Разрядные источники оптического излучения, в том числе светового, работают по принципу преобразования в оптическое излучение энергии дугового электрического разряда.
Тихий и тлеющий электрические разряды из-за крайне малого КПД излучения для целей освещения и облучения не используют.
В зависимости от давления внутри разрядной колбы различают лампы: низкого (0,1...10 4 Па), высокого (3×10 4 …10 6 Па) и сверхвысокого (более 10 6 Па) давления. От значения рабочего давления в колбе зависят КПД и спектр излучения разрядной лампы.
У разрядных ламп низкого давления энергетический КПД (Фл/Рл ) высокий, а световой КПД потока излучения (Фс/Фл ) мал, так как значительная часть их излучения сосредоточена в невидимой УФ-зоне спектра. Для разрядных ламп высокого давления наоборот: энергетический КПД меньше, а световой КПД больше.
Так как эффективный световой КПД лампы (Фс/Рл ) равен произведению КПД энергетического (Фл/Рл ) и светового (Фс/Фл ), то это обусловило равноценную применимость обоих типов ламп.
В отличие от ламп накаливания, имеющих сплошной спектр излучения, разрядные лампы обладают ступенчатым или полосовым спектром, состав излучения которого зависит от состава газа и паров металла, наполняющих разрядную колбу (рис.2.1).
Рис.2.2. Устройство (а) и типовая стартерная схема включения (б) трубчатой разрядной лампы низкого давления:
1 – колба; 2 – стеклянная ножка; 3 – спиральный электрод; 4 – цоколь; 5 – штыревые токоподводы.
Разрядные лампы низкого давления имеют разрядную колбу 1 в виде стеклянной трубки, на концах которой в цоколь 4 вмонтированы штыревые токоподводы 5 (рис.2.2 а). В оба цоколя 4 лампы через стеклянные ножки 2 впаяны оксидированные электроды 3 , выполненные в виде моноспирали из вольфрама. У осветительных ламп внутренняя часть колбы из обычного стекла, которое не пропускает УФ-излучение, покрыта слоем люминофора. У ламп для УФ-облучения колбы выполняют из специального кварцевого или увиолевого стекла, которое имеет высокий коэффициент пропускания УФ-излучения соответствующей зоны УФ-спектра. Внутренний объем колбы заполняют аргоном и вводят небольшое количество ртути. Электрический разряд в лампе начинается в атмосфере инертного газа аргона, а затем по мере испарения ртути продолжается в её парах.
В люминесцентных разрядных лампах преобразование электрической энергии в видимое излучение происходит в два этапа .
На первом этапе электрический разряд в парах ртути сопровождается УФ-излучением в виде двух монохроматических потоков с длинами волн 253,7 и 184,9 нм, которые сами по себе являются мощными источниками бактерицидного излучения.
На втором этапе возникающее коротковолновое УФ-излучение преобразуется в слое люминофора колбы в видимое. То есть, в излучение с большей длиной волны и, соответственно, согласно (1.1) и (1.2) с меньшей энергией фотонов, так как что часть энергии фотонов теряется в слое люминофора на втором этапе преобразования. Изменяя состав люминофора, изменяют спектральный состав видимого излучения лампы.
Маркировка люминесцентных ламп низкого давления содержит буквенное обозначение, начинающееся с буквы Л (люминесцентная) и второй буквы, раскрывающей особенности ее спектра излучения: Б - белая, ТБ - тепло-белая, ХБ - холодно-белая, Д - дневная, Е - естественная, БЕ - белая естественная, ХЕ - холодная естественная. Ц - с повышенной цветопередачей, УФ - ультрафиолетовая, Ф - фотосинтезная, Р - рефлекторная, У - U – образная, К – кольцевая. После буквенного обозначения следуют цифры, указывающие мощность лампы в ваттах, и через дефис - номер разработки. Например, ЛБР-80 - лампа люминесцентная белая рефлекторная мощностью 80 Вт.
Средняя продолжительность горения осветительных люминесцентных ламп низкого давления составляет 12...15 тыс.ч, светоотдача - 40...80 лм/Вт, мощность - от 3 до 200 Вт (наиболее массовые мощностью 15...80 Вт).
Из-за падающей волътамперной характеристики электрического разряда для стабилизации режима в цепь разрядной лампы необходимо включать токоограничивающее балластное сопротивление, которое может быть активным (например лампы типа ДРВЛ), индуктивным (большинство ламп), емкостным или их комбинацией. Поэтому в сеть разрядные лампы включают через специальный пускорегулирующий аппарат (ПРА), который обеспечивает зажигание лампы и стабилизацию её дугового разряда в рабочем режиме.
На схеме, показанной на рисунке 2.2 б, представлен типовой вариант включения люминесцентной лампы низкого давления с использованием дроссельного ПРА и лампового стартера тлеющего разряда. Схема содержит осветительную люминесцентную лампу низкого давления EL, индуктивное балластное сопротивление в виде дросселя LL, ламповый стартер VL, помехоподавляюший конденсатор С2 и компенсирующий конденсатор С1 , повышающий коэффициент мощности установки с 0,4...0,6 до 0,92...0,95. Сопротивление R предназначено для разряда конденсаторов С1 и С2 после отключения лампы от сети.
При включении схемы и незагоревшейся лампе EL сетевое напряжение практически полностью оказывается приложенным к стартеру, выполненному в виде лампы тлеющего разряда VL. Под действием высокого напряжения в стартере VL возникает тлеющий электрический разряд. Под действием выделяющегося в результате разряда тепла биметаллические электроды стартера VL изгибаются и в конечном итоге замыкаются. Разряд прекращается, и спиральные электроды лампы EL за счет замыкания контактов стартера VL разогреваются током, примерно в 1,5 раза превышающим номинальный ток лампы. Процесс разогрева длится 0,5...3 с, пока биметаллические электроды стартера не остынут и не разомкнут цепь разогрева. В результате размыкания цепи разогрева со стороны дросселя LL возникает ЭДС самоиндукции, которая, накладываясь на напряжение сети, вызывает электрический разряд и загорание предварительно разогретой лампы EL, обладающей к этому моменту повышенной электронной эмиссией нагретых электродов. За счет протекания тока загоревшейся лампы EL на дросселе LL возникает дополнительное падение напряжения, которое уменьшает напряжение на электродах стартера VL ниже значения его зажигания, и работа стартера VL при зажженной лампе EL прекращается.
