Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов - Газоразрядные лампы

В соответствии с новыми нормами по освещению для осветительных установок рекомендуется применять в первую очередь газоразрядные лампы как наиболее экономичные.

Рис. 1.5. Вольт-амперная характеристика газоразрядного промежутка:
1 — тихий разряд; 2 — переходная область; 3 - нормальный тлеющий разряд; 4 — аномальный тлеющий разряд; 5 —дуговой разряд.
Работа газоразрядных источников света основана на использовании электрического разряда в газовой среде и парах металла. Чаще всего для этого применяют аргон и пары ртути. Излучение происходит за счет перехода электронов атомов ртути с орбиты с высоким содержанием энергии на орбиту с меньшей энергией. При этом возможно несколько видов электрических разрядов (например, тихий, тлеющий, дуговой). Дуговой разряд имеет наибольшую плотность электрического тока и как следствие этого создает наибольший световой поток.
На рисунке 1.5 изображена вольтамперная характеристика электрического разряда в газе при изменении тока от нуля до предельного значения.
При определенных плотностях тока характер процесса ионизации межэлектродного промежутка — лавинообразный. В этом случае с увеличением тока сопротивление межэлектродного промежутка резко уменьшается, что ведет, в свою очередь, к еще большему увеличению тока и, как следствие этого, к аварийному режиму. Такой режим может возникнуть, если включить газоразрядный источник света непосредственно в сеть. При увеличении напряжения от нуля до значения (рис. 1.5) ток плавно увеличивается. Дальнейшее увеличение напряжения до значения UT приводит к неустойчивой точке в, после которой ток резко возрастает за счет уменьшения сопротивления промежутка при лавинообразной ионизации. Ограничить этот ток, а следовательно, и стабилизировать режим работы в области 5 можно путем включения токоограничивающего сопротивления, называемого балластным, так как мощность на нем расходуется бесполезно Значение балластного сопротивления можно определить графически. Для этого, имея вольтамперную характеристику газоразрядного источника излучения, необходимо задаться рабочей точкой А и величиной напряжения сети Uc.
Тогда
(1.17)
Точка А характеризуется двумя видами сопротивления: статическим
и динамическим

Рис. 1.6. Изменение положения рабочей точки при изменении напряжения сети (а) и сопротивления балласта (б).
Рис. 1.7. Влияние величины Ua/Ue на стабильность работы газоразрядной лампы npи изменении напряжения питающей сети.
Динамическое сопротивление на падающем участке рассматриваемой волы амперной характеристики отрицательно.
Изменить положение рабочей точки А можно либо путем изменения сопротивления R (рис. 1.6,6), либо путем изменения напряжения сети Uc (рис. 1.6,с). При этом изменяется как статическое Rлc, так и динамическое Rлд сопротивление лампы. Необходимо отметить, что статическое сопротивление лампы Rлд вместе с сопротивлением балласта определяют рабочий ток в каждой точке, а динамическое— устойчивость горения дуги. Устойчивость горения дуги определяется из условия
(1-18)
Это условие соблюдается на участке вольт-амперной характеристики правее точки Д. При этом чем дальше вправо рабочая точка отстоит от точки Д, тем устойчивей горит дуга, так как уменьшается реакция тока на случайные небольшие изменения напряжения сети Uc.
Работа газоразрядной лампы в любой рабочей точке возможна при различных значениях напряжения сети Uc. Для этого необходимо подобрать сопротивление балласта таким, чтобы рабочий ток оставался постоянным (рис. 1.7). Однако стабильность работы лампы при этом будет различной. Чем выше напряжение питающей сети Uc и соответственно сопротивление балласта Rб, тем меньше влияют отклонения напряжения на ток лампы. Но следует помнить, что при этом возрастают потери мощности в балластном сопротивлении. Учитывая это, в практике рекомендуется балластное сопротивление брать таким, чтобы соблюдалось условие, позволяющее получить достаточную устойчивость работы газоразрядных ламп при минимальных потерях в балласте.
Для работы на постоянном токе используются активные балласты, на переменном — индуктивные и емкостные (иногда и активные).
Все газоразрядные источники по значению рабочего давления делятся на лампы низкого, высокого и сверхвысокого давления.
Люминесцентные лампы низкого давления представляют собой стеклянную цилиндрическую колбу, внутренняя поверхность которой покрыта люминофором. В торцы колбы вварены стеклянные ножки. На ножках смонтированы вольфрамовые электроды в виде биспиралей, покрытые слоем оксида (окисла щелочно-земельных металлов), обеспечивающего хорошую эмиссию электронов. Для защиты от бомбардировки в анодный период к электродам приварены проволочные экраны. На концах колба имеет цоколи со штырьками. Из колбы лампы откачан воздух и введен в нее аргон при давлении около 400 Па с небольшим количеством ртути (30-50мг.).
В люминесцентных лампах световая энергия возникает в результате двойного преобразования энергии электрического тока. Во-первых, электрический ток, протекая между электродами лампы, вызывает электрический разряд в парах ртути, сопровождающийся излучением (электролюминесценция). Во-вторых, возникающая при этом лучистая энергия, большая часть которой представляет собой ультрафиолетовое излучение, воздействует на люминофор, нанесенный на стенки колбы лампы и преобразуется в световое излучение (фотолюминесценция). В зависимости от состава люминофора получают видимые излучения различного спектрального состава. Наша промышленность выпускает люминесцентные лампы пяти типов: дневного света ЛД, дневного света с улучшенной цветопередачей ЛДЦ, холодно-белого света ЛХБ, белого света ЛБ и тепло-белого ЛТБ. Колбы люминесцентных ламп чаще всего имеют прямолинейную, образную и кольцевую формы. Люминесцентные лампы выпускаются мощностью 15, 20, 30, 40, 65 и 80 Вт. В сельском хозяйстве применяются лампы преимущественно мощностью 40 и 80 Вт (табл. 1.3).
Таблица 1.3
Характеристики люминесцентных ламп, используемых в сельском хозяйстве

