Театральное освещение / Театральное освещение

РАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ

§ 6. РАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ (РЛ)

Разрядной называют лампу, в которой оптическое излучение (ОИ) возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях.

РЛ имеют самую высокую световую отдачу (η = 30 — 200 лм/Вт), больший по сравнению с ЛН срок службы — до 15 тыс. часов, а также разнообразные спектры излучения, широкий диапазон мощностей, яр кости и других параметров.

Первые разрядные лампы имели плохую цветопередачу, однако в со временных РЛ этот недостаток устранён. В настоящее время РЛ — са мые массовые источники света, применяемые для освещения и посте пенно вытесняющие лампы накаливания.

Принцип действия РЛ основан на электрическом разряде между дву мя электродами, запаянными в прозрачную для ОИ колбу той или иной формы. Иногда для облегчения зажигания впаивают дополнительные электроды. Внутреннее пространство колбы после удаления воздуха и тщательного обезгаживания (удаления сорбированных в материале кол бы и электродах паров воды и других газов при помощи откачки под на гревом) наполняется определённым, чаще всего инертным, газом до за данного давления (или инертным газом и небольшим количеством ме талла с высокой упругостью паров, например, ртутью, натрием и др.).

Существует категория РЛ с электродами, работающими в открытой атмосфере, с разрядом в воздухе и в парах вещества электродов. Это угольные дуги, во время работы которых расходуется материал электро дов. В лампах специальных типов используется разряд в проточном га зе. Существуют также РЛ с высокочастотным безэлектродным разря дом. Они представляют собой запаянную колбу без электродов, содер жащую необходимые газы, пары.

Классификация РЛ возможна по физическим, конструктивным при знакам, эксплуатационным свойствам и областям применения.

По составу газов и паров, в которых происходит разряд, РЛ делятся

на:

разряд в газах;

разряд в парах металлов;

разряд в парах металлов и их соединений.

По рабочему давлению РЛ делятся на:

лампы низкого давления (10 1 —104 Па);

высокого давления (104—106 Па);

сверхвысокого давления (более 106 Па).

В РЛ разряды бывают следующих видов: дуговой, тлеющий и им пульсный.

Дуговой разряд характеризуется высокой плотностью тока на катоде (102—104 А/см2) и давлением рабочего вещества 10 1—108 Па.

Тлеющий разряд характеризуется малой плотностью тока на катоде

298

РАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ

(10 5—10 2 А/см2) и низким давлением газа или пара (103 Па). Импульсный разряд характеризуется пиковой электрической мощно

стью до 2 · 108 Вт, световым потоком 1010 лм и яркостью 1011 кд/м2. По области свечения РЛ делятся на лампы со столбом и лампы тлею

щего свечения.

Взависимости от того, что является основным источником излучения, РЛ делят на:

1) газоL или паросветные, в которых излучение вызвано возбуждени ем атомов, молекул или рекомбинацией ионов;

2) фотолюминесцентные (называемые для краткости просто люми несцентными), в которых излучение создают люминофоры, возбуждае мые излучением разряда;

3) электродосветные, излучение в которых создаётся электродами, раскалёнными в разряде до высокой температуры. У большинства РЛ 2 го и 3 го типов к основному виду излучения примешивается излучение разряда, таким образом, они являются по существу источниками сме шанного излучения.

ВРЛ многих типов разрядную колбу, часто называемую горелкой, по мещают во внешнюю колбу, которая выполняет ряд функций: 1 — за щищает горелку от повреждения; 2 — уменьшает влияние окружающей среды на тепловой режим горелки; 3 — предохраняет нагретые выводы

имонтаж от окисления; 4 — служит поверхностью для нанесения раз личного рода покрытий и т.д.

Зажигание разряда возможно лишь при напряжении выше опреде лённого значения, когда становится возможным лавинное образование зарядов в газовом межэлектродном промежутке. Это приводит к резко му, практически внезапному возрастанию тока и появлению свечения. Данный процесс называется зажиганием самостоятельного разряда, а

соответствующее ему напряжение — напряжением зажигания Uз. На пряжение зажигания определяет нижнюю границу напряжения, кото рое необходимо приложить к РЛ для возникновения самостоятельного разряда. При меньшем напряжении межэлектродный промежуток яв ляется диэлектриком.

С ростом тока напряжение на РЛ падает, поэтому устойчивая работа РЛ возможна только при наличии в схеме устройств, ограничивающих силу тока в заданных пределах.

