Электрический разряд в газонаполненных элементах электронной цепи. Учебное пособие

2.6. Источники света дугового разряда

Изображенные зависимости энергий от давления могут быть объяснены следующим образом.

1.При самых низких давлениях потери на стенках составляют главную часть всех потерь. В этом случае энергия расходуется на ионизацию атомов, вторичные процессы малы и почти все ионы, появившиеся в разряде, достигают стенок. На стенках происходит поверхностная рекомбинация ионов с электронами, а они отдают без излучения всю энергию, затраченную на ионизацию.

2.С увеличением давления длина свободного пробега уменьшается, число столкновений растет и делается заметной величина энергии υ, переходящей к атомам газа при упругих столкновениях с электронами.

3.При дальнейшем увеличении давления энергия υ растет вследствие процессов «тушения» разряда, отнимающих часть энергии у излуче-

ния. В то же время величины рез и нерез уменьшаются.

4. Если давление P0 растет и дальше, то υ уменьшается, так как растет температура газа, приближаясь к температуре электронов Тe. В дальнейшем при приближении температуры T газа к температуре Te электронов передача энергии от «электронного газа» – газу нейтральных атомов падает. При самых высоких давлениях энергия нерез растет за счёт её потерь в объёме газа υ.

Оптимальные условия для резонансного излучения ртути наблюдаются при давлениях 0,13 ÷ 13 Па (10–3 ÷ 10–1 мм рт. ст.).

Роль плотности тока сводится к тому, что его увеличение j вызывает рост числа столкновений электронов с атомами и количества возбужденных, метастабильных атомов, т.е. увеличивает процессы, способствующие нерезонансному излучению. При этом растет и все излучение.

При малых плотностях тока и малом количестве соударений растет доля резонансных излучений.

2.6.1.Натриевые лампы

Влампах с парами натрия при комнатной температуре натрий находится в твердом состоянии. Давление его насыщенного пара при этом 1,3·10–9 Па (10–11 мм рт. ст.). Для зажигания разряда вводят газ с малым потенциалом зажигания – неон под давлением 1 ÷ 2 мм рт. ст. Разряд

81

2. Параметры и конструкции газонаполненных элементов

возникает во вспомогательном газе, по мере разогрева объема прибора натрий начинает испаряться, участвуя в разряде. После этого изменяется цвет и яркость свечения [5].

Для зажигания лампы замыкается ключ S (рис. 43). Оба главных электрода K1 и K2 накаливаются и между вспомогательным электродом Z и катодом K1 зажигается низковольтная дуга.

Рис. 43. Схема конструкции натриевой лампы

Плазма дуги распространяется по трубке и разряд переходит на главные электроды, каждый из которых попеременно служит катодом при питании лампы переменным током. Ключ S размыкается, но разряд поддерживается между, например, первыми анодом и катодом, так как накал катодов обеспечивается мощностью разряда.

По мере нагрева стенок повышается давление паров натрия, и красноватое свечение неона заменяется ярко-желтым свечением натрия. Температура стенок достигает 220 ÷ 280 °С, что соответствует давлению паров натрия 0,065 ÷ 1,3 Па (5 . 10–4 ÷ 1 . 10–2 мм рт.ст.).

Цвет свечения неприятен для глаз, длина волны 0,589 мкм, применяется преимущественно для освещения автострад, освещения в тумане. Полная интенсивность свечения достигается через 20 мин после включения. Подводимая к лампе энергия расходуется на тепло (70 %), световое и инфракрасное излучение (20 %) и потери на электродах (10 %).

Например, серийная натриевая лампа ДНаТ 150Вт NAV-T E40, внешний вид и внутреннее устройство которой приведены на рис. 44 [28], обладает следующими параметрами: цветовая температура – 2000 K, световой поток – 15000 лм, индекс цветопередачи – 0 ÷ 25, форма колбы – трубчатая (внешний диаметр 47 мм, длина 210 мм), цвет свечения – теплый, срок службы – 24000 ч, масса – 0,07 кг, сфера применения – уличное освещение (освещение дорог, улиц, парков, открытых территорий). Здесь 1 – цоколь,

82

2.6. Источники света дугового разряда

2 – электрод, 3 – колба горелки, 4 – буферный газ и амальгама, 5 – вакуум, 6 – внешняя колба, 7 – электрод.

