Справочная книга по светотехнике

РАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ

3.3.1. Общие свойства РЛ

Разрядной лампой называют лампу, в которой ОИ возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях [3.2, 3.10).

Области применения РЛ опрелеляются чем, что они имеют самую высокую световую отдачу и во много раз (от 10 до 50) больший срок службы по сравнению с J1Н, а также могут иметь разнообразные спектры излучения, широкий диапазон значений мощности, яркости и дру­гих параметров. Поэтому современные PJ1 все шире при­меняются для освещения, постепенно оттесняя J1H. Уже сегодня і) передовых странах мира РЛ создают 75-80% светового потока, и в будущем эта доля возрастет.

Давно было известно, что ртутные Л ВД и натриевые ЛНД обладают высокой световой отдачей. Однако по­пытки применения их для освещения не имели успеха

и)-за сильного искажения цветопередачи, особенно цвета человеческой кожи. Впервые этот недостаток удалось преодолет ь в ртутных ЛЛ низкого давления. Их появление в 1938 г. ознаменовало собой новый, под­линно революционный этап в развитии разрядных ИС. Впервые были созданы РЛ, дающие излучение с непре­рывным спектром практически любого состава и обла­дающие при этом световой отдачей и сроком службы, в несколько раз превышающими световую отдачу и срок службы ЛН. Световая отдача современных ЛЛ достига­ет 85-104 лм/Вт, срок службы — до 60 тыс. ч. В настоя­щее время ЛЛ — наиболее массовые разрядные ИС, применяемые для освещения.

В начале 50-х годов появились ртутные ЛВД с исп­равленной цветностью типа ДРЛ (см. п. 3.3.3). Эти лампы, обладающие высокой световой отдачей (45- 60 лм/Вт) и большим сроком службы (10-20 тыс. ч), получили широкое применение для наружного и про­мышленного освещения.

В 60-х годах были открыты новые, исключительно плодопюрные направления в создании РЛ высокой ин­тенсивности (РЛВИ) с самым различным спектром из­лучения и более высоким КПД. чем у существовавших до этого. Впервые ;иія РЛВИ удалось получить свето­вую отдачу свыше 100 лм/Вт. Сегодня разработано и выпускается много новых типов РЛ, которые по ряду параметров значительно превосходят РЛ типа ДРЛ и занимают видное место в семье разрядных ИС. Это НЛВД в колбах из поли - или монокристаллической окиси алюминия, широко применяемые для НО, и раз­личные типы МГЛ.

Разрядные лампы находят многочисленные и весь­ма важные применения во многих отраслях народного хозяйства, в медицине, новейшей технике и т. д.. что объясняется особенностями электрического разряда, которые позволяют создавать источники излучения с весьма разнообразным сочетанием параметров.

Подбирая соответствующие наполнение и условия разряда, удается создавать высокоэффективные источ­ники излучения практически в любой части не только видимого, по также УФ и И К спектров. При этом мож­но получать спектры излучения, состоящие из одиноч­ных линий, многолинейчатые и непрерывные. Это до­стоинство РЛ открыло им исключительно широкие возможности применения не только для освещения, по также для многочисленных специальных целей.

Разряды высокого и особенно сверхвысокого давле­ния имеют высокую яркость, в десятки и согни раз превосходящую яркость ЛИ. Поэтому РЛ с успехом применяются в светооптических приборах и установ­ках. Малая инерционность излучения РЛ позволяет применять их там, где требуется модуляция излучения, например, при передаче изображений, звукозаписи, оптической телефонии и в других случаях. Широкое и весьма разнообразное применение находят импульсные лампы (ИЛ), даюшие вспышки излучения исключите­льно высокой яркости и очень малой длительности. Они применяются в многочисленных приборах и уста­новках для наблюдения и изучения быстродвижущихся частей машин и механизмов (стробоскопы), фотогра­фирования и изучения быстропротекающих процессов, аэрофотосъемки, оптической далыюметрии и т. д. В по­

следнее премя ИЛ широко применяются для оптиче­ской накачки лазеров.

Недостатком РЛ является некоторая сложность их включения в сеть, связанная с особенностями разряда. Для его зажигания требуется более высокое напряже­ние, чем для устойчивого горения. Для обеспечения устойчивого горения в цепь каждой лампы необходимо включать балласт, ограничивающий ток разряда требу­емыми пределами. Другой недостаток РЛ с парами ве­ществ, наполняющих разрядную колбу, обусловлен за­висимостью их характеристик от теплового режима, поскольку температура определяет давление паров ра­бочего вещества лампы. Номинальный режим устанав­ливается в них только спустя некоторое время после включения. Повторное зажигание ламп с разрядом в парах металла при высоком и сверхвысоком давлении без специальных приемов возможно только по истече­нии некоторого времени после выключения.

Принцип действия РЛ основан па излучении элек­трического разряда между двумя электродами, запаян­ными в прозрачную для ОИ колбу гой или иной формы. Иногда для облегчения зажигания впаивают дополни­тельные электроды. Внутреннее пространство колбы после удаления воздуха и тщательного обезгаживания лампы (удаления сорбированных в материале колбы и электродах паров воды и других газов при помощи на­грева под откачкой) наполняется определенным газом (чаще всего инертным) до заданною давления или инертным газом и небольшим количеством металла с высокой упругостью паров, например, ртуги, натрия и др. Начиная с середины 60-х годов широкое распро­странение получили РЛ, в которые, кроме инертного газа и ртути, вводят галогениды различных металлов.

Существует категория РЛ с электродами, работающи­ми в открытой атмосфере, с разрядом в воздухе и парах ве­щества электродов. Это — угольные дуги. Честь их откры­тия принадлежит русскому академику В. В. Петрову (см. §3.1). Собственно, с этого открытия начинается история РЛ. Среди ряда этапов, которые прошли открытые дуго­вые лампы, надо отметить принципиально важное изобре­тение русским иижепером В. Н. Чиколсвым (1874 год) дифференциального регулятора, автоматически поддержи­вающего постоянное расстояние между сгорающими элек­тродами, и гениальное решение той же проблемы в изоб­ретении русского электротехника П. Н. Яблочкова (1876 год) — его знаменитая «свеча Яблочкова», которая в пери­од с 1876 но 1882 годы триумфально шествовала по столи­цам и городам Европы и других стран мира под названием «русский свет». Существенное открытие было сделано в 1910 году Г. Беком, обнаружившим образование кратера с очень высокой яркостью в фитиле анодного угля. Дуги, использующие этот эффект, названные дугами высокой ин­тенсивности (ДВИ), получили важное применение в про­жекторах дальнего действия, широко применявшихся во время Великой отечественной войны. Кроме этого, они до 60-х годов XX века были практически единственными ИС для киносъемок и кинопроекции па большой экран. Фи­тиль анодною угля обычно содержал до 60% фтористою нерия и давал яркий свет, близкий к солнечному с Г,, ' 6000 К и большим содержанием УФ. Яркость крате­ра. в зависимости от диаметра анодного угля (6-30 мм) и силы тока (18-250 А), менялась от 400 до 900 Мкд/м2.

Важную роль в развитии теории и практики прожскто- ростроения и разработке высокоэффективных углей для дуг высокой интенсивности в СССР сыграла группа уче­ных во главе с проф. Н. А. Карякиным, а также работники КБ и заводов, за что они были удостоены Государственной премии.

В лампах специальных типов используется разряд в про­точном газе. Существуют также разные дуги особого вида.

Из многих вилов разряда в РЛ стационарного дей­ствия используются преимущественно дуговой и тлею­щий разряды, в источниках импульсного действия (ИЛ) — импульсный разряд.

Вид разряда определяется параметрами элементов внешней цепи (питающим напряжением и балластным сопротивлением), типом катода и давлением газа или пара, наполняющего лампу.

Тлеющий разряд характеризуется малой плотностью тока на катоде (от Ю-5 до 10“ 2 А/см2) и низким давле­нием газа или пара, не превышающим несколько тысяч Па (десятки мм рт. ст.). Его отличительной особенно­стью является большое падение напряжения у катода, составляющее 50—400 В. Свечение тлеющего разряда в цилиндрической трубке на постоянном токе распадает­ся на ряд областей, схематически предсташтепных на рис. 3.27. Области свечения 1—5, примыкающие к като­ду, называются катодными частями разряда. Остальную часть пространства почти до самого анода заполняет свечение столба 6.

Дуговой разряд отличается от тлеющего высокой плотностью тока на катоде (102— 104 А/см2) и малым катодным падением потенциала (5—15 В). Давление ра­бочего вещества — от 10 1 до 108 Па; токн — отдеся-

1 23 ь 5 s 7

тых долей до сотен Л. В разряде выделяются приэлек- гролные области и столб, отличающиеся друг от друга физическими процессами. Столб дугового разряда низ­кого давления подобен столбу тлеющего разряда при одинаковых значениях давления, диаметра грубки и тока. Столб дуги высокого и сверхвысокого давления имеет ряд характерных особенностей, кратко рассмот­ренных ниже и в п. 3.3.3.

В PJ1 стационарного действия наиболее широко ис­пользуется дуговой разряд, обеспечивающий возмож­ность создания ламп с весьма разнообразными харак­теристиками и высокой эффективностью при сравни­тельно низких рабочих напряжениях. В подавляющем большинстве PJ1 используется излучение столба, обла­дающее значительно более высоким КПД по сравне­нию с излучением приэлектродных частей, при этом размеры и характеристики светящейся области могут изменяться в широких пределах. Излучение приэлек­тродных областей, например, тлеющее свечение, ис­пользуется только в специальных типах ламп (см. п. 3.3.2, § 3.6).

В последние 10-15 лез появилось несколько прин­ципиально новых типов безэлектродных PJ1, в которых іаз возбуждается ВЧ и СВЧ электромагнитными поля­ми, и которые получают все большее распространение: QL мощностью 55. 85 и 165 Вт (Philips, 1991 г.), Genura (GF.. 1994 г.), Endura 70, 100 и 150 Вт (Osram, 1997 г.), «серная» лампа ВД, дающая квазисолнечпый спектр и др. Безэлектродные PJ1 отличаются очень высокими сроками службы, достигающими 60 тыс. ч, и другими уникальными характеристиками. Ввиду новизны и важности этого направления рассмозрение безэлект­родных РЛ выделено і) специальный раздел (п. 3.3.7).

Классификация РЛ возможна по физическим и кон­структивным признакам, эксплуатационным свойствам н областям применения. Здесь предлагается классифи­кация по физическим признакам, которые определяют важнейшие свойства РЛ, такие как спектр и цветность излучения, яркость, градиент потенциала, энергетиче­ский КПД. Для них определяющими факторами явля­ются состав газовой среды (рабочее вещество), парци­альные давления компонентов газовой смеси и ток. Вместе с видом разряда, используемой областью свече­ния и размерами разрядного промежутка они определя­ют мощность и напряжение, габариты и конструкции РЛ и ее ухпов, их тепловой режим, выбор материалов и связанные с этим особенности эксплуатации и области применения.

По составу газов или паров, в которых происходит разряд, РЛ делятся на лампы с разрядом: I) в газах; 2i в парах металлов и 3) в парах металлов и их соеди­нений. По рабочему давлению РЛ деля тся на: I) лампы низкого давления — примерно от 0,1 до Ю4 Па; 2) вы­сокого давления — от ЗхЮ4 до Ю6 Па и 3) сверхвысо­кою давления — больше Ю6 Па; по виду разряда - на импы: I) дугового, 2) тлеющего и 3) импульсного раїряда; по области свечения — на ламны: 1) со стол­бом в подавляющем большинстве случаев дугового раз­ряда и 2) тлеющего свечения.

В зависимости от того, что является основным ис­точником ихтучепия, РЛ деляг на: I) газо - или нарос - ветные, в которых ихіучепие вызвано возбуждением атомов, молекул или рекомбинацией ионов; 2) фото- люминесцентныс (называемые для краткости просто люминесцентные), в которых излучение создают лю­минофоры, возбуждаемые излучением разряда, и 3) электродосветные, в которых излучение создается электродами, раскаленными в разряде до высокой тем­пературы (в настоящее время практически пе применя­ются). У большинства РЛ 2-го и 3-го типов к основно­му виду излучения примешивается излучение разряда, таким образом, они являются по существу источника­ми смешанного излучения.

По форме колбы РЛ со столбом подразделяются на:

1) трубчатые или линейные РЛ в цилиндрических колбах, у которых расстояние между электродами в 2 и более раз превышает внутренний диаметр трубки;

2) капи. иярные — в трубках с внутренним диаметром меньше 4 мм; 3) шаровые РЛ с расстоянием между элекфодами, меньшим внуїренпего диаметра колбы или равным ему (колбы этих РЛ обычно имеют форму шара или эллипсоида вращения или близкую к ним. откуда они и получили свое название); такие лампы называют также РЛ с короткой или средней длиной дуги или компактными.

По способу охлаждения РЛ подразделяют на РЛ с естественным и с принудительным (воздушным или водяным) охлаждением.

В РЛ многих типов разрядную колбу, часто называ­емую горелкой или ихтучателем, помещают во внеш­нюю колбу, которая выполняет ряд функций: 1) защи­щает горелку от повреждения, 2) уменьшает влияние окружающей среды на тепловой режим горелки.

3) предохраняет наїретьіе выводы и мон таж от окисле­ния, 4) служит поверхностью для нанесения различно­го рода покрытий, изменяющих спектр излучения, КСС и т. д. (подробнее в соответствующих разделах).

Зажигание разряда возможно лишь нри напряжении выше определенного значения, когда становится воз­можным лавинное образование зарядов в іазовом ме - жэлектродном промежутке. Это приводит к резкому, практически внезапному возрастанию тока (10“^— 10-7 с) и появлению свечения. Этот процесс называет­ся зажиганием самостоятельного разряда, а соответст­вующее ему напряжение — напряжением зажигания 13.2). При меньшем напряжении межэлектродный про­межуток является диэлектриком.

Напряжение зажигания самостоятельного разряда (/, определяет нижнюю границу напряжения, которое необходимо приложить к РЛ для возникновения само­стоятельного разряда. Напряжение, необходимое для стабилизации разряда после его возникновения, как правило, ниже (/,.

Напряжение зажигания зависит от рода газа, напол­няющего колбу, его давления р, расстояния между электродами /А1, материала и свойств катода, а также от ряда других причин. Значительное влияние па Ut ока­зывают небольшие, а иногда ничтожные примеси к основному газу. При этом некоторые примеси вызыва­
ют резкое снижение (Л, (эффект Пениипга). а друїие (обычно молекулярные) — существенное повышение. Обычно (/., имеет минимум при определенном значе­нии (рх/ХІ)тіп, различном для разных газон (рис. 3.28). При высоких давлениях и больших расстояниях между электродами []л может достигать многих кВ.

100 pd, Па м

Рис. 3.28. Зависимость напряжения зажигания U, от рх/з:і для некоторых газон (плоские электроды)

Методы, применяемые для зажигания PJI, преду­сматривают снижение напряжения зажигания за счет конструкции лампы или создание различных схем, обеспечивающих подачу на РЛ повышенного напряже­ния, достаточного для зажигания разряда. Снижение напряжения зажигания достигается: I) введением в РЛ вспомогательного зажигающего электрода и подбором рода и давления наполняющего газа; 2) активировкой катодов, снижающей работу выхода электронов;

3) предварительным накалом катодов, обеспечиваю­щим термоэлектронную эмиссию электронов; 4) со­зданием начальной ионизации в объеме газа, напри­мер. при помощи высокочастотной искры от индуктора или при помощи миниатюрных разрядников; 5) при­менением проводящих полос па поверхности лампы, изменяющих распределение электрического поля, и т. п.

Схемы зажигания различных РЛ рассмотрены в со­ответствующих параграфах разд. 4.

Стабшшзация разряда необходима потому, что по­давляющее большинство РЛ работает на падающих (или горизонтальных) участках ВЛХ, па которых с рос­том тока напряжение па РЛ надает. Поэтому устойчи­вая работа РЛ возможна только при наличии в схеме устройств, ограничивающих силу тока в заданных пре­делах (см. разд. 4).

Столб РЛ внешне представляет собой область раз­ряда, заполненную однородным по длине свечением. Столб характеризуется постоянным значением продо­льного градиента потенциала Е. Длину столба /ст мож­но менять в широких пределах, изменяя расстояние между электродами и необходимое для поддержания разряда напряжение на дампе.

При низком давлении газа (или пара) (до несколь­ких сотен Па) и малой плотности тока (до 1 А/см2) све­чение заполняет все сечение трубки, слегка спадая к стенкам. Яркость свечения невелика. Градиент потен­циала составляет от долей до нескольких В/см. При увеличении давления выше нескольких кПа растет гра­диент потенциала, яркость свечения увеличивается, и разряд постепенно стяіивается к оси. Одновременно с ростом давления и плотности тока происходит перерас­пределение излучения но спектру.

По физической природе счолб разряда представляет собой низкотемпературную плазму, т. е. частично иони­зированный газ или пар. в котором концентрации по­ложительных и отрицательных зарядов равны, благода­ря чему плазма квазинейтральпа. Исключение состав­ляют пограничные слои у стенок колбы и электродов, где эта нейтральность нарушается. Концентрация элек­тронов (и ионов) в столбе стационарного разряда со­ставляет обычно І0-4—10 2 концентрации нейтральных атомов.

Внешнее электрическое поле, приложенное к стол­бу, вызывает ускоренное движение электронов. В ре­зультате различного рода соударений с атомами элек­троны передают им энергию. При упругих соударениях вследствие большой разницы в массах электроны пере­дают атомам очень малую часть энергии, равную при­близительно 2те / та |(например, для ртути 2те / /ищ = = 2 / (1840 х 200) = 5,4 • Ю-6)). по резко меняют направле­ние движения. Поэтому движение электронов в столбе носит хаотический характер. При низком давлении газа и малой плотности тока из-за относительно малой пере­дачи энергии атомам электронный газ нагревается до температур н десятки тысяч К (электронная температу­ра), в то время как температура газа нейтральных ато­мов. на которые элеюрическое иоле не действует, лишь немногим превышает окружающую. В стационарном состоянии нагрев электронного газа уравновешивается его охлаждением за счет передачи энергии атомам газа. В столбе разряда низкого давления основными процес­сами передачи являются возбуждение и ионизация ато­мов. Возбужденные атомы, возвращаясь в состояния с меньшей энергией, испускают при этом избыток энер­гии в виде фотонов, которые, покидая разряд, уносят энергию с собой. Образующаяся в результате иониза­ции пара электрон — ион идет на пополнение потерь заряженных частиц. В разряде низкого давления потеря заряженных частиц происходит в основном в результате их рекомбинации па стенках колбы, куда они попадают за счет диффузии. При этом они отдают свою энергию стенкам, вызывая их нагревание.

В разряде низкого давления и при малой плотно­сти тока наибольший поток излучения сосредоточен в так называемых резонансных линиях, соответствующих переходам возбужденных атомов из «нижнего» возбуж­денного состояния в основное невозбужденное. При особо благоприятных условиях в резонансное излуче­ние может преобразовываться до 80-85% подводимой к столбу энергии.

По мере повышения давления и плотности тока растет число рахтичпых соударений между электрона­ми и атомами газа и вместе с тем обмен энергией меж­ду ними. В результате температура электронов надает, а
температура rasa возрастает. При давлении порядка I05 Па и выше и токе в несколько А температуры элек­тронов и rasa становятся практически равными друг друїу и достигают 4000—5000 К и более (термическая плазма). Возникающий в этих условиях большой пере­пал температур от осевых частей разряда к периферии приводит к стягиванию разряда н яркий светящийся шнур, окруженный темной оболочкой. Это связано с тем, что в такой термической плазме объемная мощ­ность излучения и концентрация электронов, а следо­вательно, плотность тока связаны с температурой экс­поненциально. Поэтому даже незначительное сниже­ние температуры в направлении от оси разряда к пери­ферии вызывает резкое уменьшение мощности излуче­ния и плотности тока (рис. 3.29).

В термической плазме и при высоком давлении из­лучающего газа или пара преобладает ихіучение пере - зонапсиых спектральных линий (линий, возникающих при переходах электронов н атомах из одного возбуж­денною состояния в другое — возбужденное с меньшей ліергией, но не в основное — невозбужденное).

Ток в столбе переносится в основном электронами, іак как они имеют значительно большую подвижность, чем ионы (ие / м,- = yjmj / me ).

