Cайт мастера производственного обучения Гусева В.В.

Урок 1.1.4

12 Ноябрь, 2011 10:56

УРОК 1.1.4

ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ, ЛАМП НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ (ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ), ЛАМП ВЫСОГОГО ДАВЛЕНИЯ (ДУГОВЫХ РТУТНЫХ ЛАМП, НАТРИЕВЫХ ЛАМП, МЕТАЛЛОГЕННЫХ ЛАМП И ДРУГИХ ВИДОВ ЛАМП.

Современными электрическими источниками света являются: лампы накаливания, люминесцентные лампы низкого давления и ртутные лампы высокого давления и др.

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

Лампы накаливания - источник света с излучателем в виде проволоки (нити

или спирали) из тугоплавкого металла (обычно вольфрама), накаливаемой электрическим током до температуры 2500-3300 К. Световая отдача лампы накаливания 10-35 лм/Вт; срок службы от 5 до 103 ч. Изобретена в 1872 г. А. Н. Лодыгиным, усовершенствована Т. А. Эдисоном в 1879 г.

Главной частью лампы накаливания является вольфрамовая нить, нагревание

которой проходящим через него электрическим током приводит к излучению света. Нить накала может быть выполнена в виде нити, спирали, биспирали, триспирали, иметь разные размеры и форму. Для того, чтобы нить накала в процессе работы сохраняла исходную форму, ее фиксируют в пространстве с помощью внутренних звеньев электродов и молибденовых держателей . В зависимости от типа лапы электроды могут быть одно-, двух-, трехзвенными. Электроды изготавливаются из никеля, ферроникеля, меди или платинида в зависимости от типа ламп.

Для нормальной работы раскаленного тела вольфрамовой нити недопустимо присутствие кислорода. Поэтому вольфрамовую нить размещают либо в вакууме (вакуумные лампы), либо в среде инертных газов или их смесей, не реагирующих с материалами тела накала (газонаполненные лампы).

В лампах накаливания используется эффект теплового излучения, характер

которого зависит от температуры тела накала. К тепловому излучению способны всякие тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля.

Тепловое излучение представляет собой электромагнитное излучение, характеризующееся длиной λ и частотой ν электромагнитных волн и возникающее в результате теплового возбуждения частиц (атомов, молекул, ионов и т.п.) излучающего тела.

Показателями теплового излучения лампы накаливания являются спектральный состав излучения тела накала, величина потока (мощности) излучения и световой коэффициент полезного действия (КПД).

Спектр излучения определяется температурой тела накала. При невысоких температурах имеет место инфракрасное излучение, при повышении температуры до определенных значений излучение переходит в видимую часть спектра (λ = 380-760 нм).

По цветности излучения лампа накаливания значительно желтее естественного дневного света и не обеспечивает правильной цветопередачи.

При конструировании ламп накаливания особый интерес представляют свойства излучения тугоплавких металлов и, прежде всего, вольфрама, который является и в ближайшем будущем будет оставаться основным материалом для изготовления тела накала.

В основе создания ламп накаливания лежит принцип использования для получения света теплового излучения нагретого электрическим током проводника. Рассмотрим устройство лампы накаливания, схематически изображенной на рис. 2.3.

Главной частью любой лампы накаливания является тело накала 2, нагревание которого проходящим через него электрическим током приводит к излучению света. Тело накала может быть выполнено в виде нити, спирали, биспирали, триспирали, иметь разные размеры и форму.

Конструкция лампы накаливания общего назначения:
а - моноспиральная; б - биспиральная; в - биспиральная криптоновая.
1 - стеклянная колба; 2 - тело накала (вольфрам);
3 - электроды (никель, сплавы, платинид); 4 - держатели - крючья (молибден);
5 - стакан цоколя (сплав железа); 6 - контактная шайба

Для того чтобы тело накала в процессе работы сохраняло исходную форму, его фиксируют в пространстве с помощью внутренних звеньев электродов 3 и держателей 4. В зависимости от типа лампы электроды могут быть одно-, двух-, трехзвенными. Электроды изготовляются из никеля, ферроникеля, меди или платинита в зависимости от типа ламп.

Конструктивный стеклянный узел лампы, называемый ножкой, кроме электродов и держателей включает в себя другие детали, которые соединены между собой путем сплавления стеклянных элементов. Ножка служит опорой для тела накала и вместе с колбой 1 обеспечивает герметизацию лампы.

