Сообщение на тему газоразрядные источники света

Обновлено: 19.05.2024

Разрядной лампой называют лампу, в которой оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях.

Принцип действия разрядных ламп основан на электрическом разряде между двумя электродами, запаянными в прозрачную колбу. Форма колбы может быть различной формы: трубчатые, капиллярные, шаровые.

Классифицируются разрядные лампы по ряду признаков: по физическим, конструктивным, эксплуатационным, а также области применения.

Классификация по физическим признакам определяют свойства разрядных ламп, такие как спектр и цветность излучения, яркость, энергетический КПД.

Для разрядных ламп определяющим фактором являются состав газовой среды, давление компонентов газовой среды и ток. По составу газов или паров, в которых происходит разряд, они делятся на лампы с разрядом в газах; в парах металлов; в парах металлов и их соединений. По рабочему давлению разрядные лампы делятся на: лампы низкого давления – примерно от 0,1 до 10 4 Па; высокого давления – от 3×10 4 до 10 6 Па и сверхвысокого давления – больше 10 6 Па. По виду разряда – на лампы: дугового, тлеющего и импульсного разряда.

Область применения разрядных ламп определяется тем, что они имеют самую высокую световую отдачу и большой срок службы по сравнению с лампами накаливания.

Люминесцентные лампы (флуоресцентные) – это газоразрядные лампы низкого давления.

Люминесцентные лампы представляют собой разрядные источники света низкого давления, в которых ультрафиолетовое излучение ртутного разряда преобразуется люминофором в длинноволновое видимое излучение. Люминофорами называются твердые или жидкие вещества, способные излучать свет под действием различного рода возбуждения.

По характеру разряда в люминесцентных лампах классифицируются на люминесцентные лампы дугового разряда с горячими катодами, лампы тлеющего разряда с холодными катодами и лампы вихревого разряда без электродов.

Люминесцентные лампы дугового разряда можно подразделить на осветительные люминесцентные лампы общего и специального назначения. Люминесцентные лампы общего назначения предназначены для освещения в различных областях применения.

Люминесцентная лампа низкого давления представляет собой цилиндрическую стеклянную колбу 2 (рис. 3.1), на концах которой в цоколях 1 смонтированы вольфрамовые спиральные электроды 6. На внутреннюю поверхность по всей ее длине нанесен тонкий слой твердого кристаллического порошкообразного вещества – люминофора 4. Люминофором является галофосфат кальция, дозированный марганцем и сурьмой. Изменяя пропорцию состава люминофора можно получить люминесцентные лампы с различной цветностью излучения светового потока.

Рис. 3.1. Внешний вид и разрез люминесцентной лампы:

1 – цоколь; 2 – колба; 3 – ртутные пары; 4 – слой люминофора;
5 – контактные штырьки цоколя; 6 – спиральный электрод

После откачки воздуха при изготовлении лампы внутрь колбы вводится капля ртути (20…30 мг), которая испаряется при работе лампы. Также вводится небольшое количество чистого газа – аргона, для уменьшения процесса испарения вольфрамовых электродов и ускорения зажигания лампы.

Длина и диаметр стеклянной трубки определяются мощностью лампы и напряжением, на которое она рассчитана и выпускаются с диаметром 40, 26 и 16 мм.

По форме различаются линейные, U-образные, кольцевые, а также компактные. Светоотдача люминесцентных ламп составляет примерно 40, 50, 60, 80 лм/Вт и более. Выпускаются люминесцентные лампы мощностью 20, 30, 40, 80 Вт с колбой диаметром 40 мм и улучшенной конструкции 18, 36, 58 Вт с колбой диаметром 26 мм.

Маркировка люминесцентных ламп состоит из букв, обозначающих конструктивные признаки и цифр указывающих мощность ламп.

Первая буква – тип лампы Л – люминесцентная, ТЛ – сигнальные, ЛЛ – тлеющего разряда, ГР – трубки для световой рекламы;

вторая буква – цвет излучения Б- белый, ТБ – тепло-белый, ХБ – холодно-белый, Д – дневной, Е – естественно-белый, УФ – ультрафиолетовый, К – красный, С – синий, З – зеленый, Г – голубой;

третья группа букв – одна или две буквы Ц – высокое или очень высокое качество цветопередачи;

четвертый элемент – одна буква – особенности конструкции лампы: Р – рефлекторная, У – U-образная, К – кольцевая, Б – быстрого пуска, А – амальгамная;

пятый элемент – группа цифр – мощность лампы в ваттах.

