Судовые станции и сети - Источники света и их применение

§ 31. ИСТОЧНИКИ СВЕТА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ
В настоящее время применяются следующие разновидности источников электрического освещения:
а)   лампы накаливания;
б)   лампы газосветные;
в)   лампы люминесцентные;
г)   электродуговые источники света.
Электродуговые источники света, ранее применявшиеся в прожекторах, в последнее время почти не применяются и вытеснены более удобными и надежными прожекторными лампами накаливания.

Лампы накаливания.

В настоящее время наибольшим распространением пользуются лампы накаливания. На рис. 115 показано устройство лампы накаливания и даны наименования отдельных ее элементов.
Спираль ламп накаливания выполняется из вольфрамовой нити. Температура плавления вольфрама составляет около 3300° С.
Реальная температура накала вольфрамовой нити в лампах накаливания составляет от 2200 до 2600° С, так как дальнейшее повышение температуры отрицательно сказывается на сроке службы лампы.
Лампы мощностью свыше 60 вт заполняются инертными газами: азотом, аргоном, криптоном, ксеноном. Присутствие инертного газа в колбе лампы благоприятно сказывается на сроке службы, так как при этом вольфрамовая нить не разрушается и почти не распыляется, благодаря чему на внутренних стенках колбы не образуется налета темного цвета.

Рис. 116. Световая отдача нормальных ламп накаливания в функции мощности при напряжениях 110—127 в и 220 В

Рис. 115. Конструкция лампы накаливания 1 — линза; 2 — колба (стекло); 3 — спираль (вольфрам); 4 — крючки (молибден); 5 — штабик; 6 — электроды (никель); 7 — лопатка; 8 — штенгель; 9 — цоколь (латунь, сталь); 10 —  цокольная мастика: 11 — изолятор; 12 — нижний контакт (свинец, олово)

Вместе с тем, наличие инертного газа в колбе заметно влияет на увеличение потерь тепла через конвекцию и на снижение светового коэффициента полезного действия.
Поэтому лампы небольшой мощности до 60 вт выполняются вакуумными, а свыше 60 вт делаются газонаполненными. При этом температура накала нити в таких лампах выше, чем у вакуумных, в силу чего увеличивается световой коэффициент полезного действия.
Чаще всего лампы накаливания заполняются инертными газами: азотом и аргоном. При заполнении ламп криптоно- ксеноновой смесью (газами, обладающими
меньшей теплопроводностью, чем азот и аргон) уменьшаются потери тепла через конвекцию, в силу чего представляется возможным повысить температуру накала нити, в результате чего заметно возрастает световой коэффициент полезного действия.
Световой коэффициент полезного действия ламп характеризуется световой отдачей ламп γ

где Р — мощность лампы в вт.
Световая отдача ламп накаливания повышается:
а) с повышением мощности ламп при одинаковом напряжении;
б) с понижением номинального напряжения ламп при той же мощности (рис. 116).

Рис. 117. Схема спирали и биспирали

Увеличение световой отдачи ламп накаливания с увеличением мощности и при понижении номинального напряжения объясняется тем, что выполняемая в этих случаях более толстая нить допускает более высокую температуру нагрева.
Вольфрамовая нить некоторых ламп выполняется в виде двойной спирали (рис. 117). Такие лампы называются биспиральными. Биспиральные лампы обладают несколько повышенной светоотдачей в сравнении с нормальными лампами.  Двойная спиральная нить хуже сопротивляется ударным нагрузкам, сотрясениям и вибрациям, в силу чего такие лампы на судах не применяются.
Основные характеристики судовых ламп накаливания, согласно ГОСТ 1608-56, приведены в табл. 56.
Судовые электрические лампы накаливания несколько отличаются от нормальных.