В настоящее время выпускаются энергоэконмичные люминесцентные лампы низкого давления пониженной мощности: 18 Вт вместо 20 Вт, 36 Вт вместо 40 Вт и 58 Вт вместо 65 Вт. Они имеют уменьшенный диаметр трубчатой колбы (25 мм вместо 40 мм) и повышенную световую отдачу.
Наряду с трубчатыми люминесцентными лампами низкого давления для целей электроосвещения широкое применение нашли дуговые ртутные люминесцентные лампы высокого давления типа ДРЛ.
На рисунке 2.3 а показано устройство четырехэлектродной люминесцентной лампы высокого давления типаДРЛ, а на рисунке, б - типовая схема её включения в сеть.
Зажиганию четырехэлектродной разрядной лампы типа ДРЛ способствует предварительный тлеющий разряд между основным 11 и поджигающим б электродами (рис. 2.3 а). Период разгорания лампы типа ДРЛ длится около 5 мин. За это время происходит разогрев внутренней колбы 8 и испарение находящейся в ней ртути с одновременным повышением давления внутри колбы 8. При этом электрический разряд распространяется на основные электроды. Лампа выходит на нормальный режим со стабилизацией всех её параметров.
После отключения разрядной лампы высокого давления её повторное зажигание возможно только после остывания лампы и соответствующего снижения давления во внутренней разрядной колбе до значения, при котором возможен повторный процесс зажигания.
В наш век повсеместной электрификации мы привыкли считать электрический разряд чем-то неправильным и где-то даже опасным. Поэтому в словах «газоразрядная лампа» многим видится некий парадокс.
Уже давно электричество перестало быть диковинкой. Нас оно окружает буквально со всех сторон. В стенах домов, квартир проложена проводка, по которой непрерывно течет электрический ток, даже если не включен телевизор и выключены все лампочки. Холодильник все равно все время тихо включается и сохраняет нам продукты, подпитываясь от сети. Так же и прочие приборы: светодиоды на выключателях – и те хоть чуть-чуть, но ток пропускают. А вот разряд в наших сетях – нечто неординарное. Если нечаянно замкнутся два провода в одной розетке, будет короткое замыкание, то есть разряд. А это авария и мгновенное отключение сети защитной автоматикой. Или если мы сами зарядились, просто от трения одежды, то, как только прикоснемся к чему-нибудь металлическому – будет разряд: несильно, но чувствительно уколет или даже тряхнет. Но обычно один раз. Ну, и заряженный конденсатор может ударить током, то есть через нас разрядиться.
Разновидностей разрядов достаточно много. Чаще всего нам встречается искровой разряд, как раз его-то мы и не любим. Хотя знаем, что в автомобиле он заставляет двигатель работать.
Виды электрических разрядов
Слева направо: искровой, дуговой, коронный, тлеющий. Есть еще экзотические виды – частичный и таунсендовский (темный – здесь его нет).
Какие-то из них мы используем, какие-то только пытаемся поставить на службу, с какими-то боремся.
Но вот тлеющий разряд, быть может, и назван так «смягченно», чтобы сообщить: да, это разряд, но не такой уж и страшный. Действительно, он не бьет, как искра или молния, в доли секунды, чтобы сразу же и прекратиться. Он тлеет, то есть течет, как обыкновенный и привычный для нас всех электрический ток. И не просто течет, но и светит – это все электрические лампы, где светится газ, а не металлическая проволока. Именно газоразрядные лампы.
Самое интересное во всей этой истории то, что обнаружили свечение газа под действием разряда еще до того, как появились «настоящие» электрические приборы. То есть такие устройства, в которых бы гарантированно работала электрическая энергия.
Сначала свечение газа показывали как фокус. А в качестве источника энергии использовались не генераторы, не аккумуляторы, а электризация предметов путем различных ухищрений, что позволяло вызвать некоторый заряд на поверхности. Электризация известна была давно, просто ее старались как-то усилить, в соответствии со своим пониманием. Например, рукой крутили большой шар из серы, насаженный на металлический стержень, и получали в довольно большом количестве «электричество», которое заявляло о себе искрением или свечением газа. Были и другие опыты, которые принято было проводить со сцены для публики или в модных светских салонах для избранного общества. Изучали и демонстрировали «животный магнетизм», алхимические превращения, которые уходили корнями в «герменевтическую философию».
Соответственно, и сбор электроэнергии для целей демонстрации мог происходить не на промышленном каком-то оборудовании, а на вещах, скорее принадлежавших к разряду театральной бутафории.
Однако от таких опытов получилось благое дело: люди увидели не просто физическое – то есть не магическое – явление, а поняли, что в нем заключена определенная, доступная людям, сила, которую можно накопить и измерить.
И с тех пор дальнейшее изучение электричества пошло в направлении его приручения и широкого использования человечеству во благо.
Многие исследователи тех времен получали таинственное свечение. Например, Ломоносов обнаружил свечение в стеклянном сосуде газообразного водорода. И не все эти свечения являлись тем, что теперь называется «тлеющий разряд». Дело в том, что газ способен получать энергию разными путями, и потом эту энергию излучать в виде света определенной длины волн. Это может быть внешнее электрическое напряжение, приложенное к двум установленным в сосуде с газом электродам. При некоторой величине напряжения, а также при некоторой разреженности газа, поток электронов устремится от электрода с избыточностью электронов к электроду с их недостаточным количеством. И, «натыкаясь по дороге» на атомы газа, электроны их активируют, при этом и получается тлеющий разряд.
