Лекция №17

Газоразрядные лампы

В соответствии с новыми нормами по освещению, для освещения производственных помещений рекомендуется применять в первую очередь газоразрядные лампы, как наиболее экономичные (рис.89).

Z – сопротивление

_- + предназначенное для

ограничения тока,

проходящего через

U_л лампу и стабилизации

режима работы

Z

Рис.89 Схема газоразрядной лампы

Если к лампе приложено напряжение, то между биспиральными вольфрамовыми электродами возникает электрическое поле. Колба лампы заполняется аргоном под давлением 400 Па с небольшим количеством ртути.

При своем движении электроны сталкиваются с нейтральными атомами. При этом возможны три случая:

1. – напряжение невысокое. Энергии электронов недостаточно. Происходит упругий удар – электрон, ударившись об атом, не выбивает с его поверхности электрон (отскакивает от атома). Излучения нет.

2. – при увеличении напряжения (U) увеличивается скорость электронов. При столкновении с атомом, атом приходит в возбужденное состояние. При этом повышается энергетический уровень электронов атома. Происходит излучение квантов энергии, т.к. электроны атома переходят с орбиты с более высоким содержанием энергии на орбиту с меньшей энергией. Затем электрон в атоме вновь переходит на начальный уровень.

Возникает тлеющий разряд. Стабильного свечения нет.

3. – напряжение еще больше возрастает (U). Ионизация поля еще больше возросла, следовательно, и скорость электронов возрастает. Тогда эти электроны срываются с поверхности атома, разгоняются электрическим полем, ударяют по атомам ртути, вышибают с их поверхности электроны, которые также разгоняются электрическим полем. При этом снижается сопротивление воздушного пространства между электродами и, по закону Ома, ток лавинообразно увеличивается. Возникает дуговой разряд. При этом происходит излучение ультрафиолетового спектра с длиной волны 254 нм. Также выделяются лучи видимого спектра.

Для ограничения силы тока лампы при ионизации газа служит ограничивающее сопротивление (Ζ).

Газосветные газоразрядные лампы

Принцип работы основан на свечении газа, которым заполнена колба лампы, при прохождении электрического разряда между электродами. Первые лампы заполнялись неоном (Ne), аргоном (Ar), криптоном (Kr).

В настоящее время используют ряд других наполнителей.

1 ). Ксеноновые (Кс) лампы высокого давления излучают спектр близкий к естественному. Эти лампы не требуют балластного сопротивления, но для их зажигания требуется специальное зажигающее устройство. Эти лампы имеют водяное (Д Кс ТВ) или воздушное (Д Кс ТЛ и Д Кс Т) охлаждение. Выполнены в виде двойной трубки (Рис.90).

вода или воздух вода или воздух

Ксенон (Кс) электроды

Рис.90 Схема ксеноновой лампы с водяным или воздушным охлаждением

Этим лампам присущи определенные недостатки:

а) – световой поток лампы пульсирующий с двойной частотой сети, что вызывает ярко выраженный стробоскопический эффект;

б) – световая отдача ламп составляет лишь 20 … 45 лм\Вт;

в) – срок службы ламп весьма ограничен (до 1300 ч);

г) – требует дорогостоящего оборудования для зажигания.

2). Хорошими характеристиками обладают натриевые лампы ДНа Т. Отечественная промышленность выпускает лампы Д На Т мощностью 250; 400 и 700 Вт. Срок службы этих ламп составляет до 10 000 часов. Имеют желто-оранжевый спектр излучения. Надежно работают в интервале температур от -60˚С до +40˚С. На работу лампы сильно влияет колебание напряжения сети.

Na

Рис.91 Дуговая натриевая трубчатая лампа (Д На Т)

Работа ее сопровождается заметной пульсацией светового потока с двойной частотой тока. Лампы применяются там, где не требуется даже удовлетворительной цветопередачи – при освещении больших пространств (улиц, автострад, стоянок техники, площадок складирования и др.).

3). Дуговые металлогалоидные лампы высокого давления (ДРИ)

Внутренняя горелка выполнена из кварцевого стекла. Заполнена аргоном, строго дозированным количеством ртути, йодидов редкоземельных металлов (гольмия, туллия, талия, натрия, цезия и др.). Эти йодиды дополняют линейчатый спектр ртутного разряда своими излучениями в других диапазонах длин волн. Йодид натрия дополняет излучение в желтой части спектра; талия – в зеленой; цезия – в голубой и т.д. Совокупность излучения всех компонентов создает практически полный спектр видимого диапазона и цветность его близка к естественному свету.

