Театральное освещение / Театральное освещение

ИСТОЧНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Таблица 1

Значения Тцв имеют небольшие расхождения в разных литературных источниках. Для сравнения: индекс цветопередачи свечи Тцв = 2000 ° К Ra=50.

Тцв есть температура АЧТ, при которой его излучение имеет такую же цветность, как у рассматриваемого источника.

Цветопередача источника характеризует влияние спектрального со става излучения источника на зрительное восприятие цветных объектов по сравнению с восприятием их при освещении опорным источником (эталонным источником). В качестве опорного берут источник с цвето вой температурой Тцв = 5000°К.

Цветопередача источника выражается коэффициентом цветопере дачи или индексом цветопередачи Rа.

Шкала индексов построена таким образом, что Rа = 100 — опорный источник; источник с таким показателем оптимально передаёт все цве та. Чем ниже Rа, тем хуже будут передаваться цвета. По качеству цвето передачи ИС разделяют на три класса:

высокого Rа 85,

среднего 70 Rа < 85,

низкого Rа < 70.

288

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

§ 5. ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ (ЛН)

1880 год — открытие теплового действия электрического тока, опыты по получению света путём накаливания проводников с током. Успех со путствовал русскому изобретателю Александру Николаевичу Лодыгину (1847—1923). Он поместил угольный стержень в стеклянный баллон, из которого кислород удалялся за счёт сгорания части угля при прохожде нии через него тока. Благодаря этому оставшаяся часть угля работала под действием электрического тока относительно долго, излучая свет, — таков принцип действия угольной лампы.

Вслучае с электрической лампой накаливания двух мнений быть не может: изобрел ее наш соотечественник Александр Николаевич Лоды гин. И даже запатентовал! Но оказалось, что не менее важно ещё и под держивать свой патент (пролонгировать его), и вот в этих то материях наш «левша» по всем статьям уступил более подкованному американцу

—«гению патента» Томасу Альве Эдисону, которому в результате и до стались единоличные лавры первооткрывателя. Очень обидно, что в за падных справочниках, например, в авторитетной Encyclopedia Britannica, имя русского ученого не упоминается вовсе. Не было такого ученого — и всё!

В1872 году Лодыгин впервые публично продемонстрировал свою лампу и в том же году подал «прошение на привилегию» (по современ ному — патентную заявку) на «способ и аппараты дешевого электриче ского освещения». Вместе с другом и помощником Василием Дидрих соном Лодыгин основал собственную компанию — «Русское товарище ство электрического освещения Лодыгин и К°». А годом позже, 20 мая 1873 года, на Одесской улице в Санкт Петербурге зажглись восемь фо нарей с лампами его новой конструкции, что стало газетной сенсацией городского масштаба. В том же 1873 году Лодыгиным были получены патенты во многих странах Европы: Австро Венгрии, Испании, Порту галии, Италии, Бельгии, Франции, Великобритании, Швеции, Саксо нии и других германских землях, а также в далеких Индии и Австралии. И только год спустя спохватилось родное патентное ведомство — 11 июля 1874 года Лодыгин получил русскую «привилегию» за №1619! Правда, с приоритетом, указанным задним числом — от 2 октября 1872 года.

Насколько талантлив и самобытен был Лодыгин в электротехнике, настолько же бездарным он оказался в бизнесе. Компания Лодыгина прогорела быстрее, чем его опытные лампочки. Вдобавок ко всему лам па накаливания Лодыгина в 1876 году оказалась в тени «электрической свечи» (дуговой лампы) Павла Яблочкова, хотя впоследствии выясни лось, что будущее за лампой накаливания, основанной на принципах Лодыгина.

1876 год — в Париже русский электротехник Павел Яблочков (1847— 1894) получил патент на «электрическую свечу». Утверждают, что изо брел он её в России, но не был понят и поддержан. Впервые «русский свет» был применён в большом парижском магазине «Лувр», когда 22 «свечи Яблочкова» заменили 200 газовых рожков. Между электродами,

289

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

Устройство лампы накаливания

9

1

3

2

5а

5б

4а

4в

4б

5в

10

8

7

6

1 – Тело накала W

2 – Штабик стеклянный с линзочкой для крепления держателей ни

ти

3 – Молибденовые крючки — держатели нити

4 – Стеклянная ножка 4а – лопатка

4б – трубка — тарелка 4в – штенгель — стеклянная трубочка для откачки воздуха и напол

нения газом лампы 5 – Трёхзвенные электроды

5а – внутреннее звено – Ni

5б – звено, обеспечивающее вакуумно плотный впай

платинит (стекло платиновое)

молибден (стекло молибденовое) 5в – наружное звено — Cu

6 – Контактная пластина, к которой припаивают электрод

7 – Изолятор — стекломасса 8 – Стакан цоколя, второй электрод припаивается к стакану (оцин

