1.8.3. Електричні джерела світла

1.8.3.1. Жарівки. Жарівки виготовляють з цоколями відповідно до міжнародних норм. Жарівки із різьбовою вкруткою позначаються, наприклад Е5,5, Е6, Е10, Е14 і Е27, де цифри означають зовнішній діаметр різьбової вкрутки в міліметрах. Жарівки з багнетним цоколем позначаються, наприклад ВА7, ВА9s, ВА15s і т.д. Існують також мініатюрні жарівки із вставним цоколем, які застосовуються в телефонії, як і жарівки з дротяними виводами, монтовані з допомогою підставок або лютуванням. Існують також мініатюрні жарівки у вигляді скляних трубок та інших різноманітних виконаннях.

Принцип дії жарівки полягає, як відомо, на тому, що її нагрівальний елемент, через який проходить електричний струм, нагрівається до такої високої температури, що утворюється видиме випромінювання, тобто світло. Матеріалом, з якого виготовляють нагрівальний елемент є вольфрам, який має температуру топлення 3655 К. У звичайній жарівці нагрівальний елемент має температуру в межах від 1800 до 2500 К. Вища температура дає яскравіше світло, але одночасно скорочує час служби жарівки.

Декотрі застосування вимагають ламп з яскравішим, білішим світлом, наприклад, при освітленні у фотографії та фільмуванні. З цією метою застосовуються жарівки з нагрівальним елементом, що знаходиться при граничних температурах 2500-2900 К в балонах наповнених газом.

Жарівка споживає у 12 разів більший струм в момент вмикання, ніж під час нормальної роботи з номінальним освітленням, тобто, коли вона вже достатньо нагріта. Час спрацювання (засвічування) жарівок є найменшим у низькострумових жарівках. Для жарівки із максимальним значенням струму вмикання 0,1 А вже через 20 мс струм знижується до значень, приблизно вдвічі більших від номінального значення. Значення струму вмикання можна зменшити, застосовуючи початкове нагрівання струмом, величина якого ще не спричиняє свічення жарівки. Якщо робоча напруга жарівки відрізняється від номінальної, то також змінюються і її властивості (рис. 1.28). З цього виникає, що ресурс зменшується до 0,05 % від номінального значення при перевищенні напруги на 25 %, при цьому продуктивність джерела світла зростає у 2,1 рази порівняно з номінальним значенням. Збільшується також колірна температура (біліше світло). У спеціальних застосуваннях це може бути корисним, в інших, наприклад, у вказівникових жарівках, у пристроях, де важливою є надійність в роботі, це спричинює використання заходів до зменшення напруги. Однак, у цьому випадку, кориснішим може бути застосування світлових діодів як вказівників. Окрім значення напруги, на ресурс жарівки впливає вид напруги живлення - постійна або змінна. Живлення постійною напругою скорочує час служби жарівки на половину. Удари та вібрації також скорочують час служби жарівок, але це менше стосується низьконапругових жарівок. Підвищена температура середовища також скорочує час служби жарівок (рис. 1.28).

Р ис. 1.28. - Споживання струму, сила світла і ресурс у функції напруги живлення жарівки

1.8.3.2. Галогенові жарівки. Галогенові жарівки мають нагрівальний елемент такий, як і в звичайних жарівках, але в них відбувається постійний хімічний процес між матеріалом нагрівача – вольфрамом – та матеріалом заповнення балону - галогеном. Взаємодія між вольфрамом та галогеном відбувається через газове середовище. В результаті циркуляції тепла газ осідає на нагрівальному елементі, а не на скляній оправі. Цей процес спричиняє те, що світловий потік є постійним впродовж всього терміну служби галогенової лампи.

Продуктивність джерела світла є кращою, ніж у звичайних жарівках і світлова температура світла є вищою – близько 3000 К, що є корисним при освітленні об’єктів під час фільмування та фотографування, в проекторах, освітлення творів мистецтва і т.д. Іншою перевагою галогенових ламп порівняно із звичайними є їх довший час служби.