Напряжение Uстаб, необходимое для стабилизации разряда после его возникновения, как правило, ниже напряжения зажигания Uстаб<Uз. Переход от режима зажигания РЛ к режиму стабилизации разряда назы вается периодом разгорания лампы. Это время, необходимое для разогре вания колбы и установления теплового режима. Продолжительность разгорания определяется наполнением лампы, соотношением темпера тур её колбы в холодном и рабочем состояниях и другими обстоятельст вами. У ксеноновых ламп высокого давления продолжительность разго рания 3—5 мин. У высокотемпературных РЛ с парами металлов продол жительность разгорания 5—15 мин.

Вслучае выключения РЛ, т.е. прекращения разряда, возможность повторного поджига или горячего поджига также зависит от наполнения лампы.

Внерабочем состоянии металлы (вещества) присутствуют в колбе в

299

РАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ

жидком или твёрдом состоянии, и давление (упругость) их паров опре деляется как давление паров, насыщающих пространство. При комнат ной температуре оно обычно очень мало. После включения РЛ по мере нагревания колбы и металла (вещества) давление и плотность паров в объёме колбы очень резко возрастают (в сотни тысяч и миллионы раз). Вследствие этого повторное зажигание ламп с разрядом в парах метал ла при высоком и сверхвысоком давлении без специальных приёмов возможно только по истечении некоторого времени после выключения, в течение которого РЛ остынет и давление паров в ней снизится на столько, чтобы она зажигалась по стандартной схеме. Для повторного зажигания горячей лампы необходимо приложить напряжение горяче го поджига на порядок выше напряжения холодного поджига

Uгор.з >> Uз.

В РЛ с газовым наполнением общее количество газа в объёме колбы остаётся неизменным как в холодной, так и в работающей лампе. Во время работы за счёт нагрева происходит некоторое повышение давле ния газа и перераспределение его плотности по объему. Вследствие это го в РЛ с газовым наполнением: 1— практически отсутствует период разгорания, т.е. их электрические и световые параметры сразу после за жигания разряда принимают значения, близкие к рабочим; 2 — темпе ратура колбы слабо влияет на характеристики разряда; 3 — напряжение зажигания РЛВД (разрядная лампа высокого давления) и РЛСВД (раз рядная лампа сверхвысокого давления) велико; и 4 — давление газа в неработающем состоянии велико.

Пускорегулирующий аппарат ПРА — это светотехническое устрой ство, с помощью которого осуществляется питание РЛ от электричес кой сети.

Основные функции ПРА:

обеспечение необходимых режимов зажигания (холодного и горя чего);

обеспечение разгорания;

обеспечение устойчивого режима работы РЛ.

Дополнительные функции ПРА:

подавление пульсаций светового потока;

подавление радиопомех, создающихся при работе комплекта РЛ— ПРА, и др.

По физической природе светящийся столб разряда представляет со бой плазму, т.е. газ или пар, состоящий из нейтральных атомов и содер жащий «примесь» электронов и ионов. Концентрации электронов и ио нов в каждом элементарном объёме практически равны между собой, благодаря чему плазма квазинейтральна. Исключения составляют по граничные слои у стенок колбы и у электродов, где эта нейтральность

нарушается. Концентрация электронов и ионов в столбе стационарно го разряда составляет обычно 104—102 концентрации нейтральных атомов.

Внешнее электрическое поле, приложенное к столбу, вызывает уско ренное движение электронов. В результате различного рода соударений

сатомами электроны передают им энергию. При упругих соударениях вследствие большой разницы в массах электроны передают атомам

300

РАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ

очень малую часть энергии, но резко меняют направление движения. Поэтому движение электронов в столбе носит хаотический характер. При низком давлении газа и малой плотности тока из за относительно малой передачи энергии атомам электронный газ нагревается до темпе ратур в десятки тысяч градусов по шкале Кельвина (электронная темпе ратура), в то время как температура газа нейтральных атомов, на кото рые электрическое поле не действует, лишь немногим превышает окру жающую. В стационарном состоянии нагрев электронного газа уравно вешивается его охлаждением за счёт передачи энергии атомам газа. В столбе разряда низкого давления основными процессами передачи яв ляются возбуждение и ионизация атомов. Возбуждённые атомы, воз вращаясь в состояния с меньшей энергией, испускают при этом избы ток энергии в виде фотонов, которые, покидая разряд, уносят энергию с собой. Образующаяся в результате ионизации пара электрон—ион идёт на пополнение потерь заряженных частиц. В разряде низкого дав ления потеря заряженных частиц происходит в основном в результате их рекомбинации на стенках колбы, куда они попадают за счёт диффу зии. При этом они отдают свою энергию стенкам, вызывая их нагрева ние. Излучение возникает при переходе атомов из нижнего возбуждён ного состояния в основное невозбуждённое.

