Исследование режимов работы дуговой ртутной

Люминесцентной лампы

Содержание работы

1. Изучить устройство и принцип работы ламп типа ДРЛ.

2. Ознакомиться с пускорегулирующей аппаратурой и изучить схемы подключения ламп в сеть.

3. Исследовать процесс стабилизации режима работы ламп ДРЛ после включения.

4. Исследовать влияние напряжения сети на электрические и светотехнические параметры источников излучения данного типа.

5. Снять вольтамперную характеристику лампы.

6. Определить координаты цвета, цветности и цветовую температуру нескольких типов ламп ДРЛ.

 

Общие сведения

Для освещения производственных помещений, в которых не предъявляется высоких требований к цветопередаче, а также для наружного освещения и светокультуры растений широко применяются лампы типа ДРЛ (дуговые ртутные люминесцентные).

Они имеют сравнительно высокую световую отдачу (45-60 лм/Вт), большую продолжительность горения (от 6 до 20 тыс. часов), простую схему включения, компактны, могут изготовиться на различные мощности (от 50 В 2000Вт), хорошо зажигаются и работают в сетях напряжением 220 В (лампы мощностью 2000 Вт включаются на 380 В).

Наряду с этим лампы ДРЛ характеризуются индексом цветопередачи (R_a = 42) и высокой пульсацией светового потока (64 …73 %); они ненадежны при кратковременных отключениях или значительных колебаниях напряжения в сети.

Лампа представляет собой ртутную горелку 1 (рис 2.31.) в виде трубки из кварцевого стекла, которая монтируется внутри колбы 5, выполненной из тугоплавкого силикатного стекла. Внутренняя поверхность колбы покрывается слоем люминофора. В полости горелки содержится аргон и дозированное количество ртути.

 

 

Рисунок 2.31 - Конструкция лампы ДРЛ

 

Большинство ламп типа ДРЛ – четырехэлектродные. Такие лампы, кроме основных электродов 2, имеют дополнительные (зажигающие) электроды 4, расположенные в непосредственной близости от основных электродов. Зажигающие электроды через термостойкие токоограничивающие резисторы 3 присоединяются к противоположным основным электродам.

Ряд ведущих зарубежных фирм выпускает трехэлектродные лампы (с одним зажигающим электродом).

Основной электрод представляет собой керн (пруток из вольфрама, часто активированный торием или иттрием), на который навита в несколько слоев плотная вольфрамовая спираль. Между керном и спиралью располагается активное вещество (обычно в виде оксидной пасты). Спираль предохраняет активное вещество от высыпания и воздействия дугового разряда.

Герметизация горелки осуществляется за счет применения плоских молибденовых вводов.

Для охлаждения ртутно-кварцевой горелки пространство между нею и внешней колбой, в современных лампах ДРЛ, наполняется техническим аргоном (85% Ar + 15% N₂). Это позволяет снизить рабочую температуру кварцевой горелки и тем самым повысить срок ее службы, а также уменьшить время, необходимое для охлаждения лампы до температуры, при которой станет возможным ее повторное зажигание.

Давление наполняющих газов и процентное содержание азота выбираются таким, чтобы исключалась возможность возникновения газового разряда во внешней колбе.

Форма и размеры внешней колбы лампы, а также расположение горелки в ней выбираются с таким расчетом, чтобы во время работы лампы слой люминофора повсюду имел одинаковую температуру, близкую к оптимальной (250-300 °С).

Основная доля светового потока лампы образуется непосредственно за счет излучения ртутного разряда, в котором практически отсутствуют видимые излучения с длинами волн более 580 нм. Это приводило бы к неприятному искажению цветопередачи объектов с высокими коэффициентами отражения в оранжево- красной части спектра, и в первую очередь кожи человека. Для устранения указанного дефекта предназначен люминофор, преобразующий богатое УФ - излучение горелки в недостающее излучение красного цвета. Однако этот метод решает задачу улучшения общего индекса цветопередачи лишь частично, так как незначительно изменяет характер распределения энергии.

Поэтому качество цветопередачи ламп ДРЛ оценивается «красным отношением», под которым понимается отношение светового потока, измеренного в диапазоне от 610 до 780 нм, ко всему световому потоку лампы.

В качестве люминофора чаще других применяется фосфат ванадат иттрия, активированный европием, с помощью которого удается повысить «красное отношение» до 12-15 %.

Единственным недостатком его является высокая стоимость, связанная с использованием редкоземельного металла в качестве активатора.

Поэтому обычно его применяют совместно с более дешевыми фосфатными люминофорами (например, с ортофосфатом стронция-цинка).

В обычных условиях, то есть при температуре около +20°С, давление газов в горелке составляет около 2700 Па (20 мм рт. ст.), а парциальное давление паров ртути не превышает 0,2 Па. Однако, несмотря на низкое давление и небольшое расстояние между основными электродами, сетевое напряжение недостаточно для пробоя газового промежутка между ними. Это объясняется тем, что электроды не нагреты, а активное вещество расположено под спиралью.

Поэтому зажигание ранее выпускаемых двухэлектродных ламп происходит под действием импульсов высокого напряжения, создаваемого зажигающими устройствами.

В трех- и четырехэлектродных лампах, под действием сетевого напряжения, вначале возникает тлеющий разряд между основным и зажигающим электродами, что приводит к ионизации разрядного промежутка и появлению тлеющего разряда между основными электродами, который по истечении некоторого времени переходит в дуговой.

