Источники оптического излучения

Электрическим источником оптического излучения называется устройство, преобразующее электрическую энергию в лучистую энер­гию оптического спектра. По способу излучения они делятся на температурные и люминесцентные. Первую группу составляют лампы накаливания, вторую – газоразрядные лампы низкого, высокого или сверхвысокого давления, использующие эффект электролюминесценции в газе и парах металлов.

Основные параметры электрических источников – номинальная мощность, напряжение, световая отдача, измеряемая числом люменов на 1 Вт (лм/Вт), световой поток и средняя продолжительность горения. Они регламентируются соответствующими стандартами.

В качестве электрических источников света в сельском хозяйстве используются лампы накаливания и люминесцентные лампы низкого и высокого давления.

Лампы накаливания - самые массовые источники оптического излучения. Это объясняется их сравнительной простотой устройства и надежностью в эксплуатации, возможностью непосредственного вклю­чения в сеть, отработанностью технологии и дешевизной. Несмотря на многообразие типоразмеров ламп накаливания, отличающихся номи­нальным напряжением, мощностью и родом тока, все они объединены единым физическим принципом получения видимого излучения (нагрев электрическим током вольфрамовой нити до температуры 2200 – 2800 °С) и сходством применяемых во всех конструкциях основных составляющих элементов (рис. 4.17).

Рис. 4.17 Лампа накаливания: 1 – стеклянная колба; 2 – вольфрамовая нить; 3 – крючки; 4 – электро­ды; 5 – центральная часть цоколя; 6 – резьба цоколя.

В настоящее время в сельском хозяйстве применяются лампы накаливания, в основном, на 220 и 235 В. Лампы накаливания общего назначения снабжаются цоколями Е27.

Обозначение ламп накаливания общего назначения:

Х1Х2 – Х3 – Х4,

где Х1 – физические и конструктивные особенности (В – вакуумная; Г – газонаполненная моноспиральная аргоновая; Б – биспиральная аргоновая; БК - биспиральная с криптоновым наполнителем; БН – биспиральная неодимовая; РН – разного назначения. Для ламп в светорассеивающих колбах к указанным добавляются буквы МТ – с матированной колбой, МЛ – в колбе молочного цвета, О – с опаловой колбой и т. д.);

Х2 – номинальное напряжение или диапазон напряжений, В;

Х3 – номинальная мощность, Вт (15…1000);

Х4 – отличительная особенность от базовой модели (1…9).

Пример маркировки: БК-215-225-100.

Колбы газонаполненных ламп накаливания заполняются смесью аргона или криптона и азота. Неодимовые лампы имеют колбу из стекла с добавлением окиси неодима, что улучшает спектр лампы (уменьшается изучение в жёлтой области спектра). Буквенное обозначение ламп накаливания в декоративной колбе начинается с буквы Д, далее указывается буквой форма колбы (абажур, свечеобразная, шаровая) и цвет колбы. Цифровая маркировка аналогична лампам накаливания общего назначения. Для светильников местного освещения используются лампы типа МО или МОЗ (с зеркальным покрытием колбы).

Продолжительность горения ламп накаливания в среднем 1000 ч, световая отдача (отношение светового потока к потребляемой мощности – показатель экономичности лампы) составляет до 19 лм/Вт.

Разновидностью ламп накаливания являются кварцевые галогенные лампы, имеющие более стабильный световой поток, малые габаритные размеры и массу, больший срок службы (до 3000 ч) и световую отдачу (до 30 лм/Вт).

Люминесцентные лампы низкого давления Газоразрядными источниками света называются уст­ройства, в которых невидимое ультрафиолетовое излучение плазмы (ионизированных паров металлов или газа) преобразуется с помощью люминофоров в излучение, воспринимаемое зрительно. Меняя виды люминоформа, можно варьировать цветовые характеристики ламп. Применяются люминесцентные лампы дневного (типа ЛД), белого (типа ЛБ), тепло-белого (типа ЛТБ) и холодно-белого (типа ЛХБ).

