Коэффициент полезного действия и баланс мощности разрядных источников света освещения

Одним из наиболее важных параметров, характеризующих энергетические свойства источника, является его эффективность или, для источников освещения, световая отдача. Этот параметр является одним из главных составных элементов при определении экономической ценности источника. Особенно важное значение он приобретает для источников массового применения. При создании источников излучения, как правило, необходимо стремиться к получению максимально возможной эффективности, если это не связано с ухудшением других параметров, например с падением срока службы, увеличением стоимости источника или ПРА, ухудшением цветности и т. п. В тех случаях, когда повышение эффективности не связано с ухудшением других параметров, определяющих эксплуатационную ценность источника, выбор оптимальных параметров источника и ПРА должен находиться для осветительных и облучательных установок, исходя из условия получения минимальной стоимости эксплуатации установки (или минимума приведенных затрат) и заданной степени надежности.    Мощность установки с разрядным источником излучения Руст складывается из мощности самой лампы Рл и мощности пускорегулирующего аппарата .    Мощность самого источника в свою очередь складывается из мощности на катоде Рк, мощности на аноде Ра и мощности столба Рст. Таким образом, руст=Рл+Р6=.рст+Рк+Ра+Р6.     Энергия, выделяющаяся в лампе, превращается в излучение разряда и нагретых электродов, а также в тепло. Дальнейшая трансформация этой энергии зависит от конструкции лампы и условий ее охлаждения. Существенное влияние на эти процессы Указывают свойства колбы  (или колб) и наносимых на нее (них) слоев, особенно люминофорных. Поэтому при анализе баланса реальных ламп, как правило, необходимо рассматривать превращения выходящих потоков в каждой зоне, влияющей на их структуру. Влияние колбы на выходящее излучение и тепло, а балансы энергии конкретных типов ламп и их особенности приведены в соответствующих главах В этом параграфе будем принимать, что колба полностью прозрачна для всего излучения разряда.    Задача создания источников с высоким КПД излучения связана в первую очередь с уменьшением непроизводительных потерь энергии. К таким потерям относится энергия, потребляемая в пускорегулирующем аппарате и являющаяся бесполезной с точки зрения получения излучения. Однако она может быть снижена только до определенного предела.    Для источников света, в которых излучение дает столб разряда, потерями является также энергия, выделяющаяся на катоде и аноде.    Для уменьшения рабочего напряжения на лампе и, следовательно, напряжения питания при сохранении высокого значения g необходимо уменьшать t/a.K. Серьезный успех в снижении Ua.K дало создание оксидных самокалящихся катодов, при которых С/к составляет от 5 до 15 В, в то время как для холодных активированных катодов тлеющего разряда оно не меньше 50 В, а для неактивированных составляет 100 В и больше. Таким образом, только благодаря созданию оксидных самокалящихся катодов, рассчитанных на различные силы тока и большие сроки службы, появилась возможность разработки современных разрядных ламп высокой экономичности, пригодных для работы в сетях нормального напряжения без его повышения.    Общая картина баланса энергии в столбе разряда. Для инженерных расчетов вообще и тепловых расчетов, в частности, необходимо знание баланса энергии столба в зависимости от условий разряда. Такая обобщенная картина баланса энергии в столбе для паров некоторых металлов (Hg, Cd, Zn) и инертных газов была получена Б. Н. Клярфельдом на основе использования литературных данных и обширных и обстоятельных собственных измерений преимущественно в области низких давлений .    Излучаемую мощность Б. Н. Клярфельд  делит на мощность излучения резонансных Фрез и нерезонансных Фнр линий. Такое деление оправдано тем, что они имеют резко различные зависимости от давления и силы тока. Тепловые потери в разряде.   Баланс энергии столба разряда в зависимости от давления: а — плотности тока десятки миллиампер на квадратный сантиметр; б — плотности тока амперы на квадратный сантиметр делятся им на тепловые потери в объеме газа Ру и тепловые потери на стенках трубки Ртр. Потери от поглощения части излучения в материале стенок колбы не рассматриваются, т. е. принимается, что материал колбы прозрачен для всего излучения разряда. Типичный баланс энергии столба разряда по Б. Н. Клярфельду в зависимости от давления газа или пара. Шкала давлений служит только для приблизительной ориентировки, поскольку у различных газов и паров, особенно их смесей, соответствующие области баланса отличаются по давлению. По оси ординат отложены значения частей баланса, выраженные в долях от мощности столба газа. Существуют различные области давлений и токов, благоприятные для выхода излучения разряда. Наибольший выход резонансного излучения имеет место в области малых плотностей тока и низких давлений — от нескольких десятых долей до нескольких сот паскалей. Наибольшие значения  могут достигать при этом 80—90%. Наибольший выход нерезонансных излучении имеет место при больших плотностях тока и ВД в контрагированном столбе. При больших плотностях тока существует также область НД, в которой выход нерезонансных излучений достигает сравнительно больших значений.    