1. Краткая историческая справка. Этапы развития техники электрического освещения

Электрические источники света появились во второй половине XIX века. Это были лампы накаливания и устройства дугового разряда. Первыми приборами практического назначения считаются дуговые лампы с разрядом между угольными электродами. Возникновение дугового разряда впервые наблюдал наш соотечественник петербургский ученый В.В. Петров в 1803 г. Через 7 лет, в 1810 г., явление дугового разряда исследовал английский ученый Г. Дэви. И тот, и другой отмечали, что данное явление в перспективе может быть использовано для освещения. В последующее время различными авторами было создано несколько усовершенствованных вариантов таких источников, отмечены основные недостатки использования открытой дуги: малый срок службы устройства, большая потребляемая мощность, слишком высокая интенсивность излучения, неприемлемая для создания системы местного освещения, а также необходимость постоянного регулирования межэлектродного зазора.

Оригинальным методом решения последней проблемы было создание русским инженером П.Н. Яблочковым в 1876 г. своеобразной дуговой лампы с параллельным расположением угольных стержней, разделенных изолятором из гипса («свеча Яблочкова») (рис. 1.1, а). Для зажигания разряда в верхней части свечи устанавливалась легкая металлическая перемычка, которая при подаче напряжения, сгорая, вызывала вспышку дугового разряда между верхними участками угольных электродов. По мере сгорания стержней разрушалась и межэлектродная гипсовая изоляция, в результате чего разряд плавно перемещался вниз. Яблочков работал в Париже, там же обеспечил широкое применение своего устройства. Свечи Яблочкова (или, как их там называли, «русский свет») использовались для освещения центральных улиц, международной технической выставки и местного речного порта. Главными недостатками свеч Яблочкова были малый срок горения (2 часа) и невозможность повторного зажигания. В последующем срок службы источников дугового разряда удалось увеличить до 200 часов применением защитных стеклянных колпаков, ограждавших угольные электроды от воздействия атмосферного кислорода. Были разработаны системы автоматического регулирования межэлектродного промежутка и способы повторного зажигания дугового разряда.

Дуговые источники света с разрядом в атмосферном воздухе применялись до пятидесятых годов двадцатого века в прожекторах, маяках и проекционных установках крупных кинотеатров. Но в дальнейшем они были полностью вытеснены лампами накаливания и газоразрядными источниками света закрытой конструкции.

Идея создания ламп накаливания появилась почти сразу после открытия теплового эффекта, возникающего при прохождении электрического тока по проводнику (1800 г.). На ранней стадии исследования было опробовано немало вариантов приборов с различным по составу телом накала и разными способами защиты тела накала от воздействия атмосферного воздуха. Первым удачным вариантом, претендовавшим на практическое использование, была лампа накаливания, разработанная русским инженером А.Н. Лодыгиным (1873 г.), (рис.1.1, б). Точного описания лампы Лодыгина не сохранилось. Известно только, что излучение обеспечивалось разогревом электрическим током угольного стерженька, помещенного под стеклянный колпак. В первых вариантах лампы воздух из-под колпака не откачивался, поскольку предполагалось, что горение угольного стерженька должно прекратиться по мере выгорания кислорода в замкнутом объеме. Но этот вариант решения задачи из-за плохой герметичности оболочки не оправдался, и в последующих вариантах воздух из-под колпака откачивался, улучшена была герметичность лампы.

Лампа Лодыгина имела малый срок службы, низкую светоотдачу и была трудоемка в изготовлении. Ситуация существенно изменилась, когда, начиная с 1879 г., разработкой лампы накаливания занялся американский изобретатель Т.А. Эдисон. В лампе Эдисона вместо угольного стерженька была установлена угольная нить (рис. 1.1, в), которая в первых образцах изготавливалась обугливанием бамбуковых волокон. Этот вариант оказался слишком дорогим, и Эдисон в дальнейшем стал использовать в качестве угольной нити специально обработанные волокна из хлопка. Всего было исследовано примерно 6000 вариантов таких ламп и истрачено более 100 тысяч долларов на исследования. Светоотдача ламп с угольным телом накала была все еще низкой, лампа имела плохую механическую прочность, а технология изготовления была очень сложной.

Ситуацию удалось существенно изменить, когда в 1911 году американский ученый И. Ленгмюр разработал технологию получения вольфрамовой проволоки и способ ее спирализации, а также более совершенные методы откачки электровакуумных приборов.

Дальнейшие исследования по созданию ламп с вольфрамовой нитью накала позволили Эдисону разработать конструкцию (рис. 1.1, г) и технологию изготовления ламп накаливания со значительно более высокими эксплуатационными характеристиками и низкой себестоимостью. Эдисон разработал практически все необходимые для широкого использования таких ламп элементы. Им были запатентованы: конструкции цоколя лампы, патрона, способы изоляции проводов внутри и вне помещений, выключатели, счетчики и другие элементы системы освещения, применяющиеся без особых изменений и поныне. В результате проделанных работ лампы накаливания получили широкое признание во всех странах. В частности, в России в 1913 году уже работало 7 предприятий по выпуску ламп накаливания. Общий выпуск составлял примерно десять миллионов ламп в год.

Одновременно с разработкой и совершенствованием конструкции ламп накаливания шли интенсивные поиски по созданию источников света, использующих разряд в закрытом объеме с контролируемым составом газового наполнения. Перспективность разработки таких источников света обусловлена возможностью избирательного спектра излучения для газов заданного состава. Возможность широкого применения газоразрядных ламп обосновывалась также низким потенциалом зажигания разряда при пониженном давлении газа. Эта особенность отмечалась уже в работах Г. Гейсслера (трубка Гейсслера) и У. Крукса (трубка Крукса), выполненных в период примерно с 1858 по 1886 гг. В дальнейшем по результатам исследований И. Ленгмюра, М. Фарадея, Ф. Астона, Ф. Пашена и других физиков были установлены фундаментальные соотношения, описывающие электрические и спектральные характеристики газоразрядных промежутков при различных давлениях и различном составе газовой смеси, в том числе применительно к условиям функционирования источников света. Получила широкое признание по существу новая отрасль электровакуумного и газоразрядного приборостроения, определившая начало развития техники вакуумных и газоразрядных световых приборов. В настоящее время газоразрядные источники света представлены обширной номенклатурой изделий весьма разнообразного назначения (освещение, медицина, информатика, научные исследования и т.д.).

Применение световых приборов в современной технике характеризуется наличием двух направлений их использования: световые приборы как источники освещения и световые приборы как источники некогерентного излучения для нагрева, фотохимического и биофизического воздействия на различные объекты. В соответствии с указанными особенностями различными становятся и количественные оценки их параметров.

Среди основных параметров, наиболее полно отражающих эксплуатационные свойства источников света, в настоящее время значатся: предельные энергетические возможности, экономичность, спектральный состав излучения, себестоимость выпуска, долговечность и надежность работы приборов.

Успехи современной схемотехники открыли возможность создания люминесцентных ламп с безэлектродным питанием. Это позволило резко повысить долговечность источников света с высокими параметрами светоотдачи. Созданы уникальные по светотехническим свойствам лампы с разрядом в парах серы. В списке источников ультрафиолетового излучения появились принципиально новые конструкции на эксимерных соединениях.

Особое значение в технике осветительных приборов приобретают в настоящее время элементы твердотельной электроники – светодиоды. Благодаря высокому кпд преобразования, исключительно большому сроку службы и малым габаритам они способны повсеместно вытеснить тепловые и газоразрядные источники света малой мощности.