Ртутні лампи високого і надвисокого тиску

Оскільки підвищення потужності ламп низького тиску (більше ніж 100 Вт) пов’язане із великими труднощами, для отримання значних світлових потоків і ламп великої потужності використовують розряди в парах металів або інертних газів при великому тискові. Лампи, тиск у колбі яких становить 0,3-15 атм., називають лампами високого тиску (ВТ), більше від 15 атм. – лампами надвисокого тиску (НВТ). Лампи з розрядом ВТ та НВТ відрізняються від ламп низького тиску, наприклад ЛЛ, значно вищими густинами випромінювання, тому їх називають лампами високої інтенсивності.

Найбільш поширеними є ртутні лампи високого й надвисокого тиску. Підвищення тиску збільшує інтенсивність випромінювання ртуті в оптичному діапазоні, але, оскільки в ньому майже відсутнє випромінювання в червоній частині спектра (від 610 до 780 нм), це призводить до спотворення кольоропередачі, в першу чергу людської шкіри, яка набуває зеленкуватого землисто-синього відтінку, що робить лампи без виправлення кольоровості непридатними для загального освітлення. Для оцінки кольоровості ламп ВТ і НВТ використовують “червоне відношення”, або відсоток червоного r_к, що визначається як відношення світлового потоку в червоній частині спектра до загального світлового потоку, виражене у відсотках:

де λ – довжина світлової хвилі (в нм); U(λ) – спектральна густина випромінювання лампи; V(λ) – відносна спектральна світлова ефективність.

Лампи з r_к ≥ 5% дозволяється використовувати в освітлювальних установках промислових підприємств і зовнішнього освітлення, де немає підвищених вимог до якості кольоропередачі. Світловий потік вважається задовільним, якщо r_к ≥ 12%. Для ламп розжарювання r_к = 30%, для ртутного розряду ВТ r_к = 1,7%.

Існують три шляхи поліпшення кольоропередачі ртутних ламп:

1. Поєднання випромінювання ртутних ламп із випромінюванням ламп розжарювання. Цим шляхом можна досягти значного збільшення червоного випромінювання, але при цьому значно зменшується загальна світлова віддача установки.

2. Перетворення ультрафіолетового випромінювання ртутних ламп за допомогою люмінофорів у недостатнє випромінювання в червоній частині спектра. При цьому в принципі можна досягти не тільки підвищення якості кольоропередачі, але і підвищення світлової віддачі. Цей спосіб на сьогодні найбільш поширений.

3. Введення висвічуючих добавок у ртутний розряд, які заповнюють проміжки між видимими лініями спектра ртуті.

Найбільш поширеними серед ламп ВТ є лампи ДРЛ (дугова, ртутна, люмінофорна). В ній поліпшення кольоровості здійснюється за допомогою люмінофору. Джерелом випромінювання в цій лампі є трубка з кварцового скла з електродами, заповнена аргоном і ртуттю (у вимкненій лампі частина ртуті перебуває в рідкому стані), яка називається пальником (останнім часом ряд західноєвропейських фірм перейшли на виробництво пальників із прозорої кераміки, що має ряд переваг [18]) (такий же трубчастий пальник використовується в лампах типу ДРИ і натрієвих, див. далі). Пальник розміщений в еліпсовидній колбі, внутрішня поверхня якої покрита люмінофором (рис. 2.5).

Завдяки наявності запалюючого електрода в пальнику, лампи ДРЛ вмикаються в мережу через дросель, але, оскільки при зниженні температури навколишнього середовища напруга запалювання збільшується, для надійного запалювання ламп при температурі нижче від – 30^оС необхідно застосовувати імпульсний запалюючий пристрій або схеми з підвищенням початкової напруги, що подається на лампу при її вмиканні. Основні параметри ламп ДРЛ наведені в таблиці 2.3.

Після вмикання ламп ДРЛ відбувається випаровування рідкої ртуті в пальнику (внаслідок підвищення її температури), що підвищує тиск насичених парів ртуті до необхідної величини. Тому лампа потребує певного часу (3-7 хв.) на розпалювання, протягом якого світловий потік поступово збільшується, досягаючи номінального значення. Особливості виникнення розряду не дозволяють вмикати лампу ДРЛ, яка горіла, відразу (потрібен певний час, щоб вона охолонула).

На відміну від люмінесцентних ламп спектр ламп ДРЛ складається із спектра видимого випромінювання ртуті, до якого додається випромінювання люмінофору в червоній частині спектра. Лампи виробляються в основному трьох модифікацій: із r_к = 6, 10 і 12-15%; із колбами еліпсовидної форми, повністю покритими люмінофором (рис. 2.5); із колбами-рефлекторами (ДРЛР), що забезпечують перерозподіл світлового потоку в нижню напівсферу. В процесі горіння ламп відбувається падіння “червоного відношення” й світлового потоку. Згідно з ГОСТом після 70% середньої тривалості горіння світловий потік повинен становити не менше ніж 70% номінального. Термін служби зменшується при горизонтальному розташуванні пальника внаслідок перегріву кварцу.