Выделение энергии непосредственно на стенках трубки при низком давлении вызвано рекомбинацией электронов и ионов на стенках, передачей стенке кинетической энергии падающих электронов и ионов и передачей энергии метастабильных атомов.    При очень низких давлениях газа, порядка Ю-2 Па (10~4 мм рт. ст.), благодаря высокой электронной температуре относительно велико число ионизации по сравнению с возбуждением. Ввиду относительно малого числа соударений потери в объеме газа малы. Почти вся энергия выделяется в виде тепла на стенках трубки. Уменьшение температуры с ростом давления объясняется главным образом затруднением диффузии заряженных частиц и метастабильных атомов к стенкам.    Основной причиной, вызывающей нагрев газа в объеме, являются упругие соударения электронов с атомами газа. При постоянной силе тока с ростом давления газа относительные тепловые потери в объеме газау быстро возрастают примерно пропорционально Ne2. При больших давлениях газа и плотностях тока начинает играть заметную роль обратный процесс передачи энергии от- атомов к электронам.    При НД рост тока вызывает увеличение в контрагированном столбе увеличение тока приводит к уменьшению r\\v-В разрядах ВД излучающего инертного газа или пара таких металлов, как Hg, Cd, Zn и др., основную роль в балансе энергии столба играют нерезонансное излучение и тепловые потери в объеме. Помимо этого, имеются процессы, которые могут отводить к стенкам до 30 % электрической мощности.    Исследования в 60—70-х годах показали, что у разрядов в парах щелочных металлов при ВД порядка 13 кПа (102 мм рт. ст.) выход резонансного излучения имеет второй неизвестный ранее максимум, в котором резонанс может достигать 0,4. На этой базе создан целый класс новых, высокоэффективных ламп.    Баланс мощности столба разрядов ВД. При использовании модели разрядного канала в уравнение баланса входит коэффициент, меньший единицы и свидетельствующий о поглощении части излучения разряда в более холодной оболочке, окружающей канал разряда, и в материале колбы. Поэтому следует различать баланс мощности на границе канала и выходящего из лампы.

Лампы галогенные Процессы на электродах и в приэлектродных областях дуговых разрядов низкого давления

Лампы галогенные. Процессы на электродах и в приэлектродных областях дуговых разрядов низкого давления

Общая картина физических процессов на горячем катоде и в прикатодной области дуговых разрядов. Составленная на основе большого числа экспериментальных исследований и теоретических оценок, она выглядит следующим образом. При увеличении силы тока увеличивается нагрев катода, и при некоторой температуре катода (силе тока) разряд у катода стягивается в яркую светящуюся область, которая придвигается почти вплотную к поверхности катода. При этом происходит резкое снижение катодного падения потенциала до величины порядка потенциала ионизации газовой среды у поверхности катода (т. е. до 5—15 В). Тлеющий разряд переходит в дуговой. Активированный катод нагревается в катодном пятне (КП) до температуры, при которой значительная часть тока разряда обеспечивается током термоэмиссии. Катодным пятном будем называть нагретый участок поверхности катода, эмиттирующий основную часть электронов. осветить ванную комнату. Свет для мытья и свет для бритья.    Главная часть катодного падения потенциала происходит в весьма тонком слое двойного пространственного заряда, непосредственно примыкающего к поверхности КП, — в так называемом ленгмюровском слое. При наличии КП толщина этого слоя значительно меньше длины свободного пробега электронов, поэтому они проходят его практически без столкновений и попадают в следующую область с энергией, равной пройденной разности потенциалов. Здесь они принимают непосредственное участие в возбуждении и ионизации газа, теряя при этом часть своей энергии. Эта область носит название области неравновесной ионизации, поскольку в ней с расстоянием от катода меняется функция распределения электронов по энергиям (ФРЭ), концентрация электронов и скорость ионизации.    Возникающие в этой области пары зарядов постепенно компенсируют объемный заряд, и напряженность электрического поля резко падает. Поэтому движение зарядов из этой области происходит под действием слабого электрического поля и биполярной диффузии. Часть ионов, направляющаяся в сторону катода, попадая в ленгмюровский слой и пройдя его, приобретает кинетическую энергию, примерно равную пройденной разности потенциалов. Падая на катод, они отдают ему значительную часть кинетической энергии и энергии ионизации и таким образом поддерживают его в нагретом состоянии, обеспечивающем необходимую термоэмиссию. Наличие больших напряженностей электрического поля у поверхности КП снижает работу выхода и увеличивает ток термоэмиссии. Рекомендации по освещению помещений, квартир    Сведения об экспериментальных методах и результатах исследования процессов на электродах и в приэлектродных частях разрядов НД.    