В настоящее время выпускаются новые лампы с улучшенной цветопередачей типа ЛЕ.
По сравнению с лампами накаливания люминесцентные лампы имеют более благоприятный спектральный состав излучения, большую световую отдачу (60 ... 70 лм-Вт-1) и больший срок службы (10 000 ч).
Кроме того, в сельском хозяйстве применяются специальные лампы низкого давления: фитолампы — для выращивания растений, эритемные — для УФ облучения животных и птиц, бактерицидные— в установках обеззараживания. Эритемные и фитолампы имеют специальный люминофор, бактерицидные — без люминофора (табл. 1.4)
Все люминесцентные лампы низкого давления включаются в сеть через балластное сопротивление.

Характеристики эритемных, бактерицидных и фитоламп

Следует помнить, что зажигание люминесцентных ламп без специальных мероприятий осуществляется при напряжении U3, как правило, больше сетевого Uc. Одним из способов снижения напряжения зажигания U3 является предварительный подогрев электродов, облегчающий эмиссию электронов. Этот подогрев можно осуществлять, используя стартерные и бесстартерные схемы (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Схема включения люминесцентной лампы низкого давления:
1 — зажим сетевого напряжения; 2 — дроссель; 3, 5 — электроды лампы; 4 — трубка; 6, 7 — электроды стартера; 8 — стартер.
Стартер представляет собой миниатюрную неоновую лампу, один или оба электрода которой выполнены из биметалла. При нагревании эти электроды могут между собой замыкаться. В исходном состоянии они разомкнуты. При подаче напряжения на зажимы 1 все оно оказывается практически приложенным к зажимам стартера 6 и 7 и в его колбе 8 возникает тлеющий разряд. За счет протекающего при этом тока выделяется тепло, которое нагревает подвижной биметаллический контакт 7, и он замыкается с неподвижным контактом 6. Ток в цепи в этом случае резко возрастает. Его величина оказывается достаточной для нагрева электродов 5 и 5 люминесцентной лампы, выполненных в виде спиралей. За 1...2 с электроды лампы разогреваются до 800...900°С. Так как разряда в это время в колбе стартера нет, электроды его остывают и размыкаются.
В момент разрыва цепи в дросселе 2 возникает э. д. с. самоиндукции, значение которой пропорционально индуктивности дросселя и скорости изменения тока в момент разрыва цепи. Образовавшееся за счет э. д. с. самоиндукции повышенное напряжение (700... 1000 В) оказывается приложенным к электродам лампы, подготовленным к зажиганию. Между электродами возникает дуговой разряд, и лампа 4 начинает светиться. В этом режиме сопротивление лампы оказывается примерно одинаковым с сопротивлением последовательно включенного дросселя и напряжение на ней снижается приблизительно до половины напряжения сети Это же напряжение приложено к стартеру, включенному параллельно лампе, но стартер больше не зажигается, ибо напряжение его зажигания устанавливается в пределах

