Источники света
Разнообразные источники света по способу преобразования электроэнергии в световое излучение разделяются на две основные группы: тепловые (лампы накаливания) и газоразрядные (люминесцентные, ртутные).
Тепловые источники света используют свойство тел излучать при нагревании лучистую энергию. При достаточно большой температуре это излучение переходит в область видимого — тело начинает светиться. Световое излучение увеличивается с увеличением температуры тела.
Действие ламп накаливания основано на тепловом излучении.
Это наиболее простой и распространенный вид излучения, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов излучающего тела. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы, и световое излучение увеличивается. При столкновении быстрых атомов друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения, и эти атомы затем также излучают свет.
Лампа накаливания (рис. 1) — малоэкономичный источник, так, как только 12 % всей энергии, выделяемой в ее нити электрическим током, преобразуется в световую энергию.
При повышении температуры излучающего тела t изменяется и цветовой состав излучения. Это хорошо видно при нагреве стали: сначала она становится красной, а затем раскаляется добела.
В первых моделях ламп накаливания использовалась угольная нить, в современных лампах применяется нить из вольфрама. Температура плавления вольфрама (около 3400 °С) позволяет раскалить нить до 2500… 2700 °С при условии предохранения ее от сгорания.
Защита от сгорания может быть решена или полным удалением воздуха из стеклянной колбы, в которой размещена раскаленная нить, или заполнением ее инертным газом. В обоих случаях из-за отсутствия кислорода сгорания нити не происходит.
Вольфрам относится к группе тугоплавких металлов и широко применяется в электротехническом производстве. Вольфрам — металл серого цвета с очень высокой температурой плавления и большой твердостью. Получают его методом порошковой металлургии, т. е. в результате спекания спрессованных частиц металла. Прессованием частиц вольфрама в стальных пресс-формах получают заготовки — стержни, которые затем подвергают спеканию при t = 1300 °С. Спеченные вольфрамовые стержни имеют зернистое строение и являются хрупкими, поэтому их нагревают до 3000 °С и подвергают ковке и волочению. В результате такой обработки вольфрам приобретает волокнистое строение, обеспечивающее ему высокую механическую прочность и пластичность.
Скорость испарения вольфрама при t = 3000 °С составляет около 9 · 0,000000001 мг/(с·см2), однако при температуре нагрева нити близкой к температуре плавления она резко повышается. Пары вольфрама оседают на внутренней поверхности стекла колбы и делают ее менее прозрачной. Такое потемнение хорошо видно у перегоревших ламп.
При испарении вольфрама нить делается тоньше и перегорает.
Для уменьшения тепловых потерь в лампах нить свертывают в плотную спираль, а в некоторых типах ламп эту спираль свертывают еще раз в двойную спираль. Такие лампы называют биспиральными.
Срок службы ламп накаливания колеблется в широких пределах, так как зависит от условий работы, в том числе от стабильности питающего напряжения, наличия механических воздействий, температуры окружающей среды. Средний срок службы ламп накаливания общего назначения 1000-1200 ч.
Основная причина быстрого перегорания ламп накаливания — повышенное напряжение питания. Так при напряжении 230 В срок службы лампы составляет 570 ч, а при напряжении 240 В — 200 ч.
В помещениях, где часто перегорают лампы, необходимо последовательно с группой ламп, управляемых одним выключателем, включить дополнительное сопротивление. Хотя в сопротивлениях и теряется часть мощности, но все же устанавливать их экономически выгодно. Необходимое значение этого сопротивления можно определить по формуле: R = (Uном·(Uш – Uл)) / (Uл·Iном)
где Uном — номинальное напряжение, В; Uш — напряжение на шинах в производственных помещениях в часы пик, В; Uл — напряжение, которое мы желаем получить на лампах (его принимают на 2 % ниже номинального), В; Iном — номинальный ток группы ламп, управляемых одним выключателем.
Номинальный ток, например в группе из 20 ламп по 60 Вт, определяется следующим образом: Iном = (60·20)/220 = 5,46 А.
