6.3.2 Источники излучения оэп

Виды источников излучения

Узел источника излучения является важным элементом ОЭП. От правильного выбора источника зависят многие характеристики прибора:

а) дальность действия;

б) чувствительность;

в) точность;

г) стабильность, надежность;

д) габаритные размеры прибора;

е) стоимость.

Основные энергетические характеристики ИИ:

- яркость L, [Вт/м²·ср];

- светимость R, [Вт/м²];

- сила света I = Ф/Ω, [Вт/ср; Кд];

- поток Ф, [Вт].

Спектральные диапазоны ИИ в ОЭП:

УФ область (0,01 – 0,38мкм), видимый спектр (0,38 – 0,76мкм), ИК-область (0,76 – 1000мкм).

Основные группы ИИ (по назначению).

1. ИИ, предназначенные для выполнения основных функций ОЭП – измерения, регистрации, наблюдения и т.д.:

- лампы накаливания;

- газоразрядные лампы;

- лазеры;

- светодиоды;

- глобары;

-штифты Нернста и т.д.

2. Эталонные и опорные ИИ: предназначены для аттестации, колибровки и исследования ОЭП. Это – модели черных, серых и белых тел, эталонные лампы и т.д.

3. ИИ для вспомогательных операций:

- сигнализация о работоспособности прибора, режимах его работы;

- подсветка шкал, марок и т.д.

6.3.2.1 Лампы накаливания

Это наиболее распространенные ИИ.

Достоинства ламп накаливания:

- отсутствие периода разгорания, постой узел крепления и питания;

- сплошной спектр излучения (0,42,5мкм);

- их разнообразие по габаритам и мощности;

- длительный срок службы;

- высокая надежность;

- относительная стабильность параметров;

- простата регулирования яркости;

- дешевизна и простота изготовления.

Лампы накаливания подразделяются:

а) лампы накаливания для оптических приборов ОП 220(В)-40(Вт) или РН-различного назачения;

б) лампы накаливания миниатюрные МН 2,5(В)-0,54(А);

в) лампы накаливания сверхминиатюрные[СМН 9(В)-60(мА)];

г) лампы накаливания кинопроекционные [К 10(В)-50(Вт)];

д) лампы накаливания прожекторные [ПЖ 27(В)-100(Вт)];

е) самолетные (СМ 43-5);

ж) автомобильные (А 6-2);

з) галогенные лампы.

Рисунок 6.36 – Устройство лампы накаливания общего назначения

Лампы накаливания представляют собой стеклянный баллон (колбу) из оптического стекла или кварцевого стекла, внутри которого помещена вольфрамовая нить. Вольфрам с нем. – «волчья пена», это связано с тем, что вольфрам, сопровождая оловянные руды, мешал выплавке олова, переводя его в пену шлаков («пожирает олово как волк овцу»). Стеклянные баллоны изготавливаются прозрачными, матированными, опаловыми или молочными, с внутренними покрытиями, диффузно или зеркально отражающими свет. Баллоны могут быть вакуумными (пустотными) или наполненными инертными газами с различными добавками.

Главной частью любой ЛН является тело накала (1) (рис. 6.36). Нагревание тела накала (ТН) производят пропускание через него электрического тока, что приводит к излучению света. ТН может быть выполнено из нити, спирали, биспирали, триспирали и иметь различные формы и размеры. Для того, чтобы ТН в процессе работы сохраняло исходную форму его фиксируют в пространстве с помощью внутренних звеньев электродов (2) и держателей (3). Необходимо отметить, что при конструировании тела накала важнейшими являются вопросы монтажа на ножке лампы. Выбор конструкции монтажа может повлиять на конструкцию самой спирали, т.е. может потребовать заранее предусмотренных пропусков спирали, называемых «тире». Электроды и держатели являются частью ножки. Ножка - стеклянный конструктивный узел лампы который кроме электродов включает в себя стеклянный цельной или пустотелый штабик (5) с линзочкой (4), стеклянный пустотелый штенгель (8) и стеклянную трубку тарелку (9) имеющую в нижней части развертку. Эти детали соединены между собой путем сплавления стеклянных элементов в зоне лопатки (6). Ножкой служит опорой для ТН и вместе с колбой обеспечивает герметичность лампы. Для удобства эксплуатации на горловину с помощью мастики укрепляется цоколь (12). Цоколь чаще всего изготавливают из мягкой стальной ленты с последующим цинкованием для защиты от коррозии. Контактные пластины всегда изготавливаются из латуни. В качестве изоляции применяют специальные пластмассу или фарфор, стекло, скрепляющие элементы цоколя в единую конструкцию.

По режиму работы лампы накаливания делятся на нормальные осветительные со средним нормальным режимом накала, перекальные (фотолампы) и галогенные в кварцевых баллонах.