Ихіучение газов и паров в РЛ вызвано возбуждением ломов (или молекул) в разряде за счет неупругих co - ч. ироний с электронами. Возбужденные атомы (кроме четастабильных) за время 10 7-10-8 с возвращаются в состояние с меньшей энергией и при этом исиускают избыток энергии в виде фотонов — электромагнитного излучения с частотой v ={fVj - И^) /h (см. § 3.1). Атомы кл^юго химического элемента имеют совершенно оп­ределенные, присущие только этому элементу энергии возбужденных состояний и поэтому могут испускать фотоны только определенных частот или длин волн. При рассматривании такого излучения через спек­тральный прибор ізиден спектр, состоящий из отдель­ных линий, расположение которых характерно для ка - жлоіо рода таза или пара. Интенсивность отдельных спектральных линий зависит от условий разряда (дав­ления, тока, диаметра трубки и т. д.), по при этом все­гда имеется определенная совокупность линий, прису­щих только данному элементу. Характер спектра зави­сит от структуры внешней электронной оболочки ато­ма. У элементов с одним электроном на внешней обо­лочке (первая группа таблицы Менделеева), например, лития, натрия, калия, спектры состоят из относительно небольшого числа линий. У элементов с двумя элек­тронами на внешней оболочке (вторая группа таблицы Менделеева) число линий в спектре больше. Вообще густота заполнения спектра линиями растет с увеличе­нием числа электронов па внешней оболочке, т. е. по мере перехода от первой к другим группам таблицы Менделеева. Спектры редкоземельных металлов на­столько густо насыщены линиями, что производят впе­чатление сплошных. Спектры молекул состоят обычно из полос [3.2].

В разряде с большой концентрацией ионизованных атомов (большая плотность тока и высокое давление) значительную интенсивность имеет непрерывный спектр, возникающий при торможении свободных электронов под воздействием ионов, электронов, ато­мов, и множества других оптических процессов взаи­модействия возбужденных атомов с электронами и ионами.

Таким образом, подбирая род газа или пара и усло­вия разряда, можно получать разные спектры ихіуче - ния с различным распределением интенсивностей.

Преобразование излучения разряда при помощи люми­нофоров открыло широкие возможности создания PJ1 с самыми различными спектрами ихіучения. Обычно для возбуждения люминофора используется УФ-излу - чение разряда, которое люминофор преобразует с определенными потерями в более длинноволновое из­лучение, лежащее в УФ или видимой областях спектра (закон Стокса) (см. п. 3.3.2, 3.3.3).

Электрические характеристики. Для РЛ стационар­ного действия мощность и напряжение па лампе нор­мируются, так как конструкция PJ1 предусматривает их работу при определенных мощности и токе. При работе ламп па палаюших или почти горизонтальных участках ВАХ для надежной стабилизации и работы без пауз тока необходимо, чтобы напряжение на ламне пе пре­вышало 0,65 Uc, т. е. было не более 80 В для сети 127 В и 140 В для сети 220 В (см. разд. 4). Падение напряжения на PJ1 (Л, складывается из палений напряжения у като­да UK, в столбе UCJ и у анода Ua. На переменном токе анодное и катодное падения напряжения обычно учи­тывают совместно как (/ак. Поскольку UCf =Е1СТ,

U, = £7СТ +U3K. (3.17)

В PJ1 дугового разряда (/ак меняется в зависимости от типа лампы в пределах от 5 до 18 В и сравнительно слабо зависит от условий разряда. Поэтому в PJ1 с раз­витым столбом главная часть падения напряжения приходится на столб. Градиент потенциала зависит от состава наполнения, возрастает с ростом давления и уменьшается с ростом диаметра трубки сітр и тока I. От­метим, что при низких давлениях наблюдается более сложная зависимость градиента от давления 13.2].

Для ламп высокого давления

Е = cjP /", (3.18)

где с — численный коэффициент; 6е0,5—0,8; £ =0,2-^

-г - 0,3; и = -0.2-5-+ 0,2.

В лампах низкого давления Е лежит в пределах от долей до нескольких волы на сантиметр. В РЛВД и СВД Е достигает десятков и даже сотен вольт на санти­метр.

Рабочее напряжение на РЛ определяется расстояни­ем между электродами и условиями разряда, а ток. не­обходимый дли получения заданной мощности, обеспе­чивается подбором сопротивления балласта, с которым РЛ включается в сеть.

С самого начала появления закрытых РЛ велись их исследования и делались попытки расчета характери­стик. в первую очередь однородного столба. В настоя­щее время имеется множество программ для расчета на современных ЭВМ характеристик столба разрядов, как НД, так ВД и СВД, нее более точно учитывающих раз­личные процессы. Только наличие современных ЭВМ позволило говорить о решении этих уравнений.

Зависимость характеристик РЛ с парами и газами от температуры колбы обусловлена зависимостью дав­ления паров металлов или веществ от температуры. В нерабочем состоянии металлы или (и) вещества при­сутствуют в жидком или твердом состоянии и давление (упругость) их паров определяется как давление паров, насыщающих пространство. Оно зависит от рода ме­талла или вещества и температуры. При комнатной температуре оно обычно очень мало, но очень резко возрастает с ростом температуры металла или вещества:

(3.19)

где см — численный коэффициент.

Так, давление насыщающих паров ргуги при 20°С равно 0,16 Па, при 50°С (что близко к рабочей темпе­ратуре колб ЛЛ) — около 1,7 Па, при 398°С — около 2 -105 Па, т. е. I атм, и т. д. Поэтому после включения РЛ по мере наїревания колбы и металла (вещества) очень

р, МПа пср, 1023 ат/см3

300 500 700 °С

Рис. 3.30. Давление р и средняя плотность пср паров ртуги в лампе сверхвысокого давления с дозированным количе­ством ртути в зависимости ог температуры колбы резко возрастают давление и плотность паров в объеме (рис. 3.30, левый участок). Вместе с тем. резко изменя­ются все характеристики разряда. Так продолжается до тех пор, пока не установится тепловой режим колбы. Этим объясняется наличие периода разгорания у всех РЛ с разрядом в парах металлов. Его /Длительность определяется временем, необходимым для разогрева­ния колбы и установления теплового режима. Чем выше рабочая температура колбы, тем больше разница между давлением паров металла в работающей и холод­ной РЛ и между начальными и рабочими характеристи­ками (световыми, U3 и др.). В РЛВД и СВД рабочее давление паров в сотни тысяч и миллионы раз превы­шает их давление в холодной ламне. Вследствие этого повторное зажигание ламп с разрядом в парах металла (или веществ) при высоком или сверхвысоком давле­нии без специальных приемов возможно только по ис­течении некоторого времени после выключения, I) те­чение которого РЛ остынет и давление наров в пей снизится настолько, чтобы она зажигалась в стандарт­ной схеме. Для повторного зажигания горячей РЛ не­обходимо приложить весьма высокое напряжение.

Чтобы уменьшить зависимость характеристик раз­ряда в парах металлов от теплового режима колбы, принимают специальные меры. Так, РЛВД и СВД на­полняют строго дозированным количеством ртути с та­ким расчетом, чтобы в нормальных условиях работы лампы ргугь полностью испарялась и разряд происхо­дил в ненасыщенных парах. В этом режиме давление изменяется с температурой значительно медленнее (р ~ пкТ) (см. рис. 3.30. правый участок), вследствие чего и все характеристики разряда существенно меньше зависят от температуры колбы, т. е. режима работы РЛ. При избытке металлов (и веществ) колбу конструируют таким образом, чтобы температура наиболее холодной зоны, определяющей давление паров, имела требуемое значение и по возможности мало зависела от рабочего режима РЛ.

В РЛ с газовым наполнением общее количество газа в объеме остается неизменным как в холодной, так и в работающей лампе. Во время работы за счет нагрева происходит некоторое повышение давления газа и пе­рераспределение его плотности по объему. Однако лаже в РЛСВД с предельно высокой температурой кол­бы и разряда давление газа в работающей РЛ повыша­ется не более чем в 4—7 раз, а обычно повышение еше меньше. Вследствие этого в РЛ с газовым наполнени­ем: I) практически отсутствует период разгорания, т. е. их злекірические и световые параметры сразу после за­жигания разряда принимают значения, близкие к рабо­чим; 2) температура колбы слабо влияет на характери­стики разряда; 3) напряжение зажигания РЛВД и РЛСВД весьма велико и 4) давление в РЛСВД в нера­ботающем состоянии велико (см. п. 3.3.6 о мерах пре­досторожности).

Электроды являются одним из основных конструк­тивных узлов РЛ, оказывающих подчас решающее вли­яние на КПД лампы, ее зажигание и долговечность. Имеются два основных электрода — катод и анод. Ка­тод обеспечивает поступление электронов, необходи­мое для поддержания разряда: анод является приемни­ком электронов из разрядного промежутка. При работе на постоянном токе катод и анод имеют, как правило, рахчичную конструкцию, чтобы обеспечить оптималь­ную работу каждого из них. У РЛ, использующих излу­чение столба и работающих на переменном токе, оба электрода, как правило, имеют одинаковые конструк­цию и размеры, поскольку каждые полпериода они ме­няются ролями.

В зависимости от типа разряда применяют холод­ные или накаленные катоды.

Холодные катоды применяют в РЛ тлеющего разря­да. Их рабочая температура обычно пе превосходит 100—200°С. Эмиссия электронов обеспечивается в основном за счет ударов положительных ионов о катод. Этот механизм малоэффективен и требует больших околокатодпых падений напряжения. Холодные като­ды изготавливают из материалов с малым катодным распылением — железа, никеля, алюминия. Часто для снижения напряжения зажигания и околокатодпого падения напряжения поверхность катода покрывают топким слоем активирующего вещества (соединения щелочноземельных металлов). В высоковольтных газо­светных трубках применяют электроды в виде цилинд­ров с донышком (рис. 3.31, а). В РЛ тлеющего свечения электроды в зависимости от назначения имеют самые разнообразные формы (см. § 3.6).

Накаленные катоды применяют н РЛ дугового раз­ряда. Это почти исключительно самокаляшиеся като­ды. т. е. накаливающиеся за счет энергии самого разря­да Катоды с независимым накалом используют только иноі. іа для облегчения зажигания и поддержания раз­ряда (например, в ЛЛ). Эмиссия электронов из катода •вляегся в основном термоэлектронной.

В дуговых РЛНД. например ЛЛ, натриевых, неоно­вых п др., применяют так называемые оксидные като - Фя Они представляют собой биспирали (или іриспира - лиі из вольфрамовой проволоки, покрытые слоем ак- тмвлора на основе окислов щелочноземельных метал­лов с некоторыми добавками (рис. 3.31,6). Электроды конструируются так. чтобы они обеспечивали надеж­ное мжигапие разряда, а при нормальном режиме ра­боты имели оптимальную температуру (достаточная термоэлектронная эмиссия нри большом сроке служ­бы). Для оксидного катода она составляет 950—1000°С.

Для РЛВД и СВД применяют так называемые пле­ночные катоды различной конструкции. Они, как пра­вило, состоят из двух частей — зажигающей и рабочей. Зажигающая часть связана с активатором и служит для облегчения зажигания. После разгорания разряд пере­ходит на рабочую часть, более стойкую в отношении термического распыления. Материалом для электродов служит вольфрам. Конструктивно элекчрод представ­ляет собой стержень (рабочая часть), на который нави­та одно - или двухслойная спираль; между витками спирали находится активатор (зажигающая часть) (рис. 3.31, в). При работе лампы активатор поступает па рабочую часть за счет диффузии и образует на ней мономолекулярную пленку, снижающую работу выхо­да электронов.

Сложность разработки электродов состоит в том. что надо пыбрать оптимальные режимы работы катода и анода не только для стационарного режима, но и для режимов зажигания разряда, перехода из тлеющего н дуговой и разгорания, а каждый из них предъявляет свои, зачастую противоречащие друг другу, требования.

В мощных РЛВД и СВД применяют электроды спе­циальных конструкций и технологий (рис. 3.31. <?, д) («спеченные» электроды).

Спеченные (сиптерированные) электроды для разряд­ной лампы представляют собой спеченный при высо­кой температуре (но ниже 7'^,) в восстановительной (или защищающей) атмосфере порошок тугоплавкого металла с необходимыми активаторами и другими до­бавками.

В современной практике применяется обычно по­рошок вольфрама (чистый или с присадками), хотя в приппипс моїут использоваться и порошки других ту­гоплавких металлов. В качестве активаторных добавок обычно применяют различные соединения щелочно­земельных металлов, некоторые металлы из группы редкоземельных (иттрий и др.).

К достоинствам спеченных электродов относятся:

— возможность изготовления электродов практиче­ски любой формы и размеров, что в случае массивных электродов практически невозможно сделать из вольф­рамовых прутков и проволоки;

— возможность механической обработки;

— возможность в исключительно широких пределах менять состав активаторов и других добавок.

Ведущие зарубежные фирмы с конца 30-х тт. про­шлого века успешно применяют спеченные электроды разных форм и размеров в мошных (>1 кВт) короткоду­говых ртутно-кварцевых шаровых лампах СВД, а также в лампах аналогичного типа с ксеноновым наполне­нием.

Проблема разработки спеченных электродов для РЛ массового применения требует решения сложных кон­структивных и технологических задач.

В настоящее время работы ведутся и зарубежными, и отечественными фирмами: например, фирма

IWASAKI (Япония) использует спеченные электроды в маломощных НЛВД. ОАО «Лисма» совместно с ОАО

«НИИ МЭТ» (г. Калуга) закончила разработку спечен­ных электродов для ламп ДРЛ 400, 700 и 1000 Вт. На ОАО «Лисма» изготовлены также образцы спеченных «холодных» электродов ЛЛ 20 и 40 Вт для работы с ЭПРА.

Таким образом, можно говорить о кардинальном за последние 15-20 лет изменении конструкции и техно­логии производства значительного числа разрядных ламп с весьма четкой перспективой стабилизации за­жигания и некоторого увеличения продолжительности горения при заметном снижении себестоимости.

3.3.2. Люминесцентные лампы

3.3.2.1. Прямые трубчатые и фигурные ЛЛ

Люминесцентные лампы представляют со­бой разрядные ИС низкого давления, в которых УФ излучение ртутного разряда преобразуется люминофо­ром в более длинноволновое излучение. Первые образ­ны отечественных ЛЛ были созданы в 1936-1940 гг. группой московских ученых и инженеров под руковод­ством С. И. Вавилова 13.11, 3.12|. Сразу после изобрете­ния ЛЛ их производство и применение расширялось необычайно быстрыми темпами (рис. 3.32).

В промышленно развитых странах па долю освети­тельных установок (ОУ) с линейными ЛЛ приходится более 80% вырабатываемой световой энергии. В на­стоящее время ЛЛ являются наиболее массовыми ИС в ОУ промышленных и общественных зданий. Есть все основания полагать, что эта тенденция продолжится и в будущем.

Это объясняется, во-первых, рядом достоинств ЛЛ:

1) высокой снеговой отдачей и большим сроком служ-

бы; 2) малой себестоимостью изготовления в связи с высокой степенью механизации, простотой конструк­ции и доступностью сырья и материалов: 3) благопри­ятным спекіром излучения, обеспечивающим высокое качество цветопередачи; 4) низкими яркостью и тем­пературой поверхности лампы.

ЛЛ широко используются уже более пятидесяти лет. Сначала эти лампы выпускались в колбе диаметром 38 мм (ТІ2) с галофосфатными люминофорами мощ­ностью от 4 Вт до 150 Вт. Световая отдача наиболее распространенных ЛЛ мощностью 40 Вт составляла 70—75 лм/Вт. средняя продолжительность горения — 5000-8000 ч.

В 80-х годах было освоено производство энергоэко- номичпых ЛЛ диаметром 26 мм (Т8). Появление в это же время новых трехкомпонентных люминофоров по­зволило повысить световую отдачу до 92-95 лм/Вт при одновременном улучшении качества цветопередачи (Ло>80) и снижении спада светового потока в конце срока службы до 15% от начального.

Световая отдача новых ЛЛ диаметром 16 мм (Т5) достигает 104 лм/Вт, средняя продолжительность горе­ния более 16 тыс. ч.

Классификация ЛЛ по характеру разряда в них по­зволяет выделить ЛЛ дугового разряда с горячими като­дами, ламны тлеющего разряда с холодными катодами и лампы безэлектродные. Лампы лугового разряда, за­жигаемые от стандартного сетевого напряжения с пред­варительным подогревом катодов, наиболее экономич­ны. просты в эксплуатации и получили самое широкое применение в осветительной технике. Лампы тлеюшего разряда зажигаются мгновенно и применяются для сиг­нализации и световой рекламы. Основным достоинст­вом безэлектродных индукционных ламп является их большой срок службы (45—60 тыс. ч) (см. п. 3.3.7).

В большинстве типов JIJI используется излучение однородного положительного столба разряда с цилинд­рической симметрией. Колба ЛЛ имеет вид прямой или изогнутой грубки, длина осевой линии которой значи­тельно превышает диаметр (рис. 3.33). В некоторых ти­пах малогабаритных ЛЛ, применяемых для сигнализа­ции или подсветки шкал приборов, используется излу­чение приэлектродных областей тлеюшего или дугово­го разрядов: по форме колбы они подобны ЛН. Лампы вихревого разряда также выполняются в форме ЛН.

Люминесцентные ламны лугового разряда можно подразделить на осветительные ЛЛ общего и специаль­ного назначения. Лампы общего назначения — это ЛЛ. предназначенные для освещения в различных областях применения. К ним относятся прямые ірубчатьіе ЛЛ. компактные ЛЛ и фигурные ЛЛ (рис. 3.33). Ламны спе­циального назначения имеют особые эксплуатацион­ные свойства, обусловленные конструкцией, спектром излучения и т. д.

В безэлектродных лампах используется излучение высокочастотного вихревого разряда, создаваемого в смеси паров ргути и инертного газа в шаровом или ци­линдрическом баллоне с помощью индуктора, соеди­ненного с высокочастотным генератором. Стенка бал­
лона может быть покрыта люминофором. Генератор может встраиваться в цоколь лампы.

Принцип действия ЛЛ основан на использовании фотолюминесценции люминофоров пол воздействием резонансного УФ-излучения разряда в парах ртути при низком давлении (5—10 Па), которое соответствует температуре жилкой фазы ртути (35-40°С). Давление парой ртути является фактором, определяющим выход излучения резонансных линий ртути 253,7 и 184,9 нм. Добавка инертного газа к парам ртути (аргон, аргоно - неоновая или аргоно-криптоновая смесь нри давлении 200—400 Па) облетает зажигание дугового разряда, уменьшает распыление катодов, увеличивает градиент электрического потенциала в столбе разряда и сущест­венно повышает выход излучения резонансных линий ртути [3.13] (рис. 3.34). На долю резонансного излуче­ния приходится более 60% мощности лампы (в том числе на линию 253,7 нм — 55%), тогда как на долю из­лучения нерезонансных линий — всего 1,5—2% (рис. 3.35).

/е, отн. ед.

Существуют ЛЛ с разрядом в инертных газах — без- ртугныеЛЛ, которые имеют три важных преимущества: они нетоксичны, работоспособны при низких темпера­турах и пригодны для люминофоров, возбуждающихся коротковолновым УФ-излучением с квантовым выхо­дом больше единицы [3.14]. Тем не менее, у них значи­тельно ниже световая отдача и мал срок службы. Наи­более удовлетворительны эти параметры у неоновых красных ламп.

Оксидный катод в ЛЛ обеспечивает зажигание и поддержание разряда при различных токах (от 0,1 до 2 А) в течение десятков тысяч часов. Катод ЛЛ может работать в режиме самоподогрева с катодным пятном, обладающим высокой температурой и плотностью тока на участке радиусом менее I мм (стартерные ЛЛ), и в режиме внешнего подогрева, при котором достаточно велика термоэлектронная эмиссия всей поверхности катода и катодное пятно отсутствует (бесстартерные ЛЛ). Второй режим характеризуется меньшей темпера­турой катода и обеспечивает его большую долговеч­ность.

Работа без катодного пятна и с большей долговеч­ностью возможна также при определенных диаметре и шаге спирали за счет перехода к режиму полого като­да. Вопросы технологии изготовления ЛЛ изложены в [3.15|.

Люминофоры, применяемые в ЛЛ, хорошо возбуж­даются резонансным излучением атома ртути с длина­ми волн 184,9 и 253,7 нм. Квантовый выход люминес­ценции лучших люминофоров достигает 90% [3.16]. Таким люминофором является галофосфаг кальция, активированный сурьмой и марганцем. Рахпичпые марки этого люминофора синтезируют с разной кон­центрацией марганца — от 0.3 до 1,2%, в результате чего в спектре люминесценции получается различное соотношение энергии в «сурьмяной» спектральной по­лосе с максимумом при 485 нм и в «марганцевой» спектральной полосе с максимумом при 585 им. Это дает возможность изготавливать ЛЛ типов ТБ, имею­щие Гц=2950 К, Б — 3450 К, ХБ — 4200 К и Д —
6400 К, используя галофосфатний люминофор различ­ных марок. Квантовое отношение люминесценции для этого люминофора приближается к 0,44 при возбужде­нии излучением с Х = 254 пм и к 0,32 при излучении с Х= 185 им.

