Лампи розжарення, устрій, принцип роботи, Технічні характеристики. Люмінесцентні лампи, устрій, принцип роботи, Технічні характеристики, схеми вмикання, сфери застосування

 

Лампи розжарення

Дія електричних ламп розжарення заснована на принципі теплового випромінювання. Сутність явища теплового випромінювання полягає в тому, що тверде тіло при його нагріванні виділяє променисту енергію всіх довжин хвиль (суцільний спектр). При низьких температурах тілом випромінюються лише невидимі інфрачервоні промені, довжина хвиль яких більша, ніж у світлових променів. При підвищенні температури відбувається не тільки збільшення променистої енергії, яка випромінюється тілом, але й зміна складу спектра. При цьому швидко збільшується видиме випромінювання, світлові промені якого мають коротші хвилі. Тіло починає світитися спочатку вишнево-червоним, потім червоним, жовтогарячим і, нарешті, білим світлом. Одержання світла в лампах розжарення здійснюється за допомогою тугоплавкого металу - вольфраму при нагріванні електричним струмом до температури 2200 … 3000° К. Джерела світла, які засновані на тепловому випромінюванні, мають низький коефіцієнт корисної дії.

Теоретично у сучасних лампах розжарення малої потужності тільки до 7 % споживаної енергії перетворюється у видиме світло, а в лампах більшої потужності – 10 % (величина ККД у дійсності майже вдвічі нижча наведених величин, тому що основна частина видимого випромінювання припадає на крайню довгохвильову ділянку видимого спектра, яка майже не сприймається оком). Інша частина електричної енергії затрачається на невидимі оком інфрачервоні випромінювання та теплові втрати Електричні лампи розжарення внаслідок простоти їхньої конструкції, дешевини та зручності в експлуатації одержали широке застосування в освітлювальних установках. Устрій сучасної лампи розжарення показаний на рис. 4.7.

Лампи розжарення з вольфрамовою ниткою виготовляються двох видів:

а) пустотні (вакуумні), з колб яких відкачене повітря;

б) газонаповнені, колба яких після відкачування повітря заповнюється інертним газом (сумішшю азоту та аргону або інертними газами – криптоном і ксеноном).

Пустотні лампи виготовляються вітчизняною промисловістю тільки на невеликі потужності (до 200 Вт). Це пояснюється тим, що при знаходженні газу в лампі з невеликим діаметром колби та при порівняно великій довжині нитки розжарення виникали б зайві теплові втрати через конвекцію. Лампи розжарення більшої потужності виготовляються газонаповненими. Наявність газу в колбі лампи створює умови для підвищення температури нагрівання нитки та збільшення світлового потоку. Газ, оточуючи розпечену нитку, сповільнює її розпилення, що підвищує термін служби лампи.

Однак підвищення температури нагрівання нитки має межу, яка обумовлена температурою плавлення матеріалу (температура плавлення вольфраму 3400° С). Лампи, що заповнені криптоно-ксеноновою сумішшю, можуть мати найбільшу температуру нитки й світловіддачу, однак через труднощі одержання цих газів вони випускаються поки в обмежених кількостях.

Нитки ламп мають форму спіралі, завдяки якій теплові втрати через газове середовище будуть найменшими. Основними характеристиками ламп розжарення є: номінальна напруга, електрична потужність, світловий потік, світлова віддача та середня тривалість горіння.

Номінальною напругою лампи називається та напруга, при якій вона нормально працює. Звичайно ця напруга вказується на цоколі або на колбі лампи. В освітлювальних установках найбільше поширення мають лампи на номінальну напругу 127 та 220 В. Для місцевого та ремонтного освітлень застосовуються лампи з номінальною напругою 12 і 36 В.

Електрична потужність лампи вказується на цоколі. Світловий потік лампи розжарення залежить від величини споживаної потужності та температури нагрівання нитки.

Світлова віддача характеризує економічність лампи. Під світловою віддачею , лм/Вт, варто розуміти відношення світлового потоку, який випромінюється лампою, до споживаної потужності

, лм/Вт                                           (4.24)

де F – світловий потік лампи, лм;

Р – потужність, яка споживається лампою, Вт.

З формули видно, що чим більше світловий потік лампи на одиницю споживаної потужності, тим вона більш економічна. Світлова віддача ламп зростає зі збільшенням їхньої потужності й тим вища, чим менша напруга, на яку розрахована лампа. У потужних ламп та у ламп нижчої напруги діаметр нитки розжарення більше й, отже, допускає вищу температуру. Технічні дані серійних ламп розжарення, виготовлених у СРСР, вказані в ГОСТ 2239-60.

Середній термін служби нормальних ламп становить 1000 год. горіння за умови підтримки незмінної номінальної напруги. При цьому наприкінці строку світловий потік, що випромінюється лампою, не повинен бути нижче 90 % номінальної величини. Істотно впливає на термін служби зміна напруги живлення лампи. При зниженні напруги живлення на 10 % світловий потік лампи зменшується на 30%, світлова віддача – на 20 %, у той час як термін служби зростає на 260 %. При збільшенні напруги живлення на 10 % світловий потік зростає на 37 %, світлова віддача – на 25%, а термін служби знижується на 60 %. Зниження напруги живлення ламп у порівнянні з номінальним призводить до того, що спектр випромінювання змінюється. При цьому предмети, що освітлюються, здаються пофарбованими в інші кольори. Наприклад, білі предмети здаються жовтими і т.д. Це явище спостерігається сильніше при малопотужних лампах. Тому важливо для нормальної експлуатації ламп мати постійну напругу в мережі, близьку до номінальної.

