Разновидности газоразрядных ламп — ElectrikTop.ru

Есть источники света, работа которых основана на использовании электрического разряда в газовой среде. Это газоразрядные лампы.

В зависимости от газовой среды и принципов, используемых для получения светового потока, эти лампочки подразделяются еще на несколько видов.

Люминесцентные лампы

После лампочек накаливания это – самые распространенные осветительные приборы. Хоть в бытовых условиях они применяются нечасто, но являются лидерами при освещении помещений производственных цехов, учебных заведений и других объектов.

Принцип работы основан на зажигании и поддержании разряда внутри стеклянной трубки с парами инертного газа, куда добавлено еще и небольшое количество ртути. Инертный газ ионизируется и является поставщиком носителей заряда: электронов и ионов. Они, бомбардируют атомы ртути, сообщая им энергию. Долго удержать ее атомы не могут, практически сразу излучая излишки в виде кванта света. Причем – в ультрафиолетовом спектре.

Для преобразования ультрафиолетового излучения в диапазон, пригодный для освещения помещений, колба изнутри покрыта люминофором. При облучении ультрафиолетом люминофор светится, но уже в другом спектре. Возможны следующие оттенки свечения:

• белый,
• дневной,
• холодно-белый,
• тепло-белый.

Наиболее приближена к солнечному лампа белого света, имеющая желтоватый оттенок. У остальных увеличивается доля синего цвета свечения.

К очевидным недостаткам люминесцентных лампочек относится пульсации света с частотой 100 Гц, что компенсируется применением полупроводниковых ПРА вместо стандартных стартеров и дросселей, применяющихся для зажигания разряда и поддержания в рабочем состоянии газового промежутка.

Разновидностью люминесцентных являются так называемые энергосберегающие лампочки. Их еще называют компактными люминесцентными (КЛЛ). Размеры минимизируются за счет сворачивания длинной трубки в сложную конструкцию, а также – за счет применения полупроводникового пускорегулирующего устройства.

Подробнее про люминисцентные лампы можно почитать здесь.

Лампы ДРЛ

В некотором роде модификацией люминесцентных лампочек являются дуговые ртутные лампы (ДРЛ). Внутри них также находятся пары аргона и ртути. Они заключены в трубку, расположенную по центру стеклянной колбы, покрытой изнутри люминофором. Рабочая температура трубки довольно высокая. Чтобы она не расплавилась, ее изготавливают из кварцевого стекла, а внутреннюю полость заполняют азотом, чтобы люминофор не пострадал.

Для зажигания ДРЛ нужно, чтобы внутри трубки, называемой «горелкой», появились свободные носители зарядов. Если у люминесцентной лампочки для этого используются нити накала, подключенные к стартеру во внешней цепи, то пусковое устройство ДРЛ уже находится внутри.

У горелки ДРЛ имеются два вида электродов: основной и поджигающий, находящиеся парами по обоим ее концам. Пока не пробит основной дуговой промежуток горелки, ток проходит через небольшое по размеру пространство между основными и поджигающими электродами и добавочные резисторы, создавая в месте пробоя тлеющий разряд. За счет этого ионизируется аргон.

Как только количество носителей заряда становится достаточным, пробивается основной промежуток горелки. Ток через него ограничивается дросселем – единственным элементом внешней цепи, оставшимся от люминесцентных ламп.

Полный разогрев ДРЛ происходит за 10–15 минут. А вот после исчезновения напряжения лампа не сможет загореться до тех пор, пока горелка не остынет и в ней не снизится давление.

Лампы имеют сине-зеленый оттенок свечения, яркость очень высока, поэтому их применение ограничено наружным освещением и производственными помещениями с высокими потолками. Свет от них имеет ярко выраженные пульсации с частотой сети. Для их снижения при освещении производственных зон светильники равномерно распределяются по фазам сети питания.

Лампы ДНаТ

Похожую на ДРЛ конструкцию имеют и натриевые лампы. Сокращенное ее название – лампа ДНаТ (дуговая натриевая трубчатая). Ее излучение создают пары натрия, разогретые до высокой температуры, а не ртуть. Хотя она тоже присутствует в составе наряду с небольшим количеством ксенона, служащего для облегчения процесса запуска.

