29.2. Источники электрического света

Для освещения производственных помещений, жилищ, улиц используют различные источники. К ним относят лампы накали­вания и газоразрядные (люминесцентные, дуговые, ртутные, на­триевые и др.).

Лампы накаливания изготовляют различных конструкций. Лам­па состоит из стеклянного баллона (колбы), предназначенного для изолирования тела накала от внешней среды. Внутри колбы на молибденовых подвесках расположена нить накала из вольфрамо­вой проволоки. Лампы накаливания удобны в эксплуатации, практически могут работать при любых внешних условиях и не требуют никаких специальных пускорегулирующих устройств.

Лампы накаливания изготовляют вакуумными (типа В), газо­наполненными (тип Г), биспиральными — нить накала свита в двойную спираль (тип Б) и биспиральными криптоновыми (тип БК). Скорость распыления вольфрама в газе меньше, чем в ваку­уме. В газонаполненных лампах нить накала нагревается до 3000 К, световая отдача 20лм/Вт, срок службы 1000 ч. Световая отдача ламп накаливания растет с увеличением их мощности. При одинаковых мощностях у ламп, рассчитанных на напряже­ние 127 В, она выше, чем у ламп на 220 В.

При изменениях напряжения в сети световой поток и срок службы лампы изменяются. При повышении напряжения на 5 % срок службы сокращается вдвое, а световой поток увеличивается на 20 %. При увеличении напряжения на 10 % световой поток возрастает на 40 % (1/3 от прежнего срока службы). Поэтому для увеличения срока службы ламп следует как можно меньше под­вергать их воздействию повышенного напряжения, которое име­ет место в сетях в ночное время.

Наиболее распространены кварцевые лампы накаливания с йодным (галогенным) циклом (рис. 29.1). В обычной лампе нака­ливания вольфрамовая нить накала постепенно распыляется, и ее частицы оседают на внутренней поверхности колбы, умень­шая ее прозрачность. В лампах с галогенным циклом в кварце­вую колбу вводится дозированное количество йода. В этих лам­пах нить накала, выполненная из особо чистого вольфрама, установлена по оси кварцевой трубки на вольфрамовых под­держках. Ввод в лампу выпол­нен молибденовыми электро­дами, впаянными в кварцевые ножки и соединенными с кон­тактными поверхностями.

Лампа рассчитана на вклю­чение в сеть переменного тока напряжением 220 В. Регенеративный йодный цикл состоит в сле­дующем. Частицы вольфрама, отрываясь от раскаленной нити накала, оседают на стенках колбы, где соединяются с йодом. При этом образуется газообразное соединение — йодид вольфрама, которое, попадая в зону высоких температур вблизи нити накала, распадается на вольфрам и йод. Вольфрам выпадает на нить на­кала, а частицы йода возвращаются к колбе и вновь принимают участие в цикле.

Срок службы галогенных ламп вдвое больше, чем обычных ламп накаливания, спектральный состав излучения более близок к естественному, световая отдача на 18...20% больше. Габарит­ные размеры этих ламп значительно меньше, что позволяет су­щественно уменьшить размеры и массу осветительных приборов. Для галогенных ламп характерны высокая механическая проч­ность и термостойкость. Они выдерживают большое внутреннее давление и без последствий переносят в рабочем состоянии об­ливание холодной водой. Особенность эксплуатации галогенных ламп в том, что их монтируют только в горизонтальном положе­нии.

Газоразрядные лампы — в них излучение образуется за счет электрического разряда в газах или парах металлов. Среди газо­разрядных источников оптического излучения наиболее распрос­транены лампы, в которых используется разряд в парах ртути. В зависимости от давления, развиваемого в процессе работы внут­ри лампы, их можно условно разделить на следующие типы: низкого давления, в которых разряд происходит при давлении до 0,01 МПа; высокого давления, в которых давление достигает в рабочем режиме 0,01..Л МПа; сверхвы­сокого давления, внутри которых разряд происходит при давлении более 1 МПа.

В качестве газоразрядных ламп используют люминесцентные, дуговые ртутные (ДРЛ), дуговые ртутно-вольфрамовые люминес­центные (ДРВЛ), дуговые металлогалоидные высокого давления (ДРИ), натриевые высокого давления (ДНаТ) и т.д.