Крім звичайних ламп розжарення, застосовуються дзеркальні лампи, які відрізняються формою та конструкцією колби.

На внутрішній поверхні колби біля цоколя нанесений дзеркальний шар з алюмінію, а нижня частина матована. Дзеркальне покриття служить гарним віддзеркалювачем, завдяки якому більше 50 % світлового потоку, який випромінюється, направляється вниз у вигляді концентрованого снопа світла. У залежності від форми віддзеркалювальної частини колби, можна одержати лампи із глибоким або широким світлорозподіленням. Таким чином, дзеркальна лампа є одночасно джерелом світла і світильником (рис. 4.8). Застосування дзеркальної лампи без спеціальних освітлювальних арматур для освітлення виробничих цехів (внаслідок можливості механічних ушкоджень) не рекомендується. Дзеркальні лампи випускаються потужністю 100, 300, 500, 750 і 1000 Вт.

В зараз розпочатий випуск ламп розжарення з йодним циклом. У колбах таких ламп є пари йоду. Молекули йоду, стикаючись зі стінками кварцової колби, які нагріті до певної температури, з'єднуються з частинками вольфраму, що випаровуються, утворюють газоподібну речовину. Остання, доторкаючись до розпеченої нитки, розкладається на йод і вольфрам, перший знову включається в цикл роботи лампи, а вольфрам знову осідає на нитці. Цим досягається збільшення терміну служби ламп. Світлова віддача цих ламп вища, ніж у звичайних ламп розжарення.

Лампи з йодним циклом поки не одержали широкого розповсюдження через високу вартість і складність виготовлення.

Електрична лампа розжарення, залишаючись дотепер основним джерелом штучного світла, має свої переваги та недоліки.

Переваги лампи розжарення:

1) однаково нормальна робота при живленні її від джерела змінного або постійного струму;

2) практично миттєве запалювання при її вмиканні, незалежно від температури зовнішнього середовища;

3) невеликі розміри, та можливість виготовлення будь-якої форми у залежності від умов застосування;

4) невисока вартість внаслідок простоти конструкції та виготовлення;

5) простота в експлуатації.

Основні недоліки ламп розжарення:

1) значна чутливість до коливань напруги мережі;

2) незначний термін служби (близько 1000 год.);

3) низький коефіцієнт корисної дії (1,5 … 3 %);

4) незначна світлова віддача;

5) утруднення у визначення кольорів при освітленні цими лампами.

Люмінесцентні лампи

Як було з'ясовано, лампи розжарення, засновані на принципі теплового випромінювання, мають досить низький коефіцієнт корисної дії. Зусилля вчених у відкритті більш економічних джерел світла привели до створення люмінесцентної лампи, яка заснована на зовсім іншому принципі, чим лампа розжарення. У створенні люмінесцентної лампи більша заслуга радянських вчених на чолі з акад. С.І. Вавиловим.

Робота люмінесцентної лампи заснована на використанні ультрафіолетового випромінювання в парах ртуті низького тиску, які наповнюють колбу лампи, при проходженні через них електричного струму з наступним його перетворенням (за допомогою спеціальних кристалічних речовин-люмінофорів) у видиме світлове випромінювання.

Розглянемо фізичну сутність процесу запалювання люмінесцентної лампи. Зі скляної циліндричної трубки, запаяної з обох кінців, відкачене повітря, а замість нього введена невелика кількість чистого газу-аргону та крапля ртуті. На внутрішній поверхні трубки нанесений тонкий шар світлочутливого порошку – люмінофора. Газ, який знаходиться в трубці до підключення електричного струму, є гарним ізолятором, оскільки атоми та молекули газу у звичайних умовах являють собою нейтральні незаряджені частинки. Для проходження електричного струму через газ необхідно створити в ньому штучну електричну провідність, що досягається іонізацією.

Іонізацію газу можна здійснити, якщо до електродів, які розташовані з обох боків трубки, прикласти напругу, при якій між електродами виникне електричне поле. Під дією електричного поля вільні електрони і заряджені частинки – іони, що існують завжди в газі поряд з нейтральними атомами і молекулами, почнуть переміщатися в розрідженому середовищі трубки. Здобуваючи при пробігу достатню кінетичну енергію, електрони та іони при безперервному зіткненні з нейтральними атомами і молекулами газу утворюють нові електрони та іони. Такий процес іонізації газового середовища відбувається в газорозрядній лампі з холодними електродами (газосвітні лампи при напрузі 10 … 11 кВ).

У люмінесцентних лампах, виготовлених для роботи на низькій напрузі, процес іонізації газу під дією електричного поля незначний. В основному іонізація газу відбувається за рахунок вільних електронів, що випускаються електродами, нагрітими до 800° С (термоелектронна емісія). Електрони при своєму русі бомбардують нейтральні атоми газу і перетворюють їх в іони, що мають електричний заряд. Процес іонізації газу безперервно зростає, а отже, зростає його електрична провідність. Нарешті, настає момент, коли в лампі виникає електричний розряд, спочатку в атмосфері розрідженого аргону, а потім у парах ртуті, викликаючи сильне ультрафіолетове випромінювання. Падаючи на порошкоподібний світлочутливий шар люмінофора, що покриває всю внутрішню поверхню трубки, ультрафіолетове випромінювання перетворюється у видиме світлове випромінювання, що проникає через скляні стінки трубки в навколишній простір.