарядов в газовом межэлектродном промежутке. Это приводит к

резкому, практически внезапному возрастанию

тока (10

–5

÷10

–7

с) и по-

явлению свечения. Этот процесс называется зажиганием самостоя-

тельного разряда, а соответствующее ему напряжение – напряжением

зажигания. При меньшем напряжении межэлектродный промежуток

является диэлектриком.

Напряжение зажигания зависит от рода газа, наполняющего кол-

бу, его давления, расстояния между электродами, материала и свойств

катода, а также от ряда других причин. Значительное влияние на на-

пряжение зажигания оказывают небольшие, а иногда ничтожные при-

меси к основному газу. При этом некоторые примеси вызывают резкое

снижение напряжения зажигания (эффект

Пеннинга), а другие (обычно

молекулярные) – существенное повышение. При высоких давлениях и

больших расстояниях между электродами напряжение зажигания мо-

жет достигать многих киловольт.

Методы, применяемые для зажигания разрядных ламп, преду-

сматривают снижение напряжения зажигания за счёт конструкции

лампы или создание различных схем, обеспечивающих подачу на раз-

рядную лампу повышенного напряжения, достаточного для

зажигания

разряда. Снижение напряжения зажигания достигается:

1) введением в разрядную лампу вспомогательного зажигающего

электрода и подбором рода и давления наполняющего газа;

2) активировкой катода, снижающей работу выхода электронов;

3) предварительным накалом катодов, обеспечивающим термо-

электронную эмиссию электронов;

4) созданием начальной ионизации в объёме газа, например, при

помощи высокочастотной искры от индуктора или при помощи

радиоактивных препаратов;

применением проводящих полос на поверхности лампы, изме-

няющих распределение электрического поля.

Стабилизация разряда необходима потому, что подавляющее

большинство разрядных ламп работает на падающих (или горизон-

тальных) участках ВАХ, на которой с ростом тока напряжение на раз-

рядной лампе падает. Поэтому устойчивая работа разрядной лампы

возможна только при наличии в схеме

устройств, ограничивающих

силу тока в заданных пределах.

Преобразование излучения разряда при помощи люминофоров

открыло широкие возможности создания разрядных ламп с самыми

различными спектрами излучения. Обычно для возбуждения люмино-

фора используется ультрафиолетовое излучение разряда, которое лю-

минофор преобразует с определёнными потерями в длинноволновое

излучение, лежащее в ультрафиолетовой или видимой областях спек-

тра

Классификация газоразрядных ламп

Вид разряда в разрядных лампах может быть дуговой, тлеющий

или импульсный. В разрядных лампах стационарного действия исполь-

зуется дуговой и тлеющий разряды, в источниках импульсного дейст-

вия (импульсные лампы) – импульсный разряд. Вид разряда определя-

ется параметрами внешней цепи (питающим напряжением и балласт-

ным сопротивлением), типом катода и давлением газа или

пара, напол-

няющего лампу.

Тлеющий разряд характеризуется малой плотностью тока на като-

де (от 10

-5

до 10

-2

А/см

) и низким давлением газа или пара, не превы-

шающем несколько тысяч паскалей. Его отличительной особенностью

является большое падение напряжения у катода, составляющее 50-400

В.

Дуговой разряд отличается от тлеющего высокой плотностью тока

на катоде (10

–10

А/см

) и малым катодным падением потенциала

(около 5–15 В). Давление рабочего вещества – от 10

-1

до 10

Па; токи –

от десятых долей, до сотен ампер.

По составу газов и паров, в которых происходит разряд, разряд-

ные лампы делят на лампы с разрядом: 1) в газах; 2) в парах металлов;

3) в парах металлов и их соединений.

Классификация по давлению: низкого давления – 0,1÷10

Па, вы-

сокого давления – 3*10

÷10

Па, сверхвысокого давления – свыше 10

В зависимости от того, что является основным источником из-

лучения, разрядные лампы делят на: 1) газо - и паросветные, в кото-

рых излучение вызвано возбуждением атомов, молекул или рекомби-

нацией ионов; 2) фотолюминесцентные (называемые для краткости

просто люминесцентными), в которых излучение создают люминофо-

ры, возбуждаемые излучением разряда; 3) электродосветные, в кото-

рых излучение создаётся

электродами, раскалёнными в разряде до вы-

сокой температуры. У большинства разрядных ламп 2-го и 3-го типов к

основному виду излучения примешивается излучение разряда, таким

образом, они являются по существу источниками смешанного излуче-

ния.

а б в

г д

Рис. 8. Основные виды трубчатых люминесцентных ламп.

а – прямолинейная; б – кольцевая; в – U-образная; г – миниатюрная для электромагнит-

ного пускорегулирующего аппарата;

д – миниатюрная со встроенным электромагнитным

пускорегулирующим аппаратом.