Вся эта смесь помещена внутрь кварцевой трубки, также называемой горелкой. Ее концы соединены с цоколем и герметизированы тугоплавким материалом – ниобием. Между трубкой и колбой лампы создан глубокий вакуум, чтобы снизить потери тепла.

Разогретый до большой температуры натрий, да еще и находящийся под давлением, излучает в ярко выраженном желтом свете. Для запуска лампочке необходим импульс высокого напряжения, создающийся при совместной работе импульсного зажигающего устройства (ИЗУ) и дросселя.

Используются эти лампочки при освещении дорог, городских улиц и промышленных предприятий. Из-за преобладания желтого света в спектре натриевая лампа максимально пригодна для работы в тепличном хозяйстве.

Лампы кварцевые

Еще одно направление для использования светящихся разрядов в среде газа – кварцевые лампы для дезинфекции помещения. Принцип их действия также основан на разряде в трубке из кварца, содержащей ртуть. Только теперь ультрафиолет не нужно преобразовывать, он является полезным излучением. Поэтому внутреннее люминофорное покрытие колбы отсутствует.

Ультрафиолетовая лампа при работе убивает бактерии и прочие микроорганизмы, разрушая их ДНК, или затормаживает их активность. Это свойство активно используется для обеззараживания помещений как медицинских, так и общественных, даже бытовых.

Обычная лампа для кварцевания (так сокращенно в медицинской среде принято называть процесс обработки помещений ультрафиолетом), помимо всего прочего, еще и способствует образованию озона. Так как он в больших концентрациях становится вреден, то после обработки помещение требует проветривания.

Но существуют ультрафиолетовые бактерицидные лампы, трубки которых сделаны из специального увиолевого стекла, не пропускающего длины волн, способствующих образованию озона. Их и называют «безозоновыми».

Лампы для защиты от насекомых

Еще одно применение для ультрафиолетового излучения – инсектицидные лампы. Принцип работы прибора основан на повышенном внимании насекомых к ультрафиолету: их к нему тянет. Лампа инсектицидная выполняет роль приманки. На подлете к ней насекомых поджидает неприятный сюрприз: сетка, находящаяся под напряжением.

Безэлектродные лампы

Лампа может быть газоразрядной и без электродов, между которыми происходит образование плазмы. Этот процесс можно запустить и бесконтактным способом. На этом принципе работают индукционные лампы.

Поскольку внутри баллона с газом отсутствуют металлические детали, срок службы изделия увеличивается. Разряд получается за счет ионизации газа мощным электромагнитным полем катушки индуктивности.

Лампы импульсные

Есть устройства, задача которых – выдать кратковременный световой импульс. Они используются в профессиональной фотографии и называются вспышками.

Основным элементом такого устройства является импульсная лампа. Для ее работы требуется подвести кратковременный высоковольтный импульс от мощного источника. Обычно в его роли выступает заранее заряженный конденсатор.

Лампы неоновые

Неоновые лампы – это небольшие по габаритам лампочки, применяющиеся в основном в устройствах индикации. Название пошло от газа неона, который находится в их стеклянной колбе. Оно стало нарицательным, хотя вместо него иногда применяются и другие инертные газы.

Светящийся разряд возникает сам собой, из дополнительных устройств имеется только небольшой резистор, ограничивающий ток. Ток настолько мал, что лампочка с успехом используется в однополюсных индикаторах напряжения.

Вот так многообразно используется способность некоторых газов ионизироваться и излучать свет. Но это не предел. Возможно, в скором времени будут изобретены новые способы, чтобы извлечь пользу от светящейся плазмы.

типы, устройство и принцип работы

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. Оно окружает рас 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

Искровой разрядДуговой разрядКоронный разрядТлеющий разрядЧастичный разряд

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 была известна 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.

Опыты

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.

Изучение электричестваПриручение электричества

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.

Газоразрядные лампы

Цвет свечения газоразрядных ламп не зависит от источника энергии. Газ состоит обычно из однородной массы простейших молекул в один-два атома (h3 – 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.

Виды газоразрядных ламп

Газоразрядные лампы:
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.

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.