Но нечто подобное может происходить не только от потока бегущих электронов. А, например, непосредственно от воздействия внешнего магнитного поля. Будет тлеющий разряд, очень похожий на полярное сияние. Я сам такое видел на лампах дневного света, отключенных от сети питания, но на которые воздействовало магнитное поле от вращающихся магнитных барабанов. На старых компьютерах иногда встречались такие устройства, большие как шкаф. Вот в темноте около таких шкафов лампы дневного света и давали интересные световые разводы, похожие на Северное сияние.
Цвет свечения газоразрядных ламп не зависит от источника энергии. Газ состоит обычно из однородной массы простейших молекул в один-два атома (H2 – водород, Ar – аргон) и работает как один атомарный механизм. В нем электроны, получая энергию от внешнего источника, перескакивают на другой уровень – в «возбужденное» состояние, а потом возвращаются обратно, выбрасывая свою «возбудившую» их энергию в виде кванта света строго определенных длин волны. Так и получаются свечения одного цвета, монохромные. Или нескольких цветов, соответствующих энергетическим переходам электронов в электронных оболочках атомов газа. Таким образом можно получить лампы, светящиеся конкретными цветами, в отличие от солнца с его непрерывным спектром или пламени костра, свечи или света лампы накаливания.
Энергетические процессы при этом очень просты, поэтому и весьма эффективны, имеют высокий КПД. То есть лампа накаливания дает целый спектр, который получается от хаотического теплового движения молекул твердой вольфрамовой спирали. Молекулы раскаленного вольфрама мечутся как угорелые вокруг своих мест в кристаллической решетке и исступленно испускают во всех возможных направлениях кванты света всех мыслимых энергий и частот. В этом спектре есть видимый нам свет, и есть инфракрасное излучение, которого мы не видим. А есть еще просто конвекция – передача непосредственно молекулам газовой среды лампы энергии тепла. От этого нагревается стеклянный баллон, который, в свою очередь, нагревает воздух в помещении, цоколь, патрон, провода… Получается, что на свет от лампы накаливания идет энергии всего лишь 5–10 %. Тогда как газовый свет дает, по разным оценкам, от 25 до 40 %.
Разновидности газоразрядных ламп
Газоразрядные лампы представляют собой стеклянный (из стекол особого состава) баллон, накачанный газом и с электродами, установленными внутри. Электрическое напряжение на него подается через цоколь. Газ внутри может быть под низким давлением или под высоким. По этому признаку и различаются газоразрядные лампы низкого давления, лампы высокого давления и лампы сверхвысокого давления. Остальные различия касаются, в основном, составов газовых сред внутри баллона и покрытия баллона. От этого зависят характеристики свечения ламп.
Еще одна важная конструктивная особенность ламп (газоразрядных в том числе) – конструкция и размер цоколя, от чего зависит конструкция патрона для лампы, а значит, и возможности установки таких ламп в светильниках.
А, б – низкого давления;
в, д – высокого давления;
г – сверхвысокого давления
а – натриевая, б – люминесцентная, в – ртутная, г – ксеноновая, д – натриевая
(с особым покрытием колбы – поликристаллическим оксидом алюминия)
Инертные газы, которыми наполняются лампы, способны светиться цветами собственного полосчатого спектра испускания. Получается цветное свечение, которое сразу же полюбилось рекламщикам, и они стали использовать его для изготовления эффектных красочных надписей. Разные инертные газы дают различную окраску свечения.
|
|
|
|
| Криптон | |
|
Для обычных же целей освещения обычно используются лампы, содержащие смесь газов или смесь газов и паров металлов – ртути или натрия в частности.
Газовый свет может содержать ультрафиолетовые компоненты, в этом случае можно:
- использовать такие лампы именно как источники ультрафиолета;
- изменить спектр излучения другим средством: напылением на внутренней стороне баллона специального покрытия, которое поглощает излучение газа и переизлучает его светом, более приемлемым для употребления.
Такие вещества называются люминофорами, а лампы – люминофорными или люминесцентными.
Разновидностью люминесцентных ламп являются и повсеместно используемые сейчас газосветные энергосберегающие лампы.
Применение
Энергосберегающие лампы выпускают разных оттенков цвета, но такого, чтобы человеческий глаз воспринимал его как можно более естественным. При этом варьируются оттенки цвета или световая температура: от более теплого до приближенного к белому дневному. Энергосберегающие лампы выпускаются градацией светимости примерно так же, как это делается с лампами накаливания, эта система сложилась годами. Маленькие лампы накаливания – 25 ватт (настольные), побольше – 60, 75 ватт (люстры, торшеры), 100–120 ватт (залы, большие помещения) и так далее. Аналогично выпускаются по светимостям и лампы энергосберегающие, хотя мощность потребления энергии у них снижена раза в 2–4 за счет того, что выше КПД. Еще одно следствие этого – то, что они почти не греются. И в этом тоже есть множество плюсов: не греются патроны, не плавятся пластиковые абажуры, и так далее
Другие лампы дают сильный направленный свет: например, ксеноновые используют в прожекторах и автомобильных фарах.
Есть лампы такого цвета, который не очень хорош для человеческих глаз, но действенен при освещении растений. Это натриевые лампы различной мощности. Они дают ярко-желтое свечение, от них хорошо вегетируют растения, поэтому их используют в теплицах.
Современные виды ламп, которые применяются для освещения жилых, офисных, хозяйственно-бытовых помещений на сегодняшний день впечатляют своим разнообразием. Отличаются они друг от друга не только мощностью освещения, но и принципом действия, как следствие – разнообразием оттенков света, долговечностью и потребляемым количеством электроэнергии.
Соответственно, бывают виды ламп освещения, которые потребляют небольшое количество электроэнергии и при этом излучают яркое освещение и минимум тепла – эти лампы классифицируются, как энергосберегающие лампы, виды их по конструкции также разнообразны.