1.8.3.3. Лампи денного світла. Лампи денного світла мають дуже високу продуктивність. Типовим значенням є 100 лм/Вт або й більше. Для порівняння, галогенова жарівка дає близько 12-25 лм/Вт, а звичайна вольфрамова жарівка дає близько 18 лм/Вт при температурах 2500-2900 К або ж 1-8 лм/Вт при температурах 1800-2500 К. Час служби приблизно в шість разів довший, ніж звичайної жарівки. Лампи денного світла виготовляються з колірними температурами між 2900 та 6300 К, а також для ультрафіолетового випромінювання. Лампи денного світла повинні бути під’єднані послідовно із стартером, який обмежує струм. Стартер має також інше завдання, а саме забезпечити достатньо високу напругу пробою газового середовища. Завдяки пробою неонового середовища, через стартер, подібно як і через обидва виводи лампи, проходить електричний струм. В момент припинення подачі струму, накопичена енергія спричиняє виникнення імпульсу напруги і таким чином лампа денного світла засвічується. Потужність стартера повинна бути вибрана відповідно до потужності лампи. Лампи денного світла переважно виготовляються для напруги 220 В. Для різних напруг використовуються різні стартери.

Компактна лампа денного світла має спеціальні виводи або звичайну вкрутку Е27. В останньому випадку лампа денного світла завжди має пристрій запалювання, тобто стартер і розрядник.

Лампи денного світла зазвичай мають кут зсуву фази cosφ=0,4-0,5. Тому, в стаціонарних (постійних) пристроях їх коефіцієнт потужності повинен бути скомпенсований конденсатором до значень близьких до сosφ=0,9.

1.8.3.4. Світлодіодні лампи в корпусах для жарівок. Напівпровідниковий матеріал може випромінювати світло. В момент, коли електрон в напівпровідниковому матеріалі комбінується з діркою – вивільнюється енергія. У звичайних кремнієвих напівпровідниках вона перетворюється на тепло, але завдяки застосуванню інших напівпровідникових матеріалів і домішок можна отримати видиме світло різних кольорів або інфрачервоне випромінювання. Червоний, оранжевий і жовтий колір можна отримати з галій-арсен-фосфиду (GaAsP), в той час, як галій-фосфид (GaP) дає зелений та блакитний колір. На практиці блакитне світло застосовується зрідка з огляду на його дуже низьку продуктивність, тим більше, що око людини є менш чутливим до блакитного кольору, на відміну від, наприклад, оранжевого кольору.

Діодні лампи зазвичай пристосовані до певної напруги живлення. Існують лампи , які мають тільки один світлодіод із спадком напруги на ньому 2 В. Такі лампи повинні включатися послідовно з резистором, опір якого підраховується наступним чином:

опір резистора (кОм)=[напруга живлення (В) – спад напруги (В)]/струм (мА).

Припустимо, що хочемо увімкнути діод із робочим струмом 10 мА до напруги живлення 5 В. З рівняння випливає, що такий резистор повинен мати опір значенням (5-2)/10=0,3 кОм.

З допомогою цього резистора ми захищаємо світлодіод від надмірно високого струму. Але відповідно ще необхідно включити діод в необхідній полярності. Діод з оберненою полярністю не світить, і неодмінно вийде з ладу, якщо напруга становитиме приблизно 5 В або більше.

1.8.3.5. Неонові лампочки. Складаються з двох електродів і оправи, наповненої інертним газом. Коли прикладена напруга перевищить певне значення, то газ іонізується і починає проводити струм. У цьому випадку також варто включити послідовний резистор, щоб обмежити значення струму, у той час як значення спадку напруги власне на неоновій лампі буде постійним. Значення напруги пробою залежить від тиску газу. Зазвичай значення напруги свічення знаходиться в проміжку (60…150) В. Однак, значення напруги запалювання є вищим. Значення напруги живлення повинно бути щонайменш рівним значенню напруги запалювання. Значення послідовного резистора повинно бути рівним:

опір резистора (кОм)=[напруга живлення (В)–напруга свічення (В)]/струм (мА).

Завдяки своєму принципу дії, неонові лампи часто застосовуються як стабілізатори. Неонові стабілізатори діють в наступний спосіб: від неонової лампи відрізняються тільки конструкцією, а також тим, що напруга свічення стабілізатора є чітко визначеною.

Існують також неонові лампи із вбудованим послідовним резистором. Але виробник вказує напругу запалювання, а не свічення.