Люминесцентные лампы включаются в электрическую сеть с помощью пускорегулирующей аппаратуры (ПРА), для зажигания и обеспечения нормального режима работы. Это усложняет конструкцию, а следовательно, стоимость осветительных приборов и некоторую сложность в эксплуатации, что безусловно является недостатками люминесцентных ламп. К недостаткам люминесцентных ламп можно отнести сложность утилизации из-за наличия в колбе ртути, ненадежная работа в температурных диапазонах до 15°С и выше 25°С, относительно низкая стабильность светового потока в течение срока службы.

Кроме указанных недостатков люминесцентные лампы обладают рядом достоинств, к которым следует отнести:

– линейный источник света, что позволяет создать более равномерное освещение и эстетическое оформление осветительной установки;

– высокая световая отдача до 100 лм/Вт;

– большой срок службы до 10000…12000 ч;

– низкая яркость и температура поверхности колбы;

– качественная цветопередача (у отдельных серий ламп);

– относительно невысокая себестоимость изготовления.

К газоразрядным источникам света, также называемым просто разрядными, относятся все виды люминесцентных ламп (компактные и безэлектродные в том числе), металлогалогенные и натриевые лампы, а также ксеноновые и неоновые лампы. Все газоразрядные лампы можно разделить на три группы:

лампы низкого,
высокого
и сверхвысокого давления.

Эти группы очень сильно отличаются по физическим свойствам протекающих в них процессов, характеристикам, сферам использования. В чем же основные отличия газоразрядных ламп от тепловых?

В чем же основные отличия газоразрядных ламп от тепловых?

Тепловые лампы формируют свет за счет накаливания вольфрамовой нити до высоких температур, а газоразрядные лампы образуют свет в результате возникновения электроразряда между электродами. Спектральные параметры возникающего при этом света зависят от свойств газа, в котором возникает электрический разряд.

Яркость света обусловлена помимо состава газа его давлением и мощностью разряда. Многообразие газоразрядных источников огромно, однако есть два важных нюанса, которые объединяют все эти лампы в одну группу.

Из курса физики всем известен закон Ома, гласящий, что напряжение на любом устройстве, по которому протекает ток, вычисляется умножением тока на сопротивление этого устройства. Следовательно, при увеличении тока будет увеличиваться и напряжение на устройстве.

Закону Ома следуют все электроприборы, такие как лампы накаливания, электродвигатели, электропечи и т.д. Все, за исключением газоразрядных приборов. В них, в отличие от других устройств, напряжение при увеличении тока не повышается, а снижается.

Продукция

Прожектор E40, IP65, 150-2000 Вт

Прожектор E40, IP65, 250-2000 Вт

Прожектор E40, IP65, 150-2000 Вт

Мы поможем подобрать светильники на ваш объект

Зависимость напряжения в газоразрядных приборах называется вольтамперной характеристикой. Кроме свойства снижения зависимости напряжения от тока существует еще одна характерная черта разряда в газах:

существование переломной точки, при достижении которой зависимость напряжения от тока снижается. Показатель напряжения в этой точке связан с большим количеством факторов: расстояния между двумя электродами; типа газа, в котором происходит разряд и его давления; степени нагревания электродов; влияния других ионизирующих лучей (радиоактивного, рентгеновского и т.д.).

Во время работы разрядной лампы значение напряжения на ней гораздо меньше общего сетевого напряжения. Но для возникновения разряда на электроды должно податься напряжение как минимум соответствующее напряжению в переломной точке, которое называется напряжением возникновения разряда, или напряжением зажигания. Напряжение на работающей лампе называется напряжением горения.

Необходимость дополнительного оборудования

Снижающийся характер вольтамперной характеристики газоразрядных ламп говорит о том, что без ограничения разрядного тока он будет повышаться вплоть до выхода прибора из строя. Эти особенности, наряду с наличием высокого напряжения возникновения разряда, и являются теми двумя нюансами, которыми разряд в газах отличается от других устройств. Из-за этих нюансов газоразрядные лампы не подключаются к сети напрямую, как в случае с лампами накаливания. Для запуска и нормальной работы газоразрядной лампы требуется дополнительная аппаратура, выполняющая две важные задачи: подает нужное напряжение, соответствующее напряжению зажигания, и ограничивает ток разряда нужного уровня.

Процесс образования света в разрядных лампах независимо от величины давления газа в колбе не может быть обеспечен без использования дополнительных устройств. Они ограничивают разрядный ток и подают необходимое напряжение зажигания.