Таблица 56
Основные характеристики судовых ламп накаливания по ГОСТ 1608-55

Примечание. Вместо цоколей Р-27 и Р-14 можно применить цоколи 2Ш-22 и 2Ш-15.
К судовым электрическим лампам предъявляются следующие основные требования:
а)  лампы должны нормально работать при температурах от + 60 до —60° С;
б) они должны работать при вибрациях с частотой 25 герц в течение 1 мин.;
в) лампы должны противостоять сотрясениям, что проверяется испытаниями на удар на специальном стенде;
г)  при относительной влажности воздуха 95—98% лампы должны нормально работать.
Дополнительные требования, предъявляемые к судовым электрическим лампам, вызывают необходимость более надежного и усиленного крепления и некоторого снижения температуры нагрева вольфрамовой нити. Поэтому светоотдача судовых электрических ламп несколько ниже, чем у нормальных ламп накаливания.
Так, например, светоотдача судовой лампы накаливания 220 В, 60 вт, составляет 7,2 лм/вт, а у нормальной лампы накаливания при тех же параметрах, светоотдача 9,0 лм/вт, т. е. у судовой лампы светоотдача ниже, чем у нормальной, на 20%.
Цоколи электрических ламп накаливания изготовляются двух основных видов: резьбовые и штифтовые.
Существуют следующие типы резьбовых цоколей: Р-10, Р-14, Р-27 и Р-40 (цифры обозначают наружный диаметр резьбы).
Применимость различных диаметров резьбовых цоколей указана ниже.

Штифтовые цоколи электрических ламп изготовляются следующих типов:

Цифры в обозначении типа обозначают: первая — число контактов, последняя — наружный диаметр.
До недавнего времени на судах применялись преимущественно штифтовые цоколи электрических ламп, но в последнее время имеется тенденция применять в основном цоколи резьбовые.
Внешний вид цоколей типа Р и Ш показан на рис. 118 и рис. 119.
Соответственно цоколям, для подключения электрических ламп, применяются следующие типы патронов:
а) для ламп со штифтовыми цоколями патроны типов 1С-9, 1С-15, 2С-15 и 2С-22;

Рис. 120. Внешний вид прожекторной лампы типа ПЖ-50

Рис. 119. Внешний вид цоколя типа Ш
1 — изоляция; 2 —  контакты; 3 — корпус; 4 — рант; 5 —  штифты

Рис. 118.
Внешний вид цоколя типа Р 1 — контакт; 2 —  изоляция; 3 —  резьбовая гильза: 4 — рант
б) для ламп с резьбовыми цоколями патроны типов Ц-10, Ц-14, Ц-27 и Ц-40.
У патронов Ц-10 и Ц-40 центральный контакт является пружинным, а резьбовая гильза является вторым контактом.

Таблица 57
Основные характеристики электрических ламп накаливания самолетного типа, применяемых на судах

У патронов типов Ц-14 и Ц-27 резьбовая гильза электрическим контактом не служит. Роль электрических контактов у этих патронов выполняют центральный и боковой контакты; один из них является пружинящим.
Кроме судовых и нормальных ламп накаливания, на речных судах флота применяются лампы накаливания самолетные (табл. 57) и прожекторные (табл. 58).

Таблица 58
Основные характеристики электрических ламп накаливания прожекторного типа, применяемых на судах

Внешний вид прожекторной лампы типа ПЖ-50 с фокусирующим цоколем типа 1Ф-С51 показан на рис. 120.
Электрические и светотехнические характеристики ламп накаливания зависят от приложенного напряжения.
Для небольших диапазонов изменения напряжения Е. В. Федоров установил следующие зависимости:
Для тока

Во всех случаях величина с индексом «н» является номинальной, а без индекса отличной от номинальной.

Пример 1. Определить потребляемую мощность, световую отдачу и срок службы лампы накаливания 100 вт, 110 В, подключенной к сети с напряжением на 5% выше нормального (115,5 в).

Решение. Потребляемая мощность

т. е. на 9% больше.
Световая отдача

Газосветные источники света.