Для нормальной работы раскаленного тела накала недопустимо присутствие кислорода. Поэтому тело накала размещают либо в вакууме (вакуумные лампы), либо в среде инертных газов или их смесей, не реагирующих с материалами тела накала (газонаполненные лампы). Для создания вакуума в колбе используют откачное отверстие.

В маркировке ламп применяются буквенные обозначения:

В - вакуумная лампа,

Г - газонаполненная лампа,

К - лампа с криптоновым наполнителем,

Б - биспиральные лампы.

Лампы накаливания могут изготовляться в матированных, молочных или опаловых колбах.

На горловине лампы с помощью цокольной мастики укрепляется цоколь 5, к корпусу и контактной пластине которого припаиваются и привариваются выводы электродов. В зависимости от мощности и назначения ламп применяются различные типы и размеры цоколей. Так, осветительные лампы общего назначения, имеют цоколь с винтовой нарезкой; железнодорожные, трамвайные, автомобильные - штыковой с одним или двумя контактами; специальные - специальный цоколь.

Для цоколей принята заводская маркировка:

Б - резьбовой цоколь,

1C - штыковой одноконтактный,

2С - штыковой двухконтактный,

Ф - фокусирующий,

Ц - цилиндрический,

М - для мощных ламп.

ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Принцип действия люминесцентных ламп низкого давления основан на преобразовании ультрафиолетового излучения тлеющего электрического разряда электродов в газовой среде в излучение видимой части спектра.

Устройство трубчатой люминесцентной лампы низкого давления: 1 – стеклянная трубка; 2 – покрытие люминофора; 3 – биспиральная вольфрамовая нить; 4 – электроды; 5 – стеклянные ножки; 6 – цоколь; 7 – контактные штыри.

В качестве преобразователя выступает люминофор, которым покрыта внутренняя поверхность стеклянной колбы лампы.

В момент включения на электроды стартера и лампы подается полное напряжение сети. Для зажигания лампы этого напряжения не достаточно. В стартере между электродами возникает тлеющий разряд, разогревающий электроды, и они замыкаются. По цепи дроссель -электроды лампы и стартера протекает ток, разогревающий электроды лампы. В этот момент разряда в стартере нет, электроды его охлаждаются и размыкаются.

Мгновенный разрыв цепи вызывает в дросселе импульс повышенного напряжения, который подается на подогретые электроды лампы. Возникает электрический разряд в аргоне и парах ртути -невидимые ультрафиолетовые излучения, которые. Попадая на люминофор, вызывают его свечение , то есть лампа зажглась. Когда лампа зажглась, напряжение на ней и стартере понижается до половины напряжения сети за счет сопротивления дросселя. Лампа продолжает работать, а стартер автоматически отключается. Если при первом срабатывании стартера лампа не зажглась, то цикл продолжается автоматически. Длительность пуска не более 10…15 секунд.

Дроссель можно заменить лампой накаливания, которая будет выполнять функцию балласта в ограничении тока.
А чтобы люминесцентная лампа в этом случае зажигалась более надежно, на ее поверхности располагают широкую металлическую полосу из фольги и присоединяют к одному из выводов электродов или заземляют

Схема включения люминесцентной лампы при отсутствии дросселя: EL1 – люминесцентная лампа; KK – стартер; C – конденсатор; EL2 – лампа накаливания.

Можно обойтись и без фольги, если один из монтажных токоведущих проводов проложить вдоль самой лампы и закрепить его на концах стеклянной трубки

  Люминесцентные лампы имеют целый ряд неоспоримых достоинств:
      – коэффициент полезного действия (КПД) приблизительно в 4 раза больше по сравнению с КПД ламп накаливания;
      – люминесцентные лампы относятся к разряду самых экономичных, так как нагревательные спирали задействованы не все время свечения лампы, а включаются только на время ее розжига; затем они отключаются с помощью стартера;
      – яркость светового потока у люминесцентных ламп ощутимо превышает яркость светового потока ламп накаливания; кроме того, их видимое излучение имеет улучшенный спектральный состав;
      – их номинальный срок службы превышает срок службы ламп накаливания примерно в 12 раз, то есть люминесцентная лампа рассчитана на 12 000 часов непрерывного свечения;
      – достаточно широка цветовая гамма выпускаемых люминесцентных ламп, все зависит от состава используемого в них люминофорного покрытия.