Маркування ламп: ДРЛ, потім цифри – потужність у ватах, далі в дужках “червоне відношення” в % і через дефіс – номер розроблення. Баластні дроселі (ПРА) позначаються так само, як і для ЛЛ (див. вище), але замість УБ пишеться ДБ, а після цифри потужності букви ДРЛ, наприклад: 1 ДБИ – 700ДРЛ/220-Н-640 означає: дросель (індуктивність) баластний для однієї лампи ДРЛ, потужність 700 Вт, із напругою живлення 220 Вт, незалежного виконання, розроблення (серія) №640.

У металогалогенних розрядних лампах типу ДРИ колір ртутного розряду поліпшується шляхом уведення сполук металів із галогенами (переважно йодом), які випромінюють світло в тій частині спектра, де його не вистачає. Лампи мають вищу світловіддачу і кращу кольоровість, ніж лампи ДРЛ (табл. 2.3). Освітлювальні лампи ДРИ випускаються в циліндричних або еліпсовидних (як у ДРЛ) прозорих (без люмінофору) колбах (рис. 2.6 а, б). Недоліком цих ламп є залежність їх характеристик від положення пальника. При переході від вертикального до горизонтального положення зменшується світловіддача (для різних типів наповнювачів йодидів від 5-11% до 15-18%), збільшується швидкість падіння світлового потоку і скорочується тривалість горіння. Тому більшість фірм виробляють лампи для роботи з певною орієнтацією колби (пальника). Час розпалювання становить 2-5 хв. Час повторного запалювання визначається швидкістю охолодження і залежно від потужності лампи, її конструкції і схеми вмикання змінюється від 3 до 20 хв. Маркування ламп: ДРИ, потім букви, які визначають конструктивні особливості, наприклад: З – дзеркальна, Ш – кулькова тощо; цифри позначають потужність у ватах, через дефіс цифрою може бути вказана модифікація: 5 – для роботи з будь-якою орієнтацією з еліпсовидною зовнішньою колбою, максимально допустима температура на колбі 480^оС, на цоколі 230^оС, 6 – для роботи в горизонтальній орієнтації (±60^о) з циліндричною зовнішньою колбою, максимально допустима температура 550^оС. Останнім через дефіс указується номер розроблення. Наприклад, ДРИ 1000-6 означає лампу ДРИ потужністю 1000 Вт, для роботи з горизонтальним розташуванням (номер розроблення опущено).

Металогалогенна лампа ДМЗ-3000 – трифазна, з трьома основними електродами, працює із спеціальним ПРА, має зменшену пульсацію світлового потоку.

Лампи працюють від мережі з напругою 220, 380 В. Для підключення ламп до мережі краще використовувати спеціальні ПРА. Так, у США для живлення металогалогенних ламп (МГЛ) використовують спеціальний піковий автотрансформатор і конденсатор, які забезпечують надійне запалювання і горіння ламп, мають високий коефіцієнт потужності (соsφ ≈ 0,9), підвищують стабільність роботи ламп при зміні напруги мережі (значна чутливість МГЛ до коливань напруги живлення є ще одним їх суттєвим недоліком). Лампи ДРЛ із такими ПРА надійно працюють і при низьких від’ємних температурах. Завдяки цим (та деяким іншим) перевагам в США і частково в інших країнах ПРА з піковими автотрансформаторами використовують для живлення всіх ртутних ламп високого тиску. Недоліком цих ПРА є вища вартість й удвічі більша матеріалоємність порівняно з дроселями ламп ДРЛ, хоча одночасно відпадає необхідність у використанні імпульсного запалюючого пристрою (ІЗП).

Робота МГЛ із звичайним ДРЛ дроселем вимагає також ІЗП для запалювання, оскільки напруга запалювання МГЛ вища від ламп типу ДРЛ. При цьому з часом лампи починають згасати під час розпалювання, зменшується їх термін служби і посилюється спад світлового потоку, особливо при коливаннях напруги мережі й знижених температурах. Більш надійною є робота МГЛ (при застосуванні ДРЛ дроселя) на підвищених напругах 380 (та 660) В, але це збільшує габарити ПРА і зменшує cosφ установки. Особливо ефективним та надійним є використання ЕПРА з підвищенням частоти, яка також підвищує світловіддачу на 20-25%.