Нового поколения виды электрических ламп бывают таковыми, которые являются устойчивыми к перепадам напряжения в сети и имеют большее количество часов работы и циклов включения/выключения, что в сочетании с низким энергопотреблением значительно отличает их от традиционных ламп накаливания.
Однако, современные лампы освещения не ограничиваются этим, они имеют не только показатели светоотдачи, потребления электроэнергии и количество часов работы, существует и множество и других нюансов, как частота мерцания, экологичность, наличие/отсутствие встроенных выпрямителей тока, и многое другое.
Посему рассмотрим, какие бывают виды ламп на сегодняшний день, в первую очередь – основные положения, затем — рассмотрим принцип действия электрических ламп освещения из такого существующего их перечня:
- лампы накаливания;
- газоразрядные лампы;
- светодиодные лампы.
Лампы накаливания являются наиболее распространенными на территории стран СНГ, и, пожалуй, самым древним видом ламп. Они не имеют ни каких особенных преимуществ, выделяют много тепла, потребляют много электричества, не имеют защиты от перепадов напряжения.
Единственное преимущество – теплое, подобное натуральному, солнечное освещение, которое, по мнению многих, не сравнится с явно искусственным освещением других видов ламп. Кроме того, они являются экологически чистыми в отличие от следующего вида ламп.
Газоразрядные
лампы
, а также их разновидность — люминесцентные лампы хороши тем, что имеют множество разновидностей, каждая из которых имеет определенное лучшее качество.
Ранее на территории СНГ были распространены классические, ртутные лампы дневного освещения, но на сегодня они в большей степени ушли в небытие и на их место пришли новые их разновидности.
Виды современных газоразрядных ламп применяются не только как обыкновенные источники электрического освещения в быту; они имеют декоративные разновидности, приемлемые для подсветки потолков, ниш и т. д.
Светодиодные лампы являются ничем иным, как современной альтернативой предыдущим двум видам ламп. Эти лампы – нового поколения энергосберегающие, экологичные и долговечные (стойкие к перепадам напряжения) осветительные электрические элементы.
Они имеют явное преимущество перед остальными видами ламп, но единственный недостаток – стоимость, так как технология их производства на сегодня новая и довольно дорогостоящая. Но их долговечность и экономичность, по мнению производителей, окупит разовые затраты на их приобретение.
Виды и принцип работы современных ламп накаливания
Принцип работы лампы накаливания
основан на нагреве металлической спирали, находящейся в вакууме (лампы мощностью до 25Вт) или газе аргон или аргон+азот (средней мощности и высокомощные лампы) в герметично запаянной стеклянной колбе.
При прохождении через спираль, ток разогревает ее до температуры, равной впредь до 3000 градусов по Цельсию, вместе с этим происходит и излучение света, инфракрасных лучей.
Сама спираль выполнена из особо прочного и весьма тугоплавкого металла – вольфрама, а степень яркости освещения прямо пропорционально зависит от температуры нагрева; кроме того, газовая среда, в которой находится спираль, может содержать в себе частицы галогенов – соединений 17-ой гр. Таб. Менделеева (F, Cl, Br, I).
Современные лампы накаливания производятся из стекла с металлическим плафоном, имеющим резьбу, по средствам которой происходит фиксация в патроне, но имеются разновидности с контактно-зажимными и штыревыми типами соединений.
Виды ламп накаливания могут иметь четыре модификации, четыре условных обозначения, указывающих на тип спирали и окружающей ее среды в лампе накаливания: В (вакуумная), Б (биспиральная с аргоновым напылением), БО (биспиральная с аргоновым наполнением в опаловой колбе), Г (моноспиральная с аргоновым напылением).
Отдельным видом наиболее современных ламп накаливания являются галогенные лампы накаливания, отличие которых от вышеописанных обусловлено содержанием галогенных частиц в газовой среде лампы накаливания (частиц йода, хлора, брома), которые вступают в реакцию с испарившемся металлом с поверхности спирали.
После этого процесса металл возвращается на поверхность спирали по средствам температурного разложения получившегося соединения. Таким образом, они имеют больший КПД, срок годности и другие характеристики.
Что касается бытового назначения ламп накаливания, то они являются лампы общего назначения и обозначаются аббревиатурой ЛОН.
Виды и принцип работы современных газоразрядных ламп
Принцип работы газоразрядных ламп
состоит в том, что видимое излучение света происходит вследствие возникновения разряда электричества в герметичной среде газа (неон, аргон, криптон, ксенон) или пара металлов (натрий, ртуть).
Таким образом, среда газа/пара металла – это и есть проводник тока, который от вольфрамового электрода с большим потенциалом (фазы, «+») проводит его к вольфрамовому электроду с меньшим потенциалом (нуля, «-»), излучая минимум тепла при высокой степени светоотдачи.
При этом в составе среды газа/пара могут применяться и галогены (фтор/F, хлор/Cl, бром/Br, йод/I), которые улучшают светоотдачу и остальные показатели газоразрядных ламп.
Существует также и газоразрядные люминесцентные лампы – лампы, в которых в результате разряда в парах ртути образуется невидимое для человеческого глаза ультрафиолетовое излучение (тепловое излучение), которое преобразуется в видимый свет при помощи находящегося на внутренних стенках колбы напыления люминофора (соединений галофосфата).
подразделяются на лампы низкого и высокого давления – по давлению внутри колбы.
Лампы высокого давления имеют в качестве основного преимущества высшую степень светоотдачи, и подразделяются в свою очередь по типу наполнителя на:
- ртутные;
- натриево-ртутные;
- иодидо-металло-ртутные;
- инертно-газовые.
Ртутные газоразрядные лампы высокого давления имеют напыление люминофора, является Люминесцентной лампой высокого давления и обозначается аббревиатурой ДРЛ.
Натриево-ртутные газоразрядные лампы высокого давления именуются также как просто натриевые и обозначаются аббревиатурой ДНаТ.