Косвенным признаком зажигания лампы является резкое снижение напряжения на ней (до 15…20В) и появление пускового тока, превышающей рабочий ток лампы в среднем в 1,6 раза.

Согласно действующим стандартам, при температуре от -25 до +40°С зажигание должно наступать за время не более 1 мин с момента подачи напряжения.

Затем наступает период «разгорания», во время которого за счет дугового разряда происходит нагревание ртутной горелки и испарение ртути.

При наличии в горелке жидкой ртути давление ее паров резко возрастает с ростом температуры (как известно, давление насыщающих паров имеет экспоненциальную зависимость от температуры). Это приводит к быстрому изменению характеристик разряда: возрастает градиент потенциала, сопротивление лампы, напряжение на ней, мощность, световой поток и световая отдача, уменьшается ток, изменяется цветность излучения, разряд стягивается в яркий светящийся шнур.

Когда вся ртуть испарится, давление ее паров будет возрастать пропорционально их средней температуре в Кельвинах. Этой стадии «разгорания» соответствуют относительно небольшие изменения электрических и световых параметров лампы.

«Разгорание» заканчивается с наступлением установившегося теплового режима. Температура горелки при этом достигает 700…750°С, а давление составляет приблизительно 500 кПА (оно определяется не только температурой, но и количеством введенной в горелку ртути).

Общая длительность «разгорания» составляет 3…10 мин, в зависимости от мощности лампы, параметров дросселя и условий охлаждения.

Напряжение сети оказывает значительное влияние на электрические, световые и эксплуатационные параметры ламп ДРЛ, вид изменений которых зависит от характера изменения напряжения.

При медленных изменениях напряжения сети, когда устанавливается новый стабильный тепловой режим, имеет место почти прямолинейная зависимость светового потока, тока и мощности лампы от U_c. При этом в наибольшей степени изменяются световой поток (на 2,5 % на каждый процент изменения U_c) и мощность (на 2%).

Для условий эксплуатации характерны не медленные, а резкие, мгновенные колебания напряжения, например при включении мощных асинхронных двигателей, работе сварочных аппаратов и т.д.

При быстром повышении напряжения в сети напряжение на лампе практически не изменяется, но значительно возрастает величина тока.

В случае быстрого понижения напряжения более чем на 10% значительно повышается напряжение на лампе, при этом резко снижается сила тока, что может привести к погасанию лампы.

Напряжение погасания зависит от многих факторов: мощности лампы, длительности посадки напряжения, эмиссионной способности электродов, параметров балластных устройств. Исследованиями установлено, что при индуктивном балласте надежная работа ламп ДРЛ гарантируется в течение всего полезного срока службы их, если напряжение сети во всех режимах составляет не менее 90% U_н.

Повторное зажигание лампы не может быть осуществлено сразу же после ее отключения или погасания. Необходимо, чтобы температура горелки снизилась примерно до 200°С. Это связано с тем, что у неостывшей лампы давление паров ртути повышено и в силу этого увеличен потенциал зажигания (до 4…5 кВ).

Среднее время остывания лампы составляет 5…8 минут.

Лампа ДРЛ имеет безразличную вольтамперную характеристику. Поэтому устойчивая работа лампы возможна лишь при наличии балласта, в качестве которого обычно используется дроссель.

а)

б)

 

Рисунок 2.32 - Схемы включения четырехэлектродных ламп ДРЛ:

а) несимметричная схема включения;

б) симметричная схема включения.

На рисунке 2.32а приведена простейшая схема включения трех- или четырехэлектродной лампы ДРЛ, на рис. 2.32б – схема включения с симметрированным дросселем, обеспечивающим лучшее подавление радиопомех по сравнению с предыдущей схемой. Симметрированные дроссели в настоящее время применяются только для включения мощных ламп.

В сетях со значительными колебаниями напряжения могут применяться индуктивно- емкостные балласты (рис. 2.33), которые позволяют сделать значительно более стабильным ток, мощность и световой поток лампы и обеспечивают устойчивую работу схемы при посадке напряжения до 0,7 U_н. Недостатком схемы, ограничивающим ее применение, является искажение формы кривой тока, вследствие чего снижается срок службы ламп и возрастает пульсация светового потока.

Рисунок 2.33 - Схема включения лампы ДРЛ с индуктивно – емкостным балластом

Для надежного зажигания при пониженном напряжения сети или температуре окружающей среды ниже - 25°С, иногда целесообразно применение автотрансформаторов с рассеянием (рис. 2.34), имеющих неполную магнитную связь между обмотками за счет магнитного шунта и щелевых окон в магнитопроводе [5]. Такие схемы создают напряжение холостого хода до 300 В, они работоспособны при резком снижении напряжении до 0,7 U_н.

Автотрансформаторы используются также в схемах со стабилизацией мощности, в которых лампы включается последовательно с балластным конденсатором и вторичной обмоткой автотрансформатора [5].

 

Рисунок 2.34 – Схема включения лампы ДРЛ с автотрансформатором

 

 

При низких температурах могут применяться обычные дроссели совместно с импульсными зажигающими устройствами типа ИЗУ [2,6]

Выпускаются также лампы климатического исполнения ХЛ, имеющие напряжение зажигания не более 200 В, при температуре до

- 60°С. Однако, они имеют пониженный срок службы вследствие ускоренного распыления оксидного вещества электродов.