Принцип действия газоразрядных ламп основан на преобразовании электрической энергии в оптическое излучение при прохождении электрического тока через газы и другие вещества (ртуть или галогены), находящиеся в парообразном состоянии.
В зависимости от рабочего давления газов, заполняющих область разряда, различают газоразрядные лампы низкого и высокого давления. Газоразрядные лампы низкого давления называют люминесцентными .
Газоразрядные лампы высокого давления по составу среды дугового разряда разделяют на ртутные, ксеноновые и натриевые. Ртутные лампы по способу исправления цветности излучения бывают люминесцентными и металлогалоидными (йодидными).
Люминесцентные лампы низкого давления широко применяют для внутреннего освещения. Лампы высокого давления, отличающиеся большими мощностями, преимущественно используют в наружных осветительных электроустановках и для специальных целей.
Люминесцентные лампы низкого давления.
Рис. 95. Люминесцентная лампа низкого давления:
а — общий вид, б — конструкция электрода; 1 — колба лампы, 2 — люминофор, 3 — нить канала, 4 — цоколь, 5 — экран, 6 — никелевая часть электрода, 7 — тарелка, 8 — медная часть электрода, 9 — штенгель, 10 — отверстие для откачки и наполнения лампы, 11 — лопатка
Колба люминесцентных ламп низкого давления имеет форму трубки и выполняется из стекла. На внутреннюю поверхность трубки нанесен слой люминофора. Концы трубки снабжаются герметичными цоколями (рис. 95, а), с внутренней стороны которых прикреплены электроды, а снаружи — токоподводящие штифты. В трубке создают вакуум, после чего ее заполняют аргоном или его смесями с неоном, криптоном. Внутрь колбы вводят определенное количество жидкой ртути или амальгамы (индия, кадмия) в виде таблетки, шарика. После этого лампу герметически запаивают. Размеры трубки (диаметр и длина) должны быть строго определенными при данной мощности разряда, так как они определяют температурный режим лампы, а он, в свою очередь, давление насыщенных паров ртути, при котором свечение разряда наиболее интенсивно.
Вольфрамовая нить накала 3 (рис. 95, б), скрученная в биспираль или триспираль, удерживается никелевыми держателями 6, соединенными с платинитовыми электродами, обеспечивающими герметичность прохода цепи тока сквозь стекло лопатки (за счет близости значений коэффициентов линейного расширения). Для работы лампы необходим предварительный нагрев нити накала до 800— 900 К, при котором достигается необходимый уровень термоэлектронной эмиссии. При повышении напряжения, приложенного между электродами, происходит ионизация газовой среды лампы. Сначала возникает тлеющий разряд между каждым из электродов и близлежащим участком стекла трубки. По мере дальнейшего роста напряжения зона тлеющего разряда распространяется по направлению к противоположным концам трубки. Наступает момент, когда тлеющий разряд перекрывает пространство между обоими электродами. При этом гок возрастает и тлеющий разряд переходит в дуговой, являющийся рабочим. При возникновении дугового разряда сопротивление лампы резко уменьшается и ток возрастает настолько, что может вызвать разрушение лампы. Для ограничения тока предусматривают устройства, включенные обычно последовательно с лампой. Чаще всего при этом используют дроссели — катушки с железным сердечником. В цепях переменного тока они имеют хорошую токоограничивающую способность и создают сравнительно небольшие потери при благоприятном для работы лампы сдвиге фаз между напряжением и током лампы. Разряд протекает при низком давлении паров ртути. В этих условиях основная часть излучения лежит в невидимой ультрафиолетовой части спектра. Однако ультрафиолетовые лучи являются мощным возбудителем люминофоров. Возбуждая атомы последних, эти лучи вызывают свечение всей внутренней поверхности трубки. Комбинируя состав люминофоров, получают требуемую цветность излучения лампы.
Процесс возбуждения газового разряда в лампах называют зажиганием. Для зажигания ламп низкого давления широко применяют стартеры. Стартер представляет собой ионный прибор тлеющего разряда с одним или двумя биметаллическими элементами — электродами, заключенными в стеклянную колбу, заполненную неоном. Биметаллический элемент составлен из двух пластин разнородных металлов, жестко соединенных между собой. Материалы пластин резко различаются коэффициентами линейного расширения. Если один конец пластин жестко закрепить, то при нагреве биметаллический элемент изогнется в сторону пластины с меньшим коэффициентом линейного расширения.