Рис. 44. Внешний вид и внутреннее устройство серийной натриевой лампы ДНаТ 150вт NAV-T E40

2.6.2. Разряд в смеси паров ртути с инертным газом и люминесцентные лампы

В таком приборе в качестве газа-наполнителя используется аргон при давлении 332 Па (2,5 мм рт.ст.), а давление паров ртути составляет 0,78 ÷ 1,3 Па ((6 ÷ 10)·10–3 мм рт.ст.). Почти 60 % электрической энергии однородного столба разряда может быть превращено в ультрафиолетовое излучение с длиной волны 0,253 мкм. Это излучение превращается в видимый свет люминофором, нанесенным на внутреннюю поверхность трубки.

При разработке таких газоразрядных приборов большое внимание уделялось эффективности преобразования электрической энергии в ультрафиолетовое излучение. Одна из основных функций инертного газа – снижение скорое диффузии ионов и электронов к стенкам герметизирующих колб. Благодаря этому поддерживается оптимальная электронная температура, при которой потери на возбуждение и излучение (экспоненциально зависящие от величины Тe) значительно превосходят потери на упругие соударения (линейно зависящие от значений Тe). Вместе с тем электронная температура должна быть низкой, чтобы возбуждать только требуемое энергетическое состояние атомов ртути, но не более высокие энергетические состояния.

У ртути энергия возбуждения, с которой испускаются требуемые кванты излучения, составляет 4,86 эВ. Это меньше потенциала ионизации (10,4 В). А энергия следующих состояний, испускающих видимый свет, на несколько электрон-вольт выше. Электронные температуры, при которых 70 ÷ 80 % общей энергии возбуждения приходится на требуемый уровень,

83

2. Параметры и конструкции газонаполненных элементов

могут быть достаточно высокими, чтобы потери энергии на возбуждение могли превышать потери на упругое соударение в 4 или 5 раз. А это условие реализуется при не слишком высоком давление газа.

Зависимость светоотдачи разряда от длины дуги и диаметра трубки представлена на рис. 45. Потери энергии на единицу длины положительного столба разряда складываются из потерь на ионизацию (1 %), упругое столкновение (28 %), бесполезную радиацию (6 %) и ультрафиолетовое излучение (65 %).

Световая отдача, лм/Вт.

а

Световая отдача, лм/Вт.

б

Рис. 45. Зависимость светоотдачи разряда от длины дуги и диаметра трубки

Зависимость светоотдачи от длины дуги объясняется тем, что расход электрической мощности в разряде складывается из мощности, потребляемой в областях электродов, которые дают сравнительно небольшое ультрафиолетовое излучение, и положительного столба, являющегося основным

84

2.6. Источники света дугового разряда

источником энергии квантов ультрафиолетового диапазона. Чем длиннее трубка, тем больше её светоотдача, так как меньше относительные потери электрической энергии в прикатодных областях, а КПД приближается к максимальным значениям бесконечно длинной лампы.

Световая отдача уменьшается при росте диаметра (правая ветвь кривой на рис. 12 и 27) из-за поглощения излучения атомами ртути до того, как ультрафиолетовые кванты покинут трубку. Однако возбужденный атом ртути может создать и «бесполезное» (не ультрафиолетовое) излучение. Поэтому КПД трубки падает с ростом диаметра. Наклон левой части кривой зависит от нескольких причин. При уменьшении диаметра трубки скорость исчезновения электронов и ионов у стенки возрастает и, следовательно, на восполнение электропроводимости столба идет большая энергия, т.е. с уменьшением диаметра растут потери энергии на деионизацию. В результате чего приходится поднимать электронную температуру, а увеличение Te снижает эффективность ультрафиолетового излучения, переходя его в другую область спектра.

В люминесцентных лампах (или трубках) зажигание разряда производится по-разному. В одних есть холодные катоды, покрытые слоем щелочноземельных оксидов. В них при комнатной температуре эмитируется от 10 до 100 электронов в секунду, а также фотоэлектроны при освещении. Поэтому при подаче напряжения обеспечивается процесс мгновенного зажигания ламп.