Люминесцентная лампа низкого давле­ния (рис. 29.2) представляет собой стеклянную трубку, покры­тую изнутри слоем люмино­фора. В оба конца трубки впа­яны нити нагрева, концы ко­торых присоединены к кон­тактным штырькам цоколя. Трубка заполнена аргоном в смеси с парами ртути. Под действием электрического тока, проходящего через газо­вую смесь, из паров ртути вы­ деляется большое количество невидимых ультрафиолетовых лучей, которые, попадая на люми­нофор, вызывают его свечение.

В зависимости от цветности и назначения люминесцентные лампы отечественного производства имеют соответствующую маркировку. Например, ЛД — лампа дневного света, ЛБ — лампа белого света, ЛХБ — лампа холодно-белого света, ЛТБ — лампа тепло-белого света, ЛДЦ — лампа с улучшенной цветопередачей, ЛЕ —лампа естественного света, ЛБЕ —лампа белого естествен­ного света, ЛХЕ — лампа холодно-естественного света, ЛФ — лампа с повышенной фитосинтетической эффективностью. Подбором состава люминофора в лампах ЛФ повышено излуче­ние в красной и синей областях спектра. Фитосинтетическая эф­фективность этих ламп на 40...50 % выше, чем других люминес­центных ламп.

Люминесцентные лампы выпускают мощностью 20... 150 Вт. Их световая отдача в 4...6 раз больше, чем ламп накаливания та­кой же мощности.

Люминесцентные рефлекторные лампы предназначены для эксплуатации в условиях повышенной запы­ленности. Отличие этих ламп от обычных состоит лишь в том, что примерно 2/3 внутренней поверхности колбы под слоем лю­минофора покрыто диффузно отражающим слоем металла. Весь световой поток лампы излучается направленно в пределах выход­ного окна. Сила света в направлении выходного окна превышает на 70...80 % силу света обычной люминесцентной лампы. Такие лампы используют в светильниках без отражателей.

Средний срок службы люминесцентных ламп не менее 12 000 ч. Среднее значение светового потока к концу этого срока должно быть не менее 60 % номинального. Повышение напряже­ния сети приводит к сокращению срока службы лампы, так как увеличивается распыление оксидного покрытия электродов за счет их перенакаливания.

В отличие от ламп накаливания световая отдача люминесцен­тных ламп при снижении напряжения питающей сети увеличи­вается, а при повышении уменьшается.

На показатели работы люминесцентных ламп влияют условия окружающей среды. При повышении и понижении температуры окружающего воздуха световой поток люминесцентных ламп снижается. При температуре воздуха ниже 10 °С необходимо принимать меры для обеспечения надежности зажигания (тепло­изоляция лампы, включение по особым схемам и др.).

Общий недостаток газоразрядных ламп состоит в том, что све­товой поток их пульсирует с частотой, равной удвоенной частоте тока сети. Глаз не в состоянии заметить непрерывное мелькание света благодаря зрительной инерции. Однако при освещении пульсирующим светом вращающихся и поступательно движу­щихся предметов может возникнуть стробоскопический эффект, который заключается в появлении ложного представления не­подвижности или множественности движущихся предметов либо обратного направления вращения. Это опасно в производствен­ных условиях. Для устранения стробоскопического эффекта га­зоразрядные лампы включают по компенсированным двухлампо­вым схемам, которые обеспечивают изменение светового потока каждой лампы в противофазе. Вследствие этого суммарный све­товой поток двух ламп почти не пульсирует.

Дуговая ртутная лампа высокого давле­ния (ДРЛ) устроена следующим образом. Внешняя колба вы­полнена из термостойкого стекла и изнутри покрыта слоем лю­минофора (рис. 29.3). Эллипсоидная форма колбы обеспечивает во время горения лампы температуру, достаточную для эффек­тивной работы люминофора, и равномерное распределение ее по поверхности колбы. Колба лампы приклеивается к цоколю. Внутри колбы расположена горелка в виде трубки из кварцевого стекла с основными и дополнительными вольфрамовыми

Рис. 29.3. Лампа ДРЛ:

/ — вольфрамовый катод; 2— молибденовый ввод; 3 —

ртугао-кварцевая лампа высокого давления; 4— внешняя

колба

элект­родами, впаянными в торцы. Дополнительные электроды через токоограничивающие

резисторы подключены к основным элект­родам на противоположных торцах горелки. Внутри горелки на­ходятся аргон и дозированное количество ртути. Полость колбы заполнена углекислым газом для стабилизации свойств люмино­фора.