Маркировку люминесцентных ламп легко расшифровать, если известны значения буквенных и цифровых символов. Первая буква в их маркировке всегда Л, что значит «люминесцентная». Следующие буквы (до Ц, указывающей на характеристику цветности) дают информацию о спектральном составе и конструктивных особенностях ламп, так как их колбы (стеклянные трубки) могут быть самого разнообразного вида и размера: Б – белая, Д – дневная, ТБ – тепло-белая, ХБ – холодно-белая, Е – естественная, БЕ – белая естественная, Ф – фотосинтетическая, Р – рефлекторная, К – кольцевая, А – амальгамная. Цифры указывают номинальную мощность лампы: 6, 9, 11, 15, 18, 20, 30, 36, 40, 58, 65, 80, 125 и 150 Вт.

Виды люминесцентных ламп: а – трубчатые; б – U-образные; в – кольцевые.

КОМПАКТНАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ ЛАМПА

Трехполосные люминофоры применяются во всех компактных люминесцентных лампах, поэтому когда эти лампы используются совместно с линейными люминесцентными лампами, то последние также должны быть трехполосными для обеспечения цветовой однородности.
Применение трехполосных люминофоров является существенным доплнением для достижения приемлемого срока службы ламп.

РТУТНО - ДУГОВЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Следующий тип используемых ламп, – дуговые ртутные лампы высокого давления – ДРЛ. Действие ДРЛ основано на явлении дугового разряда, который в парах ртути дает мощное ультрафиолетовое излучение. Разряды высокого давления более компактны и имеют более высокие электрические нагрузки; поэтому, чтобы выдержать давление и температуру, для них требуются кварцевые дуговые трубки.
Дуговая трубка заключена во внешнюю стеклянную колбу с азотной или аргоно-азотной атмосферой для понижения окисления и искрения.
Колба эффективно фильтрует ультрафиолетовое излучение от дуговой трубки.

При высоком давлении ртутный разряд представляет собой в основном голубое и зеленое излучение.
Для улучшения цвета люминофорное покрытие внешней колбы добавляет красный свет. Имеются варианты высокого класса с увеличенным содержанием красного света, которые обеспечивают более высокую светоотдачу и улучшенную цветоотдачу.

Все газоразрядные лампы высокого давления требуют некоторого времени для выхода на полную светоотдачу. Начальный разряд происходит через проводящий газовый заполнитель, и металл испаряется по мере возрастания температуры лампы.

При стабильном давлении без специального устройства управления лампа сразу же снова не запустится. Проходит некоторое время, в течение которого лампа остывает до нужной температуры и давление уменьшается, чтобы нормальное напряжение питания или поджигающая схема соответствовали для повторного возникновения дуги.

    Газоразрядные лампы имеют отрицательную характеристику сопротивления, так что для управления током необходимо наличие внешнего устройства управления. Наличие компонентов устройства управления вызывает некоторые потери, поэтому пользователь должен учитывать общую мощность при рассмотрении эксплуатационных расходов и расходов на электрическую установку.
     Для ртутных ламп высокого давления существует исключение.
Ртутные лампы бездроссельного включения (ДРВ, HWL) имеющие вольфрамовую нить, которая действует и как устройство для ограничения тока и добавляет теплые цвета к голубому и зеленому разряду.
     Это позволяет осуществлять прямую замену ламп накаливания.

      Плюсом дуговых ртутных ламп является их экономичность. А вот низкое качество цветопередачи ограничивает область их применения: лампы ДРЛ используют в основном для наружного освещения.
      Работают лампы от сети с номинальным напряжением 220 и 380 В, а их мощность может быть 50, 80, 125, 250, 400, 700, 1000, 2000 Вт.
      Одной из разновидностей мощных ламп для освещения открытых площадок являются металлогалогенные лампы ДРИ; их конструкция практически не отличается от ртутных ламп высокого давления: та же стеклянная колба, покрытая изнутри люминофором; в ее полости размещаются кварцевая трубка, два основных вольфрамовых электрода, два дополнительных вольфрамовых электрода, резистор; с патроном лампа соединяется посредством цоколя с резьбой, а питание электрическим током осуществляется через центральную – контактную – часть цоколя.
      Из маркировки дуговых ламп можно почерпнуть следующие сведения: Д – дуговая, Р – ртутная, И – с излучающими добавками, З – зеркальная. Первое число после буквенного символа – номинальная мощность в ваттах. Выпускаются лампы шести видов: 250, 400, 700, 1000, 2000, 3500 Вт. Срок службы ДРИ колеблется от 600 до 10 000 часов непрерывной работы.

