Ртутные лампы. Как работает ртутная лампа, её преимущества и недостатки

Лампы ДРЛ – люминесцентные ртутные разрядные лампы повышенного давления с исправленной цветопередачей. Не стоит заблуждаться, полагаясь на определение. Цветопередача ламп ДРЛ не слишком достойная.

История

Исторически первыми появились лампы низкого давления, где разряд происходил в парах натрия. Подразумевается не процесс изобретения, но промышленное освоение осветительных приборов. Если говорить, обобщая, коммерческий смысл использовать разрядные лампы для освещения внёс в промышленность Петер Купер Хьюит. И случилось это в 1901 году. С заполнением из ртути лампы показались создателю настолько удачными, что исследователь в новом году организовал компанию при поддержке Джорджа Вестингауза. Предприятия последнего занимались выпуском продукции.

Шаг представляется логичным по простой причине, что Джордж Вестингауз вместе с Тесла вёл борьбу за внедрение переменного тока. И радовался каждому дельному изобретению, для работы которого требовался упомянутый род электричества. Натриевая лампа появилась в 1919 году, благодаря усилиям Артура Комптона. Годом позже в конструкцию внесли боросиликатное стекло. Характеризуясь малым коэффициентом температурного расширения, оно превосходно противостояло агрессивной среде паров натрия. Практическое применение ламп на улицах городов относится к началу 30-х годов (в Нидерландах – с 1 июля 1932 года).

Мощность светового потока натриевых ламп составляла 50 лм/Вт, что считалось достойным показателем. Несмотря на специфический жёлто-оранжевый цвет излучения. В СССР освоение натриевых ламп низкого давления не пошло. Ртутные сочли более приемлемыми. Вдобавок, появились натриевые лампы высокого давления. Описанные модели характеризуются некорректной цветопередачей. Сказанное касалось живых объектов и человека. Недостаток сумели частично преодолеть в 1938 году, введя в промышленное производство ртутные лампы низкого давления. Ключевые характеристики:

1. Световая отдача – 85 — 104 лм/Вт.
2. Срок службы – до 60 тыс. часов.
3. Перспективный спектр излучения.

Лампы ДРЛ появились в начале 50-х. Их эксплуатационные характеристики не дотягивают до приведённых выше (отдача 45 — 65 лм/Вт, срок службы 10 — 20 тыс. часов), но приемлемы. Лампы ДРЛ применяются для наружного и внутреннего освещения. Следующим шагом в развитии разрядных ламп стали РЛВИ (высокой интенсивности). Ключевым отличием стал повышенный КПД. В первых образцах показатель уже составлял 100 лм/Вт. Натриевые лампы высокого давления превосходят по показателям модели ДРЛ.

Особенности работы разрядной лампы с исправленной цветопередачей

Яркость лампочки

Выше говорилось, что отдельные разрядные (и люминесцентные) лампы характеризуются низкой цветопередачей. Окружающий мир становится чуть искажён, что быстро утомляет психику. Дополнительный фактор – физиологическая чувствительность глаз. Она неодинакова по видимому спектру, часть людей способна видеть ауру. Но у большинства индивидов максимум восприимчивости приходится на волну 555 нм (зелёный цвет). А в сторону краёв чувствительность глаз спадает.

Потому исследователи призывают выполнять корректировку мощности ламп на физиологические особенности человека. В результате 1 Вт на длине волны 555 нм эквивалентен 10 – на 700 нм. Инфракрасное излучение не воспринимается человеком. Оценку яркости производят по световому потоку, учитывающему воздействие каждой длины волн. Единицей измерения величины стал люмен, эквивалентный мощности 1/683 Вт для длины волны 555 нм. А светоотдача (лм/Вт) показывает, какая доля мощности в лампочке становится оптическим излучением. Максимальное значение достигает 683 лм/Вт и отмечается исключительно на волне 555 нм.

Нельзя обойти вниманием и единицу освещённости – люкс. Численно равна 1 лм/кв.м. Зная световой поток, высоту установки лампы, угол её раскрыва, возможно посчитать освещённость. Параметр для помещений нормируется по ГОСТ. В свете сказанного понятно, почему лампы ДРЛ с исправленной цветопередачей ещё встречаются на рынке, несмотря на сравнительно незавидные характеристики.

Для оценки цветопередачи применяется локус. Это фигура, напоминающая перевёрнутую параболу, чуть заваленную на левый бок. В ней цвет показывает две координаты от 0 до 1. Чтобы лампа проявляла хорошую цветопередачу, положение её интегрального излучения стремится к центру локуса. Добавим, что повышение цветовой температуры смешает спектр от красного к фиолетовому:

• 2880 – 3200 К – тёплый жёлтый;
• 3500 К – нейтральный белый;
• 4100 К – холодный белый;
• 5500 – 7000 К – дневной свет.

В этом плане жёлто-оранжевые натриевые лампы низкого давления считаются неудачным выбором. От них химический дисбаланс в сетчатке глаза вызывает утомление. Однако помните, что решающую роль все-таки играет спектр, а не цветовая температура: любая лампочка уступает Солнцу. Поэтому в бедном спектре натриевой лампы низкого давления (две спектринки в районе жёлтого) предметы смотрятся черными, серыми или жёлтыми. Это называется некорректной цветопередачей.

Принято параметр характеризовать индексом на основе визуального сравнения освещаемых лампочкой образцов с эталоном. Значение укладывается в диапазон от 1 (худший вариант) до 100 (идеал). На практике максимум удаётся найти лампу в интервале 95 — 98. Это поможет выбрать лампу ДРЛ на прилавке (типичное значение 40 — 70).

Исправление цветопередачи

В среде ионизированного газа тлеет разряд. Весь принцип действия. Остальное сводится к условиям получения горения дуги между электродами. Условия ионизации требуют наличия повышенного напряжения, которое в дальнейшем уже не понадобится. Часто разрядные лампы требуют наличия пуско-регулирующего аппарата. Атмосфера заполнена инертным газом и небольшим количеством упругих металлических паров (ртуть, натрий, их галогенидов). В практике ламп используются преимущественно указанные виды разрядов:

1. Тлеющий – с малой плотностью тока при низком давлении газа или пара. Падение напряжения на катоде доходит до 400 В. Визуально видны тёмные пятна в районе катода.
2. Дуговой – с высокой плотностью тока при различном давлении. Падение напряжения на катоде сравнительно невелико (до 15 В). Столб дуги низкого давления подобен тлеющему.
3. Дуги высокой интенсивности – специфическое явление, используемое в прожекторах. К примеру, применялись для выявления воздушных объектов врага в период Второй мировой войны. Основывается на особом режиме работы угольного стержня, открытом в 1910 году Г. Беком.

Спектр ртутного разряда лежит в ультрафиолетовой области на 40%. Люминофор преобразует эту область в красное свечение, одновременно большая часть фиолетовой и синей части свободно проходит. Качество исправление спектра определяется красным отношением (растёт при повышении толщины слоя, как и цена, нужные параметры определяют экспериментально из-за сложности расчёта). Ртутная горелка из кварцевого стекла (не выделяет в процессе работы газообразных веществ), а внешняя колба, изнутри покрытая люминофором – из обычного, но тугоплавкого. Цоколь эдисоновский. В качестве люминофора применяют активированный европием фосфат-ванадат иттрия. Материалобнаруживает спектр свечения из четырёх красных полос: 535, 590, 618 (max), 650 нм. Оптимальный режим работы достигается при температуре от 250 до 300 градусов (время выхода порядка четверти часа).

Перед нанесением люминофор размалывают и прокаливают. Фосфат-ванадат иттрия выбран неспроста, отлично выдерживает обработку. Немалая стоимость нередко компенсирована совместным применением с другими материалами. К примеру, ортофосфат стронция-цинка. Они лучше поглощают длину волны 365 нм, удаётся добиться приемлемых характеристик (учитывая специфику применения в сфере промышленного освещения при высоте установки от 3 до 5 метров).

Известны случаи применения активированного четырёхвалентным марганцем фторогерманата магния. Световая отдача и красное отношение (6-8%) при этом чуть снижаются. Оптимальный температурный режим устанавливается в районе 300 градусов Цельсия. При дальнейшем нагреве действенность устройства падает. Материала по всем показателям, кроме цены, уступает фосфат-ванадату иттрия: поглощает часть фиолетово-синей области спектра, обнаруживает спектр свечения в дальней красной области (где глаз показывает малую чувствительность), при обработке теряет яркость.

В конструкции обычно предусмотрены один или два зажигающих электрода, расстояние от которых до катода сравнительно небольшое. Так что внешний пускорегулирующий аппарат не требуется. В сочетании со стандартным цоколем получается удобная замена лампочкам накала при увеличенном КПД. Колба в процессе работы сильно греется из-за интенсивного поглощения люминофором излучения. Расчёт геометрической формы ведётся, исходя из этого параметра. С одной стороны требуется, чтобы излучение горелки упало на люминофор, с другой – температура в рабочем режиме не должна превысить оптимальной (см. выше).

Колбу наполняют чаще аргоном. Он дешёвый и вносит малый тепловые потери. Подмешивают 10-15% азота для увеличения напряжения пробоя. Общее давление приблизительно равняется атмосферному. Недопустимо попадание внутрь кислорода (разрушает металлические детали) или водорода (повышает напряжение розжига дуги). Положение горения допускается любое, но горизонтальное не поощряется. Дуга чуть изгибается, кварцевое стекло пребывает в невыгодном температурном режиме. Температура среды влияет на напряжение пробоя. Зимой разжечь дугу сложнее, ртуть оседает, и процесс идёт в среде практически чистого аргона (по этой причине пусковые устройства иногда приходится применять).

У ламп ДРЛ сравнительно сильно греется цоколь. Температура способна переваливать за точку кипения воды. Это требуется учитывать, подбирая патрон и люстру (фонарь) под установку лампы. В пору вспомнить советы авторов патента на первые галогенные лампы. Температура горелки сравнительно невысокая, но легко расплавит алюминий.

Маркировка

В отечественной практике цифра, идущая после ДРЛ, означает потребляемую мощность в Вт. Затем следует красное отношение: отношение красного потока (от 600 до 780 нм) к общему – выражается в процентах. Через дефис ставится номер разработки. Красное отношение характеризует цветопередачу, хорошими значениями считаются выше десяти.

По международному стандарту IEC 1231 применяется система ILCOS. Это конкуренты немецкой маркировки LBS и общеевропейской ZVEI. На рынке царит полный разброд. Согласно ILCOS:

1. QE обозначает эллипсоидную форму колбы.
2. QR обозначает колбу с внутренним отражающим слоем, грибовидную.
3. QG обозначает сферическую колбу.
4. QB обозначает изделия с встроенным балластом.
5. QBR обозначает изделия с встроенным балластом и отражающим слоем.

У Philips свой взгляд на вещи, а в General Electric не хотят слышать про то и другое. Собственно, лучше ориентироваться на справочники, либо читать информацию на упаковке. Помните, что цоколь бывает стандартным и других размеров. Доля производства ламп ДРЛ непрерывно снижается, поэтому нет смысла изучать сложные обозначения слишком подробно. А учитывая выход на рынок светодиодов, для дома и дачи лучше подыскать нечто современное и постоянно развивающееся. Что касается КПД, спор решится явно не в пользу разрядных ламп, хотя какое-то время они успешно осаждали нить накала.

Cтраница 1

Спектр излучения ртутной лампы имеет максимум при длине волны 365 нм.  

Спектр излучения ртутных ламп имеет линейчатую структуру, и при экспозиции светочувствительных слоев, содержащих диазосоединеняя, активно действует свет с длинами волн 3650, 4050 и 4358 А. В промежутках между этими линиями излучение лампы (фон непрерывного излучения) незначительно и только у источников высокого и сверхвысокого давления величина фона достигает 0 1 - 0 25 интенсивности излучения главных линий. Из сказанного следует, что даже при небольшом смещении области поглощения диазотипного материала относительно положения главных линий спектра ртути возможно понижение чувствительности материала. Тэрнер 77 ] наблюдал, в частности, значительные расхождения между найденной экспериментально и вычисленной величинами энергии выхода при облучении диазосоединения монохроматическим светом с длиной волны 3650 А и нашел, что относительная чувствительность при 3130 А составляет только 25 % от чувствительности при 3650 А.  

Спектр излучения ртутных ламп среднего давления имеет много линий высокой интенсивности, но интенсивность линии 253 7 нм резко уменьшается.  

В спектрах излучения ртутных ламп наряду с линиями при повышении давления все более интенсивным становится сплошной спектр, так называемый фон. При очень высоком давлении (несколько десятков атмосфер) спектры становятся сплошными с отдельными максимумами в тех местах, в которых при низких давлениях находились линии.  

Результаты этих опытов и других наблюдений позволяют, с некоторым приближением к истине, заключить, что гексахлоран гасит ту часть спектра излучения ртутной лампы, которая способствует образованию - у-изомера.  

Спектр излучения ртутных ламп имеет линейчатую структуру, и при экспозиции светочувствительных слоев содержащих диазосоединения, активно действует свет с длинами волн 3650, 4050 и 4358 А. В промежутках между этими линиями излучение лампы (фон непрерывного излучения) незначительно и только у источников высокого и сверхвысокого давления величина фона достигает 0 1 - 0 25 интенсивности излучения главных линий. Из сказанного следует, что даже при небольшом смещении области поглощения диазотипного материала относительно положения главных линий спектра ртути возможно понижение чувствительности материала. Тэрнер наблюдал, в частности, значительные расхождения между найденной экспериментально и вычисленной величинами энергии выхода при облучении диазосоединения монохроматическим светом с длиной волны 3650 А и нашел, что относительная чувствительность при 3130 А составляет только 25 % от чувствительности при 3650 А.  

Часто в приборах барабан длин волн, связанный с механизмом поворота призмы или решетки, отградуирован в относительных единицах. В качестве стандартного спектра в видимой и ультрафиолетовой области используют спектр излучения ртутной лампы, который состоит из небольшого числа интенсивных линий. Подобную калибровку по стандартному веществу следует периодически повторять, поскольку в процессе работы установленное соответствие нарушается.  

С этой целью вместо солнечного света образец освещают лампами, интенсивность свечения которых можно сравнивать с прямым солнечным светом. Обычно светильниками служат угольная дуга или ксеноновые лампы высокого давления; иногда используют ртутные лампы. В спектре излучения ртутных ламп преобладают ультрафиолетовые лучи, являющиеся наиболее активно действующим компонентом дневного света в процессе выцветания; поэтому применение этих ламп способствует добавочному ускорению испытаний. Экстраполяция результатов корреляции для неизвестных материалов может привести к ошибкам.  

Перед началом измерений установку градуируют по длинам волн. Для этого входную часть спектрографа - ЙСП-51 освещают источником света, обладающим линейчатым спектром с широко расставленными линиями, длины волн которых хорошо известны. Далее осуществляют запись и расшифровку спектра излучения ртутной лампы и устанавливают зависимость между длинами волн ее отдельных линий (пиков на бланке самописца) и делениями барабана, связанного с моторчиком, вращающим призменную часть спектрографа. По этим данным строят дисперсионную кривую установки.  

Несмотря на появление альтернативных источников света, лампа ДРЛ по-прежнему остается одним из самых востребованных решений, используемых для освещения производственных помещений и улиц. В этом нет ничего удивительного, если учесть преимущества данного осветительного прибора:

Считалось, что с появлением натриевых альтернатив утратит свои позиции, однако этого не произошло. Хотя бы потому, что ее белый спектр света более естественен для человеческого глаза, чем оранжевый оттенок светового потока натриевых решений.

Что же такое лампа ДРЛ?

Аббревиатура «ДРЛ» расшифровывается очень просто - дуговая ртутная лампа. Иногда добавляют поясняющие термины «люминесцентная» и «высокого давления». Все они отражают одну из особенностей данного решения. В принципе, говоря «ДРЛ», можно особо не переживать, что может быть допущена ошибка в трактовке. Эта аббревиатура давно стала нарицательной, фактически, вторым названием. Кстати, иногда можно увидеть выражение «лампа ДРЛ 250». Здесь число 250 означает потребляемую электрическую мощность. Довольно удобно, так как можно подобрать модель под

существующую пусковую аппаратуру.

Принцип работы и устройство

Лампа ДРЛ не является чем-то принципиально новым. Принцип генерации невидимого глазом ультрафиолетового излучения в газовой среде при электрическом пробое известен давно и с успехом используется в люминесцентных трубчатых колбах (вспоминаем «экономки» в наших квартирах). Внутри лампы в среде инертного газа с добавлением ртути находится трубка из кварцевого стекла, выдерживающая высокие температуры. При подаче напряжения сначала возникает дуга между двумя близко расположенными электродами (рабочий и зажигательный). При этом начинается процесс ионизации, проводимость промежутка растет и при достижении определенного значения происходит переключение дуги на основной электрод, находящийся с противоположной стороны кварцевой трубки. Зажигательный контакт при этом из процесса выходит, так как подключен через сопротивление, а, значит, ток на нем ограничен.

Основное излучение дуги приходится на ультрафиолетовый диапазон, который преобразуется в видимый свет слоем люминофора, нанесенным на внутреннюю поверхность колбы.

Таким образом, отличие от классической в особом способе разжигания дуги. Дело в том, что для начала ионизации необходим первоначальный пробой газа. Раньше импульсные электронные устройства, способные создать достаточно для пробоя всего промежутка в кварцевой трубке, не обладали достаточной надежностью, поэтому разработчики в 1970 годах пошли на компромисс - разместили в конструкции дополнительные электроды, розжиг между которыми происходил при сетевом напряжении. Предвидя встречный вопрос о том, почему в лампах-трубках разряд, все-таки, создается с помощью дроссельной катушки, ответим - все дело в мощности. Потребление трубчатых решений не превышает 80 Ватт, а ДРЛ не бывает менее 125 Вт (достигая 400). Различие ощутимо.

Схема подключения лампы ДРЛ очень похожа на решение, используемое для розжига трубчатых люминесцентных осветительных приборов. Она включает в себя последовательно присоединенный дроссель (ограничение электрического тока), параллельно включенный конденсатор (устранение помех в сети) и предохранитель.

К дуговым лампам сверхвысокого давления (ЛСВД) относят лампы, работающие при давлении от 10 × 10 5 Па и выше. При высоких давлениях газа или пара металла при сильном сближении электродов сокращаются прикатодные и прианодные области разряда. Разряд концентрируется в узкой веретенообразной области между электродами, причем его яркость, особенно вблизи катода, достигает очень больших значений.

Такой дуговой разряд представляет собой незаменимый источник света для приборов проекторного и прожекторного типов, а также ряда специальных областей применения.

Использование в лампах паров ртути или инертного газа придает им ряд особенностей. Получение паров ртути при соответствующем давлении, как это видно из сделанного рассмотрения высокого давления, в статье " ", достигается за счет дозировки ртути в колбе лампы. Разряд зажигается как ртутный низкого давления при температуре окружающей среды. Затем по мере разгорания и нагревания лампы давление возрастает. Рабочее давление определяется установившейся температурой колбы, при которой подводимая к лампе электрическая мощность становится равной мощности, рассеиваемой в окружающем пространстве излучением и теплоотдачей. Таким образом, первой особенностью ртутных ламп сверхвысокого давления является то, что они довольно легко зажигаются, но имеют сравнительно длительный период разгорания. При их погасании повторное зажигание может быть осуществлено, как правило, лишь после полного остывания. При наполнении ламп инертными газами разряд после зажигания практически мгновенно входит в установившийся режим. Зажигание разряда в газе при высоком давлении представляет определенные трудности и требует применения специальных зажигающих устройств. Однако после погасания лампа может быть зажжена вновь практически мгновенно.

Второй особенностью, отличающей ртутный разряд сверхвысокого давления с короткой дугой от соответствующих газовых, является его электрический режим. Вследствие большой разницы между градиентами потенциала в ртути и инертных газах при одинаковом давлении напряжение горения таких ламп существенно выше, чем с газовым наполнением, благодаря чему при равных мощностях ток последних значительно больше.

Третьим существенным различием является спектр излучения, который у ламп с газовым наполнением соответствует по спектральному составу дневному свету.

Отмеченные особенности привели к тому, что дуговые лампы часто используют для киносъемок и кинопроекции, в имитаторах солнечного излучения и других случаях, когда требуется правильная цветопередача.

Устройство ламп

Шаровая форма колбы ламп выбрана из условия обеспечения большой механической прочности при высоких давлениях и малых расстояниях между электродами (рисунок 1 и 2). Шаровая колба из кварцевого стекла имеет две диаметрально расположенные длинные цилиндрические ножки, в которых запаяны вводы, соединенные с электродами. Большая длина ножки необходима для удаления вывода от горячей колбы и предохранения его от окисления. В ртутных лампах некоторых типов имеется дополнительный электрод поджига в виде впаянной в колбу вольфрамовой проволоки.

Рисунок 1. Общий вид ртутно-кварцевых ламп сверхвысокого давления с короткой дугой различной мощности, Вт:
а - 50; б - 100; в - 250; г - 500; д - 1000

Рисунок 2. Общий вид ксеноновых шаровых ламп:
а - лампа постоянного тока мощностью 100 - 200 кВт; б - лампа переменного тока мощностью 1 кВт; в - лампа переменного тока мощностью 2 кВт; г - лампа постоянного тока мощностью 1 кВт

Конструкции электродов различны в зависимости от рода тока, который питает лампу. При работе на переменном токе, для которого предназначены ртутные лампы, оба электрода имеют одинаковую конструкцию (рисунок 3). Они отличаются от электродов трубчатых ламп той же мощности большей массивностью, обусловленной необходимостью снижения их температуры.

Рисунок 3. Электроды ртутных ламп переменного тока с короткой дугой:
а - для ламп мощностью до 1 кВт; б - для ламп мощностью до 10 кВт; в - сплошной электрод для мощных ламп; 1 - керн из торнированного вольфрама; 2 - покрывающая спираль из вольфрамовой проволоки; 3 - оксидная паста; 4 - газопоглотитель; 5 - основание из спеченного вольфрамового порошка с добавкой оксида тория; 6 - деталь из кованного вольфрама

При работе ламп на постоянном токе важное значение приобретает положение горения лампы, которое должно быть только вертикальным - анодом вверх для газовых ламп и предпочтительно анодом вниз - для ртутных ламп. Расположение анода внизу уменьшает устойчивость дуги, что важно, связано с противопотоком электронов, направленных вниз, и горячих газов, поднимающихся вверх. Верхнее положение анода вынуждает увеличивать его размеры, так как помимо его нагрева за счет большей мощности, рассеиваемой у анода, он дополнительно нагревается потоком горячих газов. У ртутных ламп анод располагают внизу в целях обеспечения более равномерного нагрева и соответственно сокращения времени разгорания.

Благодаря малому расстоянию между электродами ртутные шаровые лампы могут работать на переменном токе от сети напряжением 127 или 220 В. Рабочее давление паров ртути составляет в лампах мощностью 50 - 500 Вт соответственно (80 - 30) × 10 5 , а в лампах мощностью 1 - 3 кВт - (20 - 10) × 10 5 Па.

Лампы сверхвысокого давления с шаровой колбой чаще всего наполняют ксеноном из-за удобства его дозировки. Расстояние между электродами составляет у большинства ламп 3 - 6 мм. Давление ксенона в холодной лампе (1 - 5)× 10 5 Па для ламп мощностью от 50 Вт до 10 кВт. Такие давления делают лампы сверхвысокого давления взрывоопасными даже в нерабочем состоянии и требуют применения для их хранения специальных кожухов. Из-за сильной конвекции лампы могут работать только в вертикальном положении независимо от рода тока.

Излучение ламп

Высокие яркости ртутных шаровых ламп с короткой дугой получаются вследствие увеличения тока и стабилизации разряда у электродов, препятствующих расширению канала разряда. В зависимости от температуры рабочей части электродов и их конструкции можно получить различное распределение яркости. Когда температура электродов недостаточна для обеспечения тока дуги за счет термоэлектронной эмиссии, дуга стягивается у электродов в яркие светящиеся точки малых размеров и приобретает веретенообразную форму. Яркость вблизи электродов достигает 1000 Мкд/м² и более. Малые размеры этих областей приводят к тому, что их роль в общем потоке излучения ламп незначительна.

При стягивании разряда у электродов яркость растет с ростом давления и тока (мощности) и с уменьшением расстояния между электродами.

Если температура рабочей части электродов обеспечивает получение тока дуги за счет термоэлектронной эмиссии, то разряд как бы расползается по поверхности электродов. В этом случае яркость более равномерно распределяется вдоль разряда и по-прежнему возрастает с ростом тока и давления. Радиус канала разряда зависит от формы и конструкции рабочей части электродов и почти не зависит от расстояния между ними.

Световая отдача ламп возрастает с ростом их удельной мощности. При веретенообразной форме разряда световая отдача имеет максимум при определенном расстоянии между электродами.

Излучение ртутных шаровых ламп типа ДРШ имеет линейчатый спектр с сильно выраженным непрерывным фоном. Линии сильно расширены. Излучений с длинами волн короче 280 - 290 нм нет вообще, а благодаря фону доля красного излучения составляет 4 - 7 %.