По мере повышения давления и плотности тока растёт число различ ных соударений между электронами и атомами газа и обмен энергией между ними. В результате температура электронов падает, а температу ра газа возрастает. Возникающий в этих условиях большой перепад тем ператур от осевых частей разряда к периферии приводит к стягиванию разряда в яркий светящийся шнур, окружённый тёмной оболочкой. В термической плазме и при высоком давлении излучающего газа или па ра излучение происходит при переходах электронов в атомах из одного возбуждённого состояния в другое, возбуждённое с меньшей энергией.

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Лампа такого типа представляет собой стеклянную цилиндрическую трубку — колбу, в которую закачаны пары ртути. Внутренняя поверх ность колбы покрыта люминофором. По обоим её концам впаиваются ножки с катодами. Основным источником оптического излучения в этой группе ламп является слой люминесцирующего вещества (люми нофора), возбуждаемого ультрафиолетовым излучением электрическо го разряда в парах ртути.

Лампы имеют в 4—6 раз большую световую отдачу, чем лампы нака ливания.

Лампы с трёхполосным люминофором более экономичны (световая отдача до 104 лм/Вт), но обладают худшей цветопередачей (Ra=80), с пятиполосным люминофором имеют отличную цветопередачу (Ra=90—98) при меньшей световой отдаче (до 88 лм/Вт). ЛЛ обеспечи вают мягкий, равномерный свет, но распределением света в простран стве трудно управлять из–за большой поверхности излучения. Для ра боты люминесцентных ламп необходима специальная пускорегулирую щая аппаратура (ПРА).

Существуют специальные устройства (пульты), позволяющие регу

301

РАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ

лировать интенсивность светового потока люминесцентных ламп от 10% до 100%. От 0 до 10% нарастание светового потока происходит не управляемым образом в результате поджига разряда. Подобные пульты позволяют использовать люминесцентные лампы в театральной прак тике. Уже возможно управление световым потоком люминесцентных ламп по сигналу DMX 512.

Люминесцентные лампы делятся на две группы: общего и специаль ного назначения. Они работают в электрических сетях переменного то ка напряжением 127—220 А с частотой 50 Гц и включаются в сеть вме сте с пускорегулирующий аппаратурой, обеспечивающей зажигание ламп, нормальный режим работы и устранение радиопомех. Часто за жигающее устройство — стартёр, или ПРА — встроено в конструкцию цоколя лампы или в конструкцию светильника, предназначенного для работы с ЛЛ. Наиболее массово применяются ЛЛ мощностью от 4 до 80 Вт.

Одно из главных преимуществ ЛЛ — долговечность (срок службы до 20 000 часов). Благодаря экономичности и долговечности ЛЛ стали са мыми распространёнными источниками света в офисах предприятий. В странах с мягким климатом ЛЛ широко применяются в наружном осве щении городов. В холодных районах их распространению мешает паде ние светового потока при низких температурах.

Если «закрутить» трубку ЛЛ в спираль, мы получим КЛЛ — компактL ную люминесцентную лампу. По своим параметрам КЛЛ приближаются к линейным ЛЛ (световая отдача до 75 лм/Вт, Тцв=2700–6000° К, Ra=80 и более).

Компактные люминесцентные лам пы различной цветности используются для освещения жилых помещений, ад министративных зданий, в декоратив ных и специальных осветительных ус тановках.

КЛЛ имеют резьбовой цоколь Е27 и встроенную ПРА, поэтому могут вклю чаться непосредственно в сеть с помо щью обычного патрона для ЛН.