Люминесцентные лампы низкого давления благодаря высокой све­товой отдаче, улучшенному спектральному составу излучения и зна­чительному сроку службы нашли широкое применение для общего осве­щения производственных и общественных помещений.

Люминесцентная лампа – это длинная стеклянная трубка (кол­ба), внутренняя поверхность которой покрыта слоем люминофора (рис. 4.18). В герметически закрытых торцах колбы 3 на молибденовых электродах 7, прикрепленных к стеклянной ножке 5, смонтирована вольфрамовая оксидированная моноспиралъ 6. К электродам спирали припаяны штырьки 1, изолированные от цоколя 2 лампы специальной мастикой. Из колбы лампы через отверстия в стеклянных ножках от­качивают воздух и вводят в нее инертный газ (аргон) и небольшое количество ртути (до 30 мг). Давление газа в колбе значительно ниже атмосферного, этим и объясняется название данного класса ламп. Электрический разряд в такой лампе начинается в атмосфере инертного газа, а затем по мере испарения ртути продолжается в ее парах. Длина волны излучения ртути соответствует ультрафиолетовой области спектра.

Рис. 4.18. Люминесцентная лампа низкого давления: 1 – ножки-штырьки; 2 – цоколь; 3 – стеклянная трубка (колба); 4 – люминофор; 5 – ножка; 6 – оксидированная моноспираль; 7 – электроды.

Люминесцентные лампы различают по форме и размерам колбы, мощности и спектральному составу или цветности излучения. Выпус­каемые промышленностью люминесцентные лампы отличаются только составом люминофора, следовательно, и спектральным составом излучения.

Структура обозначения люминесцентной лампы:

ЛХ1Х2Х3 – Х4,

где Л – люминесцентная;

Х1 – цветность излучения (Б – белая, Г – голубая, Д – дневная, Е – естественная, ТБ – тепло-белая, З – зелёная, Ц – с улучшенной цветопередачей, ЦЦ – с очень хорошей цветопередачей);

Х2 – конструктивная особенность (К – кольцевая, У – U-образная);

Х3 – номинальная мощность, Вт;

Х4 – отличительная особенность от базовой модели.

Пример маркировки: ЛЕЦК 40-1.

Включение люминесцентных ламп в сеть возможно только с использованием специального пускорегулирующего аппарата – ПРА. Люминесцентные лампы в СНГ выпускают на мощности от 4 до 80 Вт. Средняя продолжительность горения люминесцентных ламп не менее 12000 ч, световая отдача – до 80 лм/Вт. В настоящее время наиболее совершенными являются люминесцентные лампы с диаметром колбы 16мм (так называемые лампы Т5), производимые, в частности, в Германии. Они имеют срок службы до 20000 ч, световую отдачу до 104 лм/Вт, у них значительно меньший спад светового потока в процессе горения, а масса ртути в лампе составляет 3...5мг.

Таким образом, люминесцентные лампы значительно экономичнее и долговечнее ламп накаливания, однако они обладают и определёнными недостатками. К ним относятся более высокая стоимость, сложность включения в сеть (необходим ПРА), в то время как лампы накаливания включаются в сеть непосредственно (за исключением низковольтных галогенных ламп). Люминесцентные лампы являются неблагоприятными с точки зрения экологии, так как содержат ядовитое вещество – ртуть и должны утилизироваться на специализированных предприятиях. Кроме того, при питании люминесцентных ламп переменным напряжением промышленной частоты они с частотой 100 Гц гаснут и зажигаются, что создаёт пульсирующий световой поток, который утомляет зрение и вызывает стробоскопический эффект (искажённое восприятие вращающихся предметов). Использование электромагнитного ПРА приводит также к возникновению шума в процессе работы лампы и вызывает довольно значительные потери энергии в ПРА (потребляемая мощность ПРА доходит до 30% от мощности лампы).