кованная сталь)

9 – Стеклянная колба

10 – Циклёвочная мастика — крепит колбу с цоколем

290

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

Наиболее распространённые формы тел накала (моноL и биспиралей)

а ' сплошные (1 ' прямолинейная; 2 ' дуговая; 3 ' в виде зигзага); б ' секционные (1 ' под углом; 2 ' дужкой); в ' многосекционные, формованные в одной плоскости («моноплан»); г ' многосекционные, формованные в двух плоскостях («биплан»); д ' плоские, изготавливаемые на керне в виде пластины

расположенными параллельно, ученый поместил слой изолирующего вещества — каолина, испарявшегося по мере сгорания углей, в этот слой затем он стал добавлять элементы, придающие освещению тёплый оранжевый цвет. Это нововведение Яблочкова применяется до сих пор. Ещё одно революционное новшество было в том, что изобретатель за менил постоянный ток в лампочке на переменный. Впервые свое изо бретение Яблочков представил в Лондоне на выставке физических при боров в 1876 году, а через некоторое время лампочки "яблочкофф" ста ли освещать и Елисейские поля, и дворцы персидского шаха, и дворцы короля Камбоджи.

1879 год — американский изобретатель Томас Альва Эдисон (1847—

1931) на основе принципиальных идей, заложенных в лампе Лодыгина, создал лампу серийного производства, применив для тела накала уголь ную нить, полученную обугливанием длинных и тонких бамбуковых во локон. Кроме того, он ввёл откачку воздуха из баллона.

И снова нужно заявить со всей определённостью: электрической лампочки Эдисон не изобретал. До него улицы городов уже вовсю осве

291

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

щались дуговыми лампами, а в домах, где столь яркий свет был не ну жен, по прежнему пользовались газовыми рожками. Все, что сделал Эдисон, — соединил в одну совершенную схему головоломку электро лампы, электрогенераторы, провода, розетки, вилки и тому подобное. Трудно поверить, но никому до него это не пришло в голову. Револю цию вызвало не само появление лампы, запатентованной им в 1879 го ду, а скорее разработанная компаниями Эдисона система производства и потребления электроэнергии, рассчитанная на целый городской рай он и даже на весь город.

1890 год — Лодыгин демонстрирует лампу с телом накала в виде ниL ти из тугоплавкого металла — молибдена.

1903 год – первые образцы вольфрамовых ламп накаливания.

1906—1909 гг. — промышленное освоение выпуска вольфрамовой проволоки и следом промышленный выпуск вакуумных ЛН с вольфра мовой нитью.

1913 год — американец Ирвинг Ленгмюр (1881—1957) предложил наL полнять ЛН нейтральным газом и применять спиральное тело накала вме сто нитевидного.

1935 год — массовое производство биспиральных ламп.

1959 год — использование галогенового цикла в ЛН в кварцевой кол

бе.

W — вольфрам:

имеет высокую температуру плавления 3650°K ;

имеет малую скорость испарения;

формоустойчив при высокой рабочей температуре, устойчив к ме ханическим нагрузкам;

обладает высокой пластичностью в горячем состоянии, что позво ляет получать нить малых диаметров;

хорошо спирализуется;

обладает высокой световой отдачей (50 лм/Вт).

Для обеспечения нормальной работы раскалённого вольфрамового тела накала необходимо изолировать его от кислорода воздуха. Для это го тело накала нужно разместить либо в безвоздушной среде — такие лампы называются вакуумными, либо в среде инертных газов или их смесей, не реагирующих с материалом тела накала, — газополные лампы (аргоновые, криптоновые, ксеноновые).

Зачем вводят газовое наполнение?

При нагревании вольфрам испаряется. Для уменьшения испарения

292

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

W вводят газовое наполнение — инертный газ; таким образом, увеличи вается срок службы лампы.

При увеличении давления инертного газа скорость испарения воль фрама ещё более резко уменьшается, однако доля энергии на нагрев увеличивается, поэтому необходимо думать о прочности колбы. Здесь разработчики источников ищут компромисс.

Зачем нужна спираль?

При одних и тех же мощности, напряжении, температуре и длине нить, свитая в спираль, будет испаряться дольше, чем прямолинейная. Скорость испарения будет меньше за счёт перехвата испаряющихся ча стиц смежными кольцами спирали.

Площадь контакта нити с инертным газом меньше, следовательно, нет потерь на нагрев газа, увеличивается энергетическая эффектив ность лампы.

