А – напряжение питания 220 В; б – напряжение питания 12 В

В газоразрядных источниках света излучение оптического диапазона возникает в результате газового разряда в атмосфере инертных газов, паров металлов и их смесей [5].

По сравнению с лампами накаливания газоразрядные лампы имеют ряд
преимуществ:

· у них более высокая световая отдача (до 40 лм/Вт) и более высокий КПД (до 7 %);

· больший срок службы (10–12 тыс. ч), а у ламп высокого давления
до 15 тыс. ч;

· относительно низкая яркость самого источника света, что не вызывает ослепления;

· спектр излучения может регулироваться за счет использования различных люминофоров и может быть приближен к спектру естественного света.

Несмотря на ряд очевидных преимуществ газоразрядные источники света не свободны и от некоторых недостатков:

· газоразрядные источники света не могут непосредственно присоединяться к электрической сети, в схему их подключения обязательно входит пускорегулирующий аппарат (ПРА);

· ПРА имеет в своем составе балластное сопротивление в виде дросселя и является источником шума;

· для зажигания газоразрядной лампы требуется некоторое время (от 5 с до 3…10 мин);

· световой поток лампы к концу срока службы существенно снижается и пульсирует;

· для некоторых видов газоразрядных ламп (люминесцентных) существуют ограничения по температуре окружающей среды (при температурах, близких к 0 °С, они зажигаются ненадежно);

· поскольку в газоразрядных лампах содержится ртуть (вещество 1-го класса опасности), то после окончания срока службы необходима их специальная утилизация (переработка или захоронение);

· газоразрядные лампы в сети переменного тока загораются и гаснут 100 раз в секунду. Если не принять специальных мер, то это может, во-первых, вызывать дополнительное зрительное утомление и, во-вторых, привести к очень опасному явлению - стробоскопическому эффекту (вращающиеся предметы могут казаться неподвижными либо вращающимися в обратную сторону). Для устранения этого явления приходится применять специальные схемы включения ламп и принимать меры, предотвращающие стробоскопический эффект.

Способы уменьшения пульсации освещённости на рабочей поверхности следующие.

1. Использование трехфазной схемы включения ламп (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Трехфазная схема включения газоразрядных ламп

Световые потоки ламп, питаемых разными фазами, суммируются в каждый момент времени в отдельных точках пространства, что снижает пульсации общего светового потока. При таком подключении необходимо стремиться к тому, чтобы освещённость в каждой точке создавалась не менее чем от двух-трех ламп.

2. В однофазной сети при использовании двухлампового светильника уменьшение пульсации достигается включением в цепь одной лампы только дросселя, а в цепь другой - дросселя и конденсатора. Параметры дросселей и конденсатора подбираются таким образом, чтобы обеспечить сдвиг токов в цепях ламп относительно друг друга на 120° (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Двухламповая схема включения газоразрядных ламп

Суммарный световой поток двух ламп в этом случае никогда не будет равен нулю, а колеблется вокруг некоторого среднего уровня с частотой меньшей, чем при одиночной лампе.

При сравнительно небольшом количестве ламп в осветительной установке этим методам свойственны также следующие недостатки: усложнение проектирования и монтажа осветительных установок, недостаточно высокая надёжность, так как выход из строя части ламп может увеличивать пульсацию освещённости на отдельных участках рабочей поверхности. Если в многоламповых осветительных установках удаётся достаточно успешно нейтрализовать пульсацию освещённости, то в случае использования однолампового источника света эта проблема остаётся, как правило, нерешённой. Например, для местного освещения желателен одноламповый источник света как наиболее надёжный, экономичный и компактный.

Практика эксплуатации осветительных установок на основе газоразрядных ламп показала, что методы снижения пульсации освещённости на рабочей поверхности при помощи расфазировки светильников или применения схемы с отстающим и опережающим током не обеспечивают допустимых значений коэффициента пульсации для точных работ и при эксплуатации ПЭВМ.

