Ртутные лампы высокой интенсивности

Среди различных разрядных источников света лампы с разрядом в парах ртути получили наиболее широкое применение. Это объясняется тем, что с помощью ртутного разряда удается создавать источники излучения в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра, обладающие высокой яркостью. Пары ртути химически малоактивны и почти не взаимодействуют с материалом колбы и электродов.

Существуют ртутные лампы высокого давления (ВД) и сверхвысокого давления (СВД).

Трубчатые лампы ВД в колбах из тугоплавких, в основном кварцевых, стекол с естественным, реже воздушным охлаждением, используют главным образом в различных об-лучательных установках, как эффективные источники излучения в ультрафиолетовой и видимой областях спектра.

Лампы СВД существуют пяти видов:

1)капиллярные с принудительным охлаждением (в настоящее время применяют крайне редко);

2)ртутные шаровые типа ДРШ;

3]трубчатые ртутные с давлениями от 2 • 10⁵ до 5 -10⁵ Па,

4)лампы типа ДРЛ в колбах, покрытых слоем люминофора;

5)ртутно-накальные с вольфрамовой спиралью в колбе.

Первоначально разряд происходит при низком давлении паров ртути, которое определяется температурой лампы в момент возникновения разряда. По мере разогревания колбы и испарения ртути повышается давление ее пара и вместе с тем изменяются характеристики разряда: поток излучения, световая отдача и яркость. Процесс завершается полным испарением ртути и стабилизацией характеристик разряда. Время разгорания определяется скоростью установления теплового режима колбы и обычно составляет несколько минут

(рис.27, где Фл - световой поток; Рл -мощность; Uл - напряжение лампы; I - ток лампы).

Таблица 1

Таблица 2

Таблица 3

Трубчатые лампы ВД. Они представляют собой цилиндрическую трубку из кварцевого стекла с впаянными по концам активированными самонакаляющимися электродами. В лампу вводят небольшое строго дозированное количество ртути, и аргон при давлении от нескольких сот до нескольких тысяч паскалей. Аргон служит для облегчения зажигания разряда и защиты катодов от разрушения в начальной стадии разгорания. Основные параметры ламп, выпускаемых промышленностью, приведены в

табл.1, где Р - номинальная мощность; U - напряжение на лампе; I - силатока; D - диаметр разрядной трубки; L - габаритная длина лампы; S - диапазон спектра; ñ - поток излучения в указанном диапазоне; Т - средний срок службы.

Внешний вид некоторых ламп типа ДРТ показан на

рис.28,а. включение в сеть - по схеме на

рис.28,6 Для облегчения зажигания служит узкая металлическая полоска, соединенная с конденсатором С1 емкостью 300-500 пФ. Зажигание осуществляется кратковременным нажатием ключа S.

Шаровые лампы СВД типа ДРШ. Особенностью ламп этого типа является высокая яркость при удобной форме светящегося тела, доходящая до 150-200 Мкд/м . Лампы представляют собой толстостенную (2-3 мм) кварцевую колбу, в которую с противоположных сторон впаяны два вольфрамовых активированных электрода (иногда впаян еще зажигающий электрод в виде вольфрамовой проволочки -

рис.29). Лампы заполнены строго дозированным количеством ртути и инертным газом, обычно аргоном. Основные параметры ламп, выпускаемых промышленностью, приведены в

табл.2, где Р - номинальная мощность; U - напряжение на лампе (знак"+" означает постоянное напряжение, ~ - переменное); I -сила тока; D - внешний диаметр колбы; L - габаритная длина лампы; Q - световая отдача,

Схемы включения ламп показаны на

рис.30: а - с зажигающим электродом;

б - без зажигающего электрода; 1 - дроссель; 2 -лампа; 3 - зажигающий электрод; 4 - зажигающее устройство; 5 - резистор).

Лампы типа ДРЛ с люминофором. Лампы типа ДРЛ благодаря высокой световой отдаче (45.„60 лм/Вт), большому сроку службы (15-20 тыс.ч), удовлетворительной цветопередаче и возможности работы в стандартных электрических цепях с напряжением 220 В получили широкое применение для промышленного и наружного освещения. Применение люминофоров позволило улучшить качество цветопередачи в красной части спектра. Внешний вид лампы показан на

рис.31, где 1 -внешняя стеклянная колба; 2 - слой люминофора; 3 - разрядная трубка из кварцевого стекла; 4 - рабочий электрод; 5 - зажигающий электрод; 6 - ограничительные резисторы в цепи зажигающего электрода; 7 - экран; 8 -ртуть; цифры справа на колбе указывают температуру колбы. Основные параметры ламп, выпускаемых промышленностью, приведены в

табл.3, где Р - номинальная мощность; L) -напряжение на лампе; I - сила тока; D1 - диаметр горелки; D2 - диаметр внешней колбы; L1 - полная длина горелки; L2 - полная длина лампы; Т - средняя продолжительность горения.