На рис. 6.37 – 6.39 представлены некоторые отечественные лампы накаливания с основными конструктивными параметрами, а в сопровождающих эти рисунки таблицах – основные характеристики ламп.

Рисунок 6.37 – Основные параметры ламп накаливания

для оптических приборов и различного назначения

Таблица 6.19 – Данные к рис. 6.37

Тип лампы	Uн, В	Р, Вт	Фv, лм	t, ч	Размеры не более, мм			Тип цоколя	Поз. на рис.
					D	L	H
ОП 4-4	4	4	40	100	18	34	10,5	1Ф-С11	I
РН 6-7	6	7	90	15	20	39	22	1Ф-Д24	II
РН 6-7,5		7,5	88	40	26	46	24	В15d/18	III
РН 6-25		25	340	100	33	67	-	Е14/25х17	IV
РН 8-20	8	20	250		21	58	42	В15d/18	V
РН 8-30-1		30	465		31	86	48	P20d/21	VI
РН-12-35-1	12	35	560	25	41	70	42	Р20d/21	VII
РН 12-50		50	1000	50	36	68	35	Р20d/21	VIII
РН 12-100		100	1750	75	61	93	60	В22d/25	IX
РН 12-100-2						113	88	E27/27	X
ОП 13-50	13	50	1500	1	21	57	-	2Ф-Д30-1	-
РН 3-127 1000	127	1000	21000	40	132	205	-	Е40/55х47	-

Рисунок 6.38 – Основные параметры отечественных миниатюрных и сверхминиатюрных ламп накаливания

Таблица 6.20 – Данные к рис. 6.38

Тип лампы	Uн, В	Iн, А	Фv, лм	t, ч	Размеры не более, мм		Тип цоколя		Поз. на рис.
					D	L
МН 1-0,68	1,0	0,068	-	1500	12	24		Е10/13		I
МН 2,5-0,068	2,5		-
МН 2,5-0,29		0,29	4,0	300	16	30		В9s/14		II
МН 2,5-0,54		0,54	7,0	550
МН 18-0,1	18	0,1	12	250	11	31		Е10/13		III
МН 6,5-0,34	6,5	0,34	17,6	150	12	24				-
МН 36-0,12	36	0,12	16,0		11	30		В9s/14		IV
СМН 9-60	9	0,055	1,4	625	3	9		-		V
СМН 9-60-2										VI
СМНК 6-80	6	0,08	0,2	5000	3,2					VII
СМН 6-80			1							V
СМН 12-5	12	0,005	0,002	500		37				VIII

Рисунок 6.39 – Основные параметры отечественных прожекторных, самолетных и автомобильных ламп накаливания

Таблица 6.21 – Данные к рис. 6.39

Тип лампы	Uн, В	Р, Вт	Фv, лм	ηсв, лм/Вт	t, ч	Размеры не более, мм			Тип цоколя		Поз. на рис.
						D	L	H
ПЖ 13,5-110	13	110	2100	21	50	61	100	42		1Ф-С34-1		I
ПЖ 27-100	24	100	18*	-	5		110	44				II
ПЖ 24-1000		1000	27000	20	100	130	500	105		2Ц-39-2		III
ПЖ 26-200	26	200	4500	22,5	50	66	115	50		1Ф-С34-1		IV
СМ 2,5-0,075	2,5	68**	-	-	100	4,3	15	-		1-2М8-1		V
СМ 3-0,2	3	200**	-	-	200		11,6	-		-		VI
СМ 13-15	13	15	180	12	125	23	44	24		В15d		VI
СМ 6,3-1,6	6,3	1,6	8,2	-	200	11	30	-		В9s/14		VII
СМ 13-5	13	5	40	8	125	20	37	23		В15d/18		VIII
А 6-1	6	1,8	12,6	7	750	12	24	15		В9s/14		IX
А 6-2		3,5	25,1	7,2	500	15	29
А 12-15	12	14,3	189	13,5	300	26	51	31		В15s		X

* Яркость, 10⁶ кд/м²;

** Сила тока, мА.

Основной конструктивный элемент ламп накаливания – цоколь.

Цоколь служит для обеспечения электрического контакта лампы с патроном и для их механической связи.

Металлическую часть цоколя изготавливают из латуни или стали с антикоррозийным покрытием.

Изоляционная часть цоколя обладает теплостойкостью, механической и электрической прочностью, в соответствии с нормами эксплуатации.

Существует множество видов и подвидов цоколей. Две основные группы: резьбовые, штырьковые и штифтовые.

В быту самым распространенным является резьбовой (винтовой) цоколь. Он знаком по обычным лампам накаливания и внешне напоминает винт. Лампа в данном случае просто вкручивается в патрон, а при замене – выворачивается из него.