Иодидо-металло-ртутные газоразрядные лампы, а точнее лампы высокого давления с наполнителем — иодидами редкоземельных металлов с вмещением ртутных паров, именуются как металлогалогенные лампы и носят аббревиатуру ДРИ.
Инертно-газовые газоразрядные лампы высокого давления являются сугубо газовыми лампами, в которых применяются аргон, ксенон, неон, криптон или же их смеси и носят названия соответственно содержания газа.
Лампы низкого давления имеют преимущества только при освещении помещений, не нуждающихся в высокой мощности осветительных приборов; чаще всего – это декоративного освещения источники света, которые в зависимости от наполнителя бывают такие:
- ртутные с инертным газом;
- натриевые.
Лампы низкого давления с наполнителем паров ртути с примесью разновидностей инертного газа, именуемые как обыкновенные люминесцентные лампы (ЛЛ) и содержат еще слой люминесцена (см. принцип работы газоразрядных ламп).
Лампы низкого давления с наполнителем паров натрия – не являются таковыми, как предыдущие из-за совсем иного принципа действия, обозначаются аббревиатурой ДнаС.
Прочитав вышеописанные виды и принцип работы, Вы уже догадались, что по источнику света эти лампы подразделяются на газоразрядные и люминесцентные, а что касается низкого давления таких ламп, он на сегодняшний день их производят в качестве энергосберегающих.
Виды и принцип работы современных светодиодных ламп
Принцип работы светодиодных ламп
состоит в излучении света от находящихся в этих лампах одиночных светодиодов или групп светодиодов, связанных специальной микросхемой, вмещающей в себе преобразователь сетевого тока в рабочий ток, на котором работают данные элементы.
Сам же светодиод представляет собой полупроводниковый аналоговый элемент, ранее использовавшийся для индикации в микроэлектронике. Этот элемент семейства диодов перерабатывает электрический ток в свет по средствам прохождения его (тока) через полупроводниковый кристалл. Кроме того, он имеет свойство пропускать ток только в одном направлении.
Если подробнее о принципе действия светодиода лампы, то он состоит из анода и катода, которые расположены по противоположным сторонам светоизлучающего кристалла, который легирован с этих сторон примесями: с одной – акцепторными, со второй — донорскими. В свою очередь кристалл находится на подложке из различного материала: кремния, силикона или находится в стеклянной оболочке.
При прохождении электрического тока от источника с большим потенциалом (анода, «+»), он движется через кристалл в направлении электрода с меньшим потенциалом (катод, «-»). Эту область перехода тока называют p-n переходом, в котором, собственно и возникает свечение при рекомбинации электронов и дырок в его области.
Виды светодиодных ламп как таковые, различные по конструкции, по составу внутренней среды и остальным техническим параметрам, присущим лампам накаливания и газоразрядным лампам, не существуют.
Имеются различия по форме плафонов (стандарты соответствуют остальным лампам), цветовой отдаче, и по рабочему питанию, что мы рассмотрим подробнее. Касаемо последнего, светодиодные лампы различают:
- питание 4В;
- питание 12В;
- питание 220В.
Светодиодные лампы с питанием 4В применяются для слабомощных источников освещения, часто применяются в декоративных светильниках — «свечках». Соответственно, применяются как вспомогательное локальное, часто-густо декоративное освещение.
Светодиодные лампы 12В являются заменой современных ламп накаливания, также и галогенных ламп, а также разновидностей газоразрядных/люминесцентных ламп. Они имеют достойную мощность освещения при невысокой теплоотдачи, что делает их не только хорошими источниками общего, но и мебельного встроенного освещения.
Светодиодные лампы 220В – используются для высокомощного освещения, входное питание 220В преобразуется в меньшее по средствам встроенного трансформатора и питает светоизлучающие элементы (светодиоды). Единственный вид светодиодных ламп, которые не требуют отдельного подключения трансформатора.
Области применения
Благодаря линейчатому спектру излучения газоразрядные лампы первоначально применялись лишь в специальных случаях, когда получение заданного спектрального состава излучения являлось фактором более важным, чем значение световой отдачи. Возникла широкая номенклатура , предназначенных для применения в научно-исследовательской аппаратуре, которые объединяют под одним общим названием - спектральные лампы.
Рисунок 1. Спектральные лампы с парами натрия и магния
Возможность создания интенсивного ультрафиолетового излучения, отличающегося высокими химической активностью и биологическим действием, привела к использованию газоразрядных ламп в химической и полиграфической промышленности, а также в медицине.
Короткая дуга в газе или парах металла при сверхвысоком давлении отличается высокой яркостью, что позволило в настоящее время отказаться от открытой угольной дуги в прожекторной технике.
Применение люминофоров, позволившее получать газоразрядные лампы с непрерывным спектром излучения в видимой области, определило возможность внедрения газоразрядных ламп в осветительные установки и вытеснение из ряда областей ламп накаливания.
Особенности изотермической плазмы, обеспечивающей получение спектра излучения, близкого к излучению тепловых источников, при температурах, недоступных в лампах накаливания, привели к разработке сверхмощных осветительных ламп со спектром, практически совпадающим с солнечным.
Практическая безынерционность газового разряда позволила применить газоразрядные лампы в фототелеграфе и вычислительной технике, а также создать импульсные лампы, концентрирующие в кратковременном световом импульсе огромную световую энергию.
Видео 1. Импульсные лампы
Требования снижения расхода электроэнергии во всех областях народного хозяйства расширяют применение экономичных газоразрядных ламп, объем выпуска которых непрерывно растет.
Лампы тлеющего разряда
Как известно, нормальный тлеющий разряд возникает при малых плотностях тока. Если при этом расстояние между катодом и анодом настолько мало, что в его пределах не может разместиться столб разряда, то имеют место катодное свечение и отрицательное тлеющее свечение, покрывающие поверхность катода. Расход мощности в лампе тлеющего разряда весьма мал, так как мал ток, а напряжение определяется лишь катодным падением. Излучаемый лампой световой поток незначителен, однако совершенно достаточен для того, чтобы зажигание лампы было заметным, особенно если разряд происходит в газе, дающем цветное излучение, например в неоне (длина волны 600 нм, красный цвет излучения). Такие лампы различной конструкции широко используют в качестве индикаторов. Так называемые цифровые лампы являлись ранее составной частью многих автоматических устройств с цифровыми указателями.