Ртутно-накальные лампы. В этих лампах вольфрамовая спираль включается последовательно с ртутной лампой ВД и используется одновременно в качестве дополнительного источника излучения в красной части спектра и в качестве балластного сопротивления, благодаря чему отпадает необходимость в дросселе. Кварцевая ртутная лампа и вольфрамовая спираль смонтированы в общей стеклянной колбе с нормальным резьбовым цоколем

(рис.32, где 1 - внешняя колба; 2 - разрядная трубка; 3 - вольфрамовая спираль; 4 - отражающее покрытие на внутренней стороне внешней колбы; 5 - керамическая деталь для крепления; 6 - ограничительный резистор; 7 - экран). Лампу включают непосредственно в цепь переменного тока напряжением 220 В, что весьма удобно. Однако световая отдача этих ламп ниже, чем у ртутных ламп ВД, и составляет 18...20 лм/Вт.

Промышленность выпускает ртутно-накальные лампы мощностью 160, 250 и 750 Вт под маркой ДРВЭ и ДРВЭД. Световые отдачи ламп составляют от 10 до 20 лм/Вт. Срок службы - от 1,5 до 3 тыс. ч.

Металлогалогенные лампы

В конструктивном отношении металлогалогенные лампы (МГЛ) подобны различным типам ртутных ламп ВД и СВД. Принципиальное различие заключается в том, что внутрь разрядных колб МГЛ кроме ртути и аргона (или другого инертного газа) дополнительно вводят определенные элементы, обычно металлы, но не в чистом виде, а в форме химических соединений. В результате этого удается в широких пределах изменять спектр излучения разряда. К химическим соединениям предъявляют множество различных, порой противоречивых требований. В наибольшей мере этим требованиям удовлетворяют йодистые соединения, по крайней мере, 40 элементов. Для осветительных ламп чаще всего применяют йодиды натрия, таллия и индия (тройная смесь).

С точки зрения применения можно выделить следующие группы МГЛ: для общего освещения, с улучшенным качеством цветопередачи и для специальных применений.

Таблица 4

МГЛ имеют маркировку ДРИ - дуговая ртутная с излучающими добавками. Далее следуют буквы, обозначающие конструктивные особенности: 3 - зеркальная, Ш - шаровая и т.п., цифры обозначают мощность в ваттах, затем через дефис следует номер разработки.

Металлогалогенные лампы для общего освещения. Лампы с наполнением тройной смесью имеют высокую световую отдачу, достаточно большой срок службы и обеспечивают приемлемое качество цветопередачи. На

рис.33 приведен спектр излучения ламп с тройной смесью.

По конструкции эти лампы подобны лампам ДРЛ. Горелки имеют форму трубок, но более коротких, чем у ДРЛ. В качестве внешних колб обычно используют стандартные колбы ламп ДРЛ без люминофорного по-

крытия. Общий вид ламп этого типа показан на

рис.34 (а - лампа 400 Вт в эллипсоидальной внешней колбе; б - лампа 2000 Вт в цилиндрической внешней колбе; в - электрическая схем включения; 1 - пружинящие распорки; 2 - разрядная трубка; 3 - основные электроды; 4 - зажигающий электрод; 5 - утепляющее покрытие; 6 - ограничительное термостойкое сопротивление ЗЭ; 7 термобиметаллическое реле, отключающее ЗЭ после включения лампы), а основные параметры приведены в

табл.4, где Р - мощность лампы; U - напряжение на лампе; I - ток лампы; D - диаметр внешней колбы; L - полная длина лампы; Q - световой поток; Т -средняя продолжительность горения.

Положение горения оказывает существенное влияние на характеристики ламп, поэтому данные в табл.4 являются ориентировочными (цифры после дефиса обозначают модификацию: 5 - для работы в любом положении; 6 - для работы в горизонтальном положении).

Недостатком ламп этого типа является значительный разброс по цветности между отдельными лампами в зависимости от положения горения.

Время разгорания ламп 2-5 мин. Время повторного зажигания определяется скоростью ее остывания и в зависимости от мощности лампы, ее конструкции и схемы включения меняется от 3 до 20 мин.

