Газоразрядные источники оптического излучения

Газоразрядные источники оптического излучения имеют более высокий КПД, чем источники, основанные на тепловом излучении. Цветность излучения и характер распределения его по спектру зависят от рода паров металла или газа и условий электрического разряда. Эти свойства газоразрядных источников излучения открыли широкую перспективу применения их во всех отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Газоразрядные источники излучения делят на следующие типы: газосветные лампы, в которых использовано излучение газа или паров металла в процессе электрического разряда;

электродос- ветные лампы, в которых использовано излучение раскаляющихся в процессе разряда электродов; люминесцентные лампы, в которых основной источник излучения —люминофор, возбуждаемый излучением электрического разряда в газе. Применяемый в люминесцентной лампе люминофор — порошкообразное вещество белого цвета, способное светиться под действием ультрафиолетового излучения.

Наибольшее распространение среди газоразрядных источников оптического излучения получили лампы, в которых использован разряд в парах ртути. В зависимости от давления, развиваемого в процессе работы внутри лампы, их можно условно разделить на следующие типы: лампы низкого давления, в которых разряд происходит при давлении до 0,01 МПа; лампы высокого давления, в которых давление достигает в рабочем режиме 0,01... 1 МПа; лампы сверхвысокого давления, внутри которых разряд происходит при давлении более 1 МПа.

Люминесцентные лампы низкого давления.

Лампа общего назначения (рис. 9.5, а) представляет собой цилиндрическую стеклянную колбу 3 в виде трубки, внутренняя поверхность которой покрыта слоем люминофора. У торцов трубки расположены спиральные вольфрамовые электроды 2, выводы которых припаяны к штырькам 1, расположенным снаружи. Из колбы откачан воздух и введены аргон и небольшое количество ртути (30...80 мг). Аргон предназначен для уменьшения распыления оксидного покрытия электродов и облегчения зажигания разряда внутри лампы. Принцип действия. При включении люминесцентной лампы в сеть (рис. 9.5, б) электрический ток нагревает ее электроды до температуры 800...900 °С. При этом вследствие возникновения термоэлектронной эмиссии из электродов начинают вылетать электроны, которые образуют около каждого электрода электронные облачка. Находящаяся внутри лампы ртуть по мере разогрева лампы испаряется, образуя ртутный пар.

Затем на электроды подается импульс повышенного напряжения, между электродами возникает электрический разряд, ток начинает протекать между электродами, и лампа зажигается. В результате прохождения тока ртутный пар ионизируется и испускает ультрафиолетовое излучение, которое, действуя на люминофор, заставляет его излучать видимый свет. Путем подбора химического состава люминофора можно получить практически любой спектр излучения люминесцентной лампы.

Маркировка. В зависимости от цветности и назначения люминесцентные Лампы отечественного производства имеют соответствующую маркировку. Первая буква — Л обозначает люминесцентная. Следующие буквы обозначают либо цвет излучения, либо особенности спектра излучения: Д — дневная, Б —белая, ХБ —лампа холодно-белая, ТБ — тепло-белая, ДЦ —дневная с повышенным качеством цветопередачи, Л — естественно-белая, Ф — с повышенной фитосинтетической эффективностью. Подбо-

ром состава люминофора в лампах ЛФ повышено излучение в красной и синей областях спектра. Фитосинтетическая эффективность ламп ЛФ на 40...50 % выше, чем других люминесцентных ламп.

Технические характеристики. Люминесцентные лампы низкого давления выпускают мощностью от 10 до 200 Вт, они имеют в 4...6 раз большую световую отдачу, чем лампы накаливания такой же мощности.

Выпускают люминесцентные рефлекторные лампы, предназначенные для эксплуатации в условиях повышенной запыленности. Отличие этих ламп от обычных состоит лишь в том, что примерно 2/3 внутренней поверхности колбы под слоем люминофора покрыто диффузно отражающим слоем металла. Весь световой поток лампы излучается направленно в пределах выходного окна. Сила света в направлении выходного окна превышает на 70...80 % силу света обычной люминесцентной лампы. Такие лампы используют в светильниках без отражателей.

Люминесцентные лампы имеют средний срок службы не менее 12 000ч. Среднее значение светового потока к концу этого срока должно быть не менее 60 % от номинального.

Повышение напряжения сети приводит к сокращению срока службы лампы, так как увеличивается распыление оксидного покрытия электродов за счет их перекала.

В отличие от ламп накаливания световая отдача люминесцентных ламп при снижении напряжения питающей сети увеличивается, а при повышении уменьшается.

На показатели работы люминесцентных ламп влияют условия окружающей среды. При повышении и понижении температуры окружающего воздуха световой поток люминесцентных ламп снижается. При температуре воздуха ниже 10 °С необходимо принимать меры для обеспечения надежности зажигания (теплоизоляция лампы, включение по особым схемам и др.). Так при 0 °С люминесцентная лампа дает лишь 2/3 светового потока, который был при 20 ^вС. При понижении температуры окружающей среды пары ртути в лампе начинают конденсироваться. Из-за этого ухудшается зажигание и горение люминесцентной лампы. При отрицательных температурах люминесцентные лампы или не зажигаются, или светят тускло. Для большинства люминесцентных ламп рабочий диапазон температуры находится от +5 до +50 °С.