Рисунок 4. Распределение яркости вдоль (1 ) и поперек (2 ) оси разряда ксеноновых ламп

Шнур разряда шаровых ксеноновых ламп постоянного тока при их работе в вертикальном положении анодом вверх имеет форму конуса, опирающегося своим острием на кончик катода и расширяющегося кверху. Около катода образуется маленькое катодное пятно очень высокой яркости. Распределение яркости в шнуре разряда остается одинаковым при изменении плотности тока разряда в весьма широких пределах, что дает возможность построить единые кривые распределения яркости вдоль и поперек разряда (рисунок 4). Яркость прямо пропорциональна мощности, приходящейся на единицу длины дугового разряда. Отношение светового потока и силы света в заданном направлении к длине дуги пропорционально отношению мощности к этой же длине.

Спектр излучения шаровых ксеноновых ламп сверхвысокого давления мало отличается от спектра излучения .

Мощные ксеноновые лампы имеют возрастающую вольт-амперную характеристику. Наклон характеристики растет с увеличением расстояния между электродами и давления. Анодно-катодное падение потенциала у ксеноновых ламп с короткой дугой составляет 9 - 10 В, причем на долю катода приходится 7 - 8 В.

Современные шаровые лампы сверхвысокого давления выпускают в различных конструктивных исполнениях, в том числе с разборными электродами и водяным охлаждением. Разработана конструкция специальной металлической разборной лампы-светильника типа ДКсРМ55000 и ряд других источников, применяемых в специальных установках.

Газоразрядные лампы высокого давления

Лампы высокого давления, по сравнению с люминесцентными, имеют значительно меньшие габариты и большую единичную мощность. У ртутных ламп высокого давления при равной мощности с люминесцентными (например, 40, 80 Вт) длина почти в 10 раз меньше. Малые габариты и высокое давление в них обусловили температуру разрядной трубки - 700...750°С. Поэтому разрядную трубку ламп выполняют из кварцевого стекла или специальной керамики, имеющей высокую прозрачность в видимой области спектра. .

Одна из первых была разработана лампа высокого давления типа ДРТ. Обозначение лампы: Д - дуговая, Р - ртутная, Т - трубчатая; следующее затем число соответствует мощности лампы. Прежнее название лампы - ПРК (прямая ртутно-кварцевая). Лампа ДРТ предназначена для ультрафиолетового облучения молодняка животных, цыплят, яиц перед инкубацией, семян зерновых культур и т.д. Она применяется в комплекте облучательных установок различных типов.

Лампа ДРТ представляет собой прямую трубку из кварцевого стекла, по концам которой впаяны вольфрамовые электроды. В трубку введено небольшое

Рис.1.26. Схемы включения: а) - лампы ДРТ; б) - лампы ДРЛ; EL - лампа; L - дрос­сель, SB - кнопочный включатель; CI, C2, СЗ - конденсаторы; R - резистор

количество ртути и инертного газа - аргона. Для удобства крепления к арматуре лампа по краям снабжена хомутиками с держателями, которые соединены между собой металлической полоской, используемой для облегчения зажигания лампы. В электрическую сеть лампу ДРТ включают последовательно с дросселем L по резонансной схеме (рис.1.26a). В результате резонанса, образуемого при кратко временном включении конденсатора С2, напряжение на дросселе L и конденсаторе С2 возрастает примерно в 2 раза по сравнению с напряжением питания. Это обеспечивает в лампе дуговой разряд. Металлическая полоска, подключенная через конденсатор малой емкости С3, облегчает пробой лампы. Конденсатор C1 повышает коэффициент мощности схемы до 0,92...0,95.

Электрическая энергия, подводимая к лампе ДРТ, преобразуется в ней следующим образом: ультрафиолетовое излучение составляет 18%, инфракрасное излучение – 15%, видимый свет – 15%, потери равны 52%. Однако лампа ДРТ используется прежде всего как источник ультрафиолетового излучения. В таблице 1.9 приведены характеристики ламп ДРТ.

Таблица 1.9 - Дуговые ртутные лампы высокого давления ДРТ

Поток излучения ламп ДРТ зависит от температуры окружающего воздуха. При высокой температуре ухудшается прозрачность кварцевого стекла, что определяет снижение в особенности ультрафиолетового излучения и сроков годности лампы.

Дуговая ртутная лампа ДРЛ предназначена для наружного освещения, закрытых помещений и объектов, где не требуется высокого качества цветопередачи. Она может быть рекомендована для освещения животноводческих и других сельскохозяйственных помещений; со специальными облучателями она используется для облучения рассады в теплицах, так как имеет фотосинтезно активное излучение с длиной волны = 580...700 нм (оранжево-красная часть спектра излучения).

Баланс энергии у лампы ДРЛ: ультрафиолетовое излучение практически отсутствует, видимое излучение составляет 17%, инфракрасное излучение - 14%, тепловые потери – 69%. Цвет суммарного излучения близок к белому. Доля красного излучения составляет 6...15%. Процент содержания красного излучения указывается при маркировке ламп в скобках. Яркость ламп ДРЛ почти в 10 раз превышает яркость люминесцентных ламп низкого давления.

Конструкция лампы ДРЛ представлена на рис. 1.27. Кварцевая трубка (горелка) 3 размещена в колбе 1, внутренняя поверхность которой покрыта тонким слоем люминофора 2. Слой люминофора преобразует ультрафиолетовое излучение трубки в свет, пригодный для освещения. В кварцевую трубку впаяны два основных вольфрамовых электрода 4, покрытых активированным слоем и подсоединенных к цоколю 7, и два дополнительных (поджигающих) 5. В трубке находится небольшое количество ртути (40...60 мг). После откачки воздуха из внешней колбы 1 она заполняется аргоном под давлением 2,5...4,5 кПа.