По форме колбы разрядные лампы подразделяются на: 1) труб-

чатые или линейные разрядные лампы в цилиндрических колбах, у

которых расстояние между электродами в 2 раза и более превышает

внутренний диаметр трубки; 2) капиллярные – в трубках с внутренним

диаметром меньше 4 мм; 3) шаровые разрядные лампы с расстоянием

между электродами, меньшим внутреннего диаметра колбы или рав-

ным ему (колбы этих ламп часто имеют форму шара или близкую к

ней, откуда они и получили своё название); такие лампы называют

также разрядными лампами с короткой или средней длиной дуги.

Трубчатые люминесцентные лампы предназначены для общего

и местного освещения в закрытых помещениях

. Включаются в сеть

вместе с пускорегулирующей аппаратурой, обеспечивающей зажига-

ние лампы, номинальный режим работы и устранения радиопомех.

Конструкция: Представляют собой стеклянную вакуумированную

трубку-колбу, наполненную парами ртути низкого давления. Стенки

трубки изнутри покрыты слоем люминофора. Пары ртути в электриче-

ском разряде излучают свет главным образом в ультрафиолетовом

диапазоне. Излучение разряда

поглощается люминофором и переизлу-

чается в видимую область спектра. Достоинства: сравнительно низкая

стоимость; невысокая температура колбы (не выше 80°С); высокая све-

тоотдача (35–80 лм/Вт); большой срок службы (до 15000 ч); хорошая

цветопередача (Ra~60–90); по сравнению с лампами накаливания при-

мерно в 5 раз сниженный расход электроэнергии; выбор разных оттен-

ков цвета даёт дополнительные

преимущества; вследствие большой

излучающей поверхности, создаваемый люминесцентными лампами

свет не столь яркий, как у точечных источников света. Недостатки:

большие габариты (это не относится к компактным люминесцентным

лампам); малый диапазон мощностей (4–80 Вт); резкое падение свето-

вого потока при понижении температуры окружающей среды, нена-

дёжное зажигание при температурах ниже +5 °С; сложная схема

вклю-

чения; мерцание ламп в схемах включения; мерцание ламп в схемах с

электромагнитным дросселем (что ограничивает применение люми-

несцентных ламп в детских учреждениях) и шум дросселя; наличие

слабого ультрафиолетового излучения (особенно при не качественно

нанесённом люминофоре); нарушение экологии при небрежной утили-

зации (наличие ртутных паров).

Рис. 9. Ртутная лампа высокого давления (ДРЛ).

Лампы типа ДРЛ используются для уличного освещения и осве-

щения высоких производственных помещений. Конструкция: Лампы

состоят из вакумированной колбы эллипсоидной формы, внутренняя

поверхность которой покрыта люминофором. В колбу заварена ножка

с вмонтированной на ней кварцевой горелкой, наполненной дозиро-

ванным количеством ртути и аргона. К внешней колбе при помощи

мастики крепится

цоколь. Горение дугового разряда происходит в па-

рах ртути высокого давления. Достоинства: высокая светоотдача (45–

60 лм/Вт); большой срок службы (до 20000 часов); большой диапазон

мощностей (125–1000 Вт); стабильная работа при низких температурах

(до –30°С). Недостатки: большое время включения (5–7 минут); пло-

хая цветопередача (Ra~40).

Металлогалогенные лампы используют для освещения объек-

тов, требующих улучшенной

цветопередачи. Это, в основном, освеще-

ние витрин, торговых залов, парадных интерьеров, а также уличная

декоративная подсветка. Кроме того, металлогалогенные лампы ис-

пользуют для освещения спортивных сооружений, концертных залов и

других помещений, где может проводиться теле- и киносъёмка. Кон-

струкция: Кварцевая разрядная трубка с впаянными электродами мон-

тируется внутри вакуумированной прозрачной

колбы. Внутрь разряд-

ной трубки кроме ртути и аргона, как в лампах ДРЛ, дополнительно

вводятся галогенные соединения редкоземельных металлов. Это по-

зволяет получить более равномерный спектр излучения. Достоинства:

высокая светоотдача (70–100 лм/Вт); отличное качество цветопередачи

(Ra~85–95); большой срок службы (до 12000 часов); возможность

мгновенного перезажигания в горячем состоянии (при использовании

специальных

устройств). Недостатки: высокая стоимость.

а б в г

Рис. 10. Металлогалогенные лампы.

а – эллипсоидальная; б – цилиндрическая; в – со штырьковыми выводами; г – софитная.

Натриевые лампы высокого давления (ДНаТ) широко приме-

няются для освещения улиц, транспортных магистралей, спортивных

сооружений, аэродромов, общественных сооружений и т.д. Конструк-

ция: Цилиндрическая разрядная трубка, изготовленная из особо чистой

окиси алюминия, смонтирована в вакуумированной внешней прозрач-

ной колбе. Внутри разрядной трубки находится смесь паров натрия и

ртути и зажигающий газ ксенон. Горение дугового разряда происходит

в основном в парах натрия высокого давления. При этом цвет излуче-

ния имеет золотисто-белый оттенок.

Достоинства: очень высокая све-

тоотдача (80–150 лм/Вт); большой срок службы (до 25000 часов); ши-

рокий диапазон рабочих температур (от –60 °С до +40°С). Недостат-

ки: Очень плохая цветопередача (Ra=23); большое время включения

(6–10 мин).

