Газоразрядные лампы высокого давления

Лампы высокого давления, по сравнению с люминесцентными, имеют значительно меньшие габариты и большую единичную мощность. У ртутных ламп высокого давления при равной мощности с люминесцентными (например, 40, 80 Вт) длина почти в 10 раз меньше. Малые габариты и высокое давление в них обусловили температуру разрядной трубки - 700...750°С. Поэтому разрядную трубку ламп выполняют из кварцевого стекла или специальной керамики, имеющей высокую прозрачность в видимой области спектра. [3].

Одна из первых была разработана лампа высокого давления типа ДРТ. Обозначение лампы: Д - дуговая, Р - ртутная, Т - трубчатая; следующее затем число соответствует мощности лампы. Прежнее название лампы - ПРК (прямая ртутно-кварцевая). Лампа ДРТ предназначена для ультрафиолетового облучения молодняка животных, цыплят, яиц перед инкубацией, семян зерновых культур и т.д. Она применяется в комплекте облучательных установок различных типов.

Лампа ДРТ представляет собой прямую трубку из кварцевого стекла, по концам которой впаяны вольфрамовые электроды. В трубку введено небольшое

Рис.1.26. Схемы включения: а) - лампы ДРТ; б) - лампы ДРЛ; EL - лампа; L - дрос­сель, SB - кнопочный включатель; CI, C2, СЗ - конденсаторы; R - резистор

количество ртути и инертного газа - аргона. Для удобства крепления к арматуре лампа по краям снабжена хомутиками с держателями, которые соединены между собой металлической полоской, используемой для облегчения зажигания лампы. В электрическую сеть лампу ДРТ включают последовательно с дросселем L по резонансной схеме (рис.1.26a). В результате резонанса, образуемого при кратко временном включении конденсатора С2, напряжение на дросселе L и конденсаторе С2 возрастает примерно в 2 раза по сравнению с напряжением питания. Это обеспечивает в лампе дуговой разряд. Металлическая полоска, подключенная через конденсатор малой емкости С3, облегчает пробой лампы. Конденсатор C1 повышает коэффициент мощности схемы до 0,92...0,95.

Электрическая энергия, подводимая к лампе ДРТ, преобразуется в ней следующим образом: ультрафиолетовое излучение составляет 18%, инфракрасное излучение – 15%, видимый свет – 15%, потери равны 52%. Однако лампа ДРТ используется прежде всего как источник ультрафиолетового излучения. В таблице 1.9 приведены характеристики ламп ДРТ.

Таблица 1.9 - Дуговые ртутные лампы высокого давления ДРТ

Поток излучения ламп ДРТ зависит от температуры окружающего воздуха. При высокой температуре ухудшается прозрачность кварцевого стекла, что определяет снижение в особенности ультрафиолетового излучения и сроков годности лампы.

Дуговая ртутная лампа ДРЛ предназначена для наружного освещения, закрытых помещений и объектов, где не требуется высокого качества цветопередачи. Она может быть рекомендована для освещения животноводческих и других сельскохозяйственных помещений; со специальными облучателями она используется для облучения рассады в теплицах, так как имеет фотосинтезно активное излучение с длиной волны = 580...700 нм (оранжево-красная часть спектра излучения).

Баланс энергии у лампы ДРЛ: ультрафиолетовое излучение практически отсутствует, видимое излучение составляет 17%, инфракрасное излучение - 14%, тепловые потери – 69%. Цвет суммарного излучения близок к белому. Доля красного излучения составляет 6...15%. Процент содержания красного излучения указывается при маркировке ламп в скобках. Яркость ламп ДРЛ почти в 10 раз превышает яркость люминесцентных ламп низкого давления.

Конструкция лампы ДРЛ представлена на рис. 1.27. Кварцевая трубка (горелка) 3 размещена в колбе 1, внутренняя поверхность которой покрыта тонким слоем люминофора 2. Слой люминофора преобразует ультрафиолетовое излучение трубки в свет, пригодный для освещения. В кварцевую трубку впаяны два основных вольфрамовых электрода 4, покрытых активированным слоем и подсоединенных к цоколю 7, и два дополнительных (поджигающих) 5. В трубке находится небольшое количество ртути (40...60 мг). После откачки воздуха из внешней колбы 1 она заполняется аргоном под давлением 2,5...4,5 кПа.

Такая конструкция позволяет зажигать четырехэлектродную лампу от питающей сети 220 В без специального поджигающего устройства (рис.1.26б). Наличие дросселя и конденсатора в схеме позволяет уменьшить колебания светового потока и увеличить коэффициент мощности. При этом ПРА потребляет около 10% номинальной мощности лампы. При включении лампы в сеть последовательно с дросселем разряд первоначально возникает между смежными основным и дополнительным электродами. Вызванная этим ионизация разрядного промежутка приводит к возникновению разряда между основными электродами, после чего дополнительные электроды прекращают работать.