Металлогалогенные лампы с улучшенным качеством цветопередачи для специального и общего освещения. В МГЛ этого типа в качестве добавок используют галогениды иттри-евой группы. Лампы имеют световую отдачу от 65 до 100 лм/Вт.

Для цветного телевидения выпускают линейные МГЛ типа ДРИ и шаровые МГЛ типа ДРИШ. Эти лампы ввиду исключительно хорошего качества цветопередачи с успехом применяют для освещения демонстрационных залов, выставок и др. Характеристики этих ламп приведены в

табл.5, в которой обозначения те же, что и в табл.4.

Спектр ламп этого типа приведен на

рис.35.

Металлогалогенные лампы для специальных применений. Существует большое число самых различных областей применения, для которых необходимы эффективные источники излучения, сосредоточенного в той или иной области спектра.

Погружные источники излучения для фотохимии обычно предназначены для работы в жидкой или газообразной среде, в которую они погружаются. Например, разработана серия монохроматических облучателей для фотохимии

(рис.36,а), для производства лак-тамов разработаны облучатели с ртутно-тал-лиевой МГЛ мощностью 10 и 20 кВт с излучением в области 530-580 нм

(рис.36,б-г)

МГЛ с излучением в ультрафиолетовой области являются эффективными источниками для многих поверхностных фотохимических процессов. По конструкции они подобны ртутным трубчатым лампам ВД в кварцевых колбах. В качестве излучающих добавок применяют GaJ₃. Режим разряда подобран таким образом, чтобы получить максимальное излучение в области 350-450 нм. Лампы выпускают на мощности от 400 до 3000 Вт.

Схемы включения и режимы работы МГЛ. Вследствие более высоких напряжений зажигания и перезажигания МГЛ, чем у ртутных ламп ВД, для эффективной работы МГЛ в сетях 220 В, 50 Гц необходимы специальные схемы включения и пускорегулирующая аппаратура, обеспечивающие надежное зажигание и перезажигание ламп.

Включение стандартных ламп с натрий-скандиевым заполнением допускается только через пиковый трансформатор с большим магнитным сопротивлением и щелевыми зазорами в магнитопроводе, которые обеспечивают создание пика напряжения каждые полпериода

(рис.37).

Работа в сети 220 В с обычными дросселями от ламп ДРЛ и импульсными зажигающими устройствами менее эффективна. Вначале лампы работают нормально, но со временем начинают гаснуть в периоде разгора-ния, что связано с появлением свободного йода.

На надежности зажигания и перезажигания сильно сказываются снижение напряжения сети, низкие окружающие температуры, ухудшение эмиссионной способности катодов.

С увеличением питающего напряжения эффективность МГЛ, работающих с обычными индуктивными балластами, улучшается. При эффективном напряжении 380 В лампы с натрий-скандиевым наполнением могут надежно работать в помещениях с плюсовой температурой.

Во всем мире ведутся интенсивные исследования по дальнейшему повышению световой отдачи и улучшения качества цветопередачи металлогалогенных ламп.

Натриевые лампы высокого давления

Исследования, проведенные в начале 60-х годов, показали, что при добавлении натрия в обычную 400-ваттную ртутную лампу ВД в кварцевой колбе световая отдача достигает 100 лм/Вт при значительно лучшем качестве цветопередачи. Однако срок службы этих экспериментальных ламп оказался крайне мал из-за разрушения кварца парами натрия.

Применение для оболочек ламп нового материала, представляющего собой керамику из поликристаллического оксида алюминия высокой степени чистоты, потребовало разработки технологии производава тонкоаенных трубок, принципиально новых конарукций вакуумно-плотных вводов, а также решения других проблем, которых в ламповом производаве до этого не возникало. В результате весьма большой работы были созданы натриевые лампы ВД со световыми отдачами от 90 до 130 лм/Вт на сроки службы 10-20 тыс.ч. Такие лампы находят широкое применение в уаановках наружного освещения.