Важнейшим событием в развитии ЛЛ за последние 15-20 лет явилась разработка и широкое внедрение в ламповое производство новых высокоэффективных редкоземельных люминофоров (РЗЛ), повсеместно за­меняющих галофосфатные. Новые люминофоры по­зволили па 17—20% повысить световую отдачу ЛЛ, су­щественно улучшив их цветопередачу (с Ra = bQ до Ra - 85). уменьшить диаметр трубчатых колб с 38 до 16 мм и благодаря этому сократить расход материалов (вт. ч. и дорогих редкоземельных люминофоров), пони­зить мощность ЛЛ и расход электроэнергии на освеще­ние па 8—10%. Для зри тельных работ, связанных с тон­ким различием цветных опенков, были разработаны ЛЛ с особенно хорошей цветопередачей (Ra> 90) благо­даря применению многокомпонентных смесей редко­земельных и других люминофоров.

Сравнительные параметры ЛЛ с галофосфатними и редкоземельными люминофорами приведены в табл. 3.13.

При изготовлении современных ЛЛ используются трехкомпопепгпые люминофоры, которые позволяют обеспечить широкую гамму цветовых оттенков излуче­ния с цветовой температурой от 2700 К («домашний» тепло-белый свет, максимально близкий к ЛН) до 6500 К («холодный» дневной свет).

Номинальное значение светового потока измеряет­ся после 100 ч отжига. Сила света ЛЛ в направлении, перпендикулярном продольной оси, для прямых труб­чатых ЛЛ

/ =0,108Ф, (3.20)

где / — сила света, кд; Ф — световой поток, лм.

Средняя по диаметру яркость свечения ЛЛ в цент­ре, кд/м2,

L = 0,108*Ф/(<//), (3.21)

где к — коэффициент, учитывающий спад яркости к концам ЛЛ; d и / — диаметр и длина светящей части лампы, м.

У стандартных ЛЛ с нормальной электрической на­грузкой яркость свечения составляет от 4 103 до 15• 103 кд/м2. Пример распределения яркости свечения по длине и по диаметру ЛЛ приведен па рис. 3.36.

Стабильность светового потока. Снижение Ф после средней продолжительности горения составляет 25-30%.

За последние годы спад светового потока лучших зарубежных ламп при работе с электронным ПРА к концу срока службы снижен с 15-30% до 5%.

Маркировка отечественных ЛЛ основана на буквен­ном обозначении конструктивных признаков. Первая буква Л — люминесцентная, следующие буквы обозна­чают цвет излучения: Б — белый, ТЬ — тепло-белый. ХБ — холодно-белый, Д — дневной, П — естественно белый, УФ — ультрафиолетовый. К. С, 3, Г — крас­ный, синий, зеленый, голубой. Одна или две буквы Ц после обозначения цвета означают хорошее или отлич­ное качество цветопередачи. Далее следуют буквы, обо­значающие особенности конструкции лампы: Р — реф­лекторная, У — U-образная, К — кольцевая. Б — быст­рого пуска, А — амальгамная. Цифры, стоящие после букв, обозначаю! мощность в вапах. Сигнальные ЛЛ тлеющего разряда имеют маркировку, начинающуюся с букв ТЛ; трубки, применяющиеся в световой рекла­ме, — маркировку ГР-20.

В мировой практике нет единообразия в марки­ровке ЛЛ. В США, например, в маркировке указыва­ются длина и диаметр колбы ЛЛ в дюймах, буквенное обозначение цвета (подобно отечественному) и мощ­ности (НО — интенсивные. VHO — высокоинтенсив - ныс). Некоторые европейские фирмы обозначают класс ЛЛ буквами: L — фирма «Osram», TL — «Philips», FL — «Ma/.da», после чего указывается мощ­ность ЛЛ с буквой W (ватты) и цифровое обозначение цвета излучения, различное у разных фирм. В конце маркировки указываются буквенные обозначения осо -

бенносгей конструкции ЛЛ (форма колбы, наличие амальгамы и т. п.). В Японии маркировка ЛЛ подобна отечественной, но буквы, обозначающие цвет, ставят после цифр, указывающих мощность. При этом мар­кировка ЛЛ, производимых на экспорт, не совпадает с маркировкой ламп, предназначенных для внутреннего рынка.

В последние годы на светотехническом рынке наря­ду с отечественными широко используются лампы за­рубежных фирм.

В табл. 3.14 приведены обозначения ламп по меж­дународной системе обозначений ILCOS [3.17] и по ка­талогам фирм-изготовителей ]3.18].

Диапазон световых параметров наиболее распро­страненных прямых трубчатых ЛЛ белого света диамет­ром 26 мм и миниатюрных диаметром 16 мм и поколем G5 приведен в табл. 3.15 и 3.16.

В табл. 3.17 приведены номенклатура и параметры ЛЛ диаметром 38 мм, еще выпускаемых российскими и мрубежпыми фирмами для общего и специального применения.

Миниатюрные ЛЛ белого света с колбой диаметром 16 мм и цоколем G5 (см. также табл. 3.18)

В табл. 3.18 прицелены характеристики цветопере­дачи ЛЛ разных фирм и их обозначения в общеевро - пейском стандарте EN и в каталогах фирм-изготовите - лей.

Табл и ца 3.17 Номенклатура и параметры ЛЛ с колбой диаметром 38 мм

люминесцентных ламп

. Источником скета повою поколения можно считать ЛЛ диаметром 16 мм (типа Т5) 13.19| мощностью 14— 80 Вт, которые работают только с электронным ПРА, продолжительность горения их — 16-20 тыс. ч. Спад светового потока этих ламп через 10 тыс. ч наработки не более 5%. Это обусловлено наличием прозрачной защитной пленки между стеклом колбы и люминофо­ром, предотвращающей преждевременную деградацию эмиссионных свойств люминофора, вызываемую нега­тивным воздействием на него и стекло колбы паров ртути. Пульсация светового потока практически отсут­ствует. Количество ртути в лампах Т5 резко снижено по сравнению с ЛЛ в колбах диамегром 26 мм (с 30 до

3- 5 мг).

В табл. 3.19 приведены номенклатура и параметры ЛЛ типа Т5.

Максимальное значение световой отдачи ЛЛ Т5 имеет место при темперапуре окружающего воздуха не 22-25°, как для обычных ЛЛ, а при 35°С (рис. 3.37),

Внешняя температура, °С (при безветрии)

Т8 -------------------------- Т5

Рис. 3.37. График изменения световой отдачи и зависимо­сти or температуры

что соответствует реальной температуре ламп во мно­гих светильниках.

Лампы в колбах диаметром 16 мм выпускаются двух видов: с максимальной световой отдачей (14, 21, 28, 35 Вт) и с повышенным световым потоком (24, 39. 54. 80 Вт). Экономия электроэнергии при использовании таких ламп достигает 25%.

Тонкие ЛЛ диаметром 7 мм (Т2) предназначены для встраивания в мебель, шкафы, прилавки, витрины. Ха­рактеристики таких ламп приведены в табл. 3.20.

Та б л и и а 3.20

Кольцевые и U-образные ЛЛ широко используются для создания компактных и малогабаритных осветите­льных приборов. Параметры кольцевых ЛЛ приведены в табл. 3.21, U-образных — в табл. 3.22.

Обозначения перечисленных ламп по ILCOS и ка­талогам фирм даны в табл. 3.14.

Цветность изучения ламп (см. § 2.3) определяется координатами цветности х и у (рис. 3.38). Случайное смешивание в СП ЛЛ разных цветностей является не­желательным.

Т а б л и на 3.22

Лампы с улучшенной цветопередачей имеют спектр ихтучения, более близкий к спектру теплового излуча­теля. и значения Ra = 85 для ЛЛ, относящихся к катего­рии, называемой за рубежом «делюкс», и Ra = 92 для ЛЛ, относящихся к категории «суперделюкс» или «эк - сіраделюкс». В маркировке отечественных ЛЛ этим ка­тегориям соответствуют буквы Ц или ЦЦ.

Правильность цветопередачи определяется распре­делением светового потока ЛЛ по спектральным зонам (табл. 3.23), которое задано в нормативной документа­ции па ЛЛ типов ЛДЦ, ЛЕЦ, ЛТБЦЦ. ЛДЦУФ как предельно допустимое. Для ЛЛ типа ЛХЕЦ в техниче­ских условиях эго распределение нормируется с дву­сторонними лопусками, так как назначение этих ламп — освещение медицинских диагностических ка­бинетов — требует более точного воспроизведения цве­та и более строгого нормирования спектра излучения лампы.

Спектральные распределения энергии излучения ЛЛ с различными характеристиками цветопередачи приведены па рис. 3.39.

Спектр излучения ЛЛ с редкоземельными люмино­форами содержит фИ узкие полосы люминесценции. Положение в спекгре и форма этих полос, а также зна­чения светового потока в них оптимизированы так, чтобы лампа имела максимальное значение светового потока и Ru> 80. Как видно, спектр излучения ЛЛ это­го вида плохо заполнен, вследствие чего неизбежно по­лучаются низкими некоторые частные индексы цвето­передачи Rj. Поэтому ЛЛ с редкоземельными люмино­форами рекомендуется применять для освещения об­щественных помещений, зрелищных и торговых пред­приятий и рекламного освещения. Но пак как они «приукрашивают» некоторые объекты, их нельзя ис­пользовать для освещения производственных помеще­ний с видами работ, требующими правильного разли­чения цвета. Созданы также ЛЛ с многокомпонентной смесью редкоземельных люминофоров, имеющие Ra = 92 и достаточно высокое значение /?, благодаря лучшему заполнению спектра.

Особенности эксплуатации ЛЛ — включение в сеть только с ПРА и возможность работы только в ограни­ченном диапазоне температуры окружающей среды. Напряжение на ЛЛ при горении должно быть пример­но в 2 раза ниже напряжения сети. В этом случае воз­можно использование простейшей схемы включения ЛЛ со стартером и индуктивным или емкостным балла­стом (см. разд. 4). Следовательно, ЛЛ с напряжением горения, близким к 100 В, рассчитаны па сеть 220 В, с напряжением 50—60 В — на сеть 127 В. Отклонения на­пряжения сети от поминального значения приводят к соответствующим отклонениям светового потока, мощ­ности и тока ЛЛ (рис. 3.40). снижению продолжитель­ности горения. При этом снижение напряжения сети так же опасно, как и его повышение, поскольку катод рассчитан на работу при поминальном токе. Снижение напряжения сети более чем на 10% приводит к отказу зажигания ЛЛ.

Основной парк ЛЛ использует электромагнитные ПРА. Наиболее экономичными и перспективными яв­ляются электронные ПРА (см. раздел 4), которые по­зволяют: повысить световую отдачу и увеличить срок службы ЛЛ, исключить пульсацию светового потока и акустические шумы от светильников, обеспечить воз­можность реіулирования светового потока.

Температура окружающей среды влияет па темпера­туру степки ЛЛ и давление паров ртути в пей, имеющее оптимум при определенной температуре. Отклонение от этого оптимума ведет к снижению светового потока ЛЛ. а при значительных отклонениях, особенно в меньшую сторону, — к ухудшению зажигания ЛЛ. При отрицательной температуре ЛЛ или пе зажигаются, или горят тускло. Для большинства ЛЛ рабочий диапазон температуры составляет +5++50°С. Зависимость све­товой отдачи r|v от температуры окружающей среды (рис. 3.41) показывает, что для открытой лампы (вне светильника) оптимальная температура воздуха 20-25°С.

Температура степки лампы при работе определяется условиями охлаждения, т. е. конструкцией ОП и удель­ной мощностью лампы.

Влажность окружающей среды влияет па напряже­ние зажигания ЛЛ. Влага растворяет соли на поверхно­сти стекла, снижая его поверхностное сопротивление в десятки раз. Напряжение зажигания в зависимости от поверхностного сопротивления стекла колбы ЛЛ имеет максимум при 100 МОм, что соответствует влажности 90—100% (рис. 3.42). При повышенной влажности бо­лее надежно работают ЛЛ. имеющие проводящее про­зрачное покрытие на колбе или проводящую полосу, которая должна быть соединена через защитное сопро­тивление с одним из электродов, иногда полосу зазем­ляют.

Положение горения у ЛЛ, как правило, горизонталь­ное. Однако пет оснований опасаться и иных размеще­ний стандартных ЛЛ.

Вибро - и ударопрочность ЛЛ массового применения удовлетворяют группе условий эксплуатации Ml по

Рис. 3.40. Зависимость напряжения на лампе, световою клока. мощности и тока ЛЛ от напряжения сети

ГОСТ 17516-72 лаже с некоторым запасом. Дополни­тельное улучшение прочности достигается за счет при­менения вольфрамово-рсниевой проволоки при изго­товлении электродов.

Пульсация светового потока при питании ЛЛ пере­менным током вызвана пульсацией УФ-излучсния столба разряда и несколько сглаживается послесвече­нием люминофора. Например, коэффициент пульса­ции (см. разд. 7) для ЛЛ типа ЛБ — 22-23%, для ЛЕЦ — 73-75%, для ЛТБЦ — 68-70% при включении в сеть частотой 50 Гц с образцовым измерительным дросселем. Эго соответствует частоте пульсации свето­вого потока 100 Гц. Для сглаживания пульсации осве­щенности несколько ЛЛ включают так, чтобы их токи были сдвинуты по фазе относительно друг друга (см. разд. 4), за счет чего коэффициент пульсации доводит­ся до нормы. Наиболее заметна пульсация яркости све­чения концевых участков ЛЛ, так как здесь частота пульсации вдвое ниже, чем в середине лампы, а коэф­фициент пульсации соответственно выше. Поэтому ре­комендуется экранировать концы ЛЛ. Радикальным средством снижения пульсации является переход на высокочастотное питание (см. разд. 4).

Постоянный ток для питания ЛЛ может быть ис­пользован при ее включении с активным балластом или с реактивным балластом на входе выпрямителя. При периодическом переключении полярности питаю­щего напряжения наблюдается повышение световой отдачи лампы на 5—7% по сравнению со световой отда­чей при питании от сети частотой 50 Гц. Без переклю-

Щ, В

700 600 500 400 300 200

1 10 100 1000 Rn, кОм

L1 1—IJ____

100 70 Отн. влажность, %

Рис. 3.42. Зависимость напряжения зажигания ЛЛ от по­верхностного сопротивления стекла колбы и влажности окружающей среды

чений световая отдача через несколько часов работы снижается более чем в 2 раза вследствие перераспреде­ления ртути в лампе (электрофорез) |3.2]. Ртуть скап­ливается около катода, и из-за недостатка ртути в по­ложительном столбе снижается световой поток. При повторном включении такой лампы в пей быстро про­является катафорез.

Радиопомехи генерируются ЛЛ всех типов и мощно­стей в диапазоне от 0,15 до 1,5 МГц, т. е. в диапазоне длинных и средних волн. В момент зажигания ЛЛ ра­диопомехи па порядок интенсивнее, чем при работе. Данные о радиопомехах рахпичных ЛЛ приведены в табл. 3.24.

Для снижения радиопомех служат фильтры, являю­щиеся элементами электрической схемы ОП. При экс­плуатации ЛЛ с фильтром уровни радиопомех не пре­вышают допустимых значений.

Цоколи ЛЛ показаны па рис. 3.43.

Утилизацию отработавших ЛЛ нужно проводить с учетом токсичности ртути, содержащейся в наполне­нии лампы (до 30 мг).

Область применения ЛЛ — помещения обществен­ных, жилых зданий, промышленных предприятий.

Влияние окружающей среды на надежность работы ЛЛ должно обязательно учитываться. Особенно это ка­сается промышленных помещений, где могут быть зна­чительные отклонения климатических и механических факторов от нормальных.

Люминесцентные лампы специального назначения включают в себя лампы с направленным светораспре - делением (лампы-свстильпики) — рефлекторные, предназначенные для освещения промышленных по­мещений, а также для карнизного освещения, освеще­ния витрин.

На рис. 3.44 показан разрез рефлекторной лампы и распределение се светового излучения. Для сравнения приведено распределение силы света обычной ЛЛ.

Для работы в более тяжелых условиях окружающей среды (температура 30—60°С) выпускаются ЛЛ, в кото­рых ртуть заменена амальгамой, — амальгамные ЛЛ. Зависимость их светового потока от температуры пока­зана на рис. 3.45.

в)

Рис. 3.44. Рефлекторная лампа: а — разрез; б, в — кривые евстораспределепия рефлекторной и стандартной ЛЛ соот­ветственно

Рис. 3.45. Зависимость светового потока ламп от темпера­туры окружающей среды: / — ртутная лампа; 2 — амаль­гамная лампа

Цветные ЛЛ предназначены для декоративного освещения и световой рекламы, главным образом внут­ри помещений.

Сигнальные малогабаритные ЛЛ пыеющего разряда с рабочим током около 3 мА предназначены для систем автоматики и радиоэлектроники, выпускаются с раз­личными люминофорами, определяющими цвет свече­ния лампы — оранжевый, зеленый, голубой, желтый. Цвет обозначается последней буквой в маркировке лампы. Яркость свечения ламп голубого цвета

2,5 кд/м2, зеленого и желтого — 20, оранжевого — 50. Лампы включаются в сеть напряжением 127, 220 и 380 В с балластным резистором, средняя продолжи­тельность горения ламп 2—5 тыс. ч.

Газосветные лампы (трубки), применяемые в свето­вой рекламе, представляют собой лампы тлеющего раз­ряда, в которых используется ихтучение положительно­го столба разряда и свечение люминофора, нанесенно­го па трубку и возбуждаемого излучением разряда. В последнем случае в трубку вводится доза ртути. Газо­светные лампы имеют одно обозначение типа — ГР-20. Яркость свечения грубок находится в пределах от 500 до 3500 кд/м2, продолжительность горения 6-8 т ыс. ч.

Осветителыю-облучательные ЛЛ. называемые также полифункциональными, предназначены для освещения и одновременного оздоровительного УФ облучения. Тем самым компенсируется УФ недостаточность па Крайнем Севере, в бесфонарных и подземных помеще­ниях, в больших городах с запыленной атмосферой. При этом облучение получается более равномерным и точнее дозированным, чем при использовании в ОУ некоторого количества эритемных ЛЛ. Лампы типа ЛБУФ36, кроме белого света, дают излучение в зонах УФ-А (320-400 нм) и УФ-В (280-320 нм) и рассчитаны на применение в ОУ с освещенностью 300-500 лк. При большей освещенности УФ облученность превысит до­пустимую норму, при мепыпей будет недостаточной.

ЛЛ для взрывозащищенных и взрывобезопасных све­тильников. ЛЛ диамеїром 38 мм с классом зашиты «по­вышенная безопасность» выпускаются с двумя одно­штырьковыми цоколями Fa 6 холодно-белого цвета мощностью 15, 20, 40 и 65 Вт и световыми потоками соответственно 750, 1000. 2350 и 4600 дм.

ЛЛ с увеличенным сроком службы |3.21, 3.22]. Срок службы массовых ЛЛ передовых фирм увеличился с 10-12 тыс. ч до 15-16 тыс. ч, а при работе в схемах с ЭПРА до 18-20 тыс. ч.

Шведская фирма Auralight и фирма Philips освоили производство нескольких серий специальных ЛЛ с рез­ко увеличенным сроком службы (27-48 тыс. ч).

Серия Long-Life. На рис. 3.46 приведены зависимости световою потока от времени наработки, иллюстрирую­щие очень высокий полезный срок службы этих ЛЛ.

Фл,%

Внешне ЛЛ серии Long-Life ничем не отличаются от стандартных ЛЛ диаметром 26 мм, значительное же различие между ними — в конструкции электродов и наличии защитной пленки между стеклом и слоем лю­минофора.

Электродный экран, примененный во всех сериях этих ЛЛ, показан на рис. 3.47. Он обеспечивает следую­щие преимущества:

- сокращает скорость испарения эмиперного ве­щества (окислы бария, стронция, кальция);

- уменьшает интенсивность бомбардировки катода ионами ртути;

- снижает нотемнение приэлектродных зон колбы.

Лампы серии Long-Life, основные характеристики которых приведены в табл. 3.25, выпускаются грех но­миналов по мощности с пятью оттенками цвета излуче­ния и с двумя рахтичными Ra.

Серия «холодостойких» ЛЛ Thermo-LL. Лампы этой серии в колбах диаметром 26 мм и мощностью 18— 58 Вт разработаны для эксплуатации в условиях пони­женных температур окружающего воздуха.

Основные параметры ламп Thermo-LL представле­ны в табл. 3.26, а особенности конструкции показаны па рис. 3.47. Теплоизолирующий воздушный слой во­круг колбы диаметром 26 мм, способствующий «само - подогреву» лампы, образован за счет наличия внешней коаксиальной стеклянной трубки с наружным диамет­ром 38 мм.