Стремление повысить экономичность тепловых источников света путем повышения температуры излучателя неизбежно вызывает сокращение срока службы такого источника света. Указанное противоречие обусловило возникновение холодных источников света или светоизлучателей, работающих при более низких температурах, чем лампы накаливания. Остановимся коротко на газосветных источниках света. Если к электродам, находящимся внутри запаянной с обеих сторон стеклянной трубки, наполненной разреженным газом, подвести разность потенциалов, то электрическое поле, воздействуя на свободные электроны и ионы, перемещает электроны к аноду, а ионы к катоду, т. е. возникает электрический ток (рис. 121). По мере увеличения напряжения электроны получают достаточную кинетическую энергию для ионизации атомов газа. Появляются новые электроны и ионы. Электрический ток все время нарастает. Для стабилизации тока применяют балластное сопротивление или дроссель (рис. 122).
Вследствие малой скорости перемещения ионов, они группируются у катода, образуя объемный положительный заряд, в то время как легкие и подвижные электроны быстро переносятся к аноду. Вдоль трубки возникает неравномерное распределение потенциалов с большим градиентом у катода и малым у анода и образуется свечение газа у анода и катода. В газосветных лампах используется положительное свечение.

Рис. 121. Строение тлеющего разряда и распределение потенциала вдоль трубки

Рис. 122. Схема включения ртутно-кварцевой лампы Д — дроссель; С — конденсатор;
К — кнопка
К газосветным источникам света относятся также ртутнокварцевые лампы интенсивного горения и сверхвысокого давления (30—50 атм.). В этих лампах разряд происходит в парах ртути, которая испаряется в процессе замыкания и размыкания емкости, включенной параллельно лампе (рис. 122).
Характеристики ртутных ламп сверхвысокого давления приведены в табл. 59.

Таблица 59

Светоотдача нормальной лампы накаливания 500 вт, 127 в составляет 18,2 лм/вт.
Светоотдача лампы ИГАР-2, 500 вт, составляет 28,4 лм/вт, а у лампы СВДШ-500 54 лм/вт.
Следовательно, лампа ИГАР-2 экономичнее лампы накаливания на 56%, а лампа типа СВДШ экономичнее той же лампы в 3 раза.

Ртутно-кварцевые лампы в основном применяются в фотографии и при светокопировании чертежей.

Люминесцентные лампы.

Люминесцентные лампы впервые разработаны у нас в Союзе акад, С. И. Вавиловым и проф. В. А. Фабрикантом.
В люминесцентной лампе применена цилиндрическая стеклянная трубка, покрытая изнутри тонким слоем светосостава. По обоим концам трубки укреплены биспиральные вольфрамовые нити, покрытые тонким слоем окиси бария для облегчения эмиссии электронов. После откачки воздуха из трубки внутрь вводится дозированное количество ртути, а также под небольшим давлением газ аргон, служащий для облегчения процесса зажигания. В люминесцентных лампах процесс преобразования электрической энергии в световую имеет две фазы.
Первоначально электрический ток накаляет вольфрамовые нити, расположенные с двух сторон лампы, в результате чего возникает электрический разряд в парах ртути, сопровождающийся излучением (электролюминесценция).
Возникающая при этом лучистая энергия, воздействуя на светосостав, нанесенный на стенках трубки, преобразуется в световые излучения (фотолюминесценция).
Светосоставы были впервые разработаны акад. С. И. Вавиловым в 1931 г.
В настоящее время применяются светосоставы, указанные в табл. 60.

Таблица 60

Люминесцентные лампы выпускаются следующих типов:
ДС — дневного света;
ХБС — холодно-белого света;
БС — белого света;
ТБС — тепло-белого света.
Характеристики их приведены в табл. 61.