Лампы тлеющего свечения (низкого давления) предназначены для использования главным образом в качестве индикаторов. Кроме того, они находят множество других специальных применений. Устройство и принцип действия этих ламп основаны на использовании катодного тлеющего свечения. В стеклянный баллон лампы впаяны два электрода, расположенные на близком расстоянии друг от друга. Лампа наполняется обычно неоногелиевой смесью при давлении 650...2600 Па с небольшой примесью аргона для

снижения напряжения зажигания. Форма электродов зависит от назначения лампы. Если напряжение, приложенное к неоновой лампе, ниже некоторого значения, определенного для данного типа ламп (более 80 В), называемого напряжением зажигания, то ток через лампу не проходит и она не горит. При напряжении, равном напряжению зажигания или большем, возникает ионизация газа внутри лампы и через лампу проходит ток. Прохождение тока сопровождается свечением оранжево-красного цвета, усиливающимся при повышении напряжения. Вольт-амперная характеристика неоновой лампы изображена на рисунке 9.6. При увеличении напряжения на зажимах лампы до напряжения зажигания U₃ ток в лампе резко возрастает и, если его не ограничить, лампа перегорит. Поэтому неоновую лампу всегда включают через ограничительное сопротивление. При уменьшении напряжения на зажимах лампы прохождение тока через нее прекращается и лампа гаснет.

Рис. 9.6. Вольт-амперная характеристика неоновой лампы

ПУСКО-РЕГУЛИРУЮЩАЯ АППАРАТУРА

Для включения люминесцентной лампы EL в сеть требуется пускорегулирующая аппаратура, которая состоит из дросселя LL и стартера SK (см. рис. 9.5, б).

Дроссель представляет собой катушку индуктивности с сердечником из электротехнической стали. Он служит для ограничения тока, протекающего через люминесцентную лампу в процессе ее работы, и создания импульса повышенного напряжения при зажигании лампы.

Стартер представляет собой стеклянную колбочку с впаянными внутрь электродами. Колбочка заполнена инертным газом неоном. Один или оба электрода выполнены в виде биметаллической пластинки.

 

При включении лампы в сеть между электродами стартера возникает тлеющий разряд, который нагревает биметаллический электрод стартера. Этот электрод, изгибаясь, соединяет между собой последовательно электроды лампы, и по ним начинает протекать ток, нагревающий их. За время нагрева вокруг электродов лампы образуются ртутно-электронные облачка. В результате соприкосновения электродов стартера исчезает тлеющий разряд, подогревающий их, биметаллический электрод начинает остывать, и через некоторое время цепь электродов лампы размыкается. Разряд запасенный в дросселе энергии и напряжение сети (ЭДС самоиндукции дросселя плюс напряжение сети) вызывают зажигание лампы. Схемы включения газоразрядных ламп. Схемы могут быть стартерными и бесстартерными. В одноламповых схемах включения применяются дроссели типов 1УБК и 1УБИ (рис. 9.7). Конденсатор стартера С/ служит для устранения радиопомех при включении лампы, для увеличения амплитуды импульсного напряжения, для стабилизации тлеющего разряда в стартере и рабочего разряда при горении лампы. Ряд одноламповых схем с дросселем 1УБК имеет второй конденсатор с шунтирующим резистором, который увеличивает коэффициент мощности до 0,9...0,95. Учитывая то, что стартерные схемы включения газоразрядных ламп недостаточно надежны в работе, промышленность выпускает бесстартерные схемы. В бесстартерных схемах включения люминесцентных ламп EL применяют балластные устройства типов 1АБИ и 1АБК. Балластные устройства этих типов состоят из обычного или симметричного дросселя LL, накального трансформатора Т со вторичной обмоткой, разделенной на симметричные части, и проводящей полоски или проволочки, закрепленной на лампе. При включении люминесцентной лампы по этим схемам на лампу одновременно подается напряжение от первичной обмотки накального трансформатора Т для зажигания и от накальных обмоток для подогрева электродов лампы. Бесстартерные антистробоскопические двухламповые схемы включения люминесцентных ламп комплектуют дросселями типа 2АБИ и 2АБК. Бесстартерные схемы включения люминесцентных ламп более надежны в работе и имеют больший срок службы, однако они дороже стартерных, а из-за постоянного подогрева электродов снижается срок службы ламп. Общий недостаток газоразрядных источников света заключается в периодическом изменении их светового потока во времени с частотой, равной 100 Гц. Глаз не воспринимает эти изменения (пульсации) света из-за зрительной инерции. При освещении пульсирующим светом вращающихся и движущихся предметов может возникнуть стробоскопический эффект, который заключается в появлении ложного представления неподвижности, обратного направления вращения или множественности дви- Рис. 9.7. Схемы включения люминесцентных ламп: а — двухламповая стартерная с ПРА; 6 — двухламповая бесстартерная с ПРА; в — одноламповая бесстартерная жущихся предметов. Это очень опасно в производственных условиях. Для устранения стробоскопического эффекта газоразрядные лампы включают по двухламповой схеме, которая обеспечивает изменение светового потока каждой из ламп в противофазе. Вследствие этого суммарный световой поток двух ламп почти не пульсирует, что достигается включением в цепь одной из ламп разделительного конденсатора.