Лампы с защитной оболочкой. В помещениях фарма­цевтической, косметической, пищевой и ряде других отраслей промышленности предъявляются очень стро­гие гигиенические требования к чистоте воздушной среды и оборудования. Источники света, применяемые в таких ОУ, должны быть как можно более долговечны, чтобы исключить их частые замены и опасность слу­чайного разрушения (последнее особенно важно при использовании ргугьеодержащих ЛЛ). Кроме того, лам­пы должны обеспечивать высокое качество цветопере­дачи и ограниченную составляющую УФ в области «В» и «С».

Оптимально выполняют все перечисленные требо­вания специально разработанные для пищевой и дру­гих отраслей промышленности ЛЛ с нанесенной на колбу защитной пленкой (рис. 3.48).

Рис. 3.48. Люминесцентные лампы с защитной полимер­ной оболочкой

В качестве защитной пленки, наносимой на ЛЛ по запатентованной технологии электростатическим на­пылением, используется полиэтилентерефталат (РЕТ), обладающий повышенной ударной вязкостью, эластич­ностью, высоким интеїральньїм коэффициентом све - топропускания, устойчивостью к воздействию УФ-из­лучепия (низким коэффициентом пожелтения). В каче­стве бесцветного полимера может быть использован и политетрафторэтилен, оптические характеристики ко­торою при нанесении па ЛЛ остаются неизменными в течение 10 гыс. ч (оболочки из поливинилхлорида или полиэтилена теряют прозрачность уже через 3 тыс. ч наработки ЛЛ).

Так как пленка в процессе покрытия ЛЛ адгезиру - ется как к стеклу колбы, так и к цоколям, го при разру­шении лампы осколки стекла, частицы люминофора и ртуть остаются заключенными в герметичном и меха­нически прочном чехле (см. рис. 3.48), не представляя опасности для людей, среды помещения и продукции, производимой В 11СМ.

Лампы выпускаются мощностью 18, 36, 58 Вт и имеют среднюю продолжительность горения 25 тыс. ч.

Лампы серии Reflector-LL аналогичны по конструк­ции «холодостойким» ЛЛ серии Thermo-LL, но допол­нительно имеют диффузно отражающий слой, нане­сенный па внутреннюю поверхность внешнего стек­лянною цилиндра.

Отражающий слой обеспечивает коэффициент уси­ления силы света ЛЛ примерно 1,7 в направлении, пер­пендикулярном оси лампы (по сравнению с обычными ЛЛ с круглосимметричным излучением).

Лампы серии Reflector-LL, имеющие полезный срок службы 36 тыс. ч и высокое качество цветопереда­чи (/?а = 80). благодаря направленности их излучения моїуг применяться в светильниках без отражателей.

Лампы серии Super ЕХ-LL мощностью 18. 36, 58 Вт (1300, 3300, 5100 лм) имеют световую отдачу соответст­венно 78, 97 и 95 лм/Вт. снабжены 1-штырьковыми цо­колями типа Fa 6 и предназначены для включения то­лько с электронными ПРА специально во взрывобезо­пасных светильниках. При 7 Ц =4000 К лампы имеют хорошую цветопередачу (Ra = 85). Полезный срок служ­бы ламп 40 тыс. ч достигается при 20-часовом цикле включений. Ламны Super ЕХ-l. I. разработаны для при­менения на нефтедобывающих морских платформах, на предприятиях химической промышленности, нефте­перерабатывающих заводах.

Перспективы развития ЛЛ заключаются в повыше­нии КПД разряда за счет питания высокочастотным током, в оптимизации изотопного состава ртути в це­лях снижения эффекта «пленения» резонансною излу­чения в разряде, а также в применении более эффек­тивных редкоземельных люминофоров, особенно в ЛЛ с трубкой-колбой малого диаметра (до 8—10 мм), где требуется высокая стабильность люминофора. Лампы на редкоземельных люминофорах получили наимено­вание ламп «нового поколения», поскольку они имеют и высокие световые потоки, и повышенное качество цветопередачи. Эти J1J1 характеризуются также высо­кой стабильностью световою потока.

3.3.2.2. Компактные люминесцентные лампы /3.23—3.25/

Перед разработчиками ЛЛ всегда стояла задача уме­ньшения их размеров. Однако до начала 80-х годов эта задача не могла быть решена прежде всего потому, что при серьезном уменьшении размеров ЛЛ, в частности диаметра их разрядной трубки, резко сокращалась средняя продолжительность горения вследствие недо­статочной устойчивости галофосфатпых люминофоров к воздействию плазмы электрического разряда в парах ртуги.

Возможность резкого сокращения размеров и созда­ния компактных ЛЛ (КЛЛ) появилась в начале 90-х го­дов в связи с разработкой редкоземельных люминофо­ров, хорошо противостоящих разрушительному воздей­ствию плазмы в разрядных трубках малого диаметра.

В зависимости от мощности, напряжения питаю­щей сети и других факторов, длина разрядной трубки KJ1J1 может быть достаточно большой.

Чтобы приблизиться к размерам нормальных осве­тительных J1H, прямую разрядную трубку (канал) мно­гократно изгибают или свивают в спираль. По внешне­му виду получается лампа с двумя, четырьмя, шестью и т. д. линейными участками. Для простоты изложения такие KJIJ1 называются в тексте двухканальные, четы­рехканальные, шестиканальные и т. д.

Концы трубок с вваренными в них катодными узла­ми закрепляются в пластмассовом цоколе той или иной конструкции.

Разнообразие цоколей объясняется конструктивны­ми особенностями ламп и возможностью использова­ния того или иного типа KJ1J1 с электромагнитным или электронным ПРЛ.

Процесс миниатюризации J1JI показан на рис. 3.49, а соответствие мощностей и сроков службы KJ1J1 и J1H — на рис. 3.50. На рис. 3.51 показана KJ1JT со встро­енным ПРА и резьбовым цоколем в разобранном виде.

Лампа накаливания

15 Вт 25 Вт 40 Вт

_ 60 В1

75 Вт _

100 Вт______

120 Вт

JL

1004 204

Расход электроэнергии

Срок службы

Рис. 3.50. Соотношение мощностей КЛЛ и ЛН

Рис. 3.49. Миниатюризация ЛЛ за период с 70-х до середи­ны 90-х годов прошлого века: 1 — линейные ЛЛ диамет­ром 38 мм; 2 — линейные ЛЛ диаметром 26 мм; 3 — ли­нейные ЛЛ диаметром 16 мм; 4 — KJIJ1 двухканальные с вынесенным стартером и автономным ПРЛ; 5 - КЛЛ со встроенным стартером и автономным ПРА; 6 — КЛЛ со встроенным ЭПРА и резьбовым цоколем

Компактные ЛЛ выпускаются с хорошей и отлич­ной цветопередачей. Параметры ламп приведены в табл. 3.18. Кроме белых КЛЛ с различной 7'ц, выпуска­ются цветные и УФ лампы. Одни из них предназначе­ны для медицинских целей, другие для фотополимери­зации пластмасс, клеев и т. п.

Можно считать, что в настоящий момент номенк­латура КЛЛ и основном стабилизировалась, хотя и про­должает расширяться:

- КЛЛ с выносным ПРА и специальными цоколя­ми (группа А) предназначены для использования в раз­работанных для них светильниках (табл. 3.27);

Рис. 3.51. Структура КЛЛ

- КЛЛ со встроенным ПРА и резьбовыми (байо­нетными) цоколями (группа Б) предназначены для прямой замены ЛН (табл. 3.28).

Лампы группы А отличаются не только числом и позицией контактных штырей, но и взаимным распо­ложением внешних фиксирующих ребер, являющихся механическим «кодом» для данного типа КЛЛ, не по­зволяющим установить ее в патрон светильника, осна­щенного ПРА для ламп другого типа.

KJIJI со встроенным ЭПРА и резьбовым цоколем

а)

Рис. 3.52. Характерные КСС (в канделах па 1000 лм) н продольных (слева) и в поперечных (справа) плоскостях для КЛЛ типового ассортимента с различным числом и расположением разрядных каналов: а — 2-капальпые; б —

4- канальныс; в 6-канальные

в)

По последним данным, фирма Megaman (Германия) освоила производство «сверхмощных» КЛЛ мощностью 120, 200 и 320 Вт со встроенным ЭПРА, световой отда­чей 72 лм/Вт и длиной соответственно 245, 298 и 298 мм.

Срок службы КЛЛ колеблется от 8000 до 15000 тыс. ч (лампы серии Long-Life).

На рис. 3.52 показаны характерные кривые силы света КЛЛ с разным числом каналов. Продольные кри­вые представлены в трех наиболее важных для расчетов плоскостях: С — 0°, С — 45° и С — 90°. Из рассмотре­ния КСС в поперечной плоскости видно, как повыша­ется их равномерность с увеличением количества раз­рядных каналов.

На рис. 3.53 показаны внешний вид и КСС восьми- канальной ЛЛ.

Число параллельных каналов разрядной трубки КЛЛ, очевидно, имеет предел, ограниченный конст­рукционными и технологическими возможностями: повышение количества каналов более 8 при диаметре фубок 12-17 мм вызывает недопустимое увеличение поперечного размера лампы в прицоколыюй зоне. При этом уже имеются образцы 16-канальных КЛЛ с диа­метром трубки 9 мм.

Одним из направлений миниатюризации КЛЛ, предназначенных для прямой замены ЛН, является разработка так называемых спиральных ламп (рис. 3.54). По форме КСС в двух основных плоскостях эти лампы максимально приближаются к ЛН. Из-за уменьшенной длины такие КЛЛ вписываются в габари­ты существующих бытовых светильников различного назначения.

Прямая замена Л Н на КЛЛ позволяет получить эко­номию электроэнергии до 80% (см. раздел 19).

Фирма Sylvania выпускает лампы тина Micro-Lynx F мощностью 7 Вт в форме диска (рис. 3.55) диаметром 75,2 мм. Световой ноток 220 лм, средний срок службы 6000 ч.

Распределение силы света

’-1- ■■'ЧГТ-' во V“ 100 ■ jXx,

Рис. 3.55. Плоская круглая КЛЛ

Эти лампы являются альтернативой галогенным и обычным ЛН благодаря компактности, низкой темпе­ратуре поверхности и высокой экономичности. Они моїуг быть широко использованы для подсветки мебе­ли. питрин, тротуаров, лестниц и т. п.

Амальгамные КЛЛ излучают более 90% максималь­ного светового потока в очень широком диапазоне окружающей температуры, что обеспечивает высокую эффективность при применении их в закрытых свети­льниках и меньшую зависимость световой отдачи от положения горения лампы.

Особенности эксплуатации КЛЛ. Компактные ЛЛ значительно более критичны к температуре окружаю­щего воздуха (f0Kp), чем обычные линейные ЛЛ. Мак­симум Фл у КЛЛ обычно соответствует /0кр = +(15— — 2513С (в зависимости от типа и положения горения) и >сипавливается за 1,5—2 мин. с момента включения; > амальгамных КЛЛ процесс разгорания несколько за­медлен.

Значения /окр для открытой КЛЛ (вне светильника) равно температуре воздуха в помещении; при эксплуа­тации лампы в светильнике /окр может отличаться от 1 в помещении на 15—20°С в большую сторону. Работа КЛЛ принципиально возможна в любом положении го­рения (вертикальном, горизонтальном, наклонном), но при этом нужно всегда учитывать температурную зави­симость Фл в конкретной позиции эксплуатации. Такая чувствительность Ф [ к указанным параметрам обуслов­лена у КЛЛ изменением положения и температуры «хо­лодной» точки (/хт), определяющей давление паров рту­ти и, соответственно, выход Фл (см. рис. 3.56. 3.57).

яв:

-20-10 0 10 20 30 40 50 60 70 f0Kp. °С

Рис. 3.57. Зависимость температуры н контрольных точках 6-канальных ламп от окружающей температуры при раз­личных положениях эксплуатации: 1 -- зона электродом; 2 — середина колбы: 3 — поколь

3.3.3. Ртутные лампы высокого и сверхвысокого давления

Ртутные лампы высокого и сверхвысокого давления являются самой распространенной и многочисленной группой ИС среди РЛ этого типа 13.2, 3.26, 3.27]. Эго связано с тем, что при помощи ртутного разряда удаст­ся создавать весьма эффективные источники в УФ, ви­димой и близкой И К областях спектра, различной мощности, достаточно компактные, со сроком службы в десятки тысяч часов, обладающие при необходимости весьма высокими яркостями.

Классификация РЛВД и РЛСВД, приводимая ниже, основана на конструктивных признаках: 1) РЛВД,

2) РЛВД с исправленной цветностью (ДРЛ), 3) трубча­тые РЛСВД с естественным охлаждением, 4) капил­лярные РЛСВД с принудительным (воздушным или во­дяным) охлаждением и 5) шаровые или короткодуго - вые РЛСВД с естественным охлаждением.

Ртутные лампы высокого давления представляют со­бой трубку, большей частью из кварцевого стекла, по концам которой впаяны активированные самокалящи - еся вольфрамовые электроды (см. рис. 3.31). Внутрь трубки после тщательного обезгаживания вводится строго дозированное количество ртути и спектрально чистый apron при давлении 1,5—ЗкПа. Аргон служит для облегчения зажигания разряда и защиты электро­дов от распыления в начальной сталии разгорания лам­ны, так как при комнатной температуре давление паров ртути очень низкое (около 1 Па). В отдельных типах ламп кварцевая разрядная трубка помещается во внеш­нюю колбу. Лампы включают в сеть с соответствующи­ми ПРА по схемам, приведенным для каждого типа РЛВД в разд. 4.

После зажигания дугового разряда происходит на­гревание разрядной трубки и испарение ртути. Давле­ние сс паров повышается, вместе с тем изменяются все характеристики разряда: растут напряжение на лампе и мощность, разряд стягивается в яркий светящийся шнур по оси трубки, растут поток излучения и КПД. Этот процесс продолжается в течение 5—7 мин., пока не испарится вся ртуть, после чего все характеристики Стабилизируются. Изменение характеристик в процессе разгорания показано па рис. 3.58.

_0Е)

~^1з)

Общий вил ламп показан на рис. 3.59. Обозначение наиболее распространенного типа РЛВД — ДРТ (дуго­вая, ртутная, трубчатая). Световая отдача РЛВД 45—55 лм/Вт. В табл. 3.29 приведено спектральное рас­пределение потока излучения ламп типа ДРТ, на рис. 3.60 — относительное распределение яркости раз­ряда. Баланс энергии РЛВД мощностью 400 Вт приве­ден ниже.

Температура окружающей среды и условия охлаж­дении оказывают’ существенное влияние на характери­стики РЛВД. работающих без внешней колбы. Пони­жение температуры может привести к конденсации ртути и значительному снижению напряжения на РЛВД. сс мощности и потока ихаучения. При повыше­нии температуры сокращается срок службы за счет по­темнения и соляризации кварцевого стекла.

Лампы ДРТ — эффективные источники УФ излуче­ния — применяются в медицине, сельском хозяйстве, измерительной технике (для люминесцентною анали­за) и в других областях. Лампы специальных типов применяются в светокопировальных аппаратах. Ламны не применяются для освещения из-за плохой цветопе­редачи.

Ртутио-кварцевые лампы ВД с улучшенной цветопе­редачей. Лампы типа ДРЛ [3.2, 3.26, 3.27]. Условное обозначение ламп: Д — луговая. Р — ртутная, Л — лю­минесцентная. Цифры после букв соответствуют мощ­ности ламп в ваттах, далее в скобках — «красное отно­шение», %, цифра через дефис — номер разработки.

Принцип действия основан на преобразовании УФ излучения ртутного разряда высокого давления, состав­ляющего около 40% всего потока излучения, при помо­щи люминофора в недостающее излучение в красной части спектра. Качество исправления цветопередачи ламп типа ДРЛ определяется относительным содержа­нием красного ихтучения — отношением светового по­тока в красной области спектра (600-780 нм) к обшему световому потоку лампы («красное отношение»).

Лампы типа 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. Колба снабже­на резьбовым цоколем. Схематический вид ламны дан па рис. 3.61.

Лампы типа ДРЛ выпускают с горелками, имеющи­ми кроме двух основных электродов еще один или два (так называемых зажигающих) электрода, служащих для облегчения зажигания разряда. Лампы включают в сеть через дроссель. Схемы включения приведены в разд. 4.

В качестве люминофоров применяют, главным об­разом. фосфат-ванадат иттрия, активированный евро­пием. дающий несколько узких полос излучения в красной части спектра с максимумом излучения около 619 нм. Оптимальный выход ихтучения наблюдается при температуре люминофора 250-300°С. Исходя из этого, выбирают форму и размеры внешней колбы. При использовании этого люминофора «красное отно­шение» может достигать 12—15%. Для повышения све­товой отдачи ламп и удешевления люминофорного по­крытия наносят смесь из фосфат-ванадата иттрия с бо­лее дешевыми фосфатными люминофорами, имеющи­ми полосу излучения в оранжево-красной части спект­ра с максимумом около 590 нм. В этом случае «красное отношение» снижается до 7-8%. Спектр ихтучения ламп типа ДРЛ показан на рис. 3.62. Реже применяют в качестве люминофора фторогерманат магния с макси-

мумом излучения около 650 нм, дающий меньшую све­товую отдачу и «красное отношение» 6—8%. Хотя каче­ство цветопередачи ламп типа ДРЛ улучшено по срав­нению с чисто ртутным разрядом, оно намного хуже, чем, например, у ЛЛ.

Лампы мощностью 80-1000 Вт выпускаются трех модификаций — с «красным отношением» 6. 10 и 12—15%, с одинаковыми электрическими и геометриче­скими параметрами каждой мощности. У этих ламп Ra = 42, координаты цветности х = 0,39, у =0,40.

Баланс энергии горелки лампы типа ДРЛ400: поте­ри на электродах 30 Вт, мощность столба 370 Вт, из них излучение разряда 192 Вт, в том числе УФ — 73. види­мое — 59 и И К — 60 Вт, тепловые потери 178 Вт. Ба­ланс лампы в целом: видимое ихтучение 67 Вт, И К из­лучение разряда 57 Вт, И К (тепловое) ихтучение внеш­ней колбы 203 Вт, конвекция и теплопроводность 73 Вт.

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 темпераі-ура центральной части внешней колбы — от 220 до 280°С. Температура па поколе для ламп мощностью 80 и 125 Вт пе должна превышать окружающую на П0°С. а для ламп 250-1000 Вт — па 150°С. Температура горелки достигает 700-750°С.

Температура окружающей среды /окр влияет па на­пряжение зажигания При отрицательных темпера­турах давление паров ртути становится настолько ма­лым, что зажигание разряда происходит в чистом арго­не и требуется более высокое напряжение, чем при на­личии паров ртути. При /окр = 20+ 40°С L/3 должно быть не более 180 В: при /окр =-25°С Uj — не более 205 В; при /окр = -40°С Uз — не более 250 В для ламп 80-400 Вт и 300 В для ламп 700 н 1000 Вт. Для надеж­ного зажигания ламп типа ДРЛ в условиях низких тем­ператур (ниже —30°С) необходимо применять ИЗУ (см. разд. 4) либо схемы с повышенным U^. Применение в современных лампах ДРЛ вновь разработанных синте - рированпых электродов позволило существенно сни­зить Uv уменьшить спад Фл и несколько повыситьг)л.

На рабочие характеристики ламп благодаря нали­чию внешних колб /окр оказывает незначительное влияние: нри изменении /окр от +20 до —30°С Фл пада­ет на 5%. Излишнее повышение /окр, например, при работе в жарких цехах, в закрытых СП, вызывает пере­грев внешней колбы и цоколя, что в условиях повы­шенной влажности и вредных испарений ускоряет окисление и коррозию металлических деталей. (Возмо­жен также отвал цоколя, если он прикреплен к колбе при помоши мастики.)

Напряжение сети Uc определяет рабочий режим лампы. При медленном изменении Uc в пределах ±(10-15)% изменение светового потока рассчитывается из соотношения ДФ1/Ф1=2,5Д Uc/Uc, мощность ДРЛ / Рл =2AUc/Uc.

Пульсация световою потока происходит с двойной частотой сети. При работе в сети с частотой 50 Гц в схеме со стандартным дросселем коэффициент пульса­ции лампы составляет 63-74%. При этой частоте (100 Гц) пульсации па глаз незаметны (см. разд. 7), по при наличии вращающихся деталей машин они могут вызвать опасный стробоскопический эффект. Пульса­ции суммарною потока могут быть уменьшены при включении ламп в разные фазы трехфазпой сети.

Срок службы 12-20 тыс. ч. в процессе работы лам­пы происходит постепенное снижение светового пото­ка и «красного отношения». На рис. 3.63 приведена усредненная кривая спада светового потока ламп типа ДРЛ, типичная для всех РЛВД. Скорость спада у мало­мощных (50-125 Вт) и мощных (1000-2000 Вт) ламп больше, чем у ламп мощностью 250 и 400 Вт. Срок службы уменьшается при увеличении числа включе­ний.