Винтовой цоколь получил обозначение Е от имени своего изобретателя (первая буква фамилии Эдисон по-английски). Далее следуют цифры, обозначающие диаметр резьбы в миллиметрах.

В штырьковом цоколе контактами служат специальные штырьки. Они вставляются в отверстия в патроне, и таким образом лампа фиксируется. Штифтовой цоколь обозначается буквой G, цифры далее указывают на расстояние между штырьками в миллиметрах.

В условиях вибрации для устранения самоотвинчивания ламп применяют штифтовые цоколи (одно- или двухконтактные).

Некоторые цоколи ламп представлены на рис. 6.40.

а – цоколь типа Р19s/13; б – цоколь типа P20d/21; в – цоколь типа P26s/31;

г – цоколь типа B15d;

1 – внутренний стакан; 2 – корпус; 3 – контактные пластинки; 4 – штифт

Рисунок 6.40 – Некоторые цоколи ламп накаливания

Могут использоваться специальные цоколи – цилиндрические или фокусирующие (для установки тела накала в фокусе оптических приборов).

Патроны служат для закрепления ламп в узле ИИ. Основные типы патронов соответствуют типам цоколей.

Типы патронов – резьбовые и байонетные.

Последние представлены на рис. 6.41.

Рисунок 6.41 – Некоторые байонетные патроны ламп накаливания

Энергосберегающие лампы

Люминесцентная лампа наполнена парами ртути и инертным газом аргоном, а ее внутренние стенки покрыты люминофором. Под действием высокого напряжения в лампе происходит движение электронов. Столкновение электронов с атомами ртути образует невидимое ультрафиолетовое излучение, которое, проходя через люминофор, преобразуется в видимый свет. В люминесцентных энергосберегающих лампах используется трехцветный наполнитель люминофора, дающий натуральный свет, приятный глазу. Спектральный состав видимого излучения люминесцентных энергосберегающих ламп зависит от состава люминофора. Люминесцентные энергосберегающие лампы оборудованы системой плавного запуска (ЭПРА), позволяющего лампе загораться постепенно в течение 1-2 секунд. Благодаря применению электронного балласта имеют улучшенные характеристики по сравнению с традиционными люминесцентными лампами с электромагнитным балластом. Мгновенное включение, отсутствие мерцания и жужжания, что оказывает благоприятное воздействие на глаза человека и его нервную систему.

Рисунок 6.42 – Внешний вид энергосберегающей лампы

По уровню светимости люминесцентная энергосберегающая лампа как минимум в 5 раз ярче ламп накаливания той же мощности. Если у лампы накаливания светоотдача составляет 10-15 лм/Вт, то люминесцентная энергосберегающая лампа имеет светоотдачу порядка 50-80 лм/Вт. Это позволяет экономить до 80% электроэнергии.

Срок службы энергосберегающей лампы – в среднем 10000 часов. При стандартном режиме горения 2,73 часа в сутки, лампа исправно работает до 10 лет. В режиме непрерывного свечения (дежурное освещение и т.д.), люминесцентная энергосберегающая лампа может проработать до 12 000 часов.

Помимо пониженного потребления электроэнергии, энергосберегающие лампы выделяют меньше тепла, чем лампы накаливания. Температура работающей люминесцентной энергосберегающей лампы ниже, чем у ламп накаливания. Это позволяет использовать лампы в более деликатных светильниках, с тканевыми абажурами, пластиковыми плафонами.

Галогенные лампы

Действие галогенных ламп основано на восстановлении (регенерации) вольфрама под действием галогена (йод, бром, и др.), которые из-за разности температур между телом накала и колбой снова оседают на нить.

Электрический ток, проходя через тело накала (обычно — вольфрамовую спираль), нагревает его до высокой температуры. Нагреваясь, тело накала начинает светиться. Однако из-за высокой рабочей температуры атомы вольфрама испаряются с поверхности тела накала (вольфрамовой спирали) и осаждаются (конденсируются) на менее горячих поверхностях колбы, ограничивая срок службы лампы.

В галогенной лампе окружающий тело накала йод (совместно с остаточным кислородом) вступает в химическое соединение с испарившимися атомами вольфрама, препятствуя осаждению последних на колбе. Этот процесс является обратимым — при высоких температурах вблизи тела накала соединение распадается на составляющие вещества. Атомы вольфрама высвобождаются таким образом либо на самой спирали, либо вблизи неё. В результате атомы вольфрама возвращаются на тело накала, что позволяет повысить рабочую температуру спирали (для получения более яркого света), продлить срок службы лампы, а также уменьшить габариты по сравнению с обычными лампами накаливания той же мощности. При этом рабочая температура спирали составляет примерно 3000 К. Эффективность галогенных ламп может достигать 28 лм/Вт, но на практике редко бывает выше 13-15 лм/Вт.

