Газоразрядные источники света

Дисциплина Электротехника и электронная техника

Тема Электрическое освещение

УЧЕБНЫЙ МАТЕРИАЛ

Основные понятия и свойства оптического излучения

Оптическое излучение используют не только для освещения, но и для воздействия определенным образом на человека, животных, растения, микроорганизмы и др. Широкое применение ультрафиолетового и инфракрасного излучений со строгим соблюдением рекомендуемых зоотехнических норм позволяет осуществлять разнообразные технологические операции, резко повысить выход сельскохозяйственной продукции.

По современным представлениям оптическое излучение является электромагнитными колебаниями, которые характеризуются чрезвычайно широким интервалом длин волн. Лишь небольшую часть этого интервала, лежащую в области между рентгеновскими лучами и радиоизлучением, составляет оптическое излучение. Излучение оптической области электромагнитного спектра с длиной волны от 1 нм до 1мм, в свою очередь, делится на видимое, ультрафиолетовое и инфракрасное. Длину волны оптического излучения принято измерять в нанометрах (1 нм=10^-9 м) или микрометрах (1 мкм=10^-6 м).

Видимым называется такое излучение, которое может непосредственно вызывать зрительное ощущение. Излучение этого диапазона (от 380 до 780 нм) применяют для создания необходимого уровня освещенности, ускорения реакции фотосинтеза.

Видимый свет представляет собой сочетание семи основных цветов: красного (620-760нм), оранжевого (585-620нм), желтого (575-585нм), зеленого (510-575нм), голубого (480-510нм), синего (450-480нм) и фиолетового (380-450нм). Перед красными излучениями в оптической области спектра находятся инфракрасные, а за фиолетовыми — ультрафиолетовые (по латыни «инфра» означает «впереди», а «ультра»— «за»). Инфракрасные и ультрафиолетовые излучения невидимы для человеческого глаза.

Диапазон ультрафиолетового излучения лежит в пределах от 1 до 380 нм. Свойства ультрафиолетовых излучений различны в зависимости от длины волны. Длинноволновое ультрафиолетовое излучение способно вызвать пигментацию кожи человека, оказывает положительное влияние на организм животных и птицы, определяет формативный эффект у растений. Излучение этого поддиапазона способно вызывать свечение некоторых веществ, поэтому его используют для люминесцентного анализа химического состава и биологического состояния продуктов.

Средневолновое ультрафиолетовое излучение оказывает тонизирующее и терапевтическое действие на живые организмы. Оно способно вызывать эритему и загар, превращать в организме животных необходимый для роста и развития витамин D в усвояемую форму, обладает мощным антирахитным действием. Излучения этого поддиапазона вредны для большинства растений.

Коротковолновое ультрафиолетовое излучение отличается бактерицидным действием, поэтому его широко используют для обеззараживания воды и воздуха, дезинфекции и стерилизации различного инвентаря и посуды.

Инфракрасное излучение занимает самую большую часть оптического спектра (от 780 до 1»10⁶ нм). Глубоко проникая в поверхностные слои тканей живого организма, инфракрасные излучения большую часть энергии своих фотонов расходуют на образование теплоты. Глубина их проникновения в тело животного составляет 2,5 мм, в зерно — до 2 мм, в сырой картофель — до 6 мм, в хлеб (при выпечке) — до 7 мм, в слой воды — 30...45 мм. Инфракрасные излучения практически не поглощаются воздухом.

В производстве инфракрасные излучения используют в основном для нагрева физических тел, обогрева молодняка животных и птицы, сушки и дезинсекции сельскохозяйственных продуктов (зерно, фрукты, чай, хмель и др.), пастеризации молока, сушки лакокрасочных и пропиточных покрытий.

К основным величинам, характеризующим оптическое излучение, относят световой поток и силу излучения, облученность, экспозицию.

Световым потоком Ф называется количество лучистой энергии, излучаемой источником в единицу времени. За единицу светового потока принят люмен (лм). 1лм = 1/683Вт при длине волны 555нм.

Сила излучения характеризует распределение потока излучения в пространстве. Сила излучения I (Вт/ср) определяется отношением потока излучения ΔФ к телесному углу Δω с вершиной в точке расположения источника. За единицу силы света принята кандела (кд), одна из основных единиц системы Си.