Однако чаще применяется пуск ламп с предварительным нагревом (рис. 46). В описываемой конструкции стартер S выполнен в виде небольшой разрядной трубки, в которой один из электродов биметаллический. Трубка наполнена газом с таким давлением, что пусковое напряжение вызывает в ней тлеющий разряд. Напряжение зажигания стартера ниже напряжения зажигания холодной лампы. После включения прибора тлеющий разряд в стартере разогревает биметаллический контакты, они изгибаются и замыкаются. Разряд в стартере гаснет, ток в цепи от входного напряжения течет через катоды, дроссель и заряжает конденсатор C. Катоды нагреваются, а биметалл, остывший без разряда, выпрямляется и разрывает цепь. При размыкании возникает импульс напряжения, подающийся на трубку с предварительно нагретыми катодами. В лампе вспыхивает низковольтная дуга, напряжение горения которой меньше, чем напряжение зажигания

85

2. Параметры и конструкции газонаполненных элементов

стартера. Импульс напряжения в 1000 ÷ 1200 В обеспечивается совместно емкостью и дросселем, включенными в цепь.

Рис. 46. Схема включения люминесцентной трубки и конструкции стартера

Разряд в стартере больше не возникает, цепь тока накала электродов K1 и K2 остаётся разомкнутой, а их температура поддерживается за счёт разряда в лампе, который быстро стабилизируется. Корректно рассчитанное зажигание с одного раза запускает люминесцентную лампу. Если электроды K1 и K2 не нагреваются с первого раза, то лампа не зажигается, а стартер пробивается второй раз и электроды K1 и K2 получают дополнительный накал.

На рис. 47 приведен внешний вид люминесцентной лампы TL-D 18W/54-765 G13 [29] со следующими характеристиками: цоколь – G13, колба –T8 (26 мм), мощность – 18 Вт, напряжение – 59 В, ток – 0,36 А, цветовой код – 54-765, цветность – холодный дневной свет, цветовая температура – 6200 K, индекс цветопередачи – 72 Ra, световой поток – 1050 лм, содержание ртути – 8 мг, срок службы – 13000 часов, габариты – 604×26 мм.

Рис. 47. Внешний вид люминесцентной лампы TL-D 18W/54-765 G13

86

2.6. Источники света дугового разряда

Стартерное зажигание, не говоря уже о повышенной стоимости лампы, имеет недостатки в эксплуатации (неприятное мигание лампы при неисправном стартере, вредное влияние повторных зажиганий на катод и др.). Поэтому используют также бесстартерные схемы зажигания.

Второй недостаток люминесцентных ламп, свойственный всем газосветным трубкам, применяемым для общего освещения, – это флюктуации силы света при питании от сети переменного тока. Колебания излучения связаны инерционностью процессов в разряде и люминофоре и они, следовательно, неустранимы. Такие изменения силы света при рассмотрении двигающихся предметов производят неприятный «стробоскопический эффект». Непостоянство уровня светового потока можно снизить, включая лампы группами в разные фазы трёхфазной сети или создавая сдвиги фаз между токами лампы с помощью ёмкости или индуктивности.

Конструкция люминесцентной лампы ADVS 11W E27 приведена на рис 48 [30]. Здесь 1 – цоколь; 2 – корпус; 3 – предохранитель; 4 – плата управления; 5 – держатель трубки; 6 – люминесцентная лампа. Лампа обладает следующими характеристиками: цоколь – E27, мощность – 11 Вт, цветовая температура 2700 K, напряжение – 220 В, срок службы – 8000 часов, габариты – 110×36 мм.

Рис. 48. Конструкция компактной люминесцентной лампы

В качестве люминофоров в люминесцентных лампах используется следующие вещества:

Са WO4 – вольфрамат кальция – обеспечивает синий цвет;

Мg WO4 – вольфрамат магния – обеспечивает сине-белый цвет; Zn SiO3 – окись кремния, цинк – обеспечивает зеленый цвет;

Be Zn SiO3 – окись кремния, бериллий, цинк – обеспечивает желтобелый цвет;

Cd BO2 – кадмий, окись бора – обеспечивает розовый цвет.

87

2.Параметры и конструкции газонаполненных элементов

2.6.3.Ртутные лампы высокого давления

Влюминесцентных лампах давление паров ртути было низким и обеспечивалось ультрафиолетовое излучение. При давлении порядка атмосферного значения излучение состоит из линий ртути, лежащих в видимой

идлинноволновой ультрафиолетовой области спектра. В целом на излучение идет 80 % подводной мощности; на видимую область спектра – 20 %.