Рисунок 3. Лампа тлеющего разряда предназначенная для индикации цифр
При длинном газоразрядном промежутке с расстоянием между электродами значительно большим, чем прикатодная область, основное излучение разряда сосредотачивается в столбе разряда, который при тлеющем разряде отличается от столба при дуговом разряде лишь меньшей плотностью тока. Излучение такого столба может иметь высокую световую отдачу при большой длине. Высокое значение катодного падения напряжения в тлеющем разряде обусловило разработку ламп на высокое напряжение питания, то есть напряжение на них значительно превосходит напряжение, считающееся безопасным по условиям работы в закрытых помещениях, особенно бытовых. Однако такие лампы с успехом применяют для различного рода рекламных и сигнальных установок.
Рисунок 4. Лампы с длинным столбом тлеющего разряда
Преимуществом лампы тлеющего разряда является простота конструкции катода по сравнению с катодом лампы дугового разряда. Кроме того, тлеющий разряд менее чувствителен к наличию случайных примесей в газоразрядном пространстве, а следовательно, более долговечен.
Лампы дугового разряда
Дуговой разряд применяется практически во всех газоразрядных лампах. Связано это с тем, что при дуговом разряде ослабевает катодное падение напряжения и уменьшается его роль в балансе энергии лампы. Дуговые лампы могут быть изготовлены на рабочие напряжения равные напряжениям электрических сетей. При небольшой и средней плотности тока дугового разряда, а также при невысоком давлении в лампе источником излучения в основном выступает положительный столб, а свечение катода практически не имеет никакого значения. Повышая давление газа или паров металла наполняющих горелку прикатодная область постепенно уменьшается, а при значительных давлениях (более 3 × 10 4 Па) ее практически не остается совсем. Увеличением давления в лампах достигают высоких параметров излучения при небольших расстояниях между электродами. Высокие значения светоотдачи при совсем малых расстояниях можно получить при сверхвысоких давлениях (более 10 6 Па). С ростом давления и уменьшением расстояния между электродами сильно возрастает плотность тока и яркость шнура разряда.
При увеличении давления и плотности тока происходит образование изотермической плазмы, излучение которой в основном состоит из нерезонансных спектральных линий, возникающих при переходе электрона в атоме на более низкие, но не основные уровни.
Дуговой разряд используют в самых различных газах и парах металлов от самых низких давлений до сверхвысоких. В связи с этим конструкции колб дуговых ламп чрезвычайно разнообразны как по форме, так и по роду применяемого материала. Для ламп сверхвысокого давления большое значение приобретает прочность колб в условиях высоких температур, что привело к разработке соответствующих методов их расчета и исследования параметров.
После появления дугового разряда из катодного пятна выбивается основная масса электронов. Светящаяся катодная часть разряда начинается с катодного пятна, представляющего из себя небольшую светящуюся точку на спирали. Катодных пятен бывает несколько. В самокалящихся катодах катодное пятно занимает небольшую часть его поверхности, перемещаясь по ней по мере испарения оксида. Если плотность тока высока на материале катода возникают местные тепловые перегрузки. По причине таких перегрузок приходится применять катоды специальных сложных конструкций. Количество конструкций катодов разнообразно, но все они могут быть разделены на катоды ламп низкого давления, высокого давления и сверхвысокого давления.
Рисунок 5. Трубчатая газоразрядная лампа низкого давления
Рисунок 6. Газоразрядная лампа высокого давления
Рисунок 7. Газоразрядная лампа сверхвысокого давления
Разнообразие материалов, применяемых для колб дуговых ламп, большие значения токов требуют решения вопроса о создании специальных вводов. Подробно о конструкциях газоразрядных ламп можно прочитать в специальной литературе.
Классификация ламп
Аналогично лампам накаливания газоразрядные лампы отличаются между собой областью применения, видом разряда, давлением и видом наполняющего газа или паров металла, использованием люминофора. Если смотреть глазами изготовителей газоразрядных ламп то они могут также отличаться особенностями конструкций, важнейшими из которых являются форма и размеры колбы (газоразрядного промежутка), используемый материал из которого изготавливается колба, материал и конструкция электродов, конструкция цоколей и выводов.
При классификации газоразрядных ламп могут возникнуть некоторые затруднения связанные с многообразием признаков, на основе которых они могут быть классифицированы. В связи с этим для классификации принятой в настоящее время и используемой в качестве основы системы обозначений газоразрядных ламп, определен ограниченный ряд признаков. Стоит отметить, что для ртутных трубчатых низкого давления, являющихся наиболее массовыми газоразрядными лампами, существует своя система обозначений.
Итак, для обозначения газоразрядных ламп пользуются следующими основными признаками:
- рабочее давление (лампы сверхвысокого давления – более 10 6 Па, высокого давления – от 3 × 10 4 до 10 6 Па и низкого давления – от 0,1 до 10 4 Па);
- состав наполнителя, в котором происходит разряд (газ, пары металла и их соединений);
- наименование используемого газа или пара металла (ксенон – Кс, натрий – На, ртуть – Р и тому подобные);
- вид разряда (импульсный – И, тлеющий – Т, дуговой – Д).
Форма колбы обозначается буквами: Т – трубчатая, Ш – шаровая; если на колбу лампы наносится люминофор то в обозначение добавляется буква Л. Лампы делятся также по: области свечения – лампы тлеющего свечения и лампы со столбом разряда; по способу охлаждения – на лампы с принудительным и естественным воздушным охлаждением, лампы с водяным охлаждением.