Освещенность – это отношение светового потока ΔФ, падающего на поверхность и равномерно по ней распределяющегося, к площади этой поверхности Е_с= ΔФ/ΔS. За единицу освещенности принят люкс (лк), равный освещенности поверхности площадью 1 м , на которой равномерно распределен световой поток в 1 лм (1 лк=1 лм/м²).

Лампы накаливания

Применяемые в производстве электрические источники оптического излучения делятся на два типа: тепловые и газоразрядные. В тепловых источниках — лампах накаливания электрическая энергия расходуется на нагрев тела, которое является собственно источником излучения. В газоразрядных источниках проходит электрический разряд в атмосфере какого-либо газа, сопровождающийся излучением оптического диапазона.

Лампа состоит из стеклянного баллона (колбы), предназначенного для изолирования тела накала от внешней среды (рис.1). Колбы изготовляют из прозрачного, матированного, опалового или «молочного» стекла, которое уменьшает слепящее действие света лампы. Если требуется получить направленный световой поток, то часть внутренней поверхности колбы покрывают зеркальным слоем из серебра или алюминия. Внутри колбы на молибденовых подвесках расположена нить накала из вольфрамовой проволоки. Для подвода электрического тока к нити накала служит цоколь, который изготовляют резьбовым, штифтовым и фокусирующим.

Лампы накаливания изготовляют вакуумными (тип В), газонаполненными (тип Г), биспиральными — нить накала свита в двойную спираль (тип Б) и биспиральными криптоновыми (тип БК). Скорость распыления вольфрама в газе меньше, чем в вакууме. В газонаполненных лампах нить накала нагревается до 3000 К, световая отдача составляет 20 лм/Вт, срок службы 1000 ч.

Рис. 1. Лампа накаливания

Выпускаемые промышленностью лампы накаливания имеют различные значения номинального напряжения в зависимости от типа и назначения. Например, автомобильные и тракторные лампы имеют номинальное напряжение 6, 12 и 24 В; для местного освещения выпускают осветительные лампы общего назначения на следующие диапазоны напряжений: 127...135; 215...225; 220...235; 230...240 и 235...245 В. Указанные диапазоны обусловлены изменениями напряжения сети.

Световая отдача ламп накаливания возрастает с увеличением их мощности. При одинаковых мощностях световая отдача ламп, рассчитанных на напряжение 127 В, выше, чем у ламп на 220 В.

Рис. 2. Зависимость светового потока ламп накаливания 1 и газоразрядных ламп 2, а также срока службы для ламп накаливания 4 и газоразрядных ламп 3 от уровня напряжения

При изменениях напряжения в сети световой поток и срок службы лампы изменяются. Зависимость светового потока и срока службы от уровня напряжения на зажимах лампы представлена на рис. 2. Из рисунка видно, что при повышении напряжения на 5 % срок службы лампы сокращается вдвое, а световой поток увеличивается на 20 %. При увеличении напряжения на 10 % световой поток возрастает на 40 % (1/3 от прежнего срока службы). Поэтому для увеличения срока службы ламп следует как можно меньше подвергать их воздействию повышенного напряжения, которое возникает в сетях в ночное время. Получают распространение кварцевые лампы накаливания йодным (галогенным) циклом (рис.3). В обычной лампе накаливания вольфрамовая нить накала постепенно распыляется, и ее частицы оседают на внутренней поверхности колбы, уменьшая ее прозрачность. В лампах с галогенным циклом в кварцевую колбу вводят дозированное количество йода. В этих лампах нить накала, выполненная из особо чистого вольфрама, установлена по оси кварцевой трубки на вольфрамовых поддержках.

Регенеративный йодный цикл состоит в следующем. Частицы вольфрама, отрываясь от раскаленной нити накала, оседают на стенках колбы, где соединяются с йодом. При этом образуется газообразное соединение — йодид вольфрама, которое, попадая в зону высоких температур вблизи нити накала, вновь распадается на вольфрам и йод. Вольфрам выпадает на нить накала, а частицы йода возвращаются к колбе и вновь принимают участие в цикле.