Таким образом, стартер и дроссель выполняют важные в процессе зажигания и работы функции. Стартер: 1) замыкает цепь «спирали электродов — дроссель», ток, протекающий при этом, нагревает электроды, облегчая зажигание лампы за счет термоэлектронной эмиссии; 2) разрывает после разогрева электродов лампы электрическую цепь и тем самым вызывает импульс повышенного напряжения на лампе, обеспечивающего пробой газового промежутка.
Дроссель: 1) ограничивает ток при замыкании электродов стартера; 2) генерирует импульс напряжения для пробоя лампы за счет э. д. с. самоиндукции в момент размыкания электродов стартера; 3) стабилизирует горение дуги после зажигания.
Так как стартер является самым ненадежным элементом в схеме зажигания, разработаны и бесстартерные схемы. Предварительный подогрев электродов в этом случае осуществляется от специального накального трансформатора.
Для люминесцентных ламп низкого давления выпускаются специальные пускорегулирующие аппараты (ПРА).
Стартерные ПРА обозначаются 1УБИ, 1УБЕ, 1УБК (цифра указывает число ламп, работающих от одного ПРА, У — стартерный, Б — балласт, И — индуктивный, Е — емкостный; К — компенсированный, т.. е. повышающий коэффициент мощности осветительной установки до 0,9...0,95). Для двух ламп соответственно 2УБИ, 2УБЕ, 2УБК.
Бесстартерные аппараты имеют в своем обозначении букву А: АБИ, АБЕ, АБК. Например, марка ПРА 2АБК-80/220-АНП расшифровывается так: двухламповый бесстартерный аппарат, компенсированный, мощность каждой лампы 80 Вт, напряжение сети 220 В, антистробоскопический (А), для независимой установки (Н), с пониженном уровнем шума (П).
Одним из недостатков газоразрядных ламп является пульсация светового потока, вызывающая стробоскопический эффект — мелькание быстро движущегося предмета. Для уменьшения величины пульсации светового потока рекомендуется включать лампы на разные фазы или применять специальные антистробоскопические ПРА.

Рис. 1 9. Лампа ДРТ (а) и схема ее включения (б):
1 — трубка из кварцевого стекла; 2 — электрод; 3 — хомут с держателем; 4 — токопроводящая полоса.
Рис. 1.10 Четырехэлектродная лампа ДР-С (а) и схема ее включения (б):
1 — ртутно-кварцевая горелка; 2 — колба; 3 — люминофор; 4 — поджигающие электроды; 5 — основные электроды; 6 — токоограничивающие резисторы.
При включении люминесцентных ламп на напряжение повышенной частоты увеличивается их световая отдача, уменьшаются размеры балласта и потери в нем, уменьшается величина пульсации светового потока.
Газоразрядные лампы высокого давления. Наиболее распространенными в сельскохозяйственном производстве являются лампы типа ДРТ — дуговая, ртутная, трубчатая и ДРЛ — дуговая, ртутная, люминесцентная.
Лампа ДРТ представляет собой прямую трубку 1 из кварцевого стекла (рис. 1.9,а), в торцы которой впаяны электроды 2. Трубка заполнена аргоном и небольшим количеством ртути. Так как кварцевое стекло хорошо пропускает УФ излучение, лампа в основном используется для УФ облучения животных и птицы и для обеззараживания воды, продуктов, воздуха и т. д.
Включается в сеть лампа через дроссель (рис. 1.9,6). Зажигание осуществляется кратковременным нажатием кнопки S. При этом через дроссель L и конденсатор С1 протекает ток. При размыкании кнопки ток резко уменьшается и за счет э. д. с. самоиндукции дросселя резко повышается напряжение на электродах лампы, что способствует ее зажиганию. Металлическая полоса Я, подключенная через конденсатор С2, обеспечивает перераспределение электрического поля внутри лампы, что облегчает зажигание лампы.
Лампы ДРЛ используются для освещения. Они могут быть как двух- так и четырехэлектродными. В настоящее время выпускаются только четырехэлектродные лампы, конструкция и схема включения которых показаны на рисунке 1.10. Ртутно-кварцевая горелка I является источником УФ излучений. Колба 2 выполнена из термостойкого стекла и с внутренней стороны покрыта люминофором 3, который преобразует УФ излучение горелки в световое. Для облегчения зажигания четырехэлектродная лампа имеет поджигающие электроды 4. Разряд возникает сначала между поджигающим и основным электродами 5, а затем между основными электродами (рабочий промежуток).
Перспективными для освещения являются металлогалоидные лампы высокого давления типа ДРИ. В колбы этих ламп добавляются иодиды натрия, таллия и индия, что позволяет увеличить световую отдачу в 1,5...2 раза по сравнению с лампами ДРЛ.
Для использования в теплицах на базе лампы ДРЛ разработаны специальные фитолампы типа ДРФ и ДРЛФ. Колба этих ламп выполнена из стекла, выдерживающего при нагретом состоянии брызги холодной воды и покрыта специальным люминофором, имеющим повышенную фитоотдачу. В верхней части колбы нанесен отражающий слой.