Наличие во внешней колбе 1 аргона под давлением позволяет на долгий срок сохранить люминофорное покрытие в рабочем состоянии. Нагрев внешней колбы при работе лампы - 220... 280°С. Оптимальная температура внешней среды для работы ламп - 25...40°С. Период разгорания лампы ДРЛ длится 5...10 мин. Характеристики ламп ДРЛ приведены в табл. 1.10.

Осветительные металлогалогенные лампы общего назначения типа ДРИ (дуговые ртутные с излучающими добавками) имеют в зависимости от состава добавок различный спектр излучения, обеспечивающий высокое качество цветопередачи и более высокий, чем у ламп ДРЛ, световой КПД. Конструктивно лампы отличаются от ламп ДРЛ формой внешней колбы, не имеющей люминофорного покрытия, и отсутствием в разрядной трубке дополнительных поджигающих электродов.

Поэтому в сеть их включают по схеме, содержащей специальные импульсные зажигающие устройства - ИЗУ, генерирующие высоковольтные импульсы напряжением 2...6 кВ.

Чтобы улучшить спектральный состав видимого излучения, в трубку ламп добавляют соединения галогенной группы: иодиды натрия, скандий, бромиды редкоземельных металлов. Характеристики ламп ДРИ даны в табл. 1.11.

В табл. 1.11 приведены также характеристики ламп ДРИЗ для освещения сухих, пыльных и влажных помещений и ламп ДРИШ для освещения объектов при цветных телевизионных съемках и передачах (Ш – обозначение широкого спектра).

Ртутно-кварцевые лампы высокого давления ДРЛФ созданы для облучения растений на основе ламп ДРЛ. Особенностью этих ламп является специальный состав люминофора, который обеспечивает спектр излучения, в наибольшей степени способствующий прохождению физиологических процессов в растениях. Это излучение находится в диапазоне длин волн от 350 до 750 нм с преобладанием оранжево-красных и сине-фиолетовых лучей.

По своей конструкции и по электрическим параметрам лампы ДРЛФ аналогичны лампам ДРЛ, однако они имеют колбу из стекла, выдерживающего в нагретом состоянии брызги холодной воды. В электрическую сеть лампы включаются аналогично лампам ДРЛ.

Обозначения ламп: Д - дуговая, Р - ртутная, Л - люминесцентная, Ф - с повышенной фитоотдачей. Наибольшее распространение получили лампы ДРЛФ-400 и ДРЛФ-1000 мощностью 400 и 1000 Вт с фитопотоком соответственно 12800 и 90000 мфт.

Таблица 1.10 - Ртутные лампы высокого давления ДРЛ

Дуговая ртутно-вольфрамовая лампа ДРВ-750 предназначена для дополнительного облучения растений в теплицах. Основным ее преимуществом, по сравнению с лампами ДРЛФ, является отсутствие ПРА, в результате чего снижается металлоемкость облучающей установки, уменьшается нагрузка на крышу теплицы, улучшается маневренность подвижных систем облучения. Лампа выполнена в виде колбы, в которой смонтирована ртутная горелка совместно с нитью накаливания. Сама колба изготовлена из термостойкого стекла и рассчитана на попадание брызг холодной воды.

Таблица 1.11 - Дуговые ртутные металлогалогенные лампы для наружного и внутреннего освещения ДРИ

Имеет зеркальный или диффузный отражатель. Нить накаливания является балластным сопротивлением и одновременно источником излучения, усиливающим красную часть спектральной характеристики лампы.

В результате лампа ДРВ-750 является источником смешанного излучения с преобладанием оранжево-красных и сине-фиолетовых лучей.

Модернизацией лампы ДРВ является ртутно-вольфрамовая лампа ДРВЛ. В ней также в пространстве между разрядной трубкой и внешней колбой установлена вольфрамовая спираль, включенная последовательно с разрядной трубкой и выполняющая роль балластного сопротивления. В указанном балласте теряется примерно половина мощности лампы. Это снижает в 1,5...2 раза эффективный КПД ртутно-вольфрамовых ламп по сравнению с лампами ДРЛ и ДРТ.

Дуговые ртутно-вольфрамовые эритемные лампы с диффузным отражателем типа ДРВЭД предназначены для комплексного воздействия излучением части спектра с длинами волн от 280 до 5000 нм. Внешняя колба этих ламп выполнена из специального увиолевого стекла, пропускающего ультрафиолетовое излучение. Срок службы ламп типа ДРВЭД определяется в основном сроком службы вольфрамовой спирали - 3000...5000 ч.

Дуговые ртутные люминесцентные лампы ДРФ-1000 и ДРФ-2000 с повышенной фитоотдачей предназначены для комплектования вегетационных осветительных установок, применяющихся для создания светового режима в климатических камерах и шкафах при селекции различных растений. Лампы имеют большой световой поток и высокую светоотдачу. По конструкции и характеристикам аналогичны лампам ДРЛ, но отличаются составом люминофора, имеют колбу из вольфрамового термостойкого стекла, выдерживающего брызги холодной воды. Из недостатков следует отметить большую массу ПРА и устройства компенсации коэффициента мощности.