Таблица 6

На

рис.38 показан общий вид типичной натриевой лампы высокого давления (НЛВД), где 1 - керамическая заглушка; 2 - керамическая светопропускающая трубка; 3 - внешняя колба из тугоплавкого аек-ла; 4 - электрод; 5 - ниобиевый штенгель, содержащий амальгаму натрия; 6 - бариевый геттер; 7 - цоколь. Горелка обычно предаавляет собой трубку диаметром от 6 до 12 мм из поликриааллического оксида алюминия высокой аепени чиаоты. Материал обладает высоким светорассеянием и поэтому имеет вид матового стекла, однако общее светопропускание его доаи-гает 90-92%. Концы трубки вакуумно-плот-но закрыты металлическими колпачками из ниобия или керамическими заглушками с ниобиевыми вводами, на которых закреплены вольфрамовые активированные электроды. После тщательной вакуумной обработки внутрь разрядной трубки вводят амальгаму натрия и инертный газ. Готовые горелки монтируют внутри аеклянных колб, откачанных до высокого вакуума. Наиболее распространены прозрачные колбы цилиндрической или полуовальной формы.

Лампы, как правило, не имеют зажигающих электродов, и для их зажигания необходим импульс напряжения от 2 до 4 кВ. Разработаны также лампы, которые зажигаются непосредавенно от сети 220 В, но их световая отдача на 20-25% ниже обычной.

После зажигания разряда происходит поаепенное разогревание разрядной трубки, повышается давление паров натрия и ртути, растет напряжение на лампе и ее яркость. Цвет излучения постепенно переходит из чисто желтого в оранжево-желтый. На

рис.39 показан спектр излучения НЛВД мощностью 400 Вт.

Основные типы НЛВД и их характеристики. НЛВД выпускают во внешних колбах трех модификаций

(рис.40): в цилиндрических или слабоовальных прозрачных внешних колбах (тип ДНаТ - рис.40,а,г), во внешних колбах от ламп типа ДРЛ со светорас-сеивающим матовым покрытием, предназначенных для применения в светильниках для ламп ДРЛ (тип ДНаТмт - рис.40,6), в кварцевых трубчатых колбах софитного типа с двумя цоколями по концам (тип ДНаТсф - рис.40,в), предназначенных для работы в прожекторах заливающего света. Основные параметры ламп приведены в

табл.6, где Р - мощноаь лампы; U - напряжение питания; 11л - напряжение на лампе; I - сила тока; Q - световой поток; К - форма и диаметр колбы (ц - цилиндрическая, эл - эллипсоидальная); L - полная длина лампы; Т - продолжительность горения.

Напряжение зажигания ламп типа ДНаТ 2-3 кВ. Величина зажигающего импульса зависит от расстояния между электродами и соответственно мощности ламп

(рис.41). В специальных типах ламп, содержащих вместо ксенона смесь Пеннинга, специальные вспомогательные полоски и металлические кольца, напряжение зажигания снижено до 180 В, так что они зажигаются непосредственно от сети, но их световая отдача на 20-25% ниже, чем у стандартных ламп.

Время разгорания ламп 2-3 мин. Повторное зажигание лампы в пределах минуты после внезапного отключения, пока пары натрия еще не сконденсировались, намного ниже, чем у других разрядных ламп. У современных НЛВД мощностью 400 Вт спад светового потока составляет 20% за 15-16 тыс.ч при 10-часовом цикле горения. При непрерывном режиме работы продолжительность горения возрастает в 2 раза, а при 5-часовом цикле работы - на 30% меньше, чем при 10-часовом.

Схемы включения НЛВД. Самым простым решением вопроса зажигания НЛВД было бы использование стартеров тлеющего разряда. Эти стартеры способны работать при токе 1-5 А, но их нельзя подключить параллельно лампе, так как при токе 5-6 А, который проходит через относительно низкоомный балластный дроссель при замыкании контактов стартера, последний может быть разрушен. На

рис.42 приведены два варианта схемы для устранения этого недостатка. В первом (рис.42,а) последовательно со стартером включена лампа накаливания мощностью 150 Вт на напряжение 220 В, выполняющая роль то-коограничивающего сопротивления. Можно также использовать последовательное включение со стартером конденсатора и резистора (рис.42.6). Но эти схемы пригодны только при сравнительно небольших напряжениях зажигания.

Для получения более высоких напряжений используют схемы с тиристором. В схеме

рис.43 в один из полупериодов напряжения питания конденсатор С1 заряжается через диод VD1 до амплитуды напряжения питания. В следующий полупериод открывается тиристор VS1, и в контуре, образованном дросселем и конденсатором С1, возникают колебания с частотой, много большей частоты напряжения питания. Экспериментальная проверка схемы показала, что ток в контуре прекращается после 2-3 циклов колебаний общей длительностью около 300 мкс. В течение этого времени высокое напряжение около 2000 В появляется на конденсаторе С1 и оказывается на лампе. Конденсатор С2 предназначен для повышения cos.