В качестве сопротивлений используются высокоомные материалы диаметром 0,8-1,0 мм или обычная стальная проволока диаметром 1,2 мм. Размещают их в отрезке асбоцементной трубы длиной 25-30 см. Трубу устанавливают вертикально. Снизу и сверху ее закрывают крышками, в которых сверлят отверстия для контактных болтов.
Основным электрическим параметром ламп накаливания является напряжение питания. При повышении номинального напряжения на 10 % срок службы лампы снижается в пять раз, а на каждый процент изменения напряжения приходится 4% изменения светового потока. Напряжение питающих электрических сетей в условиях эксплуатации колеблется. В целях улучшения эксплуатационных характеристик ламп ГОСТом допускается колебание напряжения питания в пределах +5%.
Лампы накаливания, из внутреннего объема которых удален воздух, называются вакуумными, а лампы с колбами, заполненными инертным газом, — газополными. Газополные лампы при прочих равных условиях имеют большую светоотдачу, чем вакуумные, так как находящийся под давлением газ препятствует испарению тела накала, что позволяет повысить его рабочую температуру.
Материалом для тела накала в газополных лампах служит вольфрам. Колбы их наполняются ксеноном с добавкой соединения галогенного элемента с водородом. При высоких температурах тела накала эти добавки образуют химическое соединение с вольфрамом, препятствуя его испарению. В настоящее время галогенные лампы применяются для светильников общего и киносъемочного освещения, прожекторов, аэродромных огней.
В целях снижения тепловых потерь газополные лампы заполняются малотсплопроводным газом. Одним из способов сокращения тепловых потерь является также уменьшение размеров и изменение конструкции нити накала, например выполнение ее в виде плотной винтообразной или двойной спирали.
Более совершенны, по сравнению с лампами накаливания люминесцентные лампы, широко применяемые для освещения.
Люминесцентные лампы (рис. 2) представляют собой стеклянную герметически закрытую трубку, внутренняя поверхность ко торой покрыта слоем люминофора — искусственно приготовленного химического вещества, в котором под действием внешних факторов (электрического разряда) возникает свечение (люминесценция). Люминофоры под воздействием ультрафиолетовых лучей электрического разряда излучают свет в спектре видимого излучения.
Внутри трубки 4 в стеклянных ножках 2 укреплены биспиральные электроды 3 из вольфрама, соединенные с двухштырьковым цоколем 1, служащим для присоединения лампы к электрической сети посредством специальных патронов.
Для обеспечения возможности предварительного подогрева электродов и облегчения начала разряда они выполняются в виде двойной или тройной спирали из вольфрамовой проволоки, по крытой слоем окиси щелочноземельных металлов (бария, кальция).
Из лампы откачивают воздух и заполняют минимальным количеством инертного газа (аргона) с каплей ртути. Давление газа устанавливается в пределах нескольких паскалей. При подаче напряжения или импульса повышенного напряжения на предварительно подогретые электроды в лампе начинается разряд в парах ртути, и она начинает излучать потоки света. Напряжение питания к лампе подается через штыревые контакты, расположенные в цоколе.
В зависимости от цвета излучаемого лампой светового потока различают лампы дневного (ЛД), белого (ЛБ), холодно-белого (ЛХБ) и тепло-белого (ЛТБ) света. В жилых или производственных помещениях при необходимости точного определения цветовых оттенков, например в типографии при изготовлении цветных репродукций или в художественной мастерской, применяются лампы дневного света, обеспечивающие правильную цветопередачу.
Люминесцентные лампы низкого давления являются газоразрядными электрическими источниками света. Их изготавливают на напряжение 127 В мощностью 15 и 20 Вт и на напряжение 220 В мощностью 30, 40, 80 и 125 Вт. Срок нормальной службы люминесцентных ламп около 5000 ч при условии нечастых включений, стабильности напряжения питания и обеспечения оптимальной окружающей температуры.