Створення малопотужних МГЛ зустрічає ряд конструктивних і технологічних труднощів. Але завдяки високій світловіддачі й тривалому терміну служби все більше фірм (на жаль, поки що тільки зарубіжних) почали випуск МГЛ із потужностями від 35 до 175 Вт, які призначені для освітлювання громадських будинків і порівняно невеликих приміщень. Термін служби становить 5-10 тис. год. Їх параметри наведені в таблиці 2.4.

Металогалогенні лампи з поліпшеною кольоропередачею поєднують високу світлову віддачу від 65 до 100 лм/Вт із дуже високою якістю кольоропередачі R_α = 80–90 і більше. Можуть бути циліндричні (ДРИ) (рис. 2.7,а) або кульової (ДРИШ) форми (рис. 2.7,б,в), які мають потужності від 200 Вт до 7 кВт. Лампи вмикаються в мережу через спеціальний дросель. Для запалювання й миттєвого перезапалювання гарячої лампи слугує блок миттєвого перезапалювання (БМП). Термін служби ДРИ-1000 год.; ДРИШ – декілька сотень годин (визначається нормованим зниженням Т_кол до 5500 К згідно з ТУ). Фактичний термін служби ДРИШ значно вищий. Головне призначення цих ламп – освітлення об’єктів для кольорових теле- і кінозйомок, наприклад, спортивних змагань, телестудій та знімальних майданчиків, але можуть застосовуватися для освітлення демонстраційних залів, виставок, у театрах, цирку, на естраді й в інших випадках, де потрібна висока якість кольоропередачі.

У ртутно-розжарювальних лампах (лампи змішаного світла) послідовно з пальником умикається вольфрамова спіраль, яка додатково випромінює в червоній частині спектра і виконує роль баластного опору, завдяки чому ці лампи можуть безпосередньо вмикатися в мережу без ПРА. Найбільш поширені лампи цього типу в колбах із скла, що пропускає ультрафіолетове та інфрачервоне випромінювання в області від 280 нм до 3500 нм. Колби мають відбивне дзеркальне або дифузне покриття, що забезпечує спрямований світлорозподіл різної форми (рис. 2.8).

Таблиця 2.4

Деякі характеристики малопотужних МГЛ

Лампи виробляються потужністю від 160 до 750 Вт під марками ДРВЭ (дугові, ртутно-вольфрамові, еритемні) і ДРВЭД – у колбах із дифузним покриттям. (Еритема – спричинене ультрафіолетовим або інфрачервоним опроміненням запалення шкіри (виявляється як почервоніння шкіри.) Ультрафіолетова еритема, як правило, супроводжується утворенням засмаглості). Світлові віддачі – від 10 до 20 лм/Вт, термін служби – від 1,5 до 3 тис. год. залежно від вибраного режиму роботи вольфрамової спіралі. Лампи застосовуються в сільському господарстві для освітлення з одночасним опромінюванням тварин і птиці, а також у фотаріях.

Ртутні лампи без виправлення кольоровості

Лампи типу ДРТ (дугові, ртутні, трубчасті) випускаються в розрядних трубках із кварцового скла. Крім видимого і близького інфрачервоного, дають велику кількість випромінювання в ультрафіолетовій (УФ) частині спектра і застосовуються для опромінення в медицині, сільському господарстві, фотохімії, світлокопіювальних апаратах, для УФ сушки та інших потреб. Лампи випускаються потужністю від 125 Вт до 10 кВт, середній термін служби 1000 – 3000 год. визначається падінням випромінювання в УФ частині. Для запобігання утворенню озону сучасні лампи, призначені для отримання УФ-випромінювання з λ ≥ 280–300 нм (у світлокопіювальних апаратах тощо), виготовляють у трубках із легованого кварцового скла, непрозорого для випромінювання з λ коротше 280-300 нм (так зване безозонне). Лампи вмикаються за допомогою спеціальних схем.

Рис. 2.8. Загальний вигляд ртутно-розжарювальної еритемної лампи типу ДРВЭД у рефлекторній колбі (а) і спектр її випромінювання (б):

1 – зовнішня колба, 2 – розрядна трубка, 3 – вольфрамова спіраль, 4 – відбиваюче

покриття на внутрішній стороні зовнішньої колби, 5 – керамічна деталь для закріплення,

6 – обмежувальний резистор, 7 – екран

Лампи застосовуються у світлопроменевих осцилографах із прямим записом на фотопапір (ДРШ-100), у фотолітографії, в люмінесцентному аналізі і люмінесцентній мікроскопії, в різноманітних проекційних системах та інших випадках, коли треба забезпечити високу яскравість у видимій й УФ частинах спектра. Оскільки лампи ДРШ є потужним джерелом УФ випромінювання, для захисту від нього, а також на випадок розриву колби (вкрай рідкісного) лампа повинна працювати в закритому металевому кожусі.