Основные области применения: НО, освещение промышленных предприятий высотой 3—5 м, не требу­ющих высокого качества цветопередачи.

Обозначения ртутных ламп типа ДРЛ по междуна­родной системе 1LCOS и по каталогам основных фирм - изготовитслсй приведены в табл. 3.30.

Основные параметры выпускаемых ламп типа ДРЛ с эллипсоидной внешней оболочкой, покрытой люми­нофором, представлены в табл. 3.31.

Обозначения ламп типа ДРЛ с различной цветопе­редачей производства основных фирм даны в табл. 3.32.

- красное отношение около 10% - красное отношение 12-15%

Перспективы ДРЛ. В настоящее время ДРЛ еще остаются довольно широко распространенным источ­ником света в уличных и промышленных ОУ. Однако мировая практика показывает, что доля производства ДРЛ в обшей массе ИС высокой интенсивности посто­янно снижается из-за малой световой отдачи и плохой цветопередачи, так же пропорционально снижается и спрос на них. ДРЛ все чаще заменяются на НЛВД или МГЛ.

Лампы ДРЛ за последние десятилетия предельно усовершенствованы, номенклатура четко определилась, и вряд ли можно ожидать заметного улучшения их ха­рактеристик.

Ртутнр-вольфрамовые лампы 13.2 [ представляют со­бой РЛВД, в которых свечение разряда дополнено све­чением вольфрамовой спирали. Ртутно-кварцевая го­релка включается последовательно с вольфрамовой спиралью, выполняющей две функции: оіраничитель - ного (балластного) сопротивления для РЛВД, благода­ря чему отпадает необходимость в специальном дроссе­ле и дополнительном источнике излучения в красной части спектра; таким образом несколько исправляется цветопередача.

Ртутно-кварцевая горелка и вольфрамовая спираль монтируются па общей стеклянной пожке в обшей стеклянной колбе. Лампы включаются непосредствен­но в сеть переменного тока напряжением 220 В без дросселя. В первые минуты после зажигания разряда практически все напряжение сети ложится па вольфра­мовую спираль (напряжение па ріутной горелке при включении — около 20 В). По мере разогрева ртутной горелки напряжение па пей возрастает, а напряжение па вольфрамовой спирали уменьшается до рабочего значения. Световая отдача подобных ламп 18—20 лм/Вт, т. е. значительно ниже, чем у РЛВД, так как около поло­вины мощности расходуется на нагрев вольфрамовой спирали. Световую отдачу можно повысить, если внут­реннюю поверхность внешней колбы покрыть слоем люминофора, который преобразует УФ-излучепие РЛВД в видимое излучение, обычно красное. В этом случае световая отдача достигает 26-28 лм/Вт при «красном отношении» 10-13%.

Особенно интересны для совместного облучения и освещения лампы типа ДРВЭ во внешних колбах из специального стекла, прозрачного для эритемного УФ излучения (до 280 пм). дающие ихіучепие, близкое по своему действию к солнечному. В некоторых лампах этого типа внешние колбы выполняются специальной формы с зеркальным или диффузным покрытием (тип ДРВЭД), благодаря чему удастся получить желаемое распределение потока излучения без дополнительной арматуры. Условное обозначение этих ламп: Д — дуго­вая, Р — ртутная. В — вольфрамовая, Э — эритемная, Д — диффузная. Цифры после букв — поминальная мощность в ваттах.

Основные типы ламп и их параметры. Общий вид специальной эритемной рефлекторной лампы типа ДРВЭ показан на рис. 3.64, а на рис. 3.65 приведены светораспределснис и спектр излучения. Обычно лам­пы ДРВ имеют колбу эллипсоидной формы, покрьпую

изнутри слоем люминофора, как у ламп ДРЛ. Мощно­сти ламп: 160-500 Вт. Сроки службы 3-5 тыс. ч (по данным фирмы Philips 10-12 тыс. ч) и определяются в основном сроком службы вольфрамовой спирали. Осо­бенно сильно сокращается срок службы в моменты разгорания лампы, т. к. в это время практически все на­пряжение сети приложено к вольфрамовой спирали и она работает в условиях перегрева.

Области применения ламп типов ДРВЭ и ДРВЭД — эритемное облучение людей и животных и одновре­менно общее освещение. Эти лампы, разработанные в 40-х годах XX века, были предназначены в основном для замены ламп накаливания. Олпако, несмотря па ряд достоинств, в настоящее время они находят огра­ниченное применение только в сельском хозяйстве для облучения молодняка (ДРВЭ), т. к. пульсация светового потока у них весьма значительна (коэффициент пуль­
сации 70-90%), что объясняется наличием активного балласта. Обозначения этих ламп по ILCOS и катало­гам зарубежных фирм даны в табл. 3.30 и 3.32.

Ртутные лампы сверхвысокого давления наиболее распространены п виде шаровых ртутных ламп типа ДРІІІ (рис. 3.66); реже применяются трубчатые лампы типа СВД. Капиллярные ртутные лампы с принудите­льным охлаждением в настоящее время промышленно­стью не выпускаются.

Лампы типа ЛРШ (Д — дуговая, Р — ртутная, Ш — шаровая, или короткодуговая, цифры после букв — мощность в ваттах, цифры после дефиса — номер раз­работки) отличаются высокой яркостью при довольно удобной /ия проекционной оптики веретенообразной или бочкообразной форме светящего тела. Они пред­ставляют собой толстостенную 2—3 мм колбу шаровой пли близкой к ней формы из прозрачного кварцевого стекла, в которую с противоположных сторон впаяны два вольфрамовых электрода (см. рис. 3.66). Лампы мощностью до 500 Вт выпускаются для работы на пере­менном токе.

Лампы больших мощностей (от 1 кВт и больше) обычно рассчитаны для работы на постоянном токе в вертикальном положении (рис. 3.66). В лампах посто­янного тока анод более массивный, чем катод, т. к. па аноде выделяется значительно большая энергия, чем на катоде. Для поддержания температуры внешнего впая на допустимом уровне (пе выше 230°С) в лампах мощ­ностью 750 Вт и выше применяют форсированное воз­душное охлаждение анодного цоколя, что позволяет. іе. тагь выводы более короткими. При естественном ох­лаждении выводы имеют сравнительно большую дли­ну. с тем чтобы концы фольги и цоколи пе перегрева­лись. Катоды обычно активированы и для фиксации положения дуги имеют конусообразную форму. Рассто­яние между копнами электродов 4—8 мм. Имеются спе­циальные типы ламп с расстоянием 0,3-0.5 мм.

Высокие яркости РЛСВД с короткой дугой получа­ются за счет стягивания разряда у электродов в пятна высокой яркости малого размера. На рис. 3.67 приведе­но типичное распределение яркости для ламп типа ДРШ переменного тока в направлении, перпендикуляр­ном оси разряда. Яркость свечения ламп на переменном токе в центре разряда составляет 150—200 Мкд/м2. Яр­кость вблизи электродов достигает тысяч Мкд/м2, 110 размеры этих областей весьма малы. В специальных лампах с очень малым расстоянием между электрода­ми (0,3-2 мм) эти области используются для получения весьма высокой яркости (точечный источник высокой яркости, например, лампы типов ДРШ-100. ДРШ-200). С увеличением расстояния между электродами и умень­шением мощности яркость падает (рис. 3.68).

Спектр излучения (рис. 3.69) имеет линейчатый ха­рактер, но с более интенсивным, чем у РЛВД, непре­рывным фоном, благодаря чему «красное отношение» достигает 4—6%. Вследствие сильного поглощения из­лучения в парах ртути излучение с длинами волн коро­че 280—290 пм практически отсутствует. Световая отда­ча РЛСВД 50-55 лм/Вт. С уменьшением расстояния

между электродами она падает из-за увеличения доли околоэлектродпых потерь и экрапиропки электродами.

Лампа включаются в сеть только последовательно с балластом при работе па переменном токе с дросселем.

При работе па постоянном — через специальный блок, преобразующий переменный ток в постоянный (см. раздел 4). Лампы современного типа выпускаются без ЗЭ. Их зажигание осушестнляется путем подачи на электроды высокочастотных импульсов высокого на­пряжения. Схемы включения и их параметры приведе­ны в разд. 4.

Время разгорания составляет 2—5 мип. и определя­ется скоростью испарения ртути. Чем больше началь­ный ток и меньше теплоотдача в период разгорания, тем меньше время разгорания. При этом пусковой ток не должен превышать допустимых пределов, указанных в паспорте лампы. После испарения всей ртути давле­ние ее паров доходит ло нескольких мегапаскалей, а температура колбы достигает 780-850°С.

Положение горения лампы выбирается с таким рас­четом, чтобы не допустить перегрева электродов или колбы, и должно соответствовать указанному в инст­рукции по эксплуатации, большинство ламп рассчита­но на вертикальное положение горения. Некоторые типы ламп мощностью до 500 Вт допускают работу в любом положении горения, по при этом снижается их срок службы.

Температура окружающей среды и условия охлажде­ния существенно влияют на параметры ламп типа 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 криста. иіизацисй кварца и разрушением колбы, поэтому температурные условия эксплуатации ламп должны строго соблюдаться.

Сроки службы короткодуговых ртутных ламп СВД (типа ДРШ и др.) составляют от 50 до сотен часов и определяются спадом яркости из-за потемнения колбы и (или) нестабильности положения дуги, вызванной разрушением электродов. Срок службы и стабильность ламп постоянного тока выше, если колебания напря­жения ограничены допустимыми пределами.

В настоящее время отечественная промышленность выпускает лампы ДРШ мощностью 250, 500 и 1000 Вт со световыми потоками соответственно 12.5; 22.5 и 53 клм. Тип цоколей у всех ламп — специальный. Зару­бежные фирмы выпускают лампы этого типа от 50 до 3500 Вт (10-12 мощностей и около 30 типоразмеров).

Меры предосторожности должны быть приняты для зашиты обслуживающего персонала от облучения мощ­ным УФ излучением, а также от горячих осколков кварцевого стекла в случае разрыва колбы (крайне ред­ко). Лампы должны работать в закрытом металличе­ском кожухе.

Области применения — светолучевые осциллографы с прямой записью па фотобумаїу (ДРШ 100), фотоли­тография при производстве полупроводниковых при­боров (ДР11І250 и ДРШ500), люминесцентный анализ и люминесцентная микроскопия, проекционные систе­мы и другие случаи, когда требуются источники высо­кой яркости в видимой области спектра или в ближней и средней УФ областях. Малые размеры ламп позволя­ют эффективно использовать их в оптических систе­мах, а большой ассортимент — выбирать наиболее под­ходящий тип для каждого применения.

3.3.4. Металлогалогенные лампы

Металлогалогенные лампы, появившиеся в начале 60-х гг. XX века, открыли новую страницу в развитии РЛ |3.27, 3.28]. Перспективы использования МГЛ определяются исключительно широкими возможностя­ми варьирования спектрального распределения излуче­ния — от практически однородного до непрерывного — при высоком КПД и высокой удельной мощности. Вместе с тем, при разработке МГЛ возник ряд проб­лем. связанных главным образом с зажиганием и не­стабильностью параметром. По мере преодоления этих трудностей МГЛ получают все более широкое приме­нение.

Устройство и принцип действия МГЛ основаны на том, что галогениды многих металлов испаряются леї - че, чем сами металлы, и не разрушают кварцевое стек­ло. Поэтому внутрь разрядных колб МГЛ, кроме ртути и аргона, как в РЛВД, дополнительно вводятся различ-
пые химические элементы в виде их галоидных соеди­нений (т. е. соединений с I. Hr. СІ)- 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 К, молекулы галоге - нидов диссоциируют на галоген и металл. Атомы ме­талла возбуждаются и излучают характерные для них спектры. Диффундируя за пределы разрядного капала и попадая в зону с более низкой температурой вблизи стенок колбы, они воссоединяются п галогениды. кото­рые вновь испаряются. Этот замкнутый цикл обеспечи­вает два принципиальных преимущества: I) в разряде создастся достаточная концентрация атомов металлов, дающих требуемый спектр излучения, потому что при рабочей температуре кварцевой колбы 800-900°С дав­ление паров галогенидон многих металлов значительно выше, чем самих металлов, таких как таллий, индий, скандий, диспрозий и др.; 2) появляется возможность вводить в разряд щелочные (натрий, литий, цезий) и другие агрессивные металлы (например, кадмий, ципк), 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 пзлучепия. и позволило создать МГЛ с весьма различ­ными спектрами, особенно в случае использования смеси галогенидов. Несмотря па относительно малую концентрацию добавляемых металлов по сравнению с концентрацией ртути, значительная часть ихтучения разряда создастся высвечиванием атомов добавок, что объясняется более низкими потенциалами возбужде­ния этих атомов. Ртутный пар играет роль буфера, обеспечивая высокую температуру в разряде, высокий і радист потенциала, малые тепловые потери и др. Ме - і. ильї I и III основных групп таблицы Менделеева дают тдученис. состоящее из отдельных спектральных ли­нии. как, например, натрий (589 нм), таллий (535 нм), к или й (435 и 410 нм). Другие металлы дают спектры, состоящие из весьма большого числа іусто располо­женных линий, заполняющих всю видимую область, как. например, скандий, иттрий, лантан и редкие зем­ні (РЗМ). Галогениды олова дают непрерывные моле­кулярные спектры. Характер спектра в сильной мере ынпсит также от условий разряда, например, индий и некоторые другие металлы при высоком давлении дают непрерывные спектры ихтучения в широких областях. пип волн [3.27. 3.28|.

Для общего освещения в настоящее время наиболее широкое распространение получили МГЛ со следую­щими составами металлогалогенных добавок (кроме рт> пі и зажигающего газа): 1) йодиды натрия, таллия и ин. шя: 2) йодиды натрия, скандия и тория. На

рис. 3.70 приведены спектры ихтучения МГЛ. Лампы имеют спектр, состоящий из отдельных линий ртуги и липмн добавок, расположенных в различных областях спектра, благодаря чему удается сочетать высокую све- тон>ю отдачу с хорошим качеством цветопередачи (см. таїм. 3.33).

Лампы с йодидами диспрозия и других редкозе­мельных металлов имеют спектр, настолько іусто за­полненный линиями, что он производит впечатление непрерывного во всей видимой области, благодаря чему достигается весьма высокое качество цветопере­дачи при высокой световой отдаче. На непрерывном фоне выделяются линии натрия и др. Добавки натрия и таллия повышают световую отдачу и стабилизируют разряд. Лампы с галогенидами олова ихтучают непре­рывный спектр, обеспечивающий отличное качество цветопередачи (Ла>90). но имеют сравнительно невы­сокую световую отдачу (50—60 лм/Вт).

Для повышения выхода излучения атомов метал- лов-лобапок требуется более високая рабочая темпера­тура колбы, чем у РЛВД или РЛСВД. У большинства МГЛ световая отдача и вообще КПД излучения возрас­тают с ростом рабочей температуры горелки, но при этом сокращается срок службы за счет более быстрой кристаллизации кварцевого стекла и нежелательных химических реакций с участием галогенов. (В МГЛ имеют место многочисленные химические реакции, которые определяют работу МГЛ и их долговечность.) Чтобы обеспечить необходимую температуру, разряд­ные колбы МГЛ делаются меньшего размера но срав­нению с колбами ртутных ламн той же мощности и на­пряжения. Обычно уменьшается расстояние между электродами и повышается давление паров ртути для сохранения тех же электрических параметров. В МГЛ с добавками йодидов натрия, таллия и индия минималь­ная температура горелки должна быть на 80—100°С выше, чем в лампах типа ДРЛ. В МГЛ с добавками йодидов скандия и натрия вследствие более низкою давления паров йодида скандия минимальная темпера­тура горелки должна быть еще выше. Еще более высо­кая температура горелок необходима, чтобы создать до­статочное давление паров йодидов редкоземельных ме­таллов (Dy, Но. Тга и др.). Соответственно сроки служ­бы МГЛ с добавками редких земель обычно ниже.

В МГЛ особо важное значение имеет равномер­ность температуры горелки. Горелкам придают специ­альную форму, применяют различные способы утепле­ния более холодного нижнего конца. Однако ясно, что из-за конвекции выровнять температуру по поверхно­сти горелки можно только для определенного поло­жения горения. Поэтому часто выпускают лампы не­скольких модификаций, каждая из которых рассчитана па определенное положение горения.

Введение йодидов приводит к повышению напря­жения зажигания разряда, в результате чего напряже­ние сети часто оказывается недостаточным даже при наличии зажигающих электродов. В настоящее время большинство МГЛ делается с двумя основными элект­родами (без зажитаюших электродов), а для их зажига­ния используются специальные зажигающие устройст­ва (см. разд. 4). Горелки с зажигающим электродом при работе располагают так, чтобы зажигающий электрод находился вверху, с тем чтобы избежать конденсации добавок в электродной части горелки. Кроме того, для предотвращения электролиза кварца между основным и зажигающим электродами во внешней колбе ставится биметаллическое реле, которое при работе ламны либо отключает зажигающий электрод, либо соединяет его с основным.

В МГЛ, содержащих йодид натрия, во время горе­ния ионы натрия постепенно диффундируют через кварцевое стекло, оставляя в горелке избыток йода. В результате повышаются напряжения зажигания и пе - резажигапия, а также появляется нестабильность раз­ряда.

Вследствие более высокой рабочей температуры го­релки и протекания различных химических реакций с участием галогенов, срок службы МГЛ меньше, а спад светового потока больше, чем у РЛВД. Одпако благода­ря исследованиям срок службы МГЛ возрос с 3—4 тыс. ч в 1966 г. до 10—12 тыс. ч и более в настоящее время. Ис­следования последних лет позволили у отдельных типов МГЛ повысить световую отдачу до 100—120 лм/Вт и уве­личить срок службы. Существенными недостатками МГЛ. особенно с йодидами Na. ТІ. In, остаются значи­тельный разброс по цвету между отдельными лампами и сильная зависимость цветовых характеристик от поло­жения горения, напряжения сети, окружающей темпе - раїурьг, тина СП (температуры лампы), разброса пара­метров ПРЛ и других причин.

Классификация МГЛ может проводиться по разным признакам. По применению рахшчаются следующие основные группы ламп: 1) МГЛ общего назначения:

2) трубчатые и шаровые МГЛ с улучшенным качеством цветопередачи (например, для цветных телепередач и киносъемок) и 3) МГЛ для многочисленных специаль­ных применений, в основном технологических (см. разд. 16).

Металлогалогенные лампы для общего освещения тина ДРИ: Д — дуговая, Р — ртутная, И — с ихіучаю - щими добавками, число — номинальная мощность в ваттах, цифры после дефиса — номер разработки или модификации. Ламны типа ДРИ по конструкции по­добны лампам типа ДРЛ с одним зажигающим элек­тродом или без пето. В качестве внешней колбы обыч­но применяется стандартная внешняя колба ламп типа ДРЛ, но без люминофорного покрытия, или специаль­ная колба цилиндрической формы (рис. 3.71). Иногда применяют стандартные колбы ламп тина ДРЛ с люми - пофорным покрытием, при этом резко снижается яр­кость светящего тела (например, с 700 до 11 кд/см2 у МГЛ мощностью 400 Вт), а у ламп с патрий-скандие - вым наполнением немного увеличивается излучение в оранжево-красной области и соответственно несколько снижается Т1У. Эти ламны можно использовать в СП для ламп типа ДРЛ.

Рис. 3.71. Обший вид МГЛ для общего освещения: а — лампа 400 Вт в эллипсоидальной прозрачной колбе: 6 — лампа 2000 Вт в цилиндрической прозрачной колбе; в — линейная лампа мгновенного перезажигапия для цветного телевидения: / — внешняя стеклянная колба; 2 — разряд­ная трубка; 3 — траверсы из изоляционного материала; 4 — электрод; 5 — экран

Положение горения значительно влияет па парамет­ры ламп типа ДРИ, особенно с лобапками йолилоп Na, ТІ. In. Это объясняется тем. что лобапка йолила натрия вводится п избытке, поэтому при изменении положе­ния горения меняются положение и температура хо­лодной зоны, а вместе с ней давление паров йодида на­трия. Обычно световой поток в горизонтальном поло­жении па 15—18% ниже, чем в вертикальном; цветовая температура, наоборот, повышается. При изменении положения горения все параметры стабилизируются спустя несколько часов работы. Трубчатые лампы мощ­ностью больше 1 кВт ввиду тяжелого теплового режима рассчитаны на одно определенное положение горения. Некоторые типы МГЛ выпускаются в нескольких мо­дификациях, каждая из которых рассчитана на одно определенное положение горения, так как при этом удается оптимизировать тепловой режим горелки и по­высить световую отдачу и срок службы МГЛ.

Температура окружающей среды влияет на парамет­ры МГЛ типа ДРИ так же, как и в лампах типа ДРЛ.