Рис. 3. Галогенная автомобильная лампа

Срок службы галогенных ламп вдвое больше, чем обычных ламп накаливания, спектральный состав излучения более близок к естественному, световая отдача на 18...20% больше. Габариты этих ламп значительно меньше, что позволяет существенно уменьшить размеры и массу осветительных приборов. Галогенные лампы отличаются высокой механической прочностью и нагревостойкостью. Они выдерживают большое внутреннее давление и без последствий переносят обливание холодной водой в рабочем состоянии. Особенность эксплуатации галогенных ламп в том, что их монтируют только в горизонтальном положении.

Газоразрядные источники света

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.

Газоразрядные источники излучения подразделяются на: газосветные лампы, в которых используется излучение газа или паров металла в процессе электрического разряда; электродосветные лампы, в которых используется 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 используется разряд в парах ртути. В зависимости от давления, развивающегося 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.

Люминесцентная лампа (низкого давления) общего назначения (рис. 4) представляет собой цилиндрическую стеклянную колбу в виде трубки, внутренняя поверхность которой покрыта слоем люминофора. У торцов трубки расположены спиральные вольфрамовые электроды, выводы которых припаяны к штырькам, расположенным снаружи. Из колбы откачан воздух, введены аргон и небольшое количество ртути (30...80 мг). Аргон предназначен для уменьшения распыления оксидного покрытия электродов и облегчения зажигания разряда внутри лампы.

При включении люминесцентной лампы в сеть (рис. 5) электрический ток нагревает ее электроды до 800...900 °С. При этом вследствие возникновения явления термоэлектронной эмиссии из электродов начинают вылетать электроны, которые образуют около каждого электрода электронные облачка. Находящаяся внутри лампы ртуть по мере разогрева лампы испаряется.

Рис. 4. Люминесцентная лампа:

1 - штырьки; 2 - цоколь;

3 - стеклянная ножка;

4 – спиральный электрод; 5 - колба

Затем на электроды подается импульс повышенного напряжения, между электродами возникает электрический разряд, ток начинает

протекать между электродами, и лампа зажигается. В результате прохождения тока пары ртути ионизируются и испускают ультрафиолетовое излучение, которое, действуя на люминофор, заставляет его излучать видимый свет. Путем подбора химического состава люминофора можно получить практически любой спектр излучения люминесцентной лампы.

Рис. 5. Схема включения люминесцентной лампы.

В зависимости от цветности и назначения люминесцентные лампы отечественного производства имеют соответствующую маркировку. Например, ЛД — лампа дневного света, ЛБ — лампа белого света, ЛХБ — лампа холодного белого света, ЛТБ — лампа тепло-белого света, ЛДЦ — лампа с улучшенной цветопередачей, ЛЕ — лампа естественного света, ЛБЕ — лампа белого естественного света, ЛХЕ — лампа холодно-естественного света, ЛФ — лампа с повышенной фитосинтетической эффективностью. Подбором 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.

Люминесцентные лампы 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.

Средний срок службы люминесцентных ламп не менее 12000 ч. Среднее значение светового потока к концу этого срока должно быть не менее 60 % номинального.

Повышение напряжения в сети приводит к сокращению срока службы лампы, так как распыление оксидного покрытия электродов увеличивается в результате 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.).

Для включения люминесцентной лампы в сеть требуется пускорегулирующая аппаратура (ПРА), которая состоит из дросселя LL и стартера SК(см. рис. 5). 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, биметаллический электрод начинает остывать, и через некоторое время цепь электродов лампы размыкается. Разряд запасенной в дросселе энергии и напряжение сети (ЭДС самоиндукции дросселя плюс напряжение сети) вызывают зажигание лампы.

Рис. 40.3. Лампа ДРЛ:

а — устройство; / — внутренняя кварцевая горелка; 2 —основные вольфрамовые электроды; 3 — токоограничивающие резисторы; 4 — дополнительные электроды; 5—внешняя колба; 6— слой люминофора; б— схема включения

Общий недостаток газоразрядных ламп в том, что их световой поток пульсирует с частотой, равной удвоенной частоте тока сети. Глаз не в состоянии заметить непрерывное мелькание света благодаря зрительной инерции. Однако при освещении пульсирующим светом вращающихся и движущихся поступательно предметов может возникнуть стробоскопический эффект, который заключается в появлении ложного представления о неподвижности или множественности движущихся предметов, или обратного направления вращения. Это опасно в производственных условиях. Для устранения стробоскопического эффекта газоразрядные лампы включают по компенсированным двухламповым схемам, которые обеспечивают изменение светового потока каждой лампы в противофазе. Вследствие этого суммарный световой поток двух ламп почти не пульсирует.