Среди большого разнообразия осветительного оборудования существуют лампы различного принципа действия. Сегодня достаточно весомую нишу в общем объеме устройств освещения занимают газоразрядные лампы. В чем заключается принцип их работы, и как они устроены, мы рассмотрим в данной статье.

Устройство и принцип работы

В сравнении с другими типами ламп, газоразрядные устройства имеют целый ряд отличий. Что сказывается и на их конструктивных особенностях, и на принципе действия. Чтобы разобраться с основами получения светового излучения в газоразрядных лампах, для начала рассмотрим их конструктивные особенности.

Цоколя – предназначен для подключения газоразрядного устройства к электрической сети. Может выполняться в различных типах и размерах, под параметры конкретного светильника.
Колбы – изготавливается из жаропрочного стекла, предназначена для создания вакуума вокруг горелки. Выполняется герметичной для предотвращения нарушения разреженной среды по отношению к окружающему пространству.
Кронштейна крепления – представляет собой несущую конструкцию, выступающую и в роли опоры для газовой горелки, и в качестве одного из проводников электрического тока.
Горелки – как правило, трубка из оксида металла, внутри которой и происходит электрический разряд. Наполняется смесью инертных газов и паров металла, в зависимости от модели, наполняемые компоненты могут существенно отличаться.
Электродов – предназначены для начала искрообразования и продолжения горения тлеющего разряда.

Принцип действия газоразрядных ламп заключается в получении светового потока от ионизации смести газа и паров металла. Рассмотрим принцип их работы на следующем примере (см. рисунок 2):

Рис. 2. Принцип действия газоразрядной лампы

При подаче напряжения на светильник с газоразрядной лампой осуществляется его преобразование через пускорегулирующий аппарат (ПРА). Затем повышенное напряжение порядка 2 – 5кВ поступает на электроды лампы. Этого достаточно для пробоя газового промежутка, поэтому, сначала возникает искра, а затем загорается тлеющий разряд внутри трубки.

Температура горения разряда достигает 1300 ºС, за счет чего смесь разогревается до такого состояния, когда все свободные частицы обладают достаточной энергией для выхода за пределы атома. Физически этот процесс сопровождается планомерным повышением интенсивности светового потока по мере разогрева газоразрядной среды. При этом можно наблюдать некоторые колебания цветового спектра свечения по мере изменения диапазона излучаемой волны.

Заметьте, несмотря на то, что в конструкции самой газоразрядной лампы ПРА отсутствует, без него запустить устройство не получится. В состав пускорегулирующего аппарата входит:

дроссель-трансформатор, предотвращающий резкое нарастание тока при протекании переходного процесса;
импульсное зажигающее устройство — кратковременно увеличивает напряжение на электродах лампы до величины пробоя искрового промежутка;
конденсатор – применяется для сглаживания кривой напряжения, но устанавливается не во все модели ПРА.

В зависимости от типа газоразрядной лампы, будет отличаться и устройство ПРА, технические особенности его компонентов. Поэтому для каждого конкретного вида осветительного оборудования устанавливаются свои модули.

Чем заполняются газоразрядные лампы?

Рис. 3. Пример наполнения газоразрядной лампы

Для наполнения газоразрядных ламп применяются различные типы инертных газов, которые будут активироваться при подаче напряжения на контакты цоколя. Наиболее распространенными из них являются аргон, неон, ксенон и криптон. В некоторых моделях применяется смесь нескольких газовых для получения газоразрядной среды с заданными свойствами.

Помимо инертного газа, лампа может заполняться парами металлов, самые известные из которых натрий и ртуть. В зависимости от способа приведения газоразрядной лампы в рабочее состояние они также разделяются на несколько видов. Но, следует отметить, что наличие металла не является обязательным условием, так как на практике встречаются лампы исключительно с инертным газом – ксеноновые и неоновые. Поэтому в таких моделях в качестве наполнителя используется только газ.

Отдельной категорией являются металлогалогенные лампы, колба которых заполняется не только инертными газами и парами натрия и ртути, но и галогенидами металлов.

Классификация

Современный рынок газоразрядных источников света предоставляет достаточно большое разнообразие моделей. В зависимости от технических параметров, наполнения и других факторов можно выделить несколько категорий, по которым они будут отличаться.

Так, в зависимости от наполнения, все модели можно разделить на:

ртутные;
металлогалогенные;
ксеноновые;
неоновые.

В зависимости от источника света газоразрядные лампы можно подразделить на:

индукционные;
газосветные;
люминесцентные.