При использовании ИЗУ повышение Ut с понижением /окр не влияет на зажигание, так как ИЗУ ласт импульс напряжения с запасом (см. разд. 4).

Напряжение сети Uc оказывает на характеристики ламп типа ДРИ более сильное влияние, чем на ДРЛ. При медленных изменениях t/c в пределах ±(10—15)% и работе со стандартным дросселем световой поток МГЛ меняется в отношении ДФЛ / Фл = 2,5Д(/С/£/с, мощ­ность ДРл / Рл =2,2ДUc / Uc. С ростом Uc Тп падает.

Пульсация светового потока в МГЛ типа ДРИ суще­ственно ниже, чем в лампах типа ДРЛ. и составляет около 30%. В течение периода несколько меняется цвет излучения, что связано с рахіичной глубиной пульса­ции ихіучепия разных спектральных линий [3.26].

Срок службы ламп типа ДРИ составляет 7500— 12000 ч. Спад светового потока больше, чем у ДРЛ.

Обозначения МГЛ для общего освещения по систе­ме ILCOS и каталогам фирм-изготовителей приведены в табл. 3.34.

Таблица 3.34

За прошедшие 15—20 лет пепой больших усилий по­степенно удалось добиться значительных успсхоп в со­вершенствовании ламп МГЛ. Расширился диапазон мощностей выпускаемых ламп:

- появились лампы малой мощности, применение которых возможно в установках внутреннего освеще­ния;

- выпускаются лампы мощностью 400 Вт и более.

Основное требование, которое должно предъяв­ляться к этим лампам, — стабильные цветовые пара­метры от лампы к лампе в течение всего срока службы независимо от положения горения. Решающее значе­ние для получения стабильных цветовых характеристик имеет усовершенствование горелки лампы. Олпако при всех ухищрениях в МГЛ с кварцевой колбой добиться разброса 7ц меньше ±600 К не удается.

МГЛ с керамической горелкой. Наиболее существен­ного улучшения характеристик этих ламп удалось дос­тичь в МГЛ из высокотемпературной керамики (поли - кристаллической окиси А1-ПОА). Основным достоин­ством таких ламп является высокая стабильность цве­товых параметров излучения (особенно при работе с ЭПРА): разброс значений цветовой температуры в пар­тии ламп в начале эксплуатации не превышает ±150 К, а в конце срока службы — пе более ±200 К. МГЛ с ке­рамической горелкой имеют отличную цветопередачу (Ли>90) и высокую световую отдачу (87-92 лм/Вт). Внешние колбы новых МГЛ выполняются из специ­ального легированного кварцевого стекла, поглощаю­щего УФ излучение разряда. Кроме того, горелки этих ламп имеют значительно меньшие размеры, что позво­ляет более эффективно перераспределять их излучение в осветительных приборах.

Появились МГЛ с керамической горелкой сфериче­ской формы (фирма OSRAM), имеющие по сравнению с лампами с цилиндрической горелкой более высокие световые параметры, срок службы и качество цветопе­редачи.

Основные параметры МГЛ с кварцевой и керамиче­ской горелками приведены в табл. 3.35-3.36. На рис. 3.72 приведены общий вид МГЛ с керамической горелкой и спектры их излучения.

Цоколи для разрядных ламп высокого давления об­щего применения представлены на рис. 3.73.

Обозначения МГЛ общего применения разных фирм с различной цветопередачей даны в табл. 3.37.

Кроме указанных, каждая фирма выпускает доволь­но широкую номенклатуру специальных ламп, имею­щих низкий срок службы (до 1000 ч).

CDM-T 70 W

МГЛ в зеркализированной колбе. Отечественные зеркальные МГЛ типа ДРИЗ (лампы-светильпики) [3.29J предназначены для освещения открытых про­странств производственных помещений, для использо­вания и щелевых световодах.

Лампы включаются в сеть переменного тока часто­той 50 Гц напряжением 220 В и 380 В с соответствую­щими ПРА и ИЗУ.

На рис. 3.74 и в табл. 3.38 представлены основные характеристики выпускаемых ДРИЗ.

Компактные оптические оптоволоконные системы с высоким КПД позволяет создать зеркальная МГЛ фирмы Osram POWERSTAR HQ1-R мощностью 150 Вт и световым потоком 11000 лм.

Кроме того, за рубежом выпускаются МГЛ с кера­мическими горелками типа PAR для открытых светиль­ников узкого (Spot) и широкого (Flood) светораспреде - лений мощностью 35 и 70 Вт: PAR 20 и PAR 30 (см. рис. 3.75).

В каталоге General Electric приведена МГЛ PAR 64 мощностью 1000 Вт и световым потоком 76000 лм.

Цветные МГЛ. В последние годы получают распро­странение цветные МГЛ. Лампы выпускаются четырех цветов: оранжевого (595 нм), желтого (500 нм), зелено­го (535 нм) и синего (465 нм) в нескольких исполнени­ях. Диапазон их мощности — от 75 до 1000 Вт. Они все шире используются для цветного архитектурного осве­щения.

б)

колбу из тугоплавкого стекла. В МГЛ. предназначен­ных для работы в схемах, обеспечивающих мгновенное перезажигание горячей лампы путем подачи высоко­вольтного импульса с напряжением около 60 кВ. для исключения пробоя в цоколе или во внешней колбе один электрод выведен па резьбовой поколь, а проти­воположный ему — через внешнюю колбу (см. рис. 3.71, в). Горелки, кроме ргути и зажигающего газа (аргона), содержат йодиды диспрозия, гольмия, тулия, таллия, натрия и цезия. Внешняя колба наполнена азо­том особой чистоты.

Время разгорания МГЛ 5-10 мин. Срок службы МГЛ ;шя цветного телевидения 400 ч.

Лампы включаются в сеть переменного гока через специальный дроссель. Для зажигания и повторного зажигания горячей МГЛ служит специальный блок мгновенного перезажигапия (схему и параметры см. в разд. 4).

Основная область применения ламп — освещение спортивных сооружений для цветных телепередач и цветных киносъемок. Ввиду исключительно хорошего качества цветопередачи и высокой световой отдачи лампы могут применяться также для освещения демон­страционных залов, выставок, ярмарок и других поме­щений с высокими требованиями к качеству освеще­ния.

Компактные (шаровые) МГЛ для цветного телевиде­ния типа ДРИШ: Д - дуговая. Р — ртугпая, И — с из­лучающими добавками, Ш — шаровая, число — поми­нальная мощность в ваїтах. Лампа предсгааіяет собой толстостенную колбу шаровой, эллипсоидальной или цилиндрической формы из кварцевого стекла, в кото­рую с противоположных сторон впаяны вольфрамовые электроды. Общий вид и размеры ламп показаны па рис. 3.76. Форма колбы и ее размеры выбраны с таким расчетом, чтобы получить требуемый тепловой режим и достаточно равномерное распределение температуры по поверхности. С этой же целью в лампах мощностью 200 и 575 Вт па концы колбы нанесен слой утепляюще­го покрытия. Для уменьшения температуры выводов кварцевые пожки сделаны достаточно длинными; чем больше мощность, тем длиннее ножки. Лампы папол-

а) in

I ---------------------- 1

б)

Фз=Ое=сФ ■сЩг' Зр-' □=>■

непы. кроме ргути и зажигающего газа (аргона), йоди­дами и бромидами диспрозия, гольмия, цезия (и тул­лия для ламп мощностью 2500-7000 Вт). Бромиды обеспечивают очистку колбы от распыляющегося воль­фрама и таким образом повышают срок службы. Цезий стабилизирует разряд.

Основные типы ламп и их параметры приведены к табл. 3.39.

В зависимости от мощности лампы в видимой обла­сти ихпучастся от 44 до 48% потребляемой мощности, в И К облас ти 42—40% (излучение нагретой колбы и раз­ряда), конвекция и теплопроводность — около 3%, остальное — в УФ, начиная с 220 пм. по главным обра­зом в области около 350 нм. Распределения яркости и силы света приведены на рис. 3.77. а. б. Координаты цветности для всех ламп типа ДРИШ: х и у =032 с точ­ностью ±0,01. Время разгорания в зависимости от мощности 30-60 с, в течение которых достигается 0,8Ф||о„, через 2—3 мин. характеристики полностью стабилизируются. При повторном зажигании горячей лампы время разгорания значительно сокращается. Глубина пульсации световою потока па частоте 50 Гц составляет около 75% для ламп 575 Вт и уменьшается с ростом мощности. Температура окружающей среды и условия охлаждения оказывают влияние на режим ра-

боты ламп. С ростом температуры лампы Тп падает, и наоборот. Для того чтобы уменьшить влияние теплово­го режима СП на 7^, минимальное расстояние между колбой и отражателем СП должно быть не менее 1 —1,5JK. Нормируемый срок службы ламп в среднем равен 200 ч и определяется снижением 7",, до 5500 К. Фактический срок службы выше. Спад светового пото­ка. благодаря действию бромно-вольфрамового регене­ративного цикла, составляет не более 10—20% за время горения. Лампа включается п сеть переменного тока через специальный дроссель. Для зажигания и мгно­венного нерезажигаиия горячей лампы служит специа­льный блок мгновенного перезажигания (схемы и па­раметры см. в разд. 4).

Компактные (шаровые) МГЛ большой мощности с вы­соким качеством цветопередачи. Ряд зарубежных фирм выпускает лампы подобного типа. Эти лампы имеют исключительно короткую световую дугу и являются идеальным источником света для компактных прожек­торов заливающего света. Лампы фирмы Osram POWERSTAR HQI-TS (рис. 3.78) при мощности 1000 Вт имеют световой поток 90 клм, при 2000 Вт — 200 клм.

Фирма Philips выпускает 4 модификации аналогич­ных ламп MHN-SA мощностью 1800 и 2000 Вт, со све­товыми потоками соответственно 160 клм и 200 клм, Ти = 5600 К и Ra = 90.

В номенклатуре МГЛ фирмы General Electric также присутствуют мощные МГЛ 1200 Вт и 1800 Вт в софит - ном исполнении и одноцокольпые, 7'|1=5600 К и 6000 К.

Особенности эксплуатации ламп типа ЛРИШ заклю­чаются: 1) в возможности мгновенного перезажигания в горячем состоянии путем использования специаль­ных блоков, 2) в необходимости соблюдать чистоту кварцевой колбы. Установку и смену ламп следует про­изводить в хлопчатобумажных перчатках, а после уста­новки открытую часть лампы нужно протереть чистой тканью, увлажненной чистым спиртом. Во избежание ожогов глаз и лица УФ-излучепием, лампы должны ра­ботать только в закрытых СП с защитными стеклами. Температура кварцевой колбы во время работы дости­гает 900°С. Рабочая температура цоколей пе должна превышать 250°С.

Основные области применения ламп типа ДРИШ — в закрытых СП и прожекторах для освещения телестудий и объектов выездных цветных телепередач и киносъе­мок. Лампы типа ДРИШ с успехом могут применяться и в других ОУ, например, в театрах, цирках, на эстраде, при проекции крупноформатных диапозитивов, в эпи­скопах. поисковых прожекторах спасательных служб и т. п.

МГЛ специального применения — выпускается боль­шое количество типов.

Перспективы МГЛ. Исследования последних лет показывают, что процесс усовершенствования сущест­вующих типов МГЛ и создания новых еще далеко не исчерпан. Можно сформулировать основные требова­ния. к выполнению которых необходимо стремиться в развитии этой, одной из самых перспективных групп ламп:

— высокая световая отдача (до 100-110 лм/Вт):

— хорошие цветовые характеристики;

— большой срок службы (более 10 тыс. ч) с малым спадом светового потока;

— невысокая себестоимость комплекта лампа-ПРА;

— компактность (особенно размеров горелок);

— высокий индекс цветопередачи (Ла>85);

— универсальное рабочее положение;

— малое время разгорания и перезажигания:

— стабилизация цветовых характеристик на протя­жении всего срока службы;

— исключение «жесткою» УФ-излучсния.

Именно эта ipyima ламп, благодаря перечисленным

выше характеристикам, малым размерам светящего тела и его высокой яркости, представляет наилучшие возможности перераспределения излучения в про­странстве с помощью малогабаритных оптических сис­тем.

3.3.5. Натриевые лампы

Натриевые лампы — одна из наиболее эф­фективных групп источников видимого излучения. Они обладают самой высокой световой отдачей среди известных РЛ и незначительным снижением светового потока при длительном сроке службы [3.2. 3.28]. По­этому натриевые лампы, в первую очередь, высокого давления, все шире применяются в разных системах освещения, особенно в НО, Недостатком ламп являет­ся низкое качество цветопередачи и глубокая пульса­ция излучения.

Принцип действия ламп основан на использовании резонансного излучения D-линий натрия (589 и

589,6 нм). Исходя из рабочего давления пароп натрия, выделяют два типа ламп — НЛНД и НЛ1ІД. Зависи­мость световой отдачи излучения натриевого разряда от давления паров натрия имеет два максимума (рис. 3.79). Область первого максимума соответствует давлению около 0,2 Па и достигается при температуре жидкой фазы 270-300°С. именно при этих давлениях и плотностях тока 0,1-0,5 А/см2 работают созданные еще в 30-х годах НЛНД. Второй максимум имеет место при давлении около 10 кПа. Это давление насыщенных па­ров натрия достигается при 650-750°С. Создание НЛВД стало возможным только в 60-х годах после по­лучения и освоения технологии производства свето­пропускающего высокотемпературного материала для разрядной трубки, устойчивого к длительному воздей­ствию агрессивных паров натрия при 1300-1400°С и представляющего собой керамику па основе поликрис - галлической окиси алюминия.

Натриевые ламны низкого давления (3.2, 3.28J явля­ются чрезвычайно эффективным источником почти однородного видимого излучения, так как КПД разря­да при низком давлении для резонансного излучения всегда бывает высоким, а резонансные линии натрия лежат в области, близкой к максимальной чувствитель­ности глаза.

В экспериментальных НЛНД с оптимальными плотностью тока и диаметром трубки и при повышен­ной температуре окружающей среды удавалось полу­чать К ГІД 50—60%, что соответс твуе т све товой отдаче 300-400 лм/Вт. При практической реализации эффек­тивной НЛНД для обеспечения температуры стенки 270—290°С, соответствующей оптимальному давлению паров натрия, необходимо увеличивать тепловую на­грузку, отходя от оптимальных тока и диаметра, и улуч­шать теплоизоляцию разрядной трубки. Для этого раз­рядную трубку помещают в стеклянную вакуумную теплоизолирующую рубашку, придают ей L'-образпую форму, на внутреннюю степку внешней колбы в совре­менных типах наносят селективно отражающие тепло­вые фильтры из Sn02 или ІП2О3, которые отражают ИК-излучение на разрядную трубку и пропускают жел­тое резонансное излучение [3.28]. Для зажигания и раз­вития разряда в фубку добавляют неон при давлении

1- 1,5 кПа и 0,5-1% аргона (смесь Пеппинга) для сни­жения напряжения зажигания. Нафий в лампу вводят в избытке.

Разрядная трубка НЛНД имеет диаметр 15-25 мм и изготавливается из специальных сортов стекла. В со­временных лампах применяется специально разрабо­танное стекло, пе только устойчивое к воздействию го­рячих паров натрия, по и не поглощающее Аг. который вводится в качестве небольшой добавки к Ne для пони­жения напряжения зажигания.

Для предотвращения миграции паров натрия вдоль разрядной трубки круглого сечения на ее поверхности ранее делали небольшие выпуклости, равномерно рас­пределенные по іілипс трубки (3.281.

Электроды НЛНД представляют собой самокаля - щиеся оксидные триспиральпые катоды в форме бифи - ляра или подобные применяемым в ЛЛ (см. п. 3.3.1). В настоящее время применяются сиптерироваппые электроды.

Внешний вид лампы показан па рис. 3.80.

Спектр излучения НЛНД и КСС для U-образпой лампы приведены па рис. 3.81, а и 3.82.

Время разгорания НЛНД составляет 10-15 мин. Из-за почти полной безынсрциоппости натриевого разряда его электрические и световые характеристики меняются вслед за мгновенными изменениями напря­жения сети, и пульсация светового потока приближа­ются к 100%.

Температура окружающего воздуха слабо влияет па параметры НЛНД. Они работают как в открытых, так и закрытых Oil. Температура внешней колбы и цоколя не должна превышать 150°С. Положение горения — го­ризонтальное (±15°).

Обозначения НЛНД по 1LCOS и каталогам фирм - изготовителей приведены в табл. 3.40.

Номенклатура и основные технические характери­стики НЛНД различных фирм в значительной мере стабилизировались.

Параметры зарубежных НЛНД приведены в табл. 3.41. В России выпускается одна лампа НЛНД мощностью 140 Вт и сроком службы 2000 ч.

Средняя продолжительность горения зарубежных НЛНД лежит в пределах 9000-12000 ч. а спад светового потока <10%; их преимуществом является высокая эко­номичность. Кроме плохой цветопередачи, к недостат­кам НЛНД. которые должны учитываться при выборе их в качестве ИС для решения той или иной конкрет­ной светотехнической задачи, относятся;

1) постепенное увеличение потребляемой мощно­сти в процессе горения (до 140% от начальной), что должно учитываться при проектировании электриче­ской части осветительных установок;

а) б)

Рис. 3.82, Кривые силы света U-образной лампы в различ­ных плоскостях: а - вертикальная плоскость (/ - при Р = 90°. 2 - при (3 = 0): б - горизонтальная плоскость

2) большие потери в ПРА. достигающие у новых улучшенных образцов 17—60%;

3) низкий коэффициент мощности (0,27-0.35 при напряжении осветительной сети 220 В), вызывающий необходимость применять для его компенсации кон­денсаторы большой емкости (20—40 мкФ);

4) большие материалоемкость, масса и габаритные размеры ПРА (4.2-7.2 кг, сечение 100x100, длина 170 мм) и самая высокая удельная стоимость светового потока комплекта «лампа-ПРА»;

5) ограниченная возможность перераспределения светового потока вследствие больших размеров и малой яркости (8—10 кд/см2) светящего тела (аналогично лю­минесцентным лампам), большая материалоемкость осветительной армагуры.

При работе с ВЧ ЭПРА энергопотребление снижа­ется на 10-40%, обеспечивается независимость пара-

метров от напряжения сети, повышается коэффициент мощности ло 0.95 и снижается масса ПРА, т. е. устраня­ются недостатки, перечисленные в пп. 1-4.

В последние годы НЛНД были усовершенствованы за счет применения двойной вакуумировапной рубаш­ки и теплоотражающих покрытий на внутренней по­верхности колбы для снижения тепловых потерь. В ре­зультате световая отдача НЛНД была увеличена при­мерно п 2 раза и в настоящее время достигает у про­мышленно выпускаемых НЛНД 133—178 лм/Br (Phi­lips). а у опытных образцов, разрабатывавшихся в по­следние годы, превышает 200 лм/Вт (теоретический предел световой отдачи НЛНД около 500 лм/Вт).

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 їлаза при низких уровнях освещенности и хорошее прохождение излучения в ту­мане, НЛНД находят применение в светосигнальных установках. Для общею освещения эти лампы не при­меняются из-за сильного искажения цвета объектов.

Натриевые лампы высокого давления 13.2, 3.31| со­держат смесь паров натрия и ртути при высоком давле­нии и зажигающий газ — ксенон. Натрий, имеюший наиболее низкие потенциалы возбуждения и иониза­ции. является основным рабочим веществом (излуче­ние. электроны и ионы): ртуть вводится в качестве бу­ферного газа для повышения температуры разряда, гра­диента потенциала в столбе разряда и снижения теапо - вых потерь; вклада в излучение ртуть практически не дает. Рабочее давление паров натрия 4-14 кПа. соотно­шение парциальных давлений паров натрия и ртути 1:10—1:20. Ксенон вводится при холодном давлении

2,6 кПа, он повышает световую отдачу за счет сниже­ния теплопроводности плазмы. Напряжение зажигания ламп с ксеноном 2—4 кВ. Для уменьшения напряжения зажигания иногда используют смесь Ne + 0,5% Аг в ка­честве зажигающего газа, но при этом па 25% снижает­ся световая отдача лампы.

Спектр излучения НЛВД содержит значительно уши­ренные D-линии натрия с сильным самообращением. а также интенсивные линии в сине-зеленой части спек­тра (см. рис. 3.81, б, в). Цвет ихтучения имеет золотис - то-белый опенок, Тп = 1900-S - 2100 К, координаты цветности л: =0,510. у =0,410; Ra = 23 (специальные ин­дексы /г9 = — 186, /Ї ю = 45,8. Яц = ~30, /г j 2 = 31,6, R 13 = 22.4, Л|4 = 70,7). Цветовая температура излучения и индекс цветопередачи могут быть повышены за счет увеличения давления паров натрия, и, частично, не­большого увеличения диаметра разрядной трубки, по при этом неизбежно происходит заметное снижение световой отдачи (рис. 3.83) и срока службы.