2.2 Газоразрядные лампы

2.2.1 Лампы с излучающим газовым разрядом.Газоразрядными называют лампы, у которых оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях при пропускании через них электрического тока.они имеют по сравнению с лампами накаливания боле высокую световую отдачу и больший срок службы. Особенно они эффективны для освещения. Так, в передовых странах мира они создают более половины светового потока.световая отдача современных люминесцентных ламп достигает более 100 лм/Вт.

Ртутные лампы высокого давления имеют высокую светоотдачу (45-60 лм/Вт) и большой срок службы (10-15 тысяч часов). Они в основном используются для наружного освещения.

Подбирая соответствующее наполнение и условия разряда удается создавать высокоэффективные источники практически в любой области спектра, в том числе в ультрафиолетовой и инфракрасной. При этом можно получать излучение как в отдельных спектральных полосах, так и излучение с непрерывным спектром.

Натриевые лампы высокого давления и металлогалогенные лампы превышают по своим параметрам дуговые ртутные лампы.

Яркость газоразрядных ламп превосходит яркость ламп накаливания в десятки и сотни раз.

К первому недостатку газоразрядных ламп следует отнести сложность их включения, так как для их поджига требуется напряжение большее, чем для устойчивого горения. Для устойчивого горения необходим балласт, ограничивающий ток разряда до определенного предела. Второй недостаток – это зависимость характеристик газоразрядных ламп от температуры, от которой зависит давление паров рабочего вещества лампы. Это приводит к тому, что номинальный режим устанавливается лишь спустя некоторое время после включения. Повторное зажигание ламп с разрядом в парах металлов при высоком и сверхвысоком давлении без специальных приемов возможно только по истечении некоторого времени после выключения.

Принцип действия газоразрядных ламп основан на электрическом разряде между электродами, запаянными в прозрачную колбу. Иногда вводят дополнительные электроды для зажигания. Внутреннее пространство колбы после обезвоживания и обезгаживания заполняют инертным газом или инертным газом с небольшим количеством металла с высокой упругостью паров (ртутью, натрием). Также вводят галогениды некоторых металлов.

Для создания газоразрядных лам применяют тлеющий и дуговой разряд в газе. Вид разряда определяется параметрами элементов внешней цепи (питающее напряжение) и балластного сопротивления, типом катода, давлением газа и пара, наполняющих лампу. Тлеющий разряд горит при низком давлении газа порядка десятков миллиметров ртутного столба (несколько тысяч паскалей). Плотность тока составляет 10^-5-10^-2А/см². Дуговой разряд отличается от тлеющего высокой плотностью тока на катоде (10²-10⁴) А/см² и малым катодным падением потенциала (5-15) В. Давление газа составляет 10^-1-10⁸Па. Разрядный ток в дуговом разряде может быть от долей ампера до сотен ампер. Во всех лампах используется свечение положительного столба.

Классификация газоразрядных ламп возможна по физическим конструктивным признакам, эксплуатационным свойствам и области применения.

1 По составу газовили паровгазоразрядные лампы делятся на лампы с разрядом в газах, лампы с разрядом в парах металлов и на лампы с разрядом в парах металлов и их соединений.

2 По рабочему давлениюразличают: лампы низкого давления (10^-1-10⁴Па), лампы высокого давления (3·10⁴-10⁶Па) и лампы сверхвысокого давления (больше 10⁶Па).

3 По виду газового разрядаразличают: лампы тлеющего разряда, лампы дугового разряда и лампы импульсного разряда.

4 По области свечениясуществуют лампы свечения тлеющего разряда и лампы свечения положительного столба.

5 В зависимости от источника излучения газоразрядные лампы делят на:

газо- или паросветные, в которых излучение вызвано возбуждением атомов, молекул или рекомбинацией ионов;

фотолюминесцентные(люминесцентные), излучение в которых создают люминофоры, возбуждаемые излучением разряда;

электродосветные, в которых излучение создается раскаленными в разряде до высокой температуры электродами.

6 по форме колбыразличают трубчатые, капиллярные (в трубках малого диаметра менее 4 мм), шаровые, у которых колба шарообразная и расстояние между электродами меньше внутреннего диаметра колбы.

9 По способу охлаждениярассматривают лампы с естественным охлаждением и принудительным охлаждением.