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ КОЛБ ЛН

а ' каплеобразная (шар ' конус); б ' грибообразная; в ' свечеобразная; г ' шаровая; д ' цилиндрическая; е ' параболическая

Основные типы цоколей ЛН

Обозначение ЛН общего назначения: В – 220 – 25 – Е 14 В – вакуумная (Б – биспиральная, Г – газополная, БК – крип

тоновая), 220 – напряжение питания, В,

25 – мощность, Вт, Е 14 – тип цоколя.

Обозначение ЛН, используемых в театре: ПЖ – 220 – 500 – Е 27 ПЖ – прожекторная, ПЖЗ – прожекторная зеркальная, ЗК – зеркальная, КГ – кварцевая галогенная,

КГМ – кварцевая галогенная малогабаритная, 220 – напряжение питания, В, 500 – мощность, Вт, Е 27 – тип цоколя.

293

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

294

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

ГАЛОГЕННЫЕ ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

Галогены — вещества, занимающие VII группу таблицы Менделеева (F — фтор, Cl — хлор, Br — бром, I — йод) — химически очень активны и вступают в соединение со всеми простыми веществами.

Нагретое вещество тела накала испаряется и летит к стенке колбы лампы. Там температура ниже, и вещество тела накала осаждается на колбе.

Ещё в 1888 г. было предложено (Скрибнер) вводить в вакуумную лампу накаливания с угольным телом накала хлор (Cl) для очистки кол бы от распылённого угля. Начиная с этого времени и до 1959 г. было много патентов, в которых предлагалось использовать соединения гало генов для очистки стенок колбы от распылённого вещества тела накала. Однако при старой конструкции лампы с использованием в ней старых материалов высокая химическая активность галогенов приводила к плохим результатам. Поэтому нужна была новая конструкция лампы, что и было предложено в 1959 г. (Цаблер и Мосби) — трубчатая кварце вая лампа с возвратным циклом в парах йода (I).

ГАЛОГЕННЫЙ ЦИКЛ

При температуре выше 300°C и ниже 1200°C йод образует соедине ние с W — йодид вольфрама, который находится в парообразном состо янии:

W + 2I = WI2

295

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

Эта реакция должна происходить у стенок колбы, на которых напы лён W. Пары йодида вольфрама диффундируют в зону тела накала и при температуре выше 1600°C диссоциируют (распадаются).

W осаждается на тело накала и вокруг него, где температура выше 1600°C, йод диффундирует к стенкам колбы и продолжает свою работу по переносу вольфрама. Таким образом, галогенный цикл обеспечивает очистку колбы от распылённого W, что обеспечивает существенно меньший спад светового потока в процессе эксплуатации лампы.

Галогенный цикл только очищает колбу, что обеспечивает стабиль ность параметров светового потока. Он не является причиной увеличе ния светоотдачи или увеличения срока службы лампы. Процесс перего рания галогенных ламп такой же, как и у обычных ЛН, т. е. определяет ся теми же условиями и механизмами.

ТРЕБОВАНИЯ К ИЗГОТОВЛЕНИЮ ГАЛОГЕННЫХ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ

1.Температура внутри колбы не должна быть ниже 250°C, иначе йо дид вольфрама осядет на стенках колбы и галогенный цикл не будет замкнутым. Чтобы цикл надёжно замыкался, температура должна быть около 600°C.

2.Вблизи тела накала температура должна быть выше 1600°C для то го, чтобы пары йодида W диссоциировали, а W конденсировался на эле ментах в зоне тела накала.

3.Поскольку галогены химически очень активны, то конструктив ные элементы лампы должны выполняться из материалов, химически инертных по отношению к галогенам. Предъявляются повышенные требования к очистке инертного газа от примесей.

4.Пары в галогенном цикле (галоген и его соединение с материалом тела накала) не должны сильно поглощать излучение в видимой облас ти. При наполнении лампы йодом световой поток уменьшается до 10%, вместо йода современные галогенные лампы наполнены бромистым метилом и метиленом.

296

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

КОНСТРУКЦИЯ ГАЛОГЕННОЙ ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

Трубчатая ЛН с йодно'вольфрамовым циклом

1.Молибденовый вывод

2.Впаянная в кварц молибденовая фольга

3.Вольфрамовый электрод

4.Тело накала – вольфрамовая спираль, или биспираль

5.Колба – кварцевая трубка

6.Отпай штенгеля (для откачки лампы)

7.Вольфрамовые держатели — пружинные кольца — закрепляют спираль по оси колбы (это важно для галогенного цикла)

Наполнение лампы двухкомпонентное:

инертный газ Cr — криптон (К — ксенон) при высоком давле нии от 6 до 10 атмосфер; благодаря этому увеличивается световая отда ча и срок службы лампы;

галогенная добавка — бромистый метил, бромистый метилен. Световая отдача галогенных ламп ~ 25 лм/Вт.

297