Для устранения некоторых из указанных недостатков разработаны и выпускаются различные конструкции более дорогостоящих электронных ПРА, обеспечивающих питание люминесцентных ламп напряжением высокой частоты – до 40 кГц, что устраняет пульсации светового потока, шум, а также снижает потери энергии в ПРА в 2…3 раза. Конструктивно электронный ПРА представляет собой один небольшой блок без дополнительных элементов, который значительно компактнее электромагнитного ПРА (например, одна из моделей имеет размеры 66х46х28мм и массу не более 0,05 кг). В обозначении электронных ПРА могут указываться тип, количество и мощность подключаемых ламп, а также номинальное напряжение сети и другие параметры.

Выпускаются также компактные люминесцентные лампы (типов КЛЛ, КЛ и т. п.) мощностью от 5 до 57 Вт, срок службы до 10000 ч, световая отдача – до 75 лм/Вт, которые комплектуются только электронными ПРА, поэтому их стоимость достаточно высока.

К газоразрядным источникам света высокого давления относятся лампы типов ДРЛ, ДРИ, ДНаТ и некоторые другие.

Лампы типа ДРЛ – дуговые ртутные люминесцентные лампы высокого давления с исправленной цветностью – широко распространены для освещения производственных территорий, строительных площадок, проезжих частей дорог, а также промышленных помещений, не требующих вы­сокого качества цветопередачи.

Лампа (рис. 4.19) представляет собой прямую горелку 8 высокого давления, заключенную во внешнюю стеклянную колбу 9, то есть как бы лампу в лампе. На внутреннюю поверхность внешней колбы нанесен люминофор 10, предназначенный для преобра­зования ультрафиолетового излучения горелки в видимое. Колба го­релки выполнена из кварцевого стекла в виде цилиндрической труб­ки, в торцы которой впаяны вольфрамовые электроды 11. Внутри горелки находится аргон и дозированное количест­во ртути. Промышленность выпускает восемь типоразмеров ламп ДРЛ мощ­ностью от 50 до 2000 Вт для включения в сеть переменного тока но­минальным напряжением 220 и 380 В. В обозначении лампы, кроме типа указывается номинальная мощность и номер модификации.

Рисунок 4.19 Конструкция лампы типа ДРЛ:

1 – электроизоляционная стекломасса; 2 – стакан цоколя; 3 – стеклянная ножка лампы; 4, 11 – проводники; 5 – поджигающие электроды; 6 – омические сопротивления; 7 – горелка; 8 – стеклянная колба; 9 – люминофор; 10 – основные электроды; 12 – контактная шайба.

Металлогалогенные лампы типа ДРИ по конструкции в общих чер­тах подобны лампам типа ДРЛ. Их отличительная особенность заключается в том, что полость их горелки заполнена аргоном и дозированными компонентами в виде ртути и со­единений редкоземельных металлов (индия, талия и др.), а внешняя колба прозрачная, так как горелка является источником видимого излучения.

В обозначении ламп типа ДРИ(З) буквы обозначают: Д – дуговая, Р – ртут­ная, И – с излучающими добавками, 3 – зеркальная. Первое число после буквенного обозначения указывает номинальную мощность в ваттах, а второе после дефиса – номер разработки или модификации. Промыш­ленность изготавливает лампы типа ДРИ шести типоразмеров: от 250 до 3500 Вт. Световая отдача ламп ДРИ достигает 68…95 лм/Вт, средняя продолжительность горения 0,6…10 тысяч часов.

Натриевые лампы высокого давления (ДНаТ) имеют самую большую световую отдачу среди всех газоразрядных ламп и отличаются незна­чительным снижением излучаемого светового потока на протяжении всего срока эксплуатации. Тонкостенную трубчатую горелку ламп ти­па ДНаТ изготавливают из поликристаллической окиси алюминия и за­полняют парами натрия и амальгамы натрия, ксеноном, парами ртути.