Во многих газоразрядных лампах разрядную колбу (горелку) помещают внутрь другой колбы, которая выполняет ряд функций:

1) защищает горелку от повреждения;

2) уменьшает влияние окружающей среды на тепловой режим горелки;

3) предохраняет нагретые выводы и монтаж от окисления;

4) служит для нанесения различных покрытий.

Зажигание разряда в газоразрядных лампах возможно лишь при напряжении выше определенного значения, когда становится возможным лавинное образование зарядов в газовом межэлектродном промежутке. Это приводит к резкому возрастанию тока в течение 10^-5-10^-7с и появлению свечения. Этот процесс называется процессом зажигания собственного разряда. Напряжение зажигания зависит от рода газа, его давления, расстояния между электродами, материала и свойств катода.

Значительное влияние на напряжение зажигания самостоятельного разряда оказывает введение небольшого, а иногда и ничтожного, количества специальных добавок.

Снижение напряжения зажигания также достигается:

1. введением вспомогательного электрода, подбором газа и его давления;

2. активировкой катодов, снижающей работу выхода электронов;

3. предварительным накалом катодов, обеспечивающем термоэмиссию электронов;

4. созданием начальной ионизации в газе за счет высокочастотного разряда или радиоактивных препаратов;

5. применением проводящих полос на поверхности лампы, изменяющих распределение электрического поля.

В зависимости от типа разряда применяют холодный или накаленный катоды. Холодные катоды применяют в газоразрядных лампах тлеющего разряда. Они имеют температуру примерно 100-200 ⁰С. Эмиссия электронов в них возникает за счет бомбардировки поверхности катода положительными ионами. Такие катоды изготавливают из материалов с малым катодным распылением (сталь, никель, алюминий). Часто для снижения напряжения зажигания поверхность катода покрывают тонким слоем соединений щелочно-земельных металлов.

2.2.2 Люминесцентные лампы. Принцип действия люминесцентных ламп основан на использовании фотолюминесценции люминофора, нанесенного на внутреннюю поверхности колбы лампы, под действием ультрафиолетового резонансного излучения паров ртути при их давлении 5-10 Па. В основном применяется излучение двух линий ртути с длинами волн 253,7 и 184,9 нм. Добавка инертного газа (аргон, смеси аргона с натрием) при давлении 200-400 Па облегчает зажигание дугового разряда и повышает излучение резонансных линий ртути. На долю резонансного излучения приходится более 60 % мощности лампы, из них 55 % на долю линии 253,7 нм.

Существуют безртутные люминесцентные лампы с разрядом в инертных газах. Они нетоксичны и могут работать при низкой температуре, но имеют малый срок работы и низкую светоотдачу.

Цвет свечения люминесцентных ламп определяется составом люминофора. В основном, в качестве люминофора используют галофосфат кальция, легированный марганцем и сурьмой. При этом концентрацию марганца варьируют от 0,35 до 1,2 % по массе, а концентрация сурьмы остается постоянной и составляет 1 %. Такое варьирование состава люминофора позволяет реализовать люминесцентные лампы с различной цветовой температурой свечения. Другие люминофоры применяются для рекламных трубок. Выпускаются трубки с 17 цветовыми оттенками, что достигается смешиванием люминофоров, а также наполнением трубок неоном, аргоном или их смесью с ртутью.

2.2.3 Металлогалогенные лампы. Работа их основана на том, что галогениды многих металлов испаряются легче, чем сами металлы и не разрушают колбу. Поэтому внутрь колбы вводят галоидные соединения металлов.наиболее часто применяют галогены йода, брома, хлора. После зажигания разряда и достижение рабочей температуры галогениды переходят в парообразное состояние. Попадая в центральную зону разряда с температурой в несколько тысяч кельвинов, они разлагаются на галогены и металл. При этом атомы металла излучают характерный спектр. Диффундируя к стенкам, они снова вступают в реакцию с галогеном и так далее. Этим обеспечивается два принципиальных преимущества. Во-первых, в разряде создается достаточная концентрация атомов металла, дающих требуемый спектр излучения, так как при рабочей температуре кварцевой колбы 800-900⁰С давление паров галогенидов многих металлов значительно выше, чем у самих металлов (таллий, индий, скандий и др.). Во-вторых, появляется возможность вводить в разряд щелочные и другие агрессивные (например, кадмий, цинк) металлы, которые в чистом виде вызывают быстрое разрушение кварцевого стекла при температуре 300-400⁰С, а в виде галогенидов не вызывают таких разрушений.

