Лекция № 6. Газоразрядных лампы высокого и сверхвысокого давления

Содержание лекции:

- лампы типа ДРЛ и ртутно-вольфрамовые лампы;

- ртутные лампы сверхвысокого давления;

- металлогалогенные лампы;

- натриевые лампы;

- ксеноновые лампы.

Цели лекции:

- ознакомиться с основными типами ГЛВД и ГЛСВД их областями применения и особенностями эксплуатации.

6.1 Лампы типа ДРЛ и ртутно-вольфрамовые лампы.Д - дуговая, Р - ртутная, Л – люминесцентная, цифры после букв: мощность ламп в ваттах, далее в скобках - «красное отношение», %, через дефис, цифра - номер разработки или с вольфрамовой спиралью. Принцип действия и устройство ДРЛ основаны на преобразовании при помощи люминофора УФ излучения ртутного разряда ГЛВД, составляющего » 40 % всего потока излучения, в недостающее излучение в красной части спектра. Качество исправления цветопередачи ДРЛ определяется относительным содержанием «красного излучения» - отношением светового потока в красной области спектра к общему световому потоку лампы («красное отношение»). При освещении ДРЛ без люминофора возникает сильное искажение цвета предметов, особенно человеческой кожи, что объясняется отсутствием излучения в оранжево-красной части спектра. Современные ДРЛ представляют собой ртутную горелку в виде трубки из прозрачного кварцевого стекла, смонтированную в колбе из тугоплавкого стекла. Внутренняя поверхность внешней колбы покрыта тонким слоем порошкообразного люминофора и снабжена резьбовым цоколем. Большинство ДРЛ выпускается с горелками, имеющими, кроме двух основных электродов, еще один или два так называемых зажигающих электрода, служащих для облегчения зажигания разряда и включающимися в сеть через дроссель. Схемы включения двухэлектродных ДРЛ имеют, кроме дросселя, специальную зажигающую часть. Положение горения допускается любое. Однако при горизонтальном положении дуга в горелке из-за конвекционных потоков слегка выгибается кверху, что приводит к небольшому снижению мощности и световой отдачи. Срок службы при этом из-за перегрева кварцевого стекла в верхней части горелки несколько снижается. Рабочая температура центральной части внешней колбы от 220 до 280 °С. Температура на цоколе не должна превышать окружающую на 110°С - 150 °С в зависимости от мощности лампы. Температура горелки достигает 700 - 750 °С. Температура окружающей среды t_окр влияет на напряжение зажигания Uз. При минусовых температурах давление паров ртути становится настолько малым, что зажигание разряда происходит в чистом аргоне и требуется более высокое напряжение, чем при наличии паров ртути. Напряжение сети Uс определяет рабочий режим лампы. При медленном изменении Uс в пределах ± (10 - 15) % изменение светового потока рассчитывается из соотношения DФ_u/Ф_u @ 2.5DUс/Uс, мощность DРл/Pл @ 2DUс/Uс. Пульсация светового потока происходит с двойной частотой сети. При работе отдельной ДРЛ в сети с частотой 50 Гц в схеме со стандартным дросселем коэффициент пульсации составляет 63 - 74 %. При этой частоте (100 Гц) пульсации на глаз незаметны, но при наличии вращающихся деталей машин они могут вызывать опасный стробоскопический эффект. Пульсации суммарного потока могут быть уменьшены при включении ламп в разные фазы трехфазной сети. Срок службы 12 - 15 тыс.ч при стендовых испытаниях и уменьшается при увеличении числа включении. В процессе работы ДРЛ происходит постепенное снижение светового потока и красного отношения. Скорость спада у маломощных и мощных ДРЛ больше, чем у ламп средней мощности. Основные области применения: НО, освещение промышленных предприятий с потолками выше 3 - 5 м, не требующих высокого качества цветопередачи.