В группе разрядных ламп высокого давления натриевые лампы типа ДНаТ (дуговые натриевые трубчатые) отличаются большим световым КПД и чуть более вытянутой по сравнению с лампой ДРЛ наружной колбой. Разрядная трубка правильной цилиндрической формы выполнена из полупрозрачной керамики (поликристаллического алюминия) или из прозрачного трубчатого монокристалла (лейкосапфира). Эти материалы устойчивы к длительному воздействию паров натрия при температуре до 1600°С. Общий коэффициент пропускания видимого излучения составляет 90...95%. Однако 70% излучения находится в зоне 560...610 нм желто-оранжевого цвета, что вызывает искажение цветопередачи. Поэтому: лампы ДНаТ в основном используют для наружного освещения. В электрическую сеть лампы ДНаТ включают по схеме, аналогичной схеме ламп ДРИ.

Характеристики натриевых ламп высокого давления ДНаТ приведены в табл. 1.12.

Дуговые ксеноновые трубчатые лампы (ДКсТ) в сельском хозяйстве используются сравнительно мало из-за сложности их эксплуатации. Лампы выполняют в одной кварцевой разрядной колбе (ДКсТ) и в двух колбах с водяным охлаждением (ДКсТВ).

В спектре ламп ДКсТ без водяного охлаждения имеется избыток ультрафиолетового излучения. Этот недостаток скорректирован в лампах типа ДКсТЛ, колбы которых выполнены из кварцевого стекла с легирующими (Л) присадками. В видимой области спектра излучение ксеноновых ламп приближается к солнечному. У ламп типа ДКсТВ доля видимого излучения составляет всего 10...12% их мощности. Указанные типы ламп выпускаются, как правило, большой единичной мощности - от 1000 до 12000 Вт со световой отдачей 24...40 лм/Вт. Срок службы составляет 500...1500 ч, что обусловлено значительной температурой поверхности разрядной трубки (750... 800°С).

Таблица 1.12 - Натриевые лампы высокого давления ДнаТ

Особенностью большинства разрядных ламп высокого давления является режим разгорания, протекающий в течение 5...10 мин после зажигания лампы. У ртутных и натриевых ламп он более продолжительный, чем у ксеноновых. В процессе разгорания изменяются все параметры лампы. Например, ток в ртутных лампах превышает номинальное значение в 1,5...2 раза. По мере разогрева давление паров внутри лампы растет, что сопровождается снижением тока и увеличением потока излучения, с ростом давления повышается напряжение зажигания лампы. Поэтому повторное зажигание погасшей лампы возможно лишь после ее остывания, следовательно, после снижения напряжения зажигания. Колебания напряжения сети мало влияют на световую отдачу ламп, однако большие отклонения напряжения сказываются значительно. Лампы должны эксплуатироваться в том положении, которое определено заводом-изготовителем. При эксплуатации установок с разрядными лампами высокого давления следует принимать во внимание значительную пульсацию световых потоков и принимать меры к их снижению.

Контрольные вопросы

1. Что называется искусственным источником оптического излучения?

2. Какие основные виды источников оптического излучения вы знаете?

3. Что называется идеальным излучателем?

4. Назовите три класса тел накала.

5. Как происходит преобразование эл. энергии в оптические излучения?

6. Дайте определение закона Кирхгофа.

7. Дайте определение закона Стефана Больцмана.

8. Напишите закон Планка.

9. Дайте определение закону смещения Вина.

10. Назовите основные элементы конструкции лампы накаливания общего назначения?

11. Как устроена линейная галогенная лампа накаливания?

12. Назовите некоторые разновидности ламп накаливания.

13. Каковы основные характеристики ламп накаливания?

14. Как изменяются показатели ламп накаливания от подводимого напряжения?

15. Приведите простейшие схемы включения ламп накаливания.

16. Как классифицируются разрядные лампы?

17. Как происходит преобразование эл. энергии в видимое излучение в разрядных лампах?

18. Назначение балластного устройства?

19. Как происходит стабилизация дугового разряда?

20. Как влияет вид балластного устройства на работу гозоразрядных ламп?

21. Дайте общие сведения о газоразрядных лампах низкого и высокого давления.

22. Устройство и обозначения наиболее распространенных люминисцентных ламп.

23. Как определяется коэффициент пульсации светового потока?

24. Нарисуйте стартерную схему включения люминисцентной лампы.

25. Дайте понятия о бесстартерных схемах включения люминисцентных ламп.

26. Расскажите о назначении газоразрядных ламп высокого давления типа ДРТ, ДРЛ, ДРВ, ДНаТ.

Нарисуйте схему включения лампы ДРТ, ДРЛ, и т.д.