Галогенные лампы обладают очень хорошей цветопередачей (Ra 99–100), поскольку их непрерывный спектр близок к спектру абсолютно чёрного тела с температурой 2800–3000K. Их свет подчёркивает тёплые тона, но в меньшей степени, чем свет обычных ламп накаливания.

Галогенные лампы одинаково хорошо работают на переменном и постоянном токе. При применении плавного включения срок службы может быть повышен до 8000-12 000 часов.

Галогенные лампы очень чувствительны к жировым загрязнениям, поэтому их внутренних колб нельзя касаться даже чисто вымытыми руками. Ввиду высокой температуры колбы любые загрязнения поверхности (например, отпечатки пальцев) быстро сгорают в процессе работы, оставляя почернения. Это ведёт к локальным повышениям температуры колбы, которые могут послужить причиной её разрушения (поэтому, из-за высокой температуры, колбы изготавливаются из кварцевого стекла). При их установке следует держать колбу лампы через чистую салфетку (или в чистых перчатках), а при случайном касании тщательно протереть колбу тканью, не оставляющей волокон (например микрофиброй) со спиртом.

Поскольку колба галогенной лампы разогревается до пожароопасных температур, то её следует монтировать так, чтобы в дальнейшем полностью исключить всякую возможность её соприкосновения с любыми находящимися поблизости предметами и материалами, и тем более человеческим телом.

Новым направлением развития ламп является т. н. IRC-галогенные лампы (сокращение IRC обозначает «инфракрасное покрытие»). На колбы таких ламп наносится специальное покрытие, которое пропускает видимый свет, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение и отражает его назад, к спирали. За счёт этого уменьшаются потери тепла и, как следствие, увеличивается эффективность лампы. По данным фирмы OSRAM, потребление энергии снижается на 45 %, а время жизни удваивается (по сравнению с обычной галогенной лампой).

Достоинства:

1. Стабильность потока во времени.

2. Увеличенная яркость (L33*10⁶кд/м²).

3. Большой срок службы.

4. Стабильный спектральный состав излучения.

5. Большой срок службы.

6. Стабильный спектральный состав излучения.

7. Малые габариты, масса и т.д.

В ОЭП используются малогабаритные и микроминиатюрные галогенные лампы.

Малогабаритные галогенные лампы – КГМ:

К – кварц (материал колбы); Г – галоген (газ, заполняющий колбу); М – малогабаритная.

Эти лампы изготавливаются в двух вариантах:

- с односторонними выводами (с одной стороны);

- в софитном исполнении (с обеих сторон).

Тело накала выполняется в виде моноспирали или биспирали.

Электроды состоят из вакуумированного звена – молибденовой фольги толщиной 0,025мм и наружного звена (выводы) – молибденовой проволоки  0,8мм.

Температура тала накала близка к Т_плав. вольфрама (Т_плав. = 3695°К) , поэтому превышение напряжения на лампе U_ном на 8-10% приводит к выходу лампы из строя.

Рисунок 6.43 – Параметры малогабаритных и миниатюрных галогенных ламп

Таблица 6.22 – Данные к рис. 6.43

Тип лампы	Uн, В	Р, Вт	Фv, лм	ηсв, лм/Вт	t, ч	Размеры не более, мм		Поз. на рис.
						D	L
КГМ 6,3-15	6,3	15	210	14	200	6,3	30		I
КГМ 6,6-45	6,6	45	750	16	1000	8,5	60		II
КГМ 6,6-65		65	1100	16,6		10,75
КГМ 6,6-100		100	2000	20
КГМ 6,6-200		200	4400	22	500	14,5
КГМ 9-75	9	75	35	-	55	11	40		III
КГМ 24-150	24	150	5000	31	50	15	47		IV
КГМ 27-100	27	100	-	34,5	15		50		V
КГМН 12-20	12	20	400	-	50	4,6	24		VI
КГМН 27-5	27	5	50	-	200	5	14		VII

Микроминиатюрные лампы.

Длина  7,8мм;   3мм.

Достоинства:

- малая инерционность, t_вкл  10^-210^-3сек.;

- малая мощность потребления Р_{потреб.};

- высокая прочность.

Недостаток – нестабильность потока во времени.

Обозначение – СМН.

Виды: - со свободными выводами;

- софитное исполнение;

- цоколевые.

Лампы с цоколями удобны в эксплуатации (простота их замена), но нужны патроны, размеры которых больше самих ламп, нет хорошего контакта с патроном.

Лампы с гладкими металлическими цоколями и со свободными выводами присоединяются при помощи пайки. Выводы изолируются.

В основном применяются СМН в бесцокольном исполнении.

Преимущество софитных ламп – прямолинейное тело накала расположено по оси лампы.