Практически всегда часть ламп в таких осветительных системах горит нестабильно или неисправна, что приводит к значительному увеличению Кп в большинстве точек рабочей зоны.

3. Увеличение частоты питающего напряжения. Этот способ является наиболее эффективным, поскольку предусматривает снижение пульсации светового потока источника света. При частоте питания более 400 Гц исчезает пульсация, так как в колбе лампы возникает постоянный объемный заряд, который не исчезает при переходе тока через ноль и обеспечивает постоянство светового потока.

В настоящее время вместо традиционных ПРА, имеющих в своем составе балластное сопротивление в виде дросселя, целесообразно использовать высокочастотные «электронные» ПРА (ЭПРА), которые обеспечивают полное отсутствие пульсации светового потока. Кроме того, применение ЭПРА позволяет увеличить световую отдачу и срок службы газоразрядных ламп на 10–15 %. Газоразрядные лампы бывают двух основных типов: лампы низкого давления (люминесцентные) и лампы высокого давления.

Люминесцентная лампа представляет собой запаянную с двух сторон стеклянную трубку, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой люминофо-ра – вещества, све­тящегося под действием ультрафиолетовых лучей. В тор­цы трубки впаяны два электрода. Воздух из трубки уда­лен, и вместо него введены небольшое количество аргона и капля ртути, которая при работе лампы превращается в пар (аргон облегчает создание электрического разря­да). Приложенное к электродам лампы переменное на­пряжение вызывает электрический разряд между электродами люминесцентной лампы и прохождение тока в парах ртути и аргона, наполняющих трубку. Электрод, с которого происходят выделение потока электронов, называется катодом.

Эмиссия (испускание) электронов в люминесцентной лампе происходит при нагреве катода до достаточно вы­сокой температуры и поэтому называется термоэлектронной. Величина термоэлектронной эмиссии зависит от тем­пературы, материала и формы поверхности катода. Катод изготовляется из вольфрамовой нити, свернутой в небольшую спираль. Спираль покрыта углекислыми со­лями бария и стронция, превращающимися в процессе обработки в так называемый оксид. Оксидная пленка, покрывающая электрод, увеличивает способность излуче­ния электронов и облегчает зажигание лампы при более низком напряжении.

Промышленностью выпускаются люминесцентные лампы общего назначения мощностью 4, 6, 8, 10, 13, 15, 20, 30, 40, 65, 80, 125, 150 и 200 Вт. Лампы мощностью от 15 до 80 Вт выпускаются серийно в соответствии с ГОСТ 6825-74. Остальные лампы изготовляются не­большими партиями по соответствующим техническим условиям.

По цветности излучаемого светового потока выпуска­ются лампы пяти основных типов: лампы дневного све­та – ЛД; белого света – ЛБ; холодно-белого света – ЛХБ; тепло-белого света – ЛТБ; дневного света с улучшенной цветопередачей – ЛДЦ, а также ЛХБЦ и ЛТБЦ, из которых последние преимущественно предназначены для жилых помещений. Кроме вышеуказанных, выпускаются цветные лампы (красные, розовые, желтые, зеленые и голубые), которые применяются для декоративного и театрального освещения. По форме трубки-колбы имеется несколько разновидностей ламп: прямолинейные, П-образные, кольцевые, U-образные и др. Наибольшее распространение получили прямолинейные лампы.

Одной из разновидностей люминесцентных ламп общего назначения являются рефлекторные лампы. В обозначении маркировки ламп вводится буква Р. В этих лампах до слоя люминофора на большую часть внутрен­ней поверхности трубки наносится слой хорошо отражающего свет порошка. Не покрытой таким порошком остается только полоса вдоль трубки. Световой поток лампы направляется отражающим слоем через эту полосу. Основным преимуществом рефлекторных ламп является то, что они могут использоваться в светильниках без отражателей, так как отражающий слой играет роль отражателя. Особенно выгодно применение рефлекторных ламп в помещениях с высоким уровнем пыли, так как пыль оседает главным образом на верхней поверхности лампы, а свет проходит вниз через свободную от пыли поверхность.

Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) (рис. 4.11). По принципу своего действия практически не отличаются от обычных люминесцентных (электрический разряд генерирует ультрафиолет, который, в свою очередь, заставляет светиться люминофор), поэтому световая отдача и срок службы КЛЛ имеют те же преимущества перед лампами накаливания, что и у люминесцентных ламп.

Рис. 4.11. Компактные люминесцентные лампы

КЛЛ или как их иногда называют «энергосберегающие» лампы явились результатом усовершенствования всех технико-экономических характеристик газоразрядных ламп, что привело к устранению типичных недостатков ламп накаливания и люминесцентных ламп при одновременном сохранении и развитии их достоинств.

Прежде всего, специалистам удалось уменьшить размеры ламп. Новые технологические возможности позволили уменьшить диаметр трубки до 7 мм, и, изогнув её дважды или трижды, получить компактную конструкцию (см. рис. 4.11). Уменьшение габаритов позволило сократить применение ртути более чем в 10 раз (до 2–3 мг), а в амальгамных КЛЛ ртути в чистом виде нет вообще, она находится в связанном состоянии.

Пожаро- и взрывобезопасность, а также защита от поражения потребителя электрическим током возросли на порядок, кроме того, качественные КЛЛ, как правило, имеют защиту при повреждении излучающего блока, травмобезопасные неизвлекаемые цоколи и ряд других усовершенствований.

Уменьшение габаритов КЛЛ позволило применять их как в отдельной осветительной установке, так и для прямой замены ламп накаливания в светильниках со стандартными патронами, рассчитанными на использование резьбового цоколя.

Подавляющее большинство КЛЛ оснащены ЭПРА, которые значительно энергоэкономичней, чем традиционные электромагнитные ПРА, так как потери мощности в балласте не происходит, и, кроме того, гарантируют практически мгновенное включение лампы.

Специальные люминесцентные лампы. Кроме описанных выше осветительных люминесцентных ламп, выпускаются бактерицидные и эритемные лампы.

Бактерицидные лампы являются источником коротковолнового ультрафиолетового излучения, уничтожающего бактерии, обеззараживающего (стерилизующего) воздух помещений, воду, пищевые продукты, тару на пищевых предприятиях и пр.

В отличие от осветительных люминесцентных ламп, у которых стекло трубки и люминофор не пропускают ультрафиолетовые лучи, в бактерицидных лампах трубки изготовляются из специального увиолевого стекла, хорошо пропускающего ультрафиолетовое излучение с короткой волной. Бактерицидные лампы не покрываются люминофором. Промышленностью выпускаются бакте­рицидные лампы типа ДБ15, ДБ3О-1 и ДБ60 (дуговые бактерицидные) мощностью соответственно 15, 30 и 60 Вт, напряжение на лампах 55, 100 и 103 В и средняя продолжительность горения 2000, 3000 и 5000 ч.

Эритемные лампы являются источником ультрафиолетового излучения и используются для компенсации ультрафиолетовой недостаточности. Отличительными особенностями эритемных ламп являются сорт стекла и состав люминофора. Для эритемных ламп применяется увиолевое стекло, хорошо пропускающее ультрафиолетовое излучение, но с более длинной волной, чем в бактерицидных лампах, и со специально подобранным люминофором. Такой люминофор преобразует излучение ртутного разряда в ультрафиолетовое излуче­ние с соответствующим диапазоном длин волн, что соответствует недостающему осенью и зимой ультрафиолетовому излучению Солнца. Свое название эти лампы получили по тому действию, которое они оказывают на кожу человека: вызывают ее покраснение, загар-эрите­му. Такие лампы применяют в установках для искусст­венного ультрафиолетового облучения людей и живот­ных с оздоровительной целью.