Кроме того, электронная и газовая температуры становятся приблизительно равными. Потери энергии электронным газом при упругих соударениях с ртутными атомами точно равны потерям тепла за счет теплопроводности ртутного пара к стенкам. А так как масса атомов ртути велика, то теплопроводимость и потери на нее очень невелики. При удельной мощности 4 ÷ 50 Вт/см на единицу длины дуги потери в ней составляют 10 Вт/см. Эффективность преобразования электрической энергии в излучение растет с увеличением подводимой мощности (теоретически КПД ламп может быть 100 % при бесконечной мощности источника питания).

Большая подводимая мощность обеспечивает минимальную температуру 357 °С внутренней стенки колбы, равную точке кипения ртути. Колбы лампы делают из плавленого кварца, который исправно работает тысячи часов при температуре до 100 °С. Отметим, что другие стеклообразные материалы такой возможности не дают.

Принципиальная трудность в использовании кварца – его малый тем-

пературный коэффициент расширения (ТКР), равный 5·10–7 С–1. Ни один из металлов не имеет близкого значения и это осложняет проблему вводов. Впай делается из фольги молибдена толщиной 25 мкм. ТКР молибдена 50·10–7 °C–1, но он пластически деформируется под действием механических напряжений, возникающих при надевании и охлаждении впая. При высоких температурах молибден снаружи окисляется и поэтому лампа помещена во внешнюю стеклянную колбу, в которой вместо воздуха – чистый азот. Кроме того, внешняя колба задерживает вредное ультрафиолетовое излучение (253,7 нм), вызывающее ожоги и коньюктивит роговицы глаза.

Кварц при прикосновении пальцев рук страдает от солей, содержащихся в поте пальцев. Эти соли создают центры кристаллизации на поверхности кварца, и аморфный материал кристаллизуется при высоких температурах в рабочем режиме. Кристаллизованный и аморфный кварц имеют разный ТКР, и колба разрушается.

88

2.6. Источники света дугового разряда

Катод в ртутной лампе окружен тяжелым газом, и его атомы при испарении диффундируют через этот газ плохо, т.е. затраты электрической энергии на этот процесс у катода малы. Предел для срока службы постоянно горящей лампы неизвестен – может быть 50 и 100 тыс. ч. Изготовители гарантируют 24 тыс. ч. При 12-часовом цикле горения – это 6 лет бессменной работы, но они превышают этот срок.

На рис. 49 изображен внешний вид и конструкция ртутной лампы высокого давления ДРЛ-400 [31]. Здесь 1 – цоколь; 2 – колба; 3 – резистор; 4 – пусковой электрод; 5 – аргон и пары ртути; 6 – слой люминофора; 7 – разрядная трубка; 8 – верхнее крепление; 9 – поддерживающая арматура из проволоки; 10 – основные электроды; 11 – азот; 12 – стеклюянный кронштейн. Технические характеритстики лампы: цоколь – E40, световой поток – 22000 лм, цветовая температура – 5500 K, цветность – холодный белый, назначение – общее освещение, срок службы – 10000 ч, длина – 250 мм, диаметр – 91 мм, напряжение – 220 В, мощность – 400 Вт, тип – ртутная, тип горелки – кварцевая, рассеиватель – матовый, требует пускорегулирующую аппаратуту.

Рис. 49. Ртутная лампа высокого давления ДРЛ-400

Кроме рассмотренных видов газоразрядных источников света существует еще группы приборов, к которым относятся следующие.

1.Высоковольтные люминесцентные лампы, использующие тлеющий разряд с холодным катодом. Зажигаются они без стартера, почти мгновенно, срок службы 5000 часов и применяются для наружного освещения, так как их светоотдача и надежность зажигания мало зависят от температуры и влажности.

2.Рекламные газосветные трубки с инертным газом, светящиеся в области положительного столба тлеющего разряда. Они наполнены

89

2. Параметры и конструкции газонаполненных элементов

неоном, аргоном с примесями ртути и гелия под давлением 200 ÷ 300 Па (несколько мм рт. ст.). Для варьирования свечения применяют цветные стекла или покрывают трубки люминофором.

3. Ртутно-кварцевые лампы с яркостью до величин, достигающих уровень миллиард кд/м2, примерно соответствующий солнцу. В настоящее время выпускаются импульсные газоразрядные лампы с яркостью 1 ÷ 40 млн кд /м2 при длительности импульса свечения 10–3 ÷ 10–6.с.

90