Чтобы использовать люминесцентную лампу, у которой перегорела нить накала, надо включить ее по схеме, предложенной инженером В. Хоризаменовым. В этой схеме (рис. 3) применяются емкостный балласт и выпрямительные элементы. Устойчивое зажигание при отсутствии у лампы одной или обеих нитей накала, а также у ламп с изношенным эмиссионным покрытием нитей достигается при подаче повышенного в 4,2 раза напряжения сети в результате возникновения ударной ионизации в газе.
Резистор R1 служит для стабилизации режима работы лампы. Мри включении схемы конденсатор С1 заряжается через диод Д2 до амплитудного значения напряжения сети. В следующий полупериод напряжение сети, складываясь с напряжением конденсатора С1, заряжает конденсатор СЗ, удваивая напряжение. Аналогично действует и вторая половина схемы (С2, С4, ДЗ, Д4). Напряжения конденсаторов СЗ и С4 складываются и достигают значения, необходимого для зажигания лампы. Когда зажигание произошло, конденсаторы С1 и С2 начинают работать как балластные сопротивления, обеспечивающие устойчивый газовый разряд в лампе. В современных осветительных электроустановках промышленных предприятий широкое применение находят дуговые ртутные лампы (ДРЛ) высокого давления.
Эти лампы выпускаются с двумя и четырьмя электродами.
Основными элементами четырехэлектродной дуговой ртутной лампы (рис. 4) являются резьбовой цоколь 1, колба 3 и кварцевая горелка 6. Внутри горелки находятся дозированная капля ртути и газ аргон; в конце горелки впаяны активированные основной 5 и дополнительный 7 электроды из вольфрама. Внутренняя поверхность колбы покрыта люминофором 8.
При подаче напряжения к электродам лампы происходит электрический разряд в парах ртути высокого давления, сопровождаемый интенсивным излучением света, в спектре которого отсутствуют оранжево-красные лучи.
Отсутствие оранжево-красных лучей делает лампу непригодной для освещения, так как искажает естественные цвета всех предметов, поэтому состав люминофора, покрывающего внутреннюю поверхность колбы, подбирается так, чтобы под воздействием спектра ультрафиолетовых лучей он излучал оранжево-красный цвет, который, смешиваясь с основным световым потоком лампы, будет образовывать свет, воспринимаемый человеческим глазом как белый с легким зеленоватым оттенком.
Четырехэлсктродная ДРЛ отличается от двухэлектродных наличием двух дополнительных электродов, подключенных к основным через добавочные сопротивления. Наличие этих электродов облетает зажигание лампы, так как при подаче напряжения питания между основным и ближайшим к нему дополнительным электродами возникает тлеющий разряд, под действием которого пары ртути ионизуются, способствуя разряду между основными электродами лампы.
ДРЛ с цоколем диаметром 40 мм2 выпускаются мощностью 250-1000 Вт.
Газоразрядные ртутные лампы высокого и сверхвысокого давлений используются в качестве мощных источников света. Источником лучистой энергии в этих лампах является электрический разряд между электродами. Их колбы выполняются из кварца, способного выдерживать значительные давления при высоких температурах (300-900 °С).
Эти лампы взрывоопасны в рабочем и нерабочем состояниях.
ДРЛ в основном применяются для наружного освещения и освещения высоких производственных помещений при отсутствии требования правильной цветопередачи. Они выпускаются типов ДРЛ 80, ДРЛ 125 и др.
Газоразрядные источники света (люминесцентны е лампы и ДРЛ) значительно экономичнее ламп накаливания, так как у них в несколько раз выше светоотдача и срок службы.
Более высокую световую отдачу имеют также натриевые лампы высокого давления, что достигается за счет ввода в разрядную колбу, кроме ртути и аргона, натрия. Частицы натрия, попадая в зону разряда, разлагаются, что и приводит к дополнительному излучению.
Натриевые лампы, ввиду некоторого искажения цветопередачи, используются в основном для наружного освещения. Процесс совершенствования газоразрядных ламп продолжается, и следует рассчитывать на их более широкое распространение.