В зависимости от величины давления, создаваемого газом внутри колбы, все устройства подразделяются на лампы:

низкого давления;
высокого давления;
сверхвысокого давления.

Рассмотрим два последних фактора разделения газоразрядных ламп по видам более детально.

По источнику света

Рис. 4. Типы газоразрядных ламп

В зависимости от источника получения светового излучения все газоразрядное оборудование бывает индукционное, газосветное, люминесцентное. Индукционные модели приводятся в свечение посредством электродов, которые раскаляются от протекания электрического разряда. За счет чего их еще называют электродосветными лампами.

В газосветных лампочках источником излучения выступают молекулы или атомы, возбуждаемые протекающим электрическим процессом. При этом в газовой среде образуется достаточное количество энергии для постоянного излучения. Люминесцентные лампы имеют специальное покрытие на поверхности колбы, содержащее люминофоры. Протекающий в газоразрядной лампе разряд активизирует частицы газа, которые, в свою очередь, воздействуют на люминофор.

По величине давления

Рис. 5. Лампы высокого и низкого давления

В зависимости от величины формируемого давления внутри газоразрядного источника света все модели подразделяются на три класса:

Низкого давления – от 0,15 до 10 4 Па, часто применяются в бытовых целях, ярко выраженным представителем являются люминесцентные лампы;
Высокого давления – от 3×10 4 до 10 6 Па, отличаются достаточно большим потоком света при малом потреблении электроэнергии, как правило, устанавливаются на улице, так как хорошо переносят сложные метеоусловия;
Сверхвысокого давления – более 10 6 Па, применяются для медицинских целей, пищевой промышленности и прочих отраслей, где требуется получить высокоинтенсивное излучение на малой площади.

Характеристики

Для сравнения с другими видами осветительного оборудования, необходимо детально изучить рабочие параметры газоразрядных ламп:

Время готовности – согласно п.34 ГОСТ 24127-80 это временной интервал, протекающий с начала подачи напряжения до момента выхода лампы на рабочие характеристики.
Потребляемая мощность – отображает величину нагрузки, потребляемую из сети;
Срок службы – характеризует продолжительность активной работы лампы, может колебаться от 2000 до 20 000 часов;
Светоотдача – определяет величину светового потока, получаемого с одного ватта потребленной электроэнергии, может колебаться в пределах от 40 до 220 Лм/Вт;
Температура цветового свечения – определяет спектр цвета, излучаемого газоразрядной лампой, в зависимости от модели находится в пределах от 2200 до 20 000 К;

Индекс цветопередачи – указывает на интенсивность восприятия цветов той поверхности, на которую попадает свет;

Напряжение зажигания – в соответствии с п.35 ГОСТ 24127-80 это такая наименьшая разность потенциалов на электродах, которой будет достаточно для начала образования разряда.

Утилизация

В виду наличия ртути и других загрязняющих веществ в составе лампочки, способ их утилизации в корне отличается от остальных видов ламп. Для этих целей работают специальные организации, занимающиеся сбором и дальнейшей демеркуризацией определенной категории газоразрядных ламп.

Рис. 8. Утилизация газоразрядных ламп

Преимущества и недостатки

К основным преимуществам газоразрядных источников света следует отнести:

Высокий уровень светоотдачи – такие устройства куда эффективнее обычных лампочек Ильича и прекрасно освещают даже через непрозрачные плафоны.
Длительный период эксплуатации – существенно превосходят лампочки накаливания, а некоторые модели, могут конкурировать даже со светодиодными источниками.
Простая схема подключения.
Демократичная стоимость, комплектуется недорогими элементами, которые легко меняются в процессе работы.
Некоторые версии отлично подходят для установки на улице, но, как правило, плохо справляются в условиях сильных морозов.

К основным недостаткам следует отнести наличие пульсации светового потока, необходимость подключения ПРА для запуска, ограниченный диапазон рабочего напряжения, чувствительность к качеству питающего напряжения. Требуется время на разогрев, из-за чего их нецелесообразно использовать в сетях с частой коммутацией. Невозможно регулировать интенсивность свечения при помощи диммера.