Дуговая ртутная лампа (ДРЛ) устроена следующим образом. Внешняя колба выполнена из термостойкого стекла и изнутри покрыта слоем люминофора (рис. 6). Эллипсоидальная форма колбы обеспечивает во время горения лампы температуру, достаточную для эффективной работы люминофора, и равномерное распределение по поверхности колбы. Колба лампы приклеивается к цоколю.

Внутри колбы расположена горелка в виде трубки из кварцевого стекла с основными и дополнительными электродами, впаянными в торцы. Электроды выполнены из вольфрама. Дополнительные электроды через токоограничивающие резисторы подключены к основным электродам на противоположных торцах горелки. Внутри горелки находится аргон и дозированное количество ртути. Полость колбы лампы заполнена диоксидом углерода для стабилизации свойств люминофора.

При включении лампы в сеть между близко расположенными основными и вспомогательными электродами возникает разряд, который ионизирует газ в горелке и обеспечивает зажигание разряда между основными электродами. После зажигания лампы разряд между основными и вспомогательными электродами прекращается. Балластное устройство в виде дросселя L ограничивает ток разряда и стабилизирует его при отклонениях напряжения сети в допустимых пределах.

Рис. 6. Лампа ДРЛ:

1 - внутренняя кварцевая горелка; 2 - основные вольфрамовые электроды;

3 – токоограничивающие

резисторы;

4 - дополнительные

электроды; 5 - внешняя колба;

6 - слой люминофора

В момент зажигания ток лампы в 2...2,6 раза превышает номинальный, но по мере разогрева горелки он постепенно уменьшается, напряжение на лампе возрастает, мощность лампы и ее поток излучения возрастают. Разгорание лампы длится 5...10 мин. В рабочем режиме температура внешней колбы превышает 200 °С. Повторное зажигание лампы ДРЛ осуществляют через 10...15 мин после ее погасания.

Рис. 40.3. Лампа ДРЛ:

Лампы ДРЛ выпускают мощностью от 80 до 2000 Вт. Средний срок службы ламп — более 10000 ч. Световая отдача — 40...50лм/Вт, что более чем в 2 раза выше световой отдачи ламп накаливания такой же мощности и ниже, чем у люминесцентных ламп. Значительные единичные мощности лампы ДРЛ при сравнительно небольших размерах позволяют получать от одного источника во много раз больший поток излучения, чем от люминесцентных ламп. К концу срока службы значение светового потока ламп ДРЛ уменьшается до 70 % от начального.

Условия окружающей среды не оказывают существенного влияния на надежность зажигания и светотехнические характеристики лампы. Лампы ДРЛ успешно работают при температурах окружающего воздуха от —40 ° до +80 °С.

Натриевая лампа высокого давления (ДНаТ) (рис. 7а) выполнена из термостойкого стекла. Внутри колбы расположена горелка из поликристаллической окиси алюминия (керамики), хорошо пропускающей световое излучение и устойчивой к длительному воздействию насыщенных паров натрия. Кроме паров натрия горелка заполнена ксеноном и парами ртути. На торцы горелки напаяны металлические колпачки с вольфрамовыми активированными электродами. Для теплоизоляции горелки из колбы лампы откачан воздух.

Рис. 7. Лампа ДНаТ:

а – устройство;

1 - внутренняя керамическая разрядная трубка;

2 - вольфрамовый

электрод; 3 – внешняя колба; б – схема включения

Продолжительность разгорания лампы ДНаТ - 10...15 мин, повторное зажигание после погасания лампы происходит через 1...2 мин. Излучение паров натрия имеет световую отдачу 130лм/Вт, но 70% его сосредоточено в диапазоне длин волн 560...610 нм. Желто-оранжевое излучение лампы обеспечивает хорошее различие положения и формы объектов, но цветопередача может быть оценена как удовлетворительная. Поэтому натриевые лампы применяют в тех случаях, когда к осветительной установке не предъявляют особых требований даже при удовлетворительной цветопередаче (освещение больших пространств, улиц, автострад, стоянок техники, складских площадок и др.).

Для повышения степени использования светового потока все источники света снабжают арматурой, выбор типа которой зависит от вида производственного помещения.

Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 176; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

12 3 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!