2.3. Электрические источники света

Электрические источники света разделяются на лампы накаливания, газосветные лампы, дуговые лампы и светодиодные.

Л

Рис.2.9

ампы накаливания. В них лучистая энергия излучается за счет высокой температуры спиралей - это источники теплового излучения. Связь между температурой тела и испускаемым им лучистым потоком определяется законом Стефана- Больцмана: , где суммарный лучистый поток абсолютно черного тела с 1 см² поверхности; Т – абсолютная температура черного тела; σ – постоянный множитель, равный 5,662 .

По мере повышения температуры тела накала растет величина потока и, кроме того, максимум излучения смещается в сторону коротких длин волн (рис.2.9).

Доля светового потока в общем лучистом потоке тела накаливания (световой к.п.д.) достигает максимального значения (14%) при температуре 6500⁰К. Поэтому тепловые источники света не могут иметь коэффициент полезного действия свыше 14%. Реальные излучатели - тугоплавкие металлы (вольфрам), применяемые для изготовления тела накала современных ламп имеют температуру плавления около 3600⁰К, поэтому их световой к.п.д. составляет порядка 3%.

Основной характеристикой источников света является световая отдача, т.е. отношение излучаемого светового потока F к потребляемой мощности P: . Световая отдача ламп накаливания составляет 12-15 лм/Вт.

Под влиянием высокой температуры вольфрамовая нить постепенно испаряется и распыляется, колба чернеет, снижается экономичность лампы. Для уменьшения испарения нити накала колбу у мощных ламп заполняют инертным газом (криптоно-ксеноновая смеси) при давлении около 8*10⁴ Па. Для уменьшения тепловых потерь тело накала выполняют в виде спирали или биспирали. Биспиральные лампы имеют большую световую отдачу, но обладают меньшей механической прочностью. Более толстые нити ламп допускают более высокую температуру, потому лампы накаливания для посадочных прожекторов и светомаяков изготавливают на пониженное напряжение. Лампы накаливания дают основную часть излучения в инфракрасной области спектра. Они должны эксплуатироваться при номинальном напряжении, так как с увеличением напряжения питания резко уменьшается их срок службы. Так при превышении напряжения на 1% срок службы уменьшается на 13%.

Значительно более современными являются галогеновые лампы н акаливания. Их колба заполняется инертным газом с примесью галогенов (фтор, бром, хлор, йод). Конструкция лампы показана на рис.2.10: колба представляет собой трубку из кварцевого стекла, по оси которого расположено тело накала 2 в виде одинарной или двойной спирали. Выводы 3 в

Рис.2.10

ыполнены из молибденовой фольги. Внутренняя часть 4 электродов выполнена из вольфрама, а внешняя часть 5 - из молибдена. Для устранения провисания спирали применяются поддержки 6 из вольфрама. Для крепления и присоединения лампы к сети имеются цоколи 7.

При накале нити частицы испарившегося вольфрама, удаляясь от тела накала, попадают в пространство, в котором температура соответствует реакции соединения с галогеном (температура колбы должна быть свыше 250 С). Получаются устойчивые газообразные соединения вольфрама и галогена - галогениды. Так, в лампе с йодным циклом образуется газообразное соединение (W+2I=WI₂), которое не дает осадка на колбе, сохраняя прозрачность стекла. Газообразные соединения, попадая в зону тела накала (зону высокой температуры) разлагаются на первоначальные составляющие, т.е. восстанавливаются металл и галоген. За счет уменьшения скорости испарения вольфрама, повышения рабочих температур тела накала и сохранения прозрачности стекла галогенные лампы накаливания дают световые потоки в 2-2,5 раза выше при той же мощности и сроке службы, чем обычные лампы накаливания.