Стартер включают параллельно междуэлектродному промежутку лампы и последовательно в цепь нитей накала ее электродов (см. рис. 97, а). При включении лампа сначала не зажигается, так как приложенное к ней напряжение недостаточно для возбуждения разряда в условиях отсутствия термоэлектронной эмиссии. Однако этого напряжения достаточно для возбуждения тлеющего разряда между электродами стартера.
Под воздействием энергии разряда биметаллический электрод стартера нагревается и изгибается. Происходит замыкание электродов. Тлеющий разряд при этом шунтируется замкнутыми электродами стартера и гаснет. Биметаллический электрод охлаждается и, распрямляясь, размыкает цепь. Снова возникает тлеющий разряд.
Некоторое время при периодических замыканиях электроды остаются замкнутыми между собой. Сопротивление стартера в этом случае близко к нулю. Во время тлеющего разряда сопротивление стартера очень велико, что практически эквивалентно разрыву цепи.
В моменты нулевого сопротивления стартер включает цепи накала люминесцентной лампы. Происходит их предварительный разогрев током для возбуждения термоэлектронной эмиссии. При размыкании электродов стартера цепь нитей накала разрывается и напряжение сети оказывается приложенным к междуэлектродному промежутку лампы. В ней возникает дуговой разряд—лампа зажигается. Если попытка зажигания почему-либо окажется неудачной, стартер снова замкнет цепь разогрева нитей накала и снова разомкнет ее при охлаждении биметаллического электрода. При исправной лампе несколько таких попыток обычно приводят к ее зажиганию.
В настоящее время изготовляют люминесцентные лампы общего применения мощностью 15 , 20 , 30 , 40 , 65 , 80, 110, 125, 150 и 200 Вт (диаметры трубок 27, 38 и 54 мм и длины в пределах 450—1524 мм) и малогабаритные люминесцентные лампы мощностью 4, 6, 8, 10, 13 Вт (диаметр трубки 16 мм, длина 136—528 мм). Лампы в комплекте с пускорегулирующей аппаратурой рассчитаны на напряжение 127 и 220 В.
Кроме основной прямой формы лампы могут иметь форму кольца (К), квадрата (КВ), могут быть U-образные и др.
Рис. 96. Люминесцентная лампа высокого давления ДРЛ:
1 — кварцевая горелка, 2 — основной электрод, 3 — резистор, 4 — зажигающий электрод
По цветности люминесцентные лампы низкого давления разделяются на лампы дневного света (ЛД), лампы с улучшенной цветопередачей (ЛДЦ), лампы белого света (ЛБ), лампы холодно-белого света (ЛХБ), лампы тепло-белого света (ЛТБ). Наибольшую светоотдачу имеют лампы ДБ (до 75 лм/Вт), наименьшую — лампы ЛДЦ. Для декоративного и художественного освещения выпускают цветные лампы красного (ЛК), розового (ЛР), желтого (ЛЖ) и голубого (ЛГ) света.
Для бесстартерного пуска изготовляют лампы с проводящей полосой или покрытием на колбе, облегчающими распространение разряда вдоль трубки.
Срок службы люминесцентных ламп низкого давления достигает 10 000 ч. Люминесцентные лампы низкого давления хорошо работают при 18—25° С. При других температурах светоотдача уменьшается. При отрицательных температурах сокращается срок службы, ухудшается зажигание. Лампы чувствительны к колебаниям напряжения сети.
Газоразрядные лампы высокого давления.
Основой конструкции ртутных ламп является кварцевая горелка 1 (рис. 96). Горелка представляет собой трубку из термостойкого высокопрочного стекла, заполненную аргоном с добавкой дозированной капли ртути. Давление паров ртути в горелке достигает 1 МПа. В трубку впаяны два или четыре электрода (два главных и два зажигательных). В горелке возбуждается дуговой разряд, который под высоким давлением отличается большой мощностью в малом объеме.
Для возбуждения в горелке дугового разряда необходима определенная разность потенциалов на главных электродах. Однако после подачи на электроды напряжения, соответствующего потенциалу зажигания, рабочий режим дугового разряда устанавливается лишь постепенно. Время установления разряда зависит от состава рабочей среды, мощности горелки и температуры окружающей среды. Пусковой период в работе горелки обусловлен временем полного испарения ртути и разогрева кварцевой трубки до рабочей температуры.
После отключения горелки дуговой разряд прекращается, но рабочее давление паров ртути сохраняется в течение некоторого времени. Немедленное повторное включение горелки при том же напряжении оказывается невозможным, так как при повышенном давлении паров ртути для возбуждения разряда требуется повышенное значение разности потенциалов на электродах горелки. Повторное зажигание становится возможным после конденсации паров ртути.