Выпускаются натриевые лампы мощностью от 250 до 1000 Вт. Световая отдача этих ламп составляет до 150 лм/Вт, однако до 70% излучения лампы сосредоточено в желто-оранжевой области спектра. Такое излучение обеспечивает хорошее разли­чие положения и формы объектов, но цветопередача предметов оце­нивается как едва удовлетворительная. Последнее и определяет наз­начение ламп ДНаТ - для освещения улиц, перекрестков, территории промышлен­ных объектов, декоративного и архитектурного освещения. Продолжительность горения современных натриевых ламп составляет до 32000 ч.

Для зажигания и работы газоразрядных ламп высокого давления необходимы специальные импульсные зажигающие устройства (ИЗУ).

В настоящее время существует ряд конструкций безэлектродных ламп, не содержащих ртути. К примеру, микроволновые серные лампы представляют собой колбу из кварцевого стекла диаметром 5…30мм, заполненную дозированным количеством серы и аргона. Разряд в лампе создаётся сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением, подводимым извне. Колба обдувается воздухом и вращается для лучшего охлаждения. Срок службы указанных ламп ограничен только постепенным разрушением внешней поверхности колбы при обдувании от действия примесей, содержащихся в воздухе и может составлять до 45000 ч. Однако, срок службы источника СВЧ излучения значительно ниже, кроме того, указанный источник имеет значительные габариты и массу (несколько десятков килограммов). Перспективным источником света являются светодиоды, которые уже в настоящее время по экономичности не уступают лампам накаливания, а в будущем способны составить серьёзную конкуренцию как лампам накаливания, так и люминесцентным.

К источникам ультрафиолетового излучения относятся дуговые ртутные трубчатые лампы высокого давления типа ДРТ, газоразрядные лампы низкого давления - витальные ЛЭ и бактерицидные ДБ.

Лам­па ДРТ представляет собой трубку из кварцевого стекла, в концы ко­торой впаяны вольфрамовые электроды (рис. 4.20).

Рисунок 4.20 Конструкция лампы ДРТ: 1 – ввод; 2 – металлические хомутики; 3 – металлическая полоска; 4 – трубка из кварцевого стекла; 5 – держатель; 6 – электроды.

Мощность ламп ДРТ достигает 12000 Вт, продолжительность горения – 3000 ч.

Витальные (эритемные) люминесцентные лампы типа ЛЭ конструктивно не от­личаются от трубчатых люминесцентных ламп низкого давления, кроме сорта стекла, диаметра трубки и состава люминофора. Указанные лампы являются источником длинноволнового ультрафиолетового излучения, которое в определённых дозах благотворно влияет на сельскохозяйственных животных. Лампы выпускаются мощностью 15, 30, 40 Вт, продолжительность горения – до 5000 ч.

Бактерицидные лампы типа ДБ также конструктивно не отличаются от трубчатых люминесцентных ламп низкого давления. Но стекло не по­крыто люминофором, поэтому лампа является источником коротковолнового ультрафиолетового излучения, которое вызывает гибель различных микроорганизмов. Мощность указанных ламп – от 4 до 60 Вт, продолжительность горения – до 8000 ч.

Инфракрасные зеркальные лампы-термоизлучатели отличаются от обычных осветительных ламп накаливания параболоидной формой колбы и более низ­кой температурой тела накала. Относительно низкая температура тела накала этих ламп (1900 - 2300° С) позволяет сместить спектр их излучения в инфракрасную область и увеличить среднюю про­должительность горения до 5000 ч. Отечественная промышленность выпускает инфракрасные зеркальные лампы-термоизлучатели мощностью 250, 500, 1000 Вт.

Внутренняя часть колбы ламп-термоизлучателей, прилегающая к цоколю, покрыта зеркальным слоем, что позволяет перераспределить и концентрировать в заданном направлении излучаемый инфракрасный по­ток. Для снижения интенсивности видимого излучения часть колбы некоторых инфракрасных ламп покрывают красным (лампы ИКЗК) или синим (лампы ИКЗС) термостойким лаком.

Для облучения растений в теплицах и оранжереях используются специальные фотосинтезные лампы высокого давления типа ДРЛФ или ДРИФ мощностью 400 Вт, продолжительность горения – до 7000 ч, спектр которых приближен к солнечному.