Виды ЛЛ (габаритные чертежи):

(рисунки выполнены не в масштабе)

302

РАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ

Маркировка ЛЛ в странах СНГ основана на буквенном обозначении конструктивных признаков. Первая буква Л — люминесцентная, следу ющие буквы обозначают цвет излучения: Б — белый, ТБ — тёпло бе лый, ХБ — холодно белый, Д — дневной, Е — естественно белый, УФ — ультрафиолетовый, К, С, З, Г — красный, синий, зелёный, голубой. Од на или две буквы Ц после обозначения цвета означают высокое или ещё более высокое качество цветопередачи. Далее следуют буквы, обознача ющие особенности конструкции лампы: Р — рефлекторная, У — U об разная, К — кольцевая, Б — быстрого пуска, А — амальгамная. Цифры, стоящие после букв, обозначают мощность в ваттах. Сигнальные ЛЛ тлеющего разряда имеют маркировку, начинающуюся с букв ТЛ; труб ки, применяющиеся в световой рекламе — маркировку ГРL20.

Специальные ЛЛ:

Цветные — для декоративного освещения и световой рекламы;

Сигнальные малогабаритные тлеющего разряда — для систем автома тики и радиоэлектроники;

Лампы люминесцентные ртутные эритемные — используются в меди цине, для замены естественной солнечной облучённости;

Лампы ртутные бактерицидные — источники УФ для обеззаражива ния воздуха, жидкостей, продуктов и др.

РАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ (РЛВД)

Люминесцентные ртутные высокого давления типа ДРЛ (дуговая ртутная люминесцентная)

Лампы типа ДРЛ представляют собой ртутную го релку в виде трубки из прозрачного кварцевого стек ла, вмонтированную в колбу из тугоплавкого стекла. Внутренняя поверхность внешней колбы покрыта тонким слоем порошкообразного люминофора. Кол ба снабжена резьбовым цоколем.

Принцип действия основан на преобразовании УФ излучения ртутного разряда высокого давления, составляющего около 40% всего потока излучения, в недостающее излучение в красной части спектра при помощи люминофора. Качество исправления цвето передачи ламп типа ДРЛ определяется относитель ным содержанием красного излучения — отношени ем светового потока в красной области спектра (600—

780 нм) к общему световому потоку лампы («красное отношение»). При освещении РЛВД без люминофора возникает сильное искажение цвета предметов, особенно человеческой кожи, что объясняется отсут ствием излучения в оранжево красной части спектра.

Дуговые разрядные лампы намного старше ламп накаливания, им более 200 лет. Однако современный вид они приобрели только в эпоху высоких технологий. В лампах применяют два основных разряда высо кого давления — ртутный и натриевый. Оба дают достаточно узкопо лосное излучение: ртутный — в голубой области спектра, натриевый —

303

РАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ

в жёлтой, поэтому цветопередача ртутных (Ra=40—60) и особенно на триевых ламп (Ra=20—40) оставляет желать лучшего.

Лампы ДРЛ выпускаются мощностью 50—2000 Вт, со световым по током 1,9—120 Клм. Они применяются для освещения больших произ водственных площадей, улиц, участков открытых пространств, на кото

Устройство лампы ДРЛ

Лампа типа ДРЛ мощностью 400 Вт (частично в разрезе)

304

РАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ

рых производятся работы в ночное время. Они включаются в сеть пере менного тока напряжением 220 В, частотой 50 Гц через соответствую щую ПРА. ДРЛ обладают высокой световой отдачей 45—55 лм/Вт. Срок службы в среднем 10 тысяч часов.

МЕТАЛЛОГАЛОГЕННЫЕ ЛАМПЫ (МГЛ)

Новый класс источников света среди ртутных разрядных ламп высокого давления

Добавление внутрь разрядной трубки ртутной лампы галогенидов различных металлов позволило создать новый класс источников света

— металлогалогенные лампы (МГЛ), отличающиеся очень широким спектром излучения и прекрасными параметрами.

Устройство и принцип действия МГЛ основаны на том, что галоге ниды многих металлов испаряются легче, чем сами металлы, и не разру шают кварцевое стекло. Поэтому внутрь разрядных колб МГЛ, кроме ртути и аргона, как в РЛВД, дополнительно вводятся различные хими ческие элементы в виде их галоидных соединений (т.е. соединения I, Br, Cl). После зажигания разряда, когда достигается рабочая температура колбы, галогениды металлов частично переходят в парообразное состо яние. Попадая в центральную зону разряда с температурой несколько тысяч градусов по шкале Кельвина, молекулы галогенидов диссоцииру ют на галоген и металл. Атомы металла возбуждаются и излучают харак терные для них спектры. Диффундируя за пределы разрядного канала и попадая в зону с более низкой температурой вблизи стенок колбы, они воссоединяются в галогениды, которые вновь испаряются.

Этот замкнутый цикл обеспечивает два принципиальных преимуще ства:

1)в разряде создаётся достаточная концентрация атомов металлов, дающих требуемый спектр излучения;

2)появляется возможность вводить в разряд щелочные металлы (на трий, литий, цезий) и другие агрессивные металлы (кадмий, цинк). Всё это позволило создать МГЛ с различными спектрами.

305

РАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ

Главные преимущества МГЛ по сравнению с лампами накаливания:

увеличенная в три четыре раза световая отдача (60—100 лм/Вт);

схожий со спектром дневного света спектр ОИ (4500—6500°К);

увеличенная в 20 раз яркость;

высокий индекс цветопередачи Rа = 80—95, что соответствует «естественной» передаче цветов освещаемого объекта.

Время разгорания МГЛ 5—10 мин. Средний срок службы — 15 000 часов.

МГЛ общего назначения — ДРИ — Дуговая, Ртутная, с Излучающи ми добавками. Используется для освещения спортивных сооружений,

Общий вид МГЛ для общего освещения

а лампа 400 Вт в эллипсоидальной прозрачной колбе; б лампа 2000 Вт в

цилиндрической прозрачной колбе; в линейная лампа

мгновенного перезажигания для цветного телевидения: 1 внешняя стеклянная колба; 2 разрядная трубка;

3 траверсы из изоляционного материала; 4 электрод; 5 экран

Общий вид ламп типа ДРИШ для цветного телевидения и кино:

а ' ДРИШ575; б ' ДРИШ1200; в ' ДРИШ 2500; г ' ДРИШ 4000.

306

РАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ

демонстрационных залов, выставок, ярмарок и др. Срок службы 1500—7000 часов.

МГЛ для театра, кино и телевидения — ДРИШ — Дуговая, Ртутная, с Излучающими добавками, Шаровая.

Срок службы 400 часов.

НАТРИЕВЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ (ДнаТ)

Это одна из наиболее эффективных групп источников видимого из лучения. Они обладают самой высокой световой отдачей среди извест ных РЛ и незначительным снижением светового потока при длитель ном сроке службы. Они широко используются в наружном освещении: архитектурные здания и сооружения, аэродромы, строительные пло щадки, скоростные магистрали, транспортные пересечения, протяжён ные туннели — везде, где замена ламп труднодоступна и где факт пере горания источника может вызвать опасную ситуацию на освещаемой территории. Здесь самое важное — стабильность светового потока на всём протяжении срока службы лампы и максимально возможный срок службы.

Имеет свет золотисто белого оттенка, Тцв = 2100°К, но цветопере дача плохая — Rа = 60.

Срок службы 20 000 часов. Светоотдача 350 лм/Вт.

КСЕНОНОВЫЕ ЛАМПЫ СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ (ДКсШ, ДКсШРБ и др.)

Ксеноновые разрядные лампы сверхвысокого давления работают, в основном, на постоянном токе и применяются в кинопроекционной аппаратуре, в осветительных установках для освещения больших пло щадей, открытых территорий горных карьеров, портов, строительных площадок, аэродромов. Лампы используются в полиграфии, медицине, биологии, полупроводниковой технике.

В структуре условного обозначения Х–Y–Z: Х — буквенное обозна чение (Д — дуговая, Кс — ксеноновая, Эл — эллипсоидная, Ш — шаро вая, Т — трубчатая, РБ — разборная, РМ — разборная в металлическом корпусе); Y — мощность лампы, Вт (250, 500, 1000, 2000, 3000, 3800, 4000, 5000, 6500, 10000, 20000, 55000, 70000); Z — отличие лампы от ба зовой модели (от 1 до 7).

Лампы характеризуются высокой энергетической яркостью. Непре рывный спектр в видимой области даёт цветность, очень близкую к спектру солнца.

Спектральное распределение энергии остаётся практически посто янным в течение всего срока службы и не зависит от колебаний напря жения электрической сети и от величины силы тока.

Лампы типов ДКсЭл, ДКсШ, ДКсШРБ питаются от сети перемен ного тока напряжением 220 В частоты 50 Гц через выпрямительное ус тройство и пускорегулирующую аппаратуру с импульсным зажигаю щим устройством. Лампы типа ДКсТ питаются непосредственно от се

307