НАТРИЕВАЯ ЛАМПА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Эти лампы имеют высокую эффективность (свыше 100 люменов на ватт) и отличное постоянство светового потока.
Химическая активность натрия требует, чтобы дуговая лампа была изготовлена из прозрачного поликристаллического оксида алюминия (глинозема), так как стекло или кварц для этого не подходят.
При натриевом разряде нет ультрафиолетового излучения, поэтому люминофорные покрытия не представляют здесь никакой ценности.
Некоторые колбы матированы или имеют покрытие для рассеивания света.

По мере того как давление натрия возрастает, излучение приобретает форму широкой полосы вокруг желтого пика, имеющей золотисто-белый цвет.
Однако по мере того как возрастает давление, падает эффективность.
Стандартные лампы применяются, как правило, для внешнего освещения, а лампы высокого класса для внутреннего освещения промышленных объектов и лампы White SON для освещения витрин и торговых площадей.

Уменьшение интенсивности света газоразрядных ламп:

нельзя удовлетворительно уменьшить интенсивность света ламп высокого давления, так как изменение мощности ламп изменяет давление и, таким образом, основные характеристики лампы.

Интенсивность света люминесцентных ламп может быть уменьшена при помощи высокочастотной энергии, генерируемой электронным устройством управления. Цвет остается постоянным.
Кроме того, светоотдача приблизительно пропорциональна мощности лампы с соответствующим сохранением электрической мощности при снижении светоотдачи.
Интегрируя светоотдачу от лампы с преобладающим уровнем естественного дневного света, внутри помещения можно обеспечить почти постоянный уровень освещенности.

НАТРИЕВАЯ ЛАМПА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ

Дуговая лампа похожа по размеру на люминесцентную, но сделана из накладного стекла с внутренним защитным покрытием из натрия.
Дуговая лампа имеет форму узкой буквы U b и помещена во внешнюю вакуумную оболочку для обеспечения термостойкости.
Во время запуска лампы имеют сильное красное свечение от неонового газового заполнителя.

Характерное излучение от паров натрия под низким давлением имеет монохроматический желтый цвет. Оно близко к пиковой чувствительности человеческого глаза, поэтому натриевые лампы низкого давления являются наиболее эффективными из всех имеющихся ламп при почти 200 люменах на ватт. Тем не менее, применение этих ламп ограничено, и они устанавливаются там, где цветоразличение не имеет зрительной важности, а именно на магистральных дорогах, в подземных переходах и в жилых кварталах.

Во многих случаях эти лампы заменяются натриевыми лампами высокого давления. Их меньший размер обеспечивает лучший оптический контроль, особенно для дорожного освещения, где сильные отблески отражаемого небом света являются причиной растущей обеспокоенности водителей.

НИЗКОВОЛЬТНАЯ ВОЛЬФРАМОВО - ГАЛЛОГЕННАЯ ЛАМПА

Сначала они предназначались для диаскопов и для кинопроекционных аппаратов.
При напряжении в 12 В нить той же мощности, что и при 230 В становится меньше и толще. Это позволяет более эффективно фокусировать поток света, а большая масса нити позволяет выдерживать более высокую рабочую температуру, увеличивая светоотдачу.
Толстая нить является более прочной. Было решено, что эти преимущества станут полезными для освещения торговых витрин и, несмотря на то, что в этом случае нужно иметь понижающий трансформатор, эти лампы сейчас доминируют при освещении витрин.

Светонаправляющая дихроичная низковольтная лампа

Разработан специальный тип рефлектора, который отражает только видимое излучение, позволяя инфракрасному излучению (теплу) уходить через заднюю

часть лампы. Это свойство сейчас используется во многих низковольтных рефлекторных лампах, применяемых для освещения витрин и в проекционном оборудовании.

Чувствительность по напряжению: все лампы накаливания чувствительны к изменениям напряжения, которые отрицательно влияют на их светоотдачу и срок службы.