Зависимость электрических и световых параметров от напряжения на лампе накаливания

Уравнения, связывающие основные параметры лампы накаливания с напряжением: для мощности

для тока

для светового потока

для световой отдачи

для срока службы

для температуры нити

На графиках приведены зависимости отношений электрических, световых и эксплуатационных характеристик ЛН к их номинальным значениям от напряжения.

Лекция 124. ГАЛОГЕННЫЕ ЛАМПЫ

4.1 Вольфрамо-галогенный цикл

Улучшить светотехнические характеристики ламп накаливания можно путем увеличения температуры тела накала. Увеличение температуры тела накала приведет с одной стороны, к смещению r_m(λ,Т) в область более коротких длин волн, согласно закону Вина, и увеличению световой отдачи, а с другой стороны – к сокращению срока службы лампы. Сокращение срока службы является последствием быстро растущей при повышении температуры скорости испарения вольфрама, которая приводит с одной стороны, к потемнению колбы, а с другой — к перегоранию тела накала.

Попытки вернуть атомы вольфрама с внутренней поверхности колбы на тело накала делались неоднократно и только в 1959 г. привели к положительному результату. Цаблер и Мосби (США) продемонстрировали первую трубчатую ЛН с добавкой йода, которая после горения свыше 2000 часов сохраняла светлую колбу и световой поток. В том же году была разработана подобная отечественная лампа во ВНИИИС.

Галогенные лампы в газе-наполнителе содержат незначительные добавки галогенов (йод, хлор, фтор, бром или их соединения), с помощью которых удалось вернуть атомы вольфрама с внутренней поверхности колбы на тело накала, за счет регенеративного или вольфрамо-галогенного цикла.

Упрощенно процесс регенеративного цикла выглядит следующим образом (рис.1): при температуре стенок колбы выше 250⁰С и ниже 1200⁰С пары йода соединяются на стенке с испарившимися атомами вольфрама, образуя йодистый вольфрам WI₂. Диффундируя в объеме и попадая в зону вблизи тела накала ТН с температурой выше 1400-1600⁰С, молекулы WI₂ распадаются. Атомы вольфрама остаются вблизи ТН и других деталей с температурой выше 1600⁰С и оседают на них. Освободившиеся атомы йода, диффундируя в зоны с более низкой температурой, на стенках колбы вновь соединяются с атомами вольфрама, образуя WI_2­. Затем цикл снова повторяется.

Для поддержания йодно-вольфрамового цикла в течение длительного времени необходимо выполнения следующих условий.

1. Температура внутренней стенки колбы должна быть выше 250⁰С, так как иначе йодистый вольфрам будет конденсироваться, в результате чего нарушится цикл и стенки колбы быстро почернеют. Для надежного испарения молекул WI₂ требуется более высокая температура стенок, около 500-600⁰С. Кроме того, максимальная температура стенки должна быть ниже 1200⁰С, так как при этой и более высокой температуре начинается разложение молекул WI₂.

2. Минимальная температура тела накала ТН должна быть выше 1600⁰С, Чтобы происходила полная диссоциация молекул йодистого вольфрама. Максимальная температура ТН определяется требуемой световой отдачей или яркостью и сроком службы.

3. Должны быть созданы условия, при которых йод не мог бы выходить из цикла в течение всего срока службы. Так как йод является химически активным веществом, особенно при высоких температурах, к выбору материалов, применяемых в лампах, предъявляются особые требования. Так, например, недопустимо использование никеля, молибдена, геттеров (алюминий цирконий, фосфор), широко применяемых в лампах накаливания. Это заставляет особо тщательно относиться к обезгаживанию всех деталей ламп и к чистоте наполняющих газов.

4. Введение в лампу избытка йода для компенсации его потерь не допускается, так как пары йода заметно поглощают видимое излучение, особенно в области 500-520 нм.

Применение йода в галогенных лампах выявило его некоторые недостатки: агрессивность по отношению к металлическим деталям, трудность дозировки, некоторое поглощение видимого излучения. В настоящее время в подавляющем большинстве галогенных ламп применяют химические соединения галогенов: CH₂Br₃ (бромистый метил), и CH₃Br (бромистый метилен).

Эти жидкости со сравнительно высокой упругостью паров. Сами жидкости и их пары химически не очень активны; они удобны для введения в лампу как отдельно, так и смеси с инертным газом; их удобно дозировать. Несмотря на более сложные химические процессы, протекающие в лампе с соединениями галогенов, их функции остаются прежние – возвращение атомов вольфрама с внутренней поверхности колбы на тело накала. Упрощенную схему вольфрамо-галогенного цикла можно представить в виде:

где: Х – используемый галоген; n – количество атомов.

4.2 Устройство галогенных ламп

Устройства типовых галогенных ламп приведены на рисунке 2- капсульной или миниатюрной (2а), трубчатой (2b) и со стандартным цоколем (2с).

Колба лампы 1 выполнена из кварцевого стекла. У трубчатой ГЛН по оси трубки, а у капсульной – перпендикулярно оси, расположено тело накала ТН в виде спирали или биспирали 2.

Вводы в кварц представляют собой полоски молибденовой фольги 4, заштампованные в сплющенные концы кварцевой трубки. Внутренняя часть электродов выполнена из вольфрама 3, внешние выводы - из молибдена 5. В лампах большой мощности, имеющих длинную спираль, для устранения ее провисания применяют держатели из вольфрама 7. Для откачки, вакуумной обработки и наполнения лампы у трубчатых ГЛН в средней части колбы, а у капсульной – в верхней части колбы, припаивается штенгель из кварцевого стекла, после отпайки которого остается утолщение 6. Для крепления и присоединения к питающей сети на концы лампы надевают цоколи 8. В зависимости от мощности, размеры колбы 1, тела накала 2, полоски молибденовой фольги 4 и внешние выводы 5 имеют различные значения.

Сложной технологической задачей является создание достаточно надежного вакуумно-плотного впая полоски из молибденовой фольги с кварцем из-за разных термических коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) молибдена и кварца. Экспериментально установлено, что в рабочем диапазоне температур лампы при толщине фольги 20-30 мкм силы сцепления молибденовой фольги с кварцем, возникающие при смачивании металла кварцем, больше чем силы, отрывающие металл от кварца. При увеличении толщины фольги свыше 30 мкм отрывающие силы становятся преобладающими и герметичность впая нарушается. Для повышения надежности впая фольге придают линзообразное сечение с толщиной ребра 4-6 мкм, что предотвращает образование капилляров вдоль ребра фольги при заварке ножки лампы. Края фольги стравливают электролитическим способом. Допустимая плотность тока через ввод зависит от сечения фольги. При толщине фольги 20 мкм допустимый ток примерно равен 3 А на 1 мм ширины фольги. Важную роль играет длина полоски фольги. Она должна быть такой, чтобы температура наружного конца фольги, присоединенного к внешнему звену ввода была в пределах от 150 до 300°С. При нарушении этих условий участки молибденовой фольги, контактирующие с воздухом, начинают окисляться, и происходит разрушение ввода из-за быстрого проникновения окислов вдоль фольги. Таким образом, размеры фольгового впая зависят от электрических параметров лампы, а также от конструктивно-технологических ограничений.

4.3 IRC-галогенные лампы