Такая конструкция позволяет зажигать четырехэлектродную лампу от питающей сети 220 В без специального поджигающего устройства (рис.1.26б). Наличие дросселя и конденсатора в схеме позволяет уменьшить колебания светового потока и увеличить коэффициент мощности. При этом ПРА потребляет около 10% номинальной мощности лампы. При включении лампы в сеть последовательно с дросселем разряд первоначально возникает между смежными основным и дополнительным электродами. Вызванная этим ионизация разрядного промежутка приводит к возникновению разряда между основными электродами, после чего дополнительные электроды прекращают работать.

Наличие во внешней колбе 1 аргона под давлением позволяет на долгий срок сохранить люминофорное покрытие в рабочем состоянии. Нагрев внешней колбы при работе лампы - 220... 280°С. Оптимальная температура внешней среды для работы ламп - 25...40°С. Период разгорания лампы ДРЛ длится 5...10 мин. Характеристики ламп ДРЛ приведены в табл. 1.10.

Осветительные металлогалогенные лампы общего назначения типа ДРИ (дуговые ртутные с излучающими добавками) имеют в зависимости от состава добавок различный спектр излучения, обеспечивающий высокое качество цветопередачи и более высокий, чем у ламп ДРЛ, световой КПД. Конструктивно лампы отличаются от ламп ДРЛ формой внешней колбы, не имеющей люминофорного покрытия, и отсутствием в разрядной трубке дополнительных поджигающих электродов.

Поэтому в сеть их включают по схеме, содержащей специальные импульсные зажигающие устройства - ИЗУ, генерирующие высоковольтные импульсы напряжением 2...6 кВ.

Чтобы улучшить спектральный состав видимого излучения, в трубку ламп добавляют соединения галогенной группы: иодиды натрия, скандий, бромиды редкоземельных металлов. Характеристики ламп ДРИ даны в табл. 1.11.

В табл. 1.11 приведены также характеристики ламп ДРИЗ для освещения сухих, пыльных и влажных помещений и ламп ДРИШ для освещения объектов при цветных телевизионных съемках и передачах (Ш – обозначение широкого спектра).

Ртутно-кварцевые лампы высокого давления ДРЛФ созданы для облучения растений на основе ламп ДРЛ. Особенностью этих ламп является специальный состав люминофора, который обеспечивает спектр излучения, в наибольшей степени способствующий прохождению физиологических процессов в растениях. Это излучение находится в диапазоне длин волн от 350 до 750 нм с преобладанием оранжево-красных и сине-фиолетовых лучей.

По своей конструкции и по электрическим параметрам лампы ДРЛФ аналогичны лампам ДРЛ, однако они имеют колбу из стекла, выдерживающего в нагретом состоянии брызги холодной воды. В электрическую сеть лампы включаются аналогично лампам ДРЛ.

Обозначения ламп: Д - дуговая, Р - ртутная, Л - люминесцентная, Ф - с повышенной фитоотдачей. Наибольшее распространение получили лампы ДРЛФ-400 и ДРЛФ-1000 мощностью 400 и 1000 Вт с фитопотоком соответственно 12800 и 90000 мфт.

Таблица 1.10 - Ртутные лампы высокого давления ДРЛ

Дуговая ртутно-вольфрамовая лампа ДРВ-750 предназначена для дополнительного облучения растений в теплицах. Основным ее преимуществом, по сравнению с лампами ДРЛФ, является отсутствие ПРА, в результате чего снижается металлоемкость облучающей установки, уменьшается нагрузка на крышу теплицы, улучшается маневренность подвижных систем облучения. Лампа выполнена в виде колбы, в которой смонтирована ртутная горелка совместно с нитью накаливания. Сама колба изготовлена из термостойкого стекла и рассчитана на попадание брызг холодной воды.

Таблица 1.11 - Дуговые ртутные металлогалогенные лампы для наружного и внутреннего освещения ДРИ

Имеет зеркальный или диффузный отражатель. Нить накаливания является балластным сопротивлением и одновременно источником излучения, усиливающим красную часть спектральной характеристики лампы.

В результате лампа ДРВ-750 является источником смешанного излучения с преобладанием оранжево-красных и сине-фиолетовых лучей.

Модернизацией лампы ДРВ является ртутно-вольфрамовая лампа ДРВЛ. В ней также в пространстве между разрядной трубкой и внешней колбой установлена вольфрамовая спираль, включенная последовательно с разрядной трубкой и выполняющая роль балластного сопротивления. В указанном балласте теряется примерно половина мощности лампы. Это снижает в 1,5...2 раза эффективный КПД ртутно-вольфрамовых ламп по сравнению с лампами ДРЛ и ДРТ.

Дуговые ртутно-вольфрамовые эритемные лампы с диффузным отражателем типа ДРВЭД предназначены для комплексного воздействия излучением части спектра с длинами волн от 280 до 5000 нм. Внешняя колба этих ламп выполнена из специального увиолевого стекла, пропускающего ультрафиолетовое излучение. Срок службы ламп типа ДРВЭД определяется в основном сроком службы вольфрамовой спирали - 3000...5000 ч.