Таков по современным воззрениям замкнутый цикл процессов, определяющих характеристики КП и прикатодных областей дуговых разрядов. В принципе такой же цикл взаимосвязанных процессов сохраняется для всех стационарных дуговых разрядов с КП как при низком, так и при высоком давлениях.    Рассмотрим взаимосвязи процессов в КП и прикатодной области на примере дуговых разрядов НД в смеси паров ртути с инертными газами и оксидными катодами, применяемых в люминесцентных лампах.      Все эти величины можно рассчитать теоретически, а многие из них измерить непосредственно экспериментально и таким образом проверить механизм процессов и усовершенствовать математическую модель. Для теоретического расчета этих величин составим следующую систему из шести независимых уравнений, связывающих эти величины между собой, с условиями разряда и свойствами электрода в стационарном режиме.    Относительная концентрация быстрых электронов приблизительно на порядок меньше концентрации медленных электронов и убывает с расстоянием от катода примерно по экспоненте. Они играют основную роль в процессах ионизации у катода. Поэтому исходным пунктом для расчетов прикатодной области является определение ФРЭ в зависимости от расстояния от катодного пятна. Рассеяние энергии быстрых электронов происходит преимущественно за счет кулоновских взаимодействий и лишь частично неупругих соударений с атомами. Специальные лампы Лампы накаливания    Оценки показывают, что при давлениях инертного газа порядка нескольких сот паскалей длина свободного пробега быстрых электронов для упругих соударений с атомами газа примерно на порядок меньше кулоновской длины свободного пробега и длины свободного пробега для неупругих соударений. Поэтому, прежде чем значительно изменится энергия быстрых электронов, они многократно поменяют направление своего движения так, что функция их распределения в пространстве скоростей станет близкой к симметричной, и ее можно представить в виде fe(ee, |)*^вмЫ[1-Н>(8* I)]. где гр — возмущение в симметричной части функции распределения, вызванное ускорением электронов в слое пространственного заряда; fEM — функция Максвелла; g = r/L —расстояние, отсчитываемое в направлении, перпендикулярном поверхности катода; L — характерный линейный размер, на котором происходит релаксация ФРЭ.    Значение в общем случае находится путем решения кинетического уравнения [9.6].    Скорости возбуждения и ионизации в прикатодной области рассчитываются по формулам гл. 2, но с соответствующей функцией распределения и учетом ее изменения с расстоянием. Расчеты привели к следующим важным выводам.    а) В процессах возбуждения и ионизации атомов из нормального состояния решающую роль играют быстрые электроны. Их роль заметна также при ионизации из нижних возбужденных состояний.    б) В прикатодной области благодаря наличию быстрых электронов происходит  преимущественное возбуждение и ионизация атомов аргона, криптона или ксенона, при этом скорость ступенчатой ионизации, по крайней мере, на порядок превосходит скорость ионизации из нормального состояния. Ни прямая, ни ступенчатая ионизация атомов ртути не играют заметной роли. Поэтому ионный ток на катод состоит в основном из ионов инертного газа, а не ртути. Положение несколько сложнее для неона, имеющего значительно более высокие потенциалы возбуждения и ионизации, чем ртуть. Эксперименты показывают, что в этом случае заметную роль играет ионизация ртути (падение UK при повышении t(pHg)). Но, как полагает С. Решенов, и в этом случае ионы ртути не могут попасть на катод, так как возникают на больших расстояниях от него.    в) Поскольку область пространственного заряда и следующая за ней область сильного поля имеют продольные размеры, в несколько раз меньшие длины свободного пробега электронов, можно считать, что основная ионизация происходит в следующей области- области слабого поля. Условно ее можно разделить на область неравновесной ионизации и диффузионную область. В области неравновесной ионизации сосредоточена основная доля процессов генерации ионов, часть из которых попадает на катод, другая часть ионов уходит в область диффузии и из нее уносится к стенкам колбы.    г) Важное значение для конкретных расчетов имеет учет геометрической конфигурации КП (плоскость, цилиндр и т. д.). Характеристики слоя пространственного заряда, поскольку в большинстве случаев он имеет толщину на несколько порядков меньше размеров катода, можно рассчитывать в одномерном приближении.    д) Расчеты показывают, что дополнительный прирост потенциала в области сильного поля обычно не превышает 1 В. В области слабого поля потенциал достигает максимума и начинает уменьшаться так, что поле меняет знак, поэтому ионы из этой области практически не могут попадать на катод. Слабое поле в области основной генерации ионов и достаточная протяженность этой области позволяют рассматривать процессы переноса зарядов в ней в диффузионном приближении.