Таблица 61
Световые и электрические характеристики и габариты судовых люминесцентных ламп белого света

Рис. 123. Схема включения люминесцентной лампы
Л — лампа; Д — дроссель; C1 — конденсатор для повышения cos φ; С2—конденсатор для устранения радиопомех, Зж — зажигатель

Рис. 124. Схема включения люминесцентной лампы без зажигателя
Л — лампа; Д — дроссель; C1 — конденсатор для повышения cos φ; С2 —  конденсатор для устранения радиопомех, L — индуктивность
Наибольшей светоотдачей люминесцентные лампы обладают при температуре окружающего воздуха 20—25° С, когда температура стенок стеклянной трубки составляет 45—50°. При температуре 10° светоотдача уменьшается в три раза, а при 0° в пять раз. При отрицательных температурах обычные люминесцентные лампы не работают. Светосостав, применяемый в люминесцентных лампах, также чувствителен к температуре. При температуре 20—25° светосостав наилучшим образом преобразует невидимые лучи в видимые; при повышении температуры эффективность светосостава снижается, а при 150° свечение прекращается.
Вольфрамовые нити люминесцентных ламп нагреваются в момент зажигания до 800—1000°, а при горении лампы температура значительно снижается. Казалось бы, что при столь благоприятных условиях вольфрамовая нить будет служить практически не разрушаясь. Но в действительности в первоначальный момент пробоя газового столба наблюдается вырывание частиц вольфрама.

Рис. 125. Схема включения двух люминесцентных ламп в однофазную сеть
Параллельно включены две цепи: отстающая с дросселем и опережающая с дросселем и конденсатором, cos φ =  0,95, Д — пусковой дроссель; Ст — стартер; R — разрядное сопротивление
Продолжительность службы люминесцентной лампы в основном зависит от частоты и условий зажигания. При частом зажигании при пониженной температуре срок службы лампы составляет несколько сотен часов, в то время как при включении 1—2 раза в сутки лампа может служить 5—6 тыс. часов, а при непрерывном горении 10—12 тыс. часов.
При температуре окружающего воздуха 20—25° около 20% подводимой к лампе электроэнергии расходуется на световые излучения.
При освещении одиночной люминесцентной лампой наблюдается так называемый стробоскопический эффект, общий для всех газосветных ламп.
Светность люминофора (светосостава) усиливается и ослабляется в соответствии с частотой переменного тока. Ослабление и усиление силы света происходит в силу того, что послесвечение люминофора длится не более чем 0,1 — 0,01 сек. Колебание освещенности, незаметное при освещении неподвижных предметов, сказывается очень ощутимо при освещении быстро движущихся предметов. Например, при освещении люминесцентной лампой вращающегося вала может казаться, что вал вращается не с той скоростью или даже не в ту сторону, в какую он вращается на самом деле.
Для того чтобы сгладить изменение светового потока, люминесцентные лампы включают группами, причем между токами отдельных ламп создается сдвиг по фазе, благодаря чему их световой поток меняется не одновременно. Такое включение практически устраняет видимые изменения светового потока.
Схемы включения люминесцентных ламп. На рис. 123 показана схема включения люминесцентной лампы с применением зажигателя. При включении лампы возникает тлеющий разряд между электродами зажигателя, нагревающий биметаллическую пластинку; она прогибается и замыкает цепь электродов лампы, которые нагреваются до 800—1000°. При зажигании электродов тлеющий разряд прекращается и биметаллическая пластинка, охлаждаясь, разрывает цепь тока.

В момент размыкания цепи зажигателя возникает разряд между электродами лампы. В первый момент разряд возникает в атмосфере аргона, а по истечении некоторого промежутка времени, необходимого для испарения ртути, разряд происходит в парах, ртути. Процесс зажигания лампы при применении биметаллического зажигателя длится до 10 сек., если напряжение, подводимое к лампе, соответствует номинальному. На рис. 124 показана схема включения люминесцентной лампы без зажигателя. При включении лампы через катоды проходит ток, определяемый величиной L, обеспечивая их нагрев. После зажигания индуктивность оказывается подключенной параллельно лампе, и ток, протекающий через катоды, и индуктивность резко падают. Наличие включенной параллельно лампе нелинейной индуктивности повышает стабильность горения лампы.
При отсутствии этой индуктивности погасание люминесцентной лампы происходит при 185—190 в, а при наличии индуктивности при 145—150 в.
Зажигание люминесцентной лампы, включенной по схеме рис. 124, безотказное, мгновенное.
На рис. 125 показана схема включения двух люминесцентных ламп с применением зажигателей (стартеров).