Некоторые металлы дают линейчатый спектр (натрий – 589 нм, таллий – 535 нм, индий – 435 и 410 нм). Другие металлы дают спектр из густо расположенных спектральных линий, заполняющих всю видимую область (скандий, титан, диспрозий и др.). Галогениды олова дают непрерывные молекулярные спектры.

2.2.4 ксеноновые лампы. Эти лампы представляют собой стеклянные (часто из кварцевого стекла) колбы, заполненные ксеноном при высоком давлении. В них реализуется дуговой разряд с плотностью тока в десятки и сотни ампер на квадратный сантиметр. Спектр излучения ксеноновых ламп является сплошным в диапазоне от 200 нм до 2 мкм с отдельными более интенсивными полосами. В видимой области спектр близок к солнечному с цветовой температурой 6100-6300 К. В ближней инфракрасной (ИК) области в диапазоне 0,8-1 мкм имеется несколько интенсивных спектральных линий.

Возрастающая вольт-амперная характеристика позволяет обойтись для их работы малым балластом или вообще без него для длинных ламп. Параметры ламп не зависят от температуры (до минус 50 ⁰С), но их работа зависит от магнитных полей.

Из всей мощности ксеноновых ламп излучение составляет 40 %. Около 9 % излучается в ультрафиолетовой области, 35 % – в видимой и 56 % в ближней ИК-области. Световая отдача составляет 30 лм/Вт. В лампах с малым расстоянием между электродами удается получить яркость 10⁹кд/м². Излучение таких ламп хорошо модулируется током с частотами до десятков килогерц.

Обычно при их работе используется вертикальное положение: анодом вверх, так как при этом конвективный поток газа и поток электронов направлены в разные стороны, благодаря чему достигается более устойчивое горение лампы. Тепловой режим практически не оказывает влияние на электрические и световые характеристики ламп.

Меры предосторожности при работе с ксеноновыми лампами обусловлены их взрывоопасностью даже при отсутствии питающего их тока, так как ксенон в их колбе находится под большим давлением, не менее 0,3-0,5 Мпа.

Ксеноновые лампы применяются в качестве осветительных приборов в киноаппаратах, в качестве источников накачки в твердотельных лазерах. В последнее время они находят широкое применение в качестве автомобильных ламп.

Типы газоразрядных ламп: ртутные, металлогалогенные и натриевые лампы

Сегодня практически не используются для уличного освещения лампы накаливания, поскольку их вытеснили эффективные газоразрядные лампы. В чем же их преимущество? Какую пользу они несут человеку? Постараемся найти объективные ответы.

Перейти в раздел «Газоразрядных ламп».

Характеристики газоразрядных ламп по типу

Научный мир существенно расширил ассортимент осветительных приборов. Одни из самых функциональных и экономичных — разнообразные газоразрядные лампы.

С начала их серийного производства, то есть на протяжении последних 40 лет, на рынке не появилось осветительных устройств, способных превзойти их по технико-экономичным показателям.

Они в зависимости от химического наполнения подразделяются на следующие виды:

1. Ртутные лампы.
2. Металлогалогенные лампы.
3. Натриевые лампы.

Ртутные лампы

Ртутные лампы дают белый свет с интенсивным ультрафиолетовым излучением. В основном их применяют для освещения помещений большой площади, улиц и площадей, поскольку они отличаются средним коэффициентом цветопередачи, минимальной энергоэффективностью и длительным сроком службы — 10000 и более часов.

При аналогичной с лампами накаливания электрической мощности, ртутные лампы обладают в 4-6 раз большей световой отдачей и позволяют улучшить общее освещение, снизив потребление энергии до 83%. При этом изделия недорого стоят, что делает их идеальным решением для людей, стремящихся к экономии денежных средств.

Различают ртутные люминесцентные лампы низкого (ДРВ) и высокого (ДРЛ) давления, используемые в световой рекламе, подсветке фасадов зданий или местном освещении рабочих мест.