Баланс мощности НЛВД: потери па электродах 6%, видимое излучение 30%, УФ - и ИК-излучепия 20%, тепловые потери в столбе разряда 44%. В желто-оран­жевой области (560—610 нм) сосредоточено 70% види­мого излучения разряда. В НЛВД используется разряд в насыщенных парах натрия и ртути над жидкой фазой

1,0

2000 2200 2400 2600 2800

Рис. 3.83. Зависимость световой отдачи rjy и общего ин­декса цветопередачи Ra от цветовой температуры Ти и'пу­чения натриевого разряда высокого давления

амальгамы. Поэтому наблюдается резкая зависимость оптических и электрических характеристик от темпера­туры холодной зоны разрядной трубки, расположен­ной, как правило, в откачпом штенгеде или в заэлскт - ролной части. С росюм тока и температуры стенки раз­рядной фубки световая отдача возрастает, вместе с тем, при постоянстве нагрузки на единицу поверхности трубки увеличение ее диаметра приводит к благоприят­ному повышению 7ц ихіучения разряда.

Устройство НЛВД [3.31] — цилиндрическая разряд­ная трубка, смонтированная в вакуумированной внеш­ней колбе (рис. 3.84). Силикатные стекла пе пригодны для изготовления разрядной трубки НЛВД. поскольку при высокой температуре натрий взаимодействует с окисью кремния и лает устойчивые силикатные соеди­нения, вызывающие почернение и разрушение трубки практически после нескольких минут работы лампы. Разрядная трубка НЛВД изготавливается из особо чис­той окиси алюминия в виде диффузно пропускающей свет поликристаллической керамики (поликор, люкор). либо в виде прозрачного трубчатого монокристалла (лейкосапфир). Эти материалы устойчивы капительно­му воздействию паров натрия при температуре до 1600°С, вакуумноплотные и механически прочные, имеют общий коэффициент пропускания видимого из­лучения 90-95%, В зависимости от мощности лампы трубки имеют внешний диаметр от 5 до 12 мм и толщи­ну стенки 0,5—1 мм. В качестве материала ввода обыч­но используется ниобий (с добавкой 1% циркония) — тугоплавкий и химически стойкий металл с темпера­турным коэффициентом расширения, наиболее близ­ким к керамике. Пайка ввода к оболочке разрядной трубки осуществляется при помощи специальных вы­сокотемпературных стеклоцсмептов при 1400—1500°С. Конструктивно вводы могут быть выполнены в виде керамической втулки, диска или ниобисвого колпачка, в которые впаяна пиобиевая трубка, служащая одно­временно откачным штепгелем, держателем элекфода и внешним выводом разрядной фубки (рис. 3.85, а). В бссштепгсльном варианте конструкции разрядной трубки токоввод изготавливается из ниобиевой прово­локи или тонкостенной трубки (рис. 3.85, б). Для луч­шей фиксации местоположения холодной зоны разряд­ной трубки и обеспечения заданной температуры амальгамы натрия могуг быть использованы тсплоотра-

Срок службы НЛВД (12-28 тыс. часов в зависимо­сти от мощности и исполнения) ограничивается глав­ным образом постепенным ростом напряжения (1-5 В па каждые 1000 ч горения) па лампе шиють до погаса­ния. Этот рост связан с убылью натрия в течение срока службы, а также частичным утеплением разрядной трубки за счет почернения приэлсктрояпых концов. Другая причина выхода НЛВД из строя — разрушение металлокерамичсских вводов. При непрерывном горе­нии НЛВД имеют срок службы па 30% больше, чем при циклическом (10-часовом). Лампы отличает высо­кая стабильность светового потока в течение срока службы: спад потока — не более 15—20% за 10 тыс. ч горения.

В мировой практике лампы существуют в трех основных модификациях: в цилиндрической или эл­липсоидной прозрачной внешней колбе; во внешней колбе от ламп типа ДРЛ с внутренним светорассеиваю­щим покрытием, которое служит для увеличения раз­меров светящего тела, что важно при использовании ламп в Oil для ламп типа ДРЛ; в кварцевой внешней грубчатой колбе софитпого типа с двумя цоколями — эти лампы предназначены для установки в прожекто­рах заливающею света вместо трубчатых ГЛН. Обозна­чение НЛВД по 1LCOS и каталогам фирм-изготопите - лей приведены в табл. 3.42.

В последние годы НЛВД были значительно усовер­шенствованы в отношении как их световой отдачи, так и цветопередачи. В результате проведенных исследова­ний. в дополнение к стандартным НЛВД были разра­ботаны НЛВД с повышенной па 10-15% световой от­дачей (с повышенным давлением ксенона в разрядной трубке), а также с улучшенной цветопередачей (с внеш­ней оболочкой, наполненной ксеноном). Улучшение цветопередачи и повышение цветовой температуры НЛВД с неизбежностью приводит к уменьшению их световой отдачи и срока службы.

Обозначения и цветопередача НЛВД приведены к табл. 3.43.

Параметры НЛВД различных типов лапы н табл. 3.44.

Кривые силы света и распределения яркости по светящему гелу для ламп типа ДНаТ приведены на рис. 3.86 и 3.87. Распределение яркости характеризует­ся большой неравномерностью, (особенно для ламп с разрядными трубками из монокристалла AljOj). Кри­

Параметры натриевых ламп высокого давления

вые силы скега являются почти косинусными, неболь­шое различие в световых потоках в верхнюю и ниж­нюю полусферу (49 и 51%) связано с экранирующим действием цоколя и зеркала распыленного геттера (в лампах ранних конструкций).

Спектры изучения ламп различной мощности не­сколько различаются из-за более высокого давления паров натрия в лампах средней мощности. Среди НЛВД с улучшенными цвстоперсдающими свойствами установилось два типа ламп: с Ла~60 +70. Ти = 2200 К и световой отдачей на 15—20% ниже по сравнению со стандартными НЛВД соответствующей мощности и с Ла'85. Тн =2500+2800 К и еще более низкими световой отдачей (около 50 лм/Вт) и сроком службы (см. рис. 3.83).

Электрические параметры. Начальное напряжение горения НЛВД на 25—30% меньше, чем РЛВД типа ДРЛ и МГЛ типа ДРИ той же мощности, и повышается со временем (на 25-30% к концу срока службы), поэто­му для стандартных НЛВД нельзя применять балласты от ДРЛ. Для непосредственной замены ДРЛ па лампы типа ДНаТ в ОП следует использовать специально для этого предназначенные НЛВД меньшей мощности, чем заменяемая ДРЛ и, соответственно, меньшим рабочим током, чем у стандартных ламп типа ДНаТ, допусти­мым для работы дросселя от ДРЛ. Напряжение зажига­ния у них должно быть ниже напряжения сети.

Напряжение сети довольно сильно влияет на свето - тл>л Vi yjA'fcrpiччіях/л тлгргмотрм V. f.ftlL. 1Ш, "J. v-

тельпая эксплуатация НЛВД при отклонениях сетевого напряжения более чем па 5% от номинального значе­ния приводит к сокращению срока службы ламп. Рабо­та па переменном токе частотой 50 Гц сопровождается значи іельньїми пульсациями световою потока (око­ло 70%).

Из новейших разработок представляют интерес НЛВД малой мощности с улучшенной цветопереда­чей — SDW (Philips) (см. табл. 3.43) мощностью 35-100 Вт с Ла = 83 и цветностью игтучения, близкой к цветности излучения ламп накаливания.

а) б)

Рис. 3.87. Кривые распределения яркости лампы типа ДНаТ400: а — в поперечной плоскости; б — в продольной плоскости

Ряд фирм выпускают маломощные НЛВД со встро­енным во внешнюю колбу импульсным зажигающим устройством. Для этою были разработаны специальные малогабаритные высокотемпературные стартернын конденсатор и керамический стартер.

Отдельно следует остановиться на возможности и тенденции разработки безртутпых НЛВД — экологиче­ски чистых ламп. Этот процесс идет не так быстро, в том числе и потому, что ртуть существенно увеличивает эффективность этих источников света, признаваемых сегодня наиболее экономичными.

Существующие и находящиеся в сталии разработки безргутные лампы имеют большое будущее.

Давно известна серия безртутных ламп Mercury Free фирмы Sylvania.

Производитель обращает особое внимание на улуч­шенные цветопередаюшие свойства, сравнивая их со стандартными аналогами собственного производства (табл. 3.45).

В последние голы фирма Philips внесла ряд сущест­венных усовершенствований в конструкцию и техноло­гию производства НЛВД:

- для снижения напряжения зажигания на внеш­ней поверхности керамической трубки вдоль сс оси «вжигается» узкая проводящая полоска, закапчиваю­щаяся в области электродов охватывающими трубку незамкнутыми кольцами. Фирма назвала эту конструк­цию и технологию - «Philips integrated Antenna» — тех­нология Р1А. Она упрощает и упрочняет конструкцию и сокращает число раппих отказов по зажиганию;

- в новой конструкции монтажа горелки во внеш­ней колбе число мест сварки проводов сведено к мини­муму и обеспечена их большая устойчивость к ударам и вибрациям;

- применен новый нсраспыляемый ZrAl гетгер вза­мен распыляемого бариевого, что обеспечило поддер­жание более высокого вакуума в течение всего срока службы;

- применение синтерироваппых электродов.

В результате удалось добиться более падежной ра­боты ламп. На основе этих усовершенствований фирма с 2001 года начала выпуск двух новых серий НЛВД:

SON(-T) Plus с повышенным «холодным» давлени­ем Хе и. соответственно, повышенной световой отда­чей до 150 лм/Вт для ламп 600 Вт; SON(-T) Hg-free, т. е. полностью безртутных экологически чистых НЛВД. Фирма анонсирует срок службы новых ламп 32000 ч.

В настоящее время фирма Philips выпускает 7 ис­полнений безртутных ламп:

• 4 исполнения в цилиндрической колбе: 100 Вт (8800 лм), 150 Вт (15000 лм), 250 Вт (28000лм). 400 Вт (48000 лм);

• 3 исполнения в эллипсоидной колбе: 150 Вт (14500 лм), 250 Вт (27000 лм), 400 Вт (48000 лм).

Her сомнения п том, что со временем предпочтение будет отдаваться экологически чистым безртутным НЛВД, особенно маломощным, которые используются п п ОУ внутреннего освещения.

В России освоено производство серии НЛВД в зер - кализованпых внешних колбах специальной формы, обеспечивающих оптимальные КСС для дорожного освещения и теплиц. Технические характеристики этих ламп приведены в табл. 3.46 и на рис. 3.89.

поперечная плоскость продольная плоскость

б)

Рис. 3.89. Зеркальные натриевые лампы: а — общий вид; б — кривые силы света

В последние голы среди новинок НЛВД появились серийные образны ламп с двумя горелками в общей внешней колбе (фирмы General Electric, Sylvania): при случайном погасании одной горелки другая — «холод­ная» — зажигается почти мгновенно. Благодаря этому исключается необходимость в специальных устройст­вах для быстрого перезажигания лампы. Есть основа­ния полагать, что это направление является перспек­тивным, поскольку подобное решение пе только спо­собствует существенному увеличению срока службы ламп, по и устраняет сложности мгновенного переза­жигания, расширяет потенциальные возможности ком­бинирования горелок с рахпичными мощностями, спектральными составами и т. п.

Срок службы такой лампы действительно увеличи­вается лишь при том условии, что па протяжении жиз­ни лампы горелки зажигаются попеременно. Для этого
приходится применять специальные схемы включения. В этом случае, по данным фирмы Sylvania, реальный срок службы увеличивается в 1.5—1,6 раза.

1} противном случае, при окончании ресурса чаще работающая горелка начинает частично шунтировать вторую (это явление иногда называют электрической «течью»), и могут возникать сложности с ее зажиганием.

Обмети применения НЛВД — наружное и внутрен­нее освещение. Типичные объекты — улицы, площади, скоростные магистрали, транспортные пересечения, протяженные туннели, большие открытые простра­нства, аэродромы, строительные площадки, контейнер­ные площадки па железнодорожных станциях, откры­тые и закрытые склады, высокопролетныс произво­дственные помещения, архитектурные сооружения, не­которые общественные здания с кратковременным пребыванием людей (вокзалы, аэропорты и т. п.). Зна­чительное улучшение качества цветопередачи и более приятное зрительное впечатление можно получить пу­тем сочетания в ОУ НЛВД с другими эффективными ИС, дающими преимущественное излучение в сине-зе­леной части спектра, например, с РЛВД или МГЛ.

3.3.6. Ксеноновые лампы

В ксеноповых лампах используется разряд в ксено­не при высоком и сверхвысоком давлениях и плотно­сти тока, составляющей десятки и сотни А/см2 [3.2]. Разряд этого типа имеет ряд характерных особенно­стей: 1) непрерывность спектра излучения в пределах от 200 нм до 1,5-2 мкм. В видимой области спектр близок к солнечному с 7 ц =6100 + 6300 К и обеспечива­ет высококачественную цветопередачу: Ra = 95 + 98; х = 0,33; у = 0,33. В близкой ИК-области (0,8-1 мкм) имеется несколько интенсивных спектральных линий;

2) возрастающая ВАХ в диапазоне больших токов лаег возможность стабилизировать разряд балластом с ма­лой индуктивностью, а длинные трубчатые лампы включать в сеть даже без балласта [3.2|: 3) практиче­ское отсутствие периода разгорания (рис. 3.90); 4) вы - сокос напряжение зажигания, обусловленное тем, что в момент зажигания давление газа в лампе далеко от ми­нимума по кривой Пашена. поэтому лампы требуют сложной схемы высоковольтного поджига; 5) незави­симость параметров ламп от рабочей температуры кол­бы и от /окр, способность работать при низких темпера­турах (до —50°С) без изменения параметров; 6) 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; 7) подверженность разряда действию конвекции н внешних магнитных полей, что необходимо учитывать при конструировании и эксплуатации ламп.

Классификация ламп, приводимая ниже, основана на конструктивных признаках: 1) трубчатые лампы высо­кого давления с естественным и водяным охлаждением и 2) ламны сверхвысокого давления с корот кой дугой с естественным и принудительным (воздушным или во­дяным) охлаждением. Помимо этого имеется много ламп специальных типов, например, металлические разборные лампы-свегильники большой мощности, ртутно-ксеноновые ВИ, рассчитанные па разные мощ­ности и режимы работы, безэлсктродные лампы и др.

Трубчатые лампы типа ДКсТ (Д — дуговая, Кс — ксеноновая, Т — трубчатая) представляют собой мощ­ный источник ОИ в близкой УФ-, видимой и близком ИК-областях спектра [3.32|.

Устройство лампы — трубка из кварцевого стекла, в концы которой впаяны вольфрамовые активированные электроды (рис. 3.91). В лампах с водяным охлаждением горелка помещается сооспо в стеклянный цилиндр со специальными фланцами и патрубками (рис. 3.91. в). В зазоре между горелкой и внешним цилиндром цирку-

:з=м=ен

100 350 600 850 Я, нм

лирует дистиллированная вола. Водяное охлаждение поіволяст существенно сократить габариты при той же мощности и повысить световую отдачу. (В настоящее время выпускаются ведомственными предприятиями).

Кссноновыс трубчатые ламны выпускаются мощно­стью от 0,5 до 20 кВт. Фирма Лисма (2004 т.) выпускает грн типа ДКсТ; 5. 10 и 20 кВт соответственно на 110, 220 и 380 В в трубках 040 мм, длиной 710, 1420 и 2140 мм со световыми потоками 100, 260 и 600 клм. На рис. 3.92 приведены спектр излучения ламп типа ДКсТ 10000 и КСС в продольной плоскости. Яркость свече­ния распределена резко неравномерно: нри небольшой удельной мощности шнур разряда занимает лишь сред­нюю часть трубки. По мере повышения удельной мощ­ности шнур расширяется, яркость возрастает. Так, у ламп ДКсТбООО Z.-1.5-106 кд/м2.

Световая отдача возрастает с ростом удельной мощности, стремясь к пределу (около 45-48 лм/Вт). У ламп с естественным охлаждением r|v = 20+29 лм/Вт, у ламп с водяным охлаждением r|v =35 +45 лм/Вт. При изменении тока и давления ксенона относительное спектральное распределение излучения в видимой час­ти спектра меняется незначительно.

Температура колбы ламп типа ДКсТ ik определяется удельной мощностью лампы и условиями охлаждения. Обычно I/. = 700+750°С. С ростом tk выше предельного шачения срок службы из-за кристаллизации кварца быстро падает. Вообще сроки службы ламп весьма малы: от 800 до 1600 ч.

Напряжение сети сильно влияет на мощность и све­товой поток ламп, работающих без балласта: АР.1/Р1 = = 3.5(ДUc/Uc). При повышении напряжения наблюда­ется сильный перегрев лампы и сокращается срок службы, поэтому практически все фирмы, которые еще выпускают ДКсТ, делают их с небольшим балластом, незначительно теряя в световой отдаче, по выигрывая в сроке службы.

Включение ламп, рассчи танных на работу без балла - спа, производится непосредственно в сеть ПО, 220 или 380 В с частотой 50 Гц. Для зажигания как бсзбалласт - ных, так и балластных ксеноновых ламп применяются специальные зажигающие устройства, дающие высоко­вольтный (до 50 кВ) импульс высокой частоты (см. разд. 4).

Основные области применения. В 60—80 гг. XX века ламны широко применялись для освещения больших открытых пространств, аэропортов (особенно в север­ных районах) и теплиц. В настоящее время в связи с освоением производства мощных линейных ГЛН (5 и 10 кВт), МГЛ большой мощности (до 2 кВт) со свето­выми отдачами до 100 лм/Вт, высоким Ra и сроком службы (т) 4—6 тыс. ч, а также натриевых ламп со све­товыми отдачами до 150 лм/Вт и т до 20 тыс. ч, приме­нение ламп ДКсТ для освещении экономически неце­лесообразно.

В настоящее время трубчатые кссноновые лампы с форсированным воздушным охлаждением, выпускаемые зарубежными фирмами, в кварцевых трубках 0 до 12 мм на мощности до 6 кВт (длиной до 1,2 м) и свето­выми отдачами около 30 лм/Вт, находя т широкое при­менение для накачки лазеров.

ДКсТ с водяным охлаждением па мощности до 12 кВт в трубках 0 ло 10 мм и длиной до 300 мм также применяются для накачки лазеров.

Эти лампы с успехом применяются в некоторых технологических процессах.

Шаровые ксеноновые лампы типа ДКсШ н ДКсЭл яв­ляются источниками высокой яркости с компактным светящим телом. Они лают в видимой области непре­рывный спектр излучения, близкий к солнечному, практически не имеют периода разгорания (см. рис. 3.90) и работают, как правило, на постоянном токе.

Устройство ламп — кварцевая толстостенная колба, близкая но форме к сфере или эллипсоиду вращения, в которую с противоположных сторон введены два воль­фрамовых электрода — массивный анод и более тонкий катод. Расстояние межчу электродами обычно несколь­ко миллиметров, у специальных маломощных типов ламп его уменьшают до 0.5—2 мм и, по мере увеличе­ния мощности, увеличивают до 10-12 мм. Холодное давление ксенона 0.3—1.2 МПа. Впаи электродов у ма­ломощных ламп — фольговые, а у ламп большой мощ­ности — на переходных стеклах. Диапазон возможных

а)

Рис. 3.93. Общий вид шаровых короткодуговых ксеноно­вих ламп: а -- ДКсШ500; б - ДКсЭЛ 1000-4000

мощностей — от нескольких Вт до нескольких десят­ко» кВт.

Отечественная фирма Лисма выпускает в настоящее время лампы типа ДКсШ и ДКсЭл 9 типоразмеров мощностью 0,5; 1,2; 3 и 6.5 кВт, близкие по параметрам к зарубежным аналогам. Ведущие фирмы Западной Ев­ропы, США, Японии выпускают широкий ассортимент ламп лого типа (свыше 20 типоразмеров) на мощности от 50 Вт до 10—12 кВт. Длины дуг — от 0,5 мм у ламп 50—70 Вт до 14 мм — у 10 кВт, габаритные яркости от 40 до 100 ккд/см^: световая отдача от 15 лм/Вт (70 Вт) до 52 лм/Вт (10 кВт): напряжение на лампах от 14 В (70 Вт) ло 50-60 В (10 кВт). Лампы мощностью от 700 Вт до 10 кВт, как правило, требуют воздушного ох­лаждения. что позволяет делать вводы более коротки­ми. Так, например, обшая длина ламп /[ составляет: у ламп 50-70 Вт — 80-90 мм, 1 кВт — от 250 до 370 мм, 3 кВт — от 340 до 430 мм, 6-10 кВт — около 450 мм.