Ртутные трубчатые люминесцентные лампы низкого давления принято обозначать проще. Например, в их обозначении первая буква Л говорит о том, что лампа принадлежит к данному виду источников света, последующие буквы – а их может быть одна, две или даже три, обозначают цветность излучения. Цветность является важнейшим параметром обозначения, так как цветность определяет область использования лампы.
Классификация газоразрядных ламп может также вестись по их значимости в области техники освещения: дуговые лампы высокого давления с исправленной цветностью; дуговые трубчатые лампы высокого давления; дуговые высокого давления; дуговые натриевые лампы низкого и высокого давления; дуговые высокого давления; дуговые шаровые сверхвысокого давления; дуговые ксеноновые трубчатые и шаровые лампы; люминесцентные лампы низкого давления; электродосветные, импульсные и другие виды специальных газоразрядных ламп.
Газоразрядная лампа – осветительный прибор, принцип действия базируется на горении дуги ионизированного газа. Это обширное семейство, в начале XXI века захватившее в мире едва ли не три четверти сегмента иллюминации. Сюда входят популярные люминесцентные лампы дневного света, лампы ДРЛ. Ещё до внедрения в обиход осветительные устройства, работающие за счёт газового разряда, встречаются в романе Жюля Верна «Путешествие к центру Земли» (1864 год).
История развития электростатической ионизации газов
Принято считать годом рождения газоразрядных ламп 1675. Однажды ночью французский учёный Жан-Феликс Пикар заметил свечение ртутного барометра, когда переносил его из обсерватории в порт святого Майкла. Чтобы читатели представили явление, нужно учесть особенности конструкции. В ртутном барометре имеется трубка, запаянная с конца. Вдобавок наличествует чаша. Оба предмета заполнены металлической ртутью.
Для определения давления трубку резко переворачивают и опускают в чашу. Тогда ртуть под действием земного тяготения стекает вниз, образуя выше себя вакуум. В результате запаянный конец трубки остаётся полым, и протяжённость пустого пространства зависит от атмосферного давления, которое, действуя на ртуть в чаше, призвано уравновесить силу тяжести.
При транспортировке барометра Пикар спешил и сильно растряс прибор. В результате произошла электризация стекла трением о ртуть, и статический заряд вызвал ионизацию металлических паров. Процесс сильно облегчался, благодаря созданному вакууму. Пары ртути и сегодня используются в отдельных газоразрядных источниках света. К примеру, ультрафиолетовая составляющая свечения активизирует люминофор лампы дневного света.
Пикар не смог объяснить обнаруженного явления, но немедленно доложил о произошедшем в научных кругах. Позднее изучением занялся известный швейцарский математик Иоганн Бернулли. Ему задача оказалась также не по зубам, но сей учёный муж активно практиковал опыт со свечением, дал представление французской академии наук. В 1700 году на демонстрации явление лицезрел английский механик, по совместительству учёный, Фрэнсис Хоксби. На базе Королевского научного общества Британии Хоксби принимается активно ставить опыты.
За основу решающего эксперимента Хоксби берет модель электростатического генератора Герике (1660 год). По описаниям машина представляла солидных размеров шар из серы, вращающийся на железном стержне. Трением о ладони оператора объект приобретал при вращении значительный заряд. Дальнейший ход мыслей Хоксби понятен. В инструкции Герике фигурировало предложение залить серу в стеклянный шар, потом разбить. Английский учёный пропустил указанный шаг. К сожалению, неизвестно, имели ли ранние работы (к примеру, трактат Гильберта 1600 года) представление об электризации стекла, но Хоксби выдвинул соответствующее предположение.
В результате экспериментальная установка содержала вместо серного шара стеклянный с каплями ртути на дне, а внутри по возможности создали вакуум. При вращении сферы на железном стержне и электризации путём трения ладонями наблюдалось свечение, чтобы читать книгу в непосредственной близости. В 1705 году английское научное общество продемонстрировало первую газоразрядную лампу. Предоставлялось верное объяснение, что к обнаруженному явлению причастны пары ртути. Потом – ход работ замер на целый век. Не находилось практического применения вновь открытому явлению.
Первые газоразрядные лампы
Нельзя сказать, чтобы XVIII век прошёл бесполезно для исследований в сфере электричества, несмотря на фразу, оброненную выше. Значимыми считаются работы Дюфе, в 1733 году предположившего наличие двух родов зарядов с целью теоретического обоснования наблюдаемого явления. Он их назвал смоляными и стеклянными. Речь идёт об объяснении феномена, рассмотренного Гильбертом в 1600 году:
- Наэлектризованный шар притягивает тела.
- Соприкоснувшись с шаром, тела начинают от предмета отталкиваться.
В понимании Дюфе объект приобретал заряд аналогичного знака при соприкосновении. Чем объясняется рассмотренное явление. Но истинный прогресс в науке начался, когда государства отменяли наказание за занятие колдовством. В результате на свет появилась Лейденская банка, а Бенджамин Франклин доказал электрическую природу молнии, Вольта изобрёл первый электрохимический источник энергии. В 1729 году произошло революционное открытие, ставшее основой для прочих: Стивен Грей додумался собрать проводники воедино и получил первую в мире электрическую цепь. С тех пор ток стали передавать на расстояние.
Изобретённая в 1746 году Вильямом Ватсоном электрическая машина сплавляла заряд по шёлковым шнурам, что позволило Жану-Антуану Нолле продемонстрировать эффектную дугу в среде разряженного газа. В указанное Готфрид Груммерт высказал предположение, что подобное освещение подойдёт для использования в шахтах и местах, где открытое пламя повышает вероятность взрыва. Иоганн Винклер заметил, что неплохо вместо шаров использовать длинные колбы, согнутые по форме букв алфавита, предвосхитив появление на свет трубок Гейслера и экрана телевизора.