Особенностью устройства горелок металлогалоидных ламп является то, что в их рабочую среду вводят дополнительно йодиды металлов, способных после сильного возбуждения отдавать избыток энергии в виде световых излучений. Эти металлы (таллий, индий, натрий, цезий) активны. Поэтому их перед вводом в трубку во избежание порчи ее стекла связывают с иодом в простые соединения— йодиды. Иод не только связывает добавки металлов, но и обеспечивает замкнутый галоидный цикл химических превращений в горелке. Галоидный цикл в горелке подобен тому, который описан для галоидной лампы накаливания.
Если в лампе накаливания галоидный цикл является только средством усовершенствования рабочих характеристик, то в металлогалоидной лампе он служит основой рабочего процесса, обеспечивая периодические циклы возбуждения и последующего излучения одних и тех же атомов металлов.
Четырехэлектродные кварцевые горелки зажигаются при более низких напряжениях, чем двухэлектродные. Разряд сначала возбуждается между близко расположенными зажигательным и главным электродами, а затем распространяется между главными электродами.
Дуговая ртутная люминесцентная лампа ДРЛ состоит из кварцевой горелки, заключенной в стеклянный баллон. Форма баллона обеспечивает нагрев горелкой всех его точек до одинаковой температуры (300—400° С). Такая температура необходима для работы люминофора, слой которого нанесен на внутреннюю поверхность баллона. Для консервации свойств люминофора баллон заполнен углекислым газом. Лампа собрана на резьбовом цоколе, с помощью которого она укрепляется в светильниках.
Горелка лампы ДРЛ содержит только инертный газ и каплю ртути. Интенсивный дуговой разряд в парах ртути при высоком давлении излучает сине-зеленую часть видимого спектра при полном отсутствии красно-оранжевых лучей. Такое излучение сильно искажает цветопередачу и для целей искусственного освещения малопригодно.
Для исправления цветности излучения применяют люминофор, атомы которого возбуждаются ультрафиолетовым излучением горелки. Химический состав люминофора подобран так, что максимум излучения его возбужденных атомов расположен в оранжево^ красной части спектра. Для видимого излучения горелки люминофор практически прозрачен. Смешение спектров излучений горелки и люминофора делает лампу приемлемой для наружного освещения. Продолжительность пускового периода ламп ДРЛ составляет 3—10 мин. Повторное зажигание возможно через 5—8 мин. Лампы ДРЛ выпускают мощностью 80, 125, 250, 400, 700, 1000 и 2000 Вт. Лампа мощностью 2 кВт рассчитана на напряжение 380 В, остальные — на напряжение 220 В. Срок службы — 10 000 ч.
Дуговая ртутная йодидная (металлогалоидная) лампа ДРИ по конструкции подобна лампе ДРЛ. Баллон лампы имеет овальную или цилиндрическую форму. Горелка несколько короче и большего диаметра, чем в лампе ДРЛ. Цветность излучения атомов металлов в горелке лампы ДРИ зависит от их состава. Состав добавок металлов в горелке подбирают так, чтобы излучения атомов совместно с видимым излучением газового разряда давали спектр, близкий к естественному. В связи с этим необходимость в люминофоре отпадает. Баллон необходим для создания вокруг горелки глубокого вакуума. Вакуум теплоизолирует горелку, чувствительную к изменениям температуры окружающей среды.
Для зажигания ламп ДРИ требуется импульс повышенного напряжения. Этот импульс вырабатывает специальное пускорегулирующее устройство (ПРА), смонтированное на арматуре светильников. Процесс пуска ламп продолжается 3—4 мин. Повторное включение лампы возможно через 5—30 мин после выключения. Лампы ДРИ изготовляют мощностью 400, 700 и 1000 Вт при напряжении 220 В и мощностью 2000 Вт при напряжении 380 В. Срок службы с возрастанием мощности уменьшается от 4500 до 1000 ч.
Кроме ртутных ламп высокой экономичностью работы отличаются ксеноновые и натриевые лампы. Ксеноновые лампы могут иметь очень большую мощность (до 100 кВт), при которой необходимо искусственное водяное охлаждение. Натриевые лампы создают благоприятный спектр излучения при наиболее высокой в сравнении с другими лампами светоотдаче.
Натриевые лампы могут быть не только высокого, но и низкого давления.