6.2 Ртутные лампы сверхвысокого давления наиболее распространены в виде шаровых ртутных ламп типа ДРШ; реже применяются трубчатые лампы типа СВД. Д - дуговая, Р - ртутная, Ш – шаровая. Цифры после букв - мощность в ваттах, цифры после дефиса - номер разработки. Отличаются высокой яркостью при довольно удобной для проекционной оптики веретенообразной или бочкообразной форме светящего тела. Большинство ламп выпускается для работы на переменном токе. Они представляют собой толстостенную (2 – 3 мм) колбу шаровой или близкой к ней формы из прозрачного кварцевого стекла, в которую с противоположных сторон впаяны два вольфрамовых электрода. В лампах постоянного тока анод более массивный, чем катод. Катоды обычно активированы. Расстояние между концами электродов 4 - 8 мм (или в специальных типах 0,3 -0,5 мм). Для фиксации положения дуги концы электродов имеют конусообразную форму. Выводы имеют сравнительно большую длину с тем, чтобы концы фольги и цоколи не перегревались. Световая отдача РЛСВД 50 - 55 лм/Вт. С уменьшением расстояния между электродами она падает из-за увеличения доли околоэлектродных потерь и экранировки электродами. Зажигание ламп с двумя электродами (без зажигающего электрода) осуществляется путем подачи на электроды высокочастотных импульсов высокого напряжения. Время разгорания составляет 2 - 5 мин и определяется скоростью испарения ртути. После испарения всей ртути давление ее паров доходит до нескольких мегапаскалей, а температура колбы достигает 750 - 850 °С. Положение горения лампы выбирается с таким расчетом, чтобы не допустить перегрева электродов или колбы, и должно соответствовать указанному в инструкции по эксплуатации. Лампы рассчитаны на вертикальное положение горения, а при работе в любом положении срок службы снижается. Спектр излучения имеет линейчатый характер, но с более интенсивным, чем у РЛВД, непрерывным фоном, благодаря чему красное отношение достигает 4 - 6 %. Температура окружающей среды и условия охлаждения существенно влияют на параметры ламп ДРШ. При низких температурах и усиленном охлаждении может происходить конденсация ртути и резкое изменение всех параметров. Повышение температуры за счет излишнего утепления может вызвать опасный перегрев колбы, сопровождающийся кристаллизацией кварца и разрушением колбы, поэтому температурные условия эксплуатации ламп должны строго соблюдаться. Срок службы (полезный) ламп типа ДРШ составляет несколько сот часов и определяется спадом яркости из-за потемнения колбы и нестабильности положения дуги, вызванной разрушением электродов. Меры предосторожности должны быть приняты для защиты обслуживающего персонала от облучения мощным УФ излучением, а также от горячих осколков кварцевого стекла на случай разрыва колбы. Области применения - светолучевые осциллографы, фотолитография, люминесцентный анализ и люминесцентная микроскопия, проекционные системы и другие случаи, когда требуются источники высокой яркости в видимой области спектра или в ближнем и среднем УФ излучении.

6.3 Металлогалогенные лампы.Перспективы их использования определяются исключительно широкими возможностями варьирования спектральным распределением излучения от практически однородного до непрерывного при высоком КПД и высокой удельной мощности. Устройство и принцип действия МГЛ основаны на том, что галогениды многих металлов испаряются легче, чем сами металлы, и не разрушают кварцевое стекло. Поэтому внутрь разрядных колб МГЛ, кроме ртути и аргона, как в ртутных ЛВД, дополнительно вводятся различные химические элементы в виде их галоидных соединений. После зажигания разряда, когда достигается рабочая температура колбы, галогениды металлов частично переходят в парообразное состояние. Попадая в центральную зону разряда с температурой в несколько тысяч Кельвинов, молекулы галогенидов диссоциируют на галоген и металл. Атомы металла возбуждаются и излучают характерные для них спектры. Диффундируя за пределы разрядного канала и попадая в зону с более низкой температурой вблизи стенок колбы, они воссоединяются в галогениды, которые вновь испаряются. Этот замкнутый цикл обеспечивает два принципиальных преимущества: а) в разряде создается достаточная концентрация атомов металлов, дающих требуемый спектр излучения, потому что при рабочей температуре кварцевой колбы 800 - 900 °С давление паров галогенидов многих металлов значительно выше, чем у самих металлов, таких, как таллий, индий, скандий, диспрозий и др.; б) появляется возможность вводить в разряд щелочные (натрий, литий, цезий) и другие агрессивные металлы (например, кадмий, цинк), которые в чистом виде вызывают весьма быстрое разрушение кварцевого стекла при температурах выше 300 - 400 °С, а в виде галогенидов не вызывают такого разрушения. Применение галогенидов резко увеличило число химических элементов, используемых для генерации излучения, и позволило создавать МГЛ с весьма различными спектрами, особенно в случае использования смеси галогенидов. Ртутный пар играет роль буфера, обеспечивая высокую температуру в разряде, высокий градиент потенциала, малые тепловые потери и др. Классификация МГЛ осуществляется по применению: а) МГЛ общего назначения; б) трубчатые и шаровые МГЛ с улучшенным качеством цветопередачи (например, для цветных телепередач и киносъемок) и в) МГЛ для многочисленных специальных применений, в основном технологических.

