5 Лекция № 5. Газоразрядные лампы

Содержание лекции:

- общие свойства газоразрядных ламп;

- люминесцентные лампы.

Цели лекции:

- ознакомиться с основными принципами работы ГЛ, их свойствами и параметрами.

5.1 Общие свойства газоразрядных ламп

Газоразрядной лампой (ГЛ) называют лампу, в которой оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях.

Особенности ГЛ и области применения определяются тем, что ГЛ имеют самую высокую световую отдачу и большой срок службы по сравнению с ЛН, а также могут иметь разнообразные спектры излучения и широкий диапазон значений мощности, яркости и других параметров. Поэтому современные ГЛ все шире применяются для освещения, оттесняя ЛН. Уже сегодня в передовых странах мира ГЛ создают более половины светового потока, так, например, в США на законодательном уровне потребителей электроэнергии обязывают переходить даже в домашнем освещении на ГЛ.

Применение ГЛ во многих отраслях народного хозяйства, в медицине, новейшей технике и др., объясняется особенностями электрического разряда, которые позволяют создавать источники излучения с весьма разнообразным сочетанием параметров. Подбирая соответствующие наполнение и условия разряда, удается создавать высокоэффективные источники излучения практически в любой части не только видимого, но также УФ и ИК спектров. При этом можно получать спектры излучения, состоящие из одиночных линий, многолинейчатые и непрерывные. Это достоинство ГЛ открыло им исключительно широкие возможности применения не только для освещения, но также для многочисленных специальных целей.

Разряды высокого и особенно сверхвысокого давления имеют высокую яркость, в десятки и сотни раз превосходящую яркость ЛН. Поэтому ГЛ с успехом применяются в светооптических приборах и установках. Малая инерционность излучения ГЛ позволяет применять их там, где требуется модуляция излучения, например, в звукозаписи, оптической телефонии и других случаях. Широкое и весьма разнообразное применение находят импульсные лампы (ИЛ), дающие вспышки излучения исключительно высокой яркости и очень малой длительности. Они применяются в многочисленных приборах и установках для наблюдения и изучения быстродвижущихся частей машин и механизмов (стробоскопы), фотографирования и изучения быстропротекающих процессов, аэрофотосъемки, оптической дальномерии и т.д. В последнее время ИЛ широко применяются для оптической накачки лазеров.

Недостатком ГЛ является некоторая сложность их включения в сеть, связанная с особенностями разряда. Для его зажигания требуется более высокое напряжение, чем для устойчивого горения. Для обеспечения устойчивого горения в цепь каждой лампы включается балласт, ограничивающий ток разряда требуемыми пределами. Другой недостаток ГЛ с парами обусловлен зависимостью характеристик от их теплового режима, поскольку температура определяет давление паров рабочего вещества лампы. Номинальный режим устанавливается только спустя некоторое время после включения. Повторное зажигание ламп с разрядом в парах металла при высоком и сверхвысоком давлении без специальных приемов возможно только по истечении некоторого времени после выключения.

Принцип действия ГЛ основан на электрическом разряде между двумя электродами, запаянными в прозрачную для оптического излучения колбу той или иной формы. Иногда для облегчения зажигания впаивают дополнительные электроды. Внутреннее пространство колбы после удаления воздуха и тщательного обезгаживания лампы (удаление сорбированных в материале колбы и электродах паров воды и других газов при помощи нагрева под откачкой) наполняется определенным газом (чаще всего инертным) до заданного давления или инертным газом и небольшим количеством металла с высокой упругостью паров, например, ртутью, натрием и др.

Существует категория ГЛ с электродами, работающими в открытой атмосфере, с разрядом в проточном газе или с высокочастотным безэлектродным разрядом.

Вид разряда в ГЛ может быть дуговой, тлеющий и импульсный. В ГЛ стационарного действия используются дуговой и тлеющий вид разряда. В источниках импульсного действия (ИЛ) - импульсный разряд. Вид разряда определяется параметрами элементов внешней цепи (питающим напряжением и балластным сопротивлением), типом катода и давлением газа или пара, наполняющего лампу.

Классификация ГЛ возможна по физическим, конструктивным признакам, эксплуатационным свойствам и областям применения. Здесь предлагается классификация по физическим признакам, которые определяют важнейшие свойства ГЛ, такие, как спектр и цветность излучения, яркость, градиент потенциала, энергетический КПД. Для них определяющими факторами являются состав газовой среды (рабочее вещество), парциальные давления компонентов газовой смеси и ток.

Зажигание разряда возможно лишь при напряжении выше определенного значения, когда становится возможным лавинное образование зарядов в газовом межэлектродном промежутке. Это приводит к резкому, практически внезапному (10^-5 - 10^-7 с) возрастанию тока и появлению свечения. Этот процесс называется зажиганием самостоятельного разряда, а соответствующее ему напряжение - напряжением зажигания. При меньшем напряжении межэлектродный промежуток является диэлектриком. Напряжение зажигания самостоятельного разряда U₃ определяет нижнюю границу напряжения, которое необходимо приложить к ГЛ для возникновения самостоятельного разряда и зависит от рода газа, наполняющего колбу, его давления р, расстояния между электродами d_эл материала и свойств катода, а также от ряда других причин. Напряжение, необходимое для стабилизации разряда после его возникновения, как правило, ниже U₃.. Рабочее напряжение на ГЛ определяется расстоянием между электродами и условиями разряда, а ток, необходимый для получения заданной мощности, обеспечивается подбором сопротивления балласта, с которым ГЛ включается в сеть.

Стабилизация разряда необходима потому, что подавляющее большинство ГЛ работает на падающих (или горизонтальных) участках вольтамперной характеристики, на которой с ростом тока напряжение на ГЛ падает. Поэтому устойчивая работа ГЛ возможна только при наличии в схеме устройств, ограничивающих силу тока в заданных пределах.

Преобразование излучения разряда при помощи люминофоров открыло широкие возможности создания ГЛ с самыми различными спектрами излучения. Обычно для возбуждения люминофора используется УФ излучение разряда, которое люминофор преобразует с определенными потерями в более длинноволновое излучение, лежащее в УФ или видимой областях спектра.

Электроды являются одним из основных конструктивных узлов ГЛ. Имеются два основных электрода: катод и анод. Катод обеспечивает поступление электронов, необходимое для поддержания разряда; анод является приемником электронов из разрядного промежутка. При работе на постоянном токе катод и анод имеют, как правило, различную конструкцию с тем, чтобы обеспечить оптимальную работу каждого из них. У ГЛ, использующих излучение столба и работающих на переменном токе, оба электрода, как правило, имеют одинаковые конструкцию и размеры, поскольку каждые полпериода они меняются ролями. В зависимости от типа разряда применяют холодные, накаленные или пленочные катоды.