Газоразрядные лампы. Принцип работы этих ламп основан на свечении газов или паров металла при электрическом разряде. Каждый газ или пары металла, при электрическом разряде в них, дают излучение своего цвета. Например, неон дает излучение красного цвета, пары натрия желтого цвета, ртути - желто-зеленого и т.д.. С целью получения требуемого спектрального диапазона излучения на колбу лампы наносят люминофор, который преобразует лучистый поток лампы в заданный спектр, повышая световую отдачу лампы. Характерной особенностью газоразрядных ламп является наличие пускорегулирующей аппаратуры, т.к. для возникновения разряда в газе, как правило, требуется более высокое напряжение, чем для дальнейшего его поддержания. Широкое распространение получили натриевые и ртутные лампы.

Натриевые лампы имеют трубку из боросиликатного стекла, в которую помещаются металлический натрий и газ неон. Первоначально электрический разряд начинается в неоне, с присущим ему излучением красного цвета и продолжается до тех пор, пока лампа не нагреется до необходимой температуры. Выделяемая при электрическом разряде в неоне тепловая энергия вызывает испарение металлического натрия, и, спустя 10-15 минут после включения лампы, начинается электрический разряд в парах натрия, что сопровождается желтым свечением. В дальнейшем разряд в неоне прекращается и происходит только в парах натрия.

Излучение натриевой лампы сосредоточено в узкой области видимого спектра (589-589,8 нм), что соответствует желтой линии. Световая отдача лампы порядка 70 лм/Вт.

В ртутных лампах дуговой разряд происходит в парах ртути. По величине давления паров ртути осветительные ртутные лампы разделяются на 3 группы:

- лампы низкого давления (парциональное давление до 10 Н/м или до 0,001атм)

- лампы высокого давления (до 1,5 атм);

- лампы сверхвысокого давления (до 200 атм).

Л ампы низкого давления имеют в своем спектре излучения очень интенсивные линии 184,9 и 253,7 нм. Эти невидимые ультрафиолетовые излучения преобразуются в видимый свет с помощью люминофоров. Излучение люминофора происходит за счет поглощения энергии ультрафиолетового излучения. Люминофор наносится тонким слоем на внутреннюю поверхность трубки ртутной лампы; такая лампа называется люминесцентной. В зависимости от используемого люминофора выделяют: лампы дневного света (ЛД), спектр которых близок к спектру излучения небосвода в облачный день; лампы белого света (ЛБ), их спектр приближается к спектру лампы накаливания. Световая отдача люминесцентных ламп порядка 75 лм/Вт. Они используются для освещения производственных помещений.

К

Рис.2.11

онструкция ртутной лампы высокого давления приведена на рис.2.11. Это лампа типа ДРЛ (дуговая, ртутная, люминесцентная) состоящая из следующих элементов: 1- ртутная кварцевая лампа высокого давления; 2- внешняя стеклянная колба; 3- люминофор; 4-вспомогательный электрод.

В спектре излучения ртутных ламп высокого давления отсутствуют оранжево-красные лучи. Для устранения этого недостатка на внутреннюю поверхность колбы наносят слой люминофор, который под воздействием ультрафиолетовых лучей лампы излучает преимущественно оранжево-красные лучи. Этим спектр излучения приближается по цветности к спектру дневного света. Такие лампы используются для осветительных целей.

Включение ламп ДРЛ в сеть производится по схеме, показанной на рис.2.12. После замыкания выключателя К конденсатор С заряжается через выпрямитель В и ограничивающее сопротивление R. Затем он разряжается через разрядник Р на дополнительную обмотку дросселя Д, в результате чего в основной его обмотке индуктируется импульс высокого напряжения, зажигающий лампу Л. При горении лампы повторных разрядов не происходит, т.к. напряжение на лампе, а следовательно и на конденсаторе ниже пробивного напряжения разрядника.

И

Рис.2.12

Рис.2.13

мпульсные лампы. Рассмотренные источники света излучают световой поток, почти не меняющийся во времени. Импульсные лампы, работающие с электронным устройством, дают короткие (10^-3 - 10^-6 с ) одиночные или многократные повторяющиеся вспышки значительной яркости. Один из вариантов схемы включения лампы показан на рис. 2.13.