Перейти в раздел «Ртутные лампы».

Металлогалогенные лампы

Этот вид газоразрядных ламп отличается наличием галогенидов металлов в парах ртути, которые и корректируют спектральные показатели устройства.

Благодаря их высокому коэффициенту цветопередачи и энергоэффективности, достигаемой до 100 лм/Вт, металлогалогенные лампы прекрасно зарекомендовали себя на открытых пространствах в качестве сценической, архитектурной или спортивной подсветки.

Они постепенно вытесняют ртутные источники света, поскольку излучают свет, близкий по своему спектру к дневному, и обладают более длительным сроком работы — до 15000 часов.

Перейти в раздел «Металлогалогенные лампы».

Натриевые лампы

Главная особенность натриевых ламп — газовый разряд, который появляется в лампе при ее включении. Данные устройства имеют высочайшую светоотдачу — до 100-120 лм/Вт и самый большой среди семейства газоразрядных ламп срок службы, составляющий 32000 часов.

Но, не смотря на высокую эффективность натриевых ламп, их работа напрямую зависит от температуры окружающей среды. Поэтому эти источники света имеют специальную колбу из боросиликатного стекла, которая выдерживает разрушительное воздействие натрия и поддерживает постоянную температуру.

Перейти в раздел «Натриевые лампы».

Газоразрядные лампы — технологии, проверенные временем

В условии постоянно растущих тарифов на электроэнергию, удорожания осветительной арматуры и комплектующих, не стоит забывать о проверенных газоразрядных лампах.

В стране доброго света ДАРИОН представлены разнообразные модели, наиболее эффективные в области энергосбережения.

Газоразрядные лампы. Типы и их применение.

Газоразрядная лампа – разновидность искусственного источника света, физической основой свечения которого выступает электрический разряд в газах либо парах металла. Благодаря линейному спектру излучения такие лампы изначально использовались в случаях, когда требовалось получение определенного спектрального излучения. Таким образом, появилась огромная номенклатура таких устройств, предназначенных для использования в научно-исследовательских приборах и профессиональной аппаратуре.

Особенность газоразрядных ламп является создания яркого ультрафиолетового излучения, высокая химическая активность и биологическое действие, обусловили их широкое применение в химической, полиграфической промышленности и в медицине.

Внедрение технологии использования люминофоров, позволяющей создать источник света с непрерывным свечением в видимой области, предоставило возможность отказаться от использования привычных ламп накаливания и предопределило перспективу внедрения газоразрядных источников в осветительных установках различного типа и назначения.

Безинерционность газового разряда позволяет использовать их в фото-, вычислительной технике, создавать лампы накаливания, способные генерировать в кратковременном световом импульсе достаточно мощную световую энергию. Также широкое распространение они получили при освещении зданий, витрин, декоративной подсветке тротуаров, художественном оформлении кинотеатров, ресторанов и т.п.

Классификация газоразрядных ламп

Подобно лампам накаливания газоразрядные источника света различаются сферой применения, типом разряда, внутренним давлением, видом газа либо паров металла, применением люминофора. В соответствии с классификацией заводов-производителей они также отличаются характерными особенностями конструкций, к которым относятся форма, размеры колбы, используемые материалы и конструкция электродов, внутреннее исполнение цоколя и выходов.

Другими словами, признаков классификация газоразрядных ламп достаточно много, из-за чего может возникнуть путаница. Поэтому внедрен определенный список, в соответствии с которым их и различают, в него входят:

1. Вид внутреннего газа (газы, пары металлов или их комбинации – ртуть, ксенон, криптон, натрий и пр).

2. Внутреннее рабочее давление (лампы сверхвысокого давления — 106 Па и более, высокого –3 × 104 — 106 Па, низкого – 0,1 — 104 Па).

3. Вид внутреннего разряда (тлеющий, дуговой, импульсный).

4. Форма колб бывает: Ш – шаровой, Т – трубчатой.

5. Исходя из метода охлаждения их делят: на устройства с принудительным, естественным и водяным охлаждением.

6.Если в обозначении присутствует буква Л, то это означает, что на колбу был нанесен люминофор.

Плюсы и газоразрядных ламп

Преимущества:

— превосходная эффективность;

— продолжительный срок службы;

— экономичность.

