Электрические источники света

ГЛАВА 6

ЭЛЕКТРООСВЕТИТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Электрические источники света

По принципу преобразования электрической энергии в энергию видимых излучений источники света делятся на две группы: тепловые (в основном лампы накаливания) и газоразрядные (ртутные трубчатые люминесцентные лампы низкого давления и ртутные лампы высокого давления с исправленной цветностью типа ДРЛ). К последней группе относятся металлогалогенные лампы (ДРИ, ДРИЗ) и натриевые лампы высокого давления (ДНаТ), а также мощные дуговые ксеноновые трубчатые лампы, типа ДКсТ (только для наружного освещения).

В настоящее время в проектно-эксплуатационной практике используются новые электрические источники света такие, как энергосберегающие лампы и сверхяркие светодиоды.

В лампах накаливания излучение происходит от накаленного до высокой температуры (2500-3000 К) вольфрамового тела в стеклянной колбе, в которой создан вакуум или находится инертный газ. Лампы различают по мощности (15-1500 Вт), напряжению (12-220 В), световому потоку, конструктивному исполнению и др. Они делятся на две группы:

общего назначения – для общего и местного освещения в быту и промышленности, а также для наружного освещения;

специальные – обладающие особым конструктивным исполнением, большой точностью, стабильностью световых и электрических параметров и другими особенностями, определяемыми спецификой их применения (например, вибростойкость, тепло- и холодостойкость и т.д.).

Лампы накаливания состоят из колбы, цоколя и вольфрамовой моноспирали или биспирали. Биспирали применяют в лампах с большими тепловыми потерями (т.е. в газонаполненных от 40 Вт и выше). Наполнение колб ламп криптоном или смесью азота и аргона позволяет снизить испарение вольфрама и довести его температуру до предельной, но несколько увеличивает тепловые потери. Световая отдача газонаполненных ламп поэтому выше, чем у пустотных.

В маркировке ламп буквы означают: В – вакуумная, Г – газонаполненная, Б – биспиральная, К – криптоновая. Основными характеристиками ламп накаливания являются: номинальные напряжения U _н В, мощность Р _н Вт и световой поток F _н лм (люмен), а также световая отдача H = F _н/ Р _н лм/Вт и средний срок службы (примерно 1000 ч).

На характеристики лампы накаливания существенно влияет величина рабочего напряжения. При напряжении, большем номинального, увеличивается ток в лампе, температура нити накала и световой поток, излучаемый лампой. Одновременно уменьшается срок ее службы из-за более
быстрого разрушения вольфрамовой спирали. При понижении напряжения уменьшается световой поток лампы и ее светоотдача (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Параметры ламп накаливания в зависимости от приложенного к ним напряжения:

1 – продолжительность горения; 2 – световой поток; 3 – световая отдача;
4 – потребляемая мощность; 5 - ток

Достоинства ламп накаливания – простота устройства, дешевизна, удобство эксплуатации, возможность изготовления в широком диапазоне мощностей и напряжений и др. К основным недостаткам относятся: весьма низкая экономичность (только 2-4 % потребляемой ими электроэнергии превращается в световую), относительно малый срок службы, пожарная опасность.

В лампах накаливания с вольфрамогалогенным циклом используется йод, бром, хлор и сложные галогенорганические соединения. Цилиндрическая колба 2 йодной лампы (рис. 6.2) изготавливается из высокотемпературного кварцевого стекла. Нить 1 располагается точно по оси на одинаковом и сравнительно близком расстоянии от стенок колбы. Электроды 4, подводящие ток к нити, и держатели 3 нити изготавливаются из вольфрама. Колба наполняется хорошо очищенным инертным газом до давления
5 ×10⁵ - 10⁵ Па, что уменьшает скорость испарения нити и предотвращает дугообразование. В колбу вводится определенное количество йода. Его атомы, выделяющиеся из молекул под влиянием высокой температуры на поверхности вольфрамовой нити, перемещаются к стенкам колбы и образуют с осевшими на них распылившимися частицами вольфрама газообразный йодид вольфрама. Последний, попадая в зону высоких температур вблизи нити, снова распадается на вольфрам и йод. Вольфрам остается на нити, а атомы йода диффундируют к стенкам и опять участвуют в цикле. Круговой процесс идет по схеме W +2 J WJ _2. Световой поток в этих лампах к концу срока службы уменьшается только на 3-4 % (вместо 15-20 % для обычных ламп накаливания), срок службы в два раза больше, световая отдача на 15-20 % выше, чем у обычных ламп, спектральный состав излучения ближе к естественному и размеры значительно меньше. Это позволяет снижать габариты и массу осветительных приборов.

Рис. 6.2. Кварцевая йодная лампа накаливания типа КИ220-1500:

1 – нить накала; 2 – колба; 3 – держатель; 4 - электроды

В настоящее время выпускается более 100 типоразмеров галогенных ламп накаливания мощностью от 5 Вт до 5 кВт (предполагается выпуск ламп до 10 и 20 кВт), продолжительность горения которых превосходит лучшие мировые образцы в два и более раз (например, лампы типа КИМ10-90, КИ220-1500, КГ220-500 и др). Такие лампы применяются при фото- и киносъемках, для освещения зданий и аэродромов, спортивных сооружений, открытых площадей и т.п. Они являются также высокоинтенсивными источниками инфракрасного излучения и используются для нагрева, плавления, термообработки, пайки, сушки и т.п.

Более экономичными, чем лампы накаливания, являются газоразрядные лампы. Большинство из них представляет собой запаянную стеклянную колбу цилиндрической, сферической или иной формы с впаянными электродами. Обычно колба заполнена либо инертным газом, либо газом и небольшим количеством металла (например, ртути, натрия, кадмия). Если к электродам приложить достаточное напряжение (называемое напряжением зажигания), между ними возникает электрический разряд, который вызовет свечение газа. В зависимости от давления газа и паров металла в рабочем режиме различают газоразрядные лампы низкого, высокого и сверхвысокого давления. Эти лампы разделяются на лампы тлеющего, дугового и импульсного разрядов.

Все разрядные лампы (кроме ксеноновых трубчатых типа ДКСТ) включаются в сеть через индуктивные или емкостные балластные сопротивления. Балластные сопротивления (дроссели) являются составной частью пускорегулирующих аппаратов (ПРА), которые включают также конденсаторы и стартеры, а для ламп типа ДРЛ, ДРИ, ДРИЗ и ДНаТ – импульсные зажигающие устройства.

Рис. 6.3. Люминесцентная лампа и схема ее включения:

1 – дроссель; 2 – цоколь; 3 – электроды; 4 – стартер; 5 и 7 – конденсаторы; 6 – трубка

Наиболее широко для освещения применяются люминесцентные трубчатые лампы низкого давления (около 1,3 ×10² Па). Люминесцентная лампа (рис. 6.3) представляет собой стеклянную цилиндрическую трубку 6, заполненную аргоном и дозированным количеством ртути. На концах трубки расположены биспиральные вольфрамовые электроды 3, концы которых выведены через цоколи 2 наружу. Напряжение вызывает электрический разряд в газовом наполнении. Невидимое ультрафиолетовое излучение, возникающее при разряде и составляющее около 85 % всей энергии излучения (электролюминесценция), облучает тонкий слой люминофора на внутренней поверхности трубки и вызывает его свечение - фотолюминесценцию. Благодаря этому люминесцентные лампы обладают значительно более высокой экономичностью. Если, например, лампы накаливания 220 В и мощностью 100-300 Вт имеют световую отдачу около
15 лм/Вт, то люминесцентные лампы типа ЛБ40 мощностью 40 Вт имеют световую отдачу 78 лм/Вт. Срок службы люминесцентных ламп 12000 ч. Температура стеклянной трубки не превышает 50 °С, что делает их менее пожароопасными по сравнению с лампами накаливания.

Лампы для общего освещения различаются по цветности: дневного (ЛД), белого (ЛБ), тепло-белого (ЛТБ) света и дневного с улучшенной цветопередачей (ЛДЦ).

Подавляющее большинство люминесцентных ламп в настоящее время дозируется жидкой ртутью, что имеет ряд недостатков. Основные из них - нарушение гигиеничности технологии изготовления ламп и тех помещений, в которых они применяются (разбрызгивание и испарение ртути в случае боя ламп), а также снижение светового потока ламп на 20-30 % (в зависимости от температуры) при применении их в закрытых светильниках. Эти недостатки устраняются в амальгамных лампах мощностью от 15 до 125 Вт. Наибольшее распространение получили амальгамы на основе индия и кадмия. Амальгама в виде шарика или таблетки может быть размещена на внутренней поверхности трубки. В маркировку ламп вводится буква А, например, АБА 15-Т, где Т указывает на тропическое исполнение.

Люминесцентные лампы включаются в сеть переменного напряжения 127 и 220 В с пускорегулирующей аппаратурой (ПРА), которая обеспечивает зажигание лампы, нормальный режим работы и устранение радиопомех. Пускорегулирующая аппаратура (см. рис. 6.3) состоит из дросселя 1, стартера 4 и конденсаторов 5, 7. Стартер 4 представляет собой миниатюрную неоновую лампу с биметаллическими электродами. В момент включения на электроды стартера подается полное напряжение сети, и между ними возникает тлеющий разряд, разогревающий электроды. От нагрева они изгибаются и замыкаются друг с другом: возникает ток, разогревающий электроды лампы. В этот момент разряд в стартере прекращается, электроды его охлаждаются и размыкаются. Мгновенный разрыв цепи вызывает появление на дросселе импульса обратной электродвижущей силы, которая и зажигает лампу. После этого напряжение на лампе составляет около половины сетевого. Такое же напряжение будет и на стартере, что недостаточно для возбуждения тлеющего разряда и его повторного замыкания. Конденсатор 5 снижает уровень радиопомех, а конденсатор 7 улучшает коэффициент мощности лампы, компенсируя индуктивность дросселя.

Стартерные схемы включения ламп просты и дешевы. Однако стартер уменьшает эксплуатационную надежность схемы. Его неисправность приводит к снижению срока службы ламп. Поэтому применяются и бесстартерные схемы быстрого и мгновенного (холодного) зажигания ламп.

На люминесцентную лампу, имеющую схему быстрого зажигания, наносится электропроводящая пленка или полоса. Наиболее распространены трансформаторные схемы быстрого пуска, в которых в качестве балластного сопротивления используются дроссель, а предварительный подогрев катодов осуществляется накальным трансформатором либо автотрансформатором.

При холодном зажигании ламп устраняется предварительный подогрев катодов. Такой способ применяется, например, при использовании люминесцентных ламп во взрывоопасных зонах, где обеспечение искробезопасности является основным требованием. Для холодного зажигания к люминесцентной лампе подается напряжение, превышающее рабочее в 5-7 раз.

Дуговые ртутные лампы высокого давления с исправленной цветностью (типа ДРЛ) бывают двухэлектродными и четырехэлектродными мощностью 80–1000 Вт. Они сочетают высокую световую отдачу трубчатых люминесцентных ламп низкого давления и значительную световую мощность в относительно небольшом объеме.

Двухэлектродная лампа ДРЛ (рис. 6.4) представляет собой толстостенную кварцевую трубку (горелку) 2 с самокалящимися электродами, заполненную парами ртути и аргоном под давлением 5×10⁵ – 10⁶ Па. Трубка заключена в наружную стеклянную колбу 3 из термостойкого стекла, покрытую внутри слоем люминофора 4. Форма колбы близка к форме лампы накаливания и заканчивается цоколем 1. Люминофор преобразует ультрафиолетовый поток, проходящий через горелку, в оранжево-красное излучение, исправляя цветность излучения лампы. Спектр лампы становится близким к дневному свету.

Включение ламп ДРЛ (рис. 6.5) производится с помощью ПРА, состоящей из дросселя с основной Д и зажигающей Д₁ обмотками и импульсного контура с разрядником Р. При подаче напряжения на лампу конденсатор С заряжается через селеновый выпрямитель В и ограничивающее сопротивление r. Когда напряжение достигнет 180-220 В, что вызывает пробой разрядника Р, конденсатор разрядится на дополнительную обмотку дросселя Д₁, и на концах основной обмотки балластного дросселя индуктируется импульс высокого напряжения, зажигающий лампу Л.
После зажигания лампы повторных разрядов конденсатора не происходит, так как напряжение на лампе во время ее горения, а следовательно, и на конденсаторе, ниже пробивного напряжения разрядника. ПРА обеспечивает мгновенное зажигание лампы при температуре окружающей среды от
-30 °С до +60 °С, но устойчивая работа лампы и номинальный световой поток появляются через 5-7 мин после включения. Повторное включение лампы возможно только после ее остывания в течение 10-15 мин. Поэтому лампы ДРЛ не разрешается использовать для аварийного освещения. Их целесообразно применять для освещения улиц и площадей, высоких производственных помещений.

На основе ртутных ламп высокого давления путем введения светоизлучающих добавок (редкоземельных элементов) и оптимизации термических и электрических параметров разряда изготавливается металлогалогенные газоразрядные лампы МГЛ. Они все более вытесняют другие источники света из тех областей освещения, где требуется улучшенная цветопередача и высокая освещенность.

В России впервые были созданы разборные ксеноновые лампы с водяным охлаждением электродов (типа ДКсТ), обладающие высокой мощностью (от 2 до 50 кВт) при относительно небольших габаритах.

Наряду с многими достоинствами большинству газоразрядных ламп присущи и недостатки: сложность включения в сеть, применение ПРА, в которой теряется до 20-30 % энергии, чувствительность к изменениям внешней температуры, неудобные размеры (конструктивные формы).

Энергосберегающие лампы по характеристики их пожарной опасности близки к таким источникам электрического света, как газоразрядные люминесцентные ртутные низкого давления (так называемые лампы дневного света).

Светодиодные источники света по их электротехническим показателям можно отнести к наиболее пожаробезопасным. Более конкретная оценка их пожароопасности, основанной на результатах экспериментальных исследований, пока отсутствует.