Импульсные лампы, применяемые в светомаяках, обычно имеют U-образную трубку из тугоплавкого стекла или кварца с внутренним диаметром 2-10 мм, наполненную ксеноном, криптоном или их смесью. Основные электроды выполнены из никеля. На лампу снаружи навита никелевая проволока - поджигающий электрод ПЭ. Вспышка импульсной лампы Л, у которой электроды соединены с заряженным конденсатором С , происходит в момент подачи на поджигающий электрод импульса высокого напряжения (U_имп=(10-15)10³ В) со вторичной обмотки трансформатора Тр₂. Этот импульс ионизирует газ внутри трубки и вызывает разряд через лампу. Конденсатор С емкостью 100-500 мкФ заряжается от Тр₁ через выпрямитель до напряжения 1000 В. Сопротивление R ограничивает ток разряда так, чтобы импульсная лампа не давала непрерывного свечения.

Световые характеристики импульсных ламп меняются во времени. Под длительностью вспышки t понимают время, в течение которого мгновенное значение силы света равно или больше 0,35I_макс. За это время выделяется 80% или более силы света. Коэффициентом световой отдачей импульсной лампы (h_и) называют отношение энергии вспышки к энергии, запасенной в конденсаторе. Обычно h_и = (45-65)%. Энергия вспышки может достигать 20000 Дж. Срок службы 10⁴ -10⁵ вспышек. Световая отдача импульсных ламп пропорциональна энергии разряда и колеблется в пределах 30-50 лм/Вт.

Светоизлучающие диоды. В последние годы в светосигнальном оборудовании аэродромов находят применение световые приборы, в которых в качестве источников света используются светоизлучающие диоды (СИД, англ. LED). Они монтируются в заградительных огнях, обозначающих летные препятствия, в углубленных огнях рулежных дорожек и ВПП.

Светодиоды – полупроводниковые диоды, излучающие некогерентный свет узкого спектра при рекомбинации электронов и дырок. Для получения белого света используются две технологи. В первой происходит смешивание цветов по технологии RGB. На одной матрице плотно размещаются красные, голубые и зеленые светодиоды, излучение которых смешивается при помощи оптической системы, например линзы. В результате получается белый свет. Вторая заключается в том, что на поверхность светодиода, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне, наносится три люминофора, излучающих, соответственно, голубой, зеленый и красный свет. Это похоже на то, как светит люминесцентная лампа.

Прямое падение напряжения на диоде составляет 2-4 В, в зависимости от типа диода; обратное напряжение порядка 5В.

Светодиоды обладают следующими преимуществами:

- высокая световая отдача, достигающая 60-150 лм/Вт;

-длительный срок службы 50-100 тысяч час;

-малые габариты, высокая прочность и устойчивость к вибрации.

Яркость светодиода зависит от величины тока, протекающего через него. Для управления током используют широтно-импульсную модуляцию (ШИМ), протекающего через диод тока. Среднее значение тока в этом случае может изменяться от 10 до 100% .

Вольтамперная характеристика светодиода имеет вид параболы, потому его запитывают от источника стабильного тока. Превышение тока через диод ведет к его быстрой деградации или полному разрушению. Для

Рис.2.14

повышения яркости светодиодного светильника объединяют несколько светодиодов в сборку, причем для обеспечения одинакового тока через диоды они включаются между собой последовательно.

Промышленность выпускает специальные драйверные микросхемы для питания светодиодов, которые позволяют подключать до нескольких десятков светодиодных матриц и управлять их яркостью.

На Рис. 2.14 показан внешний вид и печатная плата драйвера управления светодиодной сборкой углубленного осевого огня. Мощность одного светодиода 1 Вт, срок службы 56 тысяч часов. Огонь имеет два направления излучения, мощность излучения 5 Вт (на одно направление). Цвет огня зеленый или желтый, для эксплуатации в условиях низких температур дополнительно устанавливается термостат мощностью 40 ватт.

Контрольные вопросы

1. От чего зависит световой кпд ламп накаливания?

2. Каково назначение люминофора в газосветных лампах?

3. Укажите функции драйвера в светодиодных светильниках?