Ксеноновые лампы (ДКсТ) используются для освещения боль-

ших открытых пространств, архитектурных сооружений, теплиц. Кон-

струкция: Трубка из кварцевого

стекла с впаянными вольфрамовыми

электродами. Внутри трубки находится газ ксенон под сверхвысоким

давлением. Спектр близок к солнечному. Достоинства: отличное ка-

чество цветопередачи (Ra~95–98); отсутствие периода разгорания; спо-

собность работать при низких температурах (до –60°С). Недостатки:

большие размеры; невысокая светоотдача (25–45 лм/Вт); небольшой

срок службы (до 2000 часов).

Основы маркировки газоразрядных ламп

Маркировка люминесцентных ламп в СНГ основана на буквен-

ном обозначении конструктивных признаков. Первая буква – Л – лю-

минесцентная, следующие буквы обозначают цвет излучения; Б – бе-

лый, ТБ – тепло-белый, ХБ – холодно-белый, Д – дневной, Е - естест-

венно белый, УФ – ультрафиолетовый, К, С, З, Г – красный, синий,

зелёный, голубой. Одна или две

буквы Ц после обозначения цвета оз-

начают высокое или ещё более высокое качество цветопередачи. Далее

следуют буквы, обозначающие особенности конструкции лампы: Р –

рефлекторная, У – U-образная, К – кольцевая, Б – быстрого пуска, А –

амальгамная. Цифры, стоящие после букв, обозначают мощность в

ваттах. Сигнальные люминесцентные лампы тлеющего разряда имеют

маркировку, начинающуюся с букв ТЛ

; трубки, применяющиеся в све-

товой рекламе, - маркировку ГР-20.

Примеры: ЛБ20, ЛЕЦ60, ЛТБЦЦ40, ЛДЦ18, ЛБР20, ЛЕЦУ30,

ЛТБЦК22, ЛЕЦК22, ЛДЦУФ40, ЛБЦТ36, ЛХЕЦ36.

Маркировка ламп ДРЛ: Д – дуговая, Р – ртутная, Л - люминес-

центная. Цифры после букв соответствуют мощности ламп в ваттах,

далее в скобках – «красное отношение», %, цифра через дефис - номер

разработки.

Примеры: ДРЛ80(10),

ДРЛ250(14)-4, ДРЛ1000(12)-3.

Маркировка трубчатых ртутных ламп высокого давления: Д –

дуговая, Р – ртутная, Т – трубчатая. Цифры после букв – мощность в

ваттах.

Примеры: ДРТ230, ДРТ1000.

Маркировка ртутно-вольфрамовых ламп: Д – дуговая, Р – ртут-

ная, В – вольфрамовая, Э – эритемная, Д – диффузная. Цифры после

букв – напряжение питания в вольтах, цифры после дефиса – номи-

нальная мощность в ваттах

Примеры: ДРВЭ220-400, ДРВЭД220-250.

Маркировка шаровых ртутных ламп сверхвысокого давления:

Д – дуговая, Р – ртутная, Ш – шаровая, цифры после букв – мощность в

ваттах, цифры после дефиса – номер разработки.

Примеры: ДРШ250-2М, ДРШ500М.

Маркировка металлогалогенных ламп: Д – дуговая, Р – ртутная,

И – с излучающими добавками, З – зеркализованная колба, Ш - шаро-

вая, число – номинальная

мощность в ваттах, число после дефиса –

номер разработки или модификации.

Примеры: ДРИ400-6, ДРИЗ250-2, ДРИШ1200.

Маркировка натриевых ламп: натриевые лампы низкого давле-

ния – ДНаО, натриевые лампы высокого давления – ДНаТ. Число –

мощность в ваттах.

Примеры: ДНаО85, ДНаТ150.

Маркировка ксеноновых ламп: Д – дуговая, Кс – ксеноновая, Т –

трубчатая, Ш – шаровая, РБ – разборная, М – металлическая, Э

- эри-

темная, В – с водяным охлаждением. Цифры соответствуют мощности

в ваттах, цифра через дефис – порядковый номер разработки.

Примеры: ДКсТ5000, ДКсТВ50000, ДКсШ1000-2,

ДКсШРБ3000-1.

Газосветные трубки используют для сигнального и рекламно-

оформительского освещения в качестве безынерционных источников.

Они имеют большую дальность действия в дождливую погоду. Свето-

вая отдача превышает световую отдачу ламп

накаливания, закрытых

фильтрами из цветного стекла почти в 10 раз. Широкое распростране-

ние получили газосветные трубки длиной от 100 мм до 3 м, которым

придают различную форму. Конструкция: Газосветные трубки пред-

ставляют собой заполненный инертным газом цилиндр (трубку), из

которого через штенгель откачан воздух. В концы трубок впаяны элек-

троды, к которым через

цоколи присоединён источник переменного

тока высокого напряжения. Газосветные трубки изготавливают с лю-

минофорным покрытием и без него. Достоинства: высокий к.п.д.,