Излучение лампы, кроме отдельных спектральных линий, ха­рактерных для газового разряда в парах ртути при высоком давлении, содержит красную составляющую в виде сплош­ного спектра в диапазоне 58О...72Онм, обусловленную свечением люминофора при облучении его ультрафиолетовым излучением кварцевой горелки лампы. Излучение люминбфора составляет 8... 10 % общего потока лампы и в неко­торой степени улучшает спектральный состав излучения.

Лампы типа ДРЛ выпускают мощно­стью 80...2000 Вт. Средний срок службы их более 10 000 ч. Световая отдача 40...50лм/Вт, что более чем в 2 раза выше световой

отдачи ламп накаливания такой же мощности, но ниже, чем у люминесцентных ламп. Значительные единичные значения мощности лампы ДРЛ при сравнительно небольших размерах позволяют получать от одного источника во много раз больший поток излучения, чем от люминесцентных ламп. К кон­цу срока службы значение светового потока ламп ДРЛ уменьша­ется до 70 % начального.

Условия окружающей среды несущественно влияют на надеж­ность зажигания и светотехнические характеристики лампы. Это объясняется тем, что горелка лампы находится в газонаполнен­ном пространстве и во время работы имеет высокую температу­ру. Лампы ДРЛ успешно работают при температурах окружаю­щего воздуха — 4О...+8О°С.

Дуговые ртутно-вольфрамовые люми­несцентные лампы (ДРВЛ) представляют собой разно­видность ДРЛ. Внешне они не отличаются от ДРЛ, но внутри кол­бы встроено балластное устройство в виде вольфрамовой спирали, включенной последовательно с газоразрядным промежутком. Вольфрамовая спираль, ограничивая ток дугового разряда, допол­няет излучение люминофора излучением красной части спектра. Лампы ДРВЛ включают непосредственно в сеть. Они имеют более благоприятный для правильной цветопередачи состав излучения, не требуют для работы металлоемкого и дорогостоящего балласт­ного устройства, но их световая отдача в 1,8...2 раза ниже.

Натриевые лампы высокого давления (ДНаТ) в основном устроены так же, как и ДРЛ, но более про­долговатые и не покрываются люминофором изнутри. Внутрен­няя газоразрядная трубка выполнена из светопропускающего (внешне матового) поликристаллического оксида алюминия. В трубку введены амальгама натрия и инертный газ при давлении в несколько десятков паскалей. В лампах этого типа нет ультрафи­олетового излучения. Излучение у них происходит преимуще­ственно в желтой, оранжевой и красной зонах видимого спектра. Мощность ламп 150...1000 Вт, срок службы до 24 000 ч. В ряде за­рубежных стран их выпускают мощностью 70, 100, 150, 400 Вт в колбах, покрытых оксидом алюминия, что уменьшает яркость лампы, позволяя использовать ее для внутреннего освещения и размещать на более низкой высоте.

Дуговые металлогалоидные лампы (ДРИ) по принципу действия и конструкции подобны ДРЛ. Но в разря­де, кроме паров ртути, присутствуют галогениды различных ме­таллов. Используя добавки йодидов различных металлов и ртути, можно получить металлогалоидные газоразрядные лампы высо­кого давления. Их мощность 250, 400, 700, 1000 и 2000 Вт, свето­отдача 80...95 лм/Вт.

На базе ламп ДРИ созданы лампы для облучения растений ДРФ-ЮООиДРФ-400.

По мере совершенствования и увеличения выпуска лампы ДРИ будут заменять лампы накаливания и ДРЛ в общем и улич­ном освещении. Лампы ДРЛ, ДНаТ, ДРИ используют для осве­щения улиц и сельскохозяйственных объектов, где не требуется высокое качество цветопередачи.