Дуговые ртутные люминесцентные лампы ДРФ-1000 и ДРФ-2000 с повышенной фитоотдачей предназначены для комплектования вегетационных осветительных установок, применяющихся для создания светового режима в климатических камерах и шкафах при селекции различных растений. Лампы имеют большой световой поток и высокую светоотдачу. По конструкции и характеристикам аналогичны лампам ДРЛ, но отличаются составом люминофора, имеют колбу из вольфрамового термостойкого стекла, выдерживающего брызги холодной воды. Из недостатков следует отметить большую массу ПРА и устройства компенсации коэффициента мощности.

В группе разрядных ламп высокого давления натриевые лампы типа ДНаТ (дуговые натриевые трубчатые) отличаются большим световым КПД и чуть более вытянутой по сравнению с лампой ДРЛ наружной колбой. Разрядная трубка правильной цилиндрической формы выполнена из полупрозрачной керамики (поликристаллического алюминия) или из прозрачного трубчатого монокристалла (лейкосапфира). Эти материалы устойчивы к длительному воздействию паров натрия при температуре до 1600°С. Общий коэффициент пропускания видимого излучения составляет 90...95%. Однако 70% излучения находится в зоне 560...610 нм желто-оранжевого цвета, что вызывает искажение цветопередачи. Поэтому: лампы ДНаТ в основном используют для наружного освещения. В электрическую сеть лампы ДНаТ включают по схеме, аналогичной схеме ламп ДРИ.

Характеристики натриевых ламп высокого давления ДНаТ приведены в табл. 1.12.

Дуговые ксеноновые трубчатые лампы (ДКсТ) в сельском хозяйстве используются сравнительно мало из-за сложности их эксплуатации. Лампы выполняют в одной кварцевой разрядной колбе (ДКсТ) и в двух колбах с водяным охлаждением (ДКсТВ).

В спектре ламп ДКсТ без водяного охлаждения имеется избыток ультрафиолетового излучения. Этот недостаток скорректирован в лампах типа ДКсТЛ, колбы которых выполнены из кварцевого стекла с легирующими (Л) присадками. В видимой области спектра излучение ксеноновых ламп приближается к солнечному. У ламп типа ДКсТВ доля видимого излучения составляет всего 10...12% их мощности. Указанные типы ламп выпускаются, как правило, большой единичной мощности - от 1000 до 12000 Вт со световой отдачей 24...40 лм/Вт. Срок службы составляет 500...1500 ч, что обусловлено значительной температурой поверхности разрядной трубки (750... 800°С).

Таблица 1.12 - Натриевые лампы высокого давления ДнаТ

Особенностью большинства разрядных ламп высокого давления является режим разгорания, протекающий в течение 5...10 мин после зажигания лампы. У ртутных и натриевых ламп он более продолжительный, чем у ксеноновых. В процессе разгорания изменяются все параметры лампы. Например, ток в ртутных лампах превышает номинальное значение в 1,5...2 раза. По мере разогрева давление паров внутри лампы растет, что сопровождается снижением тока и увеличением потока излучения, с ростом давления повышается напряжение зажигания лампы. Поэтому повторное зажигание погасшей лампы возможно лишь после ее остывания, следовательно, после снижения напряжения зажигания. Колебания напряжения сети мало влияют на световую отдачу ламп, однако большие отклонения напряжения сказываются значительно. Лампы должны эксплуатироваться в том положении, которое определено заводом-изготовителем. При эксплуатации установок с разрядными лампами высокого давления следует принимать во внимание значительную пульсацию световых потоков и принимать меры к их снижению.

Контрольные вопросы

1. Что называется искусственным источником оптического излучения?

2. Какие основные виды источников оптического излучения вы знаете?

3. Что называется идеальным излучателем?

4. Назовите три класса тел накала.

5. Как происходит преобразование эл. энергии в оптические излучения?

6. Дайте определение закона Кирхгофа.

7. Дайте определение закона Стефана Больцмана.

8. Напишите закон Планка.

9. Дайте определение закону смещения Вина.

10. Назовите основные элементы конструкции лампы накаливания общего назначения?

11. Как устроена линейная галогенная лампа накаливания?

12. Назовите некоторые разновидности ламп накаливания.

13. Каковы основные характеристики ламп накаливания?

14. Как изменяются показатели ламп накаливания от подводимого напряжения?

15. Приведите простейшие схемы включения ламп накаливания.

16. Как классифицируются разрядные лампы?

17. Как происходит преобразование эл. энергии в видимое излучение в разрядных лампах?

18. Назначение балластного устройства?

19. Как происходит стабилизация дугового разряда?

20. Как влияет вид балластного устройства на работу гозоразрядных ламп?

21. Дайте общие сведения о газоразрядных лампах низкого и высокого давления.

22. Устройство и обозначения наиболее распространенных люминисцентных ламп.

23. Как определяется коэффициент пульсации светового потока?

24. Нарисуйте стартерную схему включения люминисцентной лампы.

25. Дайте понятия о бесстартерных схемах включения люминисцентных ламп.

26. Расскажите о назначении газоразрядных ламп высокого давления типа ДРТ, ДРЛ, ДРВ, ДНаТ.

Нарисуйте схему включения лампы ДРТ, ДРЛ, и т.д.