Промышленностью выпускаются эритемные лампы типа ЛЭ15, ЛЭ3О-1 и ЛЭР40 мощностью соответственно 15, 30 и 40 Вт; напряжение на лампах 58, 108 и 103 В; средняя продолжительность горения 600, 2000 и 1500 ч. Лампа типа ЛЭР имеет на внутренней поверхности реф­лекторный слой, покрывающий примерно 2/3 поперечного сечения трубки и позволяющий сконцентрировать излу­чение лампы в определенном направлении. Свечение эритемных ламп синевато-голубое.

Дуговые ртутные лампы высокого давления (дрл). В отличие от люминесцентных ламп, где давление паров ртути составляет доли миллиметров ртутного стол­ба, в ртутных лампах ДРЛ используется газовый разряд в парах ртути при давлениях, намного превышающих атмосферное (рис. 4.12). Такие лампы представляют собой толстостенную кварцевую трубку (горелку) с двумя или более электродами, вмонтированную во внешнюю колбу из тер­мостойкого стекла, стенки которой изнутри покрыты люминофором. Внутри горелки находятся дозированная капелька ртути и газ аргон; в торцы ее впаяны вольфрамовые электроды. Аргон облегчает зажигание разряда в холодной трубке, и после зажигания разряда начинается процесс испарения ртути, которая переходит в парообразное состояние.

Рис. 4.12.Дуговая ртутная люминесцентная лампа типа ДРЛ
с исправленной цветностью

При установлении дугового разряда между рабочими электродами плотность и температура паров ртути по диаметру трубки будут неодинаковыми: по оси трубки температура будет максимальной. Благодаря этому плотность тока в центре трубки максимальна, и разряд имеет вид светящегося шнура, расположенного по оси трубки.

С повышением давления паров ртути меняется характер спектра, излучаемого газовым разрядом. Чем выше давление, тем больше яркость сплошного фона. В связи с изменением спектра излучения меняется цветность све­та, создаваемого ртутной лампой от сине-зеленой при низких давлениях до белой при высоких давлениях. Применение ламп ДРЛ для освещения оказалось возможным в результате получения температуростойких люминофоров, при помощи которых удалось исправить цветность излучения ртутного разряда. Дело в том, что цветность излучения разряда в парах ртути, дающего интенсивный свет синеватого оттенка, делает невозможным правильное восприятие цветовых оттенков: лица людей становятся мертвенно-бледными, губы – синевато-серыми, краски окружающих предметов искажаются. Поэтому ртутные лампы без люминофора считают практически малопригодными для освещения даже в тех случаях, когда к цветопередаче не предъявляются высокие требования, например, при освещении улиц. От этого недостатка удалось избавиться при помощи люминофора, который наносится на внутреннюю поверхность внешней колбы лампы ДРЛ. Колба эта имеет форму, обеспечивающую при работе лампы одинаковую температуру всей поверхности, покрытой люминофором. Люминофор хорошо поглощает невидимое ультрафиолетовое излучение, проходящее через кварцевые стенки трубки, и преобразует его в оранжево-красное видимое излучение, исправляя тем самым цветность излучения лампы. При этом видимое излуче­ние ртутного разряда люминофор почти не поглощает.

Лампы типа ДРЛ выпускаются мощностью 80–1000 Вт, имеют довольно высокую световую отдачу (от 40 до 50 лм/Вт, в зависимости от их мощности), срок службы составляет до 7500 часов. Ртутные лампы высокого давления имеют значительное преимущество по сравнению с лампами накаливания и люминесцентными лампами из-за способности сосредоточить значительную световую мощность в небольшом объёме. Лампы ДРЛ требуют последовательного с ними включения ПРА.

Параметры окружающей среды не оказывают значительного влияния на работу ламп ДРЛ, что позволяет использовать их для уличного освещения, где другие лампы могут применяться лишь в светильниках с тепловой изоляцией и при наличии специальных схем включения.

Кп у ламп ДРЛ составляет около 60 %, что не позволяет рекомендовать их для освещения производственных помещений, где производится напряжённая зрительная работа.

Ртутные лампы ДРЛ выпускают двух модификаций: двухэлектродные и четырехэлектродные.