На судах в качестве источников света наиболее широко применяют лампы накаливания (ЛН) и люминесцентные лампы (ЛЛ).
Лампы накаливания.
Световая энергия в ЛН излучается раскаленной нитью. При этом большая часть всей излучаемой энергии остается за пределами видимого спектра. Теоретически раскаленная нить излучает больше всего световой энергии при температуре 6500 К. При более высокой температуре интенсивность излучения смещается в сторону ультрафиолетовых лучей, при более низкой — в сторону инфракрасных.
Температура накала вольфрамовой нити лежит в пределах 2100—2730°С. Более тугоплавких материалов для нити накала пока не найдено. Световая эффективность обычных ЛН мала (не превышает 16 лм/Вт) — это их главный недостаток.
Световую эффективность ламп можно повышать, уменьшая их теплоотдачу. Известно, что передача тепла от нагретого тела происходит тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием. Теоретически в ЛН можно уменьшать (ослаблять) все способы теплопередачи, кроме одной — лучеиспускания в видимой части спектра. Особый интерес представляет ограничение теплопередачи лучеиспусканием в инфракрасной и ультрафиолетовой частях спектра вследствие, например, специальных свойств материала колбы.
Лампа накаливания состоит из цоколя и стеклянной колбы, внутри которой находится нить накала. В настоящее время лампы выпускают грушевидной, шаро- и каплеобразной и цилиндрической (пальчиковой) формы. Колбу наполняют смесью газов аргона с азотом или ксенона с криптоном. Инертные газы, особенно ксенон и криптон, уменьшают распыление вольфрамовой нити, увеличивая срок службы лампы. Кроме того, эти газы обладают низкой теплопроводностью, что способствует повышению рабочей температуры нити. Выпускают и вакуумные лампы.
Повышение рабочей температуры нити накала без увеличения тока достигается также конструкцией самой нити. Например, тело накала выполняют в виде биспирали — спирали, навитой из спирали.
Лампы накаливания бывают с резьбовыми и штифтовыми цоколями.
Резьбовые цоколи условно обозначаются как Е-40, Е-27, Е-14, Е-10, где цифра соответствует диаметру цоколя в миллиметрах. Лампы мощностью 300 Вт и более имеют цоколь Е-40.
Условные обозначения штифтовых цоколей: 1Ш-9, 2Ш-15 и 2Ш-22. Первая цифра показывает число контактных штифтов, которые располагаются в торцевой части цоколя, а вторая — диаметр цоколя в миллиметрах. Лампы с штифтовым цоколем применяют в местах с повышенной вибрацией и тряской, где резьбовой цоколь может самопроизвольно вывинчиваться.
Отечественная промышленность выпускает ЛН специально для судового освещения, которые, в отличие от ламп общего назначения, имеют нить накала с большей механической прочностью и латунный цоколь.
Срок службы ламп зависит от напряжения сети. При повышении напряжения на 5% выше номинального срок службы сокращается на 30%. Часто лампы выходят из строя из-за нарушения герметичности колбы, что является следствием низкого качества изготовления.
В процессе эксплуатации лампы вольфрамовая нить испаряется, а ее пары оседают на стенках колбы, уменьшая ее прозрачность. Кроме того, возрастает сопротивление нити, что приводит к уменьшению мощности лампы. Следовательно, с течением времени и неперегоревшая лампа может не обеспечивать минимально необходимого светового потока.
Световой поток ламп зависит от напряжения сети: при снижении напряжения на 10% световой поток уменьшается на 30%.
Лампы накаливания используют для общего освещения, как декоративные, в кинопроекционной аппаратуре, в прожекторах, переносных осветительных приборах и т. д. Буквы, входящие в маркировку типа лампы, означают: С — судовая, В — вакуумная, Б — биспиральная, Г — газополная, МЛ — молочная колба, МТ — матированная колба, ОП — опалиновая колба, ИЛ — иллюминационная, Д — декоративная, МН — миниатюрная, СМН — сверхминиатюрная, К — киноаппаратная.
В настоящее время мировая промышленность выпускает 2 тыс. разновидностей ламп накаливания общим числом около 10 млрд. штук в год.
В последние годы в состав наполняющей газовой смеси стали вводить галогены ( иод или бром), что способствует возвращению испаряющегося вольфрама на тело нити накала, исключая оседание его на стенках колбы. Колбу выполняют из тугоплавкого кварцевого стекла, что позволяет допускать температуру ее нагрева в процессе эксплуатации до 600—700°С.
Галогенные лампы напряжением 220 В имеют световую эффективность до 26 лм/Вт и срок службы до 2000 ч, световая отдача более низковольтных ламп достигает 30 лм/Вт.
Люминесцентные лампы.
Принципиально иным, по сравнению с лампами накаливания, типом источника света являются люминесцентные лампы. Они входят в большую группу газоразрядных источников, в которых световое излучение является результатом процессов, вызванных электрическим разрядом, — прохождением тока через газы или пары металлов.
Существуют лампы тлеющего дугового, высокочастотного и импульсного разрядов; в ЛЛ используется дуговой разряд, световая же энергия излучается специальным веществом — люминофором, который начинает светиться под действием ультрафиолетового или других видов облучения. Дуговой разряд в газе или парах металла и является источником, возбуждающим свечение люминофора. Наиболее интенсивное ультрафиолетовое излучение дает электрический дуговой разряд в парах ртути.
В качестве люминофора для ЛЛ применяют вещества, наиболее интенсивно светящиеся именно при ультрафиолетовом облучении. От состава люминофора зависят спектр светового излучения, к. п. д. и световая отдача ламп. В светотехнике сейчас наиболее широко применяют галофосфат кальция, активированный сурьмой и марганцем, который почти вытеснил другие люминофоры. Концентрация марганца в этом люминофоре и отношение содержания фтористого и хлористого кальция сильно влияют на спектр излучения.
В зависимости от давления газов или паров, в которых происходит дуговой разряд, ЛЛ делят на лампы низкого, высокого и сверхвысокого давления.
Для освещения судовых помещений и в быту широко применяют люминесцентные лампы низкого давления (рис. 154).
С внутренней стороны стеклянной трубки 4 наносят слой люминофора 3. Трубку наполняют небольшим количеством паров ртути
Рис. 154. Схема включения люминесцентной лампы
Рис. 155. График зависимости светового потока люминесцентной лампы от температуры
и инертным газом — аргоном. В оба ее торца впаяны по два штырька, к которым подключены вольфрамовые спирали 2. Спирали покрыты оксидным слоем, обладающим хорошей термоэлектронной эмиссией.
Для возникновения между электродами (спиралями) трубки дугового электрического разряда необходимы два условия: разогрев спирали и создание кратковременного всплеска напряжения, значительно превышающего рабочее напряжение лампы. Оба эти условия автоматически выполняются схемой включения, в которую входят стартер 1 и дроссель 5. В качестве стартера используют неоновую лампу специальной конструкции. Один ее электрод (или оба) выполнен из биметаллической пластины.
При подаче питания на схему в неоновой лампе (стартере) возникает тлеющий разряд, ее электроды быстро нагреваются. Биметаллический электрод прогибается до соприкосновения с другим электродом, замыкая цепь спиралей лампы, которые разогреваются возросшим в цепи током. Биметаллический электрод стартера остывает и выпрямляется, разрывая цепь. Резкое уменьшение тока при наличии в цепи дросселя (индуктивное сопротивление) вызывает всплеск напряжения, необходимый для зажигания лампы. После зажигания напряжение на электродах лампы и стартера будет немного больше половины напряжения сети за счет падения напряжения на дросселе. При этом напряжении тлеющий разряд в стартере вновь возникнуть не может.
Конденсатор С1 служит для компенсации реактивной мощности, обусловленной наличием дросселя. При отсутствии конденсатора коэффициент мощности лампы составляет около 0,5. Конденсатор С2 небольшой емкости служит для устранения радиопомех вызванных процессом зажигания лампы, и создает более благоприятные условия для работы стартера.
Стартер, выполненный на основе тлеющего разряда неоновой лампы, получил наибольшее распространение, хотя на судах встречаются иногда стартеры ЛЛ, работающие по другому принципу.
Разработаны различные схемы бесстартерного зажигания ламп. Они более надежны, но значительно дороже и вызывают дополнительные потери энергии. Созданы ЛЛ, на внутренней стороне трубок которых нанесена прозрачная электропроводящая пленка, позволяющая осуществлять бесстартерное зажигание лампы.
Люминесцентные лампы значительно экономичнее ламп накаливания, менее чувствительны к колебаниям напряжения сети. Их световая эффективность достигает 80 лм/Вт, созданы образцы ЛЛ со световой эффективностью до 100 лм/Вт.
Одним из серьезных недостатков ЛЛ является зависимость светового потока от температуры ϑ стенок трубки, которая, в свою очередь, зависит от температуры окружающей среды (рис. 155). Объясняется это тем, что давление паров ртути в лампе значительно меняется с изменением температуры. Несколько лучшей стабильностью светового потока обладают лампы с амальгамой (сплав ртути с индием и кадмием), наносимой на стенки трубки.
Люминесцентные лампы малоинерционные, поэтому сила света их колеблется в соответствии с синусоидальным характером питающего напряжения. Такие мигания света не воспринимаются глазом, но воспринимаются нервной системой и утомляют человека. Кроме того, они создают стробоскопический эффект у вращающихся деталей, в результате чего деталь кажется неподвижной или вращающейся в другую сторону. По Правилам Регистра СССР необходимо принимать меры к устранению стробоскопического эффекта. Наиболее просто это достигается подключением люминесцентных ламп одного помещения к различным фазам трехфазной сети. Существуют специальные схемы подключения двух и трех ламп, у которых питающее напряжение сдвинуто по фазе.
Наша промышленность выпускает лампы: ЛБ — белого света, ЛХБ — холодно-белого света, ЛД — дневного света, ЛБА — с амальгамой, ЛДИ, ЛТБИ, ЛХБИ — с улучшенной цветопередачей, ЛХБР — с рефлекторным слоем.
Таблица 9
В табл. 9 приведены основные характеристики отечественных ЛЛ.
Люминесцентные лампы низкого давления имеют относительно небольшую мощность, поэтому их нельзя использовать для освещения открытых палуб, территорий портов и больших помещений. Увеличение мощности ламп связано с увеличением длины трубок. Расчеты показывают, что при мощности лампы 200 Вт длина трубки должна составлять 4,7 м, а при мощности 300 Вт—7 м. Совершенно очевидно, что такие лампы для эксплуатации непригодны.
Большую мощность светового излучения при относительно малых размерах источника позволяют получить дуговые ртутные ЛЛ высокого давления типа ДРЛ (рис. 156, а). Их средний срок службы 9 тыс. ч.
Мощным источником ультрафиолетового излучения является дуговой электрический разряд в парах ртути, которые находятся под высоким давлением (до 1 МПа) в трубке 1 из кварцевого стекла. Эта трубка находится внутри стеклянной колбы 2 с нанесенным на ее стенки люминофором 3.
При подаче питания на схему (рис. 156, б) начинает заряжаться конденсатор С через резистор R и полупроводниковый диод В. Когда напряжение конденсатора достигнет определенной величины, происходит пробой разрядника Р и конденсатор быстро разряжается через добавочную обмотку дросселя Др. В этот момент дроссель действует как импульсный трансформатор. На его основной обмотке возникает кратковременный всплеск напряжения, необходимый для зажигания лампы.
Люминесцентные лампы высокого давления выпускают мощностью 250—1000 Вт. Они имеют относительно малые размеры и световую эффективность до 50 лм/Вт. Таким образом, лампа типа ДРЛ мощностью 1000 Вт дает такой же световой поток, что и шесть ламп накаливания мощностью 500 Вт каждая.
В настоящее время выпускают лампы типа ДРЛ с тремя или четырьмя электродами, что позволяет значительно упростить схему зажигания, исключив из нее конденсатор, вентиль, разрядник и добавочную обмотку дросселя (рис. 156, в).
В табл. 10 приведены основные характеристики ламп типа ДРЛ отечественного производства. Лампы с индексом ХЛ-1 могут работать при температуре окружающего воздуха от +40 до —60°С, а лампы без этого индекса — при температуре от +40 до —25°С.
Рис. 156. Люминесцентная лампа высокого давления типа ДРЛ и схемы ее зажигания
В СССР и за рубежом разработаны газоразрядные лампы высокой интенсивности, в которых дуговой разряд происходит в тяжелых инертных газах — криптоне и ксеноне при сверхвысоком давлении. В Советском Союзе созданы трубчатые лампы с ксеноновым наполнением мощностью 4,5; 6; 10; 20 и 100 кВт с естественным и водяным охлаждением. Световая эффективность наиболее мощной лампы (100 кВт) «Сириус» составляет 50 лм/Вт, а общий световой поток 5·106 лм, что соответствует 1000 лампам накаливания мощностью 300 Вт каждая.
Возможности газоразрядных ламп далеко не исчерпаны. В последнее время, например, разработан новый материал для колб из поликристаллической окиси алюминия, который намного превосходит применяющееся сейчас кварцевое стекло.
Наиболее экономичными источниками света являются натриевые газоразрядные лампы, в которых излучение в видимой части спектра достигается вследствие электрического разряда в парах натрия. Таким образом, если в люминесцентных лампах дуговой разряд дает ультрафиолетовое излучение, а полезный световой поток получается благодаря вторичному свечению люминофора, то в натриевых лампах полезный световой поток возникает непосредственно в дуговом разряде.
Разработаны натриевые лампы низкого и высокого давления. В первых давление газов в трубке составляет 1300—2000 Па. Такие лампы выпускают мощностью до 200 Вт, их срок службы — до 7000 ч, световая эффективность 100—180 лм/Вт. Однако желтый свет этих ламп мало пригоден для общего освещения, его можно использовать для освещения загородных автострад или в качестве декоративного.
Натриевые лампы высокого давления (2600—6500 Па), дающие приятный золотисто-белый свет, выпускают мощностью до 1000 Вт; их срок службы — до 20 тыс. ч, световая эффективность 100—140 лм/Вт.
Включение натриевых ламп в работу подобно включению люминесцентных ламп.
Наиболее перспективными источниками света являются металлогалогенные газоразрядные лампы, в которых к парам ртути добавляют йодиды различных металлов. Металлогалогенные лампы высокого давления (тип ДРИ) по конструкции аналогичны лампам ДРЛ, отличаются высокой светоэффективностью и большими возможностями в получении заданной цветовой температуры при хорошей цветопередаче. Это дает возможность выпускать лампы ДРИ любого назначения с заданными световыми характеристиками (табл. 11).
Таблица 11