Внутренняя колба помещена во внешнюю, выполненную из термостойкого стекла, а между ними – вакуум (рис.92). Светоотдача этих ламп довольно высока – 95 лм/Вт, что ставит их в ряд наиболее эффективных источников света. Условия окружающей среды не оказывают значительного влияния на светотехнические характеристики ламп.

Рис.92 Дуговая металлогалоидная лампа ДРИ

Недостатки

а) – значительное влияние на работу лампы и ее светотехнические характеристики оказывает отклонение напряжения от номинального;

б) – необходимо дорогое зажигающее устройство;

в) – срок службы средний – от 1000 до 5000 часов.

Люмиинесцентные лампы

Относятся к классу газоразрядных ламп.

Внутренняя поверхность стеклянной колбы покрыта тонким слоем люминофора – кристаллическое вещество определенного химического состава. Из колбы откачан воздух и введен аргон с небольшим количеством ртути (30 … 80 млг).

Принцип работы основан на двухкратном преобразовании электрической энергии в видимый спектр:

1-ый этап – преобразование электрической энергии в процессе электрического разряда в парах ртути в энергию ультрафиолетового излучения с  = 254 нм;

2-ой этап –преобразование невидимого ультрафиолетового излучения в слое люминофора в видимое излучение.

Спектр излучения лампы зависит от состава люминофора. Выпускаемые промышленностью лампы различаются по цветности на:

Д – дневного; Б –белого; ХБ – холодно-белого; ТБ – тепло-белого; Е – естественного; БЕ – белого естественного; ХЕ – холодного естественного; ДЦ – с улучшенной цветопередачей спектры и др.

Преимущества

а) – более благоприятный спектральный состав излучения приближенный к естественному спектру;

б) – значительно более высокая (4 … 6 раз) светоотдача;

в) – большой срок службы (до 12 000 часов).

Недостатки в сравнении с лампами накаливания

а) – сложная система включения в сеть, следовательно, удорожание;

б) – зависимость работы ламп от условий окружающей среды;

в) – пульсация светового потока, вызывающая стробоскопический эффект;

г) – меньшая надежность в работе;

д) – лампы плохо зажигаются при температуре окружающей среды ниже 0С.

Общие свойства разрядных ламп

1). Спектр зависит от состава газа или паров металлов, заполняющих колбу; спектр излучения линейчатый, т.е. излучение диапазона всех длин волн. Излучение на одной длине волны называется монохроматическим.

2). Спектр излучения зависит от давления газа в лампе:

- до 0.01 МПа - лампы низкого давления;

• от 0.01 до 1.0 МПа - лампы высокого давления;

• свыше 1 МПа - сверхвысокого давления.

Чем выше давление, тем больше световой поток лампы.

3). Эти лампы имеют особую вольт- амперную характеристику (ВАХ). Функция I = (U) у разрядных ламп нелинейная (рис.93).

При напряжении от 0 до U_а ток лампы плавно увеличивается до I_а, а затем скачком принимает значение I_б.

Дальнейшее увеличение напряжения до U_в приводит к неустойчивой точке «в», после которой ток резко возрастает за счет уменьшения сопротивления газа в лампе при лавинообразной ионизации.

Ограничить этот ток, а следовательно, и стабилизировать режим работы в области «5» можно путем включения токоограничивающего сопротивления, называемого балластным, т.к. мощность на нем расходуется бесполезно.

U U_c

U_c

U_в в U_балл U_л

а б

U_а

U_л

I_а I_б I_в I

I_л

1 2 3 4 5

Рис.93 Вольт-амперная характеристика (ВАХ) разрядной лампы

где 1 – тихий разряд; 2 – переходная область; 3 – нормальный тлеющий разряд;

4 – аномальный тлеющий разряд; 5 – дуговой разряд.

4). Все разрядные лампы имеют значительно больший, чем у ламп накаливания, срок службы.

По мере работы этих ламп светоотдача этих ламп снижается в меньшей степени, чем у ламп накаливания.