Недостатки:

— относительно большие габариты;

— потребность в комплектации пускорегулирующей аппаратурой, что обуславливает её более высокую стоимость в сравнении с лампами накаливания;

— продолжительный выход на рабочий режим;

— чувствительность к перепадам и скачкам напряжения;

— использование при их изготовлении токсических компонентов, что обуславливает необходимость проведение определенного порядка утилизации;

— мерцания, звуковое сопровождения во время работы.

Газоразрядные источники света

В сравнении с тепловыми лампами, газоразрядные конструктивно сложнее. Но получение света с их участием экономичнее и продолжительнее.

К газоразрядным источникам света, также называемым просто разрядными, относятся все виды люминесцентных ламп (компактные и безэлектродные в том числе), металлогалогенные и натриевые лампы, а также ксеноновые и неоновые лампы. Все газоразрядные лампы можно разделить на три группы:

• лампы низкого,
• высокого
• и сверхвысокого давления.

Эти группы очень сильно отличаются по физическим свойствам протекающих в них процессов, характеристикам, сферам использования. В чем же основные отличия газоразрядных ламп от тепловых?

В чем же основные отличия газоразрядных ламп от тепловых?

Тепловые лампы формируют свет за счет накаливания вольфрамовой нити до высоких температур, а газоразрядные лампы образуют свет в результате возникновения электроразряда между электродами. Спектральные параметры возникающего при этом света зависят от свойств газа, в котором возникает электрический разряд.

Яркость света обусловлена помимо состава газа его давлением и мощностью разряда. Многообразие газоразрядных источников огромно, однако есть два важных нюанса, которые объединяют все эти лампы в одну группу.

Из курса физики всем известен закон Ома, гласящий, что напряжение на любом устройстве, по которому протекает ток, вычисляется умножением тока на сопротивление этого устройства. Следовательно, при увеличении тока будет увеличиваться и напряжение на устройстве.

• Закону Ома следуют все электроприборы, такие как лампы накаливания, электродвигатели, электропечи и т.д. Все, за исключением газоразрядных приборов. В них, в отличие от других устройств, напряжение при увеличении тока не повышается, а снижается.

Зависимость напряжения в газоразрядных приборах называется вольтамперной характеристикой. Кроме свойства снижения зависимости напряжения от тока существует еще одна характерная черта разряда в газах:

• существование переломной точки, при достижении которой зависимость напряжения от тока снижается. Показатель напряжения в этой точке связан с большим количеством факторов: расстояния между двумя электродами; типа газа, в котором происходит разряд и его давления; степени нагревания электродов; влияния других ионизирующих лучей (радиоактивного, рентгеновского и т.д.).

Во время работы разрядной лампы значение напряжения на ней гораздо меньше общего сетевого напряжения. Но для возникновения разряда на электроды должно податься напряжение как минимум соответствующее напряжению в переломной точке, которое называется напряжением возникновения разряда, или напряжением зажигания. Напряжение на работающей лампе называется напряжением горения.

Необходимость дополнительного оборудования

Снижающийся характер вольтамперной характеристики газоразрядных ламп говорит о том, что без ограничения разрядного тока он будет повышаться вплоть до выхода прибора из строя. Эти особенности, наряду с наличием высокого напряжения возникновения разряда, и являются теми двумя нюансами, которыми разряд в газах отличается от других устройств. Из-за этих нюансов газоразрядные лампы не подключаются к сети напрямую, как в случае с лампами накаливания. Для запуска и нормальной работы газоразрядной лампы требуется дополнительная аппаратура, выполняющая две важные задачи: подает нужное напряжение, соответствующее напряжению зажигания, и ограничивает ток разряда нужного уровня.

Процесс образования света в разрядных лампах независимо от величины давления газа в колбе не может быть обеспечен без использования дополнительных устройств. Они ограничивают разрядный ток и подают необходимое напряжение зажигания.

Газоразрядная лампа: история, виды, современное положение

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.

Барометр Пикара

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.

Модель электростатического генератора Герике

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:

1. Наэлектризованный шар притягивает тела.
2. 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.

Опыты Фрэнсиса Хоксби

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.

Лампа Гейслера

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.

Современная лампа

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.