6.4 Натриевые лампы.Натриевые лампы являются одной из самых эффективных групп источников видимого излучения: они обладают самой высокой световой отдачей среди всех известных ГЛ и незначительным снижением светового потока при длительном сроке службы. Поэтому натриевые лампы, в первую очередь, высокого давления, все шире применяются для экономичного освещения, особенно наружного. Недостатком этих ламп является низкое качество цветопередачи. Принцип действия натриевых ламп основан на использовании резонансного излучения D-линий натрия. По рабочему давлению натрия выделяют два типа натриевых ламп - низкого НЛНД и высокого давления НЛВД. Кривая зависимости световой отдачи излучения натриевого разряда от давления паров натрия имеет два максимума. Область первого максимума соответствует давлению около 0,2 Па и достигается при температуре жидкой фазы 270 - 300°С; второй максимум световой отдачи достигается в НЛВД при давлении около 10 кПа. Это давление имеют насыщенные пары натрия при температуре 650 - 750 °С в разрядной трубке из светопропускающего высокотемпературного материала, устойчивого к длительному воздействию агрессивных паров натрия при 1300 - 1400 °С и представляющего собой керамику на основе поликристаллической окиси алюминия. Области применения. НЛНД - освещение автострад, туннелей, перекрестков, складов и товарных станций, промышленных объектов; архитектурное и декоративное освещение. Благодаря желтому монохроматическому свету, обеспечивающему превосходную видимость и разрешающую способность глаза при низких уровнях освещенности и хорошее прохождение излучения в тумане, НЛНД находят применение в светосигнальных установках. Значительное улучшение качества цветопередачи и более приятное зрительное впечатление можно получить путем сочетания в осветительной установке НЛВД с другими эффективными источниками, дающими преимущественное излучение в сине-зеленой части спектра, например, с РЛВД. Несмотря на то, что цена НЛВД в 7 - 10 раз превышает цены РЛВД типа ДРЛ и МГЛ типа ДРИ, их применение дает заметную экономию капитальных и эксплуатационных затрат как для проектируемых новых осветительных установок, так и для реконструируемых существующих.

6.5 Ксеноновые лампы.В ксеноновых лампах используется разряд в ксеноне при высоком и сверхвысоком давлении и плотности тока, составляющей десятки и сотни А/см². Разряд этого типа имеет ряд особенности: а) непрерывность спектра излучения, в видимой области спектр близок к солнечному и обеспечивает высококачественную цветопередачу, в близкой ИК области имеется несколько интенсивных спектральных линий; б) возрастающая ВАХ в диапазоне больших токов, что дает возможность стабилизировать разряд малым балластом, а длинные трубчатые лампы включать в сеть даже без балласта; в) отсутствие периода разгорания; г) высокое напряжение зажигания, обусловленное тем, что в момент зажигания давление газа в лампе далеко от минимума по кривой Пашена; лампы требуют сложной схемы поджига; д) независимость параметров ламп от рабочей температуры колбы и от tокр, способность работать при низких температурах (до -50 °С) без изменения параметров; е) большой разрядный ток, обусловленный низким значением градиента потенциала в ксеноне, примерно в 3 - 4 раза меньшим, чем в парах ртути; вследствие этого электроды и вводы приходится делать более массивными; ж) подверженность действию конвекции и внешних магнитных полей, что необходимо учитывать при конструировании и эксплуатации ламп. Классификация ламп основана на конструктивных признаках: а) трубчатые ГЛВД с естественным и водяным охлаждением; б) ЛСВД с короткой дугой с естественным и принудительным (воздушным или водяным) охлаждением. Помимо этого имеются еще специальные типы ламп, например, металлические разборные лампы-светильники большой мощности, безэлектродные лампы и др. Маркировка ламп: Д - дуговая, Кс - ксеноновая, Т - трубчатая, Ш - шаровая, РБ - разборная, М - металлическая, Э – эритемная, В - с водяным охлаждением. Цифры соответствуют мощности в ваттах, цифра через дефис - порядковый номер разработки.