Чуть позднее, в 1752 году, Ватсон частично реализовал перечисленные задумки (первый дисплей запатентован в 1893 году). К примеру, демонстрируя опыт с горением дуги в трубке длиной 32 дюйма. Благодаря столь блистательным открытиям, в 1802 году произошло сразу два значимых для рассматриваемой темы события:
- Англичанин Хампфри Дэви открыл явление свечения накаливаемой электричеством платиновой проволоки.
- Наш соотечественник, В. Петров при помощи вольтова столба, состоящего из 4200 (по другим данным – 2100) пар медных и цинковых пластин. Для сравнения – источник энергии сэра Хампфри Дэви показывал вдвое меньшую мощность (2000 пластин).
Достижения Петрова оказались забыты под влиянием событий Отечественной войны 1812 года и в силу российского наплевательства. В Англии к электричеству подошли серьёзно. Заслуга Хампфри Дэви немалая. Он, будучи химиком, повторяя опыты зарубежного коллеги, начал экспериментировать с различными газовыми средами. Конечно, член Королевского научного общества был знаком с опытами Фрэнсиса Хоксби и захотел проверить, не стало ли новое открытие повторением ранних попыток создать искусственные источники света.
Эти эксперименты привели к открытию линейных спектров газовых разрядов. Попутно замеченные Волластоном и Фраунгофером особенности излучения Солнца в последующем позволили Кирхгофу и Бунзену высказывать предположения о составе атмосферы светила. Это тесно связно с рассматриваемой темой, спектр разряда также линейчатый. К примеру, натриевые лампы дают оранжевый свет, и при помощи люминофора приходится распределение частот корректировать (лампы ДРЛ). Потом эстафету принял Майкл Фарадей (с середины 30-х годов XIX века), показал процесс возникновения дуги в среде разреженных газов. Внёс лепту и Генрих Румкорф, предоставив в руки физиков инструмент для получения импульсов высокого напряжения (катушка Румкорфа, 1851 год). В 1835 году Чарльз Уитстон зарегистрировал спектр разряда дуги в парах ртути, попутно отметив ультрафиолетовую составляющую.
Газоразрядные лампы Гейслера
Первыми коммерчески успешными считаются творения Гейслера. Датой рождения принято считать 1857 год. Упомянутый стеклодув и по совместительству физик догадался в колбу с разряженным газов вставить 2 электрода. Подавая на них напряжение, лицезрел красочный разряд дуги. Гейслер соединил воедино открытия Петрова и Хоксби. Дуга тлеет в колбе с атмосферой из паров газа. А дальнейшее – выбор цвета – уже не составило труда, опираясь на наработки сэра Хампфри Дэви и Майкла Фарадея.
С 80-х годов трубки Гейслера широко выпускаются для целей развлечения населения. Сегодня неоновые огни считаются лицом США. Примечательно, что будучи помещены рядом с источниками сильного электромагнитного излучения — катушки Тесла — лампы Гейслера загораются самопроизвольно. Выполняются условия ионизации разреженной газовой среды. Исследования, сопряжённые с поиском технических решений для целей освещения привели учёных к открытию электрона, измерению его заряда и массы, появлению на свет электронных ламп.
Тем временем в России
Возможность розжига порохового заряда электрической искрой известна примерно с 1745 года. Но едва ли сапер мог унести лейденскую банку или терпеливо натирать шерстью янтарь в любых погодных условиях. Долгое время военное дело не брало во внимание подобные мелочи. В 1812 году российский офицер Шиллинг сумел через электрический элемент питания произвести подводный взрыв. Считается, что военное дело дало толчок к развитию исследований электричества в России. Первая дуговая лампа установлена в 1849 году изобретателем (Якоби) на башне Адмиралтейства Санкт-Петербурга. Ее свет оказался столь ярок, что сравнивался обывателями с солнечным.
Применение прожекторов с разрядными лампами ограничивается военным делом, за малым исключением, когда источники указывают путь кораблям с маяка. Нас в теме интересуют наработки Джона Томаса Рея, датированные 1860 годом, догадавшимся объединить электрическую дугу (Петров и Якоби) с атмосферой паров ртути (Майкл Фарадей) при нормальном давлении.
От Эдисона до современных газоразрядных ламп
Несмотря на явные преимущества, газоразрядные лампы Гейслера демонстрировали существенные недостатки. К примеру, малый срок службы. С 90-х годов XIX века некто Дэниэл МакФарлен Мур работал в компании Эдисона и вскоре после поступления на службу стал изучать историю. Его заинтересовали газоразрядные лампы Гейслера. Что не так с моим светом? – вопрошал Эдисон. Мур ответил: он слишком тусклый, слишком горячий и чересчур красный. Это вся правда о лампах накаливания того времени.
В 1892 году ртутная газоразрядная лампа усовершенствована Мартином Лео Аронсом. Наработка в 1901 году усовершенствована Петером Купером Хьюиттом и обрела коммерческий успех.
С 1894 Мур организовывает две собственные компании, занимающиеся проблемами освещения. Главной особенностью ламп (1896 год) стало то, что газ по мере расходования возобновлялся. В результате устройство работало сколь угодно долго. Первое коммерческое использование зарегистрировано в 1904 году. Лампа с отдачей 10 люменов на 1 Вт осветила магазин оборудования и приборов. Как писали очевидцы, несмотря на сложность и громоздкость (50 ярдов длиной) отдача того стоила. КПД новых газоразрядных ламп в 3 раза превышал аналогичные цифры для ламп накаливания.
Отличительной особенностью стало использование в лампах Мура паров азота и углекислого газа. В результате получался дневной свет. А пары азота давали мягкое свечение и низкую цветовую температуру. Появление на свет вольфрамовых нитей сделало невыгодным дальнейшее производство, компании поглощены (1912 год) Дженерал Электрик, а патенты скуплены. Но Мур не остался без работы, перейдя в лаборатории своего преемника в бесконечной эстафете. Позже изобрёл неоновую лампу.
Желающие узнать больше могут заглянуть в разделы про лампы ДРЛ и люминесцентные лампы.