Общий вид ламп дан па рис. 3.93, спектр излучения лампы ДКсШ — на рис. 3.94. Из всей мощности ихіу - чепия, составляющей около 40%, около 9% излучается в УФ-области. около 35% — в видимой и около 56% —

в близкой ИК-области. Световая отдача возрастает с ростом мощности лампы (точнее, удельной мощности), стремясь к пределу. У ламп типа ДКсШ 1000 r|v~30 лм/Вт, у разборных ламп с водяным охлаждени­ем электродов мощностью 20 кВт r|v превышает 50 лм/Вт. Сроки службы составляют от 800 до

2— 3 тыс. ч.

На рис. 3.95, а приведено распределение яркости ДКсШ. Относительное распределение яркости мало за­висит от условий разряда. Яркость в центре разряда можно приближенно оценить по формуле [3.2/ £ц~ ~5,7107 Pqi/1-J-j, где Рсг — мощность столба, Вт; /Э1 — расстояние между электродами.

Яркость у катода намного превышает яркость в центре. В лампах с малым расстоянием между электро­дами (0,5—2 мм) удается получить яркость более 103 Мкл/м2. На рис. 3.95, б показано типичное распре­деление силы света ламп типа ДКсШ. Ихтучсние хоро­шо модулируется током, вплоть до частот в несколько десятков килотерц. Для целей модуляции иногда при­ходится создавать лампы специальной конструкции, с тем, чтобы устранить или уменьшить мешающие дейст­вия акустическою резонанса, собственных магнитных полей и др.

Положение горения для большинства ламп типа ДКсШ — вертикальное анодом вверх, так как в этом случае конвекционные потоки и поток электронов из катода направлены в одну сторону и дуга горит более устойчиво. При небольших расстояниях между элект­родами при соответствующей конструкции лампы мо­гут устойчиво работать в вертикальном положении

2 10 12

Рис. 3.95. Типичный характер распределе­ния яркости (а) и силы света (б) короткоду­говых ксеноновых ламп (цифры у кривых — яркость в Мкд/м2)

либо анодом вверх, либо вниз. (Для работы в горизон­тальном положении нужна внешняя магнитная стаби­лизация дуги).

Тепловой режим лампы практически не сказывает­ся на электрических и световых параметрах, по опреде­ляет срок службы. Температура колбы высокая (700- 900°С), поэтому перегрев ламп, например, из-за превы­шения мощности или слишком малого и закрытого ко­жуха недопустим. Лнол нагревается ло 2500°С, быстрые изменения температуры вызывают его разрушение.

Вісіючение. Лампы рассчитаны на работу от источ­ника постоянного тока (с последовательно включен­ным резистором в качестве балласта). Однако в боль­шинстве случаев их включают в промышленные сети переменного тока через специальные блоки, состоящие из дросселя (трансформатора), выпрямителя и конден­саторов, сглаживающих пульсацию тока до 8-10% (см. раздел 4). При больших пульсациях электроды быстро разрушаются из-за термоусталости вольфрама.

Зажигание дуги осуществляется при помоши специ­ального искрового генератора, подающего на лампу импульс высокого напряжения — от 20 до 50 кВ высо­кой частоты (см. разд. 4). Существует минимальное на­пряжение питания, ниже которого дуговой разряд не зажигается. Оно составляет примерно 2—2,5 (/., раб, но пе менее 45-50 В. (Для питания кинопроекционных ламп типа ДКсШРБ от сети переменного тока выпус­калась серия специальных выпрямляющих устройств.)

Основные области применения короткодуговых ксено - новых ламп ВИ — мощностью 1 кВт и более — кино - проекция черно-белых и цветных фильмов (до 90% ламп ДКсЭл), имитаторы солнечного излучения, фото­экспонирование, установки радиационного нагрева, установки сварки светом и многочисленные другие установки и приборы, где гребуются высокая яркость, спектр, близкий к солнечному, или высокое качество цветопередачи и мгновенное включение.

Для эндоскопов разработаны специальные лампы типов ДКсШ200 и ДКсШЗОО, могущие работать в ком­бинированном режиме (наложение импульса с 10-крат- пой перегрузкой по току па дуіу постоянного тока). Специальные лампы применяются в установках, ис­пользующих хорошую модуляционную способность ксенонового разряда сверхвысокого давления.

Меры предосторожности обусловлены тем, что дав­ление ксенона в лампах пе менее 0,3—0,5 МПа и они взрывоопасны даже в нерабочем состоянии. Поэтому на ламны надевают защитные кожухи из органического стекла (или металла), которые позволяют включать лампу, не снимая кожуха. Его разрешается снимать юлько после установки лампы в закрытую аппаратуру. Кожух также защищает кварц от прикосновения паль - пев. Ламны являются источником мощного излучения, которое может вызвать ожоги кожи и глаз. Правила об­ращения изложены в инструкциях по эксплуатации и лолжны неукоснительно соблюдаться!

Короткодуговые ксеноновые лампы ВИ большой мощ­ности (десятки кВт). В 60-х гг. ХХ-го века у нас ощу­щалась потребность в создании таких ламп в связи с масштабными проектами исследования и освоения космического пространства, развития кипо и телевиде­ния, освоения Северного морского пути, создания мощных коїшен іраторов ОИ и др. В то же время прак­тика и расчеты убедительно показали, что создание та­ких ламп с внешним воздушным охлаждением па мощ­ности больше 10-12 кВт практически невозможно. Единственным возможным путем создаиия таких ламп являлось только внутреннее водяное охлаждение элект­родов и в первую очередь анода, на котором выделяет­ся от 25 до 40% подводимой к лампе мощности. Прин­ципиально важным шагом, снявшим стоящие на этом пути ограничения, явилось изобретение в 1965 г. в ЦКБ Московского электролампового завода (МЭЛЗ) разборных (или сборных) вакуумно-плотных вводов в кварцевую колбу с внутренним водяным охлаждением электродов. В короткие сроки разработка была завер­шена и начато производство серии т. н. разборных ко­роткодуговых кссноновых лами ВИ с водоохлаждасмы - ми электродами для кинопроекции и телевидения мощностью 3,5 и 10 кВт (ДКсШРБ) [84|. Эксперимен­ты показали, что таким путем возможно создание ламп мощностью в несколько десятков кВт. Но в это же время во ВНИСИ заканчивалась разработка совершен­но оригинальной но конструкции кссноновой металли­ческой разборной водоохлаждаемой лампы — светиль­ника мощностью 55 кВт. Внутренняя поверхность ее металлического корпуса представляла собой зеркализо - ванный эллипсоид вращения, в одном из фокусов которого размещалась вертикально горящая ксеноно­вая дуга ВД, а в другом — обращенное внутрь двойное купольное (для водяного охлаждения) кварцевое окно, через которое выхолило излучение [84/. Лампы исполь­зовались для наземных испытаний космических аппа­ратов.

Для кинопроекции на любые экраны обычно было достаточно ламп мощностью до 6—10 кВт с воздушным охлажіением, эксплуатация которых проще, чем ламп с водяным охлаждением. Поэтому спрос на разборные лампы оказался небольшим, а в 90-е годы их выпуск прекратился. Свертывание космических программ при­вело к тому, что спрос на металлические лампы-све­тильники мощностью 55 кВт тоже прекратился.

Между тем, по данным зарубежной печати послед­них лет, некоторые фирмы в последние голы разрабо­тали короткодуговые ксеноновые лампы ВИ в кварце­вых колбах с охлаждаемыми изнутри электродами мощностью 20 и 30 кВт, а совсем недавно появилось сообщение о создании лампы мощностью 50 кВт, ис­пользованной в прожекторе ледокола.

3.3.7. Безэлектродные разрядные лампы

Революционным достижением, обеспечивающим начало нового развития ИС, является разработка и освоение производства безэлектродпых индукционных ВЧ-ламп (БИЛ) с люминофором: Ql. (Philips, 1991 г.). Gcnura R80 (GE, 1994 г.), Endura (Osram, 1997 г.) и СВЧ «серной» лампы (Fusion Sistcms, 1992 г.) [3.18. 3.33].

ВЧ-разрядная лампа QL. Колба ламп QL (рис. 3.96) по форме и габаритам близка к лампам накаливания об-

інего назначения мощностью 200—300 Вт. Питание осу­ществляется от выносного электронного ВЧ-генерато - ра, соединенного отрезком экранированного кабеля длиной 400 мм с соленоидным индуктором на феррито - вом сердечнике, который разметен внутри колбы. Ин­дуктор под действием генератора создает в колбе высо­кочастотное электромагнитное поле (2.65 Мгн). иници­ирующее в парах ртути и инертном газе резонансное УФ-издучение. воздействующее на дюминофорпое по­крытие (трехкомпонентная смесь гексагональных алю­минатов. активированных редкоземельными элемента­ми). Эти люминофоры обеспечивают высокое качество цветопередачи (Ла>80). Лампы типа QL выпускаются двух оттенков: тепло-белого света с Тп = 2700 и 3000 К м нейтрально-белого света с =4000 К.

Лампы рассчитаны на питание от сети с номиналь­ным напряжением 220 или 120 В и частотой 50 (60) Гп. Надежное зажигание ламп гарантировано при темпера­турах воздуха до минус 20°С. при положительных тем­пературах лампы зажигаются и псрсзажигаются прак­тически мгновенно. Основные характеристики ламп QL приведены в габд. 3.47.

Давление ртутных паров реіулирустся амальгамой. Зависимость светового потока ламп от температуры в закрытом светильнике показана на рис. 3.97.

Необходимо отметить, что данные ВИЛ за счет удачно решенной проблемы экранировки не создают помех для работ радио - и видеоаппаратуры, высокочув­ствительных электронных медицинских приборов и удовлетворяют требованиям Европейских норм EN
60555/2 и LN 55015 по электромагнитной совместимо­сти.

Основное достоинство БИЛ типа QL — чрезвычай­но большой срок службы (60000 ч), обусловленный от­сутствием традиционных для разрядных ламп тсрмо - эмиссионных катодов. Кроме тою, люминофор и стек­ло предохраняются от ртутного загрязнения бесцвет­ным защитным покрыт ием. Это покрытие способствует тому, что спад светового потока после 10 тыс. ч нара­ботки не превышает 10%, а к 60 тыс. ч. — ~30% (рис. 3.98); доля ламп, выходящих из строя в конце срока службы в крупных ОУ, составляет пе более 20%.

Благодаря большому сроку службы лампы QL явля­ются идеальным ИС для ОУ со значительной годовой наработкой, в которых светильники размещены на вы­сотах и в зонах, груднодоступных для обслуживания.

В публикациях зарубежной прессы появилась ин­формация о выпуске ламп Duralight типа QL со сроком службы 80000 ч (фирма Tungda Lighting, Гонконг): со встроенным ПРА — лампы мощностью 15, 23 и 35 Вт, с выносным ПРА — 35. 55, 85, 125, 165 Вт. Готовятся к производству лампы мощностью 200 Вт.

ВЧ-разрядная лампа Genura. Компактная БИЛ пол фирменной маркой Genura, разработанная и впервые представленная на светотехнический рынок в 1994 г. GE Lighting, функционирует на том же принципе, что и лампа QL.

Общий вид, конструктивная схема и основные ха­рактеристики БИЛ Genura представлены на рис. 3.99 и в табл. 3.48. По форме и габаритам лампа максимально приближена к стандартной зеркальной ЛН в выдувной колбе, мощностью 100 Вт. Аналогичную лампу типа Century DQL мощностью 20 и 25 Вт со свстовой отда­чей 55 лм/Вт и сроком службы 30 тыс. часов выпускает фирма DIAS Electric (Китай). Фирма Sylvania выпуска­ет- такого типа лампу под названием DURA-ONE.

БИЛ Genura. снабженная цоколем Е 27, не іребует новой и специальной арматуры — она может быть уста­новлена в любом подходящем для нее светильнике с резьбовым патроном. При такой замене может быть получена существенная экономия электроэнергии (бо­лее чем в 4 раза) и уменьшены расходы на обслужива­ние, так как срок службы БИЛ Genura в 15 раз больше, чем у ЛН. Меньшая мощность (23 Вт вместо 100 Вт) и соответственно сниженное тепловыделение значитель­но облегчают тепловой режим светильников, уменьшая нагрев освещаемых объектов (при экспозиционном освещении) и нагрузку на систему кондиционирования (при общем освещении помещений).

Грибовидная колба наполнена небольшим количе­ством ртути и ксенона и покрыта изнутри трехкомпо­нентным люминофором, обеспечивающим такое же спектральное распределение энергии излучения и каче­ство цветопередачи, как и у ЛЛ. По оси колбы (внутри

нес) расположен соленоидный индуктор с ферриювым сердечником, питаемый от встроенного в прицоколь - иую зону колбы генератора ВЧ (2.5 Мгц), в схсмс кото­рого применены электронные компоненты повышен­ной надежности.

На поверхности колбы иод слоем люминофора на­несено тонкопленочное электропроводящее покрытие из окиси цинка, препятствующее выходу ихтучения индуктора.

Внешний кожух-отражатель, служащий главным образом защитной оболочкой для электронного блока ПРА, отлит из белого конструкционного полипропиле­на марки Valox фирмы GE — Plastic (USA), обладаю­щего формостойкосгью при температурах от —20° до + 120°С.

Отсутствие электродов в БИЛ Genura позволило до­стичь срока службы 15000 ч. Дальнейший проіресс в развитии микроэлектроники позволит в будущем уве­личить срок службы у БИЛ аналогичной конструкции в 1,5-2 раза.

Время зажигания и перезажигания лампы Genura — 0.1 с. Надежное зажигание гарантировано и при отри­цательных температурах (до -10°С). Примечательно, что световой поток лампы стабилен в большом диапа­зоне температуры окружающего воздуха (от —10° до +40°С), при 55°С спад потока составляет только 5%.

Спал светового потока составляет: после 5 тыс. ч ра­боты — 23%, после 10 тыс. ч — 28% и после 15 тыс. ч — 30%.

При тарифе на электроэнергию 0,15 лоллара/кВт ч лампа окупает свою достаточно высокую цену пример­но за полгода при ежесуточной наработке в течение 12 ч.

ВЧ-разрядная лампа Endura. Последней новинкой в еще относительно небольшом ассортименте безэлект - ролпых разрядных источников света стала БИЛ модели Endura. Эта принципиально новая по конструкции БИЛ разработана фирмой Osram. Фирма Sylvania выпу­скает лампу такого типа под названием ICF. TRON.

Разрядная трубка лампы имеет форму вытянутого кольца, па коротких противолежащих участках которо­го расположены кольцевые соленоидные индукторы па ферритовых сердечниках (рис. 3.100), питаемые от спе­циального ВЧ-ЭПРА.

Применение замкнутых магнитопроводов кольце­вой формы для индукторов позволило повысить КПД передачи ВЧ энергии в разряд. Кроме того, этому спо­собствовал выбор более низкой частоты для ВЧ поля (250 кГц). Это позволило довести световую отдачу ком­плекта до 80 лм/Вт.

Хорошее качество цветопередачи обеспечено при­менением улучшенных трехкомпонентных люмино - форных смесей.

Основные характеристики выпускаемых ламп типа Endura приведены в габл. 3.49.

Лампы ICETRON мощностью 100 и 150 Вт выпус­каются также типа Black Light (360 нм).

Форма и размеры лампы Endura (особенно ее небо­льшая высота — 75 мм) и габариты ЭПРА позволяют создавать компактные плоские светильники как с экра­нирующими решетками, так и с рассеивателями.

Наиболее целесообразными областями применения БИЛ Endura являются ОУ объектов, где смена ламп связана с трудным доступом к светильникам и значите­льными расходами па эти операции (высокие промыш­ленные здания, туннели, станции метро, железнодо­рожные и авиавокзалы и т. д.). Резкое снижение эксп­луатационных расходов может быть получено в цехах с круглосуточной эксплуатацией технологического обо­рудования: периодичность замены БИЛ Endura в этих случаях может составлять 6—7 лет, тогда как обычные ЛЛ при таком режиме эксплуатации приходится менять через 1,5—2 года.

Основными преимуществами ламп типа Endura яв­ляются: очень большой срок службы — 60000 ч; мощ­ный световой поток; мгновенное зажигание; большая световая отдача >80 лм/Вт: хорошая цветопередача (Ла>80); небольшое падение светового потока в тече­ние срока службы; хорошее зажигание при температу­рах до —25°С; возможность работы в сети постоянного тока.

«Серная» СВЧ-разрядная лампа [3.27, 3.34]. Источ­ник света представляет собой сферическую колбу из прозрачного безводного кварцевого стекла диаметром от 5 до 30 мм, наполненную дозированным количест­вом серы и аргона. Наполнение не содержит ртути. Разряд возбуждается СВЧ-полем, подводимым к лампе волноводной системой, на частоте 2,45 ГГц, широко используемой в промышленности, пауке, медицине. На этой же частоте работают распространенные во всем мире бытовые микроволновые печи.

Лампа снабжена системами интенсивного воздуш­ного охлаждения и вращения колбы, обеспечиваю­щими необходимый тепловой режим и его равномер­ность.

Схематический вид безэлектролной микроволновой «серной» лампы фирмы FSC и общий вид светового прибора с пей показан на рис. 3.101. Блок-схема СВЧ-светового прибора представлена на рис. 3.102.

«Серные» СВЧ-лампы ВД дают непрерывное по спектру излучение, преимущественно в видимой облас­ти; Ra от 79 до 86: Г„ от 4000 до 8000 К в зависимости от условий разряда; световая отдача установки

Рис. 3.102. Блок-схема СВЧ-светового прибора: / — источ­ник вторичного питания; 2 — магнетронный генератор СВЧ-колебапий; 3 — СВЧ-алаптср; 4 — СВЧ-тракт; 5 - С В Ч - во :)б уд и тел ь; 6 — свегопрозрачный СВЧ-рсзонатор; 7 — безэлектродпая серная лампа; 8 — оптическая система

90—95 лм/Вт, а световая отдача, отнесенная к мощно­сти СВЧ, поглощенной в излучающем объеме, достига­ет 140 лм/Вт. На рис. 3.103 приведен пример спектра «серной» лампы ВД. Светящее тело имеет шаровую форму малых размеров с равномерной высокой ярко­стью, очень удобное для СП прожекторного типа.

Промышленно выпускается только один базовый образец под маркой Solar 1000 с потребляемой из сети мощностью 1,4 кВт, световым потоком 135-П40клм. Ти =6000 К. Ra~79. диаметром горелки — 28-30 мм.

Основные достоинства «серных» ламп ВД:

• сплошной квазисоднечный спектр с максимумом спектральной плотности излучения, совпадаю­щим с максимумом кривой относительной спект­ральной чувствительности глаза (рис. 3.103);

• высокая световая отдача установки (90-95 лм/Вт);

• высокий срок службы (до 45 тыс. ч);

• малогабаритноеть и равнояркоегь светящего тела, облегчающие оптимизацию оптической системы;

• возможность регулирования яркости.

Открытие уникальных световых и эксплуатацион­ных характеристик безэлектродной СВЧ «серной» плаз­мы ВД безусловно знаменует новый этап в развитии светотехники. Созданные на этой основе ламповые системы делают еще только первые практические шаги. Фактически они открывают путь в еще недостаточно изученную область взаимодействия ВЧ и СВЧ электро­магнитных колебаний с плазмой как источником опти­ческих излучений. Можно надеяться на развитие ис­следований в этом направлении. Но уже и сейчас мож­но указать области, в которых исключительные досто­инства «серных» ламп делают их применение весьма эффективным. Следует также иметь в виду, что без- электродпые лампы с другими наполнителями, являясь весьма эффективными источниками оптического излу­чения в разных областях спектра, например, в УФ-об - ласти, моїут оказаться вне конкуренции во многих промышленных фотопроиессах.

Однако наряду с перечисленными выше достоин­ствами «серные» лампы ВД имеют серьезные недо­статки. Для обеспечения работы ламп необходимо применение блока магнетронной накачки, состоящего из генератора СВЧ с системой принудительного воз­душного охлаждения магнетронов, а также специаль­ной волноводной конструкции, обеспечивающей эф­фективный подвод и «закачку» энергии в разрядный объем, и системы надежной защиты окружающего пространства от распространения СВЧ-излучсния. По сути, срок службы комплекта обусловлен сроком службы магнетронов, который, как правило, не превышает 15 тыс. ч.

В результате мощная «серная» лампа превращается в сложный агрегат, состоящий из разнородных блоков и узлов, обеспечивающих стабильную работу самого светящегося разрядного объема. Это приводит к суще­ственному снижению общего КПД установки (до 37% подводимой мощности), снижению се надежности, значительно усложняются условия эксплуатации, а, следовательно, оіраничиваются области применения. При этом надо учесть весьма высокую стоимость ряда агрегатов, входящих в систему блоков и узлов. Поэтому вопрос об экономической целесообразности примене­ния «серных» ламп в данное время нуждается в уточне­нии. Ведущая фирма по разработке «серных» ламп вре­менно приостановила работы по их созданию.