Области применения

Несмотря на серьезную конкуренцию со стороны светодиодных осветительных приборов, газоразрядные источники света остаются популярными в ряде отраслей хозяйственной деятельности. Так их часто можно встретить в:

приборы, в которых электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение при прохождении электрического тока через газы и др. вещества (например, ртуть), находящиеся в парообразном состоянии. Исследуя Дуговой разряд, рус. учёный В. В. Петров в 1802 обратил внимание на сопровождавшие его световые явления. В 1876 рус. инженером П. Н. Яблочковым была изобретена Дуговая угольная лампа переменного тока, положившая начало практическому использованию электрического разряда для освещения. Создание газосветных трубок (См. Газосветная трубка) относится к 1850—1910. В 30-х гг. 20 в. начались интенсивные исследования по применению люминофоров (См. Люминофоры) в газосветных трубках. Исследованием, разработкой и производством Г. и. с. в СССР начиная с 30-х гг. занималась группа учёных и инженеров Физического института АН СССР, Московского электролампового завода, Всесоюзного электротехнического института. Первые образцы ртутных ламп были изготовлены в СССР в 1927, газосветных ламп — в 1928, натриевых ламп (См. Натриевая лампа) — в 1935. Люминесцентные лампы (См. Люминесцентная лампа) в СССР были разработаны в 1938 группой учёных и инженеров под руководством академика С. И. Вавилова.

Г. и. с. представляет собой стеклянную, керамическую или металлическую (с прозрачным выходным окном) оболочку цилиндрической, сферической или иной формы, содержащую газ, иногда некоторое количество металла или др. вещества (например, галоидной соли) с достаточно высокой упругостью пара. В оболочку герметично вмонтированы (например, впаяны) электроды, между которыми происходит разряд. Существуют Г. и. с. с электродами, работающими в открытой атмосфере или протоке газа, например угольная дуга.

Различают газосветные лампы, в которых излучение создаётся возбуждёнными атомами, молекулами, рекомбинирующими ионами и электронами; люминесцентные лампы, в которых источником излучения являются люминофоры, возбуждаемые излучением газового разряда; электродосветные лампы, в которых излучение создаётся электродами, разогретыми разрядом.

В большинстве Г. и. с. используется излучение положительного столба дугового разряда (реже тлеющего разряда (См. Тлеющий разряд), например в газосветных трубках), в импульсных лампах — Искровой разряд, переходящий в дуговой. Существуют лампы дугового разряда с низким [от 0,133 н/м 2 (10 -3 мм рт. ст.)], например натриевая лампа низкого давления (рис., a), высоким (от 0,2 до 15 ат,1 ат= 98066,5 н/м 2 ) и сверхвысоким (от 20 до 100 ат и более, например ксеноновые газоразрядные лампы (См. Ксеноновая газоразрядная лампа)) давлением.

Г. и. с. применяют для общего освещения, облучения, сигнализации и др. целей. В Г. и. с. для общего освещения важны высокая световая отдача, приемлемый цвет, простота и надёжность в эксплуатации. Наиболее массовыми Г. и. с. для общего освещения являются люминесцентные лампы (рис., б). Световая отдача люминесцентных ламп достигает 80 лм/вт, а срок службы до 10 и более тыс. ч. Для освещения загородных автострад применяются натриевые лампы низкого давления со световой отдачей до 140 лм/вт, а для освещения улиц — ртутные лампы высокого давления с исправленной цветностью (рис., в). Для специальных целей важны такие характеристики Г. и. с., как яркость и цвет (например, ксеноновые лампы сверхвысокого давления для киноаппаратуры,(рис., г), спектральный состав и мощность (ртутно- таллиевые лампы погружного типа для промышленной фотохимии), мощность и идентичность спектрального состава излучения солнечному (ксеноновые лампы в металлической оболочке для имитаторов солнечного излучения), амплитудные и временные характеристики излучения (импульсные лампы для скоростной фотографии, стробоскопии и т. д.).

В связи с разработкой новых высокотемпературных и химически стойких материалов для оболочек ламп и открытием технологического приёма введения в лампу излучающих элементов в виде легколетучих соединений появились новые перспективы развития и применения Г. и. с. Например, ртутная лампа с добавкой иодидов таллия, натрия и индия обладает световой отдачей до 80—95 лм/вт и хорошей цветопередачей. В натриевой лампе высокого давления (рис., д), создание которой стало возможным благодаря применению оболочки из высокотемпературной керамики на основе окиси алюминия, световая отдача достигает 100—120 лм/вт.

Газоразрядные источники света: а — натриевая лампа низкого давления; б — люминесцентная лампа; в — ртутная лампа высокого давления с исправленной цветностью; г — ксеноновая лампа сверхвысокого давления; д — натриевая лампа высокого давления с колбой из поликристаллической окиси алюминия.

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Читайте также: