Источники света, применяемые в огнях светосигнальных систем

МЕХАНИЗМ И СПЕКТР ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Оптическое излучение возникает в результате возбуждения (термического, электронного, оптического) атомов и молекул вещества. Любое нагретое тело излучает энергию в окружающее пространство, создавая в нем электромагнитное поле, характеризуемое направлением и интенсивностью переноса лучистой энергии. Следует отметить, что все тела при температуре выше абсолютного нуля испускают и поглощают электромагнитную энергию, только степень и характер поглощения меняются с изменением температуры тела.

Всякое тело поглощает преимущественно те лучи, которые оно само в наибольшей степени способно излучать. В наибольшей степени поглощает и испускает так называемое абсолютно черное тело. Оно поглощает весь поток лучистой энергии, а излучает больше, чем другие тепловые источники для данной длины волны и температуры. Модель черного тела - шар с малым отверстием в стенке.

В 1900 г. М.Планк получил зависимость между спектральной интенсивностью лучистого потока, длиной волны и абсолютной температурой черного тела:

R_λT - спектральная интенсивность лучистого потока;[Вт·см^-2 · мкм-¹];

λ - длина волны [мкм];

Т - абсолютная температура, [°К];

C₁= 3,739·10^-12 Вт·см²

C₂ = 1,438 см·град; Постоянные Планка

е = 2,71

Из уравнения Планка следует закон смещения Вина:

λ_max·T =C₃

λ_max - длина волны, соответствующая максимуму кривой спектральной интенсивности лучистого потока

С₃ = 2896;

λ – [мкм].

Длина волны, соответствующая максимальному монохроматическому излучению абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре.

Из закона Вина следует закон Стефана-Больцмана:

P_T = C₄·T⁴

P_T - суммарный лучистый поток абсолютно черного тела с единицы поверхности в Вт/см²;

C₄, = 5,662 10^-12 Вт·см^-2 град^-4.

Суммарный лучистый поток абсолютно черного тела пропорционален четверной степени его абсолютной температуры.

Видимое излучение в спектре абсолютно черного тела появляется при его нагревании до 800° К. Световой к.п.д. для абсолютно черного тела достигает максимального значения при температуре около 6500°К, а современные лампы накаливания дают температуру около 3600° К.

В связи с этим их к.п.д. ниже и не превышает 2-3%.

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

Лампы накаливания изобрели в начале прошлого столетия. Использовалась платиновая нить, т. к. она не окислялась на воздухе. Светоотдача была небольшой. Затем применили уголь. Сгорание угля при высоких температурах устранено помещением его в вакуумную колбу. Первую лампу с вольфрамовой нитью изготовил А.Н. Лодыгин в 1900 г. Вольфрам остался в лампах до настоящего времени, т. к. обладает целым набором полезных свойств (высокая температура плавления, большая механическая прочность, селективность излучения в области видимого спектра, относительно небольшая испаряемость).

В лампе накаливания вольфрамовая нить натянута зигзагообразно на подвесках. Колбы вакуумные или заполненные инертным газом. Испарение вольфрама в вакуумных лампах больше, чем в газовых, зато в газонаполненных большие потери энергии на конвекцию. Тепловые потери в газе обратно пропорциональны диаметру накала. Отсюда следует, что при одинаковой температуре светоотдача нитей накала больших диаметров выше. На высокие напряжения сделать нить толстой нельзя, поэтому тонкую нить свивают в спираль, или делают двойную спираль. При этом достигается уменьшение потерь на охлаждение газом.

Конструкция лампы состоит из стеклянной колбы, нити накала и цоколя. Цоколи бывают резьбовые и штифтовые. Нить завита в спираль. Лампы на 15, 25, 50 Вт изготавливают на напряжение 110, 127 В, а на 25, 40, 60 Вт- на 220 В (вакуумные). Более мощные лампы -газонаполненные. Обычное наполнение колб - смесь 86% аргона и 14% азота, лучшее наполнение - криптоно-ксеноновое.

Световой отдачей лампы накаливания называются отношение излучаемого потока к потребляемой электрической мощности.

η = F/P

η- световая отдача, [Лм/Вт];

F - световой поток, [Лм];

Р - мощность, [Вт].

Световая отдача характеризует экономичность лампы накаливания. Т.к. лампы с большим диаметром нити допускают большую температуру нагрева, то их светоотдача выше, но напряжение питания пониженное.

Срок службы ламп - продолжительность горения до потери 20% ее первоначального светового потока. В процессе работы нить испаряется (утоньшается), затемняется металлом колба. Чем больше светоотдача, тем меньше срок службы лампы.

В 50-х годах в развитии ламп накаливания был осуществлен качественный скачек - осуществлена серия галогенного цикла в рабочем объеме лампы и создан образец галогенной лампы накаливания (ГЛН). Это привело к увеличению светоотдачи в 2 раза и уменьшению объема лампы в 150÷200 раз. В ГЛН суммируются и умножаются положительные эффекты от использования тяжеломолекулярных газов (фтор, хлор, бром, йод) с повышением температуры и давления в колбе.

Колба представляет собой, как правило, стеклянный цилиндр диаметром 6÷10 мм, по оси которого натянута вольфрамовая спираль. При испарении вольфрама он диффундирует на стенку колбы, температура которой достигает более 250° С. При этой температуре вольфрам вступает в химическое соединение. Это молекулярное соединение вольфрама с галогенами испаряется со стенки колбы и вблизи нити при высокой температуре разлагается снова на вольфрам и галогены. Вольфрам оседает на нить, восстанавливая ее. Весь этот цикл называется галогенным. Эти лампы нашли применение для прожекторов, кино - фотосъёмок, автомобилей и др. В светотехнической системе посадки применяются в огнях утопленного типа и освещения мест стоянок самолетов.

Для колб ГЛН необходимо кварцевое стекло или стекло типа "Вайкор".

НЕОНОВЫЕ ЛАМПЫ

Эти лампы имеют преимущество по сравнению с лампами накаливания в том, что излучение сосредоточено в видимом диапазоне спектра и нет бесполезного инфракрасного и ультрафиолетового излучения.

Принцип действия основан на свечении неона при электрическом разряде. Тип разряда соответствует тлеющему разряду.

Лампа представляет собой трубку, наполненную неоном, на концах которой помещены катоды (рис.?).

Рис.? Общий вид неоновой лампы.

Катоды покрыты активной массой (ВаО), что способствует хорошей термоэмиссии электронов. Катоды неоновых ламп НД-2 на 500 Вт нагреваются от отдельного трансформатора на 26 В. Лампы меньшей мощности запускаются с помощью стартера СНД-2 или же от пусковой катушки КП-4716.

Схема включения неоновой лампы показана на схеме (рис.?).

Рис. ? Схема включения неоновой лампы: a) c ламповым стартером, б)с пусковой катушкой.

Стартер представляет собой биметаллическое реле напряжения, выполненное в виде лампы тлеющего разряда.

Напряжение зажигания лампового стартера колеблется в пределах 180÷230 В. При подключении схемы (рис. ? а) к сети переменного тока напряжением 220 В в ламповом стартере, подключенном параллельно к неоновой лампе, возникает тлеющий разряд. Он нагревает биметаллическую пластинку, которая по этой причине изгибается и электрически соединяется со вторым электродом. При этом электроды лампового стартера замыкаются, тлеющий разряд в нем прекращается и электрический ток проходит через включенные последовательно дроссель, нити накала неоновой лампы и два замкнутых между собой электрода лампового стартера. Сила тока в этой последовательной цепи у используемых в настоящее время ламп составляет 6÷7 А.. При такой силе тока нити накала неоновой лампы интенсивно нагреваются и создают термоэлектронную эмиссию. Биметаллический электрод имеет большую площадь поперечного сечения и при соприкосновении со вторым электродом лампового стартера не вызывает его нагрева. В это время ламповый стартер остывает и биметаллическая пластинка разрывает цепь.

Время размыкания цепи ламповым стартером очень мало. Электромагнитная энергия, накопленная в дросселе, в виде импульса высокого напряжения (напряжение самоиндукции) подается к электродам неоновой лампы. Если термоэлектронная эмиссия нагретых электродов и импульс высокого напряжения достаточны для пробоя межэлектродного пространства и образования дугового разряда, неоновая лампа зажжется; если нет, то процесс зажигания повторяется до тех пор, пока неоновая лампа не включится.

Когда лампа загорится к ней приложится напряжение 65÷90 В, но этого напряжения недостаточно для зажигания стартера. Емкость С предназначена для искрогашения в момент размыкания стартера.

В схеме, показанной на рис. ?.б, зажигание неоновой лампы осуществляется при помощи высоковольтной катушки. Высокое напряжение от этой катушки создает электрическое поле, которое ионизирует межэлектродное пространство и тем самым уменьшает его сопротивление.

Из схемы видно, что, кроме лампы, дросселя и высоковольтной катушки, в схеме предусмотрен трансформатор, вторичные обмотки которого служат для питания нитей накала лампы и первичной обмотки высоковольтной катушки. При подключении схемы к электрической сети напряжение на первичной обмотке трансформатора почти равно напряжению сети, так как падение напряжения в дросселе при негорящей лампе незначительно.

Катоды лампы нагреваются проходящим через них током и создают термоэлектронную эмиссию. Высоковольтная катушка ионизирует газ. При наличии мощной термоэлектронной эмиссии с катодов и ионизированного газа напряжение сети оказывается достаточным для образования дугового разряда.

После того как в неоновой лампе возник дуговой разряд, характеризующийся резким увеличением тока, проходящего через лампу, на дросселе получается большое падение напряжения, что вызывает уменьшение напряжения на первичной обмотке трансформатора. Высоковольтная катушка прекращает ионизацию, так как напряжение на низковольтной обмотке уже недостаточно для нормальной работы катушки. Электроды лампы оказываются под пониженным напряжением и нагреваются, главным образом, за счет энергии, выделяемой разрядом.

Схема включения неоновой лампы при помощи трансформатора и высоковольтной катушки позволяет в процессе работы осуществить практически мгновенное повторное зажигание после кратковременного выключения лампы и поэтому находит применение в кодовых неоновых светомаяках.

На неоновых лампах изготовлена система посадки